Venlo型玻璃溫室夏季遮陽降溫效果

袁培　劉子揚　黨奧飛　常宏旭

摘要：針對夏季氣候條件下的Venlo型玻璃溫室在河南省鄭州地區(qū)進行試驗研究，通過3次降溫試驗的溫度測量和采集計算降溫速率和溫度分布的離散程度，對比分析溫室在單獨開啟內(nèi)、外遮陽系統(tǒng)或內(nèi)外遮陽系統(tǒng)同時開啟的情況下室內(nèi)溫度變化和分布情況。結(jié)果表明，內(nèi)外遮陽裝置同時開啟后室內(nèi)降溫效果較為明顯，內(nèi)遮陽裝置單獨開啟時室內(nèi)溫度分布較為均勻，指出了3種遮陽方式的優(yōu)劣點所在，總結(jié)出遮陽網(wǎng)開啟方式與溫室內(nèi)降溫效果的內(nèi)在聯(lián)系和量化結(jié)果。研究結(jié)果可為河南地區(qū)夏季設(shè)施栽培提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遮陽方式;玻璃溫室;降溫效果;室內(nèi)溫度分布

中圖分類號：S625.5 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）08-0225-05

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的今天，日光溫室由于其能為作物提供適宜穩(wěn)定的生長環(huán)境而且可以大幅提升作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，已經(jīng)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要類型。改革開放以來，社會對農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控尤為重要，溫室內(nèi)的溫度、濕度、光照度等因素都能對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生較大影響[1]。而時至酷夏，河南省、安徽省等華中大部分地區(qū)氣候異常炎熱，溫室內(nèi)平均溫度常常能夠達到45 ℃以上，這在很大程度上限制了植物的正常生長[2]。因此，日光溫室的降溫問題備受人們關(guān)注。

傳統(tǒng)的Venlo型溫室大部分都配備有基礎(chǔ)的開窗機構(gòu)和遮陽系統(tǒng)，這些設(shè)施在一定程度上緩解了夏季溫室內(nèi)持續(xù)高溫的問題[3]。遮陽網(wǎng)具有良好的遮光、降溫、保濕等功能，而且操作簡便，價格低廉，通常安裝在溫室的內(nèi)部和外部[4]。近年來，相關(guān)學(xué)者基于不同方面作出了研究。宋兵偉等以新疆地區(qū)連棟溫室為對象，對5種不同組合的覆蓋材料進行了采暖熱負荷對比試驗，結(jié)果表明采用南立面覆蓋材料選用雙層中空4 mm浮法玻璃，其他部位覆蓋材料均選用10 mm陽光板具有較好的節(jié)能保溫性[5];張偉建等為研究遮陽網(wǎng)對屋頂全開型溫室夏季降溫的影響，建立屋頂全開型溫室的計算流體動力學(xué)（CFD）模型，分析了增加外遮陽網(wǎng)后的溫室內(nèi)溫度場[6];張日新等對側(cè)遮陽系統(tǒng)在現(xiàn)代化溫室中的應(yīng)用進行了研究[7]。目前，大部分研究都是基于內(nèi)遮或外遮單因素考慮，而遮陽網(wǎng)的內(nèi)外單獨開啟或組合開啟對溫室內(nèi)降溫效果的影響還未有全面的研究。

本研究以河南省鄭州地區(qū)鄭州輕工業(yè)學(xué)院內(nèi)1棟Venlo型玻璃溫室為試驗對象，測量溫室在遮陽網(wǎng)不同開啟方式下的溫度變化和分布，分析遮陽網(wǎng)在不同開啟方式下溫室的降溫規(guī)律，進一步尋求遮陽網(wǎng)開啟方式與溫室內(nèi)降溫效果的內(nèi)在聯(lián)系和量化結(jié)果，以期為河南地區(qū)夏季設(shè)施栽培提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗對象

降溫試驗在鄭州輕工業(yè)學(xué)院內(nèi)1棟Venlo型玻璃溫室內(nèi)進行（圖1），溫室長16 m、寬7.2 m、高2.6 m，溫室的脊向為南北走向，共兩跨，脊肩高2.6 m，脊高3.3 m。溫室主體結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)鋼，溫室四周圍護玻璃為雙層中空浮法玻璃，屋頂覆蓋材料為8 mm陽光聚碳酸酯（PC）板，配備濕簾-風(fēng)機降溫系統(tǒng)以及內(nèi)外遮陽機構(gòu)。

