新型裝配式節能日光溫室冬季溫控效果研究

楊鳳軍 楊微微 孫周平 安子靖 徐蕾 胡凱鳳

摘要：在黑龍江地區，由于冬季日光溫室夜間溫度過低，難以滿足作物生長的需求。大慶引進的新型裝配式節能日光溫室，設有水循環蓄放熱系統和空氣—地中熱交換蓄放熱系統。以大慶普通溫室為對照，檢測了冬季最冷時期新型溫室與對照溫室室溫在東西、南北方向上的變化及分布，不同土層土溫的變化及南北方向上土溫的變化分布情況。結果表明，新型溫室可保持夜間室內氣溫在12 ℃以上，溫度分布均勻，比對照溫室室內氣溫提高2～3 ℃。試驗溫室土層深度在60 cm以上的區域溫度一直高于對照溫室，10、30、60 cm處夜間平均溫差分別為5.7、4.0、2.7 ℃。此新型溫室的設計不僅提高了溫室內的氣溫，而且也提高了作物根部的土壤溫度。

關鍵詞：日光溫室;溫度;地溫;水循環系統;空氣-地中熱交換蓄放熱系統

中圖分類號：S625 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-6038-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.062

Study on a New Type of Assembled Energy-Saving Sunlight Greenhouse

in Winter Temperature Effect

YANG Feng-jun1，YANG Wei-wei1，SUN Zhou-ping2，AN Zi-jing1，XU Lei1，HU Kai-feng1

（1.Agronomy College，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， Heilongjiang， China;

2.Horticulture College，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）

Abstract： In Heilongjiang province， because of solar greenhouse in winter night temperature is too low， so it is difficult to meet the needs of crop growth. A new assembled energy-saving solar greenhouse was introduced into Daqing city， the heat storage of water circulation system and air-ground heat storage in the heat exchange system were designed in the greenhouse. Taking the common greenhouse in Daqing city as comparison， in the coldest winter period， the indoor temperature change and distribution of new-type and common greenhouse in the east and west， north and south direction were detected， also the soil temperature changes and distribution of different soil layer and north-south direction were directed. The results showed that， the indoor temperature could be kept above 12 ℃ at night， with uniform temperature distribution，compared with the common greenhouse， temperature increased by 2～3 ℃. The temperature was higher than the conmmon greenhouse for the new-type greenhouse in region of soil depth above 60 cm， the night mean temperature difference of 10，30 and 60 cm soil depth were 5.7，4.0 and 2.7 ℃， respectively. Therefore， the new type of greenhouse not only can improve the temperature inside the greenhouse， but also boost the soil temperature of crop roots.

Key words： sunlight greenhouse; temperature; the ground temperature; water cycle system; air-ground heat exchange system

日光溫室中的能量主要通過太陽能獲得，部分能量以熱量的形式存儲于后墻、山墻和土壤中[1]。白天，墻體表面進行熱量的蓄積[2]，這些熱量主要是通過接收透過前屋面照射進來的太陽輻射，溫室內最高溫能達到35 ℃以上;在夜晚，當室內氣溫下降時，墻體和土壤中蓄積的熱量又不斷地向溫室供應，墻體內通過導熱過程以及墻體表面通過與室內空氣對流換熱的過程，不斷地向室內釋放熱量，以提高空氣溫度[3]。但是由于受墻體材料熱物理特性的限制，北墻蓄熱能力有限，所以溫室內后半夜的氣溫往往較低[4]，低溫冷害現象時有發生，嚴重影響作物的高效生產。

