煙臺市日光溫室圍護結構構造優(yōu)化分析

吳興國，袁行健，徐 皓，尹寶全，馬云飛

（中國農業(yè)大學煙臺研究院，山東 煙臺 264670）

日光溫室是中國北方地區(qū)設施農業(yè)的重要組成部分。20世紀90年代以來，日光溫室蔬菜種植業(yè)在煙臺得到迅速發(fā)展，已經成為了當地經濟發(fā)展的支柱性產業(yè)［1］。日光溫室圍護結構主要包括墻體、后屋面以及由薄膜和保溫被組成的前屋面。在前屋面構造相對固定的情況下，日光溫室的墻體及后屋面構造做法對溫室內熱環(huán)境優(yōu)劣具有直接的影響。日光溫室的墻體是日光溫室最重要的蓄熱及保溫構件，通過白天積蓄熱量、夜間向溫室內散發(fā)熱量來維持作物生長所需要的溫度［2，3］；日光溫室的后屋面則能有效地阻止溫室內部熱量的散失［4］，兩者對于日光溫室的室內溫度環(huán)境變化均有著較大的影響［5，6］。馬承偉［7］測算得出墻體夜間釋放熱量可使溫室的夜間溫度提高4～8℃；李小芳等［8］比較了不同材料組合的墻體對保溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚度相同的隔熱材料在磚墻厚度較薄時保溫效果優(yōu)于較厚的磚墻；周凱等［9］概括了土墻、磚墻、復合墻體和其他新型墻體各自保溫性能的優(yōu)缺點，并對不同地區(qū)日光溫室墻體的材料選擇進行了研究；于錫宏等［10］在溫室其他參數相同的前提下，選取聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯等保溫材料進行效果對比試驗，推薦聚氨酯作為日光溫室墻體外保溫材料；王云冰等［11，12］則以聚苯乙烯板、擠塑板、玻璃棉和草簾作為溫室后屋面隔熱層材料，分析其熱工性能及最優(yōu)厚度，得出以擠塑板為后屋面保溫層的日光溫室內氣溫、土溫均高于其他材料的結論。

通過調研發(fā)現(xiàn)，盡管煙臺市日光溫室存量較大，但大多數是依靠當地農民的經驗進行建造，存在溫室冬季內部溫度環(huán)境不佳、保溫效果差等問題［13］，需要進一步進行優(yōu)化。本研究以改善煙臺市日光溫室冬季室內溫度環(huán)境為主要目的，以煙臺市典型日光溫室圍護結構中的后墻及后屋面構造做法為研究對象，根據煙臺市地域氣候特點及常見建筑材料使用情況，設計不同類型的后墻及后屋面構造做法，利用日光溫室設計方案熱環(huán)境評價系統(tǒng)對采用不同后墻與后屋面構造的日光溫室模型進行優(yōu)化分析。

1 溫室模型構建與模擬軟件

1.1 煙臺市典型日光溫室模擬模型構建

1.1.1 模擬溫室模型的建立 通過對煙臺市常見日光溫室進行調研，總結出擬優(yōu)化的煙臺市典型日光溫室模型。典型日光溫室模型為東西走向，方位角為南偏西3.5°，長度為80 m，跨度為8.5 m，溫室的脊高為3.6 m，溫室后墻高度為2.7 m，后屋面水平投影為1.26 m，后屋面傾角為35.5°，溫室前屋面覆蓋厚為0.012 mm EVA薄膜，薄膜的外側覆蓋厚為30 mm絲棉保溫被，相鄰溫室凈間距為7 m，溫室各部分材料的熱性能參數如表1所示。

表1 溫室主要材料熱性能參數

1.1.2 溫室墻體構造設計 煙臺市日光溫室墻體多為370 mm厚的機制紅磚墻或者370 mm厚加氣混凝土砌塊墻，極少日光溫室的墻體采用復合保溫構造。考慮到日光溫室室內的較高濕度環(huán)境，選擇水泥承重磚作為日光溫室的墻體砌筑材料，墻體由內而外采用蓄熱層+保溫層以及蓄熱層+保溫層+保護層的多層復合構造，按照水泥承重磚的模數及墻厚變化，設雙層異質復合墻體240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板、370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板、490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板以及多層異質墻體370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊、370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm水泥磚砌塊等5種構造。

