不同日光溫室墻體結構熱性能分析

徐少南 楊志鵬 鄒志榮 鮑恩財 曹凱

摘要 ［目的］探索不同日光溫室在楊凌地區(qū)的保溫性能，尋找適宜在楊凌地區(qū)推廣的新型、適宜建造、標準化程度高的日光溫室。［方法］對傳統(tǒng)后墻主動蓄熱溫室（G1）、相變固化土后墻主動蓄熱日光溫室（G2）、現(xiàn)澆筑混凝土后墻主動蓄熱溫室（G3）和模塊化素土后墻主動蓄熱日光溫室（G4）的墻體熱結構性能進行對比分析。［結果］在典型晴天條件下，4座溫室平均氣溫分別為15.68、15.83、16.52、18.44 ℃；在典型陰天條件下，4座溫室平均氣溫分別為8.09、11.12、10.97和11.21 ℃。［結論］G4模塊化后墻的主動蓄熱能力使溫室在冬季夜間保持較高溫度，為作物越冬提供了更適宜的環(huán)境條件。模塊化日光溫室以其獨特的施工工藝和可就地取材、施工周期短、標準化建設、機械化等優(yōu)勢，在楊凌及西北地區(qū)具有推廣價值。

關鍵詞 日光溫室；墻體性能；主動蓄熱

中圖分類號 S626.5? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2024）11-0179-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.038

Thermal Performance Analysis of Different Solar Greenhouse Wall Structures

XU Shao-nan1， YANG Zhi-peng2，3， ZOU Zhi-rong4 et al

（1.Qinghai Agri-animal Husbandry Vocational College， Xining， Qinghai 812100;2.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing， Jiangsu 210014;3.College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036;4.College of Horticulture， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100）

Abstract ［Objective］To explore the insulation performance of different solar greenhouses in the Yangling area and identify a suitable energy-efficient greenhouse for promotion. ［Method］ Thermal performances of different solar greenhouse wall structures were compared： Traditional thermal storage （G1）， phase-change stabilized earth （G2）， cast-in-place concrete （G3）， and modular thermal storage （G4）. ［Result］ The findings demonstrate that， under typical sunny conditions， the average temperatures inside the four greenhouses are 15.68， 15.83， 16.52， and 18.44 ℃， respectively. Under typical overcast conditions， the respective average temperatures are 8.09， 11.12， 10.97， and 11.21 ℃. ［Conclusion］ The modular G4 greenhouse exhibits the capability to maintain elevated temperatures during winter nights， thereby providing a more favorable environment for winter crop cultivation. Moreover， due to its unique construction technique involving local resource utilization， the modular sunlight greenhouse offers advantages such as shortened construction duration， standardized development， and facilitation of mechanized processes. Consequently， it holds promising prospects for widespread implementation in the Yangling and greater northwestern regions.

Key words Solar greenhouse;The wall performance;Active heat storage

基金項目 青海省重點研發(fā)與轉(zhuǎn)化計劃項目（2022NK121）。

作者簡介 徐少南（1992—），男，青海西寧人，碩士研究生，研究方向：日光溫室結構和環(huán)境調(diào)控。

*通信作者，副研究員，博士，從事溫室環(huán)境調(diào)控研究。

收稿日期 2023-08-15；修回日期 2023-12-15

日光溫室作為我國北方地區(qū)越冬蔬菜生產(chǎn)的關鍵設施，在確保冬季蔬菜供應、穩(wěn)定蔬菜價格以及改善居民生活等方面發(fā)揮了重要作用，對于我國設施園藝的發(fā)展做出了巨大貢獻。截至2022年，我國的設施園藝總面積已經(jīng)超過280萬hm2，其中日光溫室占地面積約為81萬hm2，年產(chǎn)蔬菜量達到2.65億t，解決了全年蔬菜的供應問題［1］。中央一號文件從2022年的加快發(fā)展設施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)?023年的發(fā)展設施農(nóng)業(yè)，顯示了國家對日光溫室發(fā)展的日益重視。因此，在未來相當長一段時間內(nèi)，日光溫室的發(fā)展將得到更多關注，并且將迅速發(fā)展。同時，它也是我國實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、增加農(nóng)民收入以及推動鄉(xiāng)村振興不可或缺的一部分［2-4］。

