皖北地區裝配式節能日光溫室的溫光性能試驗研究

吳照學，楊迎春，王 強

(安徽農業大學工學院，安徽 合肥 20036)

皖北地區裝配式節能日光溫室的溫光性能試驗研究

吳照學，楊迎春，王 強

(安徽農業大學工學院，安徽 合肥 20036)

為了克服傳統溫室存在的光照和溫度分布不均勻、難以實現自動化控制以及保溫和防濕效果不好等問題，選用裝配式彩鋼板保溫節能日光溫室進行研究.溫室的骨架形狀為半圓弧形，外圍的覆蓋材料為玻璃棉彩鋼板，并且玻璃棉彩鋼板可以在溫室的頂部和兩側山墻處滑動.采用水循環蓄放熱系統和空氣-地中蓄放熱系統，跨度為12米，脊高為5.5米，長度為80米，能夠有效提高日光溫室的冬季溫度，同時實現日光溫室構件生產和裝配的標準化.

日光溫室；溫室結構；溫光性能

隨著科學技術的不斷進步和發展，我國日光溫室的發展不斷更新，并且對日光溫室的需求量越來越大，對日光溫室的結構和功能提出了更高的要求，創造節能型的日光溫室成為了當前日光溫室主要的發展趨勢[1].到目前為止，我國日光溫室主要類型為塑料大棚、日光溫室以及大連體玻璃溫室三種.塑料大棚的結構較為簡單，價格低廉，但是存在著保溫蓄熱方面的問題，不能夠滿足冬季北方地區蔬菜的生長條件[2].玻璃溫室雖然穩定性較強，且抗風雪能力和采光能力較強，但是價格昂貴，能源消耗量過大.日光溫室由于其采光、保溫性能良好以及節能效果強，成為北方地區設施農業的主要生產方式之一，在農業現代化的生產中起著十分重要的作用[3].隨著研究的不斷深入，新型裝配式節能日光溫室的出現有效地解決了傳統日光溫室的缺點，將太陽的輻射作為熱源，水作為傳熱蓄熱的介質，極大地完善了日光溫室的溫光性能[4].

1 結構選型與試驗方法

1.1 試驗溫室與對照溫室系統

試驗溫室位于安徽省北部的蚌埠市某一蔬菜瓜果基地，該地區屬暖溫帶半濕潤季風氣候.季風明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中，適合作為蔬菜的研究基地.該溫室的骨架形狀為半圓弧形，外圍的覆蓋材料為玻璃棉彩鋼板，玻璃棉彩鋼板能夠在溫室的頂部以及兩側的山墻來回移動，采用水循環蓄放熱系統和空氣—地中蓄放熱系統.其基本參數如表1所示.

表1 試驗溫室各項參數

圖1 水循環系統的效果圖

試驗溫室的墻體采用后墻結構支撐，白天利用水循環系統，將樹池中的水輸送到頂部的采光板釋放熱量，進而促進溫室夜間的溫度升高[5].水作為蓄熱的介質，方便且經濟實用，大大降低了農業生產的成本.具體的工作流程如圖1所示.在夜間啟動水循環系統，水池中的水得到太陽輻射蓄積的熱量，在夜間溫度下降時通過采光板集中向溫室放熱，這樣避免夜間日光溫室的氣溫下降，保障了溫度的適宜性.

新型的裝配式節能日光溫室采用的半圓弧形結構，溫室的脊高又位于溫室的正中央，所以新型溫室的前屋面角要比傳統溫室的前屋面角大很多.本試驗中，新型溫室的前屋面角為 41.5°，遠遠大于傳統土墻溫室 25.2°.如圖2所示.主要考慮了兩個方面的因素：一是根據北緯 32°57'(蚌埠地區的緯度)夏至時的太陽高度角及其后屋面的投影，二是溫室內部的栽培空間大小.日光溫室的前屋面采光角一直是近30多年來人們優化日光溫室結構的研究熱點，從合理屋面角到最佳屋面角，前屋面角不斷增大，提高了 10°左右.要想增加日光溫室的光照，就必須增加前屋面的角度及脊高.

