高原非耕地地区日光温室热环境的研究

王 昭 ，何 斌，邹志荣,王嘉维

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

高原非耕地地区日光温室热环境的研究

王 昭1，何 斌2，邹志荣1,王嘉维1

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100)

为研究高原非耕地地区日光温室热环境的变化规律， 对2014年12月至2015年3月内蒙古阿拉善盟典型日光温室的室外温度、室内温度、地表下10 cm的土层温度、前屋面及后屋面的热流量变化情况进行测定，分析不同天气条件下，日光温室气温、地温、热量情况。结果表明：该地区典型温室日均温度为5～30 ℃，室内晴天最低温度为2～6 ℃，阴天2～8 ℃，室内最高温度20～30 ℃，室内外温差15～25 ℃，室内地温为7～13 ℃，变化较室外晚1.5 h；热传递方面，晴天热流量峰值出现在14：00，阴天出现在盖帘后的2～3 h。确定晴天14：00及阴天13：00为温室合理灌溉及通风换气的时间，不仅为进一步探究高原非耕地地区日光温室热环境特性提供了依据，还为温室不同时间不同类型作物的管理方式、温室结构的改良提供了思路。

非耕地;日光温室;温度;热流量

随着国家加大力度提高农业现代化生产水平，其推广速度和范围进一步增大[1-3]。近些年来对于日光温室的研究主要集中在对室内温、光、湿环境的调控和温室结构的改良2个方面。白义奎等[4]对适宜东北气候条件的辽沈Ⅰ型日光温室的温、光、湿等环境及保温性能进行了综合分析，郭文忠等[5]设计建造宁夏NKWS-Ⅲ型日光温室基本保证了茄果类蔬菜越冬生长；朱宝文等[6]探明建造于高寒冷地区的日光温室室内温度变化规律，为控制室内温度提供了依据。同时很多研究者对温室的改良提出许多设想，张勇等[7]研发了旋转屋面角日光温室，即前屋面角度随着太阳入射角而变化，并对其采光、保温性能进行了测定。孙周平等[8]研发的彩钢板保温装配式节能日光温室，通过温室脊高前移、减小温室中部、后部的遮光面积，提高总体的温光性能；管勇等[9]将研制的相变蓄热材料应用于日光温室北墙提高了温室气温、地温以及对太阳能的利用。

阿拉善盟地处非耕地高原内蒙古自治区的最西端，平均海拔2 000 m，位于亚洲荒漠区最东部，总面积达27 km2[10]。沙漠、戈壁、裸岩及沙化土地总面积达93.15%以上，并有不断扩大的趋势[11]。因此，本研究通过对阿拉善盟地区的日光温室内热环境的测定，分析在不同天气条件下温室内热环境变化情况，总结出温室内温度和热量的变化规律，以期能够对室温、地温、热流量变化进行预测，对环境提前调控，从而保证温室能够维持在适宜作物生长所需的条件范畴。

1 材料与方法

1.1 时间及地点

测试于2014年12月至2015年3月进行，改良温室均位于阿拉善左旗吉兰泰镇瑙干陶力嘎查哈图左林的非耕地温室示范基地，地处北纬38°18′49.31″ ，东经105°32′42.38″。坐北朝南，南偏西5°，覆盖材料选择透光率80%的聚氯乙烯无滴膜，保温被2.5 kg/m2，厚50 mm。温室内采用垄作的方式种植番茄。温室的具体结构参数如表1所示。

1.2 试验方法

测定的数据为室内外温度、室内地温、前后屋面各点热流量。分别在温室东西方向的1/3和2/3，距后墙4 m，高度1.5 m的位置。室外测点选在全天均无遮蔽物的空旷场地，高度为2.0 m。数据从2014-12-22越冬茬番茄定植后开始，到2015-03-01果实全部采摘完毕为止。测点布置方式如表2所示。9：00之前根据日出情况揭帘，17:00后盖帘。

表1 试验温室结构参数Table 1 Structure parameters

表2 测点分布情况Table 2 Distribution of measuring points

2 结果与分析

测定期间的天气为晴天占62.3%，多云占29.0%，其他天气占8.7%。因此温度变化趋势按晴天和阴天2种情况进行分析。太阳升起时需揭帘使作物能够接收到阳光的照射进行光合作用，一般时间为9:00左右[12]，故以此为观测起点。

