大慶市雙膜日光溫室保溫性能研究

劉傳宏 楊鳳軍 張曉芳

摘要 日光溫室蔬菜種植生產中溫室的保溫性能是冬季重要限制因子，采用雙膜覆蓋是溫室增加保溫性能的有效方法。對雙膜日光溫室和單膜日光溫室內部氣溫、土溫進行監測、分析。結果表明，在冬季最冷時間段（12月21日—次年1月9日），雙膜日光溫室的氣溫較單膜日光溫室在08：30—15：30，最高氣溫溫差為3.7 ℃，最低氣溫溫差為0 ℃；在15：30—次日08：30，最高氣溫溫差達13.5 ℃，最低氣溫溫差為3.9 ℃，尤其在溫室的東西兩端2個溫室的夜間溫差更加明顯，達到8.5 ℃。雙膜日光溫室的土溫較單膜日光溫室在8：30—15：30，最高溫差為3.5 ℃，最低溫差為0 ℃；在15：30—次日08：30，最高溫差達到5.5 ℃，最低溫差為2.3 ℃。并且在夜晚時段雙膜日光溫室的氣溫、土溫降溫速度低于單膜日光溫室，各點的溫度差相對較小。雙膜日光溫室良好的保溫能力，為大慶市冬季日光溫室正常生產提供了保障。

關鍵詞 雙膜日光溫室；保溫性能；氣溫；土溫；溫差

中圖分類號 S214 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）20-0171-07

Abstract In greenhouse vegetable production， the thermal insulation performance of greenhouse is an important limiting factor in winter， and double film mulching is an effective method to increase the thermal insulation performance of greenhouse. The temperature and soil temperature of double film greenhouse and single film greenhouse were monitored and analyzed. The results showed that： in the cold winter period （December 21 - January 9th），at 8：30 to 15：30， the temperature of the double film solar greenhouse was compared with the single film solar greenhouse， the maximum temperature difference was 3.7 ℃， the minimum temperature difference was 0 ℃.At 15：30 to the next day 08：30，the maximum temperature difference reached 13.5 ℃， the minimum temperature difference was 3.9 ℃， and the night temperature difference of the two temperature rooms at both ends of the greenhouse was more obvious， and the temperature difference was reached 8.5 ℃.At 8：30 to 15：30， the soil temperature of the double film solar greenhouse was compared with the single film solar greenhouse.At 15：30 to the next day 08：30，the maximum temperature difference was 3.5 ℃， and the minimum temperature difference was 0 ℃. The maximum temperature difference of the greenhouse soil temperature reached 5.5 ℃， and the minimum temperature difference was 2.3 ℃.At night， the temperature and soil temperature of double film greenhouse were lower than those of single film greenhouse， and the temperature difference of each point was relatively small. The double film solar greenhouse has good insulation ability， which provides guarantee for the normal production of greenhouse in winter in Daqing.

Key words Double membrane greenhouse；Thermal properties；Air temperature；Soil temperature；Temperature difference

日光溫室是我國特有的一種設施生產類型，以太陽能為主要能量來源，通過對太陽能的儲存、散熱完成日光溫室能量轉換，滿足溫室冬季生產對溫度的需求，具有環保、節能、高效、可持續發展的特點[1-2]。近年來關于日光溫室的保溫性能、環境因子、結構建造、方位角等方面的研究很多。劉曉蕊等[3]根據內蒙古地區的氣候特點，設計出新型內保溫日光溫室，增強了溫室的保溫性能和采光條件；王曉東等[4]對新疆塔城地區日光溫室的結構做過研究，通過對結構參數進行優化，實現了該地區的越冬生產；何芬等[5-6]根據不同天氣，

對北京地區和青海省溫室的內部環境因子變化規律進行了研究；孟力力等[7]對日光溫室的溫度、光照以及保溫蓄熱能力進行了研究；唐中祺[8]對甘肅省溫室的不同跨度、保溫性能做過研究；劉瓔瑛等[9]根據溫室的光照和溫度，以及溫室的揭蓋簾時間，對溫室的保溫性能做過研究；楊微微[10]對新型裝配式節能日光溫室冬季溫室內部環境因子的變化規律進行了研究。大慶市位于我國北部高寒區，冬季平均氣溫-15 ℃，最低溫度-28 ℃，夜晚溫差較大，選擇適合該地區設施農業生產的設施類型是亟待解決的問題，筆者團隊根據大慶市的地理環境、氣候特點、生產成本，推出了雙膜日光溫室。

