水模塊主動蓄熱日光溫室應用性能分析

鄭欽中 李楠洋 劉子英 孟艷玲 賈兵國 王素娜 王 星鄒志榮李勇軍王麗萍*

（1 河北工程大學園林與生態(tài)工程學院，河北邯鄲 056038；2 西北農(nóng)林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100；3 楊凌模久溫室科技有限公司，陜西楊凌 712100）

日光溫室是具有中國特色的高效農(nóng)業(yè)設施類型，是實現(xiàn)北方冬春季節(jié)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段，在我國設施園藝的發(fā)展過程中起到了重要的作用，并為優(yōu)化我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平、增加農(nóng)民收入作出了突出貢獻（李天來，2005；陳青云，2008；鮑恩財 等，2018）。相較于其他類型設施，日光溫室的后墻具有承重、保溫和蓄熱的作用，這也是與其他類型設施的最大區(qū)別所在，而后墻性能的優(yōu)劣也對溫室內(nèi)部的環(huán)境有一定影響。在早期被動蓄、放熱的理論指導下，日光溫室后墻多選擇熱惰性大且自承重的土、磚、石等建筑材料（楊建軍 等，2009；張勇 等，2015；李明 等，2016）。大量研究表明，被動蓄熱墻體的有效蓄、放熱層厚度有限，僅為0.5 m 左右（李明 等，2015；史宇亮 等，2017；周長吉，2018）。此外，傳統(tǒng)的日光溫室還存在土壤利用率較低、破壞土壤環(huán)境等問題。

近年來為解決以上問題，日光溫室主動蓄、放熱理論的應用使日光溫室在建設方面擺脫了原有的傳統(tǒng)模式，形成了新的由工廠生產(chǎn)預制件并進行現(xiàn)場裝配的新型建造模式。張勇等（2015）設計了一種主動采光蓄熱型日光溫室，該日光溫室采用了主動蓄熱風機系統(tǒng)技術(shù)，與普通日光溫室相比溫度有明顯提高（高文波 等，2015）。王昭等（2017）研究設計了一種通過空氣循環(huán)后墻主動蓄熱的青海型日光溫室。鮑恩財?shù)龋?017）結(jié)合西北地區(qū)沙化嚴重的特點，設計了固化沙主動蓄熱墻體溫室，采用固化沙作為主要蓄熱體，與普通日光溫室相比蓄熱性能明顯提高。方慧等（2011）在溫室內(nèi)設置一套水循環(huán)系統(tǒng)，白天溫度升高時，以溫室內(nèi)淺層土壤為蓄熱體，通過水循環(huán)系統(tǒng)將熱量儲存在淺層土壤中，夜間再進行熱量釋放，顯著提高了溫室內(nèi)的地溫和氣溫。張義等（2012）研究發(fā)明了一種建設在溫室墻體結(jié)構(gòu)上的水幕簾蓄、放熱系統(tǒng)，以水為蓄熱體進行熱量的蓄積與釋放，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可提高室內(nèi)溫度5.4 ℃、地溫1.6 ℃，升溫效果顯著。

如何降低建造成本和提高施工速度，已成為現(xiàn)代日光溫室發(fā)展的重要趨勢，其中日光溫室的裝配式建設逐漸成為行業(yè)熱點。如鄒志榮等（2017）進行了模塊化組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)設計與實踐，采用專用土模塊蓄熱墻體，減少了墻體厚度，節(jié)省了建造用土和人力，降低了生產(chǎn)成本。閆俊月等（2014）研究發(fā)明了一種新型裝配式輕簡化溫室后墻結(jié)構(gòu)，以6 cm 混凝土板夾芯填土作為蓄熱層，以10 cm聚苯板為保溫層，保溫效果顯著。張義等（2015）研究了一種輕簡裝配式日光溫室，在水介質(zhì)主動蓄熱基礎(chǔ)上，由裝配式為水泥板-聚苯板-水泥板的復合墻體來實現(xiàn)保溫功能。張潔等（2016）設計了一種裝配式礫石蓄熱墻體日光溫室，與傳統(tǒng)溫室相比，其利用礫石之間縫隙可儲存熱空氣的原理來提高后墻的保溫性能。

