大跨度主動蓄能型溫室溫濕環境監測及節能保溫性能評價

周 升，張 義，程瑞鋒，楊其長，方 慧，周 波，盧 威，張 芳

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；2.農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

大跨度主動蓄能型溫室溫濕環境監測及節能保溫性能評價

周 升，張 義，程瑞鋒，楊其長※，方 慧，周 波，盧 威，張 芳

（1.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京100081；2.農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京100081）

針對日光溫室土地利用率低，單體小不能進行立體栽培果樹種植，不利于機械化操作等問題。該文提出一種大跨度主動蓄能型溫室，該溫室南北走向，雙屋面拱形鋼骨架結構，并采用主動蓄放熱系統進行能量的蓄積與釋放。該試驗以傳統磚墻日光溫室作為對照，對大跨度主動蓄能型溫室室內外溫濕度以及主動蓄放熱系統的能量收支進行分析，并對比2種溫室的建造成本，綜合分析了試驗溫室保溫節能效果及經濟效益。結果表明：大跨度主動蓄能型溫室土地利用率高達87.4%。溫室夜間平均氣溫高于10℃，無極端低溫，晴天夜間平均氣溫比對照溫室高1.5～3.1℃，比室外高13.9～19.3℃；陰天夜間平均氣溫比對照溫室高1.2～2.8℃，比室外高12.5～18.9℃。夜間室內相對濕度平均比對照溫室低7%～10%。主動蓄放熱系統性能系數COP（coefficient of performance）為3.4～4.2，平均每天能耗0.013 kWh/m2，與傳統燃煤鍋爐加溫系統相比，平均節能率為47%。大跨度主動蓄能型溫室建造成本每平米307.2元，比傳統磚墻日光溫室低144.5元。大跨度主動蓄能型溫室是一種土地利用率高，單體大，保溫性能良好，能進行冬季果菜生產的新型溫室類型，且投入少，綜合其經濟環境效益，值得推廣應用。

溫室；溫度；環境調控；土地利用率；大跨度；主動蓄放熱系統；相對濕度；日光溫室

周 升，張 義，程瑞鋒，楊其長，方 慧，周 波，盧 威，張 芳.大跨度主動蓄能型溫室溫濕環境監測及節能保溫性能評價[J].農業工程學報，2016，32（6）：218-225.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.030 http://www.tcsae.org

Zhou Sheng,Zhang Yi,Cheng Ruifeng,Yang Qichang,Fang Hui,Zhou Bo,Lu Wei,Zhang Fang.Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）,2016,32(6):218－225.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j. issn.1002-6819.2016.06.030 http://www.tcsae.org

0 引言

日光溫室是中國北方地區冬季作物生產的主要設施，近年來發展迅速，面積已達100.1萬hm2[1]。日光溫室最顯著的特點是具有北墻結構，白天蓄集熱量，夜間釋放熱量進行溫室增溫[2-5]。但日光溫室冬季存在極端溫度，正午存在極端高溫，夜間存在極端低溫[6-7]。相鄰日光溫室為避免前后遮陽，間距通常為脊高的2～2.5倍，以及部分厚土墻結構，導致土地利用率低，僅有30%～45%[8]。現有日光溫室單體小，不利于機械化操作，勞動強度大[9-11]。因此如何提高日光溫室土地利用率，為機械化操作提供足夠空間將是未來日光溫室發展的迫切任務。

遼沈型日光溫室系列，在提高圍護結構保溫性的同時，不斷增大溫室跨度[12-15]。但由于溫室后坡及北墻遮擋陽光，間距無法縮小，土地利用率仍不高。下沉式大跨度大棚型溫室，連棟型日光溫室，以及南方新型溫室大棚、連棟塑料溫室等[16-18]，大大提高了土地利用率，但是冬季室內溫度偏低，無法進行茄果類作物生產。

為進一步提高溫室土地利用率，增大溫室空間以便于機械化操作，同時使溫室具有良好的蓄熱保溫性能，在前人研究的基礎上，作者設計了一種大跨度主動蓄能型溫室。有效蓄積進入溫室的能量并用于夜晚加溫是解決蔬菜越冬生產的關鍵，本研究采用主動蓄放熱系統進行溫室內太陽輻射能的收集與利用，白天利用循環的流體介質不斷將到達集熱板表面的太陽輻射能吸收并蓄積起來，夜晚再通過流體的循環流動釋放熱量，熱能蓄積釋放的效率成倍提升，溫室溫度環境可調控水平顯著提升[19-20]。

本試驗目的是探究大跨度主動蓄能型溫室冬季的綜合使用性能，以期為中國溫室設計提供新的思路，為推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室設計

