雙膜雙被裝配式日光溫室在鄭州地區的小氣候測試*

于潤才，董曉星，杜南山，國志信，張 濤，樸鳳植

雙膜雙被裝配式日光溫室在鄭州地區的小氣候測試*

于潤才，董曉星，杜南山，國志信，張 濤，樸鳳植**

（河南農業大學園藝學院，鄭州 450002）

2020年11月1日-2021年2月28日，在河南鄭州地區對冬春季雙膜雙被裝配式日光溫室內外溫度、光照和濕度小氣候進行測定，以探明其溫光性能。在溫室內外分別布置環境自動記錄儀，每臺記錄儀均連接溫濕度傳感器和光照傳感器，實現數據的自動監測與傳輸。結果表明：觀測期內，溫室內旬平均氣溫為11.4～21.4℃，旬平均最低氣溫為9.4～16.7℃；溫室內0.1m深處旬平均土壤溫度為15.4～22.9℃，旬平均最低土壤溫度為15.0～22.1℃，溫室內外最大氣溫差和土溫差分別為17.0℃和15.6℃。全年最冷時段（1月上旬）溫室外旬平均最低氣溫為?7.9℃，0.1m處土壤溫度旬平均最低值為2.2℃，而此時段溫室內旬平均最低氣溫和0.1m處土壤溫度旬平均最低值分別達到9.9℃和15.8℃。11月?翌年2月，溫室內光照度逐漸增大，晴天光照度在2000～22000lx，11月、12月、1月和2月晴天日平均透光率分別為42%、52%、49%和45%，12月透光率最高，不同月份透光率存在明顯差異；陰天溫室光照度在300～4000lx，各月陰天日平均透光率分別為34%、35%、36%和33%，透光率差異不明顯。11月下旬?1月下旬，溫室內夜間濕度為95.4%～99.0%，夜間葉片沾濕時長占比為89.1%～99.5%，溫室內濕度大。觀測結果說明雙膜雙被結構日光溫室在黃淮地區冬春季具有較好的保溫性能，有利于進行喜溫果菜類的越冬生產，具有一定的推廣應用價值，但是存在溫室透光率偏低、光照弱等問題。

裝配式日光溫室；雙膜雙被結構；溫度；光照；濕度

日光溫室實現了傳統蔬菜生產向現代生產方式的轉變[1]，對保障蔬菜全年供應，提高農民收入，保證人民生活水平意義重大，為設施園藝生產做出了巨大的貢獻[2]。但中國地域遼闊，各地的氣候條件各不相同，日光溫室無論在類型上和功能上逐漸多樣化，從鞍山式日光溫室、遼沈系列日光溫室、山東壽光日光溫室、西北型日光溫室、“薊春型”日光溫室[3?4]，到后來的裝配式日光溫室[5]、雙屋面日光溫室[6]、雙連棟日光溫室[7]，都是在不斷發展的過程中逐漸探索出來的，為設施園藝生產提供了更好的服務。

傳統日光溫室采用黏土磚墻或機制土墻，墻體材料具有導熱系數小、保溫性好、具備蓄熱功能，對太陽光能的利用效率高，在北方寒冷地區可進行喜溫蔬菜的越冬生產。但是磚墻和土墻所用材料不僅對生態破壞嚴重，而且墻體厚重，占地面積大，同時存在施工周期長、費用高等問題。裝配式日光溫室不僅減少了對耕地面積的破壞，而且實現了建筑材料標準化和裝配化，使得溫室建造周期短，使用壽命長，裝配式結構溫室逐漸被行業普遍接受，并成為研究熱點[8]。韓麗蓉等[9]對陜西榆林地區的下沉式大跨度大棚型溫室內環境和建造成本進行了研究，發現試驗溫室最高氣溫和最低氣溫較對照溫室高2.8℃和4.1℃，保溫性能優于磚墻鋼骨架結構溫室，建筑成本比對照溫室減少61.5元·m?2?；輴郾蟮萚5]對黑龍江哈爾濱地區雙拱保溫被內置裝配式日光溫室的小氣候環境進行了測試，發現裝配式節能日光溫室性能比較優越，冬季在室外?26.9℃的低溫條件下，室內溫度可以保持7.2℃以上。佟雪姣[10]對遼寧沈陽地區的滑蓋式節能日光溫室進行了研究，發現試驗溫室保溫性能良好，冬季晴天滑蓋溫室室內夜間空氣溫度比對照溫室升高 2.0～3.0℃。楊微微[11]對黑龍江大慶地區水循環蓄熱裝配式節能溫室進行了研究，發現試驗溫室夜間室內氣溫12.0℃以上，比對照溫室室內氣溫提高 2.0～3.0℃。宋明軍等[12]對甘肅靖遠地區不同跨度組裝式日光溫室光熱環境進行了研究，組裝式日光溫室墻體熱穩定性遠低于普通溫室，平均最低溫度較普通日光溫室低1.3～5.3℃。周波等[13]對裝配加溫除濕系統的輕簡裝配式日光溫室進行了性能測試，發現相比于傳統磚墻日光溫室，輕簡裝配式溫室冬季夜晚溫度提高4.5℃以上，溫室夜間相對濕度降低14.0%，相對濕度控制在80.0%以下。宋陽等[14]對內蒙古包頭地區的裝配式水蓄熱內保溫日光溫室進行了研究，溫室晴天夜間室內外最大溫差達39.0℃以上。前人研究的多為華北和東北地區內置主動蓄熱系統的裝配式日光溫室，但對黃淮地區雙膜雙被裝配式日光溫室的研究還未見報道，亟需補充。本試驗擬通過對冬春季節雙膜雙被裝配式日光溫室內的溫度、光照和濕度進行連續測定，探究其溫光性能，為科學管理和生產應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗溫室位于河南農業大學科教園區（113.61°N，34.86°E），該處氣候條件屬于北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年光照時數在2000～2600h，全年平均氣溫15.6℃；8月最熱，月平均氣溫25.9℃；1月最冷，月平均氣溫2.2℃。

