天津地區(qū)日光溫室冬季熱環(huán)境測試與模擬研究

郭華歌，郭春梅，寧春雪

（天津城建大學 能源與安全工程學院，天津300384）

蔬菜在其生長周期內(nèi)，只有滿足一定的溫濕度條件才能更好地進行有機合成過程.日光溫室作為一個隨時變化的生長環(huán)境，其溫濕度變化可以人為地控制在一定的范圍內(nèi)，蔬菜所處的環(huán)境溫濕度對其生長有著重要的意義.自然界中，溫濕度條件因晝夜、季節(jié)和地區(qū)的不同其變化范圍很大，很難滿足蔬菜的正常生長且更不能保證產(chǎn)量.而農(nóng)業(yè)設施就可以使蔬菜擺脫這種自然條件的束縛，并且可以有效地提供優(yōu)于自然界環(huán)境來保證蔬菜的產(chǎn)量越來越高.日光溫室還具有建造簡易、造價低等益處[1]，研究日光溫室的保溫隔熱性能，降低冬季供暖能耗和需求，是急需解決的問題.

溫度、光照等是溫室內(nèi)部環(huán)境因子的重要組成部分，二者相互影響，相互促進，共同組建溫室內(nèi)部環(huán)境[2].隨著日光溫室結(jié)構(gòu)的不斷完善，材質(zhì)的不斷提高，調(diào)控溫室環(huán)境因子是優(yōu)化溫室內(nèi)部環(huán)境的有效方法，是提高溫室產(chǎn)量、改善品質(zhì)的必要手段[3].關(guān)于溫室的環(huán)境，國內(nèi)大量的研究者對其進行分析與討論，通過研究成果可知溫室的環(huán)境受多種因素的影響.日光溫室溫濕度環(huán)境的研究中顯示，溫度是溫室環(huán)境因子的重要組成部分，溫室內(nèi)作物適宜的濕度環(huán)境在65%～85%之間[4].同時為了提高日光溫室的保溫性能，國內(nèi)有許多學者在空氣夾層方面做了廣泛的研究.張?zhí)鹛餥5]對建筑圍護結(jié)構(gòu)的空氣夾層的流動問題做出研究：基于渦量-流函數(shù)模型，分析不同瑞利數(shù)Ra下，判定空氣夾層內(nèi)流態(tài)變化情況；建立空氣夾層的自然對流和輻射傳熱模型，研究分析空氣夾層的厚度，角度以及壁面溫差對傳熱的影響，當空氣夾層的高度在0.8～1.5 m時，空氣間層厚度最優(yōu)值為20 mm.王厚華[6]等分別采用純導熱以及FLUENT模擬的方法對空氣夾層對流換熱進行分析，得出影響空氣夾層對流換熱的主要影響因素有氣體種類、瑞利數(shù)Ra、空氣夾層的相對厚度和壁面溫差；在其他因素不變的情況下，用軟件模擬空氣夾層為6，9，12，14，16 mm自然對流傳熱系數(shù)[7-8]，找到最佳空氣夾層厚度.提高溫室保溫性可以從提高封閉空氣夾層的熱阻及優(yōu)化夾層厚度入手，本文將從優(yōu)化夾層厚度的方向，以試驗棚為例做出厚度優(yōu)化.

綜上所述，目前國內(nèi)外研究重點主要集中在單膜日光溫室環(huán)境因子和空氣間層厚度的方向，但是對雙膜日光溫室的溫濕度研究和實驗數(shù)據(jù)比較缺乏，同時針對雙膜日光溫室的空氣間層厚度的研究也比較少.本文結(jié)合天津地區(qū)日光溫室種植區(qū)域的氣象條件、雙膜日光溫室所測數(shù)據(jù)并利用EnergyPlus軟件模擬日光溫室空氣間層厚度的不同對溫室保溫性能的影響，得出適用于天津地區(qū)雙膜日光溫室最佳空氣間層厚度.

