馬月虹,李保明,王國強,劉 娜,劉 德
裝配式日光溫室砌筑不同蓄熱墻體的增溫和草莓栽培效果
馬月虹1,2,李保明1※,王國強2,劉 娜2,劉 德3
(1. 中國農業大學水利與土木工程學院,農業農村部設施農業工程重點實驗室,北京 100083;2. 新疆農業科學院農業機械化研究所,烏魯木齊 830091;3. 新疆農業大學機電工程學院,烏魯木齊 830000)
針對西北沙漠地區日光溫室冬季夜間室內低溫的問題,以新疆和田使用的裝配式日光溫室為研究對象,通過在溫室內北側砌筑磚墻體、砌塊墻體和砌塊填充沙土墻體3種材質的蓄熱墻體,采用PT100鉑電阻溫度傳感器對試驗溫室墻體、室內溫度進行測試,并進行草莓栽培試驗,用ACS-30型天平、LH-B55型數顯折光儀進行草莓質量、可溶性固形物含量測量。由試驗數據得,3種蓄熱墻體體積、尺寸相同條件下,蓄熱性能依次是:砌塊填充沙土墻體>砌塊墻體>磚墻體。裝配式日光溫室內砌筑磚墻體、砌塊墻體和砌塊填充沙土墻體,使得室溫較裝配式日光溫室早晨07:00分別增加2.2 、2.9 和3.8 ℃。采用同樣的種植管理技術,栽培的草莓開花期分別比原裝配式日光溫室早7 、11和14 d,成熟期早14、17和20 d,單棚產量依次高24.2%、30.1%和33.4%,比裝配式溫室的草莓可溶性固形物質量分數平均值高1.4、2.1和2.6個百分點。進一步驗證了墻體對日光溫室熱貢獻的重要性,且砂漿砌塊墻體比磚墻體增溫效果明顯,該墻體溫室更適宜草莓生長。新砌筑墻體蓄熱量與裝配式溫室熱負荷計算數值一致,表明在沒有其他加溫設施的情況下,溫室內新砌的墻體是室內夜間熱源,可使溫室內溫度增加。該文為西北沙漠區日光溫室墻體蓄熱材料和結構設計提供參考,為日光溫室內砂漿砌塊的應用研究提供了依據。
溫室;墻體;溫度;砂漿砌塊;蓄熱性能;栽培
近年來,中國設施農業飛速發展,設施蔬菜總面積不斷擴大,2016年設施蔬菜面積已達391.5 hm2,預計到2020年可達到410.5 hm2[1]。日光溫室蔬菜已成為中國的支柱產業之一,同時,對提高城鄉居民生活水平、提高農民收入、節約能源做出了歷史性貢獻[2]。新疆的戈壁沙漠區溫室產業也得到了大力發展,戈壁沙漠設施農業已輻射到南疆的和田、喀什,東疆的吐魯番,北疆的阿勒泰、塔城、昌吉等地區的多個縣市,發展潛力很大[3]。
溫室種植是一種設施農業栽培,不僅能防御自然災害、實現農作物的優質高產[4],還能提供農作物生長所需的適宜環境,促使農作物及早上市[5]。大多數溫室作物在日間20~30 ℃和夜間14~18 ℃的環境溫度中生長速度較快[6]。在溫室種植中,對于環境溫度和濕度的控制,是保證農作物正常生長的關鍵所在[7]。
西北地區典型結構日光溫室,在夜間,溫室的熱量損失中約有70%是通過圍護結構的傳熱損失,白天損失的能量中,約有65%的熱損失是通過溫室圍護結構損失的[8]。在圍護結構中最為重要的就是墻體,不僅要讓墻體具有承重和隔熱的功能,而且要有優良的保溫性能和載熱功能,白天要大量地蓄熱,夜間要源源不斷的向室內放熱[9]。提高墻體的保溫和蓄熱性能是改善日光溫室熱環境的關鍵因素之一[10]。朱超等[11-12]提出了一種固化沙主動蓄熱后墻,白天通過風機將室內熱空氣鼓入后墻,使后墻內部參與蓄放熱,增加蓄放熱面積。趙淑梅等[13-15]提出一種空氣對流循環蓄熱墻體,該墻體通過白天和夜間的空氣對流,使磚墻深處參與蓄放熱,大大增加了蓄放熱面積。均是利用溫室內空氣在墻體中的對流換熱作用,調動更多的深層墻體材料參與蓄放熱過程,以此來提高太陽能利用[16]。馬月虹等[17]研究北疆麥殼砂漿砌塊填充蓄熱材料復合墻體日光溫室的熱性能,砂漿砌塊能夠代替傳統的紅磚建設日光溫室墻體。該復合墻體不需要增加風機,是自然對流蓄熱墻體,增加蓄放熱面積。
由以上分析可知,整個墻體隔熱保溫及蓄熱能力的強弱決定著室內作物能否安全越過中國北方的寒冷冬季[9]。日光溫室之所以能夠在冬季連續生產,其原因在于其后墻,后墻通過白天蓄熱、夜間向室內放熱,保證了室內溫度[18]。由于環保要求,燃煤加溫爐禁止使用,和田地區7 000座裝配式日光溫室在沒有輔助加溫的情況下,不能滿足越冬生產需求,大多數溫室只能秋延晚種植葉菜,少部分溫室空置。針對此問題,該文將砂漿砌塊和紅磚砌筑于裝配式日光溫室內,對砂漿砌塊墻體和磚墻體在日光溫室中的蓄熱增溫效果進行研究,并觀察溫室中草莓的栽培效果。
結合團隊相關研究成果,砂漿砌塊墻體日光溫室的保溫蓄熱性能的研究[17],構建本文砂漿砌塊,見圖1。麥殼砂漿砌塊尺寸為480 mm×240 mm×240 mm,內為2個尺寸為150 mm×120 mm×200 mm的空格,砂漿砌塊配比為水泥35%,粘合劑4%,麥殼2.5%,細砂、水適量,內設縱筋4? 6、箍筋? 6@180。