內(nèi)遮陽系統(tǒng)由控制箱、三相減速電機、自驅(qū)動聯(lián)軸器、傳動機構(gòu)以及內(nèi)用遮陰幕線、幕布組成，安裝在溫室內(nèi)部距屋脊0.5 m處;外遮陽系統(tǒng)由控制箱、三相減速電機、拉幕齒輪齒條、齒條推拉桿、支撐吊輪以及外用遮陰幕線、幕布等組成，安裝在溫室外部距屋脊0.5 m處。

1.2試驗方法

為完整地測量和記錄溫室1 d內(nèi)的溫度變化情況，在距地面0.5、1.0、1.5 m 3個不同高度（高度1、高度2、高度3）的平面內(nèi)，每個平面布置9個測量點，在距溫室西墻1.0 m、距地面1.2 m處布置室外溫度測量點，各測量點布置情況見圖2、圖3。

本試驗采用T型熱電偶（圖4）進行溫度采集，采用NI儀器（圖5）采集測量信號，數(shù)據(jù)采集儲存間隔時間設(shè)置為 0.5 h，測量時間為09：00—17：00。

在測量開遮陽網(wǎng)后的室內(nèi)溫度變化時先將溫室開窗通風(fēng)至室內(nèi)外溫度相對平穩(wěn)狀態(tài)下，再展開內(nèi)或外遮陽系統(tǒng)進行測量。為保證變量的唯一性，在進行試驗前關(guān)閉溫室內(nèi)的濕簾-風(fēng)機降溫系統(tǒng)，同時緊閉門窗，只通過遮陽機構(gòu)的運行實現(xiàn)內(nèi)部降溫。溫室遮陽系統(tǒng)開啟實物見圖6、圖7。

2結(jié)果與分析

本試驗進行時間為2018年6月1—10日，共10 d，試驗期間無陰雨天氣出現(xiàn)。

2.1無遮陽情況下溫室內(nèi)溫度變化趨勢

在室外晴朗的天氣條件下，保持內(nèi)、外遮陽系統(tǒng)的合攏狀態(tài)，測量記錄溫室內(nèi)溫度1 d的變化情況，試驗數(shù)據(jù)見圖8～圖10。為分析室內(nèi)溫度分布均勻程度，選取植物生長高度面（距地面0.5 m）的各點測量數(shù)據(jù)作平均值進行離散分析（圖11）。

在沒有遮陽機構(gòu)開啟的情況下，溫室內(nèi)溫度在陽光照射下絕大多數(shù)時刻均處于持續(xù)上升的趨勢。在將溫室開窗通風(fēng)至室內(nèi)外溫度相對平穩(wěn)狀態(tài)下進行試驗后，09：30時高度1水平面室內(nèi)外最大溫差便已達到4.9 ℃。隨著太陽輻射持續(xù)增加，在15：00時，室外溫度達到1 d內(nèi)的最高值，為 39.4 ℃， 而測點A4處的室內(nèi)溫度達到了1 d內(nèi)的最高值，為57.9 ℃，室內(nèi)外溫差為18.5 ℃。除15：00后隨室外溫度的降低有最高2.7 ℃的降溫外，在整個測量過程中室內(nèi)溫度均沒有明顯的下降情況，直至17：00試驗結(jié)束，室內(nèi)各測點溫度也均在50 ℃以上。

在無遮陽條件下，各個高度的溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在16：30，相差2.3 ℃，各測錄時刻的平均偏差為 1.4 ℃;東西方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在 14：30，相差3.1 ℃，各測錄時刻的平均偏差為1.9 ℃;南北方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在09：30，相差 2.9 ℃，各測錄時刻的平均偏差為1.6 ℃。

2.2內(nèi)遮陽情況下溫室內(nèi)溫度變化趨勢

在室外晴朗的天氣條件下，保持內(nèi)遮陽系統(tǒng)展開，外遮陽系統(tǒng)合攏的狀態(tài)，測量記錄溫室內(nèi)溫度1 d的變化情況，試驗數(shù)據(jù)見圖12至圖15。

