光伏幕墙对阳台微环境及西瓜生长的影响

赵永超 陈玉保 唐伊恋 兰青 邓佳

摘要 [目的]研究光伏幕墙对阳台微环境的影响以及在此微环境中西瓜的生长状况。[方法]以“甜王一号”西瓜品种为试材，栽培于阳台种植箱内，并对阳台微环境及西瓜质量和外观形态进行分析。[结果]在晴天条件下，室内阳台的温度为23.7～32.2 ℃，相对湿度为28.8%～49.2%，CO2浓度为329.2～348.5 mg/L，光伏幕墙平均透光率为46.4%;在阴天条件下，室内阳台的温度为23.2～26.1 ℃，相对湿度为43.7%～52.1%，CO2濃度为330.9～345.5 mg/L;09：00—11：30，西瓜叶片的叶绿素含量随着光照强度的增加而增加，当光照强度为44 300 lx 时，西瓜叶片的叶绿素含量达到最大值（42.5 mg/g）。测量了西瓜的质量和外观形态，最大单果质量为2.61 kg，纵横径分别为15.57 和14.64 cm。[结论]在光伏幕墙的微环境下西瓜能正常生长并成功结出果实。

关键词 光伏幕墙;阳台微环境;西瓜生长

中图分类号 S214文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）24-0207-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.059

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Photovoltaic Curtain Wall on Balcony Microclimate and the Growth of Watermelon

ZHAO Yongchao1，CHEN Yubao1，TANG Yilian2 et al （1.Solar Energy Research Institute， Yunnan Normal University， Kunming， Yunnan650500;2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Kunming University，Kunming， Yunnan650214）

Abstract [Objective] To study the effects of photovoltaic curtain wall on balcony microclimate and watermelons growth.[Method]“Tianwang No.1” watermelon variety was taken as test materials and cultivated in the planting box of balcony.And the balcony microclimate and the quality， appearance of watermelon were analyzed.[Result]Under sunny conditions， the temperature of indoor balcony was 23.7-32.2 ℃，the relative humidity was 28.8%-49.2%， the concentration of CO2 was 329.2-348.5 mg/L， and the average transmittance of photovoltaic curtain wall was 46.4%.Under cloudy conditions， the temperature of indoor balcony was 23.2-26.1 ℃， the relative humidity was 43.7%-52.1%， and the concentration of CO2 was 330.9-345.5 mg/L. From 09：00 to 11：30，the chlorophyll content in watermelon leaves increased with the rise of light intensity.When the light intensity was 44 300 lx， the chlorophyll content in watermelon leaves reached the maximum（42.5 mg/g）.The quality and appearance of watermelon were measured.The measurement results showed that the maximum single fruit mass was 2.61 kg， and the longitudinal and traverse diameter of watermelon fruit were 15.57 and 14.64 cm， respectively.[Conclusion]The watermelon could grow and fruit successfully under the microclimate of photovoltaic curtain wall.

Key words Photovoltaic curtain wall;Balcony microclimate;Watermelons growth

光伏幕墙在建筑一体化应用中能获得可观的社会效益和生态效益，并兼顾了良好的室内透光性[1]。马铭等[2]曾对云南师范大学120 kW半透明双玻光伏幕墙系统进行测试分析，结果表明其4 h发电量为232 kW·h，但对光伏幕墙遮阴下的室内环境并未进行研究。由于双玻组件具有一定的透光性，可在其下方种植蔬果等农作物，有学者研究了在该光伏组件部分遮阴的温室种植番茄的生长状况，结果表明在光伏组件产生电力时并不影响番茄的生长[3]。近年来，利用阳台的有效空间来种植蔬果的研究逐渐增加，一部分温室种植的蔬果被种植于阳台上，包括生菜[4-5]、黄瓜[6-7]、番茄[8-9]、韭菜[10-11]等，但针对西瓜的阳台种植研究尚未多见。西瓜原产于非洲属葫芦科的一年生蔓性草本植物[12]。西瓜含有丰富的多种矿物质和维生素成分[13]，2016年我国西瓜生产面积为153.3万～166.7万hm2，位于世界生产面积前列[14]。西瓜大多采用日光温室种植，已有研究发现适宜西瓜生长的温室内环境温度为10.67～29.95 ℃，相对湿度为52.40%～94.26%，CO2浓度为455～631 mg/L，光照强度为268.37～13 842.60 lx[15]。但目前国内针对光伏幕墙下阳台种植的相关研究涉及不多，尤其是针对西瓜的阳台种植相关研究较为少见。