圖1 砂漿砌塊[17]
本研究的4座試驗溫室均位于和田市和諧新村(東經79.87°,北緯37.04°)日光溫室基地。為了降低試驗成本,縮短試驗周期,磚墻和砂漿砌塊墻體日光溫室是在裝配式日光溫室內北側直接砌筑砂漿砌塊和紅磚。結合工民建設計規范和標準,試驗墻體都設計為厚24 cm,高度182 cm。
其中裝配式日光溫室(A)結構尺寸及內部環境圖分別見圖2和圖3a;另外3座溫室分別為:1)磚墻砌體日光溫室(B),即在裝配式日光溫室內砌筑厚24 cm磚墻,高度方向26層紅磚,其內部環境見圖3b;2)砌塊墻體日光溫室(C),即在裝配式日光溫室內砌筑厚24 cm砂漿砌塊,高度方向7層砂漿砌塊,其內部環境見圖3c;3)砌塊填充沙土墻體日光溫室(D),即在裝配式日光溫室內砌筑厚24cm砂漿砌塊,高度方向7層砂漿砌塊,內部空格填充沙土[19],其內部環境見圖3d。

圖2 溫室尺寸圖

圖3 4種墻體的日光溫室
試驗用于測溫的溫度傳感器采用PT100鉑電阻(衡水朝輝自控儀表有限公司、DTM-491A),可保證較高的測量精度[20-21];采用天平(ACS-30,浙江君凱順工貿公司)精確稱量各物料質量;數顯折光儀(LH-B55型1臺、陸恒生物)測可溶性固形物含量。
A、B、C和D溫室的跨度、長度和脊高等結構參數均相同。
4座日光溫室的主要結構參數相同:方位角南偏西5°、跨度8.7 m、長度30 m、脊高4.2m、前屋面傾角60°,北墻體厚度:A溫室10 cm保溫被、B 溫室10 cm保溫被+24 cm紅磚、C溫室10 cm保溫被+24 cm砌塊、D溫室10 cm保溫被+24 cm砌塊(內填沙土)。
因A溫室沒有墻體,故不測試。試驗以B、C和D溫室蓄熱墻體內部溫度作為測試對象。B溫室在如圖4位置的磚墻內部厚度方向12 cm處放置溫度傳感器,C和D溫室在如圖4溫室墻體位置的砌塊、圖1b的位置放置溫度傳感器,在砌筑墻體時就放置,取6個測點的平均溫度。

