甘州区第三代日光温室设计原理及性能试验

白晓军

甘州区第三代日光温室设计原理及性能试验

白晓军

特约栏目主持：张丽华

正高职高级工程师，现任武汉市农业机械化技术推广指导中心站长。30年来一直从事农业机械化技术推广和培训工作，先后承担部省下达的农业机械化项目 10 多项，主持各类农业机械现场演示、推广、培训会 200 余场，获全国农牧渔业丰收奖3项，省政府科技进步奖1项，地厅级科技进步奖4项。被农业部评为全国农业技术推广先进工作者，为省政府专项津贴获得者，被授予全国农机科普先进工作者、武汉市十佳农业女杰、全省农机化工作先进工作者等称号。

导读：甘肃张掖市甘州区目前推广的第二代日光温室蓄热保温性能不满足当地冬季极端低温天气蔬菜安全生产的要求，为了解决此问题，按照当地冬至日合理太阳能截获设计日光温室合理前屋面角度，形成了蓄热保温性能更好的第三代节能日光温室。主要介绍了第三代日光温室的结构参数、蓄热保温性能提高的原理和试验的性能表现。

甘州区隶属于甘肃张掖市，位于河西走廊中部，地处东经 100°6′～100°52′，北纬 38°32′～39°24′，南依祁连山，北邻内蒙古阿拉善右旗。甘州区属大陆性气候，年均日 照时数 2 932～3 085 h，具有 充足 的光热资源发展节能日光温室。 甘州区年均气温 7.8℃，冬季最低气温-28.7℃，目前推广的第二代日光温室是按照当地冬至日（12 月 22日左右）采光区段合理透光率设计日光温室合理前屋面角度形成的，理论上在当地最寒冷的冬季夜间可实现室内外温差 30℃，但在实际生产中第二代日光温室遇到-28℃的极端低温天气， 棚内温度会降到 0℃甚至 0℃以下， 棚内蔬菜特别是一些茄果类蔬菜就会发生冻害，若不加温就不能保证冬季蔬菜安全生产。 为了解决第二代日光温室冬季温度低影响蔬菜安全生产的问题，参考农业部种植业管理司 2014 年制定印发的 《日光温室发展的适宜地区及优型结构参数》， 按照甘州区冬至日合理太阳能截获设计日光温室合理前屋面角度，形成了北纬 38°～39°地区采光、蓄热和保温性能更好的第三代节能日光温室。第三代节能日光温室理论上在当地寒冷的冬季夜间可实现室内外温差 35℃以上， 在冬季最低气温-28℃不加温可实行果 菜 类蔬菜 安全生 产[1]。

1 第三代日光温室断面结构参数

①角度 方位角：座北向南，正南偏西 5°～8°为宜；前屋面角：平均 37°，天窗角 25°，地窗角 80°；后屋面仰角 45°。

②高度 脊高：6 m；后墙高：3.9 m。

③跨度 跨度：10 m。

④长度 长度：70 m。

⑤ 厚 度 墙 体 ： 山 墙 底 宽 3.7 m， 后 墙 底 宽3.3 m，后 墙顶宽 2.0 m；后 坡 保 温层：中部厚 度 不 小于 0.8 m。

⑥前后坡长比 前后坡长比4∶1。

⑦高跨比 高跨比：0.6。

⑧后屋面水平投影 后屋面水平投影 2.1 m。

2 第三代日光温室较第二代日光温室蓄热增温性能提高原理

2.1 减小太阳直射光线在棚膜表面的入射角，可以提高日光温室的采光性能提高

太阳直射光线在塑料薄膜表面上的入射角与薄膜透光率的关系为随着入射角的增大，薄膜透光率呈下降趋势。 在太阳直射光线入射角小于 40°之前，随着入射角增大，透射率下降甚微；入射角在40°～60°透射率开始缓慢下降；入射角大于 60°后透射率迅速下降；入射角在 80°～90°透射率从 60%下降为 0[2]。 根 据这一 原理，日 光温 室 结构 设 计 时 要 注 意使冬季太阳直射光线在整个温室前屋面塑料薄膜表面的入射角都小于 40°， 保证前屋面薄膜有较高的透光率，从而提高温室的采光性能。

2.2 影响冬季太阳直射光线在温室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素

影响冬季太阳直射光线在温室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素主要有 2个，一是太阳高度角，二是温室前屋面角。 首先，太阳高度角越小，太阳直射光线在温室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。 北方地区冬至日的太阳高度角最小，因此冬至日太阳直射光线在温室前屋面的入射角度也最大。 其次，温室前屋面角越小，太阳直射光线在温室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。日光温室的前屋面呈圆弧形，前屋面角度由下部到上部逐渐变小，因此太阳直射光线在前屋面上部的入射角最大。综合考虑上述2个因素，冬季具有较好采光性能的日光温室结构应该是冬至日太阳直射光线在温室前屋面上部的入射角小 于 40°，这样就可以保证冬季任何时候太阳直射光线在整个温室前屋面任何一段的入射角都小于 40°。