基于以上研究结果，该研究通过对光伏幕墙下的阳台微环境变化为主要目的，并研究该环境对西瓜生长的影响。笔者探讨光伏幕墙下的环境因子适宜阳台设施西瓜生长的可行性，将太阳能与阳台设施的结合，充分利用阳台有效面积，旨在为阳台西瓜的健康生长及以后的研究工作提供一定的理论与实践基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试阳台的总长度为20 m，宽度为2.5 m，高度为15 m。供试西瓜品种为北京华耐农业发展有限公司培育而成的“甜王一号”，属中早熟、小型西瓜品种。供试种植容器为长方形种植箱，种植箱长55 cm，宽45 cm，高40 cm。供试基质为保水性、保肥、透气的富含矿物质、草炭、珍珠石、蛭石、椰糠的基质与普通园艺土壤1∶1配制。供试肥料采用水肥一体化含氮（N 22%）、磷（P2O5 14%）、钾（K2O 14%）、钙（CaO 1.2%）、镁（MgO 0.5%）的水溶性肥料，水肥溶剂配比按照400∶1进行。供试验所测量的仪器设备如表1所示。

1.2 试验方法

试验在云南师范大学太阳能研究所的光伏幕墙下阳台内进行。地址位于云南省昆明市（102.68°E，25.07°N）， 平均海拔约1 891 m，属于亚热带高原山地季风气候，年平均气温15 ℃左右[16]。为了对阳台设施环境因子进行监控并对其数据进行分析，使用TRM-2型数据采集仪，在阳台室内外各水平放置1个总辐射表测量太阳辐照瞬时值及累计值;在阳台室内外各放置1个温湿度记录仪和CO2传感器，室内温湿度记录仪和CO2传感器悬挂距离阳台地面1.0 m 高度的中心位置，用以测量室内温度、相对湿度和CO2浓度。室外放置温湿度记录仪、CO2传感器和太阳总辐射表与室内设备同时测量。为了验证西瓜生长状况，试验共设计4个样本T1、T2、T3、T4，每个样本处理3次重复，共12个小区。经过催芽育苗后，于2019年4月15日在阳台种植箱内定植，定植箱间距为40 cm×80 cm，后期管理按照日常管理进行。

1.3 测定项目与方法 选择西瓜的开花期到结果期（2019年5月20日～7月25日）比较典型的10 d晴天和阴天条件下。全天24 h，每隔30 min测定阳台室内及室外的温度、相对湿度、CO2浓度，并对相同天气状况的相同时刻计算平均值;每隔10 min测定太阳辐照瞬时值、太阳辐照累计值、光照强度;采用手持RYNY-128叶绿素测试仪，从09：00到11：30每隔30 min测定阳台西瓜叶片的叶绿素含量，对相同的西瓜叶片测量3次并做好数据记录，并对同时刻求平均值。待西瓜结果后，每隔5 d使用电子天平秤测量单果质量，取其平均单瓜质量。使用鋼卷尺同步测量果实纵径和横径。

