新型裝配式節能日光溫室冬季溫控的有關思考

吳菲菲

（內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古自治區 包頭 014109）

作為北方冬季的關鍵農業設施，日光溫室有著廣泛的應用，但是傳統日光溫室普遍存在成本高、工序多、工程量大以及土壤性能受損等一系列問題，所以打造新型裝配式節能日光溫室非常有必要。新型裝配式節能日光溫室具有良好的冬季控溫效果，大大降低了冬季農作物凍害問題的發生，具有較高的推廣價值。

1 當前日光溫室的冬季控溫發展現狀

當前所采用的日光溫室主要依靠太陽能來提供能量，并在土壤、山墻以及后墻內對熱量進行存儲。墻體表面在日間太陽輻射下，能夠保存熱量，可以使溫室中的溫度大于35 ℃，但是夜間會出現溫度降低的狀況，此時土壤、墻體能夠釋放所存儲的熱量，提升溫室的溫度。在這個過程中墻體表面、溫室空氣能夠進行對流，交換熱量，且墻體也可以發揮導熱作用，將熱量釋放到溫室，使溫室中的溫度升高。然而在日光溫室墻體材質特性的制約下，其蓄熱性能較差，因此在下半夜溫室的溫度較低，增大了低溫冷害問題的發生幾率，不利于提高作物產量。

日光溫室的墻體是關鍵的蓄熱保溫部分，在升級、改進日光溫室時，主要會針對墻體進行改造。結合日光溫室發展現狀進行分析，后墻結構發生了很多的改變，逐漸從土筑墻、磚砌墻轉變為異質復合墻或機打土墻等。眾多學者也針對日光溫室的墻體進行研究，分析冬季控溫效果。其中，李小芳、陳青云在研究中詳細探究了日光溫室的氣溫受磚墻厚度、復合墻內苯板厚度、組合墻體內磚墻厚度、聚苯板厚度等因素的影響，明確了最佳控溫效果對應的磚墻聚苯板隔熱材料厚度是0.1 m，且保持厚度不變的情況下，磚墻厚度越薄控溫效果越優，同時控溫效果也會受薄磚墻材質排列的影響；張義、楊其長等學者在論著中，基于日光溫室墻體結構，設計出日光溫室水幕簾蓄放熱系統，發揮水循環的作用，在水池中存儲由水幕簾所吸收的日光能量，并于晚上對熱量進行釋放，以此來達到良好的冬季控溫目的；王宏麗、任雷等學者在開展的研究中，探究北面符合保溫墻體的傳熱效果，通過相變材料的蓄熱性，避免日光溫室夜晚氣溫過低的問題，使北墻對日光的利用率顯著提升。此外，李炳海、劉圣勇等學者還借助太陽能土壤加溫系統，分析日光溫室的地溫改善狀況；方慧學者則分析了溫室蓄放熱增溫系統的控溫效果，借助透光水幕簾來高效化運用太陽能，改善夜間溫室的低溫問題。

沈陽農業大學近年來提出一種全新的裝配式節能日光溫室，通過水載體來儲存太陽所釋放的熱量，并利用溫室淺層土壤進行蓄熱，依托水循環作用實現淺層土壤、水池對熱量的收集和存儲，并在夜晚釋放土壤熱量，使氣溫得到提升，保障作物的成長。對于新型裝配式技能日光溫室的研究、設計工作，眾多學者在不斷探索和分析，為冬季日光溫室控溫工作的開展提供了參考和指導。

2 水循環系統、空氣——地中熱交換蓄放熱系統的設計

新型裝配式節能日光溫室主要采用的是水循環系統、空氣——地中熱交換蓄放熱系統，其中回水管道、水池、輸水管道、水泵以及采光板等共同構成了水循環系統。采光板（360 m2）位于日光溫室內部的后墻體上，后墻內地下設置了水池（32 m2），水泵的流量和功率分別設定為15 m2/h 平方米每小時和750 W。在白天會讓水循環系統處于啟動狀態，向采光板頂部對水進行傳送，充分對太陽能進行吸收后沿采光板間隙流出，再次回流入水池內，從而在水池中存儲太陽能。而在夜晚溫室氣溫降低的情況下，則需要對水循環系統進行開啟，釋放由采光板存儲的熱量，調節溫室的氣溫，避免低溫狀況。新型裝配式節能日光溫室的水循環系統如圖1 所示。

圖1 日光溫室的水循環系統

而溫室所運用的空氣——地中熱蓄放熱交換系統工作原理則是借助風機，對日光溫室頂層4.5 m 位置的熱空氣向地下0.5 m 處的熱交換管進行導入處理，使日間太陽能的存儲熱量增大，以此來有效調節夜晚溫室的氣溫。

