光伏幕墻對陽臺微環境及西瓜生長的影響

趙永超 陳玉保 唐伊戀 蘭青 鄧佳

摘要 [目的]研究光伏幕墻對陽臺微環境的影響以及在此微環境中西瓜的生長狀況。[方法]以“甜王一號”西瓜品種為試材，栽培于陽臺種植箱內，并對陽臺微環境及西瓜質量和外觀形態進行分析。[結果]在晴天條件下，室內陽臺的溫度為23.7～32.2 ℃，相對濕度為28.8%～49.2%，CO2濃度為329.2～348.5 mg/L，光伏幕墻平均透光率為46.4%;在陰天條件下，室內陽臺的溫度為23.2～26.1 ℃，相對濕度為43.7%～52.1%，CO2濃度為330.9～345.5 mg/L;09：00—11：30，西瓜葉片的葉綠素含量隨著光照強度的增加而增加，當光照強度為44 300 lx 時，西瓜葉片的葉綠素含量達到最大值（42.5 mg/g）。測量了西瓜的質量和外觀形態，最大單果質量為2.61 kg，縱橫徑分別為15.57 和14.64 cm。[結論]在光伏幕墻的微環境下西瓜能正常生長并成功結出果實。

關鍵詞 光伏幕墻;陽臺微環境;西瓜生長

中圖分類號 S214文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）24-0207-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.059

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Photovoltaic Curtain Wall on Balcony Microclimate and the Growth of Watermelon

ZHAO Yongchao1，CHEN Yubao1，TANG Yilian2 et al （1.Solar Energy Research Institute， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan650500;2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University，Kunming， Yunnan650214）

Abstract [Objective] To study the effects of photovoltaic curtain wall on balcony microclimate and watermelons growth.[Method]“Tianwang No.1” watermelon variety was taken as test materials and cultivated in the planting box of balcony.And the balcony microclimate and the quality， appearance of watermelon were analyzed.[Result]Under sunny conditions， the temperature of indoor balcony was 23.7-32.2 ℃，the relative humidity was 28.8%-49.2%， the concentration of CO2 was 329.2-348.5 mg/L， and the average transmittance of photovoltaic curtain wall was 46.4%.Under cloudy conditions， the temperature of indoor balcony was 23.2-26.1 ℃， the relative humidity was 43.7%-52.1%， and the concentration of CO2 was 330.9-345.5 mg/L. From 09：00 to 11：30，the chlorophyll content in watermelon leaves increased with the rise of light intensity.When the light intensity was 44 300 lx， the chlorophyll content in watermelon leaves reached the maximum（42.5 mg/g）.The quality and appearance of watermelon were measured.The measurement results showed that the maximum single fruit mass was 2.61 kg， and the longitudinal and traverse diameter of watermelon fruit were 15.57 and 14.64 cm， respectively.[Conclusion]The watermelon could grow and fruit successfully under the microclimate of photovoltaic curtain wall.

Key words Photovoltaic curtain wall;Balcony microclimate;Watermelons growth

光伏幕墻在建筑一體化應用中能獲得可觀的社會效益和生態效益，并兼顧了良好的室內透光性[1]。馬銘等[2]曾對云南師范大學120 kW半透明雙玻光伏幕墻系統進行測試分析，結果表明其4 h發電量為232 kW·h，但對光伏幕墻遮陰下的室內環境并未進行研究。由于雙玻組件具有一定的透光性，可在其下方種植蔬果等農作物，有學者研究了在該光伏組件部分遮陰的溫室種植番茄的生長狀況，結果表明在光伏組件產生電力時并不影響番茄的生長[3]。近年來，利用陽臺的有效空間來種植蔬果的研究逐漸增加，一部分溫室種植的蔬果被種植于陽臺上，包括生菜[4-5]、黃瓜[6-7]、番茄[8-9]、韭菜[10-11]等，但針對西瓜的陽臺種植研究尚未多見。西瓜原產于非洲屬葫蘆科的一年生蔓性草本植物[12]。西瓜含有豐富的多種礦物質和維生素成分[13]，2016年我國西瓜生產面積為153.3萬～166.7萬hm2，位于世界生產面積前列[14]。西瓜大多采用日光溫室種植，已有研究發現適宜西瓜生長的溫室內環境溫度為10.67～29.95 ℃，相對濕度為52.40%～94.26%，CO2濃度為455～631 mg/L，光照強度為268.37～13 842.60 lx[15]。但目前國內針對光伏幕墻下陽臺種植的相關研究涉及不多，尤其是針對西瓜的陽臺種植相關研究較為少見。