試驗在北京市順義區大孫各莊鎮中國農業科學院試驗基地進行（緯度40°13′N，經度116°65′E）。2014年12月5日至2015年2月5日對大跨度主動蓄能型溫室（試驗溫室）和日光溫室（對照溫室）的室內溫濕度進行測量。大跨度主動蓄能型溫室采用拱型鋼骨架結構，單層PO（polyolefin）薄膜覆蓋，厚度0.08 mm。試驗溫室長60 m，跨度20 m，脊高4.5 m，有立柱，強度滿足北京地區恒載荷、雪載荷、南風載荷和北風載荷4種不利載荷組合的承壓要求。試驗溫室下沉0.5 m，基礎四周有厚10 cm的聚苯板保溫層進行保溫，以提高溫室冬季保溫，夏季隔熱的能力[21]；北墻結構：內層厚24 cm的紅磚與外層厚10 cm的聚苯板，更好地發揮墻體保溫蓄熱能力[22-23]；南墻為中空PC（polycarbonate）陽光板，厚度1 cm，采用透明材料可有效減少南墻遮光。對照溫室為傳統日光溫室，東西走向，長度60 m，跨度8 m，脊高3.8 m；北墻結構：內層厚12 cm紅磚，中間厚10 cm聚苯板，外層厚24 cm紅磚。試驗溫室單體體積相比于日光溫室增大3倍以上，室內氣候穩定，抵御外界不利天氣的能力提高。試驗溫室南北走向，東西相鄰兩棟溫室間距僅2 m，綜合考慮溫室墻體占地等因素，其土地利用率[8]仍高達87.4%，相比于傳統日光溫室的30%～45%，提高一倍以上。具有可移動的內保溫幕（綴鋁膜）與外保溫被（綜合傳熱系數為1.2 W/（m2.K））系統，保溫性能良好，且卷放全自動控制，內保溫幕室內凈高3.5 m。試驗溫室雙坡面結構，使白天日光最大限度射入，夜間內保溫幕和外保溫被展開，盡可能減少熱量散失。圖1為試驗溫室和對照溫室的示意圖。

測試期間試驗溫室內保溫幕和外保溫被的揭開與覆蓋模式：8：30揭開東屋面保溫被和內保溫幕，為防止冬季早晨溫室溫度下降過快，9：30再揭開西屋面保溫被；15：30覆蓋溫室東屋面保溫被，為增加進光量，16：30覆蓋西屋面保溫被和內保溫幕。對照日光溫室8：30揭開保溫被，16：30覆蓋保溫被。根據天氣狀況，揭放時間有小幅度調整。大跨度主動蓄能型溫室和對照日光溫室均采用地膜覆蓋，采用袋式基質栽培方式，種植作物為番茄（品種：大豐收，solanum lycopersicum），2014年11月30日定值，株距33 cm，因人工操作需求，行距為0.6和1 m相間排列，栽培密度6株/m2。

圖1 大跨度主動蓄能型試驗溫室和對照日光溫室示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental large-scale greenhouse with active heat storage system and Chinese solar greenhouse

1.2 主動蓄放熱系統設計

主動蓄放熱系統應用于大跨度主動蓄能型溫室，該系統白天收集多余的太陽輻射熱能，夜間釋放能量用于溫室加溫。

1.2.1 系統組成

系統分3個部分，如圖2所示：1）主動蓄放熱系統集放熱板，由2層厚0.15 mm的黑色塑料膜及厚20 mm的聚苯保溫板組成；2）地下蓄熱水池，2個水池有效蓄水體積均為8 m3，位于溫室中間部位。2個水池先后進行熱量的蓄積，以實現低溫水循環吸收太陽輻射熱，進而提高系統集熱效率；夜間先后進行循環放熱，以實現高溫水循環放熱，增大水溫與室溫溫差，提高放熱效率。蓄熱水池主體材料為厚15 cm的普通黏土磚墻，外表面緊貼10 cm厚聚苯板，內表面涂抹厚0.3 cm防滲水泥砂漿，水池為地下式，留有直徑為0.6 m的工作井，不影響地上種植（如圖3）；3）2臺1.5 kW的循環水泵及循環管路。