空氣——地中熱蓄放熱交換系統的開啟時間為上午10∶00 到下午3∶00，需要設置南北走向的地下熱交換管道，且將10 臺風機每間隔6 m 進行安放，各臺風機對應的進風口、出風口應分別位于日光溫室北面、南面，且運行總功率是1.2 kW。該系統要在日光溫室的頂層布置上端進風口管道，保持同地面4.5 m的距離。

3 新型裝配式節能日光溫室的建立及實驗研究

（1）構建試驗溫室。在北方某地區對新型裝配式節能日光溫室進行構建，且將溫室結構設計為半圓弧性骨架，選取具有移動功能的保溫山墻，借助巖棉彩鋼板對溫室進行覆蓋，保障日光溫室的冬季控溫性能。該試驗日光溫室的占地面積是800 m2，后坡水平投影是1.7 m，采光角度是41°，整個溫室對應的長、高和寬分別是65、5.5 以及12 m。此外，試驗溫室的作物種植空間為3 m 左右，雪荷載、風荷載是45 和55 kg/m2。

將新型裝配式節能日光溫室標記為A，并將設置的對照溫室標記為B，在晴朗天氣下，從氣溫、土溫兩個角度對照分析兩個日光溫室的冬季溫控效果。

（2）溫室的氣溫和土溫對照研究。將試驗條件設定為：早上8∶00 將保溫板揭開，打開循環水泵進行蓄熱，并于下午16:00 將循環水泵關閉，17:00 將保溫板蓋上。監測點要每隔半小時對土溫、氣溫進行檢測，記錄好溫度變化狀況。

測量溫室氣溫的步驟為：對于溫室A 應于距地面一米的東西方向上，挑選中間點、各距東側及西側山墻三米位置的兩點作為三個監測點，并在南北方向挑選中間點、各距前骨架及后墻兩米位置的兩點作為三個監測點；同理對于溫室B 的東西方向上監測點進行設定，而在南北方向上則要選取中間點、各距前墻及后墻兩米位置的兩點作為三個監測點。借助精創U 盤式溫度記錄儀數據記錄儀RC-5 對兩個溫室的氣溫進行檢測，測量范圍為-20 ℃～40 ℃，精準度為±0.5 ℃，且溫度分辨率是0.1 ℃。

測量土溫的步驟為：溫室A、B 均將土層溫度監測點設置在中間位置，土層深度依次為10、30 和60 m，檢測各深度下南北方向土層的溫度。由于溫室東西方向設置了相對均勻的換熱管，土層溫度不會出現較大的改變，所以檢測南北方向的溫度情況更科學。通過不銹鋼直角地溫計來測試溫室土層溫度，測量范圍為-30 ℃～50 ℃，精準度為±1 ℃，且分度值為1 ℃。

4 新型裝配式節能日光溫室冬季溫控效果分析

（1）溫室中氣溫變化狀況。首先，不同監測點在東西方向上的溫度變化狀況。在溫室A 中，三個監測點的溫度不斷升高，直至下午13:00 達到最高，溫度依次為32 ℃、37.2 ℃及35.6 ℃，并在此之后不斷降低。其中，距東側山墻三米位置的監測點僅在東側山墻受陽光照射較強的時間段內，散熱較大，使其同其他兩個監測點存在約3 ℃溫度差，其余時間段分別比其他兩個監測點低0.2 ℃、0.3 ℃，這就表示該溫室在東西走方向上氣溫變化不大。

在溫室B 中，三個監測點至下午13:00 之前，溫度不斷升高，之后呈現溫度降低的趨勢，最低點位于次日早晨6:30 左右，依次為5.9 ℃、7.6 ℃及5.2 ℃。其中，距東側山墻三米位置的監測點因為東側山墻存在陰影，所以會低于其他兩個監測點的溫度，且氣溫差約為2 ℃，但是同樣西側山墻也存在陰影，所以下午會出現距西側山墻三米位置的檢測點溫度較低的狀況，由此導致三個監測點的氣溫出現一定浮動，氣溫差最大值達到4 ℃，由此表示該溫室在東西方向上的氣溫分布相對不均勻。

對比兩個溫室的東西向氣溫變化情況得知：下午13:00 前，在東西方向上溫室A 的平均氣溫明顯比B要高，溫差的最高值為5.2 ℃；而在17:00 將保溫板蓋上后，A 所蓄積熱量能夠長時期保持較高的問題，而B 則出現溫度快速降低的狀況，導致二者出現較大的氣溫差。溫差最大值達到6.4 ℃，分布在次日1:30到4：00 之間，這時溫室外的氣溫是-20 ℃，表示溫室A 能夠在白天蓄積熱量并于晚上釋放熱量，所以可以保持一定的室內氣溫，這就避免了作物的凍害問題。

