屋頂全開啟型Venlo式溫室的降溫效果

齊振宇， 馬 帆， 孔德棟， 胡衛珍， 童正仙， 孫曉梅

(1.浙江大學 農業試驗站，杭州 310058；2.浙江同濟科技職業學院 水利系，杭州 311231；3. 上海市農業科學院 組織人事處，上海 201106)

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屋頂全開啟型Venlo式溫室的降溫效果

齊振宇1， 馬 帆1， 孔德棟1， 胡衛珍1， 童正仙2， 孫曉梅3

(1.浙江大學 農業試驗站，杭州 310058；2.浙江同濟科技職業學院 水利系，杭州 311231；3. 上海市農業科學院 組織人事處，上海 201106)

通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風窗型兩種Venlo式溫室在不同設定條件下的溫度變化，建立兩種溫室室內與室外白天溫度變化曲線；結合兩種溫室自然通風條件下通風比變化與強制降溫條件下濕簾風機運行狀態，進行屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的分析。在自然通風降溫條件，晴天時屋頂全開啟型溫室比屋頂通風窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，更接近設定溫度；陰天時差異不明顯，屋頂全開啟型溫室1 d中室內最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25℃；在強制降溫開啟的條件下，屋頂全開啟型溫室濕簾風機啟動遲，停止早，濕簾風機運行時間要比屋頂通風窗開窗型溫室運行時間少1.5 h，能夠在不影響降溫效果的情況下減少溫室降溫能耗。屋頂全開啟型Venlo式溫室大幅增加了溫室的開窗通風比，顯著提高了Venlo式溫室自然通風的降溫效果，并減少了溫室強制降溫的運行成本。

玻璃溫室； 自然通風； 屋頂全開啟； 屋頂通風窗

0 引 言

Venlo型溫室起源于荷蘭，是世界上應用最廣、使用數量最多的溫室類型，這種溫室類型從上世紀90年代初開始引入我國，經過20多年的發展，目前已經在蔬菜、花卉、苗木栽培中得到越來越多的應用[1-2]。在Venlo式溫室引入后的生產運行中，發現這種結構的溫室在高緯度的荷蘭是合適的，但在我國的大部分地區使用時普遍感覺通風面積不夠，屋頂通風窗開啟的實際有效通風面積較小，通風效果差，夏季降溫比較困難，如果增設濕簾風機或其他方式強制降溫，運行成本很高[3-4]。因此，如何加大Venlo式溫室的通風口面積，提高溫室的降溫效果，一直都是國內溫室使用者和設計建設者關注的重要問題[5-6]。

近年來，一種新型的開窗方式被應用在Venlo式溫室上，即屋頂全開啟型溫室，這種溫室打破了傳統的溫室頂部固定的方式， 采用了以溫室天溝為固定軸， 整個屋頂能繞天溝旋轉，達到溫室頂部全開的目的，通風換氣比接近100 %[7-8]。理論上，溫室開窗方式決定溫室頂窗可實現的最大通風比，而溫室的最大通風比越大，溫室的自然降溫效果越好，國內外已有研究者做了這方面的研究[9-13]，但是還沒有對屋頂全開啟型Venlo式溫室與普通屋頂通風口開窗兩種不同溫室的降溫效果進行系統比較研究[14-16]。本試驗通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風窗型兩種Venlo式溫室在不同設定條件下的溫度變化，結合兩種溫室自然通風條件下通風比變化與強制降溫條件下濕簾風機運行狀態，進行屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的分析，為溫室結構的優化設計提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗溫室

試驗地點位于浙江大學紫金港校區農業試驗站溫室群，以A區、B區溫室作為試驗測試溫室，其中，A溫室為屋頂全開啟型溫室；B溫室為屋頂通風窗型溫室。兩座溫室均為Venlo式結構，采用3.2 m屋面，跨度6.4 m，開間4.00 m，肩高4.2m，頂高6 m，天溝寬度0.17 m，玻璃寬度0.73 m，玻璃厚度5 mm，兩座溫室的面積相等，每座溫室的排列方式12.8 m×32 m，兩座溫室都由Priva Integro(V724)控制系統實現環境自動控制。