1 試驗測試

本文測試的單、雙膜日光溫室是位于天津市薊縣東施古鎮(zhèn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)內(nèi)的日光溫室，溫室長度為85 m，寬度為8.6 m，兩棟溫室之間的距離為10 m.

雙膜日光溫室的內(nèi)外兩層拱架為鍍鋅管焊接而成的，鍍鋅管長6 m、厚1.8 mm，溫室內(nèi)部沒有其他金屬管以及混凝土支柱，兩層拱架一邊嵌在后墻上，另一邊在地上.雙層拱架上各覆蓋一層塑料薄膜，內(nèi)外層拱架上的塑料薄膜都為0.08 mm，為了強化雙膜日光溫室的采光性能和保溫性能，在內(nèi)外層拱架上都覆蓋了保溫棉被，保溫棉被總長8.5 m、寬1.5 m、厚4 cm，并在內(nèi)層拱架上安裝卷簾機，在白天時，內(nèi)層薄膜和棉被是一起被卷起的，只剩下外層薄膜，保證了溫室內(nèi)的光照.夜間卷簾機將同時將棉被和塑料薄膜敷設.溫室后墻體的厚度為0.5 m，采用磚土混合結(jié)構(gòu)，東西墻為雙24墻.溫室拱頂高度為4.3 m，內(nèi)跨度為7.8 m.其溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 雙膜日光溫室結(jié)構(gòu)

1.1 測試方法

本研究實時監(jiān)測雙膜日光溫室與單膜日光溫室在冬季溫室內(nèi)部氣溫以及太陽光照強度的變化情況，對比分析雙膜日光溫室與普通日光溫室冬季保溫性能.選擇北方地區(qū)冬季最冷時間段，即選取2019年1月1日到2019年1月15日的實測數(shù)據(jù)進行分析，同時選擇晴天、陰天、下雪天氣為代表對比分析了土壤溫度以及空氣濕度.因為內(nèi)層薄膜以及內(nèi)層棉被是一體的，所以早上9：00揭開保溫被的同時，卷簾機會卷起內(nèi)層的薄膜，下午16：00蓋上保溫被以及內(nèi)層薄膜，各監(jiān)測點的溫度記錄時間為30 min記錄一次.

試驗測點位置的確定是根據(jù)《設施園藝學》以及《塑料日光溫室蔬菜栽培技術(shù)》中的實測數(shù)據(jù)，采用線性內(nèi)插法對數(shù)據(jù)進行插值分析，最后得出測量儀器可以布置在距離北墻1/3處的東西線上和距離無門一端墻1/6南北線的交點[9]，如圖2所示.實驗測點所測得的數(shù)據(jù)可以較為準確地反應溫室內(nèi)的平均值.空氣溫濕度以及光照強度傳感器布置在距離地面1.5 m的地方，土壤溫濕度傳感器（見圖3）布置在地下100 mm的深度.

圖2 測點布置

圖3 土壤溫濕度傳感器

1.2 測試儀表

空氣溫濕度和光照數(shù)據(jù)可由傳感器（見圖4）所得，試驗過程中所用的空氣溫濕度以及光照強度傳感器是ZigBee傳感器，傳感器外觀圖如圖5所示，技術(shù)規(guī)格如表1所示.

圖4 空氣溫濕度以及光照傳感器

圖5 環(huán)境因素監(jiān)測屏

表1 ZigBee傳感器技術(shù)規(guī)格

1.3 試驗測試結(jié)果與分析

本文采用精密的設施農(nóng)業(yè)監(jiān)測儀器采集日光溫室內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度值，記錄每30 min一次的數(shù)據(jù)的數(shù)值，將全天的溫度數(shù)據(jù)計算成平均值，如圖6所示，并結(jié)合所有實測數(shù)據(jù)展開分析研究.

