后墻涂色對日光溫室光熱性能的影響

劉杰 成宇宇 王川奇

|摘要|墻體是日光溫室吸熱貯熱的重要結構，不同顏色對光的吸收反射不同，試驗通過將庭院式溫室作為模型溫室，對黏土磚后墻涂色的效應進行了研究。結果表明：涂黑處理、不涂色（對照：黏土藍磚）、涂白處理的墻體溫度、光照強度和空氣溫度均存在差異。在連續晴天時，涂黑處理隔間內的溫度最高，涂白處理隔間內的光照強度最強。在連續陰天時差距不明顯。通過試驗得出涂黑處理能提高后墻溫度2.1℃，涂白處理則會降低墻體溫度3.3℃;涂黑處理還能夠增加溫室內的空氣溫度，而涂白處理對光照強度的增加較為顯著，相比對照平均提高997.4 lx。需要指出的是本結果是在無外保溫材料下獲得的，保溫措施會提升其效果。

引言

日光溫室是中國主要的生產設施，其重要特征是具有墻體結構，能有效降低貫流散熱并具有貯熱緩溫的效應。趙崠[1]、佟國紅[2]等研究了不同墻體材料對溫室環境的影響，白義奎等[3-4]對復合墻體材料和單一墻體材料進行對比分析，發現復合墻體材料性能更優。溫祥珍[5]等研究了復混墻體熱傳導規律，馬宇婧[6]研究了營養液中的熱傳導規律，認為熱傳導是個過程，是物質的特性，反映在速度上是相對穩定的。盡管如此，楊艷紅[7]認為由于空氣的熱容量很小，也比較敏感，墻體的貯熱能夠對氣溫產生明顯影響。崔慶法[8]、馬鵬里[9]、王靜[10]、封美琦等[11-12]指出在實際的農事操作中，將反光幕、黑膜張掛在溫室后墻上，這些反射光會從溫室后方照向前方，較好地改善溫室內光照不均的現象，但會降低溫室后墻蓄熱能力，對溫室環境的溫度、光照以及溫室生長作物都存在一定的影響。試驗以太谷地區為例，對庭院式日光溫室后墻進行涂黑、涂白處理，研究涂色后溫室內小氣候的變化，旨在滿足種植者的實際需求，選擇最適合庭院式日光溫室的涂色方案，為日光溫室性能的改善提供解決方案。

試驗場地與方法

試驗溫室及其建造

試驗在山西農業大學設施農業工程研究中心進行。試驗模型溫室坐北朝南，四周無遮蔭，東西長度為15.5 m，南北跨度為1.6 m，后墻高2.5 m，前屋面為單斜式，并設有立窗，立窗高度為1.4 m，前屋面角為34.5°。以原有的墻體作為庭院式溫室后墻（墻體實際高度3 m，厚24 cm），用陳舊角鋼做棚體的骨架結構，前屋面、立窗及溫室側墻均采納PE薄膜覆蓋，棚膜主要通過卡簧與卡槽的連接，固定在溫室的鋼架上，并在庭院式溫室左側制作簡易門（圖1）。

試驗方法

試驗方法

庭院式溫室用PE薄膜分隔成5個隔間，東西兩側設置緩沖間（長1.75 m），中間3個隔間為試驗處理間，每個隔間長4 m。設置3個處理，從西到東分別是：（1）涂黑處理（用墨汁涂黑后墻）;（2）對照（黏土藍磚不涂色）;（3）涂白處理（用生石灰涂白后墻）。3個隔間其他條件保持一致（圖1），并在2018年5月對庭院式溫室內環境進行測定。

測試儀器及定點分布

庭院式溫室內外空氣溫度使用HOBO（型號U12-13）測定，并懸掛于隔間，中心距離地面1.5 m處，數據采集時間間隔為30 min。溫室內外光照強度使用手持數字照度計TES-1332A測定，測定位置同空氣溫度一致，數據采集時間間隔為1 h。墻體溫度使用非接觸式紅外測溫儀測定，測定位置為各隔間后墻中心，距離地面高1.5 m處，數據采集時間間隔為1 h。試驗所得數據用Excel進行統計分析。

結果與分析

庭院式溫室墻體表面溫度的日變化

圖2為不同涂色下庭院式溫室墻體表面溫度的日變化，整體呈現先升高后降低的趨勢，涂黑處理于14：00達到最高溫，對照和涂白處理于15：00達到最高溫，白天各時刻墻體表面溫度均呈現：涂黑處理>對照>涂白處理。表1為不同涂色下庭院式溫室墻體表面溫度的平均值及極端值。涂黑處理墻溫的平均值、最高溫、最低溫、日較差均最高，其中平均溫較對照、涂白處理分別高2.1、5.4℃。這說明涂黑處理能提高后墻表面溫度，而涂白處理則會降低墻體表面溫度。

