基于氣象因素的日光溫室蓄放熱研究

張傳坤 李風晶 李廣 王曉 劉波 楊寧

摘要 為探索壽光各代日光溫室引進喀什地區(qū)后蓄熱保溫性能降低的原因，以氣象學土壤熱量收支平衡理論為依據(jù)，對2000—2020年越冬季濰坊市和喀什市的氣象因素進行對比。結(jié)果表明，喀什市平均日照時數(shù)、地面接收到的太陽輻射強度分別為濰坊市的92.94%、91.55%～94.77%?？κ彩邪滋熳罡邭鉁乇葹H坊市最高氣溫低3.79 ℃；喀什市夜間最低氣溫比濰坊市最低氣溫低3.50 ℃，日光溫室夜間放熱量多。喀什市日光溫室蓄放熱更容易失去平衡，溫室溫度降低；外地引進壽光各代日光溫室后，要對采光面傾斜程度、溫室跨度、溫室保溫被厚度等進行調(diào)整，以適應(yīng)引進地區(qū)的氣象條件。

關(guān)鍵詞 氣象因素；日光溫室；蓄放熱；平衡

中圖分類號 S 625.1? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）07-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.045

Study on the Heat Absorption and Release in Solar Greenhouse Based on the Meteorological Factors

ZHANG Chuan-kun1，2， LI Feng-jing3， LI Guang2 et al

（1. Institute of Vegetables， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong 250100;2.Bureau of Agriculture and Rural Affairs in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000;3.Meteorological Bureau in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000）

Abstract In order to explore the reasons for the reduction of heat storage and insulation performance of each generation of Shouguang solar greenhouses after being introduced in Kashgar region， based on the theory of soil heat absorption and release balance in meteorology， the meteorological factors of Weifang City and Kashgar City in the wintering season during 2000-2020 were compared. The results showed the average sunshine hours and the solar radiation intensity received in ground in Kashgar City were 92.94% and 91.55%-94.77% of those indices in Weifang City respectively. The maximum air temperature in Kashgar City was 3.79 ℃ lower than that in Weifang City. The minimum temperature at night in Kashgar City was 3.50 ℃ lower than that in Weifang City， heat volume released from solar greenhouse at night was more in Kashgar City than that in Weifang City. The solar greenhouse in Kashgar City was easier to lose balance between heat absorption and heat release， and the greenhouse temperature decreased. After each generation of Shouguang solar greenhouses was introduced into other places， the slope of lighting surface， the thickness of greenhouse insulation quilt should be adjusted to adapt the meteorological conditions of the introduced region.

Key words Meteorologic factors;Solar greenhouse;Heat absorption and release;Balance

基金項目 山東省援疆資金資助項目。

作者簡介 張傳坤（1972—），男，山東臨朐人，研究員，博士，從事設(shè)施工程與環(huán)境調(diào)控研究。

收稿日期 2022-05-09；修回日期 2022-06-10

日光溫室是在生產(chǎn)實踐中不斷發(fā)展完善起來的一種栽培模式，依靠其特有的棚型結(jié)構(gòu)和保溫性能，實現(xiàn)了喜溫果菜的越冬生產(chǎn)，在我國北方地區(qū)得到大面積推廣［1-3］，為北方地區(qū)越冬季蔬菜供應(yīng)發(fā)揮了重要作用。在眾多棚型結(jié)構(gòu)中，以山東壽光各代日光溫室［4-6］為代表的棚型結(jié)構(gòu)被許多地區(qū)引進，在北方地區(qū)得到大面積應(yīng)用。自1990年以來，喀什地區(qū)引進壽光各代日光溫室，但引進的壽光各代日光溫室在喀什地區(qū)表現(xiàn)一般，越冬季蓄熱保溫性能低下，夜間氣溫普遍較低，喜溫果菜很難進行越冬季生產(chǎn)。為此，探索壽光各代日光溫室引進喀什地區(qū)后溫度水平降低的原因，不僅能夠有針對性地加以改進，而且會對喀什地區(qū)的設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。研究表明，后墻和土壤作為日光溫室的熱源［7］，其溫度高低直接影響溫室夜間空氣溫度的高低［8］。熱源蓄熱是被動蓄熱［9-12］，其蓄熱量與太陽輻射密切相關(guān)?？紤]到一天之內(nèi)太陽輻射強度的規(guī)律性變化，日照時間越長，熱源蓄熱量越多；熱源放熱同樣也是被動放熱［13］，其放熱量受到外界低溫的影響，外界溫度越低，熱源放熱量越多。由此可見，日光溫室熱源的蓄熱、放熱受到所在地區(qū)白天日照和夜間低溫的影響。熱源蓄熱量與放熱量之間的關(guān)系也就是溫室所在地區(qū)白天日照與夜間低溫之間的關(guān)系，已有研究也給出了明確答案：根據(jù)非穩(wěn)態(tài)導熱［14-16］溫度與熱量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)模型［17］，熱源白天蓄熱量大于夜間放熱量時，熱源溫度水平提高，反之，熱源溫度水平降低。因此，日光溫室溫度水平取決于白天蓄熱量與夜間放熱量之間的關(guān)系，與引進地區(qū)白天日照和夜間低溫密切相關(guān)。筆者對越冬季濰坊市和喀什市日照時數(shù)、地面接收到的太陽幅射強度、最高氣溫、最低氣溫進行對比研究，分析兩地日光溫室蓄熱量與放熱量之間的差異，探索壽光各代日光溫室引進喀什地區(qū)后蓄熱保溫性能降低的原因，以期為不同地區(qū)日光溫室引進后的結(jié)構(gòu)調(diào)整提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