1.1.3 溫室后屋面構造設計 煙臺日光溫室后屋面多采用草簾或者玉米秸稈作為保溫層，由內到外的構造多為薄膜+60 mm草簾+薄膜+150 mm草泥。為提高后屋面的保溫性能，選用聚苯板作為日光溫室后屋面保溫材料，其由內向外的構造做法可以為薄膜+100 mm擠塑板+30 mm厚水泥沙漿抹面保護層，將上述兩種做法分別編號為后屋面1及后屋面2。

1.2 模擬軟件

1.2.1 模擬軟件的選擇 對于已建成的溫室，通常采用現(xiàn)場測量的方法來獲取溫室環(huán)境數據，對于尚處于設計階段的日光溫室，由于無法進行現(xiàn)場測量，模擬是對日光溫室環(huán)境進行預測與優(yōu)化的有效途徑［14-17］。

由中國農業(yè)大學開發(fā)的日光溫室熱環(huán)境分析軟件，采用有限差分等數值方法，對于給定地理位置、室外氣象條件及建筑構造參數的日光溫室，可以進行室內熱環(huán)境全天變化情況的模擬，對日光溫室熱環(huán)境性能進行預測和評價，并對溫室進行優(yōu)化［15］。近年來，多位學者采用此軟件對不同區(qū)域的日光溫室進行優(yōu)化研究，也相應地驗證了軟件的精確性和實用性［18-21］。

1.2.2 模擬軟件的驗證 為驗證日光溫室熱環(huán)境分析軟件的精確性，選擇煙臺市農業(yè)科學院試驗基地某日光溫室進行復制建模，采用2020年12月31日至2021年1月3日的室外實測氣象數據，所模擬的溫室室內溫度與實測室內溫度如圖1所示。

圖1 溫室室內實際溫度與模擬溫度對比

在模擬期內，日光溫室熱環(huán)境模擬分析軟件所模擬的室內溫度與實測室內溫度的變化趨勢大致相同，最低氣溫的最大差值為1.2℃，最高氣溫的最大差值為1.5℃，軟件模擬的精確性較高。

1.3 模擬條件

優(yōu)化模擬所采用的氣象數據文件來源于煙臺市農業(yè)科學院試驗基地2020年12月30日—2021年1月3日的實測數據。模擬時，溫室的密閉性設置為一般，溫室土地類型為土壤地面，無覆蓋，室內植物繁茂程度一般，植物高度1 m，室內植物與墻面距離為1.2 m，溫室保溫被的開啟時間為8：00—16：30，通風按照日光溫室冬季常規(guī)通風管理進行設置。

模擬優(yōu)化分為兩部分：一是模擬在采用不同墻體構造以及不同屋面的情況下日光溫室的室內自然溫度變化情況，并選取冬季的某時間段進行比較分析；二是模擬在采用不同墻體構造以及不同屋面的情況下日光溫室的積溫情況，并選取冬季的某時間段進行對比分析。

2 模擬結果與分析

2.1 單質墻體對溫室溫度的影響

在模擬日光溫室其他結構參數相同的情況下，將采用370 mm厚的機制紅磚墻與后屋面1的溫室設為A，將采用370 mm厚加氣混凝土砌塊墻與后屋面1的溫室組合設為B，其室內溫度模擬結果如圖2所示。在冬季生產條件下，溫室溫度從10：00左右開始迅速上升，并在14：00左右達到峰值后開始下降，16：30左右保溫被關閉后，溫度下降的速率有所降低。與溫室A相比，溫室B的平均室溫要高0.5℃左右，其白天的最高溫度高2～3℃，其夜間最低溫度要高出0.3℃左右。

圖2 溫室A、溫室B冬季室內溫度模擬

另外，兩種溫室在模擬時間段的最低溫度分別為3.18℃和3.52℃，低于葉類蔬菜的生長下限溫度，容易導致日光溫室內作物停止生長，甚至產生凍害。

2.2 單質墻體對溫室積溫的影響

作物在生長發(fā)育時期，不僅要求一定的溫度水平，而且還需要一定的熱量總和。如圖3所示，在模擬時間段內，溫室A高于10℃的活動積溫為847.34℃，溫室B高于10℃的活動積溫為982.40℃，比溫室A多15.94%。煙臺市常見的兩種單質材料后墻溫室中，采用厚370 mm加氣混凝土砌塊后墻日光溫室的保溫性能優(yōu)于采用厚370 mm的機制紅磚墻溫室。

圖3 溫室A、B內高于10℃的活動積溫

2.3 雙層異質復合墻體對溫室溫度的影響

在其他構造參數相同的情況下，將采用240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室設為C，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室組合設為D，將采用490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面1的溫室組合設為E；將采用240 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室設為F，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室組合設為G，將采用490 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板與后屋面2的溫室組合設為H，其不同組合的模擬結果分別如圖4至圖8所示。

