新型装配式节能日光温室冬季温控效果研究

湖 北 农 业 科 学 2015 年收稿日期 ：20141229基金项目 ：黑龙江农垦总局课题 （HNK11A010902）作者简介 ：杨凤军 （1972），男 ，黑龙江佳木斯人 ，副教授 ，博士 ，主要从事设施园艺与环境方面的研究工作 ，（电话 ）13634576960（电子信箱 ）yangfengjun126com。第 54 卷第 23 期2015 年 12 月湖 北 农 业 科 学Hubei Agricultural SciencesVol 54 No.23Dec.，2015第 卷第 期年 月湖 北 农 业 科 学 l No.2Dec.，日光温室中的能量主要通过太阳能获得 ，部分能量以热量的形式存储于后墙 、山墙和土壤中1。 白天 ，墙体表面进行热量的蓄积2，这些热量主要是通过接收透过前屋面照射进来的太阳辐射 ，温室内最高温能达到 35 以上 ；在夜晚 ，当室内气温下降时 ，墙体和土壤中蓄积的热量又不断地向温室供应 ，墙体内通过导热过程以及墙体表面通过与室内空气对流换热的过程 ，不断地向室内释放热量 ，以提高新型装配式节能日光温室冬季温控效果研究杨凤军1，杨微微1，孙周平2，安子靖1，徐 蕾1，胡凯凤1（1黑龙江八一农垦大学农学院 ，黑龙江 大庆 163319；3沈阳农业大学园艺学院 ，沈阳 110866）摘要 ：在黑龙江地区 ，由于冬季日光温室夜间温度过低 ，难以满足作物生长的需求 。 大庆引进的新型装配式节能日光温室 ，设有水循环蓄放热系统和空气 地中热交换蓄放热系统 。 以大庆普通温室为对照 ，检测了冬季最冷时期新型温室与对照温室室温在东西 、南北方向上的变化及分布 ，不同土层土温的变化及南北方向上土温的变化分布情况 。结果表明 ，新型温室可保持夜间室内气温在 12 以上 ，温度分布均匀 ，比对照温室室内气温提高 23 。 试验温室土层深度在 60 cm 以上的区域温度一直高于对照温室 ，10、30、60 cm 处夜间平均温差分别为 57、40、27 。 此新型温室的设计不仅提高了温室内的气温 ，而且也提高了作物根部的土壤温度 。关键词 ：日光温室 ；温度 ；地温 ；水循环系统 ；空气 地中热交换蓄放热系统中图分类号 ：S625 文献标识码 ：A 文章编号 ：04398114（2015）236038-05DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.062Study on a New Type of Assembled EnergySaving Sunlight Greenhousein Winter Temperature EffectYANG Fengjun1，YANG Weiwei1，SUN Zhouping2，AN Zijing1，XU Lei1，HU Kaifeng1（1Agronomy College，Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing 163319， Heilongjiang， China；2Horticulture College，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110866， China）Abstract： In Heilongjiang province， because of solar greenhouse in winter night temperature is too low， so it is difficult tomeet the needs of crop growth A new assembled energysaving solar greenhouse was introduced into Daqing city， the heatstorage of water circulation system and airground heat storage in the heat exchange system were designed in the greenhouseTaking the common greenhouse in Daqing city