雙層膜日光溫室設計及其熱性能測試分析

袁余，李鵬程，李銘，蘇學德，吳奇峰

（1. 新疆農墾科學院林園研究所，新疆 石河子 832000；2. 新疆農墾科學院產業(yè)處，新疆 石河子 832000）

雙層膜日光溫室設計及其熱性能測試分析

袁余1，李鵬程1，李銘1，蘇學德1，吳奇峰2*

（1. 新疆農墾科學院林園研究所，新疆 石河子 832000；2. 新疆農墾科學院產業(yè)處，新疆 石河子 832000）

為了提高日光溫室的保溫性能，設計建造了一種適用于北方冬季生產的現(xiàn)代雙層膜日光溫室，其特點是有內外兩層支撐骨架和覆蓋系統(tǒng)，測試了該溫室在冬季無保溫被覆蓋、通風口關閉條件下室內溫度變化情況，并與普通單層膜日光溫室進行了對比分析。試驗結果表明，雙層膜日光溫室內空氣平均溫度、土壤平均溫度、最低氣溫和最低土壤溫度的最低值較單層膜日光溫室分別提高了2.1 ℃、1.7 ℃、3.7 ℃和1.8 ℃，較室外分別提高了12.4 ℃、0.9 ℃、18.5 ℃和0.9 ℃。在雪天、晴天、陰天和霧霾天等典型天氣，雙層膜日光溫室較單層膜日光溫室白天和夜間平均氣溫分別提高了0.4 ℃和1.4 ℃，較室外白天和夜間平均氣溫提高了3.0 ℃和9.7 ℃。研究表明，與單層膜日光溫室相比，雙層膜日光溫室的空氣溫度、土壤溫度有明顯提高，室內溫度較穩(wěn)定。該研究為雙層膜日光溫室建造提供了參考。

日光溫室；雙層膜；設計；氣溫；土壤溫度

Abstract：This paper designed and constructed double-plastic of solar-greenhouse adjusted to winter production in northern China, in order to increase the insulation performance of solar-greenhouse. The double-plastic of solargreenhouse had inside-outside support frame and two cover system. It experiments and tests temperature changing in the double-plastic of solar-greenhouse compared to the normal single-plastic of solar-greenhouse, with the condition of insulated quilt has rolled up and the vents are closed. The experimental results show that the lowest of air average temperature, the lowest of soil average temperature, the minimum air temperature and the minimum soil temperature of the double-plastic of solar-greenhouse, had increased 2.1 ℃, 1.7 ℃, 3.7 ℃ and 1.8 ℃ compared with the normal single-plastic of solar-greenhouse, and increased 12.4 ℃, 0.9 ℃, 18.5 ℃ and 0.9 ℃ compared with outdoor. The diurnal and nocturnal air average temperature of the double-plastic of solar-greenhouse on snowy, sunny, cloudy and hazy days, had increased 0.4 ℃ and 1.4 ℃ compared with the normal single-plastic of solar-greenhouse, and increased 3.0 ℃ and 9.7 ℃ compared with outdoor. The result indicates air temperature and soil temperature in the double-plastic of solar-greenhouse improved obviously and relatively stable. It is expected that experiment results and analysis will support the improvement of the double-plastic of solar-greenhouse construct management.

Key words：solar-greenhouse; double-plastic; design; air temperature; soil temperature

日光溫室是一種帶有中國特色的溫室形式，與其他溫室類型相比，它具有低成本的良好越冬生產性能，在中國北方地區(qū)得到了大面積的推廣[1-2]。截止2015年底，我國日光溫室總面積已超過69萬hm2，占我國所有溫室總面積的32.7%，其中80%以上的日光溫室分布在北方地區(qū)[3]，用以冬季生產。近年來，由于極端天氣和霧霾天氣頻現(xiàn)，導致日光溫室內溫度過低，在不加溫條件下甚至會出現(xiàn)低于0 ℃的現(xiàn)象。現(xiàn)有溫室結構和設備難以保證室內環(huán)境滿足植物正常生長，嚴重影響了日光溫室安全越冬生產性能。