大慶市位于黑龍江省中西部，是黑龍江省西部地區最具實力的設施農業生產基地，設施農業自1988年以來，經過長時間的穩步發展，實現了規模化、產業化和市場化的經營模式。該區域發展設施農業有助于擺脫自然條件的束縛，實現農業增效、農民增收。同時也調整了大慶市農業產業結構，促進了該區域農業提檔升級，實現了農業現代化。但在該區域設施農業發展的今天，日光溫室的建造和使用主要存在著冬季溫度低的問題，無法滿足植物生長的要求。筆者對雙膜日光溫室內部的各點氣溫、分層土壤溫度的變化規律，以及冬季溫室整體保溫性能進行系統的統計與研究，為雙膜日光溫室的管理控制及推廣提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 雙膜日光溫室與單膜日光溫室結構

雙膜日光溫室與單膜日光溫室在結構、角度、大小方面均相同，兩者差異為雙膜溫室內部多一層覆蓋膜。試驗溫室位于黑龍江省大慶市大同區黑龍江八一農墾大學航天育種基地（124°19′E，45°46′N）。溫室坐北朝南，東西方向長為60 m，南北跨度8 m，后墻高2.8 m，脊高4.8 m，后墻為混泥土磚墻，建筑面積達480 m2，附屬房屋建筑面積12 m2，沒有內部保溫設備，外覆蓋材料均為保溫被，溫室結構見圖1。

1.2 研究方法

測量氣溫的儀器為HW300X型溫度記錄儀、HWS300X型溫度記錄儀。HW300X型溫度記錄儀測量范圍為-20～70 ℃，精度為±0.5 ℃；HWS300X型溫度記錄儀測量范圍為-20～70 ℃，精度為±0.5 ℃。測量土溫的儀器為DS1921型號溫度記錄儀，測量范圍為-25～40 ℃，精度為±0.5 ℃。

1.2.1 2種溫室東西走向不同位置氣溫監測。

將雙膜日光溫室設定為A，單膜日光溫室設定為B，距離地面1.5 m處沿東西方向設置3個點，分別為A1、A2、A3，并要求A1距東側山墻10 m，A1與 A2之間的距離為20 m，A2與A3之間的距離為20 m，A3與西山墻的距離為10 m。使A1、A2、A3距北側前沿與南側后墻之間的距離均為4 m。同時要求B溫室與A溫室采用統一的試驗布置方法，該試驗方案的設計主要是為了分析雙膜日光溫室與單膜日光溫室東西方向上的溫度變化，以及不同溫度條件下溫室內部氣溫的變化情況，氣溫傳感器的布置如圖2所示。

1.2.2 地溫監測、布點方法。

對雙膜日光溫室與單膜日光溫室的地溫進行監測，試驗時間為2016年12月30日—2017年2月5日，選擇不同位置的點，根據不同的時間段，對溫室內部整體土溫分布狀況進行說明。

1.2.2.1 2種溫室沿南北方向同一深度不同位置土壤溫度監測。

將雙膜日光溫室設定為A，單膜日光溫室設定為B，在雙膜溫室中選取3個點分別為Aa、Ab、Ac，各點深度均為20 cm。同時要求Aa距前沿棚膜距離為2 m，Aa與Ab之間的距離為2 m，Ab與Ac的距離為2 m，Ac距南沿墻體的距離為2 m，對于單膜日光溫室B采用與A溫室統一的土溫測量布置方法（圖3）。

1.2.2.2 2種溫室南北方向同一位置不同深度的土壤溫度監測。

設定雙膜日光溫室的試驗點為Ad、Ae，要求Ad的深度為20 cm，Ae的深度為40 cm；單膜日光溫室試驗點為Bd、Be，同時要求Bd與Ad深度相同，均為20 cm，Be與Ae均為40 cm。該試驗點的設計主要為了分析溫室內部不同深度土壤的變化規律（圖4）。

1.2.2.3 2種溫室東西方向同一深度不同位置土壤溫度監測。

監測同一深度不同位置的土壤溫度，在雙膜日光溫室和單膜日光溫室中各選取3個點，沿東西方向布置，分別設定為Ae、Af、Am、Be、Bf、Bm，深度均為30 cm，監測溫室內部同一深度不同位置的土壤溫度變化情況（圖5）。

