新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室性能測(cè)試分析

司長(zhǎng)青 何 芬 周長(zhǎng)吉 高賀昌 張 柏 李曉明

（1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125；3 三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北宜昌 443002；4 北京華美沃龍農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 100024）

日光溫室是我國(guó)自主研發(fā)的一種特殊溫室類型，自20 世紀(jì)80 年代中期在我國(guó)開始推廣。根據(jù)2020 年全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)，我國(guó)日光溫室面積達(dá)到55 萬hm，占全國(guó)設(shè)施總面積的30%。日光溫室的研制開發(fā)及推廣有效解決了我國(guó)冬季蔬菜供應(yīng)短缺及農(nóng)民收入低等問題（鮑順淑等，2010）。

日光溫室的儲(chǔ)放熱功能是其主要的節(jié)能機(jī)制之一。傳統(tǒng)日光溫室儲(chǔ)放熱系統(tǒng)主要依靠墻體和地面白天蓄積太陽輻射熱，夜間向溫室內(nèi)釋放白天貯蓄的太陽輻射熱量。這種被動(dòng)儲(chǔ)放熱形式因墻體與土壤傳熱緩慢而作用有限，難以將白天富集的太陽熱能有效地收集、貯蓄起來，用于夜間室內(nèi)增溫。早期有些研究曾利用水等媒介吸收太陽能，通過構(gòu)建地中熱交換系統(tǒng)對(duì)地面土壤進(jìn)行加熱，但因工程量較大，蓄、放熱效果有限，沒有獲得大量應(yīng)用（白義奎 等，2002）。目前很多研究通過內(nèi)部或外部集熱裝置將白天太陽熱能收集、貯存于水體中，夜間釋放出來提高室內(nèi)氣溫（鄭欽中 等，2021），或?qū)崴ㄈ氲孛嫱寥?，提高地溫（方?等，2012；于威 等，2014；于濤 等，2022）；也有研究采用相變貯熱的方法儲(chǔ)存熱量用于日光溫室加溫，與水體貯熱相比，這種方法能夠顯著降低貯熱設(shè)施的體積（鮑恩財(cái) 等，2018；張勇 等，2021）?，F(xiàn)今關(guān)于日光溫室儲(chǔ)放熱系統(tǒng)的研究總體較為成熟，但仍然存在成本高、儲(chǔ)放熱量不足等問題。目前日光溫室結(jié)構(gòu)的發(fā)展呈現(xiàn)輕簡(jiǎn)化趨勢(shì)，通過墻體的被動(dòng)儲(chǔ)熱幾乎完全消失，為此亟須提出替代傳統(tǒng)墻體儲(chǔ)放熱的輕簡(jiǎn)化主動(dòng)儲(chǔ)放熱方法。

本研究提出一種新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室，通過設(shè)置后墻水循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)和土壤空氣循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)，提高室內(nèi)環(huán)境溫度；并在河北、內(nèi)蒙、寧夏冬季嚴(yán)寒時(shí)段對(duì)該溫室進(jìn)行性能測(cè)試，分析其室內(nèi)環(huán)境變化規(guī)律，以期為該溫室的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用推廣提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室概況

試驗(yàn)溫室為新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室（圖1），該溫室坐北朝南，長(zhǎng)100 m，跨度12 m，脊高5.5 m，后墻高4.0 m，后屋面水平投影寬2.0 m。溫室承力采用完全組裝結(jié)構(gòu)，前屋面與后屋面采用單管拱架，并設(shè)有屋脊拉桿；溫室的后墻和山墻采用雙立柱格構(gòu)結(jié)構(gòu)，立柱和腹桿均采用方管，結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)，更有利于抗風(fēng)。溫室后墻和后屋面采用柔性橡塑保溫被覆蓋，厚度60 cm，保溫被外表面覆蓋一層白色紅外線反光膜，可有效降低輻射散熱，提高保溫性能。為減小邊際效應(yīng)前部基礎(chǔ)散熱，溫室前屋面底腳增設(shè)了8 cm 厚、50 cm 深的硬質(zhì)再生橡塑隔熱層。