2.1 温室内日气温

2.1.1 温室内日平均气温变化趋势 日平均气温能够反映温室内温度变化的总体趋势，是研究温室性能的基本指标。2014-12-22至2015-02-26各时段平均温度变化情况如图1所示。

试验温室在15:00前，晴天温度以平均4.67 ℃/h速度上升，阴天为2.5 ℃/h；15：00至盖帘前，晴天以3.55 ℃/h速度下降，阴天为2.54 ℃/h；夜间，晴天温度维持在7.5～10.5 ℃，阴天为4.5～8.3 ℃。

2.1.2 温室内日最低温度变化趋势 植物生长发育必须要达到一定的有效积温，否则会导致作物生长不良。一些蔬菜作物如白菜类、根菜类、葱蒜类和大部分叶菜类等2 a生蔬菜需要度过一段时间的低温通过春化作用才能开花结实。图2为监测期间室内最低温度。

图1 日平均温度Fig.1 Daily mean temperature

不同天气条件下室外最低温度为-12～-5 ℃，改良温室晴天日最低温度主要分布范围较大，且温度区段更低，晴天主要分布在2～8 ℃，占总天数的81.82%,阴天集中在2～6 ℃，占78.26%。低温出现的时间在一天中的5:00-7:00，温度从盖帘后一直处于下降的状态。如种植番茄、黄瓜、茄子等喜温蔬菜或需提前采收，可以采取热风炉进行适当加温，尤其是种子发芽阶段，以加快其生长。

图2 日最低温度Fig.2 Daily minimum temperature

2.1.3 温室内日最高温度变化趋势 日光温室主要是解决北方地区冬季气温偏低不适宜作物生长的问题[13]，但在某些时刻由于外界环境和温室自身结构共同影响下，温室内会出现高温现象。图3为监测期间，不同天气条件的日最高温度所占的比例。

图3 日最高温度Fig.3 Daily maximum temperature

从最高温度的范围上来看，已满足白菜、甘蓝、番茄、黄瓜、茄子等常见蔬菜的正常生长要求，同时建议在阴天时及时加温以保证作物品质和生长速度[14]。

相比于其他地区温室可以看出，高寒非耕地地区温室的最高温度出现较其他地区温室晚1～2 h。

2.1.4 温室内外温差变化趋势 室内外温差部分反映的温室保温效果。图4为不同天气条件室内外不同时刻温差变化情况。

图4 温室内外温差Fig.4 Temperature difference between internal and external greenhouse

从图中可以看出，室内温度始终高于室外温度，温差集中在15～25 ℃。

典型晴天室内外的温差在14:00-15:00达到峰值，这是通风换气及作物灌溉之前的阶段，一天中光照强度最大，照射到室内的太阳光一部分被地面和墙体吸收蓄热，一部分经地面反射为长波辐射，变化对室外温度依存性小，温差变大[8]；15:00-18:00，每小时下降2.3 ℃；18:00至次日9:00温差较小，维持在18 ℃左右。

典型阴天由于一天内温度光强变化不大，对温室升温影响较小，同时为防止室内温度过低会采用热风炉进行加温，提早盖帘以保持温度。

相比其他地区日光温室，该地区日光温室具有昼夜温差大等特点。

2.2 温室内地温

地温能显著影响蔬菜作物的生长发育，地温过高或过低显著影响蔬菜根系对水分的吸收，剧烈的地温变化会对根系的应力构成威胁，甚至造成作物枯萎；影响蔬菜根系对养分的吸收。不同天气条件下日平均地温变化如图5所示。

改良温室晴天条件下(图5-A)，室内地温在10～15 ℃，室外地温-5.6～-2.0 ℃，室内相比室外地温高14.2 ℃，最高温度出现在18:00，最低温度出现在10:00-11:00；室内16:00至次日9:00温度处于下降趋势，平均每小时下降0.22 ℃；室内9:00-16:00温度表现为上升趋势，每小时升高0.49 ℃，室内温度波动幅度高于室外。阴天条件下(图5-B)，室内地温为7.20 ℃～9.65 ℃，室外地温-4.98～-3.40 ℃，室内相比室外地温高12.5 ℃，最高温度出现在14:00-15:00，最低温度出现在9:00-12:00；室内16:00至次日9:00温度处于下降趋势，平均每小时下降0.14 ℃；室内12：00-16:00温度处于上升趋势，每小时升高0.20 ℃。