在溫室的蓄熱保溫方面，日光溫室墻體起到非常重要的作用，是日光溫室優化結構時需考慮的重要因素[5]。從近幾十年日光溫室的不斷發展來看[6]，后墻的結構不斷變化，由早期的人工土筑墻到磚砌墻，再到目前的機打土墻、異質復合墻等，不勝枚舉[7-11]。李小芳等[12]針對磚墻的不同厚度、復合墻中的不同苯板厚度、組合墻體中的不同厚度磚墻和不同厚度的聚苯板組合體對室內氣溫影響這一問題進行了系統分析，最后得出不同厚度磚墻聚苯板隔熱材料的最適厚度為0.10 m;隔熱材料在厚度相同時，較薄的磚墻厚度保溫效果要優于較厚的磚墻厚度;對于較薄的磚墻厚度，材料的排列秩序對保溫影響比較明顯;王宏麗等[13]研究相變材料具有較高的蓄熱性，白天充分吸收并蓄積來自照射北墻表面的太陽能，夜間再將白天蓄積的熱量釋放出來，以提高溫室的夜間溫度，溫室墻體厚度減薄，提高照射溫室北墻上的太陽能利用率;方慧等[14]研究一種透光水幕簾增加日光溫室蓄熱量的方法，設計了一種溫室蓄放熱增溫系統，以日光溫室的后墻為結構支撐，白天利用該系統的集放熱板吸收太陽輻射能，再通過水介質將吸收的熱量儲存于蓄熱水池中;在夜晚，通過水介質的循環將蓄積的熱量源源不斷地釋放到溫室中，以提高夜晚的溫室內氣溫;張義等[15]設計了一種以日光溫室墻體結構為依托，以水為介質進行熱量蓄積與釋放的水幕簾蓄放熱系統，該系統在白天利用水循環通過水幕簾吸收太陽能，同時將吸收的能量儲存在水池中，夜晚再利用水循環通過水幕簾釋放熱量，使日光溫室內溫度升高;張海蓮等[16]在青海設計了不同埋深的地熱管，研究溫室地下蓄集太陽熱能的效果;劉圣勇等[17]和李炳海等[18]研究利用太陽能使土壤加溫的系統，可顯著提高地溫。

針對以上研究，沈陽農業大學設計了一種新型裝配式節能日光溫室，該溫室以太陽能為熱源，以水為蓄熱介質，以溫室淺層土壤為蓄熱體，白天通過水的循環將熱量收集并儲存到水池和溫室淺層土壤中，夜間通過土壤的自然放熱將熱量釋放到溫室中，提高溫室夜間溫度[19]，降低作物冬季凍害的發生率，實現作物的安全越冬。2013年將新型溫室引進大慶，本試驗對新型溫室的冬季溫度環境進行檢測，為進一步優化新型裝配式節能日光溫室的結構和功能提供了理論基礎。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗溫室的概況

試驗溫室位于黑龍江省大慶市大同區航天果蔬基地內（東經124°48′，北緯46°2′），該溫室的骨架為半圓弧形結構，采用可以滑動的巖棉彩鋼板保溫覆蓋形式和可移動的保溫山墻，采用水循環系統和空氣—地中熱交換蓄放熱系統，跨度12 m，脊高5.5 m，長度65 m，屋面采光角高達 41.5°。后坡水平投影長為1.6 m，凈面積為780 m2;設計風荷載0.55 kN/m2，雪荷載0.45 kN/m2;溫室有效栽培空間2.5～3.5 m。

1.2 ?水循環系統和空氣-地中熱交換蓄放熱系統的設計

溫室的蓄熱體主要采用的是水循環系統。水循環系統由水池、水泵、輸水管道、采光板、回水管道和控制器等組成[20]。溫室內后墻上有一個面積360 m2的采光板，水池容積32 m2，位于溫室后墻內側地下，水泵功率750 w，流量15 m2/h。晝間8：30～16：00啟動水循環系統，把水池中的水輸送到采光板的頂部，通過采光板吸收太陽能，并順著采光板的每個空隙流下，最后通過回流管道流回水池，這樣太陽照射能蓄積在水池。夜間0：30～6：30日光溫室內溫度下降時再次啟動水循環系統，可通過白天采光板積累的熱量向溫室中釋放，從而避免日光溫室夜間溫度降低，如圖1所示。

空氣-地中熱蓄放熱交換系統：該系統將溫室內頂部4.5 m處的熱空氣通過風機導入到溫室地下0.5 m的熱交換管中，以提高白天溫室的蓄積熱量和土壤的溫度[20，21]。該系統只在晝間10：00～15：00啟動，晚上停止運行。風機總功率為1.2 kW。該系統中，地下熱交換管為南北走向，進風口在溫室的北側，出風口在溫室的南側，每6 m設為一組，每組設置一個小型風機，共10臺風機;系統進風口管道的上端位于溫室頂部，距溫室地面約4.5 m（此處晴天溫度有時可達40 ℃左右）。