圖2 主動蓄放熱系統構成圖Fig.2 Schematic diagram of active heat storage and release system

圖3 蓄熱水池示意圖Fig.3 Schematic diagram of heat storage water tank

50塊主動蓄放熱系統集放熱板（長2 m，寬1.35 m），朝南安裝在大跨度主動蓄能型溫室中，如圖4所示：1）9塊垂直安裝在北墻，底部距離地面0.4 m；2）6塊垂直安裝在南墻里側，底部距地面1 m；3）在溫室南北向中部，從西向東依次安裝6塊，傾角為55°；4）26塊安裝在距溫室立柱東西兩側5 m處，從北向南依次安裝，間距3.75 m，傾角55°，保證集熱板冬季最大限度接受太陽能[24-25]，綜合考慮前后集放熱板不遮陰以及標準管件用料最省等因素來確定安裝角度和間距。冬至日正午光照最強時，由于集放熱板的遮擋，試驗溫室地面面積的15%處于陰影之中，即集放熱板的間距部分，為充分利用這部分空間，在集放熱板的間距空地處，使用基質種植低矮喜陰葉菜。

圖4 主動蓄放熱系統裝置Fig.4 Active heat storage and release system

1.2.2 系統運行模式

主動蓄放熱系統的控制原則：在集熱階段根據循環水溫適時切換蓄熱水池，保證水溫始終低于室溫，達到較高的集熱效率；在放熱階段根據循環水溫適時切換蓄熱水池，保證水池可以提供足夠的熱量，進行空氣增溫。

因此根據蓄熱水池水溫，采用時間、室溫和水溫協同控制的方法，系統運行分為以下3個階段：

1）9：30當內保溫幕和外保溫被完全揭開后，開啟循環水泵，運行主動蓄放熱系統，循環水池1中水進行蓄熱。

2）當水池1中水溫大于22℃時，循環水池2中水進行蓄熱；16：30內保溫幕與外保溫被覆蓋后，停止運行主動蓄放熱系統。

3）夜間當室內氣溫低于10℃時，運行主動蓄放熱系統進行增溫，先循環水池1中水進行增溫；當水池1中水溫低于16℃時，切換水池2中水進行循環放熱增溫；當水池2中水溫低于16℃時，關閉主動蓄放熱系統。

1.3 測點布置與試驗儀器

大跨度主動蓄能型試驗溫室室內溫濕度測點布置：距北墻30 m處，東西向截面布置5個測點（如圖5所示）。在試驗溫室中部沿南北向過道，距離北墻9、30、51 m處分別布置3個測點，測點距地面高度1.5 m。室外距離溫室西側5 m，距地面2 m處，布置1個溫濕度測點。在兩個蓄熱水池的幾何中心各布置一個溫度測點。水泵耗電量采用電表讀取。

對照日光溫室室內布置兩個溫濕度測點：測點分別距東側山墻20、40 m，距北墻3 m，距地面1.5 m。所有溫濕度測點均裝有自然通風防輻射罩。

圖5 距北墻30m處東西向截面上溫濕度測點分布Fig.5 Locations of temperature/RH sensors in cross section at distance of 30 m from north wall

選用美國文森公司生產的HOBO儀器進行溫室內外的空氣溫濕度測量，溫度測試精度±0.2℃，濕度測試精度± 2.5%，并做防輻射處理。水溫測量選用T型熱電偶作為溫度傳感器，精度為±0.2℃，數據采集儀選用美國坎貝爾公司生產的CR1000，用于自動記錄各傳感器采集的數值，數據采集間隔為10 min。

1.4 系統節能效果分析

主動蓄放熱系統白天收集的熱量Qs和夜間放出的熱量Qr，kJ。按照下式計算[19]：

式中ρw為水的密度，取1.0×103kg/m3；Cw為水的比熱容，取4.2 kJ/（kg.℃）；ΔT1，s、ΔT2，s，ΔT1，r、ΔT2，r，分別為系統白天集熱階段、系統夜間放熱階段蓄水池Ⅰ、Ⅱ水溫變化，℃；V1、V2分別為蓄水池Ⅰ、Ⅱ實際蓄水量，m3。

為進一步分析主動蓄放熱系統的節能率，筆者定義主動蓄放熱系統的性能系數為 COP（coefficient of performance），即是夜間系統的放熱量Qr與Ewp之比[26]：

式中Ewp為主動蓄放熱系統夜間放熱階段循環水泵的耗電量，kJ。

節能率[27]的計算：在計算主動蓄放熱系統加溫與燃煤鍋爐加溫的節能率時，可以將主動蓄放熱系統水泵的耗電量折算為標準煤，根據主動蓄放熱系統加溫獲得的熱量折算為采用燃煤鍋爐加溫所需的標準煤，再將兩者進行對比。