图5 室内外地温Fig.5 Soil temperature difference between internal and external greenhouse

室内地温变化晚于室外1.5 h左右，波动幅度高于室外，温度较低时采取加温措施会造成温度的加速上升。

2.3 日光温室内热流变化

图6为不同天气条件下室内各点热流量变化情况。整体上看，阴天波动弱于晴天，越靠近屋脊各点变化越剧烈。晴天各时刻前屋面的热流量明显高于阴天，1点～4点整体波动趋势相似，晴天峰值出现在14:00前后，阴天最大值在盖帘后2～3 h。最小值出现在揭帘前。晴天会出现室内温度下降过快，5点(后屋面)散热，在阴天条件下，1点～4点全天处于波动平稳状态，无明显的峰值和最小值出现。5点的峰值出现在14:00，可达到35 W/(m2·s)。

图6 各测点热流变化Fig.6 Dynamics of heat flux in different observation points

以下从9:00揭帘时间、14:00室外温度最高时间、17:00盖帘前及0:00进行逐一分析。特殊的时段对热流量进行分析。从图7-A可以看出，9:00，1点～3点热流量相近，并处于较低范围，4点略高，5点值接近其他各点的2/3。14:00，各点热流量处于较高值，1点略低于2点～4点，5点较4点低1/4左右。17:00，2点、3点值相似，1点和4点分别略低、略高于这两点，5点出现负值，表明该点由吸热状态变为放热状态，该现象的出现是由于温度快速下降，而后屋面保温效果较好造成变化滞后进而放热，为负值。夜间前屋面热流量差距缩小至基本一致。建议14:00可以进行适当的灌溉及通风。从后屋面的热特性计算可以在中间加导热系数0.033～0.044 W/(m· ℃)的EPS泡沫板。

从图7-B可以看出，9:00时,1点～4点热流量较小，15 ～20 W/m2，无明显差异，后屋面接近前屋面的1/2。14：00，各测点达到峰值，1点～4点逐步递增，1点和5点值接近。17：00时，1点～4点差距较小，3点、4点吸热量减小，5点减小了2/3，表明此时室内温度已经下降，后屋面的保温性能开始发挥作用。0：00，3点～5点升高，由于阴天夜晚温度较低，室内进行了适当加温措施。建议揭帘时覆盖传热系数为3.3 W/(m2·K)及30 mm左右的保温被，前屋面前1/2部分建议加厚10 mm，同时后屋面在建造温室时内部另加50 mm苯板保温，阴天时可适当推迟揭帘时间至11:00，待室外温度升高光线变强时开始揭帘。盖帘时间提前至15:00。13:00可适当进行少量灌溉，避免通风散热和湿度过大造成的霜霉病等病害产生。

A.晴天 Clear days;B.阴天 Overcast 图7 极值时刻各点热流量Fig.7 Thermal flow of different measuring points at time series of extremal temperature

2.4 温室内热交换计算

温室内热量变化受到室内外环境条件的影响。热量交换途径有：太阳辐射得热，围护结构对流换热，室内作物、灯具、人体等之间相互热交换，温室内作物叶片的蒸腾作用引起潜热的变化，土壤水分的蒸发引起潜热的变化，温室内换气装置(门、天窗、风机等)及结构缝隙等与外界产生的对流换热共5个方面[15]。当热量的流入量高于散热量时会使引起温室内温度升高，相反会造成温度的下降。由此可推出温室内热量平衡方程可以表述为：

△E=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

其中△E为温室内热量变化(负值为热量的散失，正值为热量的流入)，W；Q1为温室内接收到的太阳辐射能,W；Q2为通过温室的围护结构(前屋面、后屋面、后墙等)换热量,W；Q3为温室内作物、灯具、人体等之间的热交换量,W；Q4为土壤传热量,W；Q5为温室换气装置(门、天窗、风机等)及结构缝隙等与外界产生的对流换热,W；Q6为温室内作物叶片的蒸腾作用引起潜热的变化。

