河北永清連棟溫室周年環(huán)境測(cè)試及分析＊

何 芬，丁小明，尹義蕾，裴慶余，富建魯，李 艷（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125）

河北省設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)自20 世紀(jì)80 年代開(kāi)始發(fā)展，截至2018 年河北省溫室面積達(dá)到15.32 萬(wàn)hm2，占全國(guó)溫室面積的8.1%，其中連棟溫室336.05 hm2，日光溫室6.3 萬(wàn)hm2，塑料大棚8.99 萬(wàn)hm2[1]。在保障蔬菜周年供應(yīng)、促進(jìn)農(nóng)民增收、帶動(dòng)城鄉(xiāng)勞動(dòng)力就業(yè)、提高資源利用率等方面發(fā)揮了巨大作用[2]。永清縣位于河北中部，地處京畿重地、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈腹地，京、津、保三角地帶中心。近年，永清縣搶抓京津冀協(xié)同發(fā)展重大機(jī)遇，瞄準(zhǔn)服務(wù)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)和京津雄“菜籃子”，以城郊都市型農(nóng)業(yè)為方向，大力發(fā)展設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)。2019 年永清縣蔬菜播種面積38.5萬(wàn)畝（25679.5 hm2），其中設(shè)施蔬菜28.5 萬(wàn)畝（19009.5 hm2），占比74%；僅黃瓜、西紅柿等深冬蔬菜，年產(chǎn)量約68 萬(wàn)t[3]。目前永清設(shè)施多以日光溫室和塑料大棚為主，連棟溫室多建在農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)，以新品種新技術(shù)等展示試驗(yàn)示范為主。因連棟溫室初期投資建設(shè)成本和冬季加溫能耗高，導(dǎo)致產(chǎn)投比倒掛，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者受益受限，成為限制連棟溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[4]。為此，本文以永清縣連棟溫室為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行周年測(cè)試，分析其室內(nèi)外環(huán)境變化規(guī)律，旨在為連棟溫室的優(yōu)化設(shè)計(jì)及在永清縣的應(yīng)用推廣提供實(shí)踐依據(jù)。。

材料與方法

試驗(yàn)溫室主要結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)溫室為文洛型連棟溫室（圖1）。溫室南北走向，跨度16 m，7 連跨，長(zhǎng)度40 m，10個(gè)開(kāi)間；溫室肩高6.2 m，脊高6.95 m。溫室內(nèi)部分為6 個(gè)種植區(qū)和1 個(gè)設(shè)施園藝裝備展示區(qū)，每個(gè)種植區(qū)種植作物不一樣（圖2），分區(qū)隔斷下部為300 mm 高240 mm 厚磚墻，上部為5 mm單層玻璃。溫室外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋材料為雙層中空玻璃（5 mm+6A+5 mm，6A 表示空腔間隔寬度6 mm），A1、A2、A3 區(qū)的屋面為5 mm 散射鋼化玻璃，其它區(qū)的屋面為5 mm 單層鋼化玻璃，分區(qū)隔離為4 mm 單層玻璃。溫室整體骨架采用輕鋼結(jié)構(gòu)，配套了頂開(kāi)窗、內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)、濕簾通風(fēng)降溫系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、熱水采暖系統(tǒng)、水肥一體化系統(tǒng)、室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)等。采暖為各分區(qū)獨(dú)立控制的集中采暖，采暖時(shí)間為每年的10月～ 次年4 月；每個(gè)區(qū)安裝4 臺(tái)風(fēng)機(jī)，功率為1.1 kW/ 臺(tái)。2019 年整個(gè)園區(qū)冬季燃?xì)獠膳M(fèi)為39.7 萬(wàn)，燃?xì)鈨r(jià)格為3.2 元/m3。

圖1 連棟溫室概況

測(cè)試條件

試 驗(yàn) 于2019 年11 月1 日～2020 年10 月31日在河北永清縣連棟溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)溫室運(yùn)行期間采用荷蘭Ridder 公司HortiMaX 環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，A1、A2、A3、B1、B2、B3 區(qū)分別布置一個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn)，室外設(shè)置室外氣象站，共布置7 個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖2）。測(cè)試參數(shù)包括室外氣象參數(shù)和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，其中室外氣象參數(shù)包括室外溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度等；室內(nèi)環(huán)境參數(shù)包括空氣溫度和相對(duì)濕度。測(cè)試期間環(huán)境控制裝備均根據(jù)環(huán)境控制系統(tǒng)基于室內(nèi)溫度變化進(jìn)行控制。各區(qū)的環(huán)境控制設(shè)備有頂部天窗和環(huán)流風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)、高壓噴霧系統(tǒng)、熱水加溫系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)。具體環(huán)境控制設(shè)定的參數(shù)如表1 所示。

圖2 溫室分區(qū)及室內(nèi)外環(huán)境測(cè)點(diǎn)分布示意圖/mm

表1 設(shè)定的控制參數(shù)

當(dāng)室內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，HortiMaX 環(huán)控系統(tǒng)優(yōu)先開(kāi)啟頂窗進(jìn)行自然通風(fēng)降溫；當(dāng)光輻射超過(guò)設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng)進(jìn)行遮陽(yáng)；夏季當(dāng)室內(nèi)溫度超過(guò)最高設(shè)定值時(shí)關(guān)閉頂窗，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)濕簾進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)降溫；冬季當(dāng)室內(nèi)溫度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)保溫幕布進(jìn)行保溫和加溫系統(tǒng)進(jìn)行加溫；當(dāng)室內(nèi)濕度低于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)高壓噴霧系統(tǒng)進(jìn)行增濕。