圖6是2019年1月1日至2019年1月15日雙膜日光溫室以及普通日光溫室內(nèi)部日平均空氣溫度對比變化圖，兩溫室室內(nèi)氣溫變化相對于室外氣溫均有明顯提升，說明兩溫室在應用中都具有保溫蓄熱的能力.

由圖6可以看出，雙膜日光溫室的日平均溫度最低值為11.9℃，最高為18.1℃.普通日光溫室的日平均最低溫度為10.2℃，最高溫度為15.6℃.15日內(nèi)雙膜日光溫室與普通日光溫室最大溫差為3.6℃，與室外氣溫最大溫差為24.3℃.由圖可知雙膜日光溫室15 d的日平均空氣溫度顯著均高于普通日光溫室，說明雙膜日光溫室整體保溫性能優(yōu)于普通日光溫室.

圖6 日光溫室內(nèi)外日平均空氣溫度變化曲線

日光溫室日平均土壤溫度變化如圖7所示，圖7是2019年1月1日至2019年1月15日雙膜日光溫室以及普通日光溫室內(nèi)部日平均土壤溫度對比變化圖.15日內(nèi)雙膜日光溫室與普通日光溫室最大的日平均溫差為3.3℃，雙膜日平均溫度的最低值要比普通日光溫室最低值高1.5℃.這主要是由于雙膜白天蓄熱以及夜晚保溫性能好.通過以上數(shù)據(jù)說明雙膜日光溫室內(nèi)部溫度環(huán)境優(yōu)于普通溫室，在生產(chǎn)中更有助于應對室外低溫帶來的威肋，更加適合于溫室冬季生產(chǎn).

圖7 日光溫室日平均土壤溫度變化曲線

1.3.1 溫度測試結(jié)果

下雪天日光溫室土壤的溫度變化如圖8所示，由圖8可以看出在2月12日下雪天天氣狀況下，雙膜日光溫室與普通日光溫室土壤溫度變化.雙膜日最高土壤溫度為15.5℃，最低溫度為11.2℃.普通日光溫室日最高土壤溫度為13.3℃，最低為10.6℃，兩溫室最低溫差相差0.6℃.總體來說，在下雪天，雙膜日光溫室的土壤溫度明顯高于普通日光溫室，普通日光溫室的地溫不能滿足蔬菜生長的最低要求，需要輔助加溫；而雙膜日光溫室在下午6點之后的溫度低于最低要求溫度，說明如遇連續(xù)雨雪天氣，雙膜日光溫室也需要輔助加溫措施.

圖8 下雪天日光溫室土壤的溫度變化曲線

1.3.2 濕度測試結(jié)果

蔬菜的正常生長除了溫度以外，空氣濕度也是十分重要的影響因素，它影響了蔬菜的蒸騰作用以及微生物的活動，一般蔬菜的適宜濕度范圍是在65%～85%之間，低于最小值或者長時間高于最大值都對蔬菜的生長有不利的影響.由于日光溫室的保溫效果較好，封閉性能好，所以溫室內(nèi)的相對濕度一般情況下要大于室外，但為了保證蔬菜的品質(zhì)，要注意相對濕度值不能太高.

晴天日光溫室內(nèi)外空氣濕度變化如圖9所示.由圖9可以看出在1月4日晴天天氣狀況下，雙膜日光溫室、單膜日光溫室以及室外的逐時空氣濕度變化曲線.在這一天，雙膜日光溫室的空氣濕度最大值為87%，最低為45%，一天內(nèi)的空氣濕度變化范圍為42%；普通日光溫室的最大空氣濕度值為94%，最低為33%，最大值與最小值的差值為61%；室外的空氣濕度變化是由59%變化到24%；晴天天氣條件下，兩溫室的相對濕度在下午2點時降到最低點，隨后繼續(xù)增長.由上述數(shù)據(jù)可知，雙膜日光溫室的空氣濕度更符合蔬菜的生長需要，并且一天內(nèi)的相對濕度的波動范圍較普通日光溫室變化較小，對蔬菜生長發(fā)育更加有利.