1.3 數據分析

采用Excel 2007對數據進行整理歸納，篩選有意義的數據制作折線圖、統計圖，運用數據反映溫室氣溫、土溫的整體變化趨勢，比較說明雙膜日光溫室的保溫性能。

2 結果與分析

2.1 2種溫室東西方向各點溫度分析

圖6是12月20日溫室內部溫度變化情況，表明雙膜溫室在東西方向上，A1、A2、A3 3個試驗點的溫度隨時間的變化出現增溫和降溫現象，14：00—次日8：00 A溫室持續降溫，并在08：00時溫度達到最低，最低溫度分別為6.6、7.2、6.3 ℃，并且A2點的溫度始終高于A1與A3，溫差值小于A1與A3，表明溫室的中間部分溫度高，且變化平穩，有助于植物生長。

由圖6可知，08：00—14：00雙膜日光溫室的溫度開始快速上升，但A1處由于受到東山墻影子的影響，溫度上升趨勢低于A2、A3 2個試驗點；12：00以后A溫室的3個試驗點溫度上升到一天中的最高值，依次為27.7、31.0、30.0 ℃，同時由于太陽自轉和西側山墻的影響，溫室西側溫度的最高值出現在12：00—14：00。說明溫室的增溫受太陽輻射能、方位角以及采光角的影響。

14：00—17：00溫室開始快速降溫，平均速率達4.7 ℃/h；在17：00以后雙膜日光溫室開始蓋上二層膜和保溫被，溫室內部降溫速度變緩，平均速度為0.5 ℃。說明二層膜和保溫被有助于減少溫室熱能的流失，提高溫室的保溫性能。A3點由于受到西山墻影子的影響，太陽照射幅度減少，溫度下降速度略快于A1和A2 2個部分。數據顯示，A2和A1、A3 3個點的溫差為0～2.3 ℃，整體溫差較小，說明A溫室在東西方向上各點的溫度分布相對比較均勻。

從圖6可以看出，B溫室的3個試驗點在14：00—次日08：00，溫室內溫度持續降低，并在08：00溫室揭開保溫被時，室內溫度降到最低值，分別為-0.1、0.2、-0.5 ℃；12：00—14：00 3個試驗點的溫度達到一天中的最高值，分別為21.9、26.3、27.2 ℃，由于東側山墻擋住了部分太陽輻射，使得B1試驗點的溫度始終低于B2、B3 2點。從折線圖的起伏可以看出，3個試驗點在14：00以后，由于西山墻影子的影響，使得B3點的溫度下降速度快于B1和B2 2個試驗點，溫差在-0.4～5.3 ℃，溫差幅度較大。因此可以說明B溫室在東西方向上溫度分布不均。

圖7、8、9是溫室12月20日單膜溫室與雙膜溫室內部氣溫變化，表明A1與B1、A2與B2、A3與B3 6個試驗點的溫度變化，A溫室對應的試驗點溫度始終高于B溫室對應的試驗點。但在08：00—14：00，2個溫室受太陽輻射能的影響開始增溫，A溫室的平均速率3.4 ℃/h，B溫室的平均速率為4.7 ℃/h。由于A、B溫室采用同樣的建造手法，同樣的覆蓋材料，但A溫室的溫度始終高于B溫室，且增溫速度低于B溫室，說明A溫室的溫度變化平穩。根據圖7～9中A1與B1、A2與B2、A3與B3各對應點的誤差線顯示，B溫室的誤差線始終高于A溫室的誤差線，說明A溫室的溫度變化穩定，不易出現低溫冷害，更加適合植物冬季生長。同時根據3個圖的趨勢線可以知道，A溫室的增溫、降溫速度緩和，溫差小；B溫室的增溫、降溫速度快，溫差大，說明A溫室的二層膜有助于提高溫室的保溫性能。

2.2 2種溫室平均氣溫與室外平均氣溫分析

圖10是12月21—29日A、B溫室變化，表明A、B溫室的溫度變化呈正相關的關系，說明A、B溫室在生產中都具有保溫蓄熱的能力。但A溫室平均溫度始終高于B溫室，A溫室的內部溫度與室外溫度相比，平均提高溫室氣溫25.4 ℃，B溫室有效提高溫室氣溫19.0 ℃，說明A溫室的二層膜更有助于提高溫室的內部溫度。通過誤差線顯示，B溫室的溫度變化值誤差大于A溫室，說明A溫室的平均溫度環境優于B溫室。