針對傳統(tǒng)的主動蓄熱墻體存在施工工藝復雜、土壤資源被破壞、用工量大、建造時間長的問題，河北工程大學設施蔬菜結(jié)構(gòu)與環(huán)境調(diào)控課題組創(chuàng)新設計了裝配式水模塊主動蓄熱日光溫室，并在不同天氣條件下對裝配式水模塊主動蓄熱日光溫室與普通日光溫室的室內(nèi)溫度、地溫、濕度等數(shù)據(jù)進行測定和比較分析，以期探明裝配式水模塊主動蓄熱日光溫室的實際運行效果。

1 材料與方法

1.1 供試溫室

供試溫室分為試驗溫室和對照溫室（圖1）。試驗溫室即裝配水模塊的主動蓄熱日光溫室（GH1），坐北朝南，跨度10 m，長度100 m，脊高4.7 m，后墻結(jié)構(gòu)由溫室內(nèi)部向室外依次為吸熱鋼板、水模塊、聚苯乙烯保溫板、雙層棉被，構(gòu)成了已受專利保護的“水模塊主被動雙蓄熱日光溫室”（ZL 201922304376.2）。主動蓄熱部分包括：①蓄熱管道，進口接近脊高，盤繞穿過水模塊，經(jīng)由地下從前墻引出與出口風機相連。② 主動蓄熱風機，將熱空氣從進風口吸入，經(jīng)過水模塊熱傳導以提升墻體的蓄熱量。③帶有孔隙的地埋軟管，把濕熱空氣中的水分凝結(jié)滲入地下。其中風機是由設定好特定溫度閾值的溫度傳感器自動控制，風量設置為1 000～2 000 m3·h-1，白天（9：00－17：00）室溫高于30 ℃時開啟蓄熱模式，室溫低于20 ℃時停止；夜間（17：00 至翌日9：00）室溫低于13℃時開啟放熱模式。此過程不但在墻體、土壤中完成了熱交換，而且也達到了部分除濕的效果。被動蓄熱部分指陽光輻射熱被水模塊充分吸收，專利配比的蓄熱溶液具有比磚墻材料高6～7 倍的比熱容，墻面水模塊容積為0.4 m3·m-2，在同等蓄熱能力前提下可降低蓄熱墻體的占地面積。配合主動蓄熱傳導的熱量，可增強整個溫室的蓄熱和溫度調(diào)節(jié)能力。其中后坡和后墻采用一體化棉被從前墻覆蓋到后墻，實現(xiàn)整體保溫。對照溫室為普通日光溫室（GH2），除后墻以外的其他結(jié)構(gòu)均與GH1 相同，后墻結(jié)構(gòu)由溫室內(nèi)部到室外依次為12 cm 磚墻、100 cm 厚固化土層、12 cm 磚墻。

1.2 試驗設計

試驗溫室和對照溫室均位于河北省邯鄲市滏東現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園內(nèi)，建于2019 年10 月。試驗期間夜間使用保溫被進行覆蓋，覆蓋時間為17：00 至翌日9：00，白天保溫被收起時間為9：00——17：00，晴天時通風口開啟時間為12：00——14：00。通風時間理論上由室內(nèi)溫度確定，但考慮到試驗時期較短，晴天時通風時段固定為12：00——14：00。

試驗溫室和對照溫室均在溫室正中間位置布置奧托溫室環(huán)境監(jiān)測儀，實時監(jiān)測溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度和土壤溫度。于距地面1.5 m 處設置儀器，地下0.15 m 處放置地溫測量點，以距GH1溫室正西方向10 m 處的空曠場地設置室外環(huán)境數(shù)據(jù)測量點作為對照，儀器設置條件與試驗溫室內(nèi)保持一致。試驗數(shù)據(jù)采集時間為2019 年12 月22 日至2020年1月21日，共31 d，每隔30 min采集1次。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室內(nèi)外光照強度對比分析

日光溫室內(nèi)的光照強度變化直接影響室內(nèi)溫度和濕度的變化。如圖2 所示，在白天9：00——17：00時間段內(nèi)，GH1、GH2 室內(nèi)和室外環(huán)境的光照強度變化曲線基本相同。其中GH1 和GH2 室內(nèi)平均光照強度分別為21 106 lx 和20 785 lx，兩者差異不顯著。由此可知，在同一天氣條件下，光照強度不是造成兩座溫室內(nèi)溫度差異的原因。