as comparison， in the coldest winter period， the indoor temperature changeand distribution of newtype and common greenhouse in the east and west， north and south direction were detected， also thesoil temperature changes and distribution of different soil layer and northsouth direction were directed The results showedthat， the indoor temperature could be kept above 12 at night， with uniform temperature distribution，compared with thecommon greenhouse， temperature increased by 23 The temperature was higher than the conmmon greenhouse for thenewtype greenhouse in region of soil depth above 60 cm， the night mean temperature difference of 10，30 and 60 cm soildepth were 57，4.0 and 27 ， respectively Therefore， the new type of greenhouse not only can improve the temperature in-side the greenhouse， but also boost the soil temperature of crop rootsKey words： sunlight greenhouse； temperature； the ground temperature； water cycle system； airground heat exchange system第 23 期空气温度3。 但是由于受墙体材料热物理特性的限制 ，北墙蓄热能力有限 ，所以温室内后半夜的气温往往较低4，低温冷害现象时有发生 ，严重影响作物的高效生产 。在温室的蓄热保温方面 ，日光温室墙体起到非常重要的作用 ，是日光温室优化结构时需考虑的重要因素5。 从近几十年日光温室的不断发展来看6，后墙的结构不断变化 ， 由早期的人工土筑墙到砖砌墙 ，再到目前的机打土墙 、异质复合墙等 ，不胜枚举711。 李小芳等12针对砖墙的不同厚度 、复合墙中的不同苯板厚度 、组合墙体中的不同厚度砖墙和不同厚度的聚苯板组合体对室内气温影响这一问题进行了系统分析 ，最后得出不同厚度砖墙聚苯板隔热材料的最适厚度为 010 m； 隔热材料在厚度相同时 ，较薄的砖墙厚度保温效果要优于较厚的砖墙厚度 ；对于较薄的砖墙厚度 ，材料的排列秩序对保温影响比较明显 ；王宏丽等13研究相变材料具有较高的蓄热性 ，白天充分吸收并蓄积来自照射北墙表面的太阳能 ， 夜间再将白天蓄积的热量释放出来 ，以提高温室的夜间温度 ，温室墙体厚度减薄 ，提高照射温室北墙上的太阳能利用率 ；方慧等14研究一种透光水幕帘增加日光温室蓄热量的方法 ，设计了一种温室蓄放热增温系统 ， 以日光温室的后墙为结构支撑 ，白天利用该系统的集放热板吸收太阳辐射能 ，再通过水介质将吸收的热量储存于蓄热水池中 ；在夜晚 ，通过水介质的循环将蓄积的热量源源不断地释放到温室中 ， 以提高夜晚的温室内气温 ；张义等15设计了一种以日光温室墙体结构为依托 ，以水为介质进行热量蓄积与释放的水幕帘蓄放热系统 ，该系统在白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能 ，同时将吸收的能量储存在水池中 ，夜晚再利用水循环通过水幕帘释放热量 ，使日光温室内温度升高 ；张海莲等16在青海设计了不同埋深的地热管 ，研究温室地下蓄集太阳热能的效果 ；刘圣勇等17和李炳海等18研究利用太阳能使土壤加温的系统 ，可显著提高地温 。