甘州区第三代日光温室设计原理及性能试验

白晓军

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）]，冬至日太陽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

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。

参考文献

[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].西南園艺，2006（1）：43.