圖4 墻體溫度測點布置正視圖
試驗以日光溫室室內溫度作為測試對象。日光溫室室內測點平面布置按國家農業標準,如下圖5布設,1、2、3測點距離西墻5 m,7、8、9測點距離東墻5 m,1、4、7測點距離前屋面1 m,3、6、9測點距離北墻1 m,4、5、6測點在溫室長度的中部位置,南北向行內各測點間距相等。在每個平面點垂直方向上設1個點,位于地表上方1.0 m,一共布設9個測點。室外設1個溫度測點,布設在光照測點附近,距地面高度1.0 m處。溫室內溫度數據采用9個測點的平均值[22]。

圖5 溫室溫度測點平面布置圖
在溫室作物中,草莓具有較高的經濟效益和觀賞價值[23-24]。草莓對種植環境的溫度及濕度的變換較為敏感且表現明顯[25-26],所以選擇草莓為試驗的作物。
A、B、C 和D溫室前后相鄰,栽培的草莓品種都是紅顏,定植莖粗葉壯的種苗(具有3~5片葉,新根10條以上,頂芽飽滿)。定植前整理好土地,施用腐熟羊糞10 m3、油渣1 m3,硫酸鉀5 kg和磷酸二銨15 kg。起壟栽培,壟寬50 cm,壟距50 cm,一壟2行,株距20 cm,定植株數2 065株、定植時間2018-09-16。生長期采用相同的滴灌系統和灌水量26 m3,相同植株調整管理,進行草莓栽培試驗,從2018年9月定植到2018年12月成熟收獲,記錄定植時間、開花時間(200朵花蕾綻放)和成熟時間(首次開始采摘)及總產量(40 d內5次),同時稱量最大果質量,用LH-B55型數顯折光儀測量可溶性固形物含量。
3.1.1 3種砌筑墻體溫度測試結果
選取試驗數據2018年12月21日24:00至12月22日24:00(冬至日)共24 h的溫度作為比較分析對象,3種砌筑墻體溫室墻體的溫度測試結果如表1。表1中時間均為北京時間。
由表1知,試驗在早晨07:00室外最低溫?7.7 ℃時,B、C和D 3種結構的蓄熱墻體內部的溫度依次為9.7、10.4和11.3 ℃,比室外溫度依次高17.4、18.1和19 ℃。在午間15:00室外最高溫?2.6 ℃時,B、C和D溫室3種墻體的內部溫度比室外高17.6、19.9和21.0 ℃。說明溫室墻體有明顯的蓄熱效果。正午室外溫度上升的情況下,3種砌體內溫度也上升,蓄存熱量;夜間室外溫度下降的情況下,3種砌體內溫度下降較緩慢。

表1 3種溫室墻體溫度及室外溫度
3.1.2 3種砌筑墻體的蓄熱量計算
根據以上試驗,選取3種蓄熱墻體夜間最低溫和白天最高溫,對B、C和D 溫室3種蓄熱墻體進行分析,該墻體砌筑在溫室內部,白天吸收太陽熱能,蓄積在墻體內,溫度增加,夜間向溫室內散熱,溫度降低,墻體就完成了一個升溫降溫的熱循環過程。
溫室砌筑墻體的蓄熱量計算