1.3 ?試驗方案

選擇晴天同時測定試驗溫室與對照溫室、氣溫的分布情況和地溫的變化情況。試驗時間為2014年1月8日至9日，8：30揭開保溫板，開啟循環水泵蓄熱，16：00關閉循環水泵，17：00蓋上保溫板。每間隔30 min記錄各監測點的溫度。

氣溫的測量：將試驗溫室設為A，對照溫室為設B，距離地面1 m的高度上，在東西方向上A溫室選取3點A1、A2、A3，分別距離東側山墻3 m處、中間點、距離西側山墻3 m處;在南北方向上同樣選取3點A1′、A2′、A3′，分別距離后墻2 m處、中間點、距離前骨架2 m處。相應的B溫室在東西方向上選取3點B1、B2、B3，分別距離東側山墻3 m處、中間點、距離西側山墻3 m處;在南北方向上取3點B1′、B2′、B3′，分別距離后墻2 m處、中間點、距離前墻2 m處。應用HOBO U10-003 型測量儀測量A溫室溫度，測量范圍為-40 ℃～100 ℃，精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃;應用HOBO U23-003 型測量儀測量B溫室溫度，測量范圍為：-40 ℃～100 ℃，精度±0.21 ℃，分辨率0.02 ℃。

土溫的測量：在溫室A與溫室B的中部布置土層溫度的測點，A溫室和B溫室土層深度分別是Aa=10 cm、Ab=30 cm、Ac=60 cm，Ba=10 cm、Bb=30 cm、Bc=60 cm;同時測量10、30、60 cm不同土層深度在溫室南北方向上的溫度變化情況，因在東西方向上換熱管布置比較均勻，熱量分布也均勻，土溫變化小。利用鐵套直角地溫計分別測量A、B溫室內的土層溫度測量，范圍為-40 ℃～100 ℃，精度0.5分度，示值誤差±1 ℃。

2 ?結果與分析

2.1 ?溫室內氣溫變化

2.1.1 ?東西走向不同點溫度分析 ?從A溫室的東西方向上看，A1、A2、A3 3個點的溫度隨著時間的推移逐漸升高，在下午13：00，A1、A2、A3 3點的溫度達到最大值，分別為32.0、37.3、35.5 ℃，然后隨著時間的推移又逐漸下降，A溫室在10：00～12：30，由于打開東側山墻增加光照，使A1點的散熱量加大，即A1點的溫度比A2、A3兩點的溫度低3.0 ℃左右，在其他時間，A1點溫度較A3點和A2點溫度都稍低，溫差0.2 ℃和0.3 ℃，說明A溫室在東西水平方向上的溫度分布比較均勻。

B溫室的3個點B1、B2、B3，白天13：00以前溫度逐漸升高，14：00以后溫度開始降低，第二天6：30達到最低值，分別為5.8、7.5、5.1 ℃。B1點由于受東側山墻陰影的影響，所以B1點的溫度比B3點及B2點的溫度都低，溫差2.0 ℃左右;到下午，由于西側山墻陰影的出現，B3點的溫度降低幅度較大，使B1、B2、B3 3個點的溫度變化不穩定，最大溫差4 ℃左右，說明在東西方向上B溫室的溫度分布不均勻。

圖2是A溫室與B溫室在東西方向上的平均溫度變化情況。A溫室與B溫室在白天13：00以前，主要是受太陽能的影響，溫度升高，A溫室的東西方向平均溫度大于B溫室，最大溫差5.1 ℃，在14：00～17：00蓋上保溫板以前，兩溫室內的溫度逐漸下降，蓋上保溫板以后，A溫室內溫度主要受蓄積熱量的影響，這時兩溫室內的溫差加大，在凌晨1：30～4：00溫差最大，溫差最大值為6.3 ℃，此時室外的溫度為-23.0 ℃，說明A溫室白天通過水循環系統和地熱交換系統蓄積熱量，夜間通過釋放蓄積熱量來維持溫室內溫度，即使室外達到最低溫時，A溫室內的植物也能保持正常生長。