圖2 新型溫室側立剖面圖

對照溫室采用III型土墻日光溫室，溫室的凈跨度為7米，脊高為3.3米，后墻高度為2.5米，后墻和山墻底部的寬度為3米，頂部的寬度為1米，采光角度為25.2°，水平投影長度為1.5米.室外保溫采用的是草簾和棉被覆蓋保溫.

1.2 測試方法

1.2.1 溫度測試方法

氣溫測量采用溫度記錄儀(型號：美國OMEG公司全新1/8 DIN DPi1701)；地溫測量采用鐵套直角地溫計測量，主要是測量土壤的溫度.測量兩種溫室條件下的氣溫分布情況，選擇冬至日作為測量日，上午八點半將同時打開兩個溫室的保溫板，同時將循環水泵打開進行蓄熱，下午四點半關閉水泵，下午5點蓋上保溫板.每隔30分鐘測量一次溫度.

東西走向溫度測量：將試驗溫室設為A，對照溫室設為B，在離地面1米的高度東西方向上，A溫室選擇三點，為A1、A2和A3，測量距離東側山墻3米處、中間以及距離西側山墻3米處的溫度.對照溫室B采取同樣的方法測量，取各個點的平均溫度.

南北走向溫度測量：選擇南北方向上的3個點為A1*、A2*和A3*選擇距離骨架2米處、中間點以及后墻2米處進行測量，對照溫室B選擇同樣的方法測量，取各個點的平均測量溫度.

1.2.2 室內光照的測量

在上午十點整、十二點整以及下午的兩點整對兩種日光溫室的光照進行測量.在南北方向上測量距離溫室前膜1米處、每隔1米以及高度1米的位置測量光度，A溫室的測量點為：A1～A11，B溫室的測量點為B1～B6，取光照的平均值.

2 結果與分析

2.1 試驗日光溫室與對照溫室保溫效果分析

2.1.1 東西走向不同點溫度分析

從圖中可以看出A溫室的三個測量點A1、A2和A3隨著時間的變化溫度顯著升高，并且在下午1點時達到最大值.在上午10點整到12點30分時A1點的散熱量較大，溫度明顯低于其他兩點.在其他時間內，A1的溫度明顯低于其他兩點，說明A溫室的總體溫度處于穩定的狀態，在東西方向的溫度分布較為均勻.而B溫室的三個測量點在下午1點之前，溫度有所升高，但是下午4點30分以后，溫度逐漸降到最低.另外，B溫室的三個點溫度分布呈現明顯的不均勻，且沒有穩定的變化.東西方向的溫差最大為4℃.

圖3 A和B溫室東西走向不同點溫度

2.1.2 南北走向不同點溫度分析

在南北方向上，白天的上午10點整和下午的2點整，A1*和A2*的溫度較高，受到太陽輻射以及采光板的影響，A2*溫度較低，溫差最大在2℃左右，其余的溫差都是在0.2℃左右.說明了A溫室在南北方向上的溫差較小，溫度分布均勻.而B溫室白天的上午10點30分以及下午的15點30分之間，B1*的溫度最大，其次為B2*，再次是B3*.最大溫差達到了6℃左右.受到太陽輻射的影響，溫度在下午15點30分以后逐漸降低，之后溫差達到5℃，說明了B溫室在南北方向的溫度溫差較大，溫度分布不均勻.

圖4 A和B溫室南北走向不同點溫度

由此可見，新型裝配式節能日光溫室在保溫和蓄熱方面明顯優于對照溫室，有助于解決作物成活率低的問題.溫度分布較為均勻，更加有利于作物均勻生長.

2.2 試驗日光溫室與對照溫室光照效果分析

2.2.1 溫室內光照的總體水平分布

表2 光照強度變化規律結果匯總表(單位：klx)

在日光溫室中，作物緊鄰前膜處生長接受的光照強度要明顯優于在后墻生長的作物[6,7].因此在室內作物的光照強度呈現出由南向北逐漸遞減的趨勢.從表2中可以看出，在南北方向上，A溫室冬季的光照平均值為27.21klx，而B溫室冬季光照平均值為25.21klx，A溫室具有明顯的優勢，且顯著高于室外的溫度.