针对以上研究 ，沈阳农业大学设计了一种新型装配式节能日光温室 ， 该温室以太阳能为热源 ，以水为蓄热介质 ，以温室浅层土壤为蓄热体 ，白天通过水的循环将热量收集并储存到水池和温室浅层土壤中 ，夜间通过土壤的自然放热将热量释放到温室中 ，提高温室夜间温度19，降低作物冬季冻害的发生率 ，实现作物的安全越冬 。 2013 年将新型温室引进大庆 ，本试验对新型温室的冬季温度环境进行检测 ，为进一步优化新型装配式节能日光温室的结构和功能提供了理论基础 。1材料与方法11 试验温室的概况试验温室位于黑龙江省大庆市大同区航天果蔬基地内 （东经 12448，北纬 462），该温室的骨架为半圆弧形结构 ，采用可以滑动的岩棉彩钢板保温覆盖形式和可移动的保温山墙 ，采用水循环系统和空气 地中热交换蓄放热系统 ，跨度 12m，脊高 55m，长度 65 m，屋面采光角高达 415。 后坡水平投影长为 16 m，净面积为 780 m2；设计风荷载 055 kN/m2，雪荷载 045 kN/m2；温室有效栽培空间 2535 m。12 水循环系统和空气 地中热交换蓄放热系统的设计温室的蓄热体主要采用的是水循环系统 。 水循环系统由水池 、水泵 、输水管道 、采光板 、回水管道和控制器等组成20。 温室内后墙上有一个面积 360 m2的采光板 ，水池容积 32 m2，位于温室后墙内侧地下 ，水泵功率 750 w，流量 15 m2h。 昼间 8：3016：00 启动水循环系统 ， 把水池中的水输送到采光板的顶部 ，通过采光板吸收太阳能 ，并顺着采光板的每个空隙流下 ，最后通过回流管道流回水池 ，这样太阳照射能蓄积在水池 。 夜间 0：306：30 日光温室内温度下降时再次启动水循环系统 ，可通过白天采光板积累的热量向温室中释放 ，从而避免日光温室夜间温度降低 ，如图 1 所示 。空气 地中热蓄放热交换系统 ： 该系统将温室内顶部 45 m 处的热空气通过风机导入到温室地下05 m 的热交换管中 ，以提高白天温室的蓄积热量和土壤的温度20，21。 该系统只在昼间 10：0015：00 启动 ，晚上停止运行 。 风机总功率为 12 kW。 该系统中 ，地下热交换管为南北走向 ，进风口在温室的北侧 ，出风口在温室的南侧 ，每 6 m 设为一组 ，每组设置一个小型风机 ，共 10 台风机 ；系统进风口管道的上端位于温室顶部 ，距温室地面约 45 m（此处晴天温度有时可达 40 左右 ）。13 试验方案选择晴天同时测定试验温室与对照温室 、气温的分布情况和地温的变化情况 。 试验时间为 2014年 1 月 8 日至 9 日 ，8：30 揭开保温板 ，开启循环水图 1 水循环系统示意图东主管支管毛管采光板蓄水池水泵杨凤军等 ：新型装配式节能日光温室冬季温控效果的研究 6039湖 北 农 业 科 学 2015 年泵蓄热 ，16：00 关闭循环水泵 ，17：00 盖上保温板 。每间隔 30 min 记录各监测点的温度 。气温的测量 ：将试验温室设为 A，对照温室为设B，距离地面 1 m 的高度上 ，在东西方向上 A 温室选取 3 点 A1、A2、A3， 分别距离东侧山墙 3 m 处 、 中间点 、距离西侧山墙 3 m 处 ；在南北方向上同样选取 3点 A1、A2、A3，分别距离后墙 2 m 处 、中间点 、距离前骨架 2 m 处 。 相应的 B 温室在东西方向上选取 3点 B1、B2、B3，分别距离东侧山墙 3 m 处 、中间点 、距离西侧山墙 3 m 处 ； 在南北方向上取 3 点 B1、B2、B3， 分别距离后墙 2 m 处 、 中间点 、 距离前墙 2 m处 。 应用 HOBO U10003 型测量仪测量 A 温室温度 ，测量范围为 40 100 ，精度 05 ，分辨率01 ； 应用 HOBO U23003 型测量仪测量 B 温室温度 ，测量范围为 ：40 100 ，精度 021 ，分辨率 002 。土温的测量 ：在温室 A 与温室 B 的中部布置土层温度的测点 ，A 温室和 B 温室土层深度分别是Aa10 cm、Ab30 cm、Ac60 cm，Ba10 cm、Bb30 cm、Bc60 cm； 同时测量 10、30、60 cm 不同土层深度在温室南北方向上的温度变化情况 ，因在东西方向上换热管布置比较均匀 ，热量分布也均匀 ，土温变化小 。 