河北永清連棟溫室周年環境測試及分析＊

何 芬，丁小明，尹義蕾，裴慶余，富建魯，李 艷（農業農村部規劃設計研究院/農業農村部農業設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

河北省設施園藝產業自20 世紀80 年代開始發展，截至2018 年河北省溫室面積達到15.32 萬hm2，占全國溫室面積的8.1%，其中連棟溫室336.05 hm2，日光溫室6.3 萬hm2，塑料大棚8.99 萬hm2[1]。在保障蔬菜周年供應、促進農民增收、帶動城鄉勞動力就業、提高資源利用率等方面發揮了巨大作用[2]。永清縣位于河北中部，地處京畿重地、環渤海經濟圈腹地，京、津、保三角地帶中心。近年，永清縣搶抓京津冀協同發展重大機遇，瞄準服務臨空經濟區和京津雄“菜籃子”，以城郊都市型農業為方向，大力發展設施園藝產業。2019 年永清縣蔬菜播種面積38.5萬畝（25679.5 hm2），其中設施蔬菜28.5 萬畝（19009.5 hm2），占比74%；僅黃瓜、西紅柿等深冬蔬菜，年產量約68 萬t[3]。目前永清設施多以日光溫室和塑料大棚為主，連棟溫室多建在農業園區內，以新品種新技術等展示試驗示范為主。因連棟溫室初期投資建設成本和冬季加溫能耗高，導致產投比倒掛，生產經營者受益受限，成為限制連棟溫室產業發展的瓶頸[4]。為此，本文以永清縣連棟溫室為研究對象，通過對其室內外環境進行周年測試，分析其室內外環境變化規律，旨在為連棟溫室的優化設計及在永清縣的應用推廣提供實踐依據。。

材料與方法

試驗溫室主要結構

試驗溫室為文洛型連棟溫室（圖1）。溫室南北走向，跨度16 m，7 連跨，長度40 m，10個開間；溫室肩高6.2 m，脊高6.95 m。溫室內部分為6 個種植區和1 個設施園藝裝備展示區，每個種植區種植作物不一樣（圖2），分區隔斷下部為300 mm 高240 mm 厚磚墻，上部為5 mm單層玻璃。溫室外部圍護結構覆蓋材料為雙層中空玻璃（5 mm+6A+5 mm，6A 表示空腔間隔寬度6 mm），A1、A2、A3 區的屋面為5 mm 散射鋼化玻璃，其它區的屋面為5 mm 單層鋼化玻璃，分區隔離為4 mm 單層玻璃。溫室整體骨架采用輕鋼結構，配套了頂開窗、內外遮陽系統、濕簾通風降溫系統、內保溫系統、熱水采暖系統、水肥一體化系統、室內循環風機等。采暖為各分區獨立控制的集中采暖，采暖時間為每年的10月～ 次年4 月；每個區安裝4 臺風機，功率為1.1 kW/ 臺。2019 年整個園區冬季燃氣采暖費為39.7 萬，燃氣價格為3.2 元/m3。

圖1 連棟溫室概況

測試條件

試 驗 于2019 年11 月1 日～2020 年10 月31日在河北永清縣連棟溫室內進行。試驗溫室運行期間采用荷蘭Ridder 公司HortiMaX 環境控制系統對室內外環境進行監測和控制，A1、A2、A3、B1、B2、B3 區分別布置一個溫濕度測點，室外設置室外氣象站，共布置7 個測點（圖2）。測試參數包括室外氣象參數和室內環境參數，其中室外氣象參數包括室外溫度、風速、風向、太陽總輻射強度等；室內環境參數包括空氣溫度和相對濕度。測試期間環境控制裝備均根據環境控制系統基于室內溫度變化進行控制。各區的環境控制設備有頂部天窗和環流風機通風系統、風機濕簾降溫系統、高壓噴霧系統、熱水加溫系統、內外遮陽系統。具體環境控制設定的參數如表1 所示。

圖2 溫室分區及室內外環境測點分布示意圖/mm

表1 設定的控制參數

當室內溫度超過設定值時，HortiMaX 環控系統優先開啟頂窗進行自然通風降溫；當光輻射超過設定值時，啟動遮陽系統進行遮陽；夏季當室內溫度超過最高設定值時關閉頂窗，啟動風機濕簾進行強制通風降溫；冬季當室內溫度低于設定值時，啟動內保溫幕布進行保溫和加溫系統進行加溫；當室內濕度低于設定值時，啟動高壓噴霧系統進行增濕。

