大庆市地区双膜日光温室冬季保温效果的分析

雷 娜，杨凤军*

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163000）

日光温室是中国独具知识产权的温室类型。自20世纪80 年以来日光温室从辽宁省南部的海城和房店兴起，迅速推广至中国北方地区[1，2]。日光温室产业作为我国设施农业的主体，近20 年来已成为种植业效益最高的产业。它为解决长期困扰我国北方地区冬季的蔬菜淡季供应、增加农民收入、节约能源、促进农业产业结构调整、带动相关产业发展、安置就业、避免温室加温造成的污染环境、提高城乡居民的生活水平、稳定社会等均做出了历史性贡献[1]。近些年对于日光温室的结构、内部环境因子、保温性能等方面的研究很多。徐凡等[3]对华北五省区日光温室的微气候进行了研究并确定了统一的温室热环境评价指标；李晔等[4]对国内外以及中国北方地区的城市的温度和光照资源进行了研究分析；佟雪姣等[5]对以水为介质的太阳能水循环系统中不同颜色阳光板蓄热性进行了研究。而东三省由于其地理位置的局限；李清明等[6]对温室建造时的下挖深度对其环境因子和空间分布的影响进行了研究；邹志荣[7]等对西北地区山地日光温室的类型做了相关的研究，并且确定了其中性能较好的温室种类；毕玉革[8]对北方干寒地区日光温室所适应的小气候环境进行了研究，并构建出适用性模型。东三省由于其地理位置的局限，冬季气温极低的同时光照不足，单膜温室无法满足生产的基本需求。大庆市根据自身条件引进了双膜温室：在温室内部增加内膜，提高生产温度，满足温室冬季基本的生产需求。通过对双膜日光温室内部温度进行研究，同时分析冬季最冷时节温室内部温度变化，为双膜日光温室以后的使用与推广提供一些指导意见。

1 材料与方法

1.1 双膜日光温室与单膜日光温室结构参数概述

双膜日光温室与单膜日光温室在建筑结构、内部种植作物均相同，两者差异仅为双膜日光温室内部多了一层较薄的内膜。试验温室位于黑龙江省大庆市大同区，黑龙江八一农垦大学航天果蔬基地内（E124°48′，N45°46′），温室结构为半圆弧形骨架与墙体围合而成，墙体为东西山墙与后墙3 个部分，墙体材质为红砖与混凝土相结合，墙体厚度0.35m，温室屋面覆盖材料采用聚氯乙烯薄膜为外膜，聚乙烯薄膜为内膜，运用羊毛保温被为夜间保温材料。温室建造方向坐北朝南，南北跨度8m，脊高4.8m，后墙高2.8m，长为60m，屋面采光角度为36°，温室整体建筑面积480m2，附属面积12m2，风荷载0.65kN/m2，雪荷载0.550.65kN/m2，温室竖向有效栽培空间为2.2～2.5m（如图1）。

图1 日光温室东西方向截面

1.2 试验材料

温室气温的监测仪器为：HW300X 型温度记录仪与HWS300X 型温度记录仪，采用自动记录形式，具有数据记录时间长，数据储存容量大，记录准确的特点。

HW300X 型温度记录仪温度监测范围：-20～70℃；精度：±0.4℃；HWS300X 型温度记录仪，温度记录仪温度监测范围：-20～70℃；精度：±0.5℃。

1.3 试验方法

1.3.1 种温室南北方向各点气温监测。监测时间为2016 年12 月～2017 年3 月北方地区冬季最冷时间段，早上8：00 揭开保温被的同时，采用卷帘机去掉二层膜，下午17：00 盖上保温被以后，盖上二层膜，各监测点的温度记录时间为隔30min 记录1 次。

将双膜日光温室设为A，单膜日光温室设为B，在A 温室距离地面1.4m 处沿南北方向设置3 个监测点：A1、A2、A3，同时要求A1距离温室前骨架为2m，A1、A2、A3之间的距离都为2m，A3距离后墙也为2m。同时B温室同样在南北方向选取3 个监测点B1、B2、B3，采取与A 温室同样的布置方法。该监测方案主要是为了分析双膜日光温室与单膜日光温室在南北方向上的温度变化情况，不同条件下温室内部气温的变化情况以及在特殊天气下温室内部温度变化规律，气温检测仪器的布置如图2 所示。

图2 南北方向不同位置气温监测点

1.3.2 数据分析。用WPS 表格对数据进行整理归纳，筛选有意义的数据制作出表格及折线图、统计图，反映出数据的整体变化趋势，从而比较说明双膜日光温室的保温性能。

2 结果与分析

2.1 2种温室南北方向各点温度分析

图3 是12 月22 日（冬至日）2 种温室在南北方向的内部气温变化情况，表明了双膜日光温室在南北方向上，A1、A2、A3都有随着时间变化而出现气温升高和下降的现象，从下午2：00 开始到次日早上8：00 位置，气温呈现逐步下滑趋势，同时在8：00 达到最低气温，最低温度分别为3.1℃、3.3℃、3.6℃，同时A3点温度波动相较于A1点更小，这也说明也越靠近温室南侧，升温越快，降温也越快，温度波动较大，而温室北侧由于有后墙热源，虽然升温较慢，但是温度波动较小，更稳定。