2.3 2種溫室東西方向上多云及晴天天氣條件下溫室內部溫度分析

圖11是12月23日多云天氣條件下A、B溫室內部氣溫的變化情況，A溫室折線圖基本平緩，一日內最高溫度差為1.3 ℃。B溫室的溫度變化幅度相對較大，最高溫度差達 8.8 ℃，并且A溫室溫度始終高于B溫室。說明A溫室在多云天氣條件下太陽輻射能加溫不足時，A溫室的保溫性能優于B溫室，根據誤差線顯示，說明A溫室的溫度變化值誤差較小。

根據2條折線圖的對比可知，雖然A溫室溫度一直高于B溫室，但B溫室在10：00—14：00溫度明顯上升，速度快于A溫室。說明A溫室內部的二層膜阻擋了太陽輻射能的進入，減弱了溫室內部白天的增溫效果。根據趨勢線的顯示，說明溫室陰天天氣條件下溫室溫度逐漸降低。因此溫室在生產中必須注意二層膜的揭、蓋時間，最大程度地提高溫室的增溫效果。

圖12是12月25日晴天條件下A、B溫室內部溫度的變化情況，從圖中可看出，A溫室的最低溫度為8.4 ℃，B溫室最低溫度為1.6 ℃，最低溫度的溫差為6.8 ℃；A、B溫室最高溫度分別為28.4 ℃、18.8 ℃，溫差值9.6 ℃。A、B溫室晴天升溫迅速，但夜晚降溫時段B溫室快于A溫室，說明A溫室的保溫性能優良。圖12誤差線和趨勢線表明晴天天氣下溫室溫度變化值，誤差較小，并且溫度呈現上升趨勢，具有增溫的作用。

2.4 2種溫室同一深度南北方向上土溫變化分析

根據植物生長對土壤深度的要求，選擇30 cm處為土壤試驗深度[11]。從圖13可知A溫室在南北方向同一深度土壤溫度變化情況，溫室通過白天吸收太陽光長波輻射，以土壤為主要介質傳給土壤層，土壤層溫度升高[12]。由圖13可知，A溫室在南、中、北3個試驗點，最低溫度分別為13.5、12.5、11.0 ℃，最高溫度分別為15.0、14.0、14.0 ℃，3 d內A溫室最大溫差為0～4 ℃。同時根據圖中3個試驗點的誤差線可以知道，A溫室在北側和中間溫度更加穩定，南側的增溫、降溫速度略高于其他2個試驗點，整體數據表明A溫室的土溫在南北方向變化平緩，有助于植物整齊生長。圖13誤差線顯示，說明溫室南側地溫變化值相對較大，溫度相對低于其他2個試驗點。

2.5 2種溫室同一位置不同深度的土壤溫度變化分析

圖15是A溫室一日內不同深度同一位置的土壤溫度變化情況，白天由于太陽輻射的影響，土壤溫度升高，但隨著試驗點埋藏深度加深，土壤增溫效果減弱。由圖15可知，在10 cm處土壤層隨著太陽輻射照射強度的不同，土溫變化較為明顯，白天快速增溫，夜晚快速降溫，并且溫度波動幅度較大。在30 cm處受太陽輻射增溫效果不明顯，夜間散熱效果也低于10 cm處的散熱層，原因是由于土壤熱量的傳遞在時間上相對延后，說明土溫的增溫、降溫受土壤層深度的影響。

2.6 2種溫室同一深度不同位置的土壤溫度分析

圖17 表明A溫室在東側、南側、北側3個試驗點夜間最低溫度分別為9.5、14.0、11.0 ℃，白晝最高溫度分別為11.0、15.0、13.5 ℃，溫度變化幅度趨于平緩，平均溫差為4.1 ℃。南側試驗點略高于其余2個試驗點，東側土壤溫度由于受到東側山墻的影響，土壤白晝升溫，夜晚降溫幅度相對較小，一日內最大溫差值達到3.0 ℃，誤差值較小，因此可以推斷A溫室土壤溫度分布均勻。

從圖18可以看出，B溫室白天通過太陽輻射土壤增溫，夜晚降溫，但各點的溫度變化幅度較大，3個試驗點最低溫度分別為6.0、9.0、8.0 ℃，最高溫差達到5.5 ℃，說明B溫室內部整體土層溫度分布不均，且溫度低，不利于植物正常生長。

3 討論

我國日光溫室的發展已有30多年的歷史，經過創新、引進、改良等，實現了溫室的越冬生產。研究表明，傳統日光溫室的保溫主要靠溫室后墻、覆蓋材料、保溫材料決定。傳統日光溫室的覆蓋材料大多以一層或多層草簾、紙被和棉被增加溫室的保溫性能，但夜間由于溫室放熱以前屋面為主，晝夜溫差大，溫室生產無法滿足溫度的要求。溫室在生產中主要面臨的問題是冬季溫度過低，植物生長緩慢，甚至死亡，極易出現低溫、冷害[13-14]。

