新型主動儲放熱組裝結構日光溫室性能測試分析

司長青 何 芬 周長吉 高賀昌 張 柏 李曉明

（1 農業(yè)農村部農業(yè)設施結構設計與智能建造重點實驗室，北京 100125；2 農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125；3 三峽大學機械與動力學院，湖北宜昌 443002；4 北京華美沃龍農業(yè)科技有限公司，北京 100024）

日光溫室是我國自主研發(fā)的一種特殊溫室類型，自20 世紀80 年代中期在我國開始推廣。根據2020 年全國農業(yè)機械化統計年報數據，我國日光溫室面積達到55 萬hm，占全國設施總面積的30%。日光溫室的研制開發(fā)及推廣有效解決了我國冬季蔬菜供應短缺及農民收入低等問題（鮑順淑等，2010）。

日光溫室的儲放熱功能是其主要的節(jié)能機制之一。傳統日光溫室儲放熱系統主要依靠墻體和地面白天蓄積太陽輻射熱，夜間向溫室內釋放白天貯蓄的太陽輻射熱量。這種被動儲放熱形式因墻體與土壤傳熱緩慢而作用有限，難以將白天富集的太陽熱能有效地收集、貯蓄起來，用于夜間室內增溫。早期有些研究曾利用水等媒介吸收太陽能，通過構建地中熱交換系統對地面土壤進行加熱，但因工程量較大，蓄、放熱效果有限，沒有獲得大量應用（白義奎 等，2002）。目前很多研究通過內部或外部集熱裝置將白天太陽熱能收集、貯存于水體中，夜間釋放出來提高室內氣溫（鄭欽中 等，2021），或將熱水通入地面土壤，提高地溫（方慧 等，2012；于威 等，2014；于濤 等，2022）；也有研究采用相變貯熱的方法儲存熱量用于日光溫室加溫，與水體貯熱相比，這種方法能夠顯著降低貯熱設施的體積（鮑恩財 等，2018；張勇 等，2021）。現今關于日光溫室儲放熱系統的研究總體較為成熟，但仍然存在成本高、儲放熱量不足等問題。目前日光溫室結構的發(fā)展呈現輕簡化趨勢，通過墻體的被動儲熱幾乎完全消失，為此亟須提出替代傳統墻體儲放熱的輕簡化主動儲放熱方法。

本研究提出一種新型主動儲放熱組裝結構日光溫室，通過設置后墻水循環(huán)儲放熱系統和土壤空氣循環(huán)儲放熱系統，提高室內環(huán)境溫度；并在河北、內蒙、寧夏冬季嚴寒時段對該溫室進行性能測試，分析其室內環(huán)境變化規(guī)律，以期為該溫室的優(yōu)化設計及應用推廣提供實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室概況

試驗溫室為新型主動儲放熱組裝結構日光溫室（圖1），該溫室坐北朝南，長100 m，跨度12 m，脊高5.5 m，后墻高4.0 m，后屋面水平投影寬2.0 m。溫室承力采用完全組裝結構，前屋面與后屋面采用單管拱架，并設有屋脊拉桿；溫室的后墻和山墻采用雙立柱格構結構，立柱和腹桿均采用方管，結構承載能力強，更有利于抗風。溫室后墻和后屋面采用柔性橡塑保溫被覆蓋，厚度60 cm，保溫被外表面覆蓋一層白色紅外線反光膜，可有效降低輻射散熱，提高保溫性能。為減小邊際效應前部基礎散熱，溫室前屋面底腳增設了8 cm 厚、50 cm 深的硬質再生橡塑隔熱層。

圖1 新型主動儲放熱組裝結構日光溫室

1.2 主動儲放熱系統

溫室配套了主動儲放熱系統，該系統由后墻水循環(huán)儲放熱系統和土壤空氣循環(huán)儲放熱系統組成（圖2）。后墻水循環(huán)儲放熱系統主要由給水管、水袋、回水管、集水槽和給水水泵組成（圖2-a）。該系統的工作原理為：白天水袋吸收太陽輻射熱量，在早晨卷起保溫被后，水泵不啟動，水袋表面產生的熱量可迅速釋放到室內，提升室內氣溫；當室溫達到一定設定值后，水泵自動啟動，將水袋白天吸熱后的熱水集中匯流到集水槽中。當夜間室內氣溫低于設定的警戒值時，水泵自動啟動，保溫水槽內的溫水再次流經吊掛水袋，向室內散熱。