1.2 供試溫室

試驗溫室于2019年8月建成投入使用，如圖1所示。溫室方位為東西延長，前屋面朝南，長度80m，跨度12m，脊高5.5m，檐高4.0m。溫室采用雙膜雙被結構，即雙層落地式鋼骨架結構，外層骨架為桁架結構，上下弦材料均為35mm×25mm×2mm的C型鋼，透明覆蓋材料為0.15mm的PO薄膜，北墻外側加裝100mm厚巖棉彩鋼夾心板，外覆蓋再生棉芯防雨保溫被，前屋面設置1.8m寬的底部通風口和1.2m寬的頂部通風口。內層骨架為40mm×70mm× 1.8mm的幾字鋼，透明覆蓋材料為0.1mm的PO膜，外覆蓋200g·m?2的輕型噴膠棉保溫被，通風口與外層位置保持一致。溫室東西兩側各設一個3m×3m緩沖間，東側山墻設一個3.0m×2.5m的機械入口。溫室內番茄和辣椒于9月下旬定植，2月中旬拉秧，以常規方式進行栽培管理，測試期間8：30揭開保溫被，17：00放下雙層保溫被進行保溫。室內溫度過高時，打開通風口進行通風散熱。溫室從11月下旬?2 月中旬通風時僅開頂部通風口，底部通風口不打開，其他時段通風時底部和頂部通風口均開啟。

1.3 項目測試

溫室內外環境均利用環境自動記錄儀（大連產，型號GS1）進行測試，室內布設3臺記錄儀，分別位于溫室內距東山墻10m、50m和距西山墻10m處，室外布設1臺記錄儀，位于溫室南側10m開闊無遮擋處。每臺記錄儀連接3個溫濕度傳感器和1個光照傳感器，溫濕度傳感器分別位于距溫室地面?0.1m（即地下0.1m）、0.2m和1.5m高度處，光照傳感器位于距室內地面1.5m高度處（圖2）。溫度傳感器的測量范圍為?40～80℃，精度為±0.3℃，濕度傳感器范圍為0～100%，精度為±3%，光照傳感器范圍為10～83000lx，精確度為±2%。測試時間為2020年11月1日?2021年2月28日。

1.4 數據處理

試驗數據均使用Microsoft office Excel計算及處理。

2 結果與分析

2.1 雙膜雙被裝配式日光溫室內溫度測試結果

2.1.1 旬平均溫度

表1統計了溫室內東部、中部和西部的旬平均氣溫和旬平均土溫，即該旬各個測點溫度的平均值。由表可以看出，溫室內溫度高于室外溫度，溫室內氣溫較高，平均為11.4～21.4℃，溫室內平均土溫為15.4～22.9℃，土溫高且穩定，環境較適宜，溫室保溫性良好。溫室內外氣溫差為5.3～17.0℃，溫室內外土溫差為5.6℃～15.6℃，溫室內外溫差大，說明溫室增溫性能較好。其中，溫室內東、中、西3個部位氣溫差異不明顯，但是中部土溫高于兩側，東部與中部土壤溫差為1.4～2.8℃，西部與中部土壤溫差為0.2～1.7℃，表明溫室內土溫在東西向表現具有一定的不均勻性。

圖1 雙膜雙被裝配式日光溫室結構示意圖

圖2 溫光傳感器位置示意圖

表1 2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外旬平均溫度（℃）

Note:E- is the first ten-day of a month, M- is the middle ten-day of a month, L- is last ten-day of a month. The same as below.