溫室獲得的熱量Qr若為燃煤鍋爐獲得，則用燃煤鍋爐時消耗的標準煤通過下式計算：

式中QH為標準煤熱值，取29 260 kJ/kg；ηg為燃煤鍋爐效率，取0.7；ηw為官網輸送效率，取0.95。

主動蓄放熱系統水泵消耗電能Ewp轉化為標準煤，則計算公式為：

式中ηd為火力發電廠的效率，取0.35；ηp為輸配電效率，取0.95。

則主動蓄放熱系統與燃煤鍋爐相比的節能率η，通過下式計算：

2 結果與分析

試驗選取2015年1月17日-2015年1月20日連續3 d的數據進行分析。為便于分析大跨度主動蓄能型溫室環境及保溫性能規律，本文將08：30-次日08：30作為一個周期。第一天為晴天高溫（1月17日-18日），第二天為多云低溫（1月18日-19日），第三天為晴天低溫（1月19日-20日），是北京冬季的典型天氣。

2.1 不同天氣狀況下大跨度主動蓄能型溫室溫濕環境分析

2.1.1 不同天氣狀況下大跨度主動蓄能型溫室和日光溫室室溫比較

圖6為1月17日到1月20日大跨度主動蓄能型試驗溫室與對照日光溫室室內外溫度變化曲線。白天正午當對照日光溫室溫度高于30℃時，需人工開啟溫室頂部通風口進行通風降溫。而大跨度主動蓄能型溫室白天無需通風降溫。盡管對照日光溫室采取通風措施，白天正午其極端高溫仍比大跨度主動蓄能型溫室高3～5℃。在圖6（b）中可以看出2棟溫室在早上10點左右室溫才逐漸上升，主要由于第二天為多云天氣，早上保溫被的揭開時間推遲。同樣的現象可以在圖7（b）中看到，室溫上升比另外2天滯后。前半夜大跨度主動蓄能型溫室未開啟主動蓄放熱系統之前，其室溫和對照日光溫室基本一致，當運行主動蓄放熱系統時，大跨度主動蓄能型溫室室溫緩慢上升并趨于穩定，而對照日光溫室溫度逐漸下降。18日、19日、20日早上揭開內保溫幕和外保溫被時，大跨度主動蓄能型溫室室溫分別為10.3、9.5、10.4℃，日光溫室室溫為7.7、6.7、7.5℃，溫差分別為2.6、2.8、2.9℃。且不管是晴天或多云，大跨度主動蓄能型溫室夜間室內溫度均維持在10℃以上，室內外溫差可達到19.3℃。晴天（如圖6a，6c）大跨度主動蓄能型溫室夜間室溫平均比日光溫室高1.5～3.1℃，比室外高13.9～19.3℃；陰天（如圖6b）室溫平均比日光溫室高1.2～2.8℃，比室外高12.5～18.9℃。可見大跨度主動蓄能型溫室相比于傳統磚墻日光溫室，室內氣候穩定，無極端高溫與低溫，保溫性能良好。

圖6 不同天氣狀況下試驗溫室與對照溫室室內溫度以及室外溫度比較Fig.6 Air temperature comparison in experimental greenhouse,reference greenhouse and outside under different weather conditions

2.1.2 不同天氣狀況下大跨度主動蓄能型溫室南北向溫度分布

圖7為1月17日至1月20日試驗溫室南北方向溫度分布情況。早上8：30揭開保溫被至14：30時，溫室南部和北部升溫較中部快，比中部高0.5～3.3℃，主要由于南部為PC中空陽光板，且溫室南北走向，太陽光通過南部陽光板照射溫室的入射角小，北部后墻會吸收太陽能并向室內釋放熱量。北部與南部在正午12點之前差別不大，但在正午時刻也較南部低2.5℃左右，陰天溫度差異較晴天小。14：30至16：30南北向溫度無明顯差異，16：30覆蓋內保溫幕和外保溫被后，夜間北部溫度較南部和中部平均低0.9℃。夜間南北向溫差僅為0.9℃，溫室長度60 m，溫度梯度較小，夜間室內南北向溫度分布均勻。

圖7 不同天氣狀況下大跨度主動蓄能型試驗溫室南北向溫度分布Fig.7 Air temperature distribution of experimental greenhouse in south-north direction under different weather conditions

2.1.3 不同天氣狀況下大跨度主動蓄能型溫室與日光溫室相對濕度比較

圖8為大跨度主動蓄能型試驗溫室與對照日光溫室室內相對濕度對比曲線，在圖8（b）中可以看出2棟溫室在早上10點左右相對濕度才逐漸下降，主要由于第二天為多云天氣，早上保溫被的揭開時間推遲。大跨度主動蓄能型溫室和日光溫室白天相對濕度基本一致，當內保溫幕與外保溫被覆蓋后，2溫室相對濕度迅速上升，但大跨度主動蓄能型溫室夜間相對濕度比日光溫室平均低7%～10%。大跨度主動蓄能型溫室和對照日光溫室作物種植密度均為6株/m2，均定植于2014年11月30日。其相對濕度低的主要原因是大跨度主動蓄能型溫室夜間溫度相比于日光溫室高3℃左右，而且溫室單體大，從而導致試驗溫室相對濕度相比于日光溫室降低10%，這對減少作物病蟲害，降低發病率，對提高產量有重要影響[28-29]。