2000—2020年喀什市與濰坊市越冬季的日照時數(shù)、最高氣溫、最低氣溫數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心。

越冬季指的是每年12月到次年1月；最高氣溫指的是一天24 h內(nèi)的最高氣溫；最低氣溫指的是一天24 h內(nèi)的最低氣溫。

1.1 喀什市與濰坊市日光溫室白天蓄熱的對比

對日照時數(shù)、地面接收到的太陽幅射強度、最高氣溫3個指標進行對比。

①計算2000—2020年每個越冬季喀什市和濰坊市日照時數(shù)的均值、整個越冬季的均值，并進行對比。

②根據(jù)喀什市、濰坊市的緯度，計算出冬至日兩地太陽高度角，以此高度角進行計算，對冬至日兩地地面接收到的太陽輻射強度進行對比，然后對越冬季兩地地面接收到的太陽輻射強度進行對比。

③計算2000—2020年每個越冬季喀什市和濰坊市最高氣溫的均值、整個越冬季的均值，然后對比日光溫室白天熱量的變化。

1.2 喀什市與濰坊市日光溫室夜間放熱的對比

計算2000—2020年每個越冬季喀什市、濰坊市最低氣溫的均值、整個越冬季的均值，并進行對比。

2 結(jié)果與分析

2.1 越冬季喀什市與濰坊市氣象因素的對比分析

2.1.1 喀什市與濰坊市日照時數(shù)對比。

2000—2020年越冬季喀什市和濰坊市平均日照時數(shù)如圖1所示。

從圖1可以看出，不同越冬季喀什市的平均日照時數(shù)不同，濰坊市的平均日照時數(shù)也不同。同一越冬季喀什市的平均日照時數(shù)與濰坊市的平均日照時數(shù)也不同，有些越冬季喀什市的平均日照時數(shù)比濰坊市的平均日照時數(shù)要長，比如2000年越冬季、2006年越冬季等；有些越冬季喀什市的平均日照時數(shù)比濰坊市的平均日照時數(shù)要短，比如2005年越冬季、2008年越冬季等。造成不同年份喀什市、濰坊市日照時數(shù)不同，同一年份喀什市與濰坊市日照時數(shù)也存在差別的原因可能是由于不同年份、不同地區(qū)的云層、塵埃隨太陽輻射的反射不同，導致大氣透明程度不同造成的［18］。

2000—2020年越冬季喀什市平均日照時數(shù)的均值為4.87 h，2000—2020年越冬季濰坊市平均日照時數(shù)的均值為5.24 h，喀什市平均日照時數(shù)是濰坊市平均日照時數(shù)的92.94%。以上結(jié)果表明2000—2020年越冬季喀什市的平均日照時數(shù)比濰坊市的平均日照時數(shù)短，這可能是由于越冬季喀什地區(qū)的浮塵天氣較多所致。

2.1.2 喀什市和濰坊市地面接收到的太陽輻射強度對比。

太陽高度角與地面太陽輻射強度的關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，太陽輻射強度（ac）到達地面后，受太陽高度角α的影響，地面接收到的太陽輻射強度（bc）發(fā)生變化，二者之間的關(guān)系可用下式表達：

bc×sinα=ac（1）

受地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的影響，同一地區(qū)不同日期的太陽高度角會發(fā)生變化。由于喀什市緯度比濰坊市緯度高2.76°，所以越冬季濰坊市太陽高度角始終大于喀什市太陽高度角2.76°，越冬季喀什市地面接收到的太陽輻射強度始終小于濰坊市地面接收到的太陽輻射強度。

從太陽赤緯的周年變化曲線［18］可以看出，越冬季太陽直射緯度為-23.26°～-10.00°，喀什市太陽高度角的最小值、最大值分別為27.27°和40.53°，濰坊市太陽高度角的最小值、最大值分別為30.03°和43.29°。