結(jié)果與分析

室外環(huán)境

試驗(yàn)期間室外環(huán)境參數(shù)變化如圖3 所示。室外最高空氣溫度40.5 ℃，最低空氣溫度-13.7 ℃，全年平均氣溫14.2 ℃；室外風(fēng)速范圍0～12 m/s，全年平均風(fēng)速1.26 m/s；室外太陽(yáng)輻射范圍0～1228 W/m2，全年平均太陽(yáng)輻射168 W/m2。

圖3 室外環(huán)境參數(shù)

溫室整體環(huán)境性能分析

統(tǒng)計(jì)分析溫室6 個(gè)區(qū)的溫濕度數(shù)據(jù)，得出6個(gè)區(qū)的空氣溫濕度變化范圍及平均溫濕度，如表1所示。由表2 可見(jiàn)，6 個(gè)區(qū)的全年平均溫度為19.7～22.4℃，平均相對(duì)濕度為71.4%～94.2%。6個(gè)區(qū)的最低溫度范圍為3.5～10.1℃，最高溫度范圍為39.5～45.6℃。因6 個(gè)區(qū)種植的作物不同，所采取的調(diào)控手段不同，其全年環(huán)境變化也不同。

表2 室內(nèi)6 個(gè)區(qū)空氣溫濕度變化

圖4 為室外和室內(nèi)6 個(gè)區(qū)的不同月份的平均溫度值變化圖。從圖4 中可看出，試驗(yàn)期間室外12 月和1 月份的平均溫度處于0℃以下，為全年最低，僅有-0.5℃和-0.3℃；室內(nèi)12 月和1 月份的平均溫度也為全年最低，為17.3 ℃和15.1℃。室外7 月和8 月份的平均溫度最高，為26.8 ℃；室內(nèi)平均溫度最高值出現(xiàn)在7 月和8 月份，每個(gè)區(qū)的平均溫度最高值不一樣，為25.9～30.9℃。

圖4 室內(nèi)外月平均溫度

表3 為統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)期間室內(nèi)外不同月份不區(qū)種植區(qū)的極值溫度。A1 為草莓種植區(qū)，草莓種植溫室設(shè)計(jì)要求最低溫度為5℃，目前草莓種植區(qū)最低溫度為4℃，比設(shè)計(jì)溫度低1℃；11 月～ 次年5 月種植期間A1 區(qū)最低溫度的平均值為6.7℃，最高溫度的平均值為29.2℃。A2、A3 區(qū)為果菜種植區(qū)，溫室設(shè)計(jì)要求最低溫度為12℃，11 月～次年3 月種植期間A2、A3 區(qū)最低溫度的平均值分別為11.3℃和12.1℃，最高溫度平均值分別為29.5℃和27.1℃，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。B1為草莓育苗區(qū)，3～11 月育苗期最低溫度的平均值為12℃，最高溫度的平均值為32.9℃。B2 為周年育苗區(qū)，溫室設(shè)計(jì)要求最低溫度為15℃，目前該區(qū)11 月～ 次年5 月的最低溫度均低于設(shè)計(jì)值。B3 為葉菜區(qū)，溫室設(shè)計(jì)要求最低溫度為5℃，該區(qū)僅3 月最低溫度值低于設(shè)計(jì)值，僅為3.5℃，其他月份均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 室內(nèi)外不同月份極值溫度/℃

按季節(jié)對(duì)溫室性能進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)一年中夏季（6～8月）和春季（12月～次年3月）的溫度值。夏季整個(gè)溫室最高溫度平均值達(dá)到39.1℃，最低溫度平均值為19℃；冬季最高溫度平均值31.7℃，最低溫度平均值為7.8℃。從中可看出，夏季溫室還需進(jìn)一步降溫才適于越夏生產(chǎn)，冬季可正常生產(chǎn)果菜和葉菜。

極端天氣條件下溫室環(huán)境日變化

試驗(yàn)期間，室外最低溫度出現(xiàn)在2019 年12月31 日5:00，最高溫度出現(xiàn)在2020 年7 月24日15:00。為此挑選這兩天作為室外極端溫度條件，圖5a 和圖5b 分為極低和極高溫度條件下室內(nèi)環(huán)境日變化圖。從圖中可看出，一天之內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在12:00～14:00，最低溫度出現(xiàn)在6:00～8:00。

圖5 典型條件下室內(nèi)外空氣溫度日變化

統(tǒng)計(jì)極端天氣條件下不同區(qū)白天（8:00～18:00）和夜間（19:00～ 次日7:00）的溫度范圍，如表4 所示。

表4 極端天氣條件下室內(nèi)溫度范圍

結(jié)論

通過(guò)對(duì)河北永清縣連棟溫室的室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行周年測(cè)試，分析了室內(nèi)外環(huán)境變化規(guī)律及溫室整體環(huán)境性能。結(jié)果表明試驗(yàn)期間河北永清縣室外空氣溫度-13.7～40.5 ℃，溫室內(nèi)空氣溫度為3.5～45.6 ℃；結(jié)合溫室果菜、草莓、育苗等種植最低溫度需求，對(duì)試驗(yàn)溫室6 個(gè)種植區(qū)不同月份的極值溫度分析，6 個(gè)種植區(qū)中的A1、A2、A3、B1、B3 區(qū)的最低溫度值基本達(dá)到室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度值，而B(niǎo)2 區(qū)作為育苗區(qū)，溫度目標(biāo)值較高，目前暫未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步提高該區(qū)的溫室冬季保溫性能，如采用多層保溫幕等；對(duì)于夏季降溫，可適時(shí)采用內(nèi)外遮陽(yáng)、風(fēng)機(jī)濕簾和噴霧降溫系統(tǒng)降低室內(nèi)溫度。