連棟溫室側立面塑料薄膜保溫效果及試驗研究

肖林剛，王先宏，王 瑞，吳樂天，張麗

(1.新疆農業科學院農業機械化研究所，烏魯木齊 830091；2.阿瓦提縣農業農村局，阿克蘇 843200)

連棟溫室自20世紀70年代開始在我國得到發展，歷經自行設計、國外引進、優化提升3個階段，在保障優質農產品供給、促進農業現代化發展方面發揮了重要作用。根據農業農村部農業機械化管理司統計，至2018年我國連棟溫室面積已達5.43萬hm2。隨著連棟溫室的發展，其自身存在問題日益凸顯。例如，設施結構標準化水平低，技術裝備參差不齊；冬季加溫能耗高導致產投比倒掛，使生產經營者收益受限，已成為連棟溫室產業發展的瓶頸。我國由于自然氣候差異，溫室生產冬季加溫所需能耗較歐洲國家高很多。在我國北緯35°～40°地區，冬季加溫能耗約占總成本的30%～50%[1]，因此連棟溫室節能技術和裝備的研究尤為重要。目前，設計連棟溫室時，多采用改善供暖設施的方式提高能量利用率，或通過改造圍護結構、增設保溫設施來減少熱量損失，或通過建立溫室能耗模型及相關經濟效益預測系統并利用溫室智能化控制來實現精準供能。采用這些方式，在一定程度上降低了連棟溫室冬季加溫的能耗。從改變溫室整體結構方面進行的研究目前還較少。

在連棟溫室實際生產過程中，應用多層覆蓋技術，在溫室頂部設置多層保溫幕，是目前最主要的保溫方式。蔡龍俊等[2]提出，使用內保溫幕是溫室供熱系統運行時的重要節能措施；趙淑梅等[3]將溫室配備一層保溫幕和配備多層保溫幕進行了對比研究，并推導出溫室配備多層保溫幕的傳熱系數；宋明軍等[4]對單層膜溫室、雙層膜溫室和傳統土墻溫室進行了光環境觀測分析，結果表明雙層膜溫室相比單層膜溫室，其冬季最低溫度能提高4.20℃。在連棟溫室節能保溫技術方面，國外的研究較為全面，并取得了成果。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室

溫室保溫措施設計。為了提高試驗數據的準確性和減少試驗環境誤差，將對比溫室安排在同一座大溫室中，將該溫室沿東西向平均劃分為A區和B區。在A區，裝有側立面保溫棚膜設備。用于日光溫室覆蓋的EVA棚膜的單層厚度為0.1mm，棚膜與溫室側面玻璃的距離為0.25m，將溫室側面布置的暖氣片包裹在溫室內。棚膜上部緊貼臨內保溫幕固定，下端延伸到地面，并用重物壓住下端，以防熱量縫隙流失。在B區，則沒有安裝側立面保溫棚膜設備。試驗期間溫室內保溫幕均為展開狀態，避免兩個分區頂部的熱交換。

1.2 溫室測點布置

給A和B兩個分區溫室各安裝4個溫度傳感器。將4個溫度傳感器由北向南布置在每個分區溫室的中央，距離地面的高度為1.4m。各測點與溫室北側面玻璃的距離依次為0.2m(棚膜與玻璃的距離為0.25m，將探測器安裝在棚膜和玻璃之間、棚膜的外側)、0.5m、1.5m和4.5m(溫室的中間位置)，用以觀測溫室南北向水平溫度變化。在室外距離地面1.4m處安裝溫度傳感器和光照傳感器，在室內中間位置距地面1.4m處安裝一個光照傳感器。通過使用上述整套傳感器，記錄室內外的溫度和光照參數。

1.3 數據分析和評價方法

選取2017年2月12日～21日的觀測數據，運用Excel軟件對數據進行處理，篩選具有代表意義的數據制作折線圖和統計圖。通過數據反映溫室的氣溫和光照的整體變化趨勢，比較A區和B區溫室的保溫性能和透光率變化，獲取在四周側立面懸掛棚膜和沒有懸掛棚膜兩種對比溫室的室內外溫度和太陽輻射量的動態變化規律，對連棟溫室四周側立面是否懸掛棚膜的溫光環境特征作出分析和評價。