1.4 数据统计与分析 使用Origin 8.5和Excel 2010软件对试验数据进行绘图与分析。

2 结果与分析

2.1 阳台温度变化

一天温度变化中，晴天和阴天条件下阳台室内及室外温度变化趋势基本一致。图1为典型天气条件下阳台室内外温度的日变化曲线。如图1a所示，晴天条件下室内与室外温差较大，08：00—12：00时间段阳台室内温度由于温室效应的原因，比室外温度上升较快。12：30室外温度为25.0 ℃时，室内温度出现32.2 ℃的峰值，室内比室外温度高7.2 ℃。室内温度13：30左右开始有所下降，并在15：00 室内外出现4.3 ℃的最低温差。14：00—17：00保持一段平缓的趋势，原因是太阳辐照逐渐降低光伏幕墙起着良好的保温作用。17：00以后，太阳辐照逐渐消失，室外温度急剧下降，因此室内温度也随之下降。室内的日平均温度为27.2 ℃，日最高和最低温度分别为32.2 和23.7 ℃，室外的日平均温度为22.0 ℃，日最高温度、日最低温度分别为26.0 和18.7 ℃，室内外平均温差为5.2 ℃。

如图1b所示，在阴天条件下，白天室内外增温幅度较小，从07：00起室内开始增温，此时室内出现最低温度（23.2 ℃）。15：30，当室外温度为21.0 ℃时，室内温度出现最大值（26.1 ℃），室内温度比室外温度高5.1 ℃。16：30，室内外出现5.2 ℃的最低温差，比晴天最低温差高0.9 ℃。室内日平均温度、日最高温度和日最低温度分别为24.5、26.1和23.2 ℃，室外日平均温度、日最高温度和日最低温度分别为19.7、21.5和18.2 ℃，室内日平均温度比室外高4.8 ℃。因此，在2种天气条件下室内平均温度均比室外平均温度高5.0 ℃。

综上所述，阳台设施西瓜在晴天条件下，供试阳台表现出高温的环境特点，日平均温度变化范围为23.7～32.2 ℃，阴天条件下日平均温度变化范围为23.2～26.1 ℃。

2.2 阳台相对湿度变化

室内外相对湿度的变化取决于室内外温度及光照强度的变化。由于西瓜采用种植箱种植，选择定期、定量的进行灌溉，当室内温度和太阳辐射强度变化较大时，由于植株的蒸腾作用基质水分消耗较快，与室外相对湿度相比，室内的相对湿度比室外低。因此，在室内相对湿度较低的环境中，为保证西瓜植株的正常生长，要做好定期灌溉防止种植箱基质过于干燥，造成西瓜植株死亡现象。

不同天气状况下，不同相对湿度影响西瓜的生长。图2a为

在晴天条件下阳台室内外相对湿度的日变化曲线。00：00—07：00时间段内，室内外相对湿度呈现小幅度的上升趋势，当06：30室外日相对湿度最大值为85.7%时，室内外出现日最高相对湿度差，为37.1%，07：00室外相对湿度为85.0%，此时室内相对湿度出现最大值，为49.2%。08：00—13：30 ，随着温度的上升，室内外相对湿度下降更加明显，分别下降了16.6%和26.2%，此时13：00室内日相对湿度出现最小值，为28.8%;16：00室外相对湿度最小值为54.3%，室内外出现日最小相对湿度差，为23.2%;17：00以后，随着室内外温度的逐渐下降，室内外相对湿度也出现逐渐上升状态，该时段室内外相对湿度变化趋势相近。室内日平均相对湿度为39.7%，室外日平均相对湿度为71.1%，室内外日平均相对湿度差为31.4%。

2.6 西瓜质量和果实外观形态

在光伏幕墙下的阳台上成功种植了西瓜样本，并且每个样本均结出西瓜果实。由表2可知，西瓜样本T4果实单果质量最大，达到2.61 kg;样本T1果实单果质量最小，为1.31 kg;样本T4的单果质量比样本T1、T2和T3分别高1.30、0.99和0.26 kg。西瓜的样本T1果实纵横径均最小，分别为9.81和9.43 cm;样本T4的果实纵横径均最大，分别为15.57和14.64 cm，其西瓜果皮厚度最厚（10.18 mm），比T1、T2和T3分别增加37.42%、22.20%和2.55%。光伏幕墙下的阳台微环境对西瓜单果质量、果皮厚和果实纵横径均有显著影响，但对西瓜果形指数的影响无显著差异。

