基于Ecotect 的連棟溫室夏季遮陽節能優化研究

劉雨潔，蔣文杰，高新南*

（南京農業大學，江蘇 南京）

經過長期發展，我國夏熱冬冷地區的設施蔬菜生產已形成了以連棟溫室為主的生產體系，且占產業總面積超過40%。在進入7、8 月份高溫季節后，溫室內作物的光合作用與呼吸作用失去平衡，易出現高溫障礙問題，影響作物的品質與產量。為保證作物生長發育正常進行，解決夏季降溫冷負荷大、溫室設備運行成本高、蔬菜品質及產量低的問題成為溫室栽培的關鍵。

本研究以南京地區為代表，夏熱冬冷地區溫室典型作物黃瓜為例，根據文獻查閱及調查走訪確定黃瓜生長的適宜環境，并利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）構建評估體系。基于相關指標通過Ecotect 模擬分析溫室內部光熱環境，結合黃瓜生長的光飽和點等相關條件，優化夏季高溫下外遮陽網的最佳遮光率范圍和揭蓋網時間，旨在提升連棟溫室的經濟效益及生態效益，增加作物產量，降低溫室能耗。最后通過生命周期評價法（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）從溫室建造、作物生產管理兩方面對優化后的方案進行節能效果定量計算。

1 黃瓜生長適宜環境因子的確定

1.1 黃瓜最佳生長條件評估體系的構建

黃瓜生長狀況主要由產量、果實大小和病蟲害三方面反映，對黃瓜苗期長勢影響顯著的環境因子為光照、溫度和濕度，均為正相關[1-2]。基于此，采用層次分析法構建了夏熱冬冷地區黃瓜最佳生長條件的評估體系，共包括產量高、果實大和無病蟲害三部分，其為AHP 層次分析中的一級指標，及其共同對應的5 個二級指標，分別是適度遮陽、濕度適宜、通風良好、溫度適宜和采光良好。具體評價指標體系見圖1。

圖1 夏熱冬冷地區黃瓜最佳生長條件評估體系

1.2 指標權重的確定

通過查閱文獻[3]至文獻[5]及產業經營者調查訪問，對黃瓜最佳生長條件評估體系中各指標的重要性進行了兩兩比較，構建了判斷矩陣，然后對每一層次的要素利用和積法進行單層次排序，在一致性檢驗中得出一致性比率CR，其值小于0.1，說明判斷矩陣一致性良好，指標權重計算結果見表1。

由表1 可知，光照條件和溫度條件的權重占比將近80%，因而將研究重點放在溫室大棚內的溫光環境上。為減弱其他因子對研究的干擾，假定選取的溫室大棚通風良好，濕度適宜，即不對此兩項因子再做分析。

表1 黃瓜生長狀況評估體系指標權重

2 夏熱冬冷地區連棟溫室節能方案的確定

2.1 連棟溫室概況

研究對象為江蘇南京市某五連棟溫室，坐北朝南，占地1 280 m2，單跨8 m，總跨40 m，南北向長32 m；開間4 m，肩高3 m，脊高5 m。該連棟溫室以熱浸鍍鋅鋼為骨架結構，圍護結構為0.1 mm 厚的聚乙烯（PE）膜。通風降溫設備主要為東西兩側各8 個通風口，距地面6 m 處的外遮陽網構件，溫室內設空調等混合降溫裝置。其中外遮陽網由高密度聚乙烯通過經線和緯線交織編織，遮光率為45%。

2.2 節能改造方案的確定

黃瓜為喜溫植物，適宜生長在熱量充足的地區，對光的需要介于陽生和陰生之間。夏熱冬冷地區夏季光照強、溫度高，過強的光照會對植株的光合作用產生較大的影響，導致吸收二氧化碳受阻，呼吸強度過大。就黃瓜栽培而言，不同生長發育時期，應采取不同的控溫措施，在黃瓜嫁接育苗的過程中，可選遮光率高的黑色遮陽網覆蓋，但在后期生長過程即6、7 月則應以透光率高的遮陽網為主。

目前夏熱冬冷地區對夏季黃瓜栽培所需遮陽網的要求未作出具體的規范，通常采用針數較高的遮陽網進行遮蓋，導致光照不足，黃瓜產量低、果實小，盡管一定程度上降低夏季降溫冷負荷，但同時也增加了全生命周期的栽培能耗。因此對遮陽率為20%～50%范圍內每變動5%的不同情況作出研究，并與原有遮陽率為45%的情況比較，綜合分析得出最佳遮光率，并確定揭蓋網時間。