圖9 晴天日光溫室內(nèi)外空氣濕度變化曲線

前文已提出，為了提高溫室保溫性可以從增加封閉空氣夾層的熱阻出發(fā)，本文將從優(yōu)化夾層厚度入手，以試驗棚為例做出厚度優(yōu)化.

2 雙膜日光溫室間層厚度優(yōu)化

與單層膜相比，雙層大棚里面種植的瓜果蔬菜無論是在外觀還是品質(zhì)上都有很大的提升.近些年來雙膜大棚在天津的應用越來越廣泛，除了薊縣的多處農(nóng)業(yè)園在用，漢沽也在用雙膜日光溫室種葡萄，其收成也很可觀.但是根據(jù)實際走訪發(fā)現(xiàn)，對于雙膜日光溫室的空氣間層厚度，缺乏技術(shù)指導，所以針對此現(xiàn)象，本文運用EnergyPlus對雙膜日光溫室做模擬分析，分析不同空氣間層厚度下的薄膜側(cè)的傳熱情況，但在有關(guān)文獻中提到雙層膜覆蓋后，棚內(nèi)溫度提高，物候期也開始相應提早，內(nèi)外棚間距不宜小于30 cm，否則增溫效果差[10].

本章節(jié)取空氣間層厚度分別為0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m進行EnergyPlus能耗模擬.

選取不同厚度的空氣間層的雙膜進行總耗熱量模擬分析（見圖10），測得雙膜總耗熱量.由圖10可以看出，兩條曲線在空氣間層厚度在1 m之后趨于平緩，空氣間層的厚度可以再繼續(xù)增加，但是蔬菜生長需要空間，隨之而來的是棚的高度增加，棚的成本增加.本文試驗棚的空氣間層厚度為0.8 m，模擬結(jié)果得出最優(yōu)值為1 m，比原來增加20 cm，在不增加棚的高度的情況下也可以實現(xiàn).

實測1月1日至1月29日每天不同時刻的空氣溫度（見圖11）以及土壤溫度（見圖12），并設定空氣間層為1 m時進行模擬分析，由圖11和圖12可以看出，一月份溫室內(nèi)空氣溫度以及土壤溫度均滿足最低值要求.

圖11 W=1 m空氣間層的雙膜日光溫室溫度變化曲線

圖12 W=1 m空氣間層的雙膜日光溫室土壤溫度變化曲線

3 結(jié)論

（1）在土壤溫度方面，選取典型天氣下雪天，雙膜日最高土壤溫度為15.5℃，最低溫度為11.2℃，普通日光溫室日最高土壤溫度為13.3℃，最低為10.6℃，兩溫室最低溫差相差0.6℃.總體來說，在下雪天，雙膜日光溫室的土壤溫度明顯高于普通日光溫室，普通日光溫室的地溫不能滿足蔬菜生長的最低要求，需要輔助加溫.而雙膜日光溫室在下午6點之后的溫度低于最低要求溫度，說明如遇連續(xù)雨雪天氣，雙膜日光溫室也需要輔助加溫措施.

（2）在濕度方面，雙膜日光溫室、單膜日光溫室雙膜日光溫室的空氣濕度最大值為87%，最低為45%.一天內(nèi)的空氣濕度變化范圍為42%，普通日光溫室的最大空氣濕度值為94%，最低為33%.最大值與最小值的差值為61%，室外的空氣濕度變化是由59%變化到24%.雙膜日光溫室的空氣濕度符合蔬菜的生長需要，并且一天內(nèi)的相對濕度的波動范圍較普通日光溫室變化較小，對蔬菜生長發(fā)育更加有利.

（3）選取雙模日光溫室不同空氣間層厚度，利用EnergyPlus進行耗熱量模擬分析.結(jié)果顯示：當空氣間層厚度為1m時，溫室耗熱量最低；并且在此厚度下的溫室環(huán)境滿足蔬菜正常生長所需的最低空氣溫度和土壤溫度.