煙臺(tái)市日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化分析

吳興國，袁行健，徐 皓，尹寶全，馬云飛

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670）

日光溫室是中國北方地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分。20世紀(jì)90年代以來，日光溫室蔬菜種植業(yè)在煙臺(tái)得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)［1］。日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括墻體、后屋面以及由薄膜和保溫被組成的前屋面。在前屋面構(gòu)造相對(duì)固定的情況下，日光溫室的墻體及后屋面構(gòu)造做法對(duì)溫室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)劣具有直接的影響。日光溫室的墻體是日光溫室最重要的蓄熱及保溫構(gòu)件，通過白天積蓄熱量、夜間向溫室內(nèi)散發(fā)熱量來維持作物生長所需要的溫度［2，3］；日光溫室的后屋面則能有效地阻止溫室內(nèi)部熱量的散失［4］，兩者對(duì)于日光溫室的室內(nèi)溫度環(huán)境變化均有著較大的影響［5，6］。馬承偉［7］測算得出墻體夜間釋放熱量可使溫室的夜間溫度提高4～8℃；李小芳等［8］比較了不同材料組合的墻體對(duì)保溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚度相同的隔熱材料在磚墻厚度較薄時(shí)保溫效果優(yōu)于較厚的磚墻；周凱等［9］概括了土墻、磚墻、復(fù)合墻體和其他新型墻體各自保溫性能的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)不同地區(qū)日光溫室墻體的材料選擇進(jìn)行了研究；于錫宏等［10］在溫室其他參數(shù)相同的前提下，選取聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯等保溫材料進(jìn)行效果對(duì)比試驗(yàn)，推薦聚氨酯作為日光溫室墻體外保溫材料；王云冰等［11，12］則以聚苯乙烯板、擠塑板、玻璃棉和草簾作為溫室后屋面隔熱層材料，分析其熱工性能及最優(yōu)厚度，得出以擠塑板為后屋面保溫層的日光溫室內(nèi)氣溫、土溫均高于其他材料的結(jié)論。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，盡管煙臺(tái)市日光溫室存量較大，但大多數(shù)是依靠當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建造，存在溫室冬季內(nèi)部溫度環(huán)境不佳、保溫效果差等問題［13］，需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。本研究以改善煙臺(tái)市日光溫室冬季室內(nèi)溫度環(huán)境為主要目的，以煙臺(tái)市典型日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的后墻及后屋面構(gòu)造做法為研究對(duì)象，根據(jù)煙臺(tái)市地域氣候特點(diǎn)及常見建筑材料使用情況，設(shè)計(jì)不同類型的后墻及后屋面構(gòu)造做法，利用日光溫室設(shè)計(jì)方案熱環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)采用不同后墻與后屋面構(gòu)造的日光溫室模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 溫室模型構(gòu)建與模擬軟件

1.1 煙臺(tái)市典型日光溫室模擬模型構(gòu)建

1.1.1 模擬溫室模型的建立 通過對(duì)煙臺(tái)市常見日光溫室進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)出擬優(yōu)化的煙臺(tái)市典型日光溫室模型。典型日光溫室模型為東西走向，方位角為南偏西3.5°，長度為80 m，跨度為8.5 m，溫室的脊高為3.6 m，溫室后墻高度為2.7 m，后屋面水平投影為1.26 m，后屋面傾角為35.5°，溫室前屋面覆蓋厚為0.012 mm EVA薄膜，薄膜的外側(cè)覆蓋厚為30 mm絲棉保溫被，相鄰溫室凈間距為7 m，溫室各部分材料的熱性能參數(shù)如表1所示。

表1 溫室主要材料熱性能參數(shù)

1.1.2 溫室墻體構(gòu)造設(shè)計(jì) 煙臺(tái)市日光溫室墻體多為370 mm厚的機(jī)制紅磚墻或者370 mm厚加氣混凝土砌塊墻，極少日光溫室的墻體采用復(fù)合保溫構(gòu)造?？紤]到日光溫室室內(nèi)的較高濕度環(huán)境，選擇水泥承重磚作為日光溫室的墻體砌筑材料，墻體由內(nèi)而外采用蓄熱層+保溫層以及蓄熱層+保溫層+保護(hù)層的多層復(fù)合構(gòu)造，按照水泥承重磚的模數(shù)及墻厚變化，設(shè)雙層異質(zhì)復(fù)合墻體240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板、370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板、490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板以及多層異質(zhì)墻體370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊、370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm水泥磚砌塊等5種構(gòu)造。

1.1.3 溫室后屋面構(gòu)造設(shè)計(jì) 煙臺(tái)日光溫室后屋面多采用草簾或者玉米秸稈作為保溫層，由內(nèi)到外的構(gòu)造多為薄膜+60 mm草簾+薄膜+150 mm草泥。為提高后屋面的保溫性能，選用聚苯板作為日光溫室后屋面保溫材料，其由內(nèi)向外的構(gòu)造做法可以為薄膜+100 mm擠塑板+30 mm厚水泥沙漿抹面保護(hù)層，將上述兩種做法分別編號(hào)為后屋面1及后屋面2。