式中為墻體散失到溫室內的熱量,J;為墻體比熱容,J/(kg·℃);為墻體蓄熱體質量,kg;為墻體密度kg/m3;為墻體體積,m3;t為墻體白天最高溫度,℃;0墻體為夜間最低溫度,℃。
1)B溫室砌筑墻體的蓄熱量計算
由建筑材料的驗收規范標準知道,磚的比熱容為750 J/(kg·℃),密度為1 750 kg/m3,體積計算得13.1 m3,由表1知磚墻體夜間最低溫度為9.7℃,白天最高溫度為15.0 ℃,向溫室內散發的熱量由式(1)計算得91.1 MJ。
2)C溫室砌筑墻體的蓄熱量計算
砂漿砌塊的比熱容為1180 J/(kg·℃),砂漿砌塊的密度為1 119 kg/m3[17]。整堵砌塊墻體積13.1 m3,砂漿砌塊夜間最低溫度為10.4 ℃,白天最高溫度為17.3 ℃,向溫室內散發的熱量由式(1)計算得119.3 MJ。
3)D溫室砌筑墻體的蓄熱量計算
砂漿砌塊的比熱容和密度由上已知;沙土的比熱容為2 000 J/(kg·℃),沙土的密度為1 680 kg/m3[19]。整堵砌塊墻體積13.1 m3,砌塊空格的體積為3.1 m3。計算得砌塊蓄熱體體積10.0m3,沙土蓄熱體積3.1 m3,砂漿砌塊夜間最低溫度為11.3 ℃,白天最高溫度為18.4 ℃,砌塊蓄熱墻體和沙土向溫室內散發的總熱量由式(1)計算得167.7 MJ。
試驗據選取冬至日2018年12月21日24:00至12月22日24:00共24 h的溫度作為比較分析對象,4種墻體日光溫室室溫測試結果如表2。表2中時間均為北京時間。

表2 日光溫室熱性能測試結果
由表2可知,試驗的4座日光溫室,A溫室保溫被厚10cm,無墻體,B、C、D溫室墻體厚度相同,其他結構參數相同。早晨07:00室外溫度–7.7 ℃時,A、B、C、D 4座溫室室溫依次為7.4、9.6、10.3和11.2 ℃。B、C、D溫室比A溫室室溫分別高2.2、2.9和3.8 ℃。這說明砌筑墻體的B、C、D溫室熱性能明顯優于沒有墻體的A溫室。在B、C、D墻體厚度相同的3種溫室中,蓄熱性能依次是:D溫室>C溫室>B溫室。C、D溫室的墻體砌塊材料相同的情況下,D溫室砌塊內填充沙土比C溫室未填充室溫增加0.9 ℃,表明D溫室蓄熱性能優于C溫室。以上結果顯示砂漿砌塊墻體比磚墻體日光溫室增溫多,砂漿砌塊填充沙土墻體比砂漿砌塊墻體溫室增溫多。說明砂漿砌塊填充沙土作為沙漠地區日光溫室墻體材料具有顯著的增溫效果。
由3.1.2知砌筑的磚墻體和砂漿砌塊墻體B、C和D溫室每天向溫室內散發的熱量計算值分別為91.1、119.3和167.7 MJ,砂漿砌塊墻體C溫室和砂漿砌塊填沙土墻體D溫室比磚墻體B溫室蓄熱量多,與3.2節溫度測試結果D溫室的墻體>C溫室的墻體>B溫室的墻體,結論的規律一致,進一步驗證了砂漿砌塊墻體比磚墻體蓄熱量更多。
裝配式日光溫室前屋面的覆蓋材料是聚乙烯薄膜,夜間覆蓋保溫被,夜間溫室按理想狀態,基本是密閉的,因此溫室的熱負荷Q由式(2)計算。

式中1是圍護結構的散熱量,W,2是冷風滲透的耗熱量,W,3是地面的熱損失,W。
1由式(2)[27]計算。

式中U是溫室覆蓋材料的傳熱系數,W/(m2×K),夜間溫室外圍均覆蓋保溫被,U為1.12 W/(m2×K)[28];A是溫室圍護結構的傳熱面積,m2,由溫室外圍尺寸圖2得13.736 m,計算可知A為13.736 m′30 m=412.08 m2;T是溫室內栽培作物冬季所需的設計溫度,℃;根據溫室加熱系統的設計規范[29],草莓果實發育的適溫是在18~22 ℃之間[30-31],綜合考慮下,草莓溫室的設計溫度T取18℃;amb是室外環境的溫度,℃,由和田地區歷年冬季平均氣溫amb取值?12 ℃;按這個設計方案,由式(3)得溫室圍護結構的散熱量是13 845.9W。