土壤空氣循環(huán)儲放熱系統主要由循環(huán)風機、送風管、換熱管和出風管組成（圖2-b），換熱管道水平鋪設于土壤中，埋設深度為0.6 m。該系統的工作原理為：白天風機將室內熱空氣經由送風管導入地面土壤換熱管，熱空氣與地下土壤間換熱，將空氣中熱量儲存在土壤中，降低空氣溫度、提高土壤溫度，換熱管連接出風口，將換熱后的冷空氣導出土壤重新返回溫室，實現空氣循環(huán)并降低室內溫度；夜間當室內空氣溫度低于換熱管位置處土壤溫度時，風機開啟，室內冷空氣沿白天相同路徑，吸收土壤熱量后返回室內，提升空氣溫度。

圖2 主動儲放熱系統

1.3 測試條件

選取河北保定、內蒙古巴彥淖爾和寧夏石嘴山3 個地區(qū)的試驗溫室進行測試。測試時間為冬季嚴寒時段，河北保定為2022 年1 月10—21 日，內蒙古巴彥淖爾為2021 年12 月24 日至2022 年1 月5日，寧夏石嘴山為2021 年12 月24 日至2022 年1月3 日，溫室種植作物為番茄。取溫室中部橫截面為測點布置面，沿跨度方向布置3 個空氣溫濕度記錄儀（HOBO UX100-3，精度 ± 0.2 ℃，下同）和3 個土壤溫度記錄儀（TY-JL/02，精度 ± 0.2 ℃），距后墻內表面分別為2、6、10 m。空氣溫濕度傳感器距地面高度1.5 m，土溫傳感器埋深12 cm。室外空氣溫度采用溫濕度記錄儀測試，布置在溫室周邊的空曠位置，距地面高度3 m。

1.4 數據處理

根據實際觀測天氣云量，將試驗期間的天氣劃分為晴天和陰天。白天溫度計算時段為8：00—20：00，夜間溫度計算時段為20：00 至次日8：00，每30 min 記錄1 次。采用Microsoft Excel 2019 軟件對測試數據進行分析，取3 個測點平均值作為室內空氣溫度和土壤溫度。

2 結果與分析

2.1 室內外環(huán)境分析

2.1.1 室內外氣溫變化 如圖3 所示，河北保定2022 年1 月10—21 日室外平均氣溫為-3.5 ℃，最高氣溫為5.9 ℃，最低氣溫為-13.1 ℃；溫室內平均氣溫為14.96 ℃，最高氣溫為29.17 ℃，最低氣溫為8.23 ℃。內蒙古巴彥淖爾2021 年12 月24 日至2022 年1 月5 日室外平均氣溫為-11.9 ℃，最高氣溫為8.1 ℃，最低氣溫為-23.5 ℃；溫室內平均氣溫為20.12 ℃，最高氣溫為33.27 ℃，最低氣溫為13.92 ℃。寧夏石嘴山2021 年12 月24 日至2022 年1 月3 日室外平均氣溫為-9.8 ℃，最高氣溫為3.2℃，最低氣溫為-20.8 ℃；溫室內平均氣溫為20.97℃，最高氣溫為37.32 ℃，最低氣溫為17.51 ℃。

圖3 測試地區(qū)溫室內外氣溫變化

2.1.2 土壤溫度變化 由于并未測得寧夏石嘴山試驗溫室的土壤溫度，僅對河北保定和內蒙古巴彥淖爾試驗溫室土壤溫度進行對比分析。河北保定和內蒙古巴彥淖爾溫室內土壤溫度在一天中呈規(guī)律性變化，7：00—8：00 溫度最低，12：00—14：00 溫度 達到最高。河北保定測試溫室的室內土壤平均溫度為17.1 ℃，最高溫度為19.4 ℃，最低溫度為15.1 ℃；內蒙古巴彥淖爾測試溫室的室內土壤平均溫度為19.8 ℃，最高溫度為21.3 ℃，最低溫度為18.6 ℃（圖4）。新型主動儲放熱組裝結構日光溫室內土壤最低溫度均大于15 ℃，能夠滿足作物的生長需求。

圖4 測試地區(qū)溫室內土壤溫度變化

2.2 日光溫室整體環(huán)境性能分析

通過統計測試數據，計算分析室內日平均氣溫、日最低氣溫、白天室內氣溫大于15 ℃的平均時長、夜間日平均氣溫以及夜間室內外溫差等指標，對不同測試地區(qū)日光溫室的整體熱環(huán)境進行分析和評價。

如表1 所示，測試期間，3 個地區(qū)室外日平均氣溫的平均值均小于-3 ℃，其中內蒙古巴彥淖爾最低，為-11.9 ℃；室內日平均氣溫的平均值均保持在15 ℃以上。從日最低氣溫看，3 個地區(qū)室外最低氣溫的最低值均小于-13 ℃，室內日最低氣溫的最低值均保持在8 ℃以上，其中內蒙古巴彥淖爾室外日最低溫度最低，為-23.5 ℃，但室內日最低氣溫依然能保持在13.5 ℃以上。河北保定、內蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山白天室內氣溫大于15 ℃的平均時長分別為7.7、11.8、12.0 h，均超過7 h。

