辽沈_型日光温室西山墙热通量日变化及分布规律的研究

收 稿日期 ：2010-03-01基金项目 ：国家 “863”基金项目 (2006AA10Z222)作者简介 ：李天来 （1955-），男 ，沈阳农业大学教授 ，博士 ，从事设施园艺及蔬菜生理生态研究 。沈阳农业大学学报 ，201004，41(2)：137-141Journal of Shenyang Agricultural University，201004，41(2)：137-141辽沈 型日光温室西山墙热通量日变化及分布规律的研究李天来 ，张 昆 ，韩亚东 ，刘 爽 ，李 曼（沈阳农业大学 园艺学院 /辽宁省设施园艺重点实验室 ，沈阳 110866）摘要 ： 利用 TRM-ZS1 型室内环境监测系统和 surfer8.0 对辽沈 型日光温室西山墙不同部位热通量日变化和分布规律进行了分析 ，以期为日光温室栽培管理和山墙结构的改良提供理论指导 。 结果表明 ：晴天时 ，西山墙开始蓄热和到达峰值的时间较早 ，开始放热的时间也相应提前 ，南部开始蓄放热均早于北部 ，不同部位的热通量日变化曲线趋势一致 ，但到达峰值的时间不同 。 阴天时 ，由于缺少太阳辐射 ，所以热通量在 10:00 左右同时到达峰值 ，无论晴天还是阴天 ，南部白天的蓄热时间都小于北部 ，最晚开始蓄热的部位都是墙体北部 。 山墙墙体的热通量分布受天气情况影响显著 ：阴天的热通量分布比较均匀 ，南北部差异比晴天显著减小 ，晴天时 ，除了南北差异较大 ，上下差异也比较显著 ；蓄热强度大的部位蓄热时间短 ，但夜间放热量大 。关键词 ：日光温室 ；山墙 ；热通量 ；日变化 ；分布规律中图分类号 ：S625 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-1700（2010）02-0137-05Diurnal Variation and Distribution of West Wall Heat Flux in LiaoshenSolar GreenhouseLI Tian-lai, ZHANG Kun, HAN Ya-dong, LIU Shuang, LI Man(College of Horticulture/Key Laboratory of Protected Horticulture of Liaoning Province,Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)Abstract： The diurnal variation and distribution of west wall heat flux in different parts of Liaoshen solar greenhouse werestudied, using TRM -ZS1 indoor environment monitor system and surfer8.0. The purpose of this study was to provide thetheoretical guidance for cultivation and management, and the structure improvement of west wall. The results showed that in fineday,west wall began storing heat and getting to the peak value earlier, and also releasing heat earlier. Storing and releasing heatin southern part earlier than in the north. The diurnal variations of heat flux showed an unanimous tendency in different parts,but the time of getting to peak value was