3 结论

该研究分析了半透明双玻光伏组件幕墙下阳台的微环境，并在阳台上种植了西瓜样本。西瓜的生长受到温度、相对湿度、光照、CO2浓度等因素的综合影响，研究发现晴天条件下温度为23.7～32.2 ℃，相对湿度为28.8%～49.2%，光照强度为10 890～44 300 lx（09：00—11：30），CO2浓度为329.2～348.5 mg/L，光伏幕墙的平均透光率为46.4%;阴天条件下，温度为23.2～26.1 ℃，相对湿度为43.7%～52.1%，CO2浓度為330.9～345.5 mg/L;西瓜叶片的叶绿素含量随着光照强度增加而增长，11：30时当光照强度为44 300 lx，西瓜叶片的叶绿素含量达到最大值（42.5 mg/g）。叶绿素含量的增加提高了西瓜叶片光合作用能力，从而促进了西瓜生长。在西瓜结果期测量了西瓜的质量和外观形态，其中样本T4的生长数据最佳，单果质量最大值为2.61 kg，纵横径为15.57和14.64 cm，验证了西瓜在该阳台微环境中能够正常生长的结论。在阳台上方光伏幕墙发电的同时，该研究通过对光伏电池之间的透光性以及阳台温湿度等微环境的研究，实现了太阳能与阳台种植的有机结合，采用种植箱和基质栽培西瓜，解决了阳台设施西瓜种植的瓶颈。该研究结果可为后续的研究提供参考价值。

参考文献

[1]朱旺.光伏幕墙在光伏建筑一体化中的应用与发展[J].建筑施工，2019， 41（9）：1728-1729.

[2] 马铭，廖华，李景天，等.云南师范大学120 kW光伏玻璃幕墙实践[J].云南师范大学学报（自然科学版），2015，35（2）：27-31.

[3] HASSANIEN R H E，LI M，YIN F.The integration of semitransparent photovoltaics on greenhouse roof for energy and plant production[J].Renewable energy，2018，121：377-388.

[4] 高正勇.阳台种植生菜技术[J].现代农业科技，2015（18）：112，115.

[5] 穆大伟，张玉坤，孙莉，等.生菜在建筑外墙遮阳板、屋顶、阳台的环境适应性和生态效益研究[J].干旱区资源与环境，2019，33（9）：116-124.

[6] 曹华，王亚慧，李新旭.水果黄瓜家庭阳台盆栽技术[J].农村百事通，2017（12）：29-30.

[7] 龚攀，梁峥，陈曼，等.阳台黄瓜种植技术[J].长江蔬菜，2017（12）：64-65.

[8] 张伟娟，张怀波，杨宝祝.负水头控制下不同浓度营养液对阳台番茄产量和品质的影响[J].蔬菜，2014（10）：14-18.

[9] 王月英，黄广学.北京地区阳台盆栽番茄有机生态型无土种植技术[J].北京农业职业学院学报，2018，32（5）：27-31.

[10] 郝天民，刘俊杰，李晶晶.阳台韭菜栽培技术[J].中国蔬菜，2012（9）：54-55.

[11] 骆洪义，杜红，曲宝龙，等.城市农业技术系列之二 阳台菜园 韭菜&油菜种植指南[J].中国果菜，2014，34（1）：76-79.

[12] 杨青云，尹守恒，李会松，等.日光温室精品西瓜优质高产高效栽培技术[J].中国瓜菜，2016，29（6）：50-51.

[13] 王兆吉.西瓜果形相关性状遗传及QTL分析[D].哈尔滨：东北农业大学，2013.

[14] 李天来，许勇，张金霞.我国设施蔬菜、西甜瓜和食用菌产业发展的现状及趋势[J].中国蔬菜，2019（11）：6-9.

[15] 马超，朱莉，曾剑波，等.北京地区设施西瓜环境因子调控手段及数据分析[J].北方园艺，2017（18）：85-89.

[16] 唐伊恋，李明，马逊，等.草莓温室太阳能热泵系统阶梯式供暖特性[J].农业工程学报，2018，34（13）：239-245.