圖1 新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室

1.2 主動(dòng)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)

溫室配套了主動(dòng)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由后墻水循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)和土壤空氣循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)組成（圖2）。后墻水循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)主要由給水管、水袋、回水管、集水槽和給水水泵組成（圖2-a）。該系統(tǒng)的工作原理為：白天水袋吸收太陽輻射熱量，在早晨卷起保溫被后，水泵不啟動(dòng)，水袋表面產(chǎn)生的熱量可迅速釋放到室內(nèi)，提升室內(nèi)氣溫；當(dāng)室溫達(dá)到一定設(shè)定值后，水泵自動(dòng)啟動(dòng)，將水袋白天吸熱后的熱水集中匯流到集水槽中。當(dāng)夜間室內(nèi)氣溫低于設(shè)定的警戒值時(shí)，水泵自動(dòng)啟動(dòng)，保溫水槽內(nèi)的溫水再次流經(jīng)吊掛水袋，向室內(nèi)散熱。

土壤空氣循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)主要由循環(huán)風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管、換熱管和出風(fēng)管組成（圖2-b），換熱管道水平鋪設(shè)于土壤中，埋設(shè)深度為0.6 m。該系統(tǒng)的工作原理為：白天風(fēng)機(jī)將室內(nèi)熱空氣經(jīng)由送風(fēng)管導(dǎo)入地面土壤換熱管，熱空氣與地下土壤間換熱，將空氣中熱量?jī)?chǔ)存在土壤中，降低空氣溫度、提高土壤溫度，換熱管連接出風(fēng)口，將換熱后的冷空氣導(dǎo)出土壤重新返回溫室，實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)并降低室內(nèi)溫度；夜間當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于換熱管位置處土壤溫度時(shí)，風(fēng)機(jī)開啟，室內(nèi)冷空氣沿白天相同路徑，吸收土壤熱量后返回室內(nèi)，提升空氣溫度。

圖2 主動(dòng)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)

1.3 測(cè)試條件

選取河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾和寧夏石嘴山3 個(gè)地區(qū)的試驗(yàn)溫室進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)間為冬季嚴(yán)寒時(shí)段，河北保定為2022 年1 月10—21 日，內(nèi)蒙古巴彥淖爾為2021 年12 月24 日至2022 年1 月5日，寧夏石嘴山為2021 年12 月24 日至2022 年1月3 日，溫室種植作物為番茄。取溫室中部橫截面為測(cè)點(diǎn)布置面，沿跨度方向布置3 個(gè)空氣溫濕度記錄儀（HOBO UX100-3，精度 ± 0.2 ℃，下同）和3 個(gè)土壤溫度記錄儀（TY-JL/02，精度 ± 0.2 ℃），距后墻內(nèi)表面分別為2、6、10 m?？諝鉁貪穸葌鞲衅骶嗟孛娓叨?.5 m，土溫傳感器埋深12 cm。室外空氣溫度采用溫濕度記錄儀測(cè)試，布置在溫室周邊的空曠位置，距地面高度3 m。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)際觀測(cè)天氣云量，將試驗(yàn)期間的天氣劃分為晴天和陰天。白天溫度計(jì)算時(shí)段為8：00—20：00，夜間溫度計(jì)算時(shí)段為20：00 至次日8：00，每30 min 記錄1 次。采用Microsoft Excel 2019 軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，取3 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值作為室內(nèi)空氣溫度和土壤溫度。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)外環(huán)境分析

2.1.1 室內(nèi)外氣溫變化 如圖3 所示，河北保定2022 年1 月10—21 日室外平均氣溫為-3.5 ℃，最高氣溫為5.9 ℃，最低氣溫為-13.1 ℃；溫室內(nèi)平均氣溫為14.96 ℃，最高氣溫為29.17 ℃，最低氣溫為8.23 ℃。內(nèi)蒙古巴彥淖爾2021 年12 月24 日至2022 年1 月5 日室外平均氣溫為-11.9 ℃，最高氣溫為8.1 ℃，最低氣溫為-23.5 ℃；溫室內(nèi)平均氣溫為20.12 ℃，最高氣溫為33.27 ℃，最低氣溫為13.92 ℃。寧夏石嘴山2021 年12 月24 日至2022 年1 月3 日室外平均氣溫為-9.8 ℃，最高氣溫為3.2℃，最低氣溫為-20.8 ℃；溫室內(nèi)平均氣溫為20.97℃，最高氣溫為37.32 ℃，最低氣溫為17.51 ℃。

