復合相變蓄熱墻體材料對日光溫室熱環(huán)境及番茄生長發(fā)育的影響

韓云全陳超管勇李琢凌浩恕

（北京工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100124）

作物的生長受諸多因素的影響，包括溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等，而其中適宜的溫度對作物各個階段的生長發(fā)育至關重要。日光溫室利用溫室效應，使作物在寒冷季節(jié)和夜間不受凍、不發(fā)生寒害，能生長發(fā)育良好（鐘陽和 等，2009）。溫室墻體尤其是北墻，作為溫室吸收和儲存太陽能并為溫室增溫的載體，對提高溫室作物生長熱環(huán)境控制能力至關重要。

隨著相變蓄熱技術的不斷進步和成熟，該技術在日光溫室墻體中的應用研究日益得到關注。為此，國內外的一些學者在墻體材料與日光溫室的結合方面開展了相關的研究工作。Kumari等（2006）通過數(shù)值模擬，研究了 PCM-保溫材料-異質復合墻體板應用在日光溫室北墻時對溫室熱環(huán)境的影響。通過數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)，相變材料的使用顯著提升了北墻的蓄熱性能，且得出溫室北墻達到最大放熱量時PCM板的最小厚度。Najjar和Hasan（2008）應用數(shù)值模擬的方法，建立了相變材料-日光溫室耦合模型，并分析相變材料的應用對溫室各環(huán)境參數(shù)的影響。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，應用相變材料之后，可以使溫室全天溫度波幅減小3～5 ℃，明顯改善溫室熱環(huán)境。西北農林科技大學將相變材料用塑料袋封裝后置于日光溫室北墻的雙孔或多孔空心砌塊內，試驗結果表明，相變墻內外側溫差波動幅度較普通溫室墻體大幅減少，可以有效減少外界環(huán)境通過墻體對室內溫度產生的擾動（孫心心 等，2010；張勇 等，2010；王宏麗 等，2011）。

本試驗基于北京工業(yè)大學建筑工程學院相變蓄熱技術研究團隊關于復合相變墻體板的開發(fā)與研究基礎（陳超 等，2009；薛亞寧 等 2010），將研制的復合相變蓄熱墻體材料應用于種植了番茄的日光溫室北墻內表面，2011年11月至2012年3月的對比試驗結果表明，復合相變蓄熱墻體材料顯著改善了日光溫室內番茄的生長狀況，番茄生長過程中的形態(tài)指標以及果實的產量均明顯好于未采用復合相變蓄熱墻體材料的溫室。

為了深入認識并把握復合相變蓄熱墻體材料對作物生長環(huán)境的作用機制及其影響規(guī)律，本試驗將從溫室北墻內表面溫度、耕作層土壤溫度、有效積溫以及復合相變墻體蓄放熱能力等方面，對試驗過程與結果進行系統(tǒng)地分析與評價。

1 材料與方法

試驗日光溫室位于北京郊區(qū)某蔬菜種植基地，為不供暖溫室；坐北朝南、東西延長；夜間保溫覆蓋物為保溫被，每天8：30揭開，16：00覆蓋，11：00～14：00開啟頂通風。為便于比較研究，將溫室沿東西長度方向等分成2個溫室區(qū)域，分別為1#普通溫室和2#相變溫室（北墻內表面粘貼40 mm厚的復合相變墻體板），中間分隔板采用厚度為100 mm的聚苯乙烯泡沫板（圖1）。

試驗重點觀測 2個溫室北墻內表面溫度、空氣溫度以及土壤耕作層溫度。溫度傳感器采用銅-康銅T型熱電偶，所有數(shù)據(jù)采用HP34970A型數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測，10 min采集1次；同時，采用便攜式移動氣象站實時監(jiān)測太陽輻射照度、室外空氣溫度和風速等。測試時間為2011年10月11日至2012年3月14日。

2 結果與分析

為驗證復合相變蓄熱墻體對日光溫室熱環(huán)境的改善效果，2011年11月4日至2012年3月14日期間，分別對番茄作物生長發(fā)育過程中的形態(tài)和果實產量兩方面進行跟蹤測定。試驗選用的番茄品種為仙客6號，試驗期間番茄的日常水肥管理完全一樣。自2011年10月11日定植后從兩個溫室各選取10株具有代表性的、長勢一致的植株作為定株測定對象，從11月4日開始，依照作物不同生長發(fā)育階段的時間節(jié)點測定作物形態(tài)，包括幼苗生長期、開花期、坐果期和摘心期（表1）；摘心后測定果實形態(tài)指標和果實產量。