图3 A、B 温室南北方向气温变化

由图3 可知，A1、A2、A33 个监测点日平均气温分别为11.7℃、11.3℃、12.3℃，08：00～14：00 双膜日光温室的温度开始快速上升，但A3处由于受到后墙的影响，温度的上升趋势低于A1、A22 个监测点；12：00 之后A1、A2、A33 个监测点都达到该日温度的峰值，依次为31.4℃、32.5℃、35.7℃。14：00～15：30 温室开始快速降温，平均速率达8.07℃/h；在17：00 之后双膜日光温室开始盖上保温被和二层膜，这时温室内部降温速度开始放缓，平均速度为0.58℃/h。说明保温被和二层膜有助于减少温室热量的散失，增强温室的保温性能。A1监测点由于靠近温室南侧端，温度来源基本为后墙且远离后墙，温度下降速率较快，但A1相较于A2、A3监测点的温差为0～3.9℃，整体温差较小，说明A 温室在南北方向上的温度分布较为均匀。

从图3 可以得知，B1、B2、B33 个监测点日平均气温依次为8.0℃、8.2℃、8.0℃，B 温室的3 个监测点从下午2：00 开始至次日早上8：00，温室内部温度持续走低，同时在早上8：00 揭开保温被时，温室内部温度达到最低，B1、B2、B3分别为-1.7℃、-0.4℃、-0.6℃；12：30 3 个监测点的温度达到一天之中的峰值，分别为27.8℃、28.8℃、29.1℃，由于南侧监测点较为靠近温室抵角，且离后墙较远，一天之中温差较大，升温迅速但同时降温速度也是3 个之中最快，B1相较于B2、B3两个监测点，温差为0～7.5℃，差值相较于A 温室更大。同时根据图3 表明A 温室夜间温度始终高于B 温室，且A 温室一天之中最高和最低温度都高于B 温室。在白天时A 温室平均升温速率为6.7℃/h，B 温室平均升温速率为6.5℃/h，说明在南北方向上A 温室的保温性能、围护结构优于B 温室。

2.2 2 种温室平均气温与室外平均气温分析

图4 是12 月10～20 日A、B 2 种温室的平均温度变化，可以看出A、B 温室的温度变化呈正相关，表明A、B 2 种温室在生产实践上都有保温蓄热的能力。由图4 可知，在11 天内A 温室平均温度为11.8℃，B 温室内部平均温度为4.6℃，室外平均温度为-13.3℃，A温室的平均温度均高于B 温室，A 温室的内部温度相较于室外温度，平均有效提高温度25.1℃，B 温室平均温度有效提高18.0℃。说明A 温室整体保温性能优于B 温室，A 温室内部的双层膜更有提升温室的内部温度。同时通过误差线显示，B 温室的温度变化误差比A温室更大，说明A 温室内部温度环境要优于B 温室。

图4 A、B 温室温度与室外温度变化

2.3 2 种温室极端天气条件下温室内部气温分析

图5 是2016 年12 月21 日（冬至日）薄雾、小雪的极端低温天气条件下，A、B 温室内部温度的变化情况，A 温室内部温度始终高于B 温室，A 温室的平均温度为6.4℃，B 温室的平均温度为0.5℃，室外平均温度为-15.7℃，可知A 温室在薄雾、小雪天气条件下，有效提高温室内部温度22.1℃，可保持叶菜类植物的基本生存条件。由趋势线可知，在极端天气下，室外温度呈下降趋势，而温室的温度呈上升趋势，同时A 温室的上升幅度大于B 温室，说明二层膜在极端天气情况下可以有效保持温室内部热量不散失，保温性能优于B 温室。

图5 A、B 温室极端天气温度变化

2.4 2 种温室多云、阴天天气条件下温室内部气温分析

图6 是12 月22 日阴天天气条件下A、B 温室气温变化图，由图可知A 温室温度一直高于B 温室，说明A 温室在阴天天气条件下太阳辐射能加温不足，A、B 温室增温缓慢，但A 温室的保温性能仍然优于B 温室。根据趋势线可知，2 种温室加温趋势基本相同，虽然A 温室保温性能优于B 温室，但由于双层膜的阻挡，再加上外部太阳辐射不足的情况下，增温效果相较于B 温室却并不明显。因此，在实际生产过程中，必须注意二层膜的揭、盖时间，以求获得最好的增温、保温效果。

图6 A、B 温室多云天气温度变化

2.5 2 种温室晴天天气条件下温室内部气温分析

图7 是12 月24 日晴天天气条件下，A、B 温室内部气温变化情况，由图可知，A、B 温室的最低温度为4.4℃、-0.2℃，A、B 温室的最高温度为31.0℃、23.7℃，最高气温差值为12.5℃，说明A 温室在晴天条件下内部气温高于B 温室，内部整体环境更有优势。根据A、B 温室变化趋势可知，A、B 温室白昼时升温迅速，在09：00～13：00 这段时间内，B 温室温度的增长斜率大于A 温室，说明二层膜对温室吸收光照有一定影响，但夜晚时段A 温室降温比B 温室缓慢，可知二层膜对于温室夜晚保温性能有着极大的提升。同时根据2 种温室的趋势线走势可知，晴天天气在温室北部气温呈现明显上升趋势，相较于极端天气和阴天天气有更大的提升，说明晴天条件对温室内部温度具有明显增温的作用。