2.1.2 ?南北走向不同點溫度分析 ?在南北方向上，溫室除地面向空氣中均勻放熱外，后墻及水池中蓄積的熱量也在夜間放熱，放熱的大致方向是從北到南，這種放熱的形式可能會造成溫室在南北方向上的溫度分布不均。在A溫室，受采光板及太陽輻射的影響，白天10：00～14：00，A1′、A3′溫度稍高，A2′溫度次之，溫差最大2 ℃，其余時間溫差保持在0.2 ℃左右，說明在南北方向上A溫室夜間溫度分布非常均勻。

B溫室主要受太陽輻射的影響，白天10：30～15：30，溫度B3′>B2′>B1′，最大溫差6.0 ℃左右，15：30以后3 個點的溫度逐漸降低，受后墻散熱的影響，B1′、B2′、B3′3 個點的溫差越來越大，最大溫差出現在凌晨1：30～4：30，溫差為5.0 ℃，說明在南北方向上對照溫室夜間溫度分布不均勻。

從圖3可以看出A溫室與B溫室在南北方向上平均溫度的變化情況，白天10：00～13：00太陽光照比較強，兩個溫室的溫差變化明顯，平均溫差為5.5 ℃左右，蓋上保溫板及保溫被后，兩個溫室間的溫差變化增大，平均溫差為6.0 ℃左右，當夜間室外溫度達到最低時，A溫室在水循環系統和空氣—地中熱蓄熱系統的共同作用下，溫室內的氣溫為11.7 ℃，而B溫室內氣溫只有6.5 ℃，說明A溫室的保溫蓄熱能力高于B溫室。

2.2 ?溫室內土溫變化

2.2.1 ?土溫在同一位置不同土層深度的變化

1）同一溫室不同土層深度溫度的變化。A溫室內土層溫度的日變化是晝高夜低，隨著土層深度的增加，土溫降低，不同土層溫度的變化趨勢差異較大，土壤表面10 cm處的溫度隨著太陽輻射照度的變化比較明顯，白天溫度高，14：00達到最高溫，14：00以后溫度逐漸降低，且波動較大;30 cm土層溫度白天逐漸降低，夜間逐漸升高，主要是因為熱量的傳遞在時間上比較延后，夜間能保持溫度在11～13 ℃，使植物正常生長。60 cm土層溫度主要受水循環的影響，空氣-地中熱交換系統晝間10：00～15：00啟動，將溫室上部4.5 m處的熱空氣通過風機導入到溫室地下0.5 m處的熱交換管中，以提高溫室內白天的熱量積累和土溫，然后夜間放熱，60 cm土層溫度白天比晚上高。白天B溫室10 cm土層溫度由于太陽輻射溫度升高，晚上溫度降低，30、60 cm土層熱量傳遞比較慢，所以土溫白天低，最低土溫在14：00，分別為6.13 ℃和5.96 ℃;夜間高，由于熱量的傳遞，最高土溫分別為9.18 ℃和8.06 ℃（表1）。

2）不同溫室同一土層深度溫度的變化。A、B兩溫室10 cm土溫都是晝高夜低，白天兩溫室土溫差異不大，但蓋上保溫板、保溫被后，A溫室土溫下降比B溫室慢;A溫室30 cm土溫明顯高于B溫室。在A溫室60 cm土層，其熱量來源于后墻的集熱管收集的熱量，集熱管收集的熱量轉移到土層中，以及高溫土層與周圍低溫土層之間的熱量傳遞;而B溫室60 cm土層的熱量僅來源于高溫土層與周圍低溫土層之間的熱量傳遞，所以A溫室60 cm土層溫度明顯高于B溫室（表1）。

3）平均溫度。在白天，A溫室地表主要通過太陽的輻射直接蓄熱，60 cm土層則通過水循環將熱量收集并儲存起來，因此A溫室10 cm 和60 cm土層溫度均高于30 cm土層。B溫室白天只能通過太陽輻射蓄積熱量，所以從10 cm土層到60 cm土層溫度逐漸降低。白天通過水循環系統和空氣-地中熱系統增加了A溫室的蓄熱量，夜間A溫室各層土溫均高于B溫室（表1）。