该地区室外年平均最低温度为-14 ℃，不同种类的作物生长适宜温度不同，如韭菜、菠菜、大葱、大蒜等耐寒作物适宜生长温度为15～20 ℃；白菜、甘蓝、马铃薯、萝卜等半耐寒作物适宜生长温度为18～23 ℃；番茄、茄子、辣椒、黄瓜等喜温作物适宜生长温度为20～30 ℃；南瓜、西瓜、甜瓜、豇豆等耐热作物适宜生长温度为25～35 ℃。白天基本可以达到所有作物生长所需的条件，夜间温度均低于15 ℃，不适宜作物的正常生长。需考虑夜间加温，故此处设定室内设计温度为15 ℃。

(1)温室内接收的太阳辐射能(Q1)

由于夜间的温室没有太阳光照射，因此Q1为零。

(2)温室结构换热(Q2)

温室是一个相对稳定的半封闭环境，根据稳定传热理论：

Q2=∑hiSi(Tn-Tw)h1

其中hi为不同材料围护结构的传热系数，W/(m2·K)；Si为不同材料各部分面积， m2；Tn为室内温度， ℃；Tw为室外温度，℃。

其中h1为复合围护结构外层材料的对流换热系数，W/( m2·K)，此处取值8.72 W/( m2·K)；δ为复合围护结构隔层材料的厚度，m；λ为复合围护结构隔层材料的导热系数，W/(m·K)；h2为复合围护结构内层材料的对流换热系数，W/( m2·K) )，此处取值23.26 W/( m2·K)。

前屋面面积913.11 m2，外层覆盖保温被；h1=50 mm，λ1=0.03 W/(m·K)，内层为聚氯乙烯无滴膜，h2=1 mm，λ2=7.2 W/(m·K)；后屋面面积139.996 m2，外层为SBS防水卷材，h3=5 mm，中间为水泥砂浆，δ1=30 mm，λ1=0.93 W/(m·K)，内层为聚苯板，h4=5 mm；后墙面积336 m2，外层为聚苯板，h4=150 mm，内层为厚土坯墙，h5=1 500 mm。

冷风渗透损失可按公式：

Q2=Cpm(Tn-Tw)

其中Cp为空气的定压比热，0.279 kW·h/(kg·℃);m为通过冷风渗透进入温室的空气质量，kg；空气质量为每小时冷风渗透进入温室的空气总质量，可按公式：

m=NVρb

其中N为每小时温室内空气交换的总次数，日光温室N=0.33～41，取0.35[16]；V为温室体积，2 932 m3；ρb为空气密度，kg/m3，室内温度15 ℃时，空气密度取1.315 kg/m3。

Q2=0.279×0.35×2 932×1.315×29=10 918.42 kW

(3) 温室内作物及灯具、人体等之间的热交换量(Q3)

夜间不进行补光处理，工作人员无夜间作业，Q3取值为零。

(4)土壤传热损失(Q4)

选取墙外8 m以内范围，以2 m宽为一个梯度，由外到内各梯度的传热系数取K1=0.52 W/(m2·K)，K2=0.25 W/(m2·K)，K3=0.15 W/(m2·K)，K4=0.10 W/(m2·K)[17]，计算其通过土壤传热的热量损失Q4=0.52×80×2×29+0.25×80×2×29+0.15×80×2×29+0.10×80×2×29=4.732 8 kW

(5)温室换气装置(门、天窗、风机等)及结构缝隙等与外界产生的对流换热量(Q5)