11月下旬?翌年1月下旬溫室外氣溫逐漸下降，1月上旬室外平均氣溫和平均土溫降至最低，分別為?0.5℃和3.5℃，而溫室內平均氣溫和土溫在15.5～16.5℃和17.5℃～19.1℃，溫室外溫度低，溫室內溫度高，環境適宜。同時溫室內外氣溫和土溫最大差值分別為17.0℃和15.6℃，溫室內外溫差大，溫室表現出良好的增溫能力。

2.1.2 日最低溫度的旬平均值

表2統計了溫室內東部、中部和西部的日最低氣溫和土溫的旬平均值，即該旬各個測點每日最低溫度平均值。由表可知，溫室內外最低平均氣溫變化與平均氣溫變化規律一致，溫室內最低平均氣溫在9.4～16.7℃，溫度較適宜，有良好的保溫能力。最低平均土溫在15.0～22.1℃，土溫穩定且較高，溫室中部土溫高于東西部，與平均土溫有相同的分布規律，溫室東部與中部土壤溫差為0.2～4.5℃，西部與中部溫差為0.7～1.8℃，溫室東西向土溫具有一定的不均勻性。溫室內外最低平均溫差在6.7～18.8℃，土壤平均最低溫差在7.2～15.1℃，溫室內外溫差較大，說明溫室增溫能力良好；12月上旬?2月上旬室外氣溫低至0℃以下，溫度較低，1月上旬室外氣溫達到最低，此時室外氣溫為?7.9℃，土壤溫度為2.2℃，室內氣溫在9.9～10.9℃，土壤溫度在15.8～17.2℃，溫室內溫度較高，土溫適宜。溫室內外最大氣溫差和土溫差分別為18.8℃和15.1℃，溫室內外溫差較大，說明溫室增溫明顯。

表2 2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外日最低溫度的旬平均值（℃）

2.1.3 連續低溫期間溫度

由圖3可見，2021年1月4?7日室外出現了連續低溫天氣，一日內溫室內外氣溫和土溫呈先上升后下降的變化，溫室內最低氣溫出現在8：00左右，最低土溫出現時間比氣溫延后1h左右，最高氣溫出現在12：00左右。4?7日室外最低氣溫分別為?7.9、?7.9、?9.7和?15.4℃，0.1m土溫最低值分別為2.3、2.7、1.8和0.4℃，室外氣溫偏低，試驗溫室內最低氣溫分別為10.1、10.5、10.0和8.8℃，溫室內氣溫較為適宜，溫室保溫性能良好，溫室內外氣溫差分別為18.0、18.4、19.7和24.2℃。1月4?7日溫室內土溫最低值分別為16.3、15.9、16.1、16.1℃，溫室內外土壤溫差為14.0、13.7、14.3、15.7℃。溫室內外溫差大，說明溫室具有明顯的增溫能力。

圖3 2021年1月連續4d室外氣溫低于?5℃期間溫室內外溫度變化

2.2 雙膜雙被裝配式日光溫室光照測試結果

2.2.1 整個測試期間

圖4展示了2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外的光照度。由圖可以看出，溫室內光照度小于溫室外，陰天光照度小于晴天，11月溫室內平均光照度為8415lx，12月為9320lx，1月為11414lx，2月為14219lx，整個測試期間溫室內外月平均光照度呈逐漸增大，其中11月最小，各月份的光照度有明顯差異。圖4顯示，晴天，溫室內的光照度是室外的一半，溫室透光率在50%左右，而陰天光照度較低且溫室內光照度低于室外的一半，說明該溫室晴天的透光率比陰天相對要高。

2.2.2 晴天

分別選取為11月10日、12月10日、1月11日和2月10日，分析11月、12月、1月和2月典型晴天溫室的光環境，結果見圖5。由圖中可知，溫室內光照度和透光率日變化均呈單峰狀曲線變化，每日9：00光照度和透光率開始上升，光照度在12：00左右到達頂峰，之后開始下降，與室外的日變化趨勢基本保持一致。11月?翌年2月晴天溫室內日平均光照度分別為12227、12596、12810和15070lx，最大光照度分別為18070、18944、18592和21917lx。溫室透光率在30%～70%之間變化，且透光率在12：00左右最大。11月?翌年2月溫室平均透光率分別42%、52%、49%和45%，一日內最大透光率分別為50%、65%、60%和53%，溫室透光率各月份間存在差異，以12月最大。