利用铁套直角地温计分别测量 A、B 温室内的土层温度测量 ，范围为 40 100 ，精度 05 分度 ，示值误差 1 。2结果与分析21 温室内气温变化211 东西走向不同点温度分析 从 A 温室的东西方向上看 ，A1、A2、A33 个点的温度随着时间的推移逐渐升高 ，在下午 13：00，A1、A2、A33 点的温度达到最大值 ，分别为 320、373、355 ，然后随着时间的推移又逐渐下降 ，A 温室在 10：0012：30，由于打开东侧山墙增加光照 ，使 A1点的散热量加大 ，即 A1点的温度比 A2、A3两点的温度低 30 左右 ，在其他时间 ，A1点温度较 A3点和 A2点温度都稍低 ， 温差02 和 03 ，说明 A 温室在东西水平方向上的温度分布比较均匀 。B 温室的 3 个点 B1、B2、B3，白天 13：00 以前温度逐渐升高 ，14：00 以后温度开始降低 ，第二天 6：30 达到最低值 ，分别为 58、75、51 。 B1点由于受东侧山墙阴影的影响 ，所以 B1点的温度比 B3点及 B2点的温度都低 ，温差 20 左右 ；到下午 ，由于西侧山墙阴影的出现 ，B3点的温度降低幅度较大 ，使 B1、B2、B33 个点的温度变化不稳定 ，最大温差 4 左右 ， 说明在东西方向上 B 温室的温度分布不均匀 。图 2 是 A 温室与 B 温室在东西方向上的平均温度变化情况 。 A 温室与 B 温室在白天 13：00 以前 ，主要是受太阳能的影响 ，温度升高 ，A 温室的东西方向平均温度大于 B 温室 ， 最大温差 51 ，在14：0017：00 盖上保温板以前 ，两温室内的温度逐渐下降 ，盖上保温板以后 ，A 温室内温度主要受蓄积热量的影响 ，这时两温室内的温差加大 ，在凌晨 1：304：00 温差最大 ，温差最大值为 63 ，此时室外的温度为 230 ， 说明 A 温室白天通过水循环系统和地热交换系统蓄积热量 ，夜间通过释放蓄积热量来维持温室内温度 ，即使室外达到最低温时 ，A 温室内的植物也能保持正常生长 。212 南北走向不同点温度分析 在南北方向上 ，温室除地面向空气中均匀放热外 ，后墙及水池中蓄积的热量也在夜间放热 ，放热的大致方向是从北到南 ，这种放热的形式可能会造成温室在南北方向上的温度分布不均 。 在 A 温室 ，受采光板及太阳辐射的影响 ，白天 10：0014：00，A1、A3温度稍高 ，A2温度次之 ，温差最大 2 ，其余时间温差保持在 02 左右 ，说明在南北方向上 A 温室夜间温度分布非常均匀 。B 温室主要受太阳辐射的影响 ，白天 10：3015：30，温度 B3B2B1，最大温差 60 左右 ，15：30以后 3 个点的温度逐渐降低 ， 受后墙散热的影响 ，B1、B2、B33 个点的温差越来越大 ，最大温差出现在凌晨 1：304：30，温差为 50 ，说明在南北方向上对照温室夜间温度分布不均匀 。从图 3 可以看出 A 温室与 B 温室在南北方向上平均温度的变化情况 ，白天 10：0013：00 太阳光照比较强 ，两个温室的温差变化明显 ，平均温差为55 左右 ，盖上保温板及保温被后 ，两个温室间的温差变化增大 ，平均温差为 60 左右 ，当夜间室外温度达到最低时 ，A 温室在水循环系统和空气 地中热蓄热系统的共同作用下 ， 温室内的气温为117 ，而 B 温室内气温只有 65 ，说明 A 温室的保温蓄热能力高于 B 温室 。8：00 10：30 13：00 15：30 18：00 20：30 23：00 1：30 4：00 6：30 9：00时间403020100-10-20-30温度/图 2 A、B 温室东西方走向不同点平均温度A 温室东西平均温度B 温室东西平均温度室外温度6040第 23 期8：00 10：30 13：00 15：30 18：00 20：30 23：00 1：30 4：00 6：30 9：00时间403020100-10-20-30温度/A 温室南北平均温度B 温室南北平均温度室外温度图 3 A、B 温室南北走向不同点平均温度22 温室内土温变化221 土温在同一位置不同土层深度的变化1）同一温室不同土层深度温度的变化 。 