2.3 冬季太阳直射光线在第三代温室前屋面塑料薄膜表面上的入射角大幅减小

甘州区第三代温室通过增大高跨比，整体增大温室的前屋面角度，使冬至日太阳直射光线在第三代温室最上部前屋面塑料薄膜表面上的入射角减小到 40°以下。 第三代日光温室高跨比为 0.6，比第二代温室（0.44）的增大 36%以上；第三代日光温室最上部前屋面角达到了 25°，比第二代温室（13°）增大了 12°。 甘州区的冬至日太阳高度角最小为 27° [90°—39.5°（当地最大纬度）—23.5°（太阳直射点纬度）]， 冬至日太阳直射光线在第三代日光温室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角减小到了 38°[90°—27°（太阳高度角）—25°（温室前屋面角）]，比冬至日太阳直射光线在第二代日光温室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角 50°（90°—27°—13°）减小了 12°。这样就保证了整个冬季太阳直射光线在第三代日光温室前屋面任何一段塑料薄膜上的入射角最大不会超过 40°，使其前屋面塑料薄膜的透光率比第二代日光温室显著提高，保证了进入温室内的热量增加，从结构上改善了第三代日光温室的采光性能。2.4 增加了墙体的高度和厚度，提高了温室蓄热和放热效能

张掖市甘州区第二代节能日光温室建造剖面图

墙体高度对温室夜间温度能够产生明显影响，随 墙 体 高 度 增 加 ，温 室 夜 间 温 度 提 高[3]。 在 白 天 ， 北墙是温室的主要蓄热体，增加了北墙的高度和厚度就增加了蓄热体体积，可以延长墙体在夜间的放热时 间 ，增 强 日 光 温 室 夜 间 的 热 稳 定 性[4]。 第 三 代 日 光温 室 北 墙 底 宽 3.3 m， 顶宽 2.0 m，高度 3.9 m；第二代日光温室北墙底宽2.2 m，顶宽1.4 m，高度 2.7 m。 与第 二 代 日 光 温 室 比较，第三代日光温室不仅显著增高了北墙，而且还加厚了墙体。第三代日光温室北墙墙体增高加厚以后 ， 其 北 墙 墙 体 横 截 面 积 达 到 了 10.33 m2， 比 第 二代日光温室（4.86 m2）增加了 1 倍多，其以墙体为主的蓄热物体积也就比第二代日光温室的增大了1倍多。第三代日光温室北墙最小厚度 2.0 m，比第二代日光温室（1.4 m）增加了 0.6 m。 第三代日光温室北墙 平 均 厚 度 2.65 m，比 第 二 代 日 光 温 室 （1.8 m）大0.85 m， 比 当 地 1.26 m 的 最 大 冻 土 层 厚 度 大1.39 m。 因此，第三代日光温室北墙墙体加厚后，墙体所蓄积的热量向室外传导损失比第二代日光温室的大幅减少，蓄热、放热性能增加。

2.5 增大了前屋面角， 有利于棚膜面附着水滴下滑，增加棚膜的透光率

当遇到寒冷的天气，由于棚室内外温差比较大，棚室内棚膜上不可避免地产生水膜，当水膜不能向下滑流就会聚集形成水滴，严重影响棚膜的透光率，降低棚内温度。 据测定，棚膜上附着一层水滴后 ，一 般 可 使 棚 膜 的 透 光 率 下 降 20%～30%[5]。 由 于第三代日光温室前屋面角比第二代日光温室的增大了 12°（达到了 25°），附着在第三代日光温室前屋面棚膜面上的水膜更容易沿着棚膜斜面向下滑流，不易聚集形成水滴。 因此，相比第二代日光温室，第三代日光温室内棚膜面上水滴附着数少，水滴停留的时间也短，因而，第三代日光温室的棚膜面透光率相对增加，温室的采光增温效能也相应提高。