1.2 模擬軟件

1.2.1 模擬軟件的選擇 對(duì)于已建成的溫室，通常采用現(xiàn)場測量的方法來獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)于尚處于設(shè)計(jì)階段的日光溫室，由于無法進(jìn)行現(xiàn)場測量，模擬是對(duì)日光溫室環(huán)境進(jìn)行預(yù)測與優(yōu)化的有效途徑［14-17］。

由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的日光溫室熱環(huán)境分析軟件，采用有限差分等數(shù)值方法，對(duì)于給定地理位置、室外氣象條件及建筑構(gòu)造參數(shù)的日光溫室，可以進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境全天變化情況的模擬，對(duì)日光溫室熱環(huán)境性能進(jìn)行預(yù)測和評(píng)價(jià)，并對(duì)溫室進(jìn)行優(yōu)化［15］。近年來，多位學(xué)者采用此軟件對(duì)不同區(qū)域的日光溫室進(jìn)行優(yōu)化研究，也相應(yīng)地驗(yàn)證了軟件的精確性和實(shí)用性［18-21］。

1.2.2 模擬軟件的驗(yàn)證 為驗(yàn)證日光溫室熱環(huán)境分析軟件的精確性，選擇煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地某日光溫室進(jìn)行復(fù)制建模，采用2020年12月31日至2021年1月3日的室外實(shí)測氣象數(shù)據(jù)，所模擬的溫室室內(nèi)溫度與實(shí)測室內(nèi)溫度如圖1所示。

圖1 溫室室內(nèi)實(shí)際溫度與模擬溫度對(duì)比

在模擬期內(nèi)，日光溫室熱環(huán)境模擬分析軟件所模擬的室內(nèi)溫度與實(shí)測室內(nèi)溫度的變化趨勢大致相同，最低氣溫的最大差值為1.2℃，最高氣溫的最大差值為1.5℃，軟件模擬的精確性較高。

1.3 模擬條件

優(yōu)化模擬所采用的氣象數(shù)據(jù)文件來源于煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地2020年12月30日—2021年1月3日的實(shí)測數(shù)據(jù)。模擬時(shí)，溫室的密閉性設(shè)置為一般，溫室土地類型為土壤地面，無覆蓋，室內(nèi)植物繁茂程度一般，植物高度1 m，室內(nèi)植物與墻面距離為1.2 m，溫室保溫被的開啟時(shí)間為8：00—16：30，通風(fēng)按照日光溫室冬季常規(guī)通風(fēng)管理進(jìn)行設(shè)置。

模擬優(yōu)化分為兩部分：一是模擬在采用不同墻體構(gòu)造以及不同屋面的情況下日光溫室的室內(nèi)自然溫度變化情況，并選取冬季的某時(shí)間段進(jìn)行比較分析；二是模擬在采用不同墻體構(gòu)造以及不同屋面的情況下日光溫室的積溫情況，并選取冬季的某時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比分析。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 單質(zhì)墻體對(duì)溫室溫度的影響

在模擬日光溫室其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同的情況下，將采用370 mm厚的機(jī)制紅磚墻與后屋面1的溫室設(shè)為A，將采用370 mm厚加氣混凝土砌塊墻與后屋面1的溫室組合設(shè)為B，其室內(nèi)溫度模擬結(jié)果如圖2所示。在冬季生產(chǎn)條件下，溫室溫度從10：00左右開始迅速上升，并在14：00左右達(dá)到峰值后開始下降，16：30左右保溫被關(guān)閉后，溫度下降的速率有所降低。與溫室A相比，溫室B的平均室溫要高0.5℃左右，其白天的最高溫度高2～3℃，其夜間最低溫度要高出0.3℃左右。

圖2 溫室A、溫室B冬季室內(nèi)溫度模擬

另外，兩種溫室在模擬時(shí)間段的最低溫度分別為3.18℃和3.52℃，低于葉類蔬菜的生長下限溫度，容易導(dǎo)致日光溫室內(nèi)作物停止生長，甚至產(chǎn)生凍害。

2.2 單質(zhì)墻體對(duì)溫室積溫的影響

作物在生長發(fā)育時(shí)期，不僅要求一定的溫度水平，而且還需要一定的熱量總和。如圖3所示，在模擬時(shí)間段內(nèi)，溫室A高于10℃的活動(dòng)積溫為847.34℃，溫室B高于10℃的活動(dòng)積溫為982.40℃，比溫室A多15.94%。煙臺(tái)市常見的兩種單質(zhì)材料后墻溫室中，采用厚370 mm加氣混凝土砌塊后墻日光溫室的保溫性能優(yōu)于采用厚370 mm的機(jī)制紅磚墻溫室。

圖3 溫室A、B內(nèi)高于10℃的活動(dòng)積溫

2.3 雙層異質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)溫室溫度的影響

在其他構(gòu)造參數(shù)相同的情況下，將采用240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室設(shè)為C，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室組合設(shè)為D，將采用490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室組合設(shè)為E；將采用240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室設(shè)為F，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室組合設(shè)為G，將采用490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室組合設(shè)為H，其不同組合的模擬結(jié)果分別如圖4至圖8所示。