圖1 試驗溫室平面示意圖（單位：mm）

2.1 植株形態(tài)指標對比

由表1可知，植株定植后23 d（11月4日），2#相變溫室的植株較1#普通溫室平均高出7.6 cm，差異顯著；進入開花期（11月30日），2#相變溫室的植株較1#普通溫室平均高出 22.3 cm；進入坐果期（12月14日）時，兩溫室的株高已相差27.6 cm。測試時間內2#相變溫室中植株莖粗均大于 1#普通溫室。分析整個仙客 6號生長期間的形態(tài)差異可以看出，無論株高還是莖粗，2#相變溫室番茄的生長狀況均好于1#普通溫室。

2.2 果實形態(tài)與產量對比

由表2可知，2#相變溫室的番茄結果情況優(yōu)于1#普通溫室。截至2012年2月20日，2#相變溫室的結果數(shù)為1#普通溫室的2.3倍，2#相變溫室的果實橫徑和縱徑均為 1#普通溫室的1.4倍；2012年2月23日開始采摘果實，截至 2012年3月14日，2#相變溫室10株仙客6號采摘果實25個，產量為3 kg，而同條件下 1#普通溫室采摘的果實和產量僅為 7個和0.45 kg。

兩個試驗溫室除種植仙客6號外，還種植了其他番茄品種。2#相變溫室作物的結果情況普遍優(yōu)于1#普通溫室，單位面積產量為1#普通溫室的1.7倍。

表1 兩個試驗溫室10株仙客6號形態(tài)指標

2.3 溫室熱環(huán)境比較

2.3.1 氣象條件 為便于分析，以 2012年 1月21～22日作為典型日。圖2為典型晴日室外空氣溫度與水平面上太陽總輻射照度日變化曲線，圖2顯示：室外空氣溫度在-10 ℃～-1 ℃之間變化，平均溫度約為-6.1 ℃，正午太陽總輻射照度為400～500 W·m-2，日照時間為9：00～18：00，共 9 h。

表2 兩個試驗溫室10株仙客6號結果情況

圖2 室外空氣溫度和太陽總輻射照度

2.3.2 北墻內表面溫度 圖3為典型晴日兩個試驗溫室北墻內表面溫度隨時間的變化。由圖3可知，2#相變溫室的北墻內表面溫度始終高于1#普通溫室。

在揭開保溫被期間（9：00～16：00），受太陽輻射影響，兩個溫室北墻內表面溫度均快速上升到峰值，中午之后隨著太陽輻射照度的減弱，溫度開始下降，但由于 2#相變溫室北墻受相變蓄熱墻體材料的影響，北墻內表面溫度的下降速率明顯低于 1#普通溫室；峰值時刻兩個溫室溫差為2.7 ℃，期間最大溫差為3.5 ℃，平均溫差為2.8 ℃。

覆蓋保溫被期間（16：00～次日9：00），由于相變蓄熱墻體材料開始將白天蓄積的熱量持續(xù)不斷地釋放出來，2#相變溫室北墻內表面溫度始終高于1#普通溫室，期間最大溫差為2.8 ℃，平均溫差為1.8 ℃。

圖3 典型日兩個試驗溫室北墻內表面溫度日變化

2.3.3 耕作層土壤溫度 圖4為典型晴日兩個試驗溫室土壤表面、10、20 cm深處土壤的溫度日變化。由圖 4可知，在揭開保溫被期間（9：00～16：00），受太陽輻射及北墻內表面長波輻射的影響，兩個溫室土壤表面溫度均快速上升至峰值，中午之后隨著太陽輻射照度的減弱，土壤表面溫度開始下降；期間兩個溫室最大溫差為2.3 ℃，平均溫差為1.2 ℃。

覆蓋保溫被期間（16：00～次日9：00），土壤開始將白天蓄積的熱量持續(xù)不斷地釋放出來，由于受到北墻內表面長波輻射的影響，2#相變溫室的土壤表面溫度基本上都高于 1#普通溫室，期間最大溫差為0.8 ℃，平均溫差為0.3 ℃。

兩個溫室10 cm深處的土壤溫度，揭開保溫被期間的最大溫差為1.2 ℃、平均溫差為0.5 ℃；覆蓋保溫被期間的最大溫差為1.0 ℃、平均溫差為0.6 ℃。

20 cm深處的土壤溫度全天基本恒定，較土壤表面溫度波動小，但2#相變溫室的20 cm深處土壤溫度始終高于1#普通溫室，最大溫差為0.9 ℃，全天平均溫差為0.4 ℃。