different. Owing to lacking of solar radiation, all heat fluxes reached peak value at 10:00 in a cloudy day. Hours storing heat in south were shorter than those in northern parts which began storing heat latest bothsunny and cloudy day. Weather conditions played an important role in distribution of west wall heat flux. The distribution wasuniform on cloudy day, and the difference between south and north was significantly smaller than it on sunny day. And thedifference of heat flux between top and bottom was also remarkable. The position with a intense strength of heat storage had ashort storing time, but with a great heat released at night.Key words： solar greenhouse; west wall; heat flux; diurnal variation; distribution墙体是影响日光温室热性能的关键部位之一 ，其中山墙的作用不可忽略 。 白天 ，墙体内表面吸收的太阳热量一部分通过对流和辐射传热传给室内 ，一部分通过传导传热传向墙体内部 ，其中部分蓄集在墙体内 ，部分传导到外部放出 ；夜间 ，墙体积蓄的热量除继续向外放热 ，大部分传入温室内部以维持室内温度 。 热通量是衡量墙体蓄热保温性能的重要指标 ，它可以表征温室内部通过墙体与外部进行热交换的状况 ，以及温室墙体的蓄热 、放热状态 。 因此 ，研究日光温室山墙的热通量日变化及分布规律 ，对及时制定保温调控措施以及对山墙建筑结构进行改良具有重要指导作用 。 有关日光温室热通量方面国外早有研究1-2，国内在日光温室热通量方面也有一些研究3，特别对日光温室土壤热通量进行了一系列研究4-5，还对多层覆盖连栋温室以及日光温室的热环境进行了进一步研究6-12。目前对土壤以及北墙的热通量研究较多13-14，由于山墙的热性能一直被低估 ，所以对其热通量的研究尚少 ；同时 ，在研究山墙热通量时通常将其分布视作均匀的15，但由于受太阳高度角和后坡阴影遮蔽作用的影响 ，山墙不同部位在同一时刻接受的太阳辐射是不同的 ，将其视作均匀分布进行研究会影响结果的准确第 41 卷沈阳农业大学学报图 2 晴天日光温室西山墙的热通量Figure 2 Heat flux of west wall inside the greenhouse图 1 温室西山墙内侧热通量板布点Figure 1 HF plate distribution of west wallinside the greenhouse性 。 本试验以辽沈 型日光温室作为研究对象 ，针对日光温室西山墙部分 ，进行热通量日变化和分布规律的研究 。 分析了西山墙各个部分的蓄放热规律以及分布情况 ，以期为北方日光温室提前制定保温措施 、改善栽培管理以及墙体结构改良提供理论依据 。1 材料与方法1.1 辽沈 型日光温室的结构参数及仪器布置试验在沈阳农业大学工厂化高效农业工程技术研究中心试验基地的辽沈 型日光温室 （纬度 41.8°N）内进行 ，温室坐北朝南 ，温室方位角为南偏西 7°，脊高 3.5m，北墙高 2.4m，后坡水平投影 1.5m，跨度 7.5m，长度60m，前屋面覆盖材料使用 PVC 膜 ，采用保温覆盖和通风对温室内部温度进行调节 。 