圖8 不同天氣狀況下試驗溫室與對照溫室室內相對濕度比較Fig.8 Relative humidity comparison between experimental and reference greenhouses under different weather conditions

2.2 主動蓄放熱系統能量分析

主動蓄放熱系統白天收集的熱量、晚上釋放的熱量、系統COP值（根據公式3）和節能率η（根據公式4-6）如表1所示。1月18日為多云，白天太陽輻射較弱，主動蓄放熱系統蓄熱量較少，但是夜間系統放熱量大于白天集熱量，這說明前期能量的蓄積可用于陰天能量不足的供給，而晴天夜間放熱量均小于白天集熱量。試驗結果表明，系統放熱量取決于白天集熱量，同時受制于夜間室內氣溫，室溫與循環水溫的溫差越大，放熱量越多。主動蓄放熱系統運行時平均COP在3.4～4.2之間，平均每天能耗0.013 kWh/m2，且相比于燃煤鍋爐加溫系統，平均節能率為47%，節能效果顯著。

表1 主動蓄放熱系統的性能參數Table 1 Performance parameters of active heat storage and release system

2.3 大跨度主動蓄能型溫室與日光溫室建造成本分析

經統計分析，大跨度主動蓄能型溫室和日光溫室的建造工料和人工成本如表2所示。大跨度主動蓄能型溫室每平方米建造費用為307.2元，日光溫室每平方米的建造成本為451.7元。可見大跨度主動蓄能型溫室在單位平方米的建造成本上比日光溫室減少144.5元。日光溫室土建和磚墻部分投資較多，因為大跨度主動蓄能型溫室北墻面積小且用磚少。其他部分投資，大跨度主動蓄能型溫室均比日光溫室多，但大跨度主動蓄能型溫室種植面積為日光溫室的2.5倍以上。

大跨度主動蓄能型溫室和日光溫室均采用地膜覆蓋，使用基質栽培番茄，種植密度均為6株/m2。日光溫室南側受屋面骨架高度限制，日光溫室內部南側有1.5 m空地不能種植作物，也不能作為走廊。而大跨度主動蓄能型溫室距東西側1 m處，高度為2.5 m，可進行作物種植，亦可作為走廊。因此從生產效益來看，大跨度主動蓄能型溫室作物種植面積大，室內氣候穩定，冬季夜間溫度比日光溫室平均高3℃左右，夜間室溫維持在10℃以上，相對濕度比日光溫室低約10%，更適宜作物生長，發病率減少，收益更好。

表2 大跨度主動蓄能型溫室與日光溫室的建造工料與人工成本預算Table 2 Budget of materials and labor costs of experimental and reference greenhouses

3 討論與結論

本試驗設計的大跨度主動蓄能型溫室，解決了日光溫室土地利用率低和空間狹小，不便蔬菜立體化栽培、不能種植果樹等高大作物以及不利于機械化操作等問題。室內氣候穩定，保溫蓄熱性能良好，節能高效，可實現冬季果菜類作物生產。內保溫幕、外保溫被以及上下通風口的靈活管理，更好地實現不同季節的生產要求。

試驗結果表明：1）大跨度主動蓄能型溫室土地利用率高達87.4%，節約土地資源；2）大跨度主動蓄能型溫室無論在晴天還是陰天，夜間平均室溫均能維持在10℃以上，無極端低溫。且室內溫度分布均勻，室內外溫差可達19.3℃，溫室保溫性能較好。夜間室內相對濕度平均比日光溫室低7%～10%，無高濕現象；3）大跨度主動蓄能型溫室建造成本每平米307.2元，比傳統磚墻日光溫室低144.5元；4）無論晴天和陰天，主動蓄放熱系統平均COP均能維持在3.4～4.2，平均每天加溫能耗0.013 kWh/m2，相比于傳統燃煤鍋爐加溫系統，平均節能率為47%，節能顯著。因此，綜合成本、保溫性能、經濟環境效益，大跨度主動蓄能型溫室值得推廣和大面積應用。