在內(nèi)遮陽系統(tǒng)單獨開啟的情況下，由于室外陽光的直射經(jīng)過外頂棚后受到室內(nèi)遮陽布的遮蔽，而溫室內(nèi)的內(nèi)頂棚上方依然接收到大量的熱量，室內(nèi)溫度在10：00內(nèi)遮陽系統(tǒng)展開后只有小幅度的降低， 測點A4處降溫幅度最大，該時刻室內(nèi)溫度為42.4 ℃，在內(nèi)遮陽機構(gòu)工作0.5 h后降低至 41.2 ℃，降低了1.2 ℃，但仍高于此時刻的室外溫度（32.2 ℃），溫差為9 ℃。不同高度水平面上的溫度差最大值出現(xiàn)在12：00，高度1與高度3相差2.9 ℃。在同一高度水平面上，東西和南北方向各測點溫差均不明顯，平均溫差為 0.5 ℃。在13：30時，隨著室外溫度達到峰值（38.5 ℃），測點A6處1 d內(nèi)室內(nèi)外最大溫差為11.8 ℃。之后隨著室外溫度的降低，室內(nèi)各測點溫度以0.07 ℃/min的平均速率隨之降低，直至17：00試驗結(jié)束時，室內(nèi)測點最低溫度為A8點的38 ℃，與此時刻室外溫度（33.5 ℃） 相差4.5 ℃。

在內(nèi)遮陽條件下，各個高度的溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在12：30，相差1.3 ℃，各測錄時刻的平均偏差為 1.2 ℃;東西方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在 15：00，相差1.8 ℃，各測錄時刻的平均偏差為1.1 ℃;南北方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在10：30，相差 1.4 ℃，各測錄時刻的平均偏差為0.9 ℃。由于單獨開啟內(nèi)遮陽裝置時陽光直接通過遮陽布的遮蔽后進入室內(nèi)，各測點溫度對于均值的離散程度與無遮陽情況下的程度相近，植物生長層的溫度和光線分布較為均勻。

2.3外遮陽情況下溫室內(nèi)溫度變化趨勢

在室外晴朗的天氣條件下，保持外遮陽裝置展開，內(nèi)遮陽裝置合攏的狀態(tài)，測量記錄溫室內(nèi)溫度1 d的變化情況，試驗數(shù)據(jù)見圖16至圖19。

在外遮陽裝置單獨開啟的情況下，陽光帶來的熱量大部分被外頂棚遮陽布阻擋在溫室外，無法全部直接傳入室內(nèi)，因此溫室內(nèi)溫度在10：00外遮陽展開后有明顯的大幅度降低，10：30至11：00期間高度2和高度3的室內(nèi)溫度都低于同時刻的室外溫度。在南北方向上，測點A4的降溫幅度最大，從41.9 ℃降低至37.2 ℃，降低了4.7 ℃。試驗期間室內(nèi)最低溫度為A6測點10：30時的34.2 ℃，低于此時刻外界溫度 2.1 ℃，之后隨著太陽輻射的增大室內(nèi)溫度開始升高，在 16：30 時測點A4溫度達到峰值（54.3 ℃），與此時刻室外溫度（36.8 ℃）相差17.5 ℃。在不同高度水平面上，各測點的溫差最大值出現(xiàn)在13：30，高度1和高度3的溫差為3.7 ℃。在同一高度平面內(nèi)，東西方向上各測點溫差不大，平均溫差為0.6 ℃，南北方向上各測點溫差較大，在11：30時測點A4與測點A6溫差為7.9 ℃，各測點平均溫差為2.3 ℃。至試驗結(jié)束時室內(nèi)各測點溫度最低值為47.9 ℃，與此時刻室外溫度（36.2 ℃）相差11.7 ℃，平均降溫速率為0.02 ℃/min。

外遮陽條件下，由于外遮陽裝置的鋁箔黑網(wǎng)裝置會直接影響太陽光的照射，進入溫室內(nèi)的光線會呈現(xiàn)不均勻性，各個高度的溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在11：30，相差2.2 ℃，各測錄時刻的平均偏差為2.1 ℃;東西方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在14：00，相差2.3 ℃，各測錄時刻的平均偏差為2.5 ℃;南北方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在11：30，室內(nèi)溫度差達到4.8 ℃，各測錄時刻的平均偏差為3.1 ℃。由于陽光經(jīng)過外遮陽裝置的遮蔽后沒有直接進入室內(nèi)，太陽輻射帶來的熱量在房頂玻璃面上重新分布后傳入室內(nèi)，因此植物生長層的溫度和光線分布很不均勻。