為了滿足溫室在寒冷地區(qū)冬季生產的溫度要求、增強溫室熱性能，科研人員從溫室結構[4-6]、墻體結構[7-8]、設施設備[9]等方面做了很多工作，這些研究對改善日光溫室內的熱環(huán)境起到了較好的作用。雙層膜日光溫室是在單層膜的基礎上再附加一層薄膜，膜與膜相距一定間距，形成介質層（緩沖帶）的一種日光溫室類型[10]。目前，國內對雙層膜日光溫室的設計、性能測試研究還較少，僅有楊躍峰[10]從理論上運用被動式太陽房熱工計算方法模擬分析了附加式雙層膜的熱量、熱效率變化情況，得出雙層膜比單層膜熱量損失率低45%、獲得的凈熱量低21.6%、保溫提高28%。這為日光溫室雙層覆蓋提供了初步的理論分析依據(jù)，但是關于雙層膜日光溫室的結構設計、性能測試方面沒有涉及，還有待進一步的模擬分析和試驗觀測研究。基于以上的理論分析，本文設計建造了雙層膜日光溫室，該溫室的結構特點是有內、外支撐骨架和兩層薄膜覆蓋，并與傳統(tǒng)單層膜日光溫室進行了對比試驗，以期提高日光溫室的保溫性能。

1 雙層膜日光溫室設計

1.1 雙層膜日光溫室設計要求

雙層膜日光溫室的設計既需要滿足室內植物生長對光照、溫度等環(huán)境因子的種植要求[11-12]，同時也要滿足溫室結構在受到大雪、大風等荷載作用下的強度、穩(wěn)定性使用要求[13]。

1.1.1 光照要求 雙層膜日光溫室采用雙層膜覆蓋系統(tǒng)，屋面的透光率與單層膜屋面相比較低，因此，設計首先要考慮的是最大限度獲得采光。采光設計需滿足植物正常生長的光照強度、光照時間要求，日光溫室設計光指標為：大于光補償點4 000 lx的6小時累計光照強度平均不低于20 000 lx[14]。為滿足種植區(qū)作物的正常生長，最后一排作物的冠層全天能接受太陽輻射[2]。為強化后墻體吸蓄熱能力，正午前后2小時內透過前屋面的直射光能夠以較強的光照投射到后墻內表面上[15]。

1.1.2 溫度要求 雙層膜日光溫室內溫度主要是滿足植物生長對溫度的要求，包括晝夜氣溫和地溫。以番茄生產為例，其在夜間生長發(fā)育的低限空氣溫度為5 ℃，夜間適宜空氣溫度為8-13 ℃[12]。

1.1.3 結構的使用要求 雙層膜日光溫室在受到雪荷載、風荷載等幾種或多種荷載同時作用時，結構產生內力，當內力超過材料的某一極限值時，構件將會發(fā)生失穩(wěn)或破壞現(xiàn)象[16]。因此，雙層膜日光溫室設計需根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》GB 50009—2012[17]和《溫室結構設計荷載》GB/T 18622—2002[18]等規(guī)范，分別對內、外支撐結構上可能出現(xiàn)的荷載進行組合，取最不利的荷載組合進行結構計算，對構件進行強度、穩(wěn)定性校核，滿足結構構件的使用要求[19]。

1.2 溫室土建工程設計

溫室土建工程包括地下基礎和地上墻體部分。以新疆石河子墾區(qū)為例進行雙層膜日光溫室設計。

1.2.1 溫室基礎 溫室基礎對整個溫室結構起到穩(wěn)定和加固作用，同時也起到隔絕地溫的作用，對溫室的保溫性能有很大的提高。溫室用地的標高比室外地坪標高降低0.1 m，溫室基礎深為凍土層以下，地基承載力不小于120 kN/m2，溫室基礎采用條形磚基礎。