在下一步研究中，將重點考慮大跨度主動蓄能型溫室夏季室內降溫問題，分析作物長勢、產量等作物狀況，從而使大跨度主動蓄能型溫室實現全年生產，再進一步提高資源利用效率。

[1]中國農業年鑒[M]．中國，北京，中國農業出版社，2013．ChinaAgricultureYearbook[M].Beijing,China.ChinaAgriculture Press,2013.(in Chinese with English abstract)

[2] 馬承偉，卜云龍，籍秀紅．日光溫室墻體夜間放熱量計算與保溫蓄熱性評價方法的研究[J]．上海交通大學學報，2008，26 (5)：411－415．Ma Chengwei,Bu Yunlong,Ji Xiuhong.Method for calculation of heat release at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse[J].Journal of Shanghai Jiaotong University:Agricultural Science,2008,26(5):411－415. (in Chinese with English abstract)

[3]佟國紅，王鐵良，白義奎，等．日光溫室墻體傳熱特性的研究[J]．農業工程學報，2003，19(3)：186－189．Tong Guohong,Wang Tieliang,Bai Yikui,et al.Heat transfer property of wall in solar greenhouse[J].Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2003,19(3):186－189.(in Chinese with English abstract)

[4]李小芳，陳青云．日光溫室山墻對室內太陽直接輻射得熱量的影響[J]．農業工程學報，2004，20(5)：241－245．Li Xiaofang,Chen Qingyun.Effect of gable wall on the heat gain from direct solar radiation in sunlight greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2004,20(5):241－245.(in Chinese with English abstract)

[5]李建設，白青，張亞紅．日光溫室墻體與地面吸收放熱量測定分析[J]．農業工程學報，2010，26(4)：231－236．Li Jianshe,Bai Qing,Zhang Yahong.Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(4):231－236. (in Chinese with English abstract)

[6]Fang H,Yang Q C,Zhang Y,et al.Performance of a solar heat collection and release system for improving night temperature in a Chinese solar greenhouse[J].Applied Engineering in Agriculture, 2015,31(2):283－289.

[7]佟國紅，David M Christopher．墻體材料對日光溫室溫度環境影響的CFD模擬[J]．農業工程學報，2009，25(3)：153－157．Tong Guohong,David M Christopher.Simulation of temperature variations for various wallmaterials in Chinese solar greenhouses using computational fluid dynamics[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2009,25(3):153-157.(in Chinese with English abstract)

[8]周長吉，劉晨霞．提高日光溫室土地利用率的方法評析[J]．中國果菜，2009，5．

[9]魏琴芳，馬驥．對日光溫室發展中土地利用率的探討[J]．農業工程技術，溫室園藝，2006：22－23．

[10]張銳．日光溫室機械化作業量不足應予重視[J]．農機科技推廣，2013，9：40－40．

[11]張永欽，陳希鋒．推廣大棚蔬菜生產機械化技術的實踐與思考[J]．現代農機，2015，(2)：20－22．

[12]白義奎，王鐵良，佟國紅，等．東北型節能日光溫室—遼沈Ⅰ型日光溫室節能設計試驗研究[J]．節能技術，2002，20(1)：21－23．Bai Yikui,Wang Tieliang,Tong Guohong,et al.Experimental research on energy saving of solar greenhouse of type northeast of China—Type Liaoshen I Solar Greenhouse[J].Energy Conservation Technology,2002,20(1):21－23.(in Chinese with English abstract)

[13]Bai Yikui,Liu,Wenhe,Wang Tieliang,et al.Experimental research on environment and heat preservation effect of solar greenhouse:type Liaoshen I[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2003,19(5):191－196.

[14]佟國紅，李天來，王鐵良，等．大跨度日光溫室室內微氣候環境測試分析[J]．華中農業大學學報，2004(12)：67－73．Tong Guohong,Li Tianlai,Wang Yiliang,et al.Experimental research on microclimate environment in a large-scale sunlight greenhouse[J].Journal of Huazhong Agricultural University. 2004(12):67－73.(in Chinese with English abstract)

[15]趙瑞，孫吉娜，陳俊琴．遼沈系列不同構型育苗溫室環境對秧苗質量影響的比較研究[J]．長江蔬菜，2012：37－39．Zhao Rui,Sun Jina,Chen Junqing.Effects of microclimatic conditions in different construction of Liaoshen type seedling greenhouseonseedlingquality[J].JournalofChangjiangvegetables，2012:37－39.(in Chinese with English abstract)

[16]韓麗蓉，王宏麗，李凱，等．下沉式大跨度大棚型溫室的設計及應用研究[J]．中國農業大學學報，2014，19(4)：161－165．Han Lirong,Wang Hongli,Li Kai,et al.Design and application study on the sinking and great-span greenhouse without back wall[J].Journal of China Agricultural University,2014,19(4): 161－165.(in Chinese with English abstract)