2.2 不同溫室溫度和地溫對比分析

2.2.1 典型天氣條件下不同溫室溫度比較 如圖3-A 所示，在連續(xù)晴天（2019 年12 月27——30 日）、白天室外溫度0 ℃的條件下，GH1 和GH2 室內(nèi)溫度在保溫被打開后快速上升，13：30 時達到最大值，GH1 室內(nèi)最高溫度和最低溫度分別為35.4 ℃和9.8℃，比對照GH2 高1.2 ℃和1.8 ℃；在夜間室外平均溫度為1.9 ℃時，GH1 室內(nèi)最低溫度和平均溫度分別為12.3 ℃和13.9 ℃，比GH2 分別高2.8 ℃和1.2 ℃。

由圖3-B 可知，在冬季連續(xù)陰天（2020 年1 月11——14 日）、白天室外溫度-2 ℃的條件下，GH1 室內(nèi)平均溫度為13.7 ℃，比對照GH2 高5.3℃；在夜間室外平均溫度為-2.8 ℃時，GH1 室內(nèi)平均溫度為12.0 ℃，比GH2 高4.0 ℃。

在白天主動蓄熱系統(tǒng)工作時，GH1 室內(nèi)溫度較GH2 增加不多，但蓋上保溫被后，GH1 室內(nèi)溫度的下降速度與GH2 相比更平緩，保溫性能優(yōu)于GH2；特別是在連續(xù)陰天時，GH1 保溫性能明顯優(yōu)于GH2，表明GH1 的水模塊后墻儲存了更多的熱量。

2.2.2 極端天氣下不同溫室溫度比較 由圖4 可知，極端雪天（2020 年1 月8 日）、室外溫度-4℃條件下，GH1 室內(nèi)最低溫度和平均溫度分別為10.7℃和12.1 ℃，比對照GH2 分別高4.7 ℃和4.8 ℃。表明GH1 具有更強的儲熱保溫性能，可在極端天氣下保持較高的室內(nèi)溫度。

2.2.3 典型天氣條件下不同溫室地溫比較 如圖5-A 所示，連續(xù)晴天（2019 年12 月27——30 日）、室外平均地溫為3.8 ℃時，GH1 和對照GH2 的地溫變化趨勢相似，GH1 平均地溫為17.1 ℃，比GH2 高1.5 ℃；從主動蓄熱系統(tǒng)運行開始，GH1地溫增加的速度略低于GH2。表明水模塊主動蓄熱系統(tǒng)具有更好的儲熱效果。在夜間，水模塊通過釋放熱量使GH1 最低地溫出現(xiàn)時間比GH2 延后了1 h，且最低地溫比GH2 高2.2 ℃，說明夜間風機主動放熱將水模塊的熱量導入到溫室地下，有效提高了溫室的地溫。

與連續(xù)晴天相比，在連續(xù)陰天（2020 年1 月11——14 日）、室外平均地溫為1.7 ℃時，GH1 和對照GH2 的平均地溫均明顯下降，分別為13.2 ℃和11.2 ℃。陰天光照弱、光輻射低造成溫室主動蓄熱系統(tǒng)的工作效率降低，但GH1 的平均地溫仍比GH2 高2.0 ℃（圖5-B）。表明在連續(xù)陰天的不利環(huán)境條件下，GH1 的保溫性能優(yōu)勢更明顯。

2.2.4 極端天氣下不同溫室地溫比較 如圖6 所示，冬季雪天（2020-01-08）、室外地溫為1.6 ℃，GH1 最低地溫和平均地溫分別為12.3 ℃和13.4℃，比對照GH2 分別高1.0 ℃和1.8 ℃。表明在極端天氣條件下，GH1 與GH2 的地溫都能夠達到作物生長的需求，且GH1 具有更高的地溫。