3 不同遮光率下連棟溫室光熱環境模擬分析

結合建筑的結構及材料特點，使用Revit，Ecotect Analysis 以及Radiance 軟件組合對模型進行分析。在Ecotect 里建模，將其導入到Ecotect 軟件中，如圖2 所示，導入Ecotect 后，載入南京市的CSWD（Chinese Standard Weather Data）氣候數據。本研究重點研究夏季高溫天氣遮陽網的使用，為獲得最佳光照條件，選擇典型晴天條件下最熱一天（7 月20 日）的溫度數據作為環境條件。

圖2 南京某5 跨連棟溫室Ecotect 模型

3.1 不同遮光率下溫室內熱環境的變化

黃瓜生長最適溫度為25 ℃～32 ℃，而氣象數據顯示，南京市在7 月20 日達到最高溫37 ℃，已大幅度超過黃瓜生長所能承受的范圍。為使黃瓜穩產、高產，對溫室大棚采取降溫措施非常必要。借助Ecotect中的Thermal Analysis 得到不同遮陽率的遮陽網覆蓋下7 月20 日（最高溫日）的溫室內環境的逐時溫度數據，見圖3。

圖3 7 月20 日不同遮光率下溫室內部逐時溫度變化

由圖3 可知，在均覆蓋遮陽網的條件下，7 種不同遮陽率的情況逐時溫度差異很小，盡管隨著遮光率的上升溫室內部溫度有所下降，但是日最高溫度下降僅在0.3～0.7 ℃之間，且與未加蓋遮陽網相比，加蓋后溫度只能下降約1.0～1.4 ℃。因此，夏熱冬冷地區高溫天氣下遮陽網降溫效果并不顯著，需要進一步分析溫室內的光環境來確定合適的遮陽率范圍。

3.2 不同遮光率下溫室內光照強度和平均采光系數的變化

根據中國生物質庫數據來源，黃瓜的光補償點為2000 Lx，飽和點為55000 Lx，光照度低于20000 Lx或者超過60000 Lx 則植株生育遲緩。因此，棚內光照度略低于光飽和點時為較適宜范圍（40000～55000 Lx）。利用Radiance 對所研究溫室在無遮陽網情況下做7 月20 日從8：00-17：00 的逐時光照度分析，模擬發現光照度在中午12：00 時達到最大值，且超過70000 Lx，這對植物生長發育不利，因此，依據中午12：00 的光照度分析并確定遮陽網的遮光率具有一定的合理性。遮光率為20%～50%的不同情況下12：00時溫室內部自然光照度及采光系數值見圖4、圖5。

圖4 不同遮光率下12：00 時溫室內自然光照度

圖5 不同遮光率下12：00 時溫室內平均采光系數

由圖4 可知，遮陽率和自然采光照度基本呈負線性關系，當遮光率低于25%時，溫室內部的自然光照度高于55000 Lx，高于植株生長的光飽和點，故遮陽率高于25%為宜。由圖5 可知，采光系數的變化趨勢與光照度的變化趨勢一致，采光系數隨著遮光率的增大而減小。由于模擬結果為平均采光系數，為確保溫室內部采光均勻，控制平均采光系數大于50%。當遮陽率高于35%時，溫室內平均采光系數低于50%，不利于作物整體質量的提升。綜上，基于對不同遮光率12：00 時溫室內部自然光照度和采光系數的對比研究，可知夏熱冬冷地區夏季黃瓜生長的適宜遮陽率范圍為25%～35%。

3.3 不同遮光率的遮陽網揭蓋網時間分析

前文確定了遮陽網合適的遮光率范圍為25%～35%，以遮陽率為30%的遮陽網為例做揭蓋網時間分析，無遮陽網和增設遮陽率為30%的遮陽網情景下9：00～16：00 溫室內自然光照度變化趨勢對比分析見圖6。

圖6 無遮陽和遮光率30%的溫室內部光照度變化對比

由前文可知將室內自然光照度控制在40000～55000 Lx 范圍內最為合適，因此以55000 Lx和40000 Lx 為參照點確定揭蓋網時間。未加蓋遮陽網時，自然光照度在上午9：30 開始超過55000 Lx，且若在此時加蓋遮陽網能保證溫室內自然光照度正好超過40000 Lx，因此蓋網時間宜為9：30；加蓋遮陽網后，溫室內部自然光照度于15：00 低于40000 Lx，且此時自然狀態下溫室內光照度為55000 Lx，若在此時揭網，既能保證黃瓜不因過早揭網而導致的高溫脅迫，又能使不因蓋網時間過長而造成光照不充分，即蓋網時間為9：30，揭網時間為15：00。