[17]郄麗娟，趙付江，韓曉倩，等．三連棟日光溫室的結構設計與建造[J]．河北農業科學，2014，18(2)：100－103．Qie Lijuan,Zhao Fujiang,Han Xiaoqian,et al.Structure design and construction of three-span sunlight greenhouse[J].Journal of Hebei Agricultural Sciences,2014,18(2):100－103.(in Chinese with English abstract)

[18]張德威，李國景，周勝軍．南方園藝設施改進和新型溫室大棚探討[J]．長江蔬菜，1999，(8)：29－31．

[19]張義，楊其長，方慧．日光溫室水幕簾蓄放熱系統增溫效應試驗研究[J]．農業工程學報，2012，28(4)：188－193．Zhang Yi,Yang Qichang,Fang Hui.Research on warming effect of water curtain system in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2012,28(4):188－193.(in Chinese with English abstract)

[20]梁浩，方慧，楊其長，等．日光溫室后墻蓄放熱簾增溫效果的性能測試[J]．農業工程學報，2013，29(12)：187－193. Liang Hao,Fang Hui,Yang Qichang,et al.Performance testing on warming effect of heat storage-release curtain of back wall in Chinese solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013, 29(12):187－193.(in Chinese with English abstract)

[21]金雪均．節能型連棟日光溫室的研制[J]．上海農業學報，2004，20(2)：40－43．Jin Xuejun.The development of energy-saving multispan heliogreenhouse[J].Acta Agriculturae Shanghai,2004,20(2): 40－43.(in Chinese with English abstract)

[22]李成芳，李亞靈，溫祥珍．日光溫室保溫板外置復合墻體的溫度特性[J]．山西農業大學學報：自然科學版，2009，29(5)：53－57．LiChengfang,LiYaling,Wen Xiangzhen.Temperature characteristics of north wall covered by polystyrene plate outside solar greenhouse[J].Journal of Shanxi Agricultural University：Nature Science Edition,2009,29(5):53－57.(in Chinese with English abstract)

[23]陳端生，鄭海山，劉步洲．日光溫室氣象環境綜合研究：I．墻體、覆蓋物熱效應研究初報[J]．農業工程學報，1990，6(2)：77－81．Chen Duansheng,Zheng Haishan,Liu Buzhou.Comprehensive study on the meteorological environment of the sunlight greenhouse I.preliminary study on the thermal effect of the wall body and covering materials[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 1990,6(2):77－81.(in Chinese with English abstract)

[24]馬江燕．典型氣象年下我國正南安裝的太陽能集熱器最佳傾角的計算與分析[J]．鐵道建筑技術，2012，(5)：110－113．Ma Jiangyan.Calculation and analysis of the optimum angle of due south solar collectors in typical meteorological year in China [J].Railway Construction Technology,2012,(5):110－113.(in Chinese with English abstract)

[25]王秀明．也談家用太陽能熱水器集熱器的安裝角度[J]．小城鎮建設，1996，(3)：33－33．

[26]孫維拓，楊其長，方慧，等．主動蓄放熱-熱泵聯合加溫系統在日光溫室的應用[J]．農業工程學報，2013，29(19)：168－177．Sun Weituo,Yang Qichang,Fang Hui,et al.Application of heating system with active heat storage-release and heat pump in solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(19):168－177.(in Chinese with English abstract)

[27]王吉慶，張百良．水源熱泵在溫室加溫中的應用研究[J]．中國農學通報，2005，21(6)：415－419．Wang Jiqing,Zhang Bailiang.Experiment of water source heat pump in greenhouse heating[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2005,21(6):415－419.(in Chinese with English abstract) [28]Choi J H,Chung G C,Suh S R.Effect of night humidity on the vegetative growth and the mineral composition of tomato and strawberry plants[J].Scientia Horticulturae,1997,70(4):293－299.

[29]Suzuki M,Umeda H,Matsuo S,et al.Effects of relative humidity and nutrient supply on growth and nutrient uptake in greenhouse tomato production[J].Scientia Horticulturae,2015,187:44－49.