近些年來我國眾多學者通過對溫室的建造材料、角度、覆蓋材料、結構等方面進行改進，進一步提高了我國日光溫室的保溫性能[15-17]。

建造材料：主要包括磚墻、混合墻、水墻體，以及新型保溫材料（珍珠巖、保溫棉等）的運用，通過提高溫室的保溫、蓄熱能力，增加溫室的保溫效果。

角度：是指溫室的方位角和溫室的仰角，根據當地的地理緯度，選擇最佳的方位角和仰角最大程度地利用太陽光，提高溫室的采光面，增加溫度，促進植物生長。

覆蓋材料：是指溫室建造采用的內膜、外膜以及保溫被，最大程度地吸收太陽光照和夜間保暖。

結構：溫室建造坐北朝南，采用圓弧形鋼架結構，結合磚墻、復合墻以及水體墻，實現采光、保溫，提高溫室溫度。

同時對于不同的地理環境低溫危害不同，對于我國東北、西北地區，冬季過于寒冷，溫室冬季正常生產需要采用加溫裝置[18-21]。

日光溫室是我國設施生產中運用最多的一種設施類型，它具有投入低、便于管理等方面的優勢[22-23]。但對于當前我國日光溫室快速發展的同時，也面臨著一系列的問題，如單位產量低、環境控制水平差、溫室內部土質污染嚴重、夏季高溫冬季低溫以及陰雨天氣弱光脅迫頻發，寒冷地區無法周年生產等一系列問題，因此無法實現提質增效的目標[24-26]。設施農業的發展需要解決一系列的問題，滿足我國設施農業安全生產，提高產量和價值的需要[27-28]。雙膜日光溫室在保溫、蓄熱方面的研究得出了類似的結論，蔣國振等[29]提出通過研究溫室蓋簾時間，提高溫室內部的溫度。孫周平等[30]開發了彩鋼板裝配式溫室，通過改變東西山墻墻體的材質，增加溫室的采光面，提高太陽能的使用，增加溫室保溫、蓄熱的能力。喬正衛等[31]通過試驗選擇保溫性能最佳的保溫覆蓋材料，滿足溫室夜間保溫的要求。方慧等[32]通過對溫室內部環境研究各個因子的變化規律，優化溫室的保溫性能，滿足生產的需要。伍虹宇等[33]通過原有溫室，在溫室后墻的頂端設計U型槽，采用隔熱、傳熱原理，增加溫室的保溫性能。溫室的保溫性能主要通過溫室的結構、角度、覆蓋材料、墻體厚度、透光率等方面進行優化。

4 結論

雙膜日光溫室的溫度分布，在東西方向上比單膜日光溫室均勻，各測試點的溫度均高于單膜日光溫室。在平均溫度上雙膜日光溫室高于單膜日光溫室，且與室外溫度呈負相關的關系，可以有效提高氣溫25～35 ℃。同時在多云天氣條件下，太陽輻射能相對減少較少，溫室內部所受的太陽輻射能不足時，雙膜日光溫室的氣溫變化整體處于平緩，且能滿足植物生長對溫度的要求，但二層膜在白天會阻擋太陽輻射能的進入，使溫室增溫減弱。

雙膜日光溫室在白天和夜間的土溫均高于單膜日光溫室，各測試點的土溫變化由南到北波動逐漸減小。在植物生長最適土層深度30 cm處的土溫變化中，雙膜日光溫室的這一深度的土溫夜間變化較小，單膜日光溫室的土溫變化幅度相對較大。同時在不同深度階段，土溫隨著土層的加深變化幅度逐漸減小。

雙膜日光溫室測試時間內室內平均氣溫13.4 ℃，最低溫度8.0 ℃，最高溫度36.0 ℃；土溫平均溫度11.4 ℃，最低溫度9.0 ℃，最高溫度15.0 ℃。因此可以推斷雙膜日光溫室在保溫、蓄熱的性能方面優于單膜日光溫室，有助于解決大慶市冬季植物生長低溫、冷害的威脅，同時雙層膜日光溫室內部溫度分布均勻，有利于植物整齊生長。另外，良好的保溫能力有助于應對大慶市特殊天氣，例如光照不足、溫室內部增溫減弱所帶來的威脅等。

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