2.2.2 ?土溫在不同位置同一土層深度的變化 ?30 cm土層是植物生長的最適土層深度。在30 cm土層，白天14：00溫度最低，A溫室南、中、北3個點此時最低土溫分別為13.5、12.0、11.2 ℃;夜間3：30達到最大值，A溫室南、中、北3個點此時最高土溫分別為14.0、12.7、11.6 ℃，一天內最大溫差為6.4 ℃，差值變化曲線平穩，可A溫室南北方向上溫差小，分布均勻（圖4）。

從圖5可以看出，B溫室白天14：00最低土溫南、中、北3個點分別為10.8、10.0和7.0 ℃，晚上3：30達到最大值，南、中、北分別為9.9、9.1、7.6 ℃，一天內B溫室的最大溫差為7.0 ℃，溫差曲線變化明顯，由此可以看出B溫室南北方向上溫差較大，分布不均勻。

3 ?小結與討論

研究結果表明，應用水循環系統和空氣—地中熱蓄放熱系統提高日光溫室夜間溫度的方法是可行的。通過試驗得出以下結論：①應用該系統可提高溫室內的夜間溫度，當室外氣溫達到最低值-23.1 ℃時，試驗溫室內的氣溫仍保持在13 ℃以上，保證了作物的正常生長;②水循環系統對保證溫室晚間的溫熱環境具有重要作用，該系統可以代替磚墻的蓄熱、保溫功能;③空氣—地中熱蓄放熱系統白天通過貯存太陽輻射的熱能，使溫室淺層土溫升高較明顯，60 cm土溫平均升高4 ℃，30 cm土溫平均升高2 ℃。由于土壤蓄積熱量的增加，蓋上保溫板和保溫被后，試驗溫室與對照溫室的溫差開始增加，平均溫差為4.0 ℃;④由于試驗溫室晚上散熱量較少，所以在晚上溫室中的東西、南北和垂直方向的溫度分布較均勻，南北方向上的植株長勢均勻，株高較整齊，而對照溫室植株南側低、北側高。可見試驗溫室的環境有利于作物生長，并且作物長勢整齊。

參考國內外對日光溫室空氣—地中熱蓄放熱系統的研究成果[22-24]，結合當地的實際情況，采用新型裝裝配式節能日光溫室。新型溫室地下熱交換管的走向為南北方向，進風口位于溫室的北側，出風口位于溫室的南側，每6 m為一組，設置一個小型風機，共10臺風機，而不像傳統溫室采用一個大型的軸流風機、東西走向的熱交換管;進風口管道的上端在溫室頂部，距離溫室地面4.5 m左右，不同于傳統溫室主要是抽取近地面的空氣。新型溫室通過貯存太陽熱能來提高苗床的溫度并利用蓄積的熱量進行加熱，是溫室加溫、節能的新方法。

新型裝配式節能日光溫室在用材上采用保溫性能好的巖棉彩鋼板，作為半圓弧形坡面和東西兩側山墻的圍護結構，由于在溫室頂部的巖棉彩鋼板保溫覆蓋件可以在溫室骨架上的滑道實現精準運行，不僅便于實現日光溫室的自動化控制，而且在晚上能夠與溫室四周形成一個整體的巖棉彩鋼板保溫覆蓋的圍護結構，可顯著提高溫室的密封性和保溫性，有效解決了傳統日光溫室保溫外置所帶來的防雨、防雪、防風和防火等能力差，以及保溫效果不佳等問題。與此同時，東西兩側的巖棉彩鋼板保溫覆蓋山墻還可以分別在上午、下午打開，有效解決了日光溫室東西兩側山墻遮光差的問題，提高了溫室的土地利用率。

新型裝配式節能日光溫室還處于試驗的初級階段，系統還存在裝配不完善、集熱率不高等現象，需要通過進一步優化系統的參數、改進裝配及施工的工藝，完善系統的性能，推動新型溫室的推廣與應用。

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