2 結果與分析

2.1 溫度極值變化性能分析

選取測試期間最冷的那一天（2017年2月21日）的試驗數據為A區和B區相應位置的溫差對照數據。分區記錄每一位置的最高溫度值和最低溫度值，將對應的A區溫度減去B區溫度得到相應的溫差值。A區和B區溫差對照數據見表1。

表1 A區和B區溫差對照表(2017年2月21日)

中午時溫室內的溫度最高，各測點溫度的最高值一般出現在14∶30左右。由表1可知，溫差最大的位置為0.2m處；此處最高值的溫差絕對值最大，為7.5℃。通過玻璃縫隙滲透進來的室外冷空氣和通過玻璃熱傳導形成的冷空氣被棚膜有效阻隔在棚膜之外，使得A區棚膜的保溫效果較為明顯。在4.5m處，最高值的溫差絕對值最小，為3.0℃。從0.2m處至4.5m處，各測點最高值的溫差絕對值依次減小。

黎明時溫室內的溫度最低，各測點溫度的最低值一般出現在09∶30左右。此時，A區棚膜的保溫效果依然較為顯著。由表1可知，在0.2m處，最低值的溫差絕對值最大，為6.0℃；在0.5m處，最低值的溫差絕對值最小，為2.3℃。各測點最低值的溫差絕對值的變化規律依然是0.2m處最大，其他3處相對較低。

總體來看，溫室側立面塑料薄膜的保溫效果較為顯著。

2.2 室內外平均氣溫變化分析

測試期內A、B區溫室溫度與室外溫度的變化如圖1所示。由圖1可以看出，室內溫度與室外溫度呈正相關，這和劉傳宏的雙膜日光溫室保溫研究的結論一致。雖然A區溫室和B區溫室都具有一定的蓄熱保溫能力，但是A區溫室的蓄熱保溫能力明顯更強。在測試期內，A區溫室平均溫度始終高于B區溫室平均溫度；相比室外溫度，A區溫室平均溫度提高了25.3℃，B區溫室平均溫度提高了 22.35℃。這說明，在溫室內側立面安裝棚膜更有助于提高溫室內的溫度。根據試驗數據統計，整個測試期內A區溫室的平均溫度為17.4℃，B區溫室的平均溫度為14.5℃，A區溫室的平均溫度較B區溫室的平均溫度提高了2.9℃，溫度提升效果較為明顯。由圖1可知，A區溫室與B區溫室每日對應的平均溫差無明顯波動，說明A區溫室棚膜的保溫性能穩定；由兩分區溫室的平均溫度趨勢線可以看出，A區溫室的日平均溫度始終高于B區溫室日平均溫度，說明A區溫室的棚膜有助于提高溫室的保溫性能。

圖1 A、B區溫室溫度與室外溫度變化

3 結語

根據對比試驗數據可知，在晴天條件下，兩溫室晝間的最高溫差為2.2℃，夜間的最高溫差為3.5℃，說明棚膜在夜間的保溫性能高于晝間；在晝間采光時，兩溫室內光照強度曲線變化的趨勢相同，有棚膜溫室的光照強度比無棚膜溫室的光照強度低6.71%， 有棚膜溫室的室內溫度始終高于無棚膜溫室的室內溫度；在升/降溫速率方面，無棚膜溫室的透光率高于有棚膜溫室的透光率，無棚膜溫室的升溫速率比有棚膜溫室的升溫速率快0.2℃/h；有棚膜溫室的降溫速率比無棚膜溫室的降溫速率慢0.1℃/h；在陰天低溫條件下，有無棚膜對溫室內溫度的變化趨勢影響不大，但有棚膜溫室的保溫和增溫效果更為明顯。通過分析對比試驗數據得到上述結論，為進一步研究極端天氣下應用連棟溫室側立面保溫系統提供基礎數據支撐，助力連棟溫室側立面保溫技術的推廣應用。