日光溫室通過白天吸收太陽輻射并將其儲存于后墻和土壤中，在夜間或溫室溫度較低時釋放儲存的熱量，以提高溫室內(nèi)的溫度［5］。日光溫室后墻具有保溫蓄熱和結構支撐的功能［6］，并能吸收太陽輻射，儲存熱量，以提高溫室內(nèi)的溫度穩(wěn)定性［7］。日光溫室后墻的材料選擇和設計對溫室的能效和氣候控制起著至關重要的作用。佟國紅等［8］采用頻率響應法分析了不同類型材料構成的日光溫室墻體內(nèi)部的傳熱特性，結果顯示，采用復合墻體結構相對于傳統(tǒng)單一材料墻體能更有效地解決保溫和蓄熱能力不足的問題，并帶來節(jié)省材料和提高土地利用效率的優(yōu)勢。此外，其他研究也指出，通過采用多層復合材料［9-10］、特定填充材料［11-13］和相變材料［14-17］等策略來構建日光溫室后墻，可顯著改善保溫效果，同時提供穩(wěn)定的溫室內(nèi)環(huán)境。這些研究成果為日光溫室后墻結構的設計和材料選擇提供了有益的指導。研究表明，墻體被動蓄熱的能力有限，無法完全儲存熱量。為解決這一問題，張勇等［18-20］提出了一種新型的日光溫室設計，具備主動蓄熱功能，可將多余的熱量主動儲存于墻體中。鮑恩財?shù)龋?1-22］在此基礎上采用固化沙設計了一種主動蓄熱日光溫室，并通過熱性能測試驗證了其良好的保溫效果。另外，李小芳等［23-24］研究發(fā)現(xiàn)，墻體主動蓄熱厚度可達到36 cm，能夠保持溫室內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，且在墻體外部添加10 cm的保溫苯板可實現(xiàn)絕熱效果。

傳統(tǒng)的土夯墻溫室存在施工周期長、后墻厚、中間有立柱等問題，導致溫室土地利用效率低和無法實現(xiàn)機械化作業(yè)等［25-28］。為解決這些問題，新型的日光溫室如固化沙主動蓄熱溫室和模塊化素土日光溫室應運而生，它們具有施工周期短、造價低、就地取材和土地利用率高等優(yōu)點。盡管前人已經(jīng)對這些新型日光溫室進行了一定的研究［29-31］，但對它們的性能分析仍然相對較少。因此，筆者在前期相關研究的基礎上，對傳統(tǒng)的日光溫室、固化土日光溫室、相變固化土日光溫室和現(xiàn)澆混凝土日光溫室這4種類型的日光溫室進行了熱環(huán)境和光環(huán)境的分析，探索不同類型日光溫室的實用性，旨在為今后我國日光溫室的推廣和發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

該試驗對比了位于陜西省咸陽市楊凌示范區(qū)旭榮農(nóng)業(yè)科技有限公司農(nóng)業(yè)基地內(nèi)（34°16′N，108°06′E）的4座日光溫室的熱性能和采光等數(shù)據(jù)，并進行了分析。這4座溫室的建成時間為2021年10月，試驗在11月初進行了番茄的定植，采用無土基質(zhì)袋栽培模式。日光溫室的熱環(huán)境和光照強度測試于2021年12月—2022年1月進行。為了確保數(shù)據(jù)的同步和準確性，在正常天氣條件下，每天9：00打開保溫被，17：00覆蓋保溫被，12：00—14：00開啟通風口。通過這樣的操作，保證4座溫室的試驗條件一致。

傳統(tǒng)后墻主動蓄熱溫室（G1）的后墻結構由120 mm黏土磚墻+960 mm固化土+120 mm黏土磚墻+100 mm聚苯板（自內(nèi)而外）組成，后墻采用人工堆砌的方式建造，使用了園區(qū)內(nèi)的土壤，并在攪拌后加入8%的土壤固化劑。相變固化土后墻主動蓄熱日光溫室（G2）的后墻結構由10 mm混凝土噴漿涂層+10 mm鋼筋網(wǎng)+1 070 mm固化土+10 mm鋼筋網(wǎng)+100 mm聚苯板（從內(nèi)到外）構成?，F(xiàn)澆筑混凝土后墻主動蓄熱溫室（G3）的后墻由300 mm現(xiàn)澆陶?；炷?100 mm聚苯板構成。該溫室采用現(xiàn)場澆筑的方式建造，溫室前屋面骨架采用橢圓形鋼骨架結構。模塊化素土后墻主動蓄熱日光溫室（G4）的后墻由尺寸為1.2 m×1.2 m×1.2 m的正方體土塊通過機器壓制而成，土壤就地取材，使用農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi)的土壤并添加2%的麥稈進行均勻混合壓制，墻體由土塊（墻厚1.2 m）+ 0.1 m的聚苯板（自內(nèi)而外）構成。溫室的尺寸為南北跨度10.0 m，東西長度32.0 m，屋脊高5.0 m，墻高3.6 m，方位角為南偏東5°。溫室采用卡槽骨架，間隔1.0 m，前屋面覆蓋厚度為0.1 mm的PO膜，后屋面采用100 mm的聚苯板覆蓋。其余3個日光溫室的主體結構、長度、跨度、高度等參數(shù)與模塊化素土后墻主動蓄熱日光溫室相同，主要差別在于后墻的建造方式和材料選擇。