1.1.1 屋頂全開啟型溫室

屋頂全開啟型溫室以天溝為固定軸，整個屋面能繞天溝旋轉，實現頂部全開，通風窗寬度2.4 m，開窗角度(與水平面夾角) 30°～83°可調，最大開窗面積與地面積的比率(以下簡稱通風窗比) 為86.93%，主要設備配件有減速電機、傳動軸、齒條、齒輪、連接件等。工作時，減速電機通過傳動軸及齒輪帶動齒條移動，齒條直接推動窗戶，將窗戶打開或關閉。

1.1.2 屋頂通風窗開窗溫室

屋頂通風窗型溫室的開窗機構以屋脊兩側交錯間隔方式分布，通風窗寬度0.80 m，通風窗開啟角度(與屋面夾角)0°～30°可調，屋頂通風窗凈高度0.45 m，最大通風窗比為25 %，主要設備配件有減速電機、傳動軸、齒條、齒輪、推桿、拉桿和拉桿連接件等。工作時，減速電機通過傳動軸及齒輪帶動齒條前后移動，齒條推動推桿移動，推桿將推力或拉力傳遞至支桿，將窗戶打開或關閉。

1.2 試驗方法與裝置

1.2.1 試驗方法

以2013年5月25日～2014年5月25日溫度變化數據進行分析，建立兩種不同開窗方式下兩座溫室內與室外典型天氣(晴天、陰天)溫度變化曲線，并分析自然通風降溫開窗條件下，溫度數據變化情況；分析強制降溫條件下溫室內外溫度變化情況，比較夏季強制降溫開啟的時數并分析兩種開窗方式下溫室運行的降溫能耗。

1.2.2 參數設置

通過Priva Office對A、B兩座溫室進行溫度條件、開窗條件參數兩種模式設置，其他參數均一致，參數的設置分為兩個階段：

(1) 2013年10月25日～2014年5月25日，強制降溫模式關閉，僅自然通風：白天(6:30～20:30)，25 ℃開窗；夜晚(20:30～6:30)，22 ℃開窗。

(2) 2013年5月25日～2013年10月25日，強制降溫模式開啟，結合自然通風：白天(6:30～20:30)，25 ℃開窗，室外溫度高于33 ℃、室內溫度高于室外溫度3 ℃度時進行濕簾風機強制降溫；夜晚(20:30～6:30)，22 ℃開窗，不進行濕簾風機強制降溫。

1.2.3 數據采集與記錄

(1) A、B兩座溫室室內、室外空氣溫度由Priva氣象站測得，溫室內測點位于溫室中間，距離地面高度1.5 m，溫室外測點位于溫室天溝上方1.5 m處。濕簾風機運行狀態(0為停止，1為開啟)、開窗百分率由Priva office采集，數據每5 min采集并記錄1次，并計算：

屋頂通風比=最大通風比×開窗百分率

(2) 選擇2013年7月16日(強制降溫開啟)、2014年4月28日(晴天自然通風)、2014年4月17日(陰天自然通風)進行典型天氣條件下的試驗，由傳感器(TH-HNW)進行A溫室室內、B溫室室內、室外白天空氣溫度的測定，各設6個測點，溫室內測點均勻分布在各測量溫室內，水平布置，距地面高度 1.5 m(見圖1)；溫室外測點位于溫室附近空曠處，水平布置，距離地面高度1.5 m，6:00開始，每30 min測定1次，20：00結束。

圖1 溫室內測點布置示意圖(m)

1.2.4 數據分析

記錄的數據通過Excell 2007進行處理和分析。

2 試驗結果與分析

2.1 自然通風降溫條件下，屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果

2.1.1 晴天自然通風條件下的降溫效果

從2014年4月28日晴天測試并建立的溫度曲線可以看出(見圖2)，室外溫度從6：00時15.38 ℃，上升至13:30最高達28.76 ℃，變幅較大。兩座溫室室內溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致，隨著室外溫度升高，室內溫度也不斷升高。上午 8：00，兩座溫室天窗開始開啟(見圖3)，此時屋頂通風窗溫室室內溫度 25.8 ℃，屋頂全開啟溫室室溫25.6 ℃，隨著室外溫度上升，兩座溫室室內溫度也不斷上升，而屋頂全開啟型溫室室內溫度上升較緩慢。隨著兩座溫室室內溫度不斷上升，開窗角度不斷加大，至10：00時，屋頂通風窗溫室天窗角度已達到最大，達溫室最大通風比25%。隨后，室內溫度迅速上升，屋頂全開型溫室開窗角度不斷加大，溫室通風比不斷升高，溫度上升緩慢。