1.2.2 溫室墻體 溫室墻體采用復合式墻體：溫室北墻由內到外采用60 mm厚空心磚墻（孔向朝溫室內）+370 mm厚非黏土磚墻+夯實土壤（下層寬2 m，上層寬1 m），在溫室北側設有室外臺階，方便人工上屋頂清雪、安置保溫被等操作。溫室南墻采用240 mm厚磚墻，外貼100 mm厚苯板，高出地表20 cm。南墻外側設有防寒溝。溫室東西山墻采用500 mm厚非黏土磚墻+夯實土壤（下層寬1.5 m，上層寬0.5 m）。在東西山墻處設立2個不同高度的弧面方便棚膜固定安裝。溫室后屋面由內到外采用100 mm編織草簾+100 mm厚保溫彩鋼板。

溫室操作間建于溫室東側，長3 m、寬3 m、檐高2.7 m，墻體為370 mm非黏土磚墻，屋面采用彩色水泥瓦坡屋面。溫室室外臺階采用非黏土磚作為臺階主體結構，并用水泥砂漿抹面。溫室內人行道設在溫室北側，寬0.6 m，采用素土夯實上鋪紅機磚。

1.3 溫室結構骨架設計

溫室外層支撐骨架采用焊接式桁架結構，使用國標鍍鋅鋼管，拱間距1 m，三道1/2″熱鍍鋅鋼管縱向拉桿。溫室內層支撐骨架采用單拱50幾字梁，拱間距2 m，兩道1/2″熱鍍鋅鋼管縱向拉桿。溫室拱架與預留在墻體的預埋件栓接固定，拱架與縱向拉桿用連接件栓接固定。

1.4 配套設施設計與安裝

1.4.1 覆蓋系統(tǒng) 覆蓋系統(tǒng)應采用透光率高、抗老化能力強、力學性能良好的無滴薄膜。內外膜分別用0.1 mm和0.15 mm厚大棚專用膜。為了防止覆蓋材料與支撐骨架直接接觸對膜造成破損，在接觸處使用軟塑料膠帶用于緩沖。塑料膜采用卡簧卡槽固定，并在外側設有壓膜線用以減少大風對棚膜的破損。

1.4.2 通風系統(tǒng) 考慮寒冷地區(qū)氣候特點和植物生長對溫度、濕度、氣體等的要求，在溫室前屋面頂部設通風口。內、外膜頂通風口通過電動卷膜器（可手自一體控制）控制卷動卷軸進行通風口的整體開閉。外膜通風口處安設40目防蟲網，防止通風換氣時蟲鳥的侵入。

1.4.3 保溫覆蓋系統(tǒng) 為了防止夜間溫室內的溫度過低，在溫室外層塑料膜外表面安放保溫被。保溫被選用防水、抗老化、輕質、高效保溫的材料。保溫被的安裝通過與安設在北墻外側底部的拉繩固定連接，這樣既可以避免保溫被在長期使用過程中因在前屋面上下滑動導致分布不均，同時也增強了后屋面的保溫性能。保溫被采用中卷式機械式卷放，卷軸為Φ50熱鍍鋅鋼管。

1.4.4 其他系統(tǒng) 電器控制系統(tǒng)：溫室選用電動人工控制系統(tǒng)，對溫室保溫被電機、通風電動卷膜器等進行控制。溫室內電源布線穿線管引至用電設備，電源插座均防水防潮。給排水系統(tǒng)、臨時加溫系統(tǒng)等其他系統(tǒng)根據(jù)溫室實際使用情況配置。

綜上所述，得到現(xiàn)代雙層膜日光溫室的平面布置圖、E-E視圖和三維示意圖見圖1。雙層膜日光溫室基本建設情況概況為：坐北朝南，偏西5°；溫室東西長60 m，跨度8 m；前屋面角33°，脊高4.4 m；后屋面角40°，后屋面水平投影1.5 m；后墻高3.2 m，溫室間距8 m。

圖1 雙層膜日光溫室設計圖Fig.1 The design drawing of double-plastic of solar-greenhouse

2 研究方法

2.1 試驗地點

試驗在新疆石河子墾區(qū)新疆農墾科學院設施農業(yè)基地進行。地理位置北緯44.27°，東經85.94°，海拔443 m，屬典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫7.6 ℃，年度最低氣溫-29.5 ℃，凍土層深度1.2 m，無霜期181 d。試驗溫室是在原有舊溫室基礎上改造而成。