式中u為地面的傳熱系數,W/(m2×K);A是地面面積,m2。由參考文獻[29]可得,地面傳熱系數u取值0.06 W/(m2×K);地面面積A是246 m2;由公式(5)計算得該溫室的地面的熱損失3為442.8W。
由式(2)數值計算得裝配式日光溫室圍護結構的熱負荷Q為70.3MJ/h(19 536.7W)。
3.1.2中試驗3種溫室蓄熱墻體向溫室內散發的熱量計算值,與3.4.1中裝配式溫室所需熱負荷計算值規律一致。說明在沒有其他加溫設施的情況下,溫室內增加的蓄熱體是溫室內夜間的熱源,可以使溫室內溫度增加。
由表3知,B、C和D溫室栽培的草莓開花期分別比A溫室早7、11和14 d,成熟期早14、17和20 d。
4座溫室草莓總產量分別是:D溫室>C溫室>B溫室>A溫室。B、C和D溫室栽培的草莓產量分別是A溫室的1.24、1.3和1.33倍,單棚產量依次高24.2%、30.1%和33.4%。
對4座溫室內草莓的品質也進行了測量。單果質量最大值依次為:D溫室>C溫室>B溫室>A溫室。B、C和D溫室栽培的草莓可溶性固形物質量分數平均值分別達11.5%、12.2%和12.7%,比A溫室的可溶性固形物質量分數平均值高1.4、2.1和2.6個百分點。可溶性固形物含量越高草莓的口感越甜,商品品質越好。
綜合分析可知,砂漿砌塊填充沙土墻體溫室內種植的草莓得到了更適宜的生長環境,呈現出更高的產量和更優的品質。

