設施環境熱調控技術及設施應用1）

呂桂菊

（黑龍江省農業科學院園藝分院，哈爾濱 150069）

溫室是作物生長的載體，是提供熱能源的主要供體，直接影響產量及經濟效益。太陽輻射是溫室熱能力的的主要來源，當Qin＞Qout（收﹥支），室內蓄熱升溫；當Qin＝Qout，熱量收支平衡恒溫；當Qin＜Qout，室內失熱降溫。通過增補和消減供給溫室內熱量的措施，達到升溫和降溫的目的，最大化滿足作物生長需求。

1 園藝設施內的溫度特點

透明覆蓋物對太陽的輻射透過率可達80%～90%，地面和作物的長波輻射透過率僅為6%左右，使太陽能轉化為熱能，蓄積在溫室內，使溫度升高，產生溫室效應；氣溫季節性變化明顯，有四季區分，保溫性能好的日光溫室幾乎不存在冬季；氣溫日較差大于外界，平均溫度高于外界；氣溫分布嚴重不均，上高下低，中部高四周低，單屋面溫室夜間北高南低；土溫較氣溫穩定，中部高于四周，30cm以下土溫變化很小。

產生原因：太陽光線入射量不均；園藝設施內氣流運動的影響；加溫技術影響溫度分布，面熱源優于線熱源和點熱源、單屋面溫室加溫，熱源設在南側墻，溫度分布均勻；通風技術影響溫度分布，通風口附近溫度較低，通風時應“先開天后開地”。

2 園藝設施熱量損失的途徑

主要途徑貫流放熱、縫隙放熱、地中傳熱。貫流放熱，透過覆蓋材料和結構材料放出的熱量占總散熱量的60%～70%，高時可達90%左右；縫隙放熱，園藝設施內外空氣交換而導致的熱量損失是貫流放熱的1／10，包括潛熱（經通風換氣排出水汽而散失的水的汽化熱）和顯熱兩部分；地中傳熱熱量在土壤中的垂直傳導和水平傳導。白天日光溫室地面吸收的的太陽輻射超過地面的有效輻射，地面和空氣升溫，熱量以輻射和對流的形式帶到覆蓋物的內表面。夜間室內地面和圍護結構（后墻和后屋面）進行有效輻射，白天存儲的熱量補充到溫室內，緩和空氣和地面降溫的速度，由于室內外溫差，貫流放熱加大，由于夜間通風口關閉和外覆蓋等防寒物，減少了貫流放熱和縫隙放熱，冬季室內氣溫一般一夜只降低5～7℃。改善溫室的維護結構是減少室內貫流放熱和縫隙放熱的有效途徑，是減緩室內降溫，保持作物正常生長的所需適宜溫度的有力保障。溫室墻體傳導散熱量占總耗熱量的20%～25%，前屋面散熱占總耗熱量的70%～80%。傳統溫室造價成本比例來看，后墻、后屋面造價占總造價的70%～74%，前屋面及外保溫材料之戰總造價的20%～23%，造成保溫效果不好的弊端。

3 設施熱環境調控技術及設施應用

熱環境調控以其調控目的不同，分為保溫、增溫、降溫、變溫四種不同的調控措施。

3.1 保溫技術及設施應用

3.1.1 保溫墻體的合理設計

溫室墻體兼有隔熱和儲放熱兩個功能，傳導散熱占到總散熱的20% ～25%，改進或創新墻體結構，增加蓄熱量或蓄熱面積，減少熱損失，是近幾年溫室保溫研究的重點。目前大多數菜農采用低價的土墻溫室（單一材料），要保證土墻厚度在1～1.5m，才可以達到較好的保溫效果；異質多功能復合墻體的應用：①內墻采用24cm紅磚，外墻采用24或37cm紅磚墻體或加氣磚、中間填充5～10cm厚聚苯乙烯泡沫板（具體依據各地區氣候條件而定）。內墻起到白天蓄熱，夜間放熱，中間層熱阻高，時候強總的熱阻提高3.0m2·℃／W以上，保溫隔熱和蓄熱功效提高15%左右。②蜂窩墻體，內層砌筑為“跑不變，中間隔一塊縮回2寸”，形成“蜂窩”形狀，保溫墻體結構為磚砌體0.5～0.7cm，外貼10cm苯板，然后抹水泥沙漿2cm。表面積增加30%，蓄熱在不加溫的情況下內外溫差達30℃、釋放熱延長2h、能源損耗降低5%、原材料節省2.5%。③輕材質保溫墻體，墻體寬0.5～0.8m，墻體兩側為鎂剛夾芯保溫板做擋板，內襯塑料薄膜，中間填充稻殼或稻草、珍珠巖，內外墻體護板粘貼25mm擠塑板相當于870mm磚墻保溫），保溫效果可達到一夜下降2℃（室外－30℃情況下），在長春已進行大規模冬季不加溫生產。④異質復合相變材料（就像利用水和冰相互放熱、吸熱原理）墻體，采用石灰粉10%～30%，水泥30%～55%，珍珠巖2%～5%，水8%～12%及防凍劑組成，制備復合相變材料初凝24h封裝制作砌塊成品。相變墻溫室內的溫度波動幅度比普通溫室小3.5℃，白天溫度平均可降低1.7℃，夜間平均提高0.62℃，最大可提高3.3℃。