基于以上研究結果，該研究通過對光伏幕墻下的陽臺微環境變化為主要目的，并研究該環境對西瓜生長的影響。筆者探討光伏幕墻下的環境因子適宜陽臺設施西瓜生長的可行性，將太陽能與陽臺設施的結合，充分利用陽臺有效面積，旨在為陽臺西瓜的健康生長及以后的研究工作提供一定的理論與實踐基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試陽臺的總長度為20 m，寬度為2.5 m，高度為15 m。供試西瓜品種為北京華耐農業發展有限公司培育而成的“甜王一號”，屬中早熟、小型西瓜品種。供試種植容器為長方形種植箱，種植箱長55 cm，寬45 cm，高40 cm。供試基質為保水性、保肥、透氣的富含礦物質、草炭、珍珠石、蛭石、椰糠的基質與普通園藝土壤1∶1配制。供試肥料采用水肥一體化含氮（N 22%）、磷（P2O5 14%）、鉀（K2O 14%）、鈣（CaO 1.2%）、鎂（MgO 0.5%）的水溶性肥料，水肥溶劑配比按照400∶1進行。供試驗所測量的儀器設備如表1所示。

1.2 試驗方法

試驗在云南師范大學太陽能研究所的光伏幕墻下陽臺內進行。地址位于云南省昆明市（102.68°E，25.07°N）， 平均海拔約1 891 m，屬于亞熱帶高原山地季風氣候，年平均氣溫15 ℃左右[16]。為了對陽臺設施環境因子進行監控并對其數據進行分析，使用TRM-2型數據采集儀，在陽臺室內外各水平放置1個總輻射表測量太陽輻照瞬時值及累計值;在陽臺室內外各放置1個溫濕度記錄儀和CO2傳感器，室內溫濕度記錄儀和CO2傳感器懸掛距離陽臺地面1.0 m 高度的中心位置，用以測量室內溫度、相對濕度和CO2濃度。室外放置溫濕度記錄儀、CO2傳感器和太陽總輻射表與室內設備同時測量。為了驗證西瓜生長狀況，試驗共設計4個樣本T1、T2、T3、T4，每個樣本處理3次重復，共12個小區。經過催芽育苗后，于2019年4月15日在陽臺種植箱內定植，定植箱間距為40 cm×80 cm，后期管理按照日常管理進行。

1.3 測定項目與方法 選擇西瓜的開花期到結果期（2019年5月20日～7月25日）比較典型的10 d晴天和陰天條件下。全天24 h，每隔30 min測定陽臺室內及室外的溫度、相對濕度、CO2濃度，并對相同天氣狀況的相同時刻計算平均值;每隔10 min測定太陽輻照瞬時值、太陽輻照累計值、光照強度;采用手持RYNY-128葉綠素測試儀，從09：00到11：30每隔30 min測定陽臺西瓜葉片的葉綠素含量，對相同的西瓜葉片測量3次并做好數據記錄，并對同時刻求平均值。待西瓜結果后，每隔5 d使用電子天平秤測量單果質量，取其平均單瓜質量。使用鋼卷尺同步測量果實縱徑和橫徑。

1.4 數據統計與分析 使用Origin 8.5和Excel 2010軟件對試驗數據進行繪圖與分析。

2 結果與分析

2.1 陽臺溫度變化

一天溫度變化中，晴天和陰天條件下陽臺室內及室外溫度變化趨勢基本一致。圖1為典型天氣條件下陽臺室內外溫度的日變化曲線。如圖1a所示，晴天條件下室內與室外溫差較大，08：00—12：00時間段陽臺室內溫度由于溫室效應的原因，比室外溫度上升較快。12：30室外溫度為25.0 ℃時，室內溫度出現32.2 ℃的峰值，室內比室外溫度高7.2 ℃。室內溫度13：30左右開始有所下降，并在15：00 室內外出現4.3 ℃的最低溫差。14：00—17：00保持一段平緩的趨勢，原因是太陽輻照逐漸降低光伏幕墻起著良好的保溫作用。17：00以后，太陽輻照逐漸消失，室外溫度急劇下降，因此室內溫度也隨之下降。室內的日平均溫度為27.2 ℃，日最高和最低溫度分別為32.2 和23.7 ℃，室外的日平均溫度為22.0 ℃，日最高溫度、日最低溫度分別為26.0 和18.7 ℃，室內外平均溫差為5.2 ℃。