表3 4種墻體溫室的草莓產量和果實品質
在裝配式日光溫室內砌筑砂漿砌塊填充沙土墻體,使溫室的蓄熱性能明顯增加。砂漿砌塊填充沙土墻體日光溫室充分發揮了墻體材料的蓄熱性,增加了蓄熱體積,白天吸收太陽熱量,更多地蓄積在墻體內,夜間將蓄存的熱量散失至溫室內,使得溫室內夜間溫度得以補償,滿足草莓生長需求,使草莓成熟期提早,產量增高,可溶性固形物含量增加。
因此在和田大量使用的裝配式日光溫室內砌筑砂漿砌塊填充沙土墻體,溫室的蓄熱性顯著增加,且砂漿砌塊填充沙土墻體比磚墻日光溫室更適宜草莓生長需求。
在原裝配式日光溫室內部砌筑墻體,增加了溫室內蓄熱體,是溫室內夜間的加溫熱源。驗證了墻體對溫室熱貢獻的重要性。因此溫室內沒有其他熱源的情況下,夜間溫度也有顯著增加,適合作物的生長。
本文通過在裝配式溫室(A溫室)內北側砌筑磚墻體(B溫室)、砌塊墻體(C溫室)和砌塊填充沙土墻體(D溫室)得到3種結構的蓄熱墻體溫室,實驗測得墻體溫度, A、B、C和D溫室室內溫度和草莓產量和可溶性固形物含量平均值等,并為驗證砌筑墻體增加的蓄熱量,與裝配式溫室的熱負荷計算值進行對比,得到以下結論:
1)磚墻體、砌塊墻體和砌塊填充沙土墻體3種結構的蓄熱墻體早晨07:00內部的溫度依次為9.7、10.4和11.3 ℃,砌塊填充沙土墻體>砌塊墻體>磚墻體。
早晨室外?7.7 ℃時,A、B、C和D溫室室內溫度依次為7.4、9.6、10.3和11.2 ℃,D溫室>C溫室>B溫室>A溫室。近一步驗證了墻體對日光溫室熱貢獻的重要性。新砌筑砂漿砌塊墻體蓄熱量計算值大于磚墻體蓄熱量計算值,說明砂漿砌塊比磚更適合建設溫室墻體。
2)新砌筑墻體的蓄熱量與裝配式溫室的熱負荷的計算值一致。表明在沒有其他加溫設施的情況下,溫室內新砌筑墻體是溫室內夜間熱源,可以使溫室內溫度增加。
3)B、C和D 3種墻體日光溫室栽培的草莓開花期分別比原裝配式日光溫室早7、11和14 d,成熟期早14、17和20 d,單棚產量依次高24.2%、30.1%和33.4%,可溶性固形物含量平均值多1.4、2.1和2.6個百分點。根據以上結論和試驗依據,后續在日光溫室內增加砂漿砌塊蓄熱墻體,不占溫室內栽培面積,只占少量走道面積,不破壞種植區原來地貌環境,經濟實用,利于推廣應用。且砂漿砌塊墻體增溫效果顯著,其溫室夜間溫度更適宜作物生長。鑒于目前設施農業產業的工業化生產,砌塊墻體的規模化、產業化的加工建造技術有待于進一步研究。
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Warming and strawberry cultivation effect of building heat storage walls in assembled solar greenhouse
Ma Yuehong1,2, Li Baoming1※, Wang Guoqiang2, Liu Na2, Liu De3
(1.,100083,; 2.,830091,; 3.,,830000,)
To solve the problem of low temperature inside the solar greenhouses during the winter nights in Northwest desert area of China, a case study was conducted on the assembled solar greenhouse, which is widely used in Hetian area, XinjiangProvince. Three types of walls with different building materials, i.e., the brick wall, block wall, and the sand-filled block wall, were built in the north sides of the solar greenhouses with the purpose to improve its heat storage properties and consequently to increase the indoor temperatures during the winter nights. Temperatures of the north walls and indoor environments of the solar greenhouses were continuously monitored with the TC100 sensors. The effect of different heat storage walls on strawberry cultivation inside the greenhouses was evaluated. The mass weight and solid soluble content of the strawberry were measured by ACS-30 balance and LH-B55 digital refractometer, respectively. Results showed that the heat storage performances of the three types of north walls with identical volumes and dimensions were as followings: Sand-filled block wall > block wall > brick wall. The internal temperatures of the three heat storage walls were 9.7, 10.4, and 11.3 ℃, respectively. The brick wall, block wall and sand-filled block wall averagely increased the indoor temperatures of the assembled solar greenhouses by 2.2, 2.9, and 3.8 ℃ at 07:00 in the morning, respectively. The indoor temperatures of four greenhouses are 7.4, 9.6, 10.3, and 11.2 ℃ respectively. The same planting management technology was adopted for the three tested solar greenhouses. The flowering dates of the cultivated strawberries using the three heat storage walls were 7 days, 11 days, and 14 days earlier than those of the original solar greenhouses without any modifications, and the maturities of strawberries were 14 days, 17 days, and 20 days earlier, respectively. The strawberry yields were 24.2%, 30.1%, and 33.4% higher, and meanwhile, the soluble solid contents of the strawberry in the treated groups were 1.4 percentage points, 2.1 percentage points, and 2.6 percentage points greater than those in the original fabricated greenhouses. The average soluble solids content of strawberry cultivated in three greenhouses reached 11.5%, 12.2%, and 12.7% respectively. The results again verify the importance of thermal properties of the north wall on the microenvironment of the solar greenhouses. Among the modifications, the mortar block wall is more effective than the brick wall, providing a better environment for strawberry growth in the greenhouse. The heat storage capacity of the new tested walls was consistent with the calculated heat load of the assembled greenhouses, indicating that the newly built walls in the greenhouse without supplemental heating systems were the driven source for the indoor environment improvement during the nighttime. The thermal load of fabricated solar greenhouse envelope was 70.3 MJ/h. The calculated value of heat emitted from the heat storage wall into the greenhouse was 91.1和119.3 MJ, respectively. This paper provides a reference for the heat storage material selection and structural design, as well as a basis for the application and research of mortar blocks in assembled solar greenhouses in the desert area of Northwest China.
greenhouses; walls; temperature; mortar block; heat storage performance; cultivate
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022
S625.2
A
1002-6819(2019)-15-0175-07
2019-03-27
2019-08-08
國家自然科學基金資助項目(51768072);新疆自治區重點研發專項(2018B01002)
馬月虹,研究員,博士生,主要從事設施農業工程研究。Email:923999218@qq.com
李保明,教授,博士,博士生導師,主要從事設施農業工程工藝與環境研究。Email:libm @cau.edu.cn
馬月虹,李保明,王國強,劉 娜,劉 德. 裝配式日光溫室砌筑不同蓄熱墻體的增溫和草莓栽培效果[J]. 農業工程學報,2019,35(15):175-181. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022 http://www.tcsae.org
Ma Yuehong, Li Baoming, Wang Guoqiang, Liu Na, Liu De. Warming and strawberry cultivation effect of building heat storage walls in assembled solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 175-181. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022 http://www.tcsae.org