西山墙内侧布置 9 个热通量板 （图 1），热通量板连接于 TRM-ZS1 型室内环境监测系统 ， 热通量板相对应的布点都并置了美国 HOBO Pro v2型温湿度记录器 。1.2 方法晴天试验于 2009 年 5 月 14 日 0:0023:50 进行 ；阴天试验于 2009 年 5 月 16 日 0:0023:50 进行 。 分别对供试的辽沈 型日光温室的西山墙进行连续 24h 的热通量（以下简称 HF）及各种常规气象因子的监测 ，室外气象因子数据由沈阳农业大学工厂化高效农业工程技术研究中心室外气象站采集 ，数据采集的时间间隔均为 10min。 试验期间温室作物区的栽培管理均与一般生产相同 。1.2.1 热通量日变化分析 在西山墙接受太阳辐射不同的位置分别布置 9 个热通量板 ， 利用 TRM-ZS1 型室内环境监测系统收集代表性天气的连续 24h 的热通量实测数据 ，分析不同天气条件下西山墙不同位置的热通量日变化规律 。1.2.2 热通量分布规律分析 利用 surfer8.0 对西山墙热通量实测数据进行分析处理 ， 首先创建 XYZ 数据文件 ，然后将数据文件转换为网格文件 ，最后通过等值线命令创建基于不同天气条件下西山墙不同位置在同一时间的热通量的分布规律等值线图 ，从而可以直观地分析西山墙热通量的分布情况 。2 结果与分析2.1 晴天西山墙热通量日变化规律2009 年 5 月 14 日室外全天平均风速 1.3m·s-1，平均相对湿度 37%，平均气温 17.2，最高气温 27。 由图2 可知 ，西山墙白天以蓄热为主 ，夜间以放热为主 。 虽然山墙不同部位同一时刻的热通量数值以及分布是不均匀的 ，但总体变化趋势一致 ，都是随着太阳辐射的增加而不断上升 。 南部偏下在 6:20 就开始蓄热 ，北部偏上则延迟到 7:40 开始蓄热 ，开始放热的时间也相应延迟 ，南部在 15:00 至 15:40 开始放热 ，北部最晚到 18:00 才开始138· ·第 2 期图 3 日光温室西山墙的热通量分布Figure 3 Heat flux distribution of west wall inside the greenhouse李天来等 ：辽沈 型日光温室西山墙热通量日变化及分布规律的研究放热 。 由南至北热通量达到峰值的时间也依次延迟 ，南部 9:00 左右就可以达到峰值 ，而北部最晚要延迟到 11:30 左右 。 由上至下则逐渐提前 ，靠近温室脊处甚至也要到 11:30 才可以到达蓄热峰值 。 西山墙北部与北墙交界附近无论上部还是下部峰值到达的时间一致 ，是各点峰值时间延迟最严重的 ，这是由于后坡的阴影遮蔽作用和太阳高度角导致墙体无法接收太阳辐射 。10:00 左右蓄热量突然降低是由于短时间云量增加使山墙无法得到足够的太阳辐射 ，导致周围温度暂时下降 ，墙体为了维持周围的热平衡而短时间削减了蓄热量 。2.2 晴天西山墙热通量分布规律由图 3 可知 ，由于太阳高度角的原因 ，9:00 左右是西山墙一天当中蓄热值最大的时刻 。 南部热通量比北部大 ，山墙下部热通量比上部大 ，是由于得到更多的太阳直接辐射 ，北部中部的蓄热量最小 。 上午的光质比较好 ，此时是山墙一天当中蓄热最关键的时期 ，墙体热量大部分在此时完成蓄积 。 到 12:00 时 ，整体分布差异不大 ，南北部蓄热量较中部偏大 ，中部上下分布基本均匀 ，靠近北墙与南部底部的区域热通量最大 ，但热通量绝对值相对于 9:00 时已经大幅度下降了 ，说明墙体蓄热量开始下降 ，但此时山墙仍然处于蓄热阶段 。15:00 山墙南部中部开始放热 ，其他部分继续蓄热 ，此时山墙北部蓄热量最大 ，但由于此时太阳辐射大幅下降 ，所以热通量数值很小 。 到 17:00 左右山墙全面放热 ，北部中部放热时间延迟将近 50min（数据未列出 ）。 热通量分布与 12:00 时相比大致相同 ：南部偏小 ，北部较大 。0:00 放热情况与 9:00 时墙体蓄热量密切相关 ：中南部由于接受大量的太阳直接辐射 ，所蓄积的热量比北部多 ，所以夜间释放的热量比北部多 。 虽然山墙北部在中午至下午的时间内蓄热量大于其他部分 ，但所接受的太阳直接辐射量远远小于 9:00 时 ，所以夜间的放热能力明显小于其他部分 ，尤其是山墙中南部 ，但墙体上下部的放热量无显著差异 。 