夜间为达到保温效果会关闭门窗及其他通风换气设备，因此本次计算设定为密闭环境，Q5为零。

故当忽略不同风速及叶面蒸腾作用的影响(Q6)时，可近似求得夜间日光温室热量散失情况。温室内夜间热量损失：

△E=270 483.627 531+4 732.8=275 216.4 W

若要保证喜凉作物的正常生长，当室外温度在-14 ℃时，室内温度需维持在15 ℃以上，则温室内的采暖负荷至少为275 216.4 W。

若要保证半耐寒作物的正常生长，当室外温度在-14 ℃时，室内温度需维持在18 ℃以上，则温室内的采暖负荷至少为303 687.1 W。

若要保证喜温、耐热作物的正常生长，当室外温度在-14 ℃时，室内温度需维持在20 ℃以上，则温室内的采暖负荷至少为322 667.5 W。

3 结 论

温室内热量变化受到室内外环境条件的影响，热量交换途径有：

(1) 室内相比室外地温变化晚1.5 h左右，当室外地温发生变化时，应提前调节室内环境。

(2) 阴天全天前屋面中下部及后屋面热流量明显高于晴天，须适当对这两个位置覆盖保温被或苯板以减小热量流失。

(3) 温室后墙热流变化情况，晴天条件下，从揭帘至16:00，后墙热流量介于前屋面各点之间，16:00后热流量高出其他各点20%左右；阴天条件下，14:00左右后墙墙热流量达到峰值，是所有点中热量流出的最高位置。

(4)夜间通过热风炉的方式进行加温，加温负荷可根据各地自身气候情况及对室温的要求参考本试验计算结果进行测算。

(5)夜间对后屋面进行保温被覆盖，加28.1 mm以上的保温被，为保证夜间保温效果前屋面前1/2处应加厚10 mm。晴天14:00对作物进行灌溉，并配合通风换气，阴天减少灌溉量。揭帘时间推迟至11:00之后，盖帘时间提前至15:00，13:00开始少量灌溉，无须通风，以减少热量散失。

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(责任编辑：潘学燕 Responsible editor:PAN Xueyan)

Thermal Environment Research on Solar Greenhouses in Plateau and Non-cultivated Land

WANG Zhao1,HE Bin2,ZOU Zhirong1and WANG Jiawei1

(1.College of Horticulture,Northwest A&F University,Yangling Shaanxi 712100,China; 2.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yanling Shaanxi 712100,China)

To study the thermal change rule of solar greenhouse in the non-cultivated plateau, the temperatures of outdoor indoor,and 10 cm soil layer were measure,and the heat flow change of the front and back roof was also detected in Alxa League,Inner Mongolia from December in 2014 to March in 2015,and the solar greenhouse temperature,ground temperature and heat were analyzed under different weather conditions.The result shows that the average daily temperature of the greenhouse in the region was ranged from 5 ℃ to 30 ℃,the minimum indoor temperature was 2 ℃-6 ℃ in sunny day,and 2 ℃-8 ℃ in cloudy day; the indoor maximum temperature was 20 ℃-30 ℃,the indoor and outdoor temperature difference was 15 ℃-25 ℃,the indoor ground temperature was 7 ℃-13 ℃,changed later for 1.5 h than the outdoor;in terms of heat transmission,the heat flow peak appeared in 14:00 in sunny day,and 2 h-3 h after covering curtain in cloudy day.It was determined that 14:00 in sunny day and 13:00 in cloudy day was appropriate time for the irrigation,ventilation and air exchange for the greenhouse,which not only provides the basis for the study on the characteristics of solar greenhouse thermal environment in non-cultivated plateau,but also provides reference for the management of different crops in greenhouse,and improvement of the greenhouse structure.

Non-cultivated land; Solar greenhouse; Temperature; Heat flux

2016-05-12 Returned 2016-06-21

The Scientific Research Foundation for the National Nonprofit Industry(Agriculture)(No.201203002);Science and Technology Coordination Project of Shaanxi Province(No.2016KTCL02-02).

WANG Zhao,female,master student.Research area:facility agriculture environment.E-mail:wangzhao9199@126.com

HE Bin,male,Ph.D,associate professor,master supervisor.Research area:building structure and facility agriculture.E-mail:ylhebin@163.com

日期：2017-08-18

2016-05-12

2016-06-21

国家公益性行业(农业)科研专项(201203002);陕西省科技统筹项目(2016KTCL02-02)。 第一作者：王 昭，女，在读硕士研究生，从事设施农业环境研究。E-mail:wangzhao9199@126.com

何 斌，男，博士，副教授，硕士生导师，主要从事建筑结构设施农业研究。E-mail：ylhebin@163.com

S625.1

A

1004-1389(2017)08-1230-09

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20170818.0939.034.html