1.2 試驗設備及測試方法

該試驗涉及4座溫室，其環(huán)境參數(shù)和測點布置如圖1所示。每座溫室內(nèi)設置了2個溫濕度傳感器，分別位于溫室長度的1/3和2/3處，高度為1.5 m。同時設置了戶外對照組，放置在距離溫室外部1.5 m處，高度與室內(nèi)傳感器相同。為確保試驗準確性，戶外傳感器上放置了防水紙板?？諝鉁貪穸炔捎?HOBO UX100-011型記錄儀（美國 onset公司生產(chǎn)，精度：溫度±0.2 ℃、相對濕度±2.50 %）進行記錄，每 30 min記錄 1次數(shù)據(jù)。光照強度傳感器布置于日光溫室后墻長度方向的中間位置，高度為1.0 m。室外對照組的傳感器布置在室外的西山墻臺階上，高度為1.0 m。光照強度采用 HOBO UA002-64型光照強度記錄儀（美國 Onset公司生產(chǎn)，精度：光照強度±10 lx）進行記錄，每 30 min記錄 1次數(shù)據(jù)。溫室后墻內(nèi)的溫度測點沿著墻體厚度方向布置，共有7個位置，距離墻體內(nèi)表面的深度分別為0、50、100、150、200、250、300 mm。這些測點的標號為5、6、7、8、9、10、11，位于溫室后墻長度方向的中間，高度為1.5 m。后墻溫度采用HOBO 溫度四通道記錄儀 UX120-006M（美國Onset公司，其測定范圍為-20～70 ℃，精度為±0.50 ℃）測定，每30 min記錄 1次數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 溫室內(nèi)外光照情況分析

太陽輻射是主動蓄熱日光溫室的主要熱量來源，太陽照射到日光溫室后墻的時間和強度成為影響溫室熱環(huán)境的主要因素。從圖2可以看出，4座供試溫室的光照強度曲線變化規(guī)律大體相似。自9：00打開保溫被后，溫室內(nèi)光照強度開始增加。光照強度最高值出現(xiàn)在13：30左右，此時G1～G4溫室的光照照度分別為71 235.4、66 133.8、77 156.1和86 678.4 lx，而室外光照強度為124 711.8 lx。之后光照強度逐漸降低，直到18：00關閉保溫被后，各溫室內(nèi)的光照強度降為0?？梢钥闯觯?座溫室間的光照強度差異不大，在相同的環(huán)境條件下，由太陽輻射引起的4座溫室內(nèi)環(huán)境的差異可以忽略不計。

2.2 各溫室內(nèi)外長期氣溫情況

由表1可知，在室外平均最低氣溫為-3.35 ℃時，4座供試溫室的最低溫度均高于5.00 ℃，基本上都能滿足茄果類作物的越冬生產(chǎn)需求。在連續(xù)6 d的陰天條件下，溫室內(nèi)平均最低溫度出現(xiàn)在第6天，分別為6.40、8.21、7.76和8.71 ℃，表明G4溫室的保溫蓄熱效果最好，其次是G2溫室，而G1溫室的效果最差。在平均氣溫方面，G4溫室的日平均氣溫最高，為16.01 ℃；其次是G3溫室，為15.80 ℃，差異不大；而G1溫室的日平均氣溫最低，為14.12 ℃。在日平均氣溫大于15和18 ℃的天數(shù)上，G3和G4溫室明顯高于G1和G2溫室，說明G3和G4溫室的氣溫環(huán)境更適合蔬菜越冬種植?？傮w而言，G4溫室表現(xiàn)最好，G3溫室較好，而G1溫室表現(xiàn)最差。

2.3 典型晴天條件下各溫室溫、濕度情況

由圖3可見，在典型晴天條件下，4座溫室的平均濕度分別為77.57%、77.76%、78.08%、82.72%；傳統(tǒng)日光溫室平均濕度最低，為77.57%；模塊化后墻主動蓄熱溫室內(nèi)的濕度在0—9：00明顯高于其他3座溫室。

由圖4可見，在典型晴天條件下，4座溫室的溫度變化曲線符合天氣的變化規(guī)律。4座溫室及室外平均氣溫分別為15.68、15.83、16.52、18.44、2.92 ℃，G4溫室分別高出其他溫室及室外2.76、2.61、1.92、15.52 ℃。4座溫室及室外的最高溫分別為32.75、26.82、30.02、36.56、10.59 ℃，最低溫度分別為8.77、11.57、11.71、11.96、-2.55 ℃。4座溫室的積溫分別為768.21、775.85、809.25、803.80 ℃。

2.4 典型陰天條件下各溫室溫、濕度情況

由圖5可見，在典型陰天條件下，4座溫室的平均濕度分別為88.43%、90.41%、93.42%、92.12%；傳統(tǒng)日光溫室平均濕度最低，為88.43%。