2.2.2 溫室內外同一時間不同跨度的光照分布情況

在中午12:00整，A溫室在南北方向上的光照變化幅度較小，分布比較均勻，在11米處時光照有所降低，主要是受到通風開窗系統的影響，總體上看A溫室內的光照變化幅度較小，光照充足且穩定，而B溫室的光照變化幅度較大，且南北光照相差較大.

圖5 中午12:00溫室內不同跨度的光照分布

2.2.3 溫室內同一點的光照強度隨時間變化的規律

從圖6中可以看出，A溫室冬季溫室內的平均光照為26.77klx，B溫室的平均光照為23.90klx，明顯優于B溫室.并且早晚光照較弱的情況下，A溫室在白天10:00-15:00時，平均光照達到了42.28klx，B溫室的平均光照達到了36.14klx.明顯A溫室優于B溫室，主要是A溫室的透光薄膜材質優于B溫室.在光照分布上A溫室分布較為均勻，變化幅度不大.

圖6 距離前膜1米處點的光照強度變化

由此可以看出，新型裝配式溫室內的光照在一天內明顯優于對照溫室，且光照的分布較為均勻，采光角度和方位角度設計都有利于作物的生長.

3 小結

本研究對比傳統的III型土墻溫室與新型的彩鋼板裝配式節能日光溫室，研究其保溫和采光效果兩個方面的性能，結果表明，新型的彩鋼板裝配式節能日光溫室具有良好的保溫效果，夜間溫度能夠保持在12℃ 以上，各個方向的溫度分布較為均勻穩定，有利于植物的生長.在采光效果上，新型的彩鋼板裝配式節能日光溫室采光角度達到41.5°，采光率提高了5.3%，更加有利于作物的整體生長.

[1] 鄒偉東,張百海,姚分喜,等.基于改進型極限學習機的日光溫室溫濕度預測與驗證[J].農業工程學報,2015,(24):194-200.

[2] 周文韜, 周建華, 張靖悅. 竹鋼在景觀設計中的應用研究[J]. 西南師范大學學報(自然科學版), 2015,(4):89-94.

[3] 孫維拓,郭文忠,徐凡,等.日光溫室空氣余熱熱泵加溫系統應用效果[J].農業工程學報,2015,(17):235-243.

[4] 蔡唯益,袁軍,喬克,等. 圓拱型溫室風壓數值模擬與研究[J]. 西南師范大學學報(自然科學版), 2014,(10):92-95.

[5] 李明,周長吉,丁小明,等.日光溫室聚苯乙烯型磚復合墻保溫蓄熱性能[J].農業工程學報,2016,(1):200-205.

[6] 劉晨霞,馬承偉,王平智,等.日光溫室保溫被保溫性能影響因素的分析[J].農業工程學報,2015,(20):186-193.

[7] 彭代慧,傘磊.具有水流層的雙層玻璃溫室模型研究[J].西南大學學報(自然科學版), 2014, (1):167-172.

(責任編校：晴川)

Experimental Study on Temperature and Light Performance of Assembled Energy-saving Solar Greenhouse in Northern Anhui

WU Zhaoxue, YANG Yingchun, WANG Qiang

(College of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei Anhui 230036, China)

In order to overcome the problems of nonuniform distribution of light and temperature, automatic control, bad characteristics of thermal insulation and moisture-proof effect, the thermal insulation energy-saving solar-greenhouse which equipped with the assembly-type color steel plate is chosen to be on the research.The shape of the skeleton of the greenhouse is semicircular. The cover material surrounding is glass wool plate,which can slide on the top and sides of gable greenhouse. The water-cycle heat-storage system and air-ground heat-storage system, which are in a span of 12 meters, height of 5.5 meters, 80 meters in length, can effectively improve the temperature of the greenhouse in winter, and complete the standardization of production and equipment of the components of the solar-greenhouse at the same time.

solar greenhouse; greenhouse structure; temperature and light performance

2016-11-30

國家科技支撐計劃子課題“砒砂巖固結促生技術研發”(批準號：2013BAC0502)；安徽省教研課題“‘翻轉課堂’在土木工程材料課程中的應用與優化”(批準號：2015jyxm081).

吳照學(1976— )，男，安徽樅陽人，安徽農業大學工學院講師，碩士.研究方向：設施工程、巖土工程.

S625.1

A

1008-4681(2017)02-0035-03