基于蓄熱墻和內保溫的鋼架大棚保溫模式研究

邵和平，張寧寧，桂勇武，衡 燕

(江蘇丘陵地區南京農業科學研究所，江蘇南京 210046)

南京及周邊地區設施農業普遍采用8332型鋼架大棚，這種鋼管大棚建設成本較低，跨度8 m，長度30 m以上，造價一般在35～45元/m2，骨架全部采用管徑32 mm的熱鍍鋅圓管裝配而成，拱間距0.8 m，頂高約3.2 m，肩高約1.8 m，大棚側邊共有4道卡槽。頂部采用3道縱拉桿，兩邊設帶自鎖裝置的手動卷膜通風系統,卷膜高度約1.2 m。通風處安裝25目防蟲網，上膜后每2根拱管間用壓膜繩扣壓，大棚兩端設置移動門。該型大棚整體結構強度和土地利用率高，缺點是保溫蓄熱能力不足，不能滿足冬季生產需要，只能用于季節性蔬菜、花卉和果樹的保護地栽培。

針對鋼架大棚在實際生產中增溫途徑缺乏、保溫效果差的現狀，國內專家進行了相關研究。孫信成研究了多種大棚保溫被覆蓋材料的保溫性能，2月下旬3種保溫被覆蓋的棚內最低溫度比棚外提高了10.2～12.6 ℃[1]。鮑恩財研究了江淮地區雙層拱架塑料大棚的冬季保溫效果，1月份的棚內平均溫度達18 ℃[2]。周長吉不僅研究了大跨度保溫塑料大棚保溫被和保溫幕的形式和性能，實現了日光溫室和連棟溫室保溫技術的綜合應用[3-4]；還報道了一種裝配式內保溫雙層結構主動儲放熱塑料大棚，在室外-20～-15 ℃的條件下，棚內最低溫度達到了10 ℃以上[5]。日光溫室以其特有的采光、蓄熱、保溫性能，成為我國北方園藝作物越冬栽培的主要設施[6]。后墻作為蓄熱體，在日光溫室保溫方面發揮了主要作用[7]。梁建龍等[8-14]對不同墻體材料日光溫室的保溫性能進行研究，篩選出保溫性能較好的墻體。?ztürk H H等[15-17]研究了蓄熱裝置卵石床對鋼架大棚和日光溫室的增溫效果。筆者針對南京地區面廣量大的8332型鋼架大棚的保溫需要，試驗建立了蓄熱墻和內保溫2種保溫模式，同時選用新型高透光率PO膜覆蓋，以EVA長壽膜覆蓋為對照，研究分析鋼架大棚的節能增溫技術模式。

1 材料與方法

利用4幢東西向的8332型鋼架大棚，分別進行蓄熱墻、內保溫及PO膜覆蓋、EVA膜覆蓋的大棚保溫性試驗。在大棚內安裝空氣溫濕度記錄儀，對供試大棚的棚內溫度、濕度進行定時記錄分析，并對增溫保溫性能進行評價。1號棚沿北側棚邊建設一條蓄熱墻。采用鋼絲石籠網箱和當地易得的青石塊構筑，石籠網箱的規格為長1.0 m、寬0.4 m、高0.6 m，堆碼2層，30 m長的大棚約可堆碼石料14.4 m3。大棚外膜采用三菱樹脂農膜公司的“E100” PO膜覆蓋，厚度0.10 mm。2號棚增設內保溫，即在拱桿下方安裝內拱桿，間隔4 m，在內拱桿兩側配套電動卷膜器，安裝開閉活動型內保溫，冬季1月份全天關閉保溫；大棚外膜也采用三菱樹脂 “E100” PO膜覆蓋。3號棚大棚外膜采用三菱樹脂“E120” PO膜覆蓋，厚度0.12 mm；PO膜具有優異的透光性，透光率達到83%，而且強度高，柔韌性好，是一種全新的大棚農膜。4號棚采用米可多EVA長壽膜覆蓋，厚度0.08 mm。

鋼架大棚的4種不同保溫模式分別標記為蓄熱墻(T1)、內保溫(T2)、PO膜覆蓋(T3)和EVA膜覆蓋(T4)。棚內溫濕度數據每30 min記錄1次。提取2018年1月份的數據，對每日的日最低溫、日最高溫、日平均溫進行統計分析，單日溫度和濕度變化采用24個時段的平均值。

2 結果與分析

2.14種不同保溫模式棚內的日最低溫變化由圖1可以看出，T1的日最低溫最高，其次是T2，無保溫技術的T3和T4均明顯低于T1和 T2，兩者差異不大。在溫度波動劇烈的強冷空氣影響期間，增加保溫技術的鋼架大棚保溫效果更明顯，如在月最低溫出現的1月12日，T1的日最低溫分別比T3和T4提高5.4和4.6 ℃，T2分別比T3和T4提高3.9和3.1 ℃。在月次低溫出現的1月30日，T1的日最低溫比T3和T4提高5.6 ℃，T2的日最低溫比T3和T4提高2.9 ℃，T3和T4基本一致。說明鋼架大棚增加蓄熱墻或內保溫措施后夜間保溫性能有明顯提升。

圖1 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日最低溫變化Fig.1 Daily minimum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