越冬季喀什市地面接收到的太陽輻射強度與濰坊市地面接收到的太陽輻射強度比值分別用下式計算：

sin27.27°/sin30.03°×100%=91.55%（2）

sin40.53°/sin43.29°×100%=94.77%（3）

2.1.3 喀什市和濰坊市最高氣溫、最低氣溫對比。

2000—2020年越冬季喀什市和濰坊市最高氣溫、最低氣溫如圖3所示。從圖3可以看出，2000—2020年越冬季喀什市、濰坊市最高氣溫不斷變化，除了2009年越冬季、2012年越冬季喀什市與濰坊市最高氣溫比較接近外，其余越冬季喀什市最高氣溫均低于濰坊市越冬季最高氣溫。這可能是由于越冬季濰坊市的平均日照時數(shù)比喀什市的平均日照時數(shù)長（圖1），且濰坊市地面接收到的太陽輻射強度大于喀什市地面接收到的太陽輻射強度。

從圖3可以看出，除了2003年越冬季、2009年越冬季喀什市與濰坊市最低氣溫比較接近外，其余越冬季喀什市越冬季最低氣溫均低于濰坊市越冬季的最低氣溫。這可能是由于一方面越冬季喀什市白天地面接收到的太陽輻射較少，氣溫本來就低于濰坊市氣溫；另一方面，喀什市海拔在1 298 m左右，而濰坊市的海拔在30 m左右，由于地面大氣層氣溫隨著海拔高度的增加而逐漸降低，夜間喀什市氣溫比濰坊市的氣溫更低。

2000—2020年越冬季濰坊市最低氣溫和最高氣溫的均值分別為-4.81和4.61 ℃，氣溫變化區(qū)間為-4.81～4.61 ℃；喀什市最低氣溫和最高氣溫的均值分別為-8.31和0.82 ℃，氣溫變化區(qū)間為-8.31～0.82 ℃。根據(jù)氣象學下墊面土壤熱量收支平衡可知，這可能是由于濰坊市和喀什市所處的緯度不同、海拔高度不同，導致兩地下墊面土壤熱量收支存在差別，進而造成下墊面土壤蓄放熱失衡程度不同。

2.2 喀什市和濰坊市越冬季氣象因素對日光溫室蓄放熱的影響

2.2.1 喀什市和濰坊市越冬季氣象因素對日光溫室白天蓄熱的影響。

日照時間短使得喀什市日光溫室蓄熱時間短，進而導致溫室熱源白天蓄熱量少；太陽高度角小造成太陽光線透過率低、太陽輻射強度低，進而造成溫室熱源白天蓄熱量少；最高氣溫低，可能造成白天采光面塑料薄膜兩側(cè)空氣溫差較大，從溫室內(nèi)部向溫室外釋放出的熱量較多，從而導致溫室熱源蓄積的熱量較少。由此可見，對于相同結(jié)構(gòu)的日光溫室，喀什市白天蓄積的熱量少于濰坊市白天蓄積的熱量。

2.2.2 喀什市和濰坊市越冬季氣象因素對日光溫室夜間放熱的影響。

從圖3可以看出，喀什市夜間最低氣溫比濰坊市夜間最低氣溫低3.50 ℃。對于相同結(jié)構(gòu)的日光溫室，喀什市夜間釋放的熱量多于濰坊市夜間釋放的熱量。

2.2.3 喀什市和濰坊市越冬季氣象因素對日光溫室蓄放熱平衡的影響。

對于相同結(jié)構(gòu)的日光溫室來說，喀什市白天蓄積的熱量少，夜間釋放的熱量多，溫室蓄放熱更容易失去平衡，氣溫降低得更多，溫室溫度更低。

2.3 實現(xiàn)喀什地區(qū)日光溫室蓄放熱平衡采取的措施

壽光各代日光溫室引入喀什地區(qū)后，日光溫室結(jié)構(gòu)應(yīng)做以下調(diào)整，才能適應(yīng)喀什地區(qū)的氣象條件，改善溫室的蓄放熱平衡，提高溫室溫度。

①考慮到兩地氣溫差異，增大喀什市日光溫室采光面傾斜程度，提高屋面角2.76°以上，以抵消緯度差異對太陽光線透過造成的影響。

②喀什市溫室跨度調(diào)整為7～9 m。多年園藝栽培實踐表明，溫室跨度受當?shù)匾归g最低氣溫影響?？κ驳貐^(qū)夜間最低氣溫低于-18 ℃，對應(yīng)溫室跨度為7～9 m［19］。此外，溫室跨度越大，夜間土壤釋放出來的熱量在溫室夜間溫度形成中的占比就越大，溫室溫度就會越低［18］。

