基于蓄热墙和内保温的钢架大棚保温模式研究

邵和平，张宁宁，桂勇武，衡 燕

(江苏丘陵地区南京农业科学研究所，江苏南京 210046)

南京及周边地区设施农业普遍采用8332型钢架大棚，这种钢管大棚建设成本较低，跨度8 m，长度30 m以上，造价一般在35～45元/m2，骨架全部采用管径32 mm的热镀锌圆管装配而成，拱间距0.8 m，顶高约3.2 m，肩高约1.8 m，大棚侧边共有4道卡槽。顶部采用3道纵拉杆，两边设带自锁装置的手动卷膜通风系统,卷膜高度约1.2 m。通风处安装25目防虫网，上膜后每2根拱管间用压膜绳扣压，大棚两端设置移动门。该型大棚整体结构强度和土地利用率高，缺点是保温蓄热能力不足，不能满足冬季生产需要，只能用于季节性蔬菜、花卉和果树的保护地栽培。

针对钢架大棚在实际生产中增温途径缺乏、保温效果差的现状，国内专家进行了相关研究。孙信成研究了多种大棚保温被覆盖材料的保温性能，2月下旬3种保温被覆盖的棚内最低温度比棚外提高了10.2～12.6 ℃[1]。鲍恩财研究了江淮地区双层拱架塑料大棚的冬季保温效果，1月份的棚内平均温度达18 ℃[2]。周长吉不仅研究了大跨度保温塑料大棚保温被和保温幕的形式和性能，实现了日光温室和连栋温室保温技术的综合应用[3-4]；还报道了一种装配式内保温双层结构主动储放热塑料大棚，在室外-20～-15 ℃的条件下，棚内最低温度达到了10 ℃以上[5]。日光温室以其特有的采光、蓄热、保温性能，成为我国北方园艺作物越冬栽培的主要设施[6]。后墙作为蓄热体，在日光温室保温方面发挥了主要作用[7]。梁建龙等[8-14]对不同墙体材料日光温室的保温性能进行研究，筛选出保温性能较好的墙体。Öztürk H H等[15-17]研究了蓄热装置卵石床对钢架大棚和日光温室的增温效果。笔者针对南京地区面广量大的8332型钢架大棚的保温需要，试验建立了蓄热墙和内保温2种保温模式，同时选用新型高透光率PO膜覆盖，以EVA长寿膜覆盖为对照，研究分析钢架大棚的节能增温技术模式。

1 材料与方法

利用4幢东西向的8332型钢架大棚，分别进行蓄热墙、内保温及PO膜覆盖、EVA膜覆盖的大棚保温性试验。在大棚内安装空气温湿度记录仪，对供试大棚的棚内温度、湿度进行定时记录分析，并对增温保温性能进行评价。1号棚沿北侧棚边建设一条蓄热墙。采用钢丝石笼网箱和当地易得的青石块构筑，石笼网箱的规格为长1.0 m、宽0.4 m、高0.6 m，堆码2层，30 m长的大棚约可堆码石料14.4 m3。大棚外膜采用三菱树脂农膜公司的“E100” PO膜覆盖，厚度0.10 mm。2号棚增设内保温，即在拱杆下方安装内拱杆，间隔4 m，在内拱杆两侧配套电动卷膜器，安装开闭活动型内保温，冬季1月份全天关闭保温；大棚外膜也采用三菱树脂 “E100” PO膜覆盖。3号棚大棚外膜采用三菱树脂“E120” PO膜覆盖，厚度0.12 mm；PO膜具有优异的透光性，透光率达到83%，而且强度高，柔韧性好，是一种全新的大棚农膜。4号棚采用米可多EVA长寿膜覆盖，厚度0.08 mm。

钢架大棚的4种不同保温模式分别标记为蓄热墙(T1)、内保温(T2)、PO膜覆盖(T3)和EVA膜覆盖(T4)。棚内温湿度数据每30 min记录1次。提取2018年1月份的数据，对每日的日最低温、日最高温、日平均温进行统计分析，单日温度和湿度变化采用24个时段的平均值。

2 结果与分析

2.14种不同保温模式棚内的日最低温变化由图1可以看出，T1的日最低温最高，其次是T2，无保温技术的T3和T4均明显低于T1和 T2，两者差异不大。在温度波动剧烈的强冷空气影响期间，增加保温技术的钢架大棚保温效果更明显，如在月最低温出现的1月12日，T1的日最低温分别比T3和T4提高5.4和4.6 ℃，T2分别比T3和T4提高3.9和3.1 ℃。在月次低温出现的1月30日，T1的日最低温比T3和T4提高5.6 ℃，T2的日最低温比T3和T4提高2.9 ℃，T3和T4基本一致。说明钢架大棚增加蓄热墙或内保温措施后夜间保温性能有明显提升。

图1 钢架大棚4种不同保温模式1月份的日最低温变化Fig.1 Daily minimum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