2.2 試驗方案與設置

由于日光溫室冬季生產主要集中在1-3月份，因此，試驗選取2016年11月25日-2017年4月1日進行。在雙層膜日光溫室內中心處、單層膜日光溫室內中心處和室外3個位置，分別在地面以上1.5 m處、土壤深度30 cm處放設MicroLite-U盤型溫度記錄儀，數(shù)據(jù)記錄間隔時間為2小時，并人工記錄逐日的天氣情況。

對照溫室為單層膜日光溫室，其尺寸參數(shù)與雙層膜日光溫室基本相同，減少了內層支撐骨架和覆蓋系統(tǒng)，溫室內土壤類別為粘土。

本試驗采用對照分析的方法，研究雙層膜日光溫室的保溫性能和室內溫度變化情況。分別觀測雙層膜日光溫室、單層膜日光溫室在冬季無保溫被覆蓋、通風口關閉條件下，室內外空氣（地面以上1.5 m處）、土壤（土壤深度30 cm處）的溫度變化。兩個試驗溫室內種植櫻桃，其中單層膜日光溫室的櫻桃用無紡布保溫覆蓋處理，雙層膜日光溫室的櫻桃無處理。

3 結果與分析

3.1 溫室內外溫度冬季變化

從2016年11月25日至2017年4月1日，雙層膜日光溫室、單層膜日光溫室和室外的空氣、土壤深度30 cm處的平均溫度、最低溫度總體上都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢（圖2）。在氣溫降低階段（2016年11月25日至2017年1月18日），雙層膜日光溫室內平均氣溫、土壤平均溫度、最低氣溫和最低土壤溫度均高于單層膜日光溫室；在氣溫上升階段（2017年1月19日至2017年4月1日），單層膜日光溫室內平均氣溫基本與雙層膜日光溫室相等、最低氣溫低于雙層膜日光溫室，且隨著氣溫的逐步升高（2017年2月24日后），單層膜日光溫室內土壤平均溫度、土壤最低溫度逐漸高于雙層膜日光溫室。同時，在一段時間內（2017年1月13日至2017年2月10日），單層膜日光溫室內土壤平均溫度、土壤最低溫度均低于室外，這可能是由于在冬季室外積雪層的存在對土壤有著保溫效果，加上單層膜溫室內空氣濕度、最低氣溫高于室外，在極冷情況下不利于土壤保溫、升溫。

雙層膜日光溫室最高氣溫與最低氣溫的差值低于單層膜日光溫室、低于室外（圖3），這說明雙層膜日光溫室內溫度的變化速率較單層膜日光溫室和室外慢，一天內的溫度較穩(wěn)定。

冬季日光溫室內外空氣和土壤的平均溫度、最低溫度的最低值，室外＜單層膜日光溫室＜雙層膜日光溫室（表1）。同時也可以看出雙層膜日光溫室平均氣溫和最低氣溫的最低值出現(xiàn)的時間與單層膜日光溫室一致，土壤平均氣溫和最低溫度的最低值出現(xiàn)的時間滯后于單層膜日光溫室。

圖2 冬季雙層膜與單層膜日光溫室室內外溫度曲線Fig.2 Indoor and outdoor temperature on date curves of double-plastic of solar-greenhouse and types with single-plastic

圖3 逐日內最高氣溫與最低氣溫的差值變化曲線Fig.3 The curves of the temperature difference between air Maximum and minimum temperature

綜合分析在冬季無保溫被覆蓋下溫室室內外溫度變化情況，雙層膜日光溫室的空氣平均溫度、土壤平均溫度、最低氣溫和最低土壤溫度基本高于單層膜日光溫室和室外，且室內溫度較穩(wěn)定。在整個冬季生產中，雙層膜日光溫室的空氣平均溫度、土壤平均溫度、最低氣溫和最低土壤溫度的最低值分別為-5.5 ℃、0.5℃、-7.4 ℃和0.5 ℃，較單層膜日光溫室和室外分別高2.1 ℃和12.4 ℃，1.7 ℃和0.9 ℃，3.7 ℃和18.5 ℃，1.8 ℃和0.9 ℃。