圖2 晴天溫室室內、室外溫度變化曲線

圖3 晴天溫室屋頂通風比變化曲線

至下午13：35，溫室通風比達全天最大值70%，下午14：00，屋頂通風窗溫室室內達到最高溫度33.6 ℃。此時，室外溫度為28.52 ℃，屋頂全開啟型溫室溫度29.72 ℃。隨著室外溫度的降低，兩座溫室室內溫度逐漸下降，至下午16：00，屋頂通風窗溫室開窗角度開始減小，通風比逐漸下降。從變化的趨勢上看，屋頂全開啟型溫室天窗通風比變化幅度更大，變化更迅速。 屋頂全開啟型溫室比屋頂通風窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，并更接近室外溫度。

2.1.2 陰天自然通風條件下的降溫效果

從2014年4月17日陰天測試并建立的溫度曲線可以看出(見圖4)，室外溫度從早上6：00時18.71 ℃上升至13：30最高達22.34 ℃，變幅較小。兩座溫室室內溫度與室外溫度的變化趨勢基本一致，隨著室外溫度升高，室內溫度也不斷升高。上午10：00，兩座溫室室溫超過開窗設定溫度，天窗幾乎同時開啟，隨著室外溫度的上升，室內溫度不斷升高，兩座溫室開窗角度不斷加大，溫室通風比不斷提高，至下午13：30，室溫達到最高，隨后緩慢降低(見圖5)。在測量期間發現，從10：00～16：00，兩座溫室的通風比變化曲線基本吻合，差異不大，兩座溫室室溫的變化線也基本吻合，始終在設定開窗溫度25 ℃附近。兩座溫室室內最大溫差出現在14：00，溫差為 1.21 ℃，此時，屋頂通風窗溫室室溫為27.08 ℃，屋頂全開啟溫室室溫為25.87 ℃，室外溫度為22.28 ℃。

圖4 陰天溫室室內、室外溫度變化曲線

圖5 陰天溫室屋頂通風比變化曲線

2.1.3 自然通風條件下，全開啟型Venlo式溫室降溫效果

2013年10月25日～2014年5月25日為自然通風降溫模式運行，開窗溫度設置25 ℃，從Priva office記錄的兩座溫室的數據并建立的曲線可以看出(見圖6)，屋頂通風窗型溫室每天最高溫度(峰值)較高，屋頂全開啟型溫室的每天最高溫度(峰值)較低，從整個階段來看，自然通風降溫條件下，屋頂通風窗型溫室1 d中的最高溫度為22.50～39.75 ℃，屋頂全開啟型溫室1 d中的最高溫度在22.51～34.50 ℃，屋頂全開啟型溫室1 d中室內最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25 ℃。從兩座溫室最高室溫差值與室外溫度變化趨勢來看，室外溫度越高，兩座溫室1 d中的室內最高溫差值越大。兩者之間的最大差值出現在2014年的5月16日，為5.25 ℃，該天記錄室外最高溫度為32.15 ℃，屋頂全開啟型溫室室溫的最高溫度為34.50 ℃，屋頂通風窗型溫室室溫的最高溫度39.75 ℃。