圖3 測(cè)試地區(qū)溫室內(nèi)外氣溫變化

2.1.2 土壤溫度變化 由于并未測(cè)得寧夏石嘴山試驗(yàn)溫室的土壤溫度，僅對(duì)河北保定和內(nèi)蒙古巴彥淖爾試驗(yàn)溫室土壤溫度進(jìn)行對(duì)比分析。河北保定和內(nèi)蒙古巴彥淖爾溫室內(nèi)土壤溫度在一天中呈規(guī)律性變化，7：00—8：00 溫度最低，12：00—14：00 溫度 達(dá)到最高。河北保定測(cè)試溫室的室內(nèi)土壤平均溫度為17.1 ℃，最高溫度為19.4 ℃，最低溫度為15.1 ℃；內(nèi)蒙古巴彥淖爾測(cè)試溫室的室內(nèi)土壤平均溫度為19.8 ℃，最高溫度為21.3 ℃，最低溫度為18.6 ℃（圖4）。新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室內(nèi)土壤最低溫度均大于15 ℃，能夠滿足作物的生長(zhǎng)需求。

圖4 測(cè)試地區(qū)溫室內(nèi)土壤溫度變化

2.2 日光溫室整體環(huán)境性能分析

通過統(tǒng)計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算分析室內(nèi)日平均氣溫、日最低氣溫、白天室內(nèi)氣溫大于15 ℃的平均時(shí)長(zhǎng)、夜間日平均氣溫以及夜間室內(nèi)外溫差等指標(biāo)，對(duì)不同測(cè)試地區(qū)日光溫室的整體熱環(huán)境進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

如表1 所示，測(cè)試期間，3 個(gè)地區(qū)室外日平均氣溫的平均值均小于-3 ℃，其中內(nèi)蒙古巴彥淖爾最低，為-11.9 ℃；室內(nèi)日平均氣溫的平均值均保持在15 ℃以上。從日最低氣溫看，3 個(gè)地區(qū)室外最低氣溫的最低值均小于-13 ℃，室內(nèi)日最低氣溫的最低值均保持在8 ℃以上，其中內(nèi)蒙古巴彥淖爾室外日最低溫度最低，為-23.5 ℃，但室內(nèi)日最低氣溫依然能保持在13.5 ℃以上。河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山白天室內(nèi)氣溫大于15 ℃的平均時(shí)長(zhǎng)分別為7.7、11.8、12.0 h，均超過7 h。

表1 測(cè)試地區(qū)溫室內(nèi)外日平均氣溫、最低氣溫及白天室內(nèi)氣溫大于15 ℃平均時(shí)長(zhǎng)

從表2 可看出，河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)室外夜間日平均氣溫的平均值分別為-6.6、-16.4、-13.2 ℃；室內(nèi)夜間日平均氣溫的平均值分別為12.1、17.1、18.4 ℃，最低值分別為11.2、15.9、18.3 ℃；室內(nèi)外夜間平均溫差分別為18.7、33.8、31.6 ℃，最低溫差分別為14.9、23.3、25.5 ℃，可見新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室的夜間保溫性能優(yōu)越。

表2 測(cè)試地區(qū)溫室內(nèi)外夜間日平均氣溫和室內(nèi)外溫差 ℃

2.3 典型天氣條件下溫室內(nèi)外溫度變化

在溫室的使用過程中，低溫凍害經(jīng)常在連續(xù)的陰雪天氣時(shí)發(fā)生，連續(xù)陰雪天的天氣狀況最能考驗(yàn)溫室是否能夠滿足作物生長(zhǎng)需求，因此，分析溫室內(nèi)溫度在連續(xù)陰雨天時(shí)的變化顯得極其重要。本試驗(yàn)分析了2 種典型天氣日光溫室內(nèi)環(huán)境變化：①連續(xù)晴天中的一天；② 連續(xù)陰雪天中的一天。