2.2.3 陰天

分別選取11月17日、12月1日、1月24日和2月28日，分析11月、12月、1月和2月典型陰天溫室的光環境，結果見圖6。由圖中可見，一天內室內光照度亦呈單峰曲線變化，室內光照度變化與室外的變化趨勢保持一致。11月?翌年2月室內日平均光照度分別為877、1911、1852和1567lx，最大光照度分別為1794、3901、4101和3200lx。溫室透光率在30%～55%之間變化，11月?翌年2月溫室平均透光率分別34%、35%、36%和33%，溫室的透光率各月份間無明顯差異。與晴天相比，陰天溫室透光率較晴天低10%左右。

圖4 2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外光照度

圖5 典型晴天溫室光照度及透光率

圖6 典型陰天溫室光照度及透光率

2.3 雙膜雙被裝配式日光溫室空氣相對濕度測試結果

表3統計了2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外的相對濕度。由表中可見，溫室內濕度大于溫室外，夜間濕度大于白天濕度，溫室內白天濕度在48.8%～90.4%，夜間濕度在89.3%～99.0%。溫室內白天濕度較低，夜間濕度接近飽和狀態。葉片沾濕時長占比能更好地反映溫室內濕度的大小和對作物的影響程度，根據葉片結露%RH模型，當室內相對濕度＞91.8%時，葉片結露。根據葉片結露時長比（LWD%）=葉片結露時間(LWD)/總時長(h)[15]，對溫室內葉片沾濕時長占比進行計算。由表3可見，11月上旬?翌年2月下旬，溫室內白天旬葉片沾濕時長占比在5.3%～59.8%，夜間旬葉片沾濕時長占比在56.5%～99.5%。其中，11月下旬?翌年1月下旬，溫室內葉片白天沾濕時間占比在22.6%～59.8%，夜間在89.1%～99.5%。說明溫室內白天濕度較低，而夜間濕度均接近飽和狀態。

表3 2020年11月1日?2021年2月28日溫室內外旬平均相對濕度及葉片沾濕時長占比（%）

注：根據葉片結露%RH模型，當相對濕度＞91.8%時，葉片結露。葉片結露時長比(LWD%)=葉片結露時間(LWD)/總時長（H）。

Note: According to the leaf condensation model, when the air relative humidity is more than 91.8%, the leaf condensed. Proportion of the duration of leaf condensation (LWD%) = the duration of leaf condensation (LWD) / total duration (H)

3 結論與討論

3.1 討論

溫室內氣溫和耕層土壤溫度是設施環境調控能力的重要指標，也是進行設施生產計劃的重要依據。番茄苗期生長最低溫度為7.0℃，生殖生長的最低溫度為15.0℃，低于此溫度則造成生殖障礙，同時其最適耕層土壤溫度范圍為18.0～20.0℃[16]。冬春季試驗溫室內旬平均氣溫除11月下旬外，其它階段旬平均氣溫在13.9～21.4℃，旬平均最低氣溫在10.1～16.7℃，溫室內平均土溫在15.4～22.9℃，旬平均最低土溫在16.3～22.1℃，溫室東西方向土溫存在不均勻，但差異不大，可以滿足番茄植株的正常生長發育，且通過番茄種植試驗，雙膜雙被裝配式溫室可實現番茄越冬生產。在冬季最冷時間段1月上旬，溫室平均最低氣溫為9.9℃，室內外溫差為17.9℃；極端天氣下室內外溫差為24.3℃，與河南地區下沉式日光溫室[17]冬季最冷時間段1月中旬室內平均最低氣溫為5.5℃，室內外溫差為9.1℃比較，雙膜雙被裝配式日光溫室的保溫性能更優。

不同結構溫室的采光性能不同，且采光性能會直接影響蔬菜的生長發育和果實品質。番茄的光飽和點為70000lx，光補償點為2000lx[18]，試驗溫室冬春季月平均光照度隨時間逐漸增加，晴天平均光照度在12000lx以上，種植試驗表明其可以滿足番茄的正常生長。試驗溫室由于采用雙層薄膜覆蓋，透光率較單層膜結構低，河南地區下沉式日光溫室1月晴天平均透光率為60%[17]，而試驗溫室為49%，雙膜雙被結構日光溫室的采光性能較下沉式日光溫室差。11月?翌年2月，晴天溫室的平均透光率分別42%、52%、49%和45%，陰天溫室的平均透光率分別34%、35%、36%和33%，陰天溫室透光率較晴天低10%左右。這主要是因為晴天太陽光主要為直射光，其透射率與入射角和屋面角均有關，而陰天室外光環境主要為漫反射，僅與屋面角有關[19?20]。當前日光溫室在采光設計時，主要考慮的是冬至日前后的透光性能，而忽略了其它月份的透光率，因此各月份間透光率存在一定差異。