由此可见 ，晴天西山墙中南部的放热量远远大于北部 ，而墙体上下部的差异并不显著 。2.3 阴天西山墙热通量日变化规律2009 年 5 月 16 日室外全天平均风速 4m·s-1，平均相对湿度 60.5%，平均气温 13.2，最高气温 15.6。 由图 4 可知 ，阴天情况下 ，由于墙体得不到任何太阳直接辐射 ，西山墙放热时间大于蓄热 。 虽然墙体有短时间的蓄热过程 ，但无论是蓄热强度还是蓄热量都比晴天小的多 。 山墙不同部位同一时刻的热通量是不相同的 ，总体变化趋势一致 ，但热通量的绝对值非常小 ，说明在没有太阳直接辐射的情况下 ，墙体的蓄放热能力大幅下降 。139· ·第 41 卷沈阳农业大学学报图 5 日光温室西山墙的热通量分布Figure 5 Heat flux distribution of west wall inside the greenhouse图 4 阴天日光温室西山墙的热通量Figure 4 Heat flux of back slope inside the greenhouse由于热通量是随着太阳辐射的增加而不断上升的 ，所以阴天山墙不同部位的热通量到达峰值的时间基本相同 ，但蓄放热的转换时间不同 。 南部墙体开始蓄热的时间最早是 6:40，北部最晚 7:40，但达到峰值的时间都是 10:00，虽然缺少太阳直接辐射 ，但是南部的蓄热量仍然大于北部 。 11:10 左右山墙中部最先开始放热 ，南部 16:00左右开始放热 ，北部偏上部分 16:50 左右才开始放热 ，是山墙开始放热时间最晚的部位 。 10:00 左右蓄热量迅速增高和云量突然减小有关 ，云量减小使散射辐射暂时增大导致山墙周围温度突然升高 ，墙体为了维持周围的热平衡而短时间增加了蓄热量 。西山墙阴天的热通量峰值与晴天相比明显不同 。这是因为阴天墙体热通量主要受散射辐射影响而不是太阳直接辐射 ，也就不受太阳高度角影响 。 由图 2 和图 4 可知 ，阴天西山墙的蓄热量和蓄热时间远远小于晴天 。 由于墙体整体的蓄热量下降 ，所以相同位置放热量也相应地下降 ，这也是阴天室内温度较低的原因之一 。2.4 阴天西山墙热通量分布规律由图 5 可知 ，9:00 左右仍然是西山墙一天之中蓄热量最大的时刻 ，虽然南北差异不大 ，但南部偏下的蓄热量明显大于其他部位 ，北部偏上最小 。因为缺少太阳直接辐射 ，所以墙体整体蓄热能力显著下降 ，尤其北部偏下140· ·第 2 期的蓄热量下降最大 。 到 12:00 时 ，整体分布差异进一步减小 。 虽然墙体南北部仍在进行蓄热 ，但蓄热量显著降低 ，中部开始放热 ，上下分布基本均匀 。15:00 时 ，由于云量短时间减小 ，散射辐射瞬时增大 ，导致墙体再次进行蓄热 ，墙体整体的蓄热量基本相同 ，只有南部偏下蓄热量偏大 。 此时山墙各个部位的蓄放热状态无显著差异 （图 5）。0:00 左右墙体放热情况与晴天有显著差异 ：南部由于 9:00 左右蓄积的热量偏大 ，所以夜间的放热量比北部多 。 虽然山墙上下部在 9:00 左右蓄热量差异不大 ，但是墙体上部夜间的放热量却明显小于下部 ，尤其是山墙北部偏上的位置 。 由此可见 ，在阴天条件下 ，西山墙下部对温室的保温作用大于上部 ，北部偏上部分作用最小 。3 结论与讨论研究结果表明 ，晴天时 ，西山墙上部比下部到达热通量峰值的时间晚 ，放热时间与蓄热时间紧密相关 ，北部开始放热的时间也相应地延迟 ，南部白天的蓄热时间短于北部 ；阴天时 ，西山墙内侧同时到达峰值 ，开始放热的时间比晴天提前了 14h，南部白天的蓄热时间仍然小于北部 ，但总体的蓄热时间远远小于晴天 。 无论晴天还是阴天 ，最晚开始蓄热的部位都是墙体北部 。 墙体夜间的放热量和白天的蓄热量有直接关系 ，所以山墙中南部的放热量大于北部 ，但墙体上下部差异不显著 。 本研究表明 ，西山墙中南部蓄热量大于北部 ，所以墙体北部夜间放热量较低 ，导致温室西北部温度低于其他部位 ，影响附近作物生长发育 。 