2.4內(nèi)外遮陽情況下溫室內(nèi)溫度變化趨勢

在室外晴朗的天氣條件下，保持內(nèi)、外遮陽裝置同時展開，測量記錄溫室內(nèi)溫度1 d的變化情況，試驗數(shù)據(jù)見圖20至圖23。

在內(nèi)外遮陽裝置同時開啟的情況下，溫室內(nèi)溫度在 10：00 內(nèi)外遮陽裝置展開后有大幅度降低，在高度2和高度3水平面上室內(nèi)溫度均低于室外溫度，最大差值出現(xiàn)在10：30，高度3室內(nèi)溫度（33.6 ℃）比室外溫度低2.2 ℃，而后正午時分隨著太陽輻射的增加，由于溫室具有嚴重的密閉性，從側(cè)面透明玻璃以及穿過2層遮陽布進入室內(nèi)的熱量大幅堆積，室內(nèi)溫度呈上升趨勢，在16：00時高度1測點的溫度達到峰值（51 ℃），與此時刻室內(nèi)溫度（36.5 ℃）相差14.5 ℃。在不同高度水平面上各測點的溫差最大值出現(xiàn)在16：00，高度1和高度3溫差為2.5 ℃。室內(nèi)各測點溫度最低值為46.2 ℃，與此時刻室外溫度（35.7 ℃）相差10.5 ℃，平均降溫速率為 0.04 ℃/min。

在內(nèi)外遮陽條件下，光線不均勻地通過外遮陽布射入溫室，在內(nèi)遮陽面上重新進行分布，因此室內(nèi)溫度均勻性有所改善，各個高度的溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在12：00，為 2.8 ℃，各測錄時刻的平均偏差為1.9 ℃;東西方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在11：00，為1.2 ℃，各測錄時刻的平均偏差為0.9 ℃;南北方向各測點溫度與平均值的最大偏差出現(xiàn)在13：30，為0.8 ℃，各測錄時刻的平均偏差為 0.6 ℃。由于內(nèi)外遮陽裝置同時開啟，陽光在經(jīng)過外遮陽裝置遮蔽在房頂玻璃重新分布后再次被遮蔽，因此離散程度略好于外遮陽裝置單獨開啟的情況。

3結(jié)論

與無遮陽裝置開啟的情況相比，單獨開啟內(nèi)、外遮陽裝置和內(nèi)外遮陽裝置同時開啟后溫室內(nèi)均有明顯的降溫趨勢，由于外遮陽裝置與內(nèi)遮陽裝置相比在與屋頂玻璃之間有可以流動的外界空氣，能帶走一部分熱量，因此內(nèi)外遮陽裝置同時開啟和外遮陽裝置單獨開啟情況下室內(nèi)溫度降低情況均好于內(nèi)遮陽裝置單獨開啟，在開啟后的1 h范圍內(nèi)，內(nèi)外遮陽裝置同時開啟的降溫效果最好，達到了2.2 ℃，而且持續(xù)時間最長，直至11：30。在遮陽裝置開啟1 h后，無論室外溫度升高或降低，3種遮陽情況下的室內(nèi)溫度均在降低后出現(xiàn)回升趨勢。遮陽系統(tǒng)開啟直到室內(nèi)溫度再次趨于升高后，室內(nèi)溫度在下午會隨著室外溫度的降低而降低，在3種遮陽試驗室外溫度變化趨勢相差不大的情況下，內(nèi)遮陽裝置單獨開啟時降溫速率最大，達到0.07 ℃/min。在使用鋁箔黑網(wǎng)材料的遮陽裝置情況下，外遮陽裝置單獨開啟時室內(nèi)光線分布和溫度的均勻性較差，在進行農(nóng)業(yè)活動時需要根據(jù)不同時段采用人工移動或分區(qū)溫控的方法保證室內(nèi)作物接受等量的光線和太陽輻射。

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