A 温室内土层温度的日变化是昼高夜低 ，随着土层深度的增加 ，土温降低 ，不同土层温度的变化趋势差异较大 ， 土壤表面 10 cm 处的温度随着太阳辐射照度的变化比较明显 ， 白天温度高 ，14：00 达到最高温 ，14：00 以后温度逐渐降低 ，且波动较大 ；30 cm 土层温度白天逐渐降低 ，夜间逐渐升高 ，主要是因为热量的传递在时间上比较延后 ， 夜间能保持温度在1113 ，使植物正常生长 。 60 cm 土层温度主要受水循环的影响 ， 空气 地中热交换系统昼间 10：0015：00 启动 ，将温室上部 45 m 处的热空气通过风机导入到温室地下 05m 处的热交换管中 ，以提高温室内白天的热量积累和土温 ， 然后夜间放热 ，60 cm土层温度白天比晚上高 。 白天 B 温室 10 cm 土层温度由于太阳辐射温度升高 ， 晚上温度降低 ，30、60 cm土层热量传递比较慢 ，所以土温白天低 ，最低土温在14：00，分别为 613 和 596 ；夜间高 ，由于热量的传递 ，最高土温分别为 918 和 806 （表 1）。2）不同温室同一土层深度温度的变化 。 A、B 两温室 10 cm 土温都是昼高夜低 ， 白天两温室土温差异不大 ，但盖上保温板 、保温被后 ，A 温室土温下降比 B 温室慢 ；A 温室 30 cm 土温明显高于 B 温室 。在 A 温室 60 cm 土层 ，其热量来源于后墙的集热管收集的热量 ， 集热管收集的热量转移到土层中 ，以及高温土层与周围低温土层之间的热量传递 ； 而 B温室 60 cm 土层的热量仅来源于高温土层与周围低温土层之间的热量传递 ，所以 A 温室 60 cm 土层温度明显高于 B 温室 （表 1）。3）平均温度 。在白天 ，A 温室地表主要通过太阳的辐射直接蓄热 ，60 cm 土层则通过水循环将热量收集并储存起来 ，因此 A 温室 10 cm 和 60 cm 土层温度均高于 30 cm 土层 。 B 温室白天只能通过太阳辐射蓄积热量 ， 所以从 10 cm 土层到 60 cm 土层温度逐渐降低 。 白天通过水循环系统和空气 地中热系统增加了 A 温室的蓄热量 ，夜间 A 温室各层土温均高于 B 温室 （表 1）。222 土温在不同位置同一土层深度的变化 30cm 土层是植物生长的最适土层深度 。 在 30 cm 土层 ，白天 14：00 温度最低 ，A 温室南 、中 、北 3 个点此时最低土温分别为 135、120、112 ；夜间 3：30 达到最大值 ，A 温室南 、中 、北 3 个点此时最高土温分别为 140、127、116 ， 一天内最大温差为 64 ，差值变化曲线平稳 ，可 A 温室南北方向上温差小 ，分布均匀 （图 4）。从图 5 可以看出 ，B 温室白天 14：00 最低土温南 、中 、北 3 个点分别为 108、100 和 70，晚上 3：30达到最大值 ，南 、中 、北分别为 99、91、76 ，一天内 B 温室的最大温差为 70 ，温差曲线变化明显 ，由此可以看出 B 温室南北方向上温差较大 ，分布不均匀 。3小结与讨论研究结果表明 ，应用水循环系统和空气 地中8：00 11：00 14：00 17：00 20：00 23：00 2：00 5：00 8：00时间1614121086420温度/图 4 A 温室 30 cm土层南北方向的温度变化A 南A 中A 北A 温室南北方向温度差值图 5 B 温室 30 cm土层南北方向的温度变化8：00 11：00 14：00 17：00 20：00 23：00 2：00 5：00 8：00时间14121086420温度/B 南B 中B 北B 温室南北方向温度差值杨凤军等 ：新型装配式节能日光温室冬季温控效果的研究表 1 A、B 温室不同土层温度温度 /温室AB土壤深度cm10306010306011：0022.412.720.620.610.58.008：009.313.59.88.410.98.114：0025.012.022.622.710.07.617：0016.011.513.215.89.56.920：0015.212.410.810.88.46.723：0014.412.010.510.08.96.902：0014.012.310.18.29.07.305：0013.913.09.97.59.27.608：0013.013.59.47.09.88.06041湖 北 农 业 科 学 2015 年热蓄放热系统提高日光温室夜间温度的方法是可行的 。 