溫室濕度的大小也是影響植株生長發育的重要因素。試驗溫室11月下旬?翌年1月下旬，溫室內白天濕度在71.9%～90.4%，夜間濕度為95.4%～99%，白天葉片沾濕發生的時間占比在22.6%～59.8%，夜間室內葉片沾濕時長占比在91.1%以上，溫室內白天濕度較低，而夜間濕度均接近飽和狀態。試驗溫室內濕度較大容易引起溫室內病原菌的滋生，可能會導致植株產生一系列病害，應多措施綜合進行濕度控制，在保證室內溫度的前提下，盡可能提早打開通風口，加強溫室的通風。

3.2 結論

雙膜雙被日光溫室保溫性能較好，優于當地下沉式日光溫室，可滿足喜溫類果菜所需的環境條件，實現果菜的越冬生產，具有一定的推廣應用價值。但是雙層薄膜的使用，導致了溫室內透光率和光照度較低，下一步可利用卷起的內層薄膜或采用人工補光，進一步改善溫室內光環境，提高生產效率。

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A Test about Microclimate in Prefabricated Solar Greenhouse with Double Film and Double Insulation Structure Cover in Zhengzhou Region

YU Run-cai, DONG Xiao-xing, DU Nan-shan, GUO Zhi-xin, ZHANG Tao, PIAO Feng-zhi

（Horticultural College, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China）

The prefabricated solar greenhouse has the tendency to replace the traditional greenhouse in the protected cultivation in China. The prefabricated solar greenhouse with double membrane and double insulation cover is one of them. But studies on microclimate of such greenhouses are lack. Therefore, the study of the microclimate in this kind of greenhouse is necessary, which can provide the basis for cultivation and management. The tested greenhouse is located in Zhengzhou, Henan province. Temperature, ground temperature at ?0.1m（0.1m depth underground）, relative humidity and illuminance were measured both inside and outside the tested greenhouse. There are three recorders in the greenhouse, one 10m from the east wall, one 50m from the east wall and one 10m from the west wall, and there is also a 10m away from the southern greenhouse. The test period was from Nov.1, 2020 to Feb.28, 2021. The results showed that the ten-day average air temperature was 11.4?21.4℃, and the ten-day average of daily minimum air temperature was 9.4?16.7℃ in the greenhouse. The ten-day average temperature of soil temperature at 0.1m depth was 15.4?22.9℃, and the ten-day average of daily minimum soil temperature at 0.1m depth was 15.7?21.1℃in the greenhouse ,and the max air temperature and soil temperature difference between indoor and outdoor was 17.0℃ and 15.6℃. During the coldest January late of the test, the ten-day average of daily minimum air temperature and soil temperature at 0.1m depth was 7.9℃ and 2.2℃. Ten-day average of daily minimum air temperature and soil temperature at 0.1m depth greenhouse was 9.9℃ and 15.8℃. The illuminance in the greenhouse increased gradually in the whole period. The typical sunny days illumination changed between 2000?22000lx, and average light transmittance were 42%, 52%, 49% and 45% in the greenhouse. The light transmittance existed obvious differences between each month, which was highest in December. The typical cloudy days illumination change between 300?4000lx and average light transmittances were 34%, 35%, 36% and 33% in the greenhouse, when light transmittance was not obvious difference between each month. The relative humidity was relatively high and was close to 100% at night in the greenhouse. The relative humidity is 95.4%?99.0%, and the proportion of the duration of leaf condensation is 89.1%?99.5% at night from late-Nov. 2020 to late-Jan. 2021. Come to a conclusion, the prefabricated solar greenhouse with double film and double insulation structure cover has better thermal insulation performance, and it can be used for the basis for cultivation and management. But the illumination transmittance light is low.

Prefabricated solar greenhouse; Double film and double insulation structure cover structure; Temperature; Illumination; Humidity

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.02.001

于潤才,董曉星,杜南山,等.雙膜雙被裝配式日光溫室在鄭州地區的小氣候測試[J].中國農業氣象,2022,43(2):83-92

收稿日期：2021?05?15

國家大宗蔬菜產業技術體系專項（CARS?23?B03）

通訊作者：樸鳳植，教授，博士生導師，主要研究方向為園藝設施結構優化與環境調控、菜田土壤生態與環境管理技術，E-mail：Piao1203@163.com

于潤才，E-mail：751741825@qq.com