4 基于LCA 的溫室節能前后能耗對比

塑料連棟溫室的能耗計算以LCA 為理論依據。它可以評估某個產品、過程或活動從原材料獲取、生產、使用、直至最終處置整個生命周期產生的影響。黃瓜的LCA 評價法包括溫室建造和作物生產管理兩部分。連棟溫室生產單位產量作物的能耗計算公式為式A，式A 中溫室建造所需能耗與溫室作物生產管理所需能耗分別由式B 與式C 計算得出。

A 溫室生態系統生產單位產量溫室作物所需能耗（MJ·kg-1）

表3 連棟溫室輸入物質能耗當量清單

B 單位面積單位時間建造溫室所需能耗（MJ·hm-2·day-1）

利用Ecotect 對改造前后溫室（即遮陽網遮陽率分別為45%和30%）進行熱工分析，溫室夏季降溫主要采用空調等混合降溫系統，計算所得改造前溫室降溫冷負荷為1.59×106kw·h，改造后溫室降溫冷負荷為1.61×106kw·h。遮陽率45%的遮陽網使用市面上4針的遮陽網，使用數量為400 kg/hm2，遮陽率30%的遮陽網使用市面上2 針的遮陽網，使用數量為200 kg/hm2。

由3.1 節可知，遮陽網的優化對溫室內熱環境改變微弱，即降低遮陽率后雖提高了一部分控溫能耗，但優化后的遮陽網使得溫室內光照位于植物生長適宜的條件范圍，能夠提高作物產量，并減少遮陽網造價，從而降低黃瓜全生命周期的生產培育能耗。由文獻[6]可知，不同寡照程度對黃瓜產量有一定的影響，寡照程度越強，黃瓜產量越小，利用插值法可求得優化后的遮陽裝置（遮陽率30%）較原有遮陽裝置（遮陽率45%）能夠提產11.9%。改造前該連棟溫室一個生長周期（120 天）內黃瓜產量約為11 000 kg/hm2，因此改進遮陽設施后，黃瓜提產至12 309 kg/hm2。物質輸入量及能耗當量由文獻[7]查得，列出清單并對改進前后的溫室能耗進行LCA 計算與分析，詳見表2 至表4。

表2 連棟溫室建造輸入物質清單

表4 連棟溫室輸入物質能耗當量清單

能耗計算結果表明，該連棟溫室改造前生產單位產量黃瓜所需能耗約為570.158 MJ，改造后生產單位產量黃瓜所需能耗約為515.216 MJ，節能率約為10%，符合經濟效益與生態效益，遮陽網優化方案可行有效。

5 結論

本研究通過對夏熱冬冷地區某連棟溫室黃瓜栽培的不同可能改造方案進行模擬分析，得出以下結論：

（1） 采用層次分析法構建了夏熱冬冷地區黃瓜最佳生長條件的評估體系，得出光照條件和溫度條件的權重占比近80%。

（2） 在熱環境分析方面，分析了遮光率為20%～40%的遮陽網的降溫效果。研究發現，單以遮陽網為主的降溫措施只能使得室溫下降約1.0～1.4 ℃，且不同遮陽網的降溫效果差異很小，因此在夏熱冬冷地區遮陽網非主要降溫設施，需要與其他設備結合，達到降溫、增產的效果。

（3） 在光環境分析方面，為提高產量并從全生命周期降低能耗，需關注溫室內光照條件與作物光飽和點之間的關系。夏熱冬冷地區黃瓜后期生長階段宜采用遮光率為25%～35%的遮陽網覆蓋。當遮陽率為30%時，適宜的蓋網時間為9：30，揭網時間為15：00。

（4） 生命周期評價法對該地區的作物黃瓜進行能耗定量計算更具實際意義，規避了低遮陽率的遮陽裝置產生更多降溫能耗的缺陷，而從全生命周期考慮到優化后能夠提高作物產量水平，減少作物栽培投入，進而減少總能耗，本研究優化后的遮陽網能夠提產11.9%，有效節約生產單位產量黃瓜所需能耗，節能率約為10%。