2.2.5 試驗期間溫室內(nèi)溫度比較 試驗期內(nèi)（31 d）晴天天氣僅5 d，其余時間均為非完全晴天，其中2020 年1 月4——21 日為連續(xù)17 d 陰天天氣，即試驗期內(nèi)低溫天氣較多。如表1 所示，GH1 的平均最低溫度、平均最高溫度、日平均溫度、白天平均溫度、夜間平均溫度均明顯高于對照GH2，且平均最低溫度較GH2 高1.1 ℃，夜間平均溫度較GH2 高3.8℃；最高溫度高于25 ℃的天數(shù)比GH2 多11 d，最低溫度低于7 ℃和低于5 ℃的天數(shù)比GH2 分別少9 d和4 d。表明在連續(xù)陰天低溫、低光輻射的條件下，與對照GH2 相比，GH1 仍具有較強的蓄熱保溫性，可滿足瓜類、茄果類蔬菜越冬生產(chǎn)，且不需使用額外輔助保溫或加熱設施。

表1 GH1、GH2室內(nèi)溫度變化情況

2.3 不同溫室濕度對比分析

2.3.1 典型天氣條件下不同溫室濕度比較 在連續(xù)晴天（2019 年12 月27——30 日）條件下，與白天相比，兩溫室在夜間都保持較高的濕度狀態(tài)，且相對濕度均有小幅升高。如圖7-A 所示，上午9：00揭簾后GH1和對照GH2室內(nèi)相對濕度均開始降低，13：30 左右降到最低，18：00 時相對濕度回升到70%以上。在10：00——17：00 期間，GH1 平均相對濕度比GH2 低14.7 百分點；其中CH1 和CH2相對濕度在70%以下的時長分別為7 h 和6 h。連續(xù)陰天（2020 年1 月11——14 日）時，兩溫室的濕度變化趨勢和晴天相似。其中，在10：00——17：00 期間，GH1 和GH2 的室內(nèi)平均相對濕度分別為58.2%和62.3%，GH1 比GH2 下降4.1 百分點（圖7-B）。

2.3.2 極端雨雪天氣不同溫室濕度比較 極端雨雪天氣（2020 年1 月8 日，雪天）條件下，GH1和對照GH2 整體都保持較高濕度，室內(nèi)平均相對濕度分別為81.6%和84.1%；GH1 的濕度略低于GH2，但遠高于室外平均相對濕度（59.4%），都未能達到作物生長所需的適宜濕度（圖8）。在今后溫室的改良設計中應注意極端雨雪天時溫室內(nèi)的相對濕度問題。

3 結(jié)論

本課題組研發(fā)的裝配式水模塊主動蓄熱新型日光溫室（GH1），具有不破壞耕地和成本低的優(yōu)勢特點。將新型日光溫室的環(huán)境指標與典型日光溫室（GH2）進行對比，得到以下結(jié)論。

①晴天時，GH1 白天室內(nèi)最高溫度和最低溫度分別比GH2 高1.2 ℃和1.8 ℃，夜間室內(nèi)平均溫度比GH2 高1.2 ℃；室內(nèi)平均地溫比GH2 高1.5℃。陰天時，GH1 白天室內(nèi)平均溫度比GH2 高5.3℃，夜間比GH2 高4.0 ℃；室內(nèi)平均地溫比GH2高2.0 ℃。極端雨雪天時，GH1 室內(nèi)平均溫度比GH2 高4.8 ℃，平均地溫比GH2 高1.8 ℃。表明水模塊主動蓄熱日光溫室與對照普通日光溫室相比具有更好的蓄熱及保溫性能，更有利于低溫天氣下作物生長對溫度的需求。

② 連續(xù)31 d 的數(shù)據(jù)收集結(jié)果表明，GH1 各項參數(shù)均優(yōu)于GH2，表明GH1 具有較強的蓄熱保溫性，可滿足瓜類、茄果類蔬菜越冬生產(chǎn)。

③主動蓄熱系統(tǒng)的風機運行加快了溫室內(nèi)的空氣流動，起到了降低溫室相對濕度的效果。晴天時，GH1 平均相對濕度比GH2 降低14.7 百分點，陰天時比GH2 降低4.1 百分點。但極端雨雪天氣條件下，CH1 和CH2 都未能達到作物生長所需的適宜濕度，在今后溫室的改良設計中應注意極端雨雪天時的相對濕度問題。

綜合來看，水模塊主動蓄熱日光溫室技術(shù)方案可行，總體蓄熱性能明顯優(yōu)于普通日光溫室，尤其連續(xù)陰天和極端雨雪天氣條件下，能保持較高的室內(nèi)溫度和地溫，具有一定的推廣價值。