2.3.1 晴天溫室內(nèi)外溫度變化 在連續(xù)3 天晴天條件下，分別選取中間1 天測(cè)試溫室內(nèi)外溫度，得到3 個(gè)地區(qū)晴天條件下試驗(yàn)溫室內(nèi)外溫度變化情況（圖5）。河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)試驗(yàn)溫室內(nèi)的平均溫度分別為15.7、20.4、21.7 ℃，最低溫度分別為9.2、15.2、18.0 ℃，其中最低溫度出現(xiàn)在8：00—9：30。一天中室內(nèi)外空氣溫度變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢(shì)，室內(nèi)空氣溫度變化相較于室外有一定滯后。

圖5 測(cè)試地區(qū)晴天室內(nèi)外空氣溫度的變化

2.3.2 陰雪天溫室內(nèi)外溫度變化 在連續(xù)3 天陰雪天條件下，分別選取中間1 天測(cè)試試驗(yàn)溫室內(nèi)外溫度，得到3 個(gè)地區(qū)陰雪天條件下試驗(yàn)溫室內(nèi)外溫度變化情況（圖6）。河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)試驗(yàn)溫室內(nèi)的平均溫度在陰雪天條件下分別為11.6、19.8、20.3 ℃，最低溫度分別為8.2、16.3、17.9 ℃，最低溫度出現(xiàn)在8：30—10：00。陰雪天較典型晴天條件，溫室內(nèi)空氣溫度變化較室外更加滯后，且室內(nèi)外溫差減小。

圖6 測(cè)試地區(qū)陰雪天室內(nèi)外空氣溫度的變化

3 討論

本研究設(shè)計(jì)的新型儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策，通過儲(chǔ)放熱系統(tǒng)能夠充分利用太陽輻射能量。據(jù)估算，水循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)一晝夜可釋放8.4 × 10kJ 的熱量，相當(dāng)于節(jié)省了300 kW · h的電力（周長(zhǎng)吉 等，2022）。單棟溫室面積為1 200 m，建設(shè)成本（包括溫室墻體、骨架、卷簾機(jī)、保溫被等）約為23 萬元。水循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)設(shè)備一次性投入約2.6 萬元，土壤空氣循環(huán)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)一次性投入約1.7 萬元。

該新型溫室墻體及維護(hù)結(jié)構(gòu)使用輕質(zhì)柔性保溫材料，具有較好的保溫性能，配備的主動(dòng)儲(chǔ)放熱系統(tǒng)彌補(bǔ)了墻體被動(dòng)儲(chǔ)放熱功能的不足，即使在北方嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)外平均溫差仍能達(dá)到18 ℃以上，土壤最低溫度大于15 ℃，具有較好的保溫蓄熱性能。目前，該溫室已在北京、內(nèi)蒙古、寧夏、新疆、河北等地推廣，用于黃瓜、番茄等果菜的越冬生產(chǎn)。今后，如何合理調(diào)控溫室儲(chǔ)放熱能力，發(fā)揮溫室最大儲(chǔ)放熱潛力，提高生產(chǎn)綜合效益是該新型溫室優(yōu)化的目標(biāo)和方向。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種新型主動(dòng)儲(chǔ)放熱組裝結(jié)構(gòu)日光溫室，并在河北保定、內(nèi)蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)寒冷時(shí)段對(duì)新型溫室進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明，此類型溫室室內(nèi)日平均氣溫、日最低氣溫的平均值分別為15.0、20.1、21.0 ℃和9.0、15.3、17.7 ℃，夜間日平均氣溫、室內(nèi)外溫差的平均值分別為12.1、17.1、18.4 ℃和18.7、33.8、31.6 ℃，能夠滿足喜溫果菜的生長(zhǎng)要求。