图7 A、B 温室晴天温度变化

2.6 2 种温室内部最低温度分析

图8 是A、B 温室在2016 年12 月12 日～2016 年12 月23 日冬季最冷时段，A、B 温室内部每日最低温度（8：00）变化情况。根据图8 可知，A 温室12 日8：00种最低气温为3.7℃，最高温度为8.2℃，平均温度为5.7℃，12 日内最大温差为4.5℃，B 温室12 日8:00 种最低气温为1.1℃，最高温度为3.8℃，平均温度为2.1℃，12 日内最大温差为2.7℃，室外最低气温为-17℃，最高气温-10℃，平均温度-12.8℃。12 日内A温室内部平均最低温度相较于B 温室高出3.6℃。以上数据说明A 温室内部环境整体更优，在协助生产应对冬季低温威胁时更有优势，更加适合温室冬季生产。

3 讨论

图8 A、B 温室内部最低温度变化

日光温室是我国特有的一种设施生产类型，通过白昼时段吸收太阳辐射能转化热能，夜晚后墙完成能量转化，将光能以热能的形式散发出去，实现温室生产。中国东北、西北和华北的绝大部分地区适合发展日光温室生产，沈阳、呼和浩特和乌鲁木齐成为中国冬季日光温室适宜发展区域的北线。同时认为中国三北地区不适宜大面积发展大型连栋温室，而应以发展高效节能日光温室园艺生产为主，适当发展大、中、小棚园艺生产。在设施园艺生产体系中，应以不断提高低成本增温、保温、降温以及增光等高新技术创新为主，进一步充分利用自然光热资源，以大幅度提高设施园艺生产效益[4]。研究表明，传统日光温室保温主要靠白天后墙蓄热，夜晚后墙缓慢释放热量，所以白天应充分利用太阳能（通过合理的棚型和后墙结构，调整屋面角度、增加覆盖材料的透光性、减少建材遮光性等），挖掘光能使温度升高的潜力，保持较高的相对温度，根据阴晴天气情况适时揭盖保温被，选择性能良好的保温被，对室内气温、墙温、地温的提高有重要的作用，同时可以通过调节日光温室内的气温来调节地温、墙温[9]，从而避免植物遭受低温、冷害。

近几年来，日光温室已经有了极大的改善，许多学者对温室的建造材料、建造角度、覆盖材料、温室结构进行了一系列的改进，进一步提高了日光温室的保温性能。然而对于我国东北、西北等地区，冬季过于寒冷且低温持续时间长，冬季温室正常生产需要采用一些加温装置，在此方面已有一些研究，例如水幕帘蓄放热系统[10]，PC 阳光板收集/散热装置的太阳能水循环系统[5，11]，自动控温加温设备[12]等等。同时，日光温室一些别的缺陷也暴露了出来：温室内部湿度过大易引起病虫害、阴雨天气采光不足导致温室内部产生低温冷害、单位产量低等问题。设施农业的发展需要解决一系列的问题，满足我国设施农业安全生产，提高产量和价值的需要[13，14]。佟国红[15]等通过试验证明了复合墙温室墙体蓄热性及热稳定性均优于同指标土墙温室；王蕊等采用石蜡为相变基材，研发了玻化微珠相变新型无机保温蓄热材料，进一步提升了温室后墙的蓄热性能[16]；封美琦等[17]对温室内后墙的涂刷颜色进行研究，优化果实质量。

4 结论

双膜日光温室的温度分布在南北方向上较单膜日光温室更均匀，各个监测点的温度均高于单膜日光温室，说明双膜日光温室的采光性能优于单膜日光温室，有助于提高温室温度，促进植物生长。在平均温度上双膜日光温室也高于单膜日光温室，可以有效提高温度25～35℃。同时在极端天气、多云及阴天天气、晴天条件下，双膜日光温室内部温度均高于单膜日光温室，且内部气温波动整体平缓，较单膜日光温室有一定的提升，可以更好地满足植物生长对温度的需求，但双膜日光温室在外部光照不足时，由于内部有二层膜对太阳辐射能进入的阻挡，会使增温效果有所减弱。因此，在实际生产中，需要注意二层膜的揭、盖时间。

双膜日光温室在冬季最冷时段温室内部最低气温高出单膜日光温室4.8℃，与大庆市室外温度相比平均有效提高日平均气温20.85℃，冬季最冷时段日最低平均气温高出单膜日光温室日平均最低温度3.1℃。在测试时间段内，室内平均气温为13.5℃，最低温度8.0℃，最高温度36℃。因此可以推断双膜日光温室蓄热性能优于单膜日光温室，有助于解决大庆市地区冬季日光温室内植物常遇到的低温胁迫问题，有助于维持植物正常的生理活动。