2.3.4 有效積溫 根據(jù)試驗期間采集的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了作物在各個生長發(fā)育期的有效積溫，從開始坐果至采收結束期間（2011年12月 15日至翌年 3月 14日），2#相變溫室的有效積溫為346.5 ℃·d，有效積溫凈增值為42.1 ℃·d，復合相變蓄熱墻體材料的使用改善了作物生長所需要的熱環(huán)境條件。

2.3.5 北墻體蓄放熱能力 為了進一步比較兩個試驗溫室北墻體太陽能利用率以及對日光溫室熱環(huán)境改善的貢獻率大小，根據(jù)所編制的相變蓄熱墻體熱工性能計算程序（陳超 等，2012），并根據(jù)典型晴日2012年1月21～22日氣象臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，從墻體的蓄熱能力和夜間放熱能力兩方面進行了比較分析。

圖5為2012年1月21～22日兩個試驗溫室北墻體蓄熱量的逐時變化（僅計算7 ℃以上部分的熱量）。由圖5可見，截至16：00覆蓋保溫被為止，2#相變溫室北墻體的蓄熱量為9 073 kJ·m-2（1#普通溫室為3 782 kJ·m-2），較9：00揭開保溫被時增加蓄熱量8 883 kJ·m-2（1#普通溫室增加2 958 kJ·m-2），相同時間條件下，2#相變溫室北墻體蓄集太陽能的能力是1#普通溫室的 3倍；并且 2#相變溫室蓄熱量的熱品質也遠高于1#普通溫室，截至16：00，沿溫室北墻體厚度方向，2#相變溫室墻體溫度為23～31 ℃時，墻體層的蓄熱量為4 010 kJ·m-2，是1#普通溫室的2.2倍；2#相變溫室墻體溫度為15～23 ℃時，墻體層的蓄熱量為4 381 kJ·m-2，是1#普通溫室的6.6倍；2#相變溫室墻體溫度為7～15 ℃時，墻體層的蓄熱量為682 kJ·m-2，略低于1#普通溫室。

某一時刻（文中特指16：00），墻體中滿足某一溫度區(qū)間墻體蓄熱量的計算方法為：

式中，ta、tb分別為所求溫度區(qū)間上下限；m為墻體溫度滿足溫度條件的墻體質量；ti為某一厚度結點處墻體溫度；7 ℃為基準溫度，ci為ti溫度條件下墻體材料的比熱；n為沿墻體厚度方向劃分的結點個數(shù)。

根據(jù)建筑熱工理論，蓄熱體溫度越高，可利用的熱能價值越高，其熱品質越優(yōu)。

2#相變溫室北墻體較強的太陽能蓄集能力，也為該溫室夜間覆蓋保溫被期間（16：00～次日9：00）溫室熱環(huán)境的改善提供了良好的條件（圖6）。

圖5 兩個試驗溫室墻體蓄熱量逐時變化

圖6 兩個試驗溫室北墻體逐時吸熱量（白天）與向室內放熱量（夜間）變化

由圖6可見，2012年1月21日白天揭開保溫被期間兩個試驗溫室北墻體均是通過塑料薄膜獲得太陽能；所不同的是，2#相變溫室利用復合相變蓄熱墻體材料吸收和蓄集的太陽能是 1#普通溫室的3倍。因此，覆蓋保溫被期間2#相變溫室北墻體累計向溫室內釋放了6 850 kJ·m-2太陽能熱量，是 1#普通溫室的 3.4倍。2#相變溫室北墻體的放熱主要集中在 17：00～23：00，20：00時達到最大，顯著改善了2#相變溫室內作物的生長條件。

3 結論

（1）應用了復合相變蓄熱墻體材料的 2#相變溫室，可明顯改善作物的生長和產量，與 1#普通溫室相比：2#相變溫室的番茄果實平均橫徑和縱徑均為1#普通溫室的1.4倍；單位面積產量為1#普通溫室的1.7倍。

（2）試驗期間，2#相變溫室有效積溫較 1#普通溫室凈增 42.1 ℃·d；溫室覆蓋保溫被期間（16：00～次日9：00），2#相變溫室土壤耕作層溫度（表面、10 cm深處、20 cm深處）較1#普通溫室分別高0.3、0.6、0.4 ℃。

（3）覆蓋保溫被期間，2#相變溫室北墻體累計向溫室內釋放的太陽能是 1#普通溫室的 3.4倍，顯著改善了2#相變溫室內作物的生長條件。

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