表1 測試地區(qū)溫室內外日平均氣溫、最低氣溫及白天室內氣溫大于15 ℃平均時長

從表2 可看出，河北保定、內蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)室外夜間日平均氣溫的平均值分別為-6.6、-16.4、-13.2 ℃；室內夜間日平均氣溫的平均值分別為12.1、17.1、18.4 ℃，最低值分別為11.2、15.9、18.3 ℃；室內外夜間平均溫差分別為18.7、33.8、31.6 ℃，最低溫差分別為14.9、23.3、25.5 ℃，可見新型主動儲放熱組裝結構日光溫室的夜間保溫性能優(yōu)越。

表2 測試地區(qū)溫室內外夜間日平均氣溫和室內外溫差 ℃

2.3 典型天氣條件下溫室內外溫度變化

在溫室的使用過程中，低溫凍害經常在連續(xù)的陰雪天氣時發(fā)生，連續(xù)陰雪天的天氣狀況最能考驗溫室是否能夠滿足作物生長需求，因此，分析溫室內溫度在連續(xù)陰雨天時的變化顯得極其重要。本試驗分析了2 種典型天氣日光溫室內環(huán)境變化：①連續(xù)晴天中的一天；② 連續(xù)陰雪天中的一天。

2.3.1 晴天溫室內外溫度變化 在連續(xù)3 天晴天條件下，分別選取中間1 天測試溫室內外溫度，得到3 個地區(qū)晴天條件下試驗溫室內外溫度變化情況（圖5）。河北保定、內蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)試驗溫室內的平均溫度分別為15.7、20.4、21.7 ℃，最低溫度分別為9.2、15.2、18.0 ℃，其中最低溫度出現在8：00—9：30。一天中室內外空氣溫度變化趨勢一致，均呈現出先下降后上升再下降的趨勢，室內空氣溫度變化相較于室外有一定滯后。

圖5 測試地區(qū)晴天室內外空氣溫度的變化

2.3.2 陰雪天溫室內外溫度變化 在連續(xù)3 天陰雪天條件下，分別選取中間1 天測試試驗溫室內外溫度，得到3 個地區(qū)陰雪天條件下試驗溫室內外溫度變化情況（圖6）。河北保定、內蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)試驗溫室內的平均溫度在陰雪天條件下分別為11.6、19.8、20.3 ℃，最低溫度分別為8.2、16.3、17.9 ℃，最低溫度出現在8：30—10：00。陰雪天較典型晴天條件，溫室內空氣溫度變化較室外更加滯后，且室內外溫差減小。

圖6 測試地區(qū)陰雪天室內外空氣溫度的變化

3 討論

本研究設計的新型儲放熱組裝結構日光溫室，符合國家節(jié)能減排的政策，通過儲放熱系統能夠充分利用太陽輻射能量。據估算，水循環(huán)儲放熱系統一晝夜可釋放8.4 × 10kJ 的熱量，相當于節(jié)省了300 kW · h的電力（周長吉 等，2022）。單棟溫室面積為1 200 m，建設成本（包括溫室墻體、骨架、卷簾機、保溫被等）約為23 萬元。水循環(huán)儲放熱系統設備一次性投入約2.6 萬元，土壤空氣循環(huán)儲放熱系統一次性投入約1.7 萬元。

該新型溫室墻體及維護結構使用輕質柔性保溫材料，具有較好的保溫性能，配備的主動儲放熱系統彌補了墻體被動儲放熱功能的不足，即使在北方嚴寒地區(qū)室內外平均溫差仍能達到18 ℃以上，土壤最低溫度大于15 ℃，具有較好的保溫蓄熱性能。目前，該溫室已在北京、內蒙古、寧夏、新疆、河北等地推廣，用于黃瓜、番茄等果菜的越冬生產。今后，如何合理調控溫室儲放熱能力，發(fā)揮溫室最大儲放熱潛力，提高生產綜合效益是該新型溫室優(yōu)化的目標和方向。

4 結論

本研究設計了一種新型主動儲放熱組裝結構日光溫室，并在河北保定、內蒙古巴彥淖爾、寧夏石嘴山地區(qū)寒冷時段對新型溫室進行性能測試，結果表明，此類型溫室室內日平均氣溫、日最低氣溫的平均值分別為15.0、20.1、21.0 ℃和9.0、15.3、17.7 ℃，夜間日平均氣溫、室內外溫差的平均值分別為12.1、17.1、18.4 ℃和18.7、33.8、31.6 ℃，能夠滿足喜溫果菜的生長要求。