3.2 溫室內外溫度的日變化

本試驗以溫室作物越冬生產的主要月份為例進行分析，分別以2016年12月19日（大雪）、2016年12月28日（晴）、2017年1月2日（陰）和2017年1月5日（霧霾）的試驗測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析雙層膜日光溫室與單層膜日光溫室、室外的空氣溫度變化。

典型天氣雙層膜日光溫室內空氣溫度較單層膜日光溫室有較明顯的提高（圖4）。只有在晴天、陰天和霧霾天正午時段（14:00-16:00）內，單層膜日光溫室內溫度略高于雙層膜日光溫室，這是由于在光照條件較好的環(huán)境下，單層膜日光溫室升溫速度較雙層膜日光溫室快，這與楊躍峰[10]分析的在外圍護結構設施相同時單層膜日光溫室獲得凈熱量比雙層膜高一致。

表1 冬季溫室內外平均溫度、最低溫度的最低值及其出現(xiàn)的時間分析列表Table 1 The list of analysis of the minimum value and time of the average and minimum temperature over outer and inner greenhouse in winter

圖4 典型天氣雙層膜與單層膜日光溫室室內外空氣溫度曲線Fig.4 Indoor and outdoor air temperature on time curves of double-plastic of solar-greenhouse and types with single-plastic

在日光溫室安全越冬生產中，溫度是保證作物能否正常生長的主要環(huán)境因素之一。因此，本研究根據(jù)當?shù)匾延袦厥冶乇坏木矸艜r間（即卷起采光時段11:00-18:00，鋪放保溫時段19:00-10:00），分析各典型天氣室內外溫度平均值（表2）。

綜合分析圖4和表2，可以得出在典型天氣條件下雙層膜日光溫室較單層膜日光溫室，白天和夜間平均氣溫分別提高了0.4 ℃和1.4 ℃。雙層膜日光溫室較室外白天和夜間平均氣溫提高了3.0 ℃和9.7 ℃。

表2 典型代表天氣平均溫度增加值表Table 2 Calculation table of temperature increments

4 討論

雙層膜日光溫室在結構設計上，采用內、外支撐骨架。其中外骨架為桁架結構，主要承受風荷載、雪荷載、施工荷載、部分作物荷載、保溫被重力和卷被機重力等，材料選用上下弦為1寸國標鋼管、腹桿Φ8圓鋼，拱間距1 m，三道1/2″熱鍍鋅鋼管縱向拉桿。內骨架為鋼梁支撐結構，主要承受卷膜系統(tǒng)自重、部分作物荷載等，由于其承載較小，經計算后選用單拱50幾字鋼，拱間距2 m，兩道1/2″熱鍍鋅鋼管縱向拉桿。在進行結構計算時是根據(jù)內、外骨架各自單獨受力情況，而實際使用中內、外骨架是一個整體結構，這有利于提高骨架的平面外和平面內穩(wěn)定性，可適當降低對構件材料的選用要求。

雙層膜日光溫室是由內、外兩層膜覆蓋，在一定程度上改變了太陽光線的折射、反射路徑，這可能會影響室內光質、光照強度分布，須在屋面采光特別是內層屋面形狀的采光設計做進一步研究。同時，我們在雙層膜日光溫室使用中發(fā)現(xiàn)，在1-2月份內外層膜之間容易產生大量水霧或水珠，分析其原因可能是由于雙層膜之間是外界與室內熱量交換緩沖區(qū)，也是溫度、濕度易變化區(qū)域，容易結成冷凝水，降低屋面采光性能，這是在雙層膜日光溫室設計時不容忽視的問題。