图2为4种不同保温模式晴天的单日温度变化。由图2可见，从0:00开始，4种保温模式下温度均逐渐下降，但T1模式下降幅度较平缓，T2、T3、T4模式下降趋势基本一致。6:00～7:00，棚内温度达到一天中的最低值，温度由高到低分别是T1为-0.60 ℃，T2为-2.20 ℃，T3为-6.10 ℃，T4为-5.25 ℃。7:00后，随着太阳辐射增强，棚内温度迅速上升，12:30～14:00，棚内温度达到一天中的最高值，温度由高到低分别是T2为35.95 ℃，T1为34.40 ℃，T3为30.35 ℃，T4为28.5 ℃。15:00后，温度开始迅速回落。说明蓄热墙和内保温模式不仅对夜间最低温度有较大提升，而且对全天的温度也有较大的提升作用。

图2 钢架大棚4种不同保温模式晴天的单日温度变化Fig.2 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on sunny days

2.24种不同保温模式的日最高温由图3可以看出，增加保温技术的T1和T2均高于T3和T4，而且在昼温较低的阴雨天气，这种效果更加明显。如在最低昼温出现的1月27日，T1的日最高温分别比T3和T4提高6.7和6.4 ℃，T2的日最高温分别比T3和T4提高3.5和3.2 ℃。说明钢架大棚增加保温措施对光照不足期的棚内温度也有明显提升。

图3 钢架大棚4种不同保温模式1月份的日最高温变化Fig.3 Daily maximum temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

由图4可以看出，6:00～7:00，棚内温度最低，温度由高到低分别是T1为6.95 ℃，T2为3.30 ℃，T4为1.25 ℃，T3为0.45 ℃。7:00后温度逐渐上升，12:00～13:00温度达到最高值，温度由高到低分别是T1为10.20 ℃，T2为6.95 ℃，T4为3.80 ℃，T3为3.60 ℃。随后温度逐渐下降，下降趋势基本一致。说明在缺少太阳辐射的条件下，钢架大棚增加蓄热墙或内保温对全天时段内的温度均有稳定的提升作用。其中，蓄热墙的增温作用最明显，增加约6 ℃；内保温的增温作用次之，增加约3 ℃。

图4 钢架大棚4种不同保温模式阴天的单日温度变化Fig.4 Daily temperature variation of four different thermal insulation modes of steel frame shed on cloudy days

2.34种不同保温模式棚内的日平均温通过计算钢架大棚内的日平均温度，可以清晰发现4种不同保温模式间的差异。由图5可见，增加保温技术的T1、T2模式的日平均温始终高于无保温技术的T3、T4模式，T1和T2模式 1月上旬温度曲线基本重合，差异不大。1月下旬差异增大，T1的增温作用比T2更强。T3和T4的温度曲线基本重合，差异不大。说明随着低温期的持续，蓄热墙的增温保温作用比内保温更明显。

2.44种不同保温模式的相对湿度4种保温模式的棚内相对湿度(RH)也有差异。由图6可见，在晴天条件下，4种保温模式的单日RH变化均呈现典型的“U”型曲线，变化趋势基本一致。夜间棚内RH基本呈水平直线，其中T1最低，约90%，其他3种模式均在90%以上。由图7可见，8:00后随着棚内温度上升，RH迅速下降。10:00后达到40%～60%的较低水平，T1、T2的最低值在40%左右，T3的最低值在50%左右，T4的最低值在60%左右。15:00后随着棚内温度下降，RH又迅速回升。在阴天条件下，4种保温模式的RH差异较大。T1由于蓄热墙的增温作用，夜间RH在90%左右，白天逐渐下降，最低值在85%左右。T2、T3和T4的RH基本稳定，白天的下降趋势不明显。T2在92%～93%，T3和T4在96%左右。

图5 钢架大棚4种不同保温模式1月份的日平均温变化Fig.5 Daily average temperature variation of four different thermal insulation modes in steel frame sheds in January

图6 4种不同保温模式下晴天的单日相对湿度变化Fig.6 Daily relative humidity variation in sunny days under four different heat preservation modes

3 结论与讨论

钢架大棚增加蓄热墙或内保温的保温措施后，棚内温度有明显提升。特别是在太阳辐射缺乏的夜间和阴雨天，增温效果尤其明显。在晴天条件下，蓄热墙和内保温对全天的温度均起到较大的提升作用，昼间的棚内高温也为夜间的增温效果蓄积了热能。在同样的太阳辐射和覆盖材料下，蓄热墙大棚在岩石吸收热量的情况下，棚内最高温仍比PO膜大棚高，可能是由于建在大棚北侧的蓄热墙对太阳辐射有一定的反射作用，从而使地表辐射增强。在阴天条件下，蓄热墙和内保温对温度的维持作用更明显，对全天温度均有稳定的提升作用，蓄热墙增温约6 ℃，内保温增温约3 ℃。4种保温模式的棚内RH变化与温度变化相一致，在晴天条件下，90%以上的高湿度均出现在夜间低温期。在阴天条件下，由于棚内的连续低温，PO膜大棚和EVA膜大棚湿度均达 95%以上，只有蓄热墙大棚的RH在白天可以下降到90%以下，有利于冬季作物的病害控制。

图7 4种不同保温模式下阴天的单日相对湿度变化Fig.7 Daily relative humidity variation in cloudy days under four different heat preservation modes