結果與分析

室外環境

試驗期間室外環境參數變化如圖3 所示。室外最高空氣溫度40.5 ℃，最低空氣溫度-13.7 ℃，全年平均氣溫14.2 ℃；室外風速范圍0～12 m/s，全年平均風速1.26 m/s；室外太陽輻射范圍0～1228 W/m2，全年平均太陽輻射168 W/m2。

圖3 室外環境參數

溫室整體環境性能分析

統計分析溫室6 個區的溫濕度數據，得出6個區的空氣溫濕度變化范圍及平均溫濕度，如表1所示。由表2 可見，6 個區的全年平均溫度為19.7～22.4℃，平均相對濕度為71.4%～94.2%。6個區的最低溫度范圍為3.5～10.1℃，最高溫度范圍為39.5～45.6℃。因6 個區種植的作物不同，所采取的調控手段不同，其全年環境變化也不同。

表2 室內6 個區空氣溫濕度變化

圖4 為室外和室內6 個區的不同月份的平均溫度值變化圖。從圖4 中可看出，試驗期間室外12 月和1 月份的平均溫度處于0℃以下，為全年最低，僅有-0.5℃和-0.3℃；室內12 月和1 月份的平均溫度也為全年最低，為17.3 ℃和15.1℃。室外7 月和8 月份的平均溫度最高，為26.8 ℃；室內平均溫度最高值出現在7 月和8 月份，每個區的平均溫度最高值不一樣，為25.9～30.9℃。

圖4 室內外月平均溫度

表3 為統計的試驗期間室內外不同月份不區種植區的極值溫度。A1 為草莓種植區，草莓種植溫室設計要求最低溫度為5℃，目前草莓種植區最低溫度為4℃，比設計溫度低1℃；11 月～ 次年5 月種植期間A1 區最低溫度的平均值為6.7℃，最高溫度的平均值為29.2℃。A2、A3 區為果菜種植區，溫室設計要求最低溫度為12℃，11 月～次年3 月種植期間A2、A3 區最低溫度的平均值分別為11.3℃和12.1℃，最高溫度平均值分別為29.5℃和27.1℃，基本達到設計要求。B1為草莓育苗區，3～11 月育苗期最低溫度的平均值為12℃，最高溫度的平均值為32.9℃。B2 為周年育苗區，溫室設計要求最低溫度為15℃，目前該區11 月～ 次年5 月的最低溫度均低于設計值。B3 為葉菜區，溫室設計要求最低溫度為5℃，該區僅3 月最低溫度值低于設計值，僅為3.5℃，其他月份均達到設計要求。

表3 室內外不同月份極值溫度/℃

按季節對溫室性能進行分析，統計一年中夏季（6～8月）和春季（12月～次年3月）的溫度值。夏季整個溫室最高溫度平均值達到39.1℃，最低溫度平均值為19℃；冬季最高溫度平均值31.7℃，最低溫度平均值為7.8℃。從中可看出，夏季溫室還需進一步降溫才適于越夏生產，冬季可正常生產果菜和葉菜。

極端天氣條件下溫室環境日變化

試驗期間，室外最低溫度出現在2019 年12月31 日5:00，最高溫度出現在2020 年7 月24日15:00。為此挑選這兩天作為室外極端溫度條件，圖5a 和圖5b 分為極低和極高溫度條件下室內環境日變化圖。從圖中可看出，一天之內最高溫度出現在12:00～14:00，最低溫度出現在6:00～8:00。

圖5 典型條件下室內外空氣溫度日變化

統計極端天氣條件下不同區白天（8:00～18:00）和夜間（19:00～ 次日7:00）的溫度范圍，如表4 所示。

表4 極端天氣條件下室內溫度范圍

結論

通過對河北永清縣連棟溫室的室內外環境進行周年測試，分析了室內外環境變化規律及溫室整體環境性能。結果表明試驗期間河北永清縣室外空氣溫度-13.7～40.5 ℃，溫室內空氣溫度為3.5～45.6 ℃；結合溫室果菜、草莓、育苗等種植最低溫度需求，對試驗溫室6 個種植區不同月份的極值溫度分析，6 個種植區中的A1、A2、A3、B1、B3 區的最低溫度值基本達到室內設計溫度值，而B2 區作為育苗區，溫度目標值較高，目前暫未達到設計要求，需要進一步提高該區的溫室冬季保溫性能，如采用多層保溫幕等；對于夏季降溫，可適時采用內外遮陽、風機濕簾和噴霧降溫系統降低室內溫度。