通过试验得出以下结论 ： 应用该系统可提高温室内的夜间温度 ， 当室外气温达到最低值 231 时 ， 试验温室内的气温仍保持在 13 以上 ，保证了作物的正常生长 ；水循环系统对保证温室晚间的温热环境具有重要作用 ，该系统可以代替砖墙的蓄热 、保温功能 ；空气 地中热蓄放热系统白天通过贮存太阳辐射的热能 ，使温室浅层土温升高较明显 ，60 cm 土温平均升高 4 ，30 cm 土温平均升高 2 。由于土壤蓄积热量的增加 ，盖上保温板和保温被后 ， 试验温室与对照温室的温差开始增加 ，平均温差为 40 ；由于试验温室晚上散热量较少 ，所以在晚上温室中的东西 、南北和垂直方向的温度分布较均匀 ，南北方向上的植株长势均匀 ，株高较整齐 ，而对照温室植株南侧低 、北侧高 。 可见试验温室的环境有利于作物生长 ，并且作物长势整齐 。参考国内外对日光温室空气 地中热蓄放热系统的研究成果2224，结合当地的实际情况 ，采用新型装装配式节能日光温室 。 新型温室地下热交换管的走向为南北方向 ，进风口位于温室的北侧 ，出风口位于温室的南侧 ，每 6 m 为一组 ，设置一个小型风机 ，共 10 台风机 ，而不像传统温室采用一个大型的轴流风机 、东西走向的热交换管 ；进风口管道的上端在温室顶部 ，距离温室地面 45 m 左右 ，不同于传统温室主要是抽取近地面的空气 。 新型温室通过贮存太阳热能来提高苗床的温度并利用蓄积的热量进行加热 ，是温室加温 、节能的新方法 。新型装配式节能日光温室在用材上采用保温性能好的岩棉彩钢板 ，作为半圆弧形坡面和东西两侧山墙的围护结构 ，由于在温室顶部的岩棉彩钢板保温覆盖件可以在温室骨架上的滑道实现精准运行 ，不仅便于实现日光温室的自动化控制 ，而且在晚上能够与温室四周形成一个整体的岩棉彩钢板保温覆盖的围护结构 ，可显著提高温室的密封性和保温性 ，有效解决了传统日光温室保温外置所带来的防雨 、防雪 、防风和防火等能力差 ，以及保温效果不佳等问题 。 与此同时 ，东西两侧的岩棉彩钢板保温覆盖山墙还可以分别在上午 、下午打开 ，有效解决了日光温室东西两侧山墙遮光差的问题 ，提高了温室的土地利用率 。新型装配式节能日光温室还处于试验的初级阶段 ，系统还存在装配不完善 、集热率不高等现象 ，需要通过进一步优化系统的参数 、改进装配及施工的工艺 ，完善系统的性能 ，推动新型温室的推广与应用 。参考文献 ：1 李建设 ，白 青 ，张亚红 日光温室墙体与地面吸放热量测定分析 J农业工程学报 ，2010，26（4）：2312362 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）：4494533 佟国红 ，王铁良 ，白义奎 ，等 日光温室墙体传热特性的研究 J农业工程学报 ，2003，19（3）：1861894 马承伟 ，卜云龙 ，籍秀红 ，等 日光温室墙体夜间放热量计算与保温蓄热性评价方法的研究 J上海交通大学学报 （农业科学版 ），2008，26（5）：4114155 刘 建 ，周长吉 日光温室结构优化的研究进展与发展方向 J内蒙古大学学报 ，2007，28（3）：642686 魏晓明 ，周长吉 ，曹 楠 ，等 中国日光温室结构及性能的演变 J江苏农业学报 ，2012，28（4）：8558607 张 勇 ，邹志荣 ，李建明 ，等 日光温室相变空心砌块的制备及功效 J农业工程学报 ，2010，26（2）：2632678 BERROUG F，LAKHAL E K，ELOMARIA M，et al Thermalper-formance of a greenhouse with a phase change materialnorthwallJEnergy and Buildings，2011，43（11）：302930359 李丛典 ，许彦明 加强墙材革新发展新型墙材 J建材工业信息 ，2005，（1）：121510 王晓冬 ，马彩雯 ，吴乐天 ，等 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