③增加日光溫室保溫被的厚度，減少夜間放熱量。

以溫室內(nèi)部空氣溫度為10 ℃進行計算示例：

此時喀什市日光溫室保溫被兩側(cè)溫差為18.31 ℃，濰坊市日光溫室保溫被兩側(cè)溫差為14.81 ℃；在保溫被性能相同的情況下，具有相同的傳熱系數(shù)［20］和厚度，因而溫室夜間釋放的熱量與溫差成正比：

18.31 ℃/14.81 ℃×100%=123.63%（4）

由式（4）可知，為減少喀什市日光溫室夜間放熱量，保溫被厚度應(yīng)該是濰坊市同等品質(zhì)保溫被厚度的123.63%?？紤]到日照時數(shù)、最高氣溫造成的白天蓄熱量差異，也需要通過減少夜間放熱量進行平衡，因此喀什地區(qū)日光溫室保溫被的厚度還要增加。

3 討論

日光溫室是通過生產(chǎn)實踐不斷發(fā)展完善起來的一種栽培模式。多年來，由于理論研究滯后，學術(shù)界沒有能為日光溫室建設(shè)提供指導的實用理論。受到利益的驅(qū)動，部分溫室建設(shè)企業(yè)盲目引進，造成建成后的日光溫室保溫性能不高，越冬季無法進行喜溫果菜生產(chǎn)，冬春季無法正常供應(yīng)喜溫果菜，因此喀什地區(qū)日光溫室的結(jié)構(gòu)應(yīng)該不斷調(diào)整和修正，以適應(yīng)喀什地區(qū)當?shù)氐臍庀髼l件。

極端天氣必然會造成溫室內(nèi)部作物受到冷害、凍害，這是一個偽命題。從日光溫室夜間溫度的形成來看，溫室內(nèi)部低溫是由于溫室夜間放熱量大于白天蓄熱量，從而造成溫室內(nèi)部溫度逐漸降低造成的。當極端天氣來臨時，如果溫室內(nèi)部溫度水平較高，溫室內(nèi)部作物是不會受到冷害、凍害的；當溫室內(nèi)部溫度水平很低時，極端天氣的來臨必然會加速溫室溫度降低的速率，進而造成溫室作物受到冷害、凍害。從極端天氣造成溫室內(nèi)部作物受到冷害、凍害也可以反向推出，當前我國北方地區(qū)日光溫室夜間放熱量普遍大于白天蓄熱量，造成溫室蓄放熱失衡，夜間溫室內(nèi)部溫度水平普遍較低，因此我國北方地區(qū)日光溫室應(yīng)該加強減少溫室夜間放熱量的研究，提高溫室夜間溫度水平。

通過生產(chǎn)和實踐發(fā)現(xiàn)，日光溫室建設(shè)企業(yè)對國家或行業(yè)標準的認知度較低、執(zhí)行意愿不高［4］，是由于越冬季北方不同地區(qū)的氣象因素存在差異，因此溫室結(jié)構(gòu)也應(yīng)進行調(diào)整，以適應(yīng)不同地區(qū)白天日照和夜間低溫的差別。對于我國廣大北方地區(qū)來說，不能制定一成不變的溫室標準。

不同年份同一地區(qū)的氣象條件也會有差別，越冬季日光溫室的溫度也不同，因此不同地區(qū)日光溫室結(jié)構(gòu)標準的制定［4］要綜合多年來的氣象條件；日光溫室日常溫度管理也要按照“增加白天蓄熱量、減少夜間放熱量”的原則來控制保溫被，調(diào)節(jié)日光溫室的蓄放熱失衡程度，才能確保日光溫室的溫度。

4 結(jié)論

通過對喀什市和濰坊市2000—2020年越冬季日照時數(shù)、最低氣溫、最高氣溫等氣象因素進行對比研究，探討山東省壽光市各代日光溫室引進喀什地區(qū)后蓄熱保溫性能降低的原因。

（1）越冬季喀什市平均日照時數(shù)是濰坊市平均日照時數(shù)的92.94%，喀什市地面接收到的太陽幅射強度是濰坊市地面接收到的太陽幅射強度的91.55%～94.77%，喀什市白天最高氣溫比濰坊市最高氣溫低3.79 ℃，喀什市日光溫室白天蓄熱量少于濰坊市日光溫室白天的蓄熱量。

（2）越冬季喀什市夜間最低氣溫比濰坊市夜間最低氣溫低3.50 ℃，喀什市溫室夜間放熱量多于濰坊市溫室夜間的放熱量。

（3）壽光各代日光溫室引進喀什地區(qū)后，要對采光面傾斜程度、溫室跨度、保溫被厚度進行調(diào)整，使得溫室結(jié)構(gòu)適應(yīng)喀什地區(qū)的氣象條件。

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