庭院式溫室內光照強度的日變化

圖3為不同涂色下庭院式溫室內外光照強度的日變化，從圖中可以看出外界光照強度遠高于溫室內光照強度，溫室內3種處理的光照強度差異不大，涂白處理略高于對照和涂黑處理，整體呈現先升高后降低的趨勢，這表明溫室內的光照強度受覆蓋材料、骨架等因素的影響大大削弱。表2為不同涂色下試驗溫室內外光照強度的平均值及極端值。涂白處理的平均值、最高溫、最低溫、日較差均最高，表明后墻涂白可以有效增強溫室內的光照強度。

庭院式溫室空氣溫度的日變化

圖4為不同涂色下庭院式溫室內外氣溫的日變化，總體來看3個處理的氣溫均高于外界氣溫，在10：00～16：00內外空氣溫度的差值最大，6：00氣溫開始升高，6：00～8：00內部氣溫上升速度低于外界，8：00后內部升溫速度加快，14：30達到最高溫。白天氣溫大致呈現出涂黑處理>對照>涂白處理，夜間3個處理差異不大。結果表明后墻涂黑可以提高溫室內的氣溫，有色的后墻的蓄熱能力強于白色后墻。

天氣對庭院式溫室內空氣溫度的影響

圖5為陰晴天不同涂色處理庭院式溫室內外空氣溫度的日變化，相較于晴天，陰天的氣溫變化較為平緩，同時3個處理的空氣溫度相差較小，中午涂黑處理的稍高一些。

表3為不同天氣空氣溫度的平均值及極端值，晴天時，涂黑處理、對照、涂白處理的平均氣溫分別為32.8、31.9、31.3℃，而外界的平均氣溫為24.2℃。陰天時，在涂黑處理、對照、涂白處理的3種處理下，平均氣溫分別為18.6、18.8、18.4℃，而外界的平均氣溫為15.4℃。陰天各處理的平均值、最高、最低值十分接近。這說明涂色處理主要在晴天起作用，陰天各處理之間的差異不明顯。

結論

試驗通過在后墻涂色的基礎上測定庭院式日光溫室的光照強度和溫度等指標，得出涂黑處理能提高后墻溫度2.1℃，涂白處理則會降低墻體溫度3.3℃。后墻涂黑還能夠增加溫室內的空氣溫度，而后墻涂白對光照強度的增加較為顯著。

由于墻體色對光的吸收反射不同，會影響到墻體和室內溫度，涂黑處理可明顯提高墻體溫度和溫室內溫度，尤其在光照強的中午;涂白處理反光性強，墻體獲得能量少，溫度較低，但室內光照會加強。因此我們可以根據種植者實際需求，通過改變后墻顏色，進而提高溫室的光熱性能。

后墻涂色操作簡單，成本低廉，對日光溫室內環境的改變不需要額外消耗能源，而是通過物理方法直接改變庭院式日光溫室的光熱性能，避免了張掛物與后墻之間存在空隙的問題，容易推廣。

參考文獻

[1] 趙崠，王鐵良，山口智治，等.遼沈W型日光溫室墻體保溫性能試驗研究[J].節能技術，2005，23（133）：390-391.

[2] 佟國紅，王鐵良，白義奎，等.日光溫室墻體傳熱特性研究[J].農業工程學報，2003，19（3）：186-189.

[3] 白義奎，王鐵良，李天來，等.綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能理論研究[J].中國農業氣象，1994，15（1）：41-45.

[4] Balyk，Liu W H，Wang T L，et al.Experimenlal and research up envirunmenl and heat preservaliun effect of solar greenhouse-type Liaoshen I[J].Transactions of CSAE，2002，19（5）：191-196.

[5] 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）：453-457.

[6] 馬宇婧，溫祥珍，杜莉雯，等.水培營養液作為貯熱介質的熱傳導規律分析[J].中國生態農業學報，2018，26（12）：1773-1780.

[7] 溫祥珍，李亞靈，楊艷紅，等.關于日光溫室墻體建造與保溫效果的幾項研究[J].農業工程技術，2019，39（4）：21-26.

[8] 崔慶法，曹春暉，胡小進，等.日光溫室內反光膜補光的實踐與理論分析[J].中國生態農業學報，2005（1）：82-84.

[9] 馬鵬里，楊小利.日光溫室內反光膜補光的實踐與理論探析[J].甘肅農業，2000（5）：28-28.

[10] 王靜，崔慶法，林茂茲.不同溫室光環境及補光研究[J].農業工程學報，2002，18（4）：86-89.

[11] 封美琦，張亞紅.日光溫室后墻張掛不同材料對室內乳瓜生長特性及品質的影響[J].安徽農業科學，2012，40（27）：13300-13303.

[12] 封美琦，江力，馬小山，等.不同顏色內后墻對日光溫室番茄生長的影響[J].北方園藝，2013（18）：38-44.