其次，不同監測點在南北方向上的溫度變化狀況。在采光板采熱、太陽能輻射的作用下，溫室A 在日間10:00 到14:00 時間段內，中間位置監測點的氣溫要比各距前骨架、后墻兩米位置的兩個監測點的溫度低，最高的溫差值為2 ℃，其他時間的溫差基本約為0.2 ℃，表示該溫室在南北方向上氣溫呈均勻分布。

太陽能是溫室B 的主要能量來源，因此在10:30到15:30 的時間段內，距后墻兩米的監測點溫度最高，其次為距后墻兩米的監測點、中間位置的監測點，溫差的最大數值為5 ℃；而在之后三個監測點的溫度會不斷下降，但在后墻散熱作用下，三個監測點的溫度差值會逐漸增大，在次日1:30 到4:30 達到5 ℃的最大差值，表示該溫室在南北方向上夜間氣溫呈不均勻分布的狀態。

對比兩個溫室的南北向氣溫變化情況得知：溫室A、B 在10:00 到13:00 存在顯著的氣溫差，差值約為5.6 ℃，在分別將保溫板、保溫被蓋上之后，二者也存在較大的氣溫差，差值約為6.1 ℃。尤其在夜間氣溫變化方面，溫室A 可以始終保持在11.5 ℃左右的氣溫，但是溫室B 則僅達到6.6 ℃的氣溫，表示前者的蓄熱保溫性能明顯較優。

（2）溫室中土溫變化狀況。首先，在相同位置各土層深度下的土溫變化方面。針對兩個溫室，可以分別觀察各自在各土層深度下的土溫變化狀況，其中對于溫室A 而言，土層溫度具有晝高夜低的特點，在土層加深的過程中，土溫會不斷下降，各土層下的溫度改變趨勢存在明顯的不同。受太陽照射影響的10 cm 深度的土層，在日間14:00 時溫度最高，之后會持續下降，出現很大的變動；30 cm 深度的土層受熱量傳遞時間延后的影響，溫度則具有夜晚不斷升高而晝間持續下降的特點，能夠在夜晚達到約12 ℃左右的土層，滿足了作物生長要求；60 cm 深度的土層在水循環系統和空氣——地中熱蓄放熱交換系統的作用下，能夠借助風機向地下0.5 m 的熱交換管傳輸熱空氣，實現日間熱能儲蓄，使土溫高于日間。而對于溫室B 而言，10 cm 深度的土溫晝高夜低，30 cm及60 cm 深度的土層因為熱量傳遞很慢，因此夜晚土溫較高，最大值為9.2 ℃、8.1 ℃，而日間土溫較低，最低值為6.1 ℃、5.9 ℃。

在相同土層深度下，兩個溫室的土溫變化狀況為：對于10 cm 深度的土層溫度，二者日間相差不大，且日間較高而夜晚較低，然而在進行保溫之后，溫室B的土溫下降速度要比A 快；對于30 cm 深度的土層溫度，溫室B 要低于A；對于60 cm 深度的土層溫度，溫室A 依靠后墻集熱管獲得能量，將搜集的熱能向土層進行傳遞，但是溫室B 單純通過土層溫度由高到低進行傳遞，必然達不到溫室A 的土溫。

其次，在差異位置相同土層深度下的土溫變化方面。因為作物生長適宜的土層深度是30 cm，在這一土層深度之下，溫室A 在日間14:00 時的土溫達到最低，三個監測點按照南——中——北的順序，土溫依次是13.6 ℃、12 ℃和11.3 ℃，且夜間最高的土溫值依次是14 ℃、12.8 ℃和11.6 ℃，土溫差值最大達到6.4℃，土溫差變化無較大波動。因此溫室A 在南北方向的土溫差呈均勻分布。溫室B 在日間14:00 時，南——中——北三個監測點的土溫最小值依次是10.8 ℃、10 ℃和7 ℃，在夜晚土溫相對較低，依次是9.9 ℃、9.1 ℃和7.6 ℃，土溫差最大值達到了7 ℃，變化曲線波動較大，這也就表示溫室B 在南北方向上的土溫分布并不均勻。

5 結語

上述實驗驗證：新型裝配式節能日光溫室具有良好的冬季溫控效果，能夠在夜間保持一定的氣溫和土溫，為作物的生長提供了良好的環境。新型裝配式節能日光溫室選用巖棉彩鋼板為主材料，制作成半圓弧形坡面，并對溫室東側、西側山墻設計了圍護結構，輔以頂部保溫覆蓋板，起到很好的保溫、密封效果，有效避免了雨雪、大風天氣帶來的危害。保溫覆蓋板可以結合天氣在不同時間段打開或關上，使溫室東側和西側山墻遮光較弱的弊端得到了彌補，極大地改善了土地利用效率。但是在實踐應用新型裝配式節能日光溫室的過程中，還需要在實踐中不斷完善，對裝配工藝和系統參數進行持續改進，從而達到推廣運用新型裝配式節能日光溫室的目的。