圖4 溫室A-E冬季室內(nèi)溫度模擬

圖8 溫室F、G、H冬季室內(nèi)溫度模擬

如圖4所示，在其他結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)相同的情況下，C、D、E溫室的室內(nèi)溫度值相差不大。與單質(zhì)墻體溫室A相比，采用雙層復(fù)合墻體溫室室內(nèi)平均溫度要高1.7℃左右。就溫室白天的最高溫度而言，雙層復(fù)合墻體溫室要比溫室A高1℃左右，但比溫室B要低1.5℃左右；就溫室夜間的最低溫度而言，雙層復(fù)合墻體溫室要比溫室A、B高2.4℃左右。

圖6 溫室D、G冬季室內(nèi)溫度模擬

如圖5至圖7所示，在其他結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)相同的情況下，采用后屋面2構(gòu)造的溫室在白天保溫被卷起時(shí)，溫室室內(nèi)溫度相差不大，在保溫被放下時(shí)，其溫度均高于采用后屋面1構(gòu)造的溫室，且其最低溫度有所提升。圖8顯示，在采用后屋面2構(gòu)造的情況下，溫室F、G、H的室內(nèi)溫度差別并不明顯，需要根據(jù)經(jīng)濟(jì)及積溫等綜合因素進(jìn)行判斷。

圖5 溫室C、F冬季室內(nèi)溫度模擬

圖7 溫室E、H冬季室內(nèi)溫度模擬

2.4 兩層異質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)溫室活動(dòng)積溫的影響

圖9、圖10分別為溫室A至E以及溫室F、G、H高于10℃的活動(dòng)積溫。如圖所示，在模擬時(shí)間段內(nèi)，在采用后屋面1的情況下，采用兩層復(fù)合墻體的溫室的積溫均明顯高于采用單質(zhì)材料后墻的溫室，但不同厚度的兩層復(fù)合墻體的溫室積溫差距并不大；在采用后屋面2的情況下，不同厚度的兩層復(fù)合墻體的溫室積溫基本相等。綜合比較經(jīng)濟(jì)因素，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+后屋面2構(gòu)造組合的溫室性能較優(yōu)。

圖9 溫室A至E內(nèi)高于10℃活動(dòng)積溫

圖10 溫室F、G、H內(nèi)高于10℃活動(dòng)積溫

2.5 多層異質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)溫室溫度的影響

溫室采用多層異質(zhì)復(fù)合墻體條件相同的情況下，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊與后屋面2構(gòu)成日光溫室設(shè)為溫室I，將370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm水泥磚砌塊與后屋面2構(gòu)成的日光溫室設(shè)為溫室J，將溫室A、B、D、G、I、J 6個(gè)溫室的室內(nèi)溫度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。在其他結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)相同的情況下，當(dāng)模擬溫室采用后屋面2構(gòu)造時(shí)，與其他溫室相比，溫室I、J的整體平均氣溫值要高。其中采 用370 mm水泥 磚 砌塊+70 mm聚 苯板+120 mm加氣混凝土砌塊保護(hù)層為后墻的溫室I的整體平均氣溫值比溫室A高2.4℃。特別在夜間，其平均溫度值有較為明顯的提高，最低溫度值比溫室A高3.5℃左右，在室外氣溫為-15℃的低溫情況下，溫室室內(nèi)外的溫差達(dá)22℃左右，有效地減少了凍害現(xiàn)象發(fā)生，促進(jìn)了作物生長。

圖11 溫室A、B、D、G、I、J冬季室內(nèi)溫度模擬

2.6 多層異質(zhì)復(fù)合墻體對(duì)溫室積溫的影響

在模擬時(shí)間段內(nèi)，在采用后屋面2的情況下，采用加氣混凝土砌塊為外層保護(hù)墻的溫室I的積溫高于采用水泥砌塊為外層保護(hù)墻的溫室J（圖12）。綜合比較經(jīng)濟(jì)及室內(nèi)溫度等因素，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊與后屋面2構(gòu)造組合的溫室性能較優(yōu)。

圖12 溫室G、I、J高于10℃的活動(dòng)積溫

3 結(jié)論

本研究以改善煙臺(tái)市日光溫室冬季熱環(huán)境為主要目的，通過日光溫室熱環(huán)境分析軟件對(duì)不同后墻與后屋面構(gòu)造的日光溫室模型進(jìn)行模擬優(yōu)化。模擬結(jié)果表明，日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)后墻以及后屋面的熱工性能對(duì)日光溫室冬季室內(nèi)熱環(huán)境有著較大的影響，采用多層異質(zhì)復(fù)合墻體和導(dǎo)熱系數(shù)較小的后屋面可以有效地提高煙臺(tái)市日光溫室冬季室內(nèi)平均溫度。其中，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊為后墻、薄膜+100 mm擠塑板+30 mm厚水泥沙漿抹面保護(hù)層為后屋面的日光溫室室內(nèi)熱環(huán)境相較其他組合的日光溫室室內(nèi)熱環(huán)境更為優(yōu)良。