圖6 自然通風條件下，溫室室內、室外溫度變化曲線

2.2 強制降溫開啟結合自然通風條件下屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果

在溫室控制系統強制降溫開啟的情況下，白天25℃開窗，當室外溫度高于33 ℃、室內溫度高于室外溫度3 ℃時，進行濕簾風機強制降溫；從2013年7月16日兩座溫室溫度變化的情況來看(見圖7)，從早上6：00開始，外界溫度為25.20 ℃，兩座溫室溫度稍高于室外溫度，隨著室外溫度不斷升高，兩座溫室雖然開窗角度不斷加大，但室溫還是迅速上升，至7:57，屋頂通風窗型溫室已經達到33.26 ℃，濕簾風機第1次啟動，室內溫度迅速降低，溫室進入風機濕簾啟動(關窗)—停止(開窗)間歇運行階段(見圖8)，而屋頂全開啟型溫室通過不斷加大開窗角度，室溫上升較慢，至8：43，室內溫度為33.63 ℃，濕簾風機啟動，隨即也進入間歇運行階段。至下午16：21，屋頂全開啟型溫室進入濕簾風機間歇啟動階段，至下午18：15，室溫32.65 ℃時，濕簾風機完全停止。屋頂通風型溫室17：11進入間歇運行階段， 至19：04，室溫32.45 ℃時濕簾風機也完全停止。

圖7 強制降溫條件下，溫室室內、室外溫度變化曲線

圖8 濕簾風機運行狀態曲線

從9：46～16：21，兩座溫室濕簾風機都啟動后，兩座溫室室內溫度曲線幾乎重合，并與室外溫度的變化趨勢一致，始終低于室外溫度3～4.5 ℃，說明兩座溫室在強制降溫啟動時，降溫的效果基本一致，無顯著差異(見圖6)。 從Priva控制系統記錄的濕簾風機運行的狀態曲線來看，屋頂全開啟型溫室濕簾—風機啟動遲，停止早，風機濕簾運行時間要比屋頂通風窗開窗型溫室運行時間少1.5 h(見圖8)。

3 結果與討論

溫室生產中，采取不同的開窗方式，對溫室內各環境因子調控效果影響較大，特別是對溫室通風降溫效果的影響尤為顯著。試驗通過測試屋頂全開啟型與屋頂通風窗型兩種不同開窗方式的Venlo式溫室，在控制系統設置的兩種不同降溫運行模式下，進行了屋頂全開啟型Venlo式溫室降溫效果的測試。

(1) 強制通風關閉，僅自然通風降溫模式。屋頂全開啟型溫室室內溫度下降明顯，可以快速除去溫室內的高溫、高濕空氣，達到快速降溫的效果，屋頂全開啟型溫室比屋頂通風窗型溫室降溫更迅速，室溫更低，更接近設定溫度；屋頂全開啟型溫室1 d中室內最高溫度高于室外溫度0～2.35 ℃，低于屋頂通風窗型溫室1 d中最高溫度0～5.25 ℃。從差值與室外溫度變化趨勢來看，室外溫度越高，兩座溫室1 d中的室內最高溫差值越大。

(2) 強制降溫開啟結合自然通風模式。屋頂全開啟型溫室與屋頂通風窗型溫室在風機濕簾啟動后，溫室的降溫效果基本一致，能夠使室內溫度低于外溫度3～4.5℃，但屋頂全開啟型溫室濕簾-風機啟動遲，停止早，風機濕簾運行時間要比屋頂通風窗開窗型溫室運行時間少1.5 h，能夠在不影響降溫效果的情況下減少溫室降溫能耗。

4 結 語

Venlo式溫室降溫問題一直是設施農業所面臨的難題之一，我國大部分地區夏季高溫炎熱，普通的屋頂通風窗自然通風條件下，降溫效果很難滿足植物種植需要，而通過濕簾風機強制降溫，雖效果明顯，但耗電量大，運行成本較高。屋頂全開啟型Venlo式溫室是溫室開窗機構設計上的一次飛躍，大幅增加了溫室的開窗通風比，顯著提高了Venlo式溫室自然通風的降溫效果，并降低了溫室強制降溫的運行成本。

[1] 周長吉.溫室工程設計手冊[M].北京：中國農業出版社，2007: 3-15.

[2] 楊其長.荷蘭溫室節能工程研究進展[J].農業工程技術，2007(1)：13-14.

[3] 李永欣，王朝元，李保明，等.荷蘭Venlo 型連棟溫室夏季自然通風降溫系統的試驗研究[J].中國農業大學學報，2002， 7(6)：44-48.

[4] 姜雄暉，劉淑珍.溫室開窗機構研究[J].中國農機化，2006(3)：62-66.