通過試驗分析，雙層膜日光溫室對防止氣溫白晝過高、夜間過低的效果較單層膜日光溫室明顯，有起到穩(wěn)定溫室內小氣候環(huán)境的作用。同時，雙層膜日光溫室在冬季生產過程中，在無保溫被覆蓋、通風口關閉條件下，室內土壤深度30 cm處的溫度最低為0.45 ℃，比單層膜日光溫室高1.78 ℃，這對解決日光溫室冬季地溫低具有很好的效果，是今后探索如何提高溫室內土壤溫度特別是植物根際溫度的一種途徑。

本試驗研究了雙層膜日光溫室在無保溫措施下的冬季溫度變化，沒有分析其采光性能以及在有保溫被覆蓋下室內環(huán)境變化。在后續(xù)的研究中需擴大試驗范圍，并對后墻的蓄熱設計加以結合研究，以期得到可應用于實際生產的現(xiàn)代化雙層膜日光溫室。

5 結論

本文設計建造了一種雙層膜日光溫室，其結構特點是采用內、外支撐骨架，外骨架為桁架結構，內骨架為鋼梁支撐結構，并設置內、外雙層覆蓋系統(tǒng)，以期能適用于北方寒冷地區(qū)冬季生產。通過測試雙層膜溫室在冬季無保溫被覆蓋、通風口關閉條件下室內溫度變化情況，與普通單層膜日光溫室進行了對比分析，得出雙層膜日光溫室冬季空氣平均溫度、土壤平均溫度、最低氣溫和最低土壤溫度的最低值較單層膜日光溫室分別提高了2.1 ℃、1.7℃、3.7 ℃和1.8 ℃，較室外分別提高了12.4 ℃、0.9 ℃、18.5 ℃和0.9 ℃。與單層膜日光溫室相比，雙層膜日光溫室的空氣溫度、土壤溫度有明顯提高，室內溫度較穩(wěn)定。表明雙層膜日光溫室對提高溫室內的溫度，特別是夜間最低溫度有很好的效果，對促進解決目前在寒冷地區(qū)因溫室內溫度低而不能進行安全越冬生產的問題具有重要意義。

此外，在雪天、晴天、陰天和霧霾天等典型天氣，雙層膜日光溫室較單層膜日光溫室，白天和夜間平均氣溫分別提高了0.4 ℃和1.4 ℃，較室外白天和夜間平均氣溫提高了3.0 ℃和9.7 ℃。這有助于降低因極端天氣頻現(xiàn)給設施農業(yè)生產帶來的影響，推廣應用前景廣闊。

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The design and test analysis of thermal performance of double-plastic of solar-greenhouse

YUAN Yu1, LI Peng-cheng1, LI Ming1, SU Xue-de1, WU Qi-feng2
（1. Institute of Horticulture, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi, Xinjiang 832000, China; 2. Industrial development office, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Shihezi, Xinjiang 832000, China）

S625.1

A

1000-0275（2017）05-0900-07

新疆兵團重大科技項目（2016JB01）；新疆兵團科技攻關與成果轉化計劃項目（2015AC012）。

袁余（1987-），男，湖南婁底人，助理研究員，主要從事設施農業(yè)工程設計與應用研究，E-mail: yuanyu_0530@163.com；

吳奇峰（1978-），男，新疆石河子人，副研究員，主要從事設施農業(yè)研究，E-mail: wqf-2005@163.com。

2017-06-08，接受日期：2017-08-23

Foundation item:The Major Science and Technology Project of XJBT (2016JB01); The Science and Technology Research and Development Project of XJBT (2015AC012).

Corresponding author:WU Qi-feng, E-mail: wqf-2005@163.com.

Received8 June, 2017;Accepted23 August, 2017

10.13872/j.1000-0275.2017.0083

袁余, 李鵬程, 李銘, 蘇學德, 吳奇峰. 雙層膜日光溫室設計及其熱性能測試分析[J]. 農業(yè)現(xiàn)代化研究, 2017,38(5): 900-906.

Yuan Y, Li P C, Li M, Su X D, Wu Q F. The design and test analysis of thermal performance of doubleplastic of solar-greenhouse[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(5): 900-906.