連棟溫室側(cè)立面塑料薄膜保溫效果及試驗(yàn)研究

肖林剛，王先宏，王 瑞，吳樂(lè)天，張麗

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091；2.阿瓦提縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，阿克蘇 843200)

連棟溫室自20世紀(jì)70年代開(kāi)始在我國(guó)得到發(fā)展，歷經(jīng)自行設(shè)計(jì)、國(guó)外引進(jìn)、優(yōu)化提升3個(gè)階段，在保障優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供給、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理司統(tǒng)計(jì)，至2018年我國(guó)連棟溫室面積已達(dá)5.43萬(wàn)hm2。隨著連棟溫室的發(fā)展，其自身存在問(wèn)題日益凸顯。例如，設(shè)施結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化水平低，技術(shù)裝備參差不齊；冬季加溫能耗高導(dǎo)致產(chǎn)投比倒掛，使生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者收益受限，已成為連棟溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。我國(guó)由于自然氣候差異，溫室生產(chǎn)冬季加溫所需能耗較歐洲國(guó)家高很多。在我國(guó)北緯35°～40°地區(qū)，冬季加溫能耗約占總成本的30%～50%[1]，因此連棟溫室節(jié)能技術(shù)和裝備的研究尤為重要。目前，設(shè)計(jì)連棟溫室時(shí)，多采用改善供暖設(shè)施的方式提高能量利用率，或通過(guò)改造圍護(hù)結(jié)構(gòu)、增設(shè)保溫設(shè)施來(lái)減少熱量損失，或通過(guò)建立溫室能耗模型及相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)系統(tǒng)并利用溫室智能化控制來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)供能。采用這些方式，在一定程度上降低了連棟溫室冬季加溫的能耗。從改變溫室整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行的研究目前還較少。

在連棟溫室實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用多層覆蓋技術(shù)，在溫室頂部設(shè)置多層保溫幕，是目前最主要的保溫方式。蔡龍俊等[2]提出，使用內(nèi)保溫幕是溫室供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的重要節(jié)能措施；趙淑梅等[3]將溫室配備一層保溫幕和配備多層保溫幕進(jìn)行了對(duì)比研究，并推導(dǎo)出溫室配備多層保溫幕的傳熱系數(shù)；宋明軍等[4]對(duì)單層膜溫室、雙層膜溫室和傳統(tǒng)土墻溫室進(jìn)行了光環(huán)境觀測(cè)分析，結(jié)果表明雙層膜溫室相比單層膜溫室，其冬季最低溫度能提高4.20℃。在連棟溫室節(jié)能保溫技術(shù)方面，國(guó)外的研究較為全面，并取得了成果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

溫室保溫措施設(shè)計(jì)。為了提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和減少試驗(yàn)環(huán)境誤差，將對(duì)比溫室安排在同一座大溫室中，將該溫室沿東西向平均劃分為A區(qū)和B區(qū)。在A區(qū)，裝有側(cè)立面保溫棚膜設(shè)備。用于日光溫室覆蓋的EVA棚膜的單層厚度為0.1mm，棚膜與溫室側(cè)面玻璃的距離為0.25m，將溫室側(cè)面布置的暖氣片包裹在溫室內(nèi)。棚膜上部緊貼臨內(nèi)保溫幕固定，下端延伸到地面，并用重物壓住下端，以防熱量縫隙流失。在B區(qū)，則沒(méi)有安裝側(cè)立面保溫棚膜設(shè)備。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)保溫幕均為展開(kāi)狀態(tài)，避免兩個(gè)分區(qū)頂部的熱交換。

1.2 溫室測(cè)點(diǎn)布置

給A和B兩個(gè)分區(qū)溫室各安裝4個(gè)溫度傳感器。將4個(gè)溫度傳感器由北向南布置在每個(gè)分區(qū)溫室的中央，距離地面的高度為1.4m。各測(cè)點(diǎn)與溫室北側(cè)面玻璃的距離依次為0.2m(棚膜與玻璃的距離為0.25m，將探測(cè)器安裝在棚膜和玻璃之間、棚膜的外側(cè))、0.5m、1.5m和4.5m(溫室的中間位置)，用以觀測(cè)溫室南北向水平溫度變化。在室外距離地面1.4m處安裝溫度傳感器和光照傳感器，在室內(nèi)中間位置距地面1.4m處安裝一個(gè)光照傳感器。通過(guò)使用上述整套傳感器，記錄室內(nèi)外的溫度和光照參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析和評(píng)價(jià)方法

選取2017年2月12日～21日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，篩選具有代表意義的數(shù)據(jù)制作折線圖和統(tǒng)計(jì)圖。通過(guò)數(shù)據(jù)反映溫室的氣溫和光照的整體變化趨勢(shì)，比較A區(qū)和B區(qū)溫室的保溫性能和透光率變化，獲取在四周側(cè)立面懸掛棚膜和沒(méi)有懸掛棚膜兩種對(duì)比溫室的室內(nèi)外溫度和太陽(yáng)輻射量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，對(duì)連棟溫室四周側(cè)立面是否懸掛棚膜的溫光環(huán)境特征作出分析和評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度極值變化性能分析