Evaluation on heat preservation effects in micro-environment of large-scale greenhouse with active heat storage system

Zhou Sheng,Zhang Yi,Cheng Ruifeng,Yang Qichang※,Fang Hui,Zhou Bo,Lu Wei,Zhang Fang
(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China; 2.Key Labatory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures,Ministry of Agriculture,Beijing 100081,China)

A Chinese Solar Greenhouse(CSG),is characterized by a lean-to south-facing roof covered with a removable blanket for nighttime heat preservation and a solid north wall for daytime solar energy storage.However,the land utilization efficiency of the CSG is only 30%-45%because of the necessary distance between 2 adjacent greenhouses to prevent shading.Moreover,inner available space of the CSG is usually small,which results in intensive labor and low mechanization.To solve above problems,a new-type large-scale greenhouse with an active heat storage system was designed.The greenhouse was tunnel type,and had wide span with steel frame and south-north orientation. Thus,the necessary distance between 2 adjacent greenhouses was shortened to 2 m from 6-8 m of the traditional CSG.In this case,the land use efficiency of the new type greenhouse was increased to 87.4%from 30%-45%of the traditional CSG.The greenhouse was designed with a height of 5 m,a length of 60 m and a width of 20 m. Greenhouse indoor ground was 0.5 m lower than that outdoor to increase available space for plant growth and labor work,and to improve the stability of the micro environment.The north wall built with red bricks and a removable external blanket with total heat transfer coefficient of 1.2 W/(m2.K)and an internal thermal screen made of aluminized film were used in the experimental greenhouse.To guarantee daytime solar storage and nighttime heat preservation,the greenhouse employed an active heat storage-release system(AHS).The AHS with 50 south-facing collectors was used to collect solar energy by flowing water between 2 sheets of black plastic foil and store heat energy in 2 underground insulated water tanks(8 m3each).During the nighttime,when the air temperature inside the greenhouse was lower than the set-point,the AHS was used to heat the greenhouse by circulating warm water from the tanks.If only one tank was used,its temperature would gradually increase during the day and decrease during the night.With some smaller tanks we could empty or fill the energy in order.The total area of 50 south-facing collectors(with the length of 2 m and the width of 1.35 m)was 130 m2.Some collectors were installed vertically against the north wall and south wall,and some were installed with a tilt angle of 55°and a distance of 3.75 m in 2 rows from north to south in the greenhouse to collect more solar energy.During the winter about 15%of the greenhouse floor was shaded by the collectors where the low and scotophil leaf vegetables were planted.There were the large-scale greenhouse(experimental)and CSG(reference)located in Beijing(40°13′N,116°65′E).A reference CSG was 60 m long and 8 m wide with a ridge height of 3.8 m.The north wall was 2.3 m high and 0.46 m thick, and composed of red bricks with 240 mm thickness outside and 120 mm thickness inside,and polystyrene board with 100 mm thickness in the middle.Tomato was used as a model plant in 2 greenhouses.The experiment was conducted from December 5th,2014 to February 5th,2015.Indoor air temperature,relative humidity,initial cost of the greenhouse,energy consumption and performance of the AHS were analyzed.The results showed that the land utilization efficiency of the experimental greenhouse could be increased up to 87.4%.Average nighttime air temperature in the experimental greenhouse was 1.5-3.1℃ on sunny day and 1.2-2.8℃ on cloudy day higher than that in the reference CSG.The average air temperature in the experimental greenhouse was kept above 10℃during the whole night.It was 19.3 ℃ higher than outdoor air temperature.The relative humidity in the experimental greenhouse was 7%-10%lower than that in the reference CSG during nighttime.The average COP (coefficient of performance)of the AHS was 3.4-4.2 and the average daily electricity consumption of the AHS was 0.013 kWh/m2during both sunny days and cloudy days.Compared with traditional heating methods using fossil fuels,the AHS system achieved 47%energy savings.The initial cost of the experimental greenhouse was 307.2 yuan/m2, which was 144.5 yuan/m2lower than the CSG.The above results indicate that the large-scale greenhouse with an active heat storage system can improve land utilization efficiency and heat preservation performance,and decrease greenhouse initial cost and inside relative humidity.Thus,the large-scale greenhouse with an active heat storage system is worthy of popularization and application.

greenhouses;temperature;environmental regulations;land utilization efficiency;large scale;active heat storage and release system;relative humidity;Chinese solar greenhouse

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.030

S625.2,S625.4

A

1002-6819（2016）-06-0218-08

2015－09－09

2016－01－22

國家科技支撐計劃（2014BAD08B02）；公益性行業（農業）科研專項（201203002）；基本科研業務費（BSRF201405）；國家自然科學基金項目（51508560）

周 升（1991-），江蘇徐州人，主要從事設施農業環境工程方面研究。北京 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，100081。Email：1208915734＠qq．com

※通信作者：楊其長（1963-），安徽無為人，博士，研究員，博士生導師，主要從事設施園藝環境工程研究。北京 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，100081。Email：yangq＠ieda．org．cn