如圖1b所示，在陰天條件下，白天室內外增溫幅度較小，從07：00起室內開始增溫，此時室內出現最低溫度（23.2 ℃）。15：30，當室外溫度為21.0 ℃時，室內溫度出現最大值（26.1 ℃），室內溫度比室外溫度高5.1 ℃。16：30，室內外出現5.2 ℃的最低溫差，比晴天最低溫差高0.9 ℃。室內日平均溫度、日最高溫度和日最低溫度分別為24.5、26.1和23.2 ℃，室外日平均溫度、日最高溫度和日最低溫度分別為19.7、21.5和18.2 ℃，室內日平均溫度比室外高4.8 ℃。因此，在2種天氣條件下室內平均溫度均比室外平均溫度高5.0 ℃。

綜上所述，陽臺設施西瓜在晴天條件下，供試陽臺表現出高溫的環境特點，日平均溫度變化范圍為23.7～32.2 ℃，陰天條件下日平均溫度變化范圍為23.2～26.1 ℃。

2.2 陽臺相對濕度變化

室內外相對濕度的變化取決于室內外溫度及光照強度的變化。由于西瓜采用種植箱種植，選擇定期、定量的進行灌溉，當室內溫度和太陽輻射強度變化較大時，由于植株的蒸騰作用基質水分消耗較快，與室外相對濕度相比，室內的相對濕度比室外低。因此，在室內相對濕度較低的環境中，為保證西瓜植株的正常生長，要做好定期灌溉防止種植箱基質過于干燥，造成西瓜植株死亡現象。

不同天氣狀況下，不同相對濕度影響西瓜的生長。圖2a為

在晴天條件下陽臺室內外相對濕度的日變化曲線。00：00—07：00時間段內，室內外相對濕度呈現小幅度的上升趨勢，當06：30室外日相對濕度最大值為85.7%時，室內外出現日最高相對濕度差，為37.1%，07：00室外相對濕度為85.0%，此時室內相對濕度出現最大值，為49.2%。08：00—13：30 ，隨著溫度的上升，室內外相對濕度下降更加明顯，分別下降了16.6%和26.2%，此時13：00室內日相對濕度出現最小值，為28.8%;16：00室外相對濕度最小值為54.3%，室內外出現日最小相對濕度差，為23.2%;17：00以后，隨著室內外溫度的逐漸下降，室內外相對濕度也出現逐漸上升狀態，該時段室內外相對濕度變化趨勢相近。室內日平均相對濕度為39.7%，室外日平均相對濕度為71.1%，室內外日平均相對濕度差為31.4%。

2.6 西瓜質量和果實外觀形態

在光伏幕墻下的陽臺上成功種植了西瓜樣本，并且每個樣本均結出西瓜果實。由表2可知，西瓜樣本T4果實單果質量最大，達到2.61 kg;樣本T1果實單果質量最小，為1.31 kg;樣本T4的單果質量比樣本T1、T2和T3分別高1.30、0.99和0.26 kg。西瓜的樣本T1果實縱橫徑均最小，分別為9.81和9.43 cm;樣本T4的果實縱橫徑均最大，分別為15.57和14.64 cm，其西瓜果皮厚度最厚（10.18 mm），比T1、T2和T3分別增加37.42%、22.20%和2.55%。光伏幕墻下的陽臺微環境對西瓜單果質量、果皮厚和果實縱橫徑均有顯著影響，但對西瓜果形指數的影響無顯著差異。

3 結論

該研究分析了半透明雙玻光伏組件幕墻下陽臺的微環境，并在陽臺上種植了西瓜樣本。西瓜的生長受到溫度、相對濕度、光照、CO2濃度等因素的綜合影響，研究發現晴天條件下溫度為23.7～32.2 ℃，相對濕度為28.8%～49.2%，光照強度為10 890～44 300 lx（09：00—11：30），CO2濃度為329.2～348.5 mg/L，光伏幕墻的平均透光率為46.4%;陰天條件下，溫度為23.2～26.1 ℃，相對濕度為43.7%～52.1%，CO2濃度為330.9～345.5 mg/L;西瓜葉片的葉綠素含量隨著光照強度增加而增長，11：30時當光照強度為44 300 lx，西瓜葉片的葉綠素含量達到最大值（42.5 mg/g）。葉綠素含量的增加提高了西瓜葉片光合作用能力，從而促進了西瓜生長。在西瓜結果期測量了西瓜的質量和外觀形態，其中樣本T4的生長數據最佳，單果質量最大值為2.61 kg，縱橫徑為15.57和14.64 cm，驗證了西瓜在該陽臺微環境中能夠正常生長的結論。在陽臺上方光伏幕墻發電的同時，該研究通過對光伏電池之間的透光性以及陽臺溫濕度等微環境的研究，實現了太陽能與陽臺種植的有機結合，采用種植箱和基質栽培西瓜，解決了陽臺設施西瓜種植的瓶頸。該研究結果可為后續的研究提供參考價值。

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