3.1.2 保溫覆蓋材料的應用

主要用于增加透光面夜間的熱阻，傳統的外保溫覆蓋材料有草簾，但層保溫能力5～6℃，雙層14～15℃；草簾上加一層由四層牛皮紙復合的紙被，保溫能力8℃左右；棉被為7～10℃。目前應用主要由微孔泡沫塑料、毛氈、蜂窩塑料及防水材料構成，重量僅為傳統草簾的10%～30%，保溫能力14～15℃，便于機械操作。

多層覆蓋，選用PE或EVA農膜，顯著提高保溫性，早春“三棚四膜”比單層棚膜最低溫度提高10～12℃，定植期提前30天，蔬菜上市期提前30～40天，經濟效益提高1～1.5倍。

3.1.3 前沿（或東南西三面）隔熱板的設置（防寒溝）

主要減少縫隙傳熱，新型日光節能溫室通常采用5～8cm厚的聚苯板隔熱，埋的深度，根據當地凍土層，哈爾濱地區100cm。

3.1.4 地中熱交換系統的設置

冬季因溫度過高而通風降溫，使熱資源浪費，為蓄積白天富裕熱量來補充夜間降溫時室內熱量不足，建議采用地中熱交換系統，在40～60cm地下鋪設通風管道，與軸流風機相連，白天向土壤中貯熱，出風口溫度降低6.5～7.5℃；夜間釋熱，出風口溫度升高4.5～5.3℃。

3.1.5 膜下滴灌技術減少潛熱損失

土壤蒸發及作物蒸騰，消耗大量的氣化熱，惡化溫室熱環境，可提高地溫2～4℃，采用無滴地膜，提高地膜透光率。

3.2 增溫技術及設施應用

3.2.1 空氣加溫

為輻射采暖，利用電加熱或燃氣加熱輻射的大量紅外線轉化為熱能，升溫快，尤其對北緯41°以北地區普遍采用。對于單屋面溫室，一般在北墻或中間安裝煙道，或熱水供暖系統（熱穩定性較高，適應范圍較廣），熱風供暖系統（熱穩定性較低，適用于短時間補充熱量）；對于現代化連棟溫室則采用加溫集成技術，節能效果顯著。如雙層充氣膜覆蓋、活動式內保溫幕、地中交熱、被山墻蓄熱、雙層充氣卷簾機等技術的集成。

3.2.2 土壤加溫

多采用土壤下埋入電熱線和埋設釀熱物。前者又稱電熱溫床，使電能轉化成熱能，實現土壤溫度的自動調節，保溫效果好，設備簡單，用途廣泛。后者溫室土壤下面埋一層釀熱物，既能提高地溫（10cm深土層溫度提高1.5～2.0℃），又能補充二氧化碳氣體，從而提高作物產量。目前較先進的土壤加溫技術為地熱膜加溫技術，加溫效果顯著，但成本高。

3.3 變溫管理技術及應用

在設施栽培中，目前主要推廣的是棚室四段變溫管理，主要是通過通風的方式實現。上午高溫管理，10時前一般不放風，10時后，根據棚室內溫度狀況，決定放風量的大小，如果棚室內溫度低于28℃，應少放風，達到28℃以上時，開始大放風，并能使午后溫度逐漸降低。日落后根據天氣狀況和棚室內溫度，從5月中旬到6月上旬，日落后放風1～3h，然后關上通風口，就可使前半夜溫度逐漸降低，進入6月中旬后，應晝夜放風，并逐漸加大放風口。如黃瓜變溫管理，比一般溫度管理增產20%，節省燃料11%～19.5%，，茄子增產10%～15%，節省燃料10%～15%；番茄增產7%～10%，節省燃料10%～15%。如表1為主要設施果菜四段變溫管理指標。

表1 設施果菜四段變溫管理