[5] 蔡龍俊，魯雅萍，蔡志紅.農業溫室通風系統的設計與研究[J].節能技術，2000，18(6)：19-23.

[6] 顏全生，周增產.屋頂全開啟型文洛式連棟溫室的研制[J].華中農業大學學報，2004(增刊)：1-6.

[7] 陸春勝.一種屋脊大開窗玻璃溫室開窗機構的設計[J].上海農業學報，2007，23(4)：76-79.

[8] 李 強.現代化農業溫室的夏季降溫研究及其發展[J]. 環境科學進展，1999，7(1)：41-44.

[9] Dayana J,Dayanb E,Strassberg Y,etal.Simulation and control of ventilation rates in greenhouses [J].Mathematics and Computers in Simulation, 2004,65:3-17.

[10] 李紅蓮，邢文剛，張 娟，等，不同降溫措施對連棟玻璃溫室內溫度的影響[J].沈陽農業大學學報， 2006， 37 (2)：241-244.

[11] Bailey B J. Constraints, limitations and achievements in greenhouse natural ventilation[C]//M Teitel, B J Bailey. International Conference and British-Israeli Workshop on Greenhouse Techniques towards the 3rd Millennium. Haifa: ISHS, 2000: 21-30.

[12] 冉春雨，李景安，趙小平.玻璃溫室夏季降溫研究與應用[J].吉林建筑工程學院學報，2002，19(4)：31-34.

[13] 周增產，張春敏，楊仁全，等.三種連棟溫室夏季降溫的試驗研究[J].農業工程技術，2007(2)：13-15.

[14] 王會廣，苗玉彬，蔡保松， 等.全開型玻璃溫室的夏季溫度統計模型[J].農機化研究，2010(11)：78-184.

[15] 余一韓.頂窗全開型溫室夏季降溫效果及其評價[D].上海：上海交通大學，2008.

Cooling Effect of Open-Roof Venlo Greenhouse

QIZhen-yu1,MAFan1,KONGDe-dong1,HUWei-zhen1,TONGZheng-xian2,SUNXiao-mei3

(1. Agricultural Experiment Station, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Department of Water Conservancy，Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China;3. Department of Organizational Personnel, Shanghai Academy Agricultural Sciences, Shanghai 201106, China)

In order to provide a theoretical basis for optimizing the structure design of the greenhouse and to provide a reference for environmental control, the cooling effect of the open-roof Venlo greenhouse was compared with the roof vent Venlo greenhouse. By testing the open-roof Venlo greenhouse and the roof vent Venlo greenhouse under different conditions of temperature setting, daytime temperature curve of greenhouse indoor and outside were created. And the cooling effects of the two kinds of greenhouses were analyzed according to the change of roof ventilation ratios, and the conditions of under natural ventilation conditions and wet pad-fan running situations by forced cooling. In sunny day and under natural ventilation cooling conditions, the open-roof Venlo greenhouse was more quickly to be cool, and could reach the lower temperature, and be closer to the set temperature than the roof vent Venlo greenhouse; Ihe difference was not significant in cloudy days. The highest day temperature of the open-roof Venlo greenhouse was higher than the outdoor temperature about 0-2.4 ℃, it was less than the highest day temperature of the roof vent Venlo greenhouse which was 0-5.2 ℃. The wet pad-fan of open-roof greenhouse started up later and stoped earlier than the roof vent greenhouse, while wet pad-fan running time of open-roof vent greenhouse was less than the roof vent greenhouse about 1.5 hours. Open-roof vent greenhouse could reduce greenhouse cooling energy consumption without compromising cooling effect situation. Open-roof vent greenhouse sharply increased roof ventilation ratio of greenhouse, significantly improved the Venlo greenhouse natural ventilation cooling effect and reduced the operating costs of greenhouse forced cooling.

greenhouses; natural ventilation; open roof; roof vent

2014-06-30

浙江大學實驗研究重點項目(188100-560101/024 )

齊振宇(1976-)，男，浙江杭州人，實驗師，研究方向為設施園藝與環境控制。

Tel.: 0571-88981767；E-mail: qizhenyu@zju.edu.cn

S 625.1； S 625+3

A

1006-7167(2015)05-0031-05