圖2為4種不同保溫模式晴天的單日溫度變化。由圖2可見，從0:00開始，4種保溫模式下溫度均逐漸下降，但T1模式下降幅度較平緩，T2、T3、T4模式下降趨勢基本一致。6:00～7:00，棚內溫度達到一天中的最低值，溫度由高到低分別是T1為-0.60 ℃，T2為-2.20 ℃，T3為-6.10 ℃，T4為-5.25 ℃。7:00后，隨著太陽輻射增強，棚內溫度迅速上升，12:30～14:00，棚內溫度達到一天中的最高值，溫度由高到低分別是T2為35.95 ℃，T1為34.40 ℃，T3為30.35 ℃，T4為28.5 ℃。15:00后，溫度開始迅速回落。說明蓄熱墻和內保溫模式不僅對夜間最低溫度有較大提升，而且對全天的溫度也有較大的提升作用。

圖2 鋼架大棚4種不同保溫模式晴天的單日溫度變化Fig.2 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on sunny days

2.24種不同保溫模式的日最高溫由圖3可以看出，增加保溫技術的T1和T2均高于T3和T4，而且在晝溫較低的陰雨天氣，這種效果更加明顯。如在最低晝溫出現的1月27日，T1的日最高溫分別比T3和T4提高6.7和6.4 ℃，T2的日最高溫分別比T3和T4提高3.5和3.2 ℃。說明鋼架大棚增加保溫措施對光照不足期的棚內溫度也有明顯提升。

圖3 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日最高溫變化Fig.3 Daily maximum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

由圖4可以看出，6:00～7:00，棚內溫度最低，溫度由高到低分別是T1為6.95 ℃，T2為3.30 ℃，T4為1.25 ℃，T3為0.45 ℃。7:00后溫度逐漸上升，12:00～13:00溫度達到最高值，溫度由高到低分別是T1為10.20 ℃，T2為6.95 ℃，T4為3.80 ℃，T3為3.60 ℃。隨后溫度逐漸下降，下降趨勢基本一致。說明在缺少太陽輻射的條件下，鋼架大棚增加蓄熱墻或內保溫對全天時段內的溫度均有穩定的提升作用。其中，蓄熱墻的增溫作用最明顯，增加約6 ℃；內保溫的增溫作用次之，增加約3 ℃。

圖4 鋼架大棚4種不同保溫模式陰天的單日溫度變化Fig.4 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on cloudy days

2.34種不同保溫模式棚內的日平均溫通過計算鋼架大棚內的日平均溫度，可以清晰發現4種不同保溫模式間的差異。由圖5可見，增加保溫技術的T1、T2模式的日平均溫始終高于無保溫技術的T3、T4模式，T1和T2模式 1月上旬溫度曲線基本重合，差異不大。1月下旬差異增大，T1的增溫作用比T2更強。T3和T4的溫度曲線基本重合，差異不大。說明隨著低溫期的持續，蓄熱墻的增溫保溫作用比內保溫更明顯。

2.44種不同保溫模式的相對濕度4種保溫模式的棚內相對濕度(RH)也有差異。由圖6可見，在晴天條件下，4種保溫模式的單日RH變化均呈現典型的“U”型曲線，變化趨勢基本一致。夜間棚內RH基本呈水平直線，其中T1最低，約90%，其他3種模式均在90%以上。由圖7可見，8:00后隨著棚內溫度上升，RH迅速下降。10:00后達到40%～60%的較低水平，T1、T2的最低值在40%左右，T3的最低值在50%左右，T4的最低值在60%左右。15:00后隨著棚內溫度下降，RH又迅速回升。在陰天條件下，4種保溫模式的RH差異較大。T1由于蓄熱墻的增溫作用，夜間RH在90%左右，白天逐漸下降，最低值在85%左右。T2、T3和T4的RH基本穩定，白天的下降趨勢不明顯。T2在92%～93%，T3和T4在96%左右。

圖5 鋼架大棚4種不同保溫模式1月份的日平均溫變化Fig.5 Daily average temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

圖6 4種不同保溫模式下晴天的單日相對濕度變化Fig.6 Daily relative humidity variation in sunny days under four different heat preservation modes

3 結論與討論

鋼架大棚增加蓄熱墻或內保溫的保溫措施后，棚內溫度有明顯提升。特別是在太陽輻射缺乏的夜間和陰雨天，增溫效果尤其明顯。在晴天條件下，蓄熱墻和內保溫對全天的溫度均起到較大的提升作用，晝間的棚內高溫也為夜間的增溫效果蓄積了熱能。在同樣的太陽輻射和覆蓋材料下，蓄熱墻大棚在巖石吸收熱量的情況下，棚內最高溫仍比PO膜大棚高，可能是由于建在大棚北側的蓄熱墻對太陽輻射有一定的反射作用，從而使地表輻射增強。在陰天條件下，蓄熱墻和內保溫對溫度的維持作用更明顯，對全天溫度均有穩定的提升作用，蓄熱墻增溫約6 ℃，內保溫增溫約3 ℃。4種保溫模式的棚內RH變化與溫度變化相一致，在晴天條件下，90%以上的高濕度均出現在夜間低溫期。在陰天條件下，由于棚內的連續低溫，PO膜大棚和EVA膜大棚濕度均達 95%以上，只有蓄熱墻大棚的RH在白天可以下降到90%以下，有利于冬季作物的病害控制。

圖7 4種不同保溫模式下陰天的單日相對濕度變化Fig.7 Daily relative humidity variation in cloudy days under four different heat preservation modes