在设计温室结构时 ，应加强山墙北部及上部的蓄热保温设计 ，如加厚聚苯板 、墙体内侧使用蓄热能力较强的材料等措施 。日光温室墙体热通量是表征墙体蓄热性能的重要指标 ，通过墙体蓄放热量的绝对值大小来判断墙体的蓄热性能 。 目前一般都认为山墙热通量是均匀分布的 ， 但是由于山墙得到的太阳直接辐射随着太阳高度角的不断变化而相应发生改变 ，这直接影响了墙体的热通量变化 ，所以将山墙热通量视作均匀分布是不准确的 。 在研究山墙热通量的时候 ，应该将墙体表面由南至北划分为若干个区域进行分析 ，尽量减小墙体不同部位同一时刻的热通量差异所带来的误差 ，在进行山墙热通量模型研究时应注意这一点 。 实际生产中 ，日光温室的环境变化是比较复杂的 ，包括很多气象因子 ，这些因子直接或间接地影响日光温室维护结构的热通量 ，但有些因子本试验中没有考虑 ， 如温室通风口的风速 。 因为日光温室正常的栽培管理是根据当天的气象条件随时进行适宜的调节 ，对通风口进行操作的依据主要是当时温室内的温度 ，并不考虑风速 。 尤其在温室内种植作物时 ，由于作物的阻挡作用 ，风速对热通量的影响非常小 。 试验的过程是在标准的晴天和阴天条件下进行的 ，但试验过程中不可避免地出现了短时间的云量变化 ，但时间都是非常短的 ，并且试验数据 10min 采集 1 次 ，在一定程度上避免了短暂云量变化对太阳辐射造成的影响 ，因此对试验的结果影响也较小 。参考文献 ：1 THOMS J S,TYSON E O,ROBERT H.Soil heat flux plates:heat flow distortion and thermal contact resistanceJ.AgronomyJournal,2007,99(1):304-310.2 SAUER T J, MEEK D W, OCHSNER T E,et al.Errors in heat flux measurement by flux plates of contrasting design andthermal conductivityJ.Vadose Zone,2003,2(12):580-588.3 杨仁全 ,马承伟 ,刘水丽 ,等 .日光温室墙体保温蓄热性能模拟分析 J.上海交通大学学报 ,2008,26(5):449-453.4 张立杰 ,江 灏 ,李 磊 .土壤中热量传输计算的研究进展与展望 J.冰川冻土 ,2004,26(5):569-575.5 杨红娟 ,丛振涛 ,雷志栋 .谐波法与双源模型耦合估算土壤热通量和地表蒸散发 J.武汉大学学报 ：信息科学版 ,2009,34(6):706-710.6 李惟毅 ,李兆力 ,雷海燕 ,等 .农业温室微气候研究综述与理论模型分析 J.农业机械学报 ,2005,36(5):137-140.7 杨晓光 ,陈端生 ,郑海山 .日光温室气象环境综合研究 (四 )：日光温室地温场模拟初探 J.农业工程学报 ,1994,10(1):150-156.8 孟力力 .基于 VB 和 MATLAB 的日光温室热环境模型构建与结构优化 D.北京 :中国农业科学院 ,2008.9 李树海 ,马承伟 ,张俊芳 ,等 .多层覆盖连栋温室热环境模型构建 J.农业工程学报 ,2004,20(3):712-716.10 马承伟 ,张俊芳 ,覃密道 ,等 .基于覆盖层能量平衡法的园艺设施覆盖材料传热系数理论解析与验证 J.农业工程学报 ,2006,22(4):1-5.11 吴德让 ,李元哲 ,于 竹 .日光温室地下热交换系统的理论研究 J.农业工程学报 ,1994,10(1):137-143.12 吴德让 ,李元哲 ,于 竹 .日光温室地下热交换系统的实验和优化设计研究 J.农业工程学报 ,1994,10(1):144-149.13 佟国红 ,王铁良 ,白义奎 ，等 .日光温室墙体传热及节能分析 J.农业系统科学与综合研究 ,2003,19(2):101-105.14 陈端生 .中国节能型日光温室建筑与环境研究进展 J.农业工程学报 ,1994,10(1):123-129.责任编辑 马迎杰 李天来等 ：辽沈 型日光温室西山墙热通量日变化及分布规律的研究 141· ·