選取測(cè)試期間最冷的那一天（2017年2月21日）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為A區(qū)和B區(qū)相應(yīng)位置的溫差對(duì)照數(shù)據(jù)。分區(qū)記錄每一位置的最高溫度值和最低溫度值，將對(duì)應(yīng)的A區(qū)溫度減去B區(qū)溫度得到相應(yīng)的溫差值。A區(qū)和B區(qū)溫差對(duì)照數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 A區(qū)和B區(qū)溫差對(duì)照表(2017年2月21日)

中午時(shí)溫室內(nèi)的溫度最高，各測(cè)點(diǎn)溫度的最高值一般出現(xiàn)在14∶30左右。由表1可知，溫差最大的位置為0.2m處；此處最高值的溫差絕對(duì)值最大，為7.5℃。通過(guò)玻璃縫隙滲透進(jìn)來(lái)的室外冷空氣和通過(guò)玻璃熱傳導(dǎo)形成的冷空氣被棚膜有效阻隔在棚膜之外，使得A區(qū)棚膜的保溫效果較為明顯。在4.5m處，最高值的溫差絕對(duì)值最小，為3.0℃。從0.2m處至4.5m處，各測(cè)點(diǎn)最高值的溫差絕對(duì)值依次減小。

黎明時(shí)溫室內(nèi)的溫度最低，各測(cè)點(diǎn)溫度的最低值一般出現(xiàn)在09∶30左右。此時(shí)，A區(qū)棚膜的保溫效果依然較為顯著。由表1可知，在0.2m處，最低值的溫差絕對(duì)值最大，為6.0℃；在0.5m處，最低值的溫差絕對(duì)值最小，為2.3℃。各測(cè)點(diǎn)最低值的溫差絕對(duì)值的變化規(guī)律依然是0.2m處最大，其他3處相對(duì)較低。

總體來(lái)看，溫室側(cè)立面塑料薄膜的保溫效果較為顯著。

2.2 室內(nèi)外平均氣溫變化分析

測(cè)試期內(nèi)A、B區(qū)溫室溫度與室外溫度的變化如圖1所示。由圖1可以看出，室內(nèi)溫度與室外溫度呈正相關(guān)，這和劉傳宏的雙膜日光溫室保溫研究的結(jié)論一致。雖然A區(qū)溫室和B區(qū)溫室都具有一定的蓄熱保溫能力，但是A區(qū)溫室的蓄熱保溫能力明顯更強(qiáng)。在測(cè)試期內(nèi)，A區(qū)溫室平均溫度始終高于B區(qū)溫室平均溫度；相比室外溫度，A區(qū)溫室平均溫度提高了25.3℃，B區(qū)溫室平均溫度提高了 22.35℃。這說(shuō)明，在溫室內(nèi)側(cè)立面安裝棚膜更有助于提高溫室內(nèi)的溫度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)測(cè)試期內(nèi)A區(qū)溫室的平均溫度為17.4℃，B區(qū)溫室的平均溫度為14.5℃，A區(qū)溫室的平均溫度較B區(qū)溫室的平均溫度提高了2.9℃，溫度提升效果較為明顯。由圖1可知，A區(qū)溫室與B區(qū)溫室每日對(duì)應(yīng)的平均溫差無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明A區(qū)溫室棚膜的保溫性能穩(wěn)定；由兩分區(qū)溫室的平均溫度趨勢(shì)線可以看出，A區(qū)溫室的日平均溫度始終高于B區(qū)溫室日平均溫度，說(shuō)明A區(qū)溫室的棚膜有助于提高溫室的保溫性能。

圖1 A、B區(qū)溫室溫度與室外溫度變化

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在晴天條件下，兩溫室晝間的最高溫差為2.2℃，夜間的最高溫差為3.5℃，說(shuō)明棚膜在夜間的保溫性能高于晝間；在晝間采光時(shí)，兩溫室內(nèi)光照強(qiáng)度曲線變化的趨勢(shì)相同，有棚膜溫室的光照強(qiáng)度比無(wú)棚膜溫室的光照強(qiáng)度低6.71%， 有棚膜溫室的室內(nèi)溫度始終高于無(wú)棚膜溫室的室內(nèi)溫度；在升/降溫速率方面，無(wú)棚膜溫室的透光率高于有棚膜溫室的透光率，無(wú)棚膜溫室的升溫速率比有棚膜溫室的升溫速率快0.2℃/h；有棚膜溫室的降溫速率比無(wú)棚膜溫室的降溫速率慢0.1℃/h；在陰天低溫條件下，有無(wú)棚膜對(duì)溫室內(nèi)溫度的變化趨勢(shì)影響不大，但有棚膜溫室的保溫和增溫效果更為明顯。通過(guò)分析對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到上述結(jié)論，為進(jìn)一步研究極端天氣下應(yīng)用連棟溫室側(cè)立面保溫系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，助力連棟溫室側(cè)立面保溫技術(shù)的推廣應(yīng)用。