圖6為典型陰天條件各溫室溫度變化情況。4座溫室及室外平均氣溫分別為8.09、11.12、10.97、11.21、-1.74 ℃，G4溫室分別高出其他溫室及室外3.12、0.09、0.24、12.95 ℃。4座溫室及室外的最高溫分別為15.75、17.99、17.59、18.56、10.59 ℃，最低溫度分別為6.16、9.29、9.36、9.59、-5.81 ℃，4座溫室的積溫分別為396.42、545.10、537.69、549.41 ℃。

3 結論與討論

從上述數(shù)據(jù)分析來看，模塊化主動蓄熱日光溫室的綜合性能相較于其他溫室表現(xiàn)更優(yōu)秀。主動蓄熱日光溫室即在傳統(tǒng)日光溫室墻體內(nèi)安裝主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)，變被動蓄熱的墻體為主動蓄熱，從而提高墻體的蓄放熱性能。主動蓄熱日光溫室的原理基于日光收集和熱量儲存2個關鍵方面：首先，溫室利用透明材料將太陽光引入室內(nèi)，光線經(jīng)過吸收轉(zhuǎn)化為熱能；其次，溫室采用熱儲存系統(tǒng)，如熱貯存罐或熱傳導材料，將多余的熱能儲存起來。這些儲存的熱量在夜晚或低溫時釋放出來，保持溫室內(nèi)部溫度的穩(wěn)定［7］。通過這些原理的應用，主動蓄熱日光溫室能夠為植物提供持續(xù)且適宜的環(huán)境，促進植物生長和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

筆者對4座溫室的1個月平均濕度進行分析后認為，G4溫室濕度高是因為0—9：00其室內(nèi)溫度較其他溫室高，造成室內(nèi)外溫差更大從而濕度更高。雖然夜間的保溫對作物生長有重要作用，但是連續(xù)的高濕也會造成植物病蟲害風險的增加［32-33］。故在今后的實際生產(chǎn)中，應進一步提高模塊化后墻主動蓄熱溫室的密封性，選擇具有防滴性能更好的薄膜來降低溫室內(nèi)的濕度。

經(jīng)過對4座溫室環(huán)境進行測試，結果顯示G4溫室的保溫效果優(yōu)于G1、G2和G3。這一優(yōu)勢主要得益于G4溫室在墻體厚度、施工工藝以及后墻主動蓄熱方面的優(yōu)化。相比之下，G1溫室采用了純素土材料，可以在現(xiàn)場就地取材、現(xiàn)場壓制，因此建造成本最低。特別值得一提的是，模塊化素土后墻在主動蓄熱系統(tǒng)的優(yōu)化下具備良好的蓄熱能力，提升了溫室的熱環(huán)境，并相對提高了土地利用率。綜合考慮成本、保溫效果等因素，模塊化日光溫室不僅在保溫性能上表現(xiàn)出色，而且在建造成本和土地利用效率方面也有著明顯優(yōu)勢。因此，模塊化日光溫室在西北光照資源豐富的地區(qū)以及非耕地地區(qū)具有一定的推廣使用價值。

在典型晴天條件下，各溫室內(nèi)光照強度最高值出現(xiàn)在13：30左右，此時G1～G4溫室的光照強度分別為71 235.4、66 133.8、77 156.1和86 678.4 lx。4種日光溫室內(nèi)的光照情況沒有較大區(qū)別，從而證明光照不是引起日光溫室內(nèi)環(huán)境差異的根本原因。

在典型晴天條件下，4座溫室的平均濕度分別為77.57%、77.76%、78.08%、82.72%。4座溫室及室外平均氣溫分別為15.68、15.83、16.52、18.44、2.92 ℃，G4溫室分別高出其他溫室及室外2.76、2.61、1.92、15.52 ℃。其余3座溫室的保溫效果相差不大，說明G4溫室在密封性、蓄熱性能和主動墻體循環(huán)系統(tǒng)的綜合作用下具有最佳的保溫效果。同時，這4座溫室在冬季都能實現(xiàn)越冬生產(chǎn)。

在典型陰天條件下，4座溫室的平均氣溫分別為8.09、11.12、10.97和11.21 ℃，夜間最低溫度分別為6.16、9.29、9.36和9.59 ℃，而室外的最低溫度為-5.81 ℃。其中，G4溫室的保溫效果最好，分別比其他溫室高出3.43、0.30和0.23 ℃。G1溫室的溫度最低，而G2和G3溫室的保溫性能相差不大。

通過取材、建造工藝、建造成本及熱性能等方面的對比，整體來看模塊化日光溫室在保溫性能上表現(xiàn)出色，而且在建造工藝和土地利用效率方面也有著明顯優(yōu)勢，具有一定的推廣使用價值。

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