圖4 溫室A-E冬季室內溫度模擬

圖8 溫室F、G、H冬季室內溫度模擬

如圖4所示，在其他結構構造參數相同的情況下，C、D、E溫室的室內溫度值相差不大。與單質墻體溫室A相比，采用雙層復合墻體溫室室內平均溫度要高1.7℃左右。就溫室白天的最高溫度而言，雙層復合墻體溫室要比溫室A高1℃左右，但比溫室B要低1.5℃左右；就溫室夜間的最低溫度而言，雙層復合墻體溫室要比溫室A、B高2.4℃左右。

圖6 溫室D、G冬季室內溫度模擬

如圖5至圖7所示，在其他結構構造參數相同的情況下，采用后屋面2構造的溫室在白天保溫被卷起時，溫室室內溫度相差不大，在保溫被放下時，其溫度均高于采用后屋面1構造的溫室，且其最低溫度有所提升。圖8顯示，在采用后屋面2構造的情況下，溫室F、G、H的室內溫度差別并不明顯，需要根據經濟及積溫等綜合因素進行判斷。

圖5 溫室C、F冬季室內溫度模擬

圖7 溫室E、H冬季室內溫度模擬

2.4 兩層異質復合墻體對溫室活動積溫的影響

圖9、圖10分別為溫室A至E以及溫室F、G、H高于10℃的活動積溫。如圖所示，在模擬時間段內，在采用后屋面1的情況下，采用兩層復合墻體的溫室的積溫均明顯高于采用單質材料后墻的溫室，但不同厚度的兩層復合墻體的溫室積溫差距并不大；在采用后屋面2的情況下，不同厚度的兩層復合墻體的溫室積溫基本相等。綜合比較經濟因素，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+后屋面2構造組合的溫室性能較優(yōu)。

圖9 溫室A至E內高于10℃活動積溫

圖10 溫室F、G、H內高于10℃活動積溫

2.5 多層異質復合墻體對溫室溫度的影響

溫室采用多層異質復合墻體條件相同的情況下，將采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊與后屋面2構成日光溫室設為溫室I，將370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm水泥磚砌塊與后屋面2構成的日光溫室設為溫室J，將溫室A、B、D、G、I、J 6個溫室的室內溫度進行對比，結果如圖11所示。在其他結構構造參數相同的情況下，當模擬溫室采用后屋面2構造時，與其他溫室相比，溫室I、J的整體平均氣溫值要高。其中采 用370 mm水泥 磚 砌塊+70 mm聚 苯板+120 mm加氣混凝土砌塊保護層為后墻的溫室I的整體平均氣溫值比溫室A高2.4℃。特別在夜間，其平均溫度值有較為明顯的提高，最低溫度值比溫室A高3.5℃左右，在室外氣溫為-15℃的低溫情況下，溫室室內外的溫差達22℃左右，有效地減少了凍害現(xiàn)象發(fā)生，促進了作物生長。

圖11 溫室A、B、D、G、I、J冬季室內溫度模擬

2.6 多層異質復合墻體對溫室積溫的影響

在模擬時間段內，在采用后屋面2的情況下，采用加氣混凝土砌塊為外層保護墻的溫室I的積溫高于采用水泥砌塊為外層保護墻的溫室J（圖12）。綜合比較經濟及室內溫度等因素，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊與后屋面2構造組合的溫室性能較優(yōu)。

圖12 溫室G、I、J高于10℃的活動積溫

3 結論

本研究以改善煙臺市日光溫室冬季熱環(huán)境為主要目的，通過日光溫室熱環(huán)境分析軟件對不同后墻與后屋面構造的日光溫室模型進行模擬優(yōu)化。模擬結果表明，日光溫室圍護結構后墻以及后屋面的熱工性能對日光溫室冬季室內熱環(huán)境有著較大的影響，采用多層異質復合墻體和導熱系數較小的后屋面可以有效地提高煙臺市日光溫室冬季室內平均溫度。其中，采用370 mm水泥磚砌塊+70 mm聚苯板+120 mm加氣混凝土砌塊為后墻、薄膜+100 mm擠塑板+30 mm厚水泥沙漿抹面保護層為后屋面的日光溫室室內熱環(huán)境相較其他組合的日光溫室室內熱環(huán)境更為優(yōu)良。