3 第三代日光温室的蓄热增温性能试验与结论

3.1 第三代日光温室蓄热保温性能与第二代日光温室比较试验

2015 年冬至 （12 月 22 日）至 2016 年立春（2月 4 日），对第三代、第二代日光温室的室内温度进行了连续 45天观察，以检验第三代日光温室在冬季低温期和极端严寒天气发生时的蓄热保温性能。试验地点选择在甘州区长安镇万家墩村日光温室示范点，用于试验的第三代日光温室是 2015年 8月在该点建成的，温室墙体为 土 墙 ， 长 度 70 m， 脊 高 6 m， 跨度 10 m，后 墙高度 3.9 m，后 墙 平均厚 2.65 m。 选择该示范点保温性最好的甘州区生产中主要推广应用的第二代节能型土墙结构日光温室作试验对照，温室长度 70 m，脊 高 4.0 m，跨 度 9.0 m，后 墙 高 2.7 m， 后 墙 平 均 厚 度1.8 m。 参试的 2 座温室在 2016 年 1 月均不种植任何作物，试验期间夜间均采用保温性能较好的棉被覆盖，除 2 座温室类型不同外，其他管理措施一致。温度测试方法为在温室中央距离地面 1 m 处放置温度 计 ，每 天 8：00（ 揭 帘 前 1～2 h）、20：00（ 盖 帘 后 2～3 h）观察室内温度， 取 8：00 的温度为每天温室内的最低温度， 取当日 20：00 和次日 8：00 2 个温度的平均值为温室夜间平均温度，同时观测室外夜间最低气温，试验观测结果详见表 1。

3.2 试验数据比较分析

从表1可得出，参试的第三代日光温室距地面1 m 处的 45 天的夜间平均温度为 14.2℃，8：00 最低平均温度为 10.4℃，20：00 的平均温度为 18℃，与8：00 的平均温度差为 7.6℃，最大温差为 11℃，最低温度在 10℃以上日数为 34 天，室内最低观测温度为5℃。作为试验对照的第二代日光温室距离地面 1 m处的 45 天的夜间的平均温度为 11.7℃， 8：00 最低平 均 温 度 为 6.8℃ ，20：00 的 平 均 温 度 为 16.6℃ ，与8：00 的平均温度差为 9.8℃，最大温差为 16℃，最低温度在 10℃以上日数为 11 天， 室内最低观测温度为-2℃。 试验期第三代日光温室的夜间平均温度、最低平均温度 分别比第二代日光温 室高 2.5、3.6℃；第二代日光温室 20：00 与 8：00 的平均温度差比第三代日光温室的平均温度差大 2.2℃， 而且室外夜间气温越低，该温度差之间的差值越大，当夜间室外气温下降到-29～-20℃时，第二代日光温室 20：00与 8：00 的平均温度差比第三代日光温室的平均温度差差值逐渐增大到 35℃，最低温度差也增大到 5～7℃。 2016 年 1 月 24 日早晨室外最低气温为-29℃（历史最低气温-28℃）时，第三代日光温室室内观测最低温度为5℃， 比第二代日光温室最低温度高出 7℃，与室外温度差为 34℃。

3.3 试验结论

通过比较分析可以看出，第三代日光温室热容量大，白天蓄热、夜间保温放热性能强，特别是在遇到连阴低温和极端低温天气时，相比第二代日光温室， 第三代日光温室的蓄热保温性能更加突出，其夜间最低温度可比第二代日光温室高 7℃以上，可保证果菜类喜温蔬菜的安全生产，蓄热保温性能基本达到了设计要求。 另外，第三代日光温室除通过增大高跨比、 增高加厚墙体， 显著提高了采光、蓄热、保温、增温性能外，其室内空气的速度场和温度场逐渐趋向均匀，温室内靠近南棚底角处涡旋逐渐减少，其流场和温度场的均匀性有明显改善，减少了 作物生 长区的 温度分 层，有 利 于作 物 生长[4]。 第三代日光温室室内空间较第二代日光温室增大约72%，能够显著降低棚内空气湿度，抑制或减轻病害的发生，创造了更加舒适的劳动环境，有利于劳动者身体健康。

总之，试验证明甘州区第三代日光温室结构设计科学合理，其冬季蓄热保温性能良好，在严寒天气过程中能显著提高温室内最低温度，能够满足喜温蔬菜的安全生产要求。 目前，该温室已在当地开始示范推广，将会进一步促进当地冬季设施蔬菜生产发展。

表1 日光温室蓄热保温性能试验温度观测记载 ℃

[1] 农业部种植业管理司.日光温室发展的适宜地区及优型结构 参 数 [EB/OL].（2014-08-29）.http://www.moa.gov.cn/fwllm/ nszd/2014nszd/201409/t20140901_4042100.htm

[2] 张利华，刘杰，徐为根，等.日光温室前屋面角的设计研究[J].江西农业学报，2010，22（1）：74-77.

[3] 温祥珍，梁海燕，李亚灵，等.墙体高度对日光温室内夜间气温的影响[J].中国农业生态学报，2009，17（5）：980-983.

[4] 张林 华，董瑞.高 跨比对 日光 温室综合影 响的研究[J].可 再生能源，2007（8）：15-17.

[5] 王 玉 堂.如 何 消 除 塑 料 大 棚 薄 膜 水 滴 [J].西 南 园 艺 ，2006（1）：43.

白晓军，甘肃张掖市甘州区经济作物技术推广站，734000，电话：13993663901，E-mail：baixiao9966@126.com

2016-11-20