不同自然通风方式对日光温室性能的影响

严露露 荆海薇 鲍恩财 曹晏飞 潘铜华 申婷婷 王昊天 邹志荣,*

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；2.农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；4.农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014)

日光温室在我国是一种重要的温室形式，因其良好的保温节能特性而得到广泛应用，为调整农业产业结构提供了重要途径。截至2016年底，全国日光温室总面积为6.6×105hm2，约占设施总面积的31.8%[1-3]。

在日光温室生产中，自然通风是调节室内环境的重要技术手段。自然通风是由风压和热压的作用引起的室内外空气通过温室窗口的流动，可以降温除湿，补充CO2，为温室内植物提供适宜的生长环境[4-6]。温室自然通风效果的影响因素众多。已有研究认为，由于气流会在Venlo温室风口附近形成紊流，室外风向对自然通风的影响较小[7]。也有研究表明室外风速对自然通风影响显著，而且当外界风速<0.5 m/s时，热压通风起主导作用，当外界风速>2 m/s 时，可不考虑热压作用[8-9]。进一步研究风速对Venlo温室内气流分布的影响发现，风速低时，室内气流分布受其影响较小且分布比较均匀一致；随着风速的增大，室内气流流速增大并伴有涡流出现，温室高度方向梯度明显[10]。不同窗口宽度对室内风速的影响不同，杨振超[11]认为日光温室较好的通风面积比例为18%～25%。国内还有针对日光温室不同窗口位置的通风效果研究：Wei B等[12]将日光温室的黄麻纤维后墙分别半拆、全拆卸，形成的后墙窗口的通风降温效果均优于传统单跨温室，谢迪等[13]研究了顶部通风对日光温室内温湿度的影响，发现温室内温湿度降低幅度随外界风速增大而增大。调查发现，以窗口位置分类，日光温室的自然通风形式主要有后墙通风口、前屋面底通风口、前屋面顶通风口、后坡通风口等[14-16]。进一步研究不同开窗配置发现，顶侧风口同时开启时，温室通风效果优于单开顶、侧风口[17-19]。另一方面，已有研究表明通风对植物的生长和果实品质影响显著，尤其是植物冠层的通风状况对作物的生长发育有重要影响[20-24]。

上述研究从不同角度说明了不同因素对温室自然通风的影响，但针对不同自然通风方式对日光温室性能影响的研究较少。为进一步探究不同自然通风方式下，日光温室室内环境因子的变化规律，本研究根据我国日光温室的发展现状，在课题组前期研究的基础上[25]，拟设计2种后坡开窗自然通风方式：后坡整体开窗式和后坡间隔开窗式，并以传统前屋面顶通风式为对照，对采用上述不同自然通风方式的温室内部环境和作物生长状况进行测试分析，旨在为日光温室自然通风方式的设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试温室

本试验3座供试温室位于陕西省杨凌区西北农林科技大学园艺场(34°16′N，108°06′E)。后坡整体开窗式通风日光温室(G1)南北跨度为8 m，东西长 16 m，脊高3.6 m，后墙高2.2 m，后墙结构为 780 mm 砖墙+100 mm聚苯板(从内到外)，采用C型轻钢骨架，间距1 m，前屋面覆盖0.10 mm厚PO膜。在距地高度0.65 m处，设置宽0.8 m，长16 m前屋面底通风口。所有通风口处均有52 目防虫网，用卡槽卡簧固定。G1的屋脊线上距东山墙4.0 m处，以屋脊为边，有8.0 m×1.2 m后坡窗口1个(图1(a))，采用齿条直推电动开窗机系统，使用电机为WJNA40-2.6温室专用减速电机(北京华农农业工程设计咨询有限公司，功率0.37 kW)。在后坡间隔开窗式通风日光温室(G2)的屋脊线上距东山墙 0.5 m 处，以屋脊为边，做1.0 m×1.2 m窗口8个(图1(b))，相邻窗洞之间的距离均为1.0 m,其他参数与G1一致。在前屋面顶通风式日光温室(G3)的前屋面距地3.38 m处做16 m×0.6 m窗口1个，其他参数与G1一致。试验期间，各温室上通风口开度为30°，前屋面底通风开度为37.5°。

1.日光温室屋脊线；2.整体开窗式后坡窗口；3.间隔开窗式后坡窗口。1.Sunlight greenhouse ridge line; 2.Overall windowed rear slope window; 3.Interval windowed rear slope window.图1 G1(a)和G2(b)的后坡窗口分布与尺寸Fig.1 Distributions and sizes of rear slope windows in G1 (a) and G2 (b)

1.2 室内作物

室内种植‘佳西娜’番茄(SolanumlycopersicumL.)，幼苗三叶一心时选取长势一致的定植于装有60 L基质的栽培袋中，每3株1个栽培袋，于2018年8月1日定植，单蔓整枝，留3穗果打顶。栽培行距为1.0 m，株距为0.33 m。下挖栽培槽规格：宽0.3 m，深0.25 m，长5 m。试验时间为2018年8月1日—2018年10月31日。

1.3 测定项目与方法

1.3.1温室内外环境测点

各温室环境测点分布相同，详见图2。

1)室内空气温度测点(图2，点A～I)：使用器材为T型热电偶(合柔(上海)电线电缆有限公司生产，温度测量范围：-200～350 ℃，测量精度：±0.2 ℃)和安捷伦数据采集器(美国Agilent公司生产，温度测量范围-200～350 ℃，测量精度：±0.2 ℃)，自动记录，时间间隔为1 h。

2)室内空气湿度测点(图2，点J、K)：使用仪器为HOBO UX100-011 (美国Onset公司生产，湿度测量范围：0%～100%，测量精度：±2.5%)，自动记录，时间间隔为1 h。

3)室内光照强度测点(图2，点L)：使用仪器为HOBO温度光照记录仪UA-002-64(美国Onset公司生产，光照测量范围：0～320 klx，光谱范围：400～700 nm，光照测量精度：±10 lx)，自动记录，时间间隔为1 h。

4)室内风速测点(图2，点M、N)：使用仪器为Swema 03万向微风速探头(瑞典斯威玛公司生产，风速测量范围：0.05～5.00 m/s，风速测量精度：±0.03 m/s)。自动记录，时间间隔为1 min。

5)室外环境测点：空气温湿度、太阳辐射、室外风速，均由美国HOBO公司生产的HOBO U30便携式小型自动气象站测量，测量高度1.5 m，置于室外开阔处(温度测量范围:-40～+75 ℃，准确度±0.7 ℃；湿度测量范围:0%～100%，准确度±3%；光合有效辐射(PAR)传感器，光谱范围：400～700 nm)。自动记录，时间间隔为1 min。

点A～I：气温测点；J、K：湿度测点；L：光照测点；M、N：风速测点。Points A to I are the temperature measurement points; Points J and K are the humidity measuring points; Point L is the light measuring point; Points M and N are the wind speed measuring points.图2 温室内距地面1.5 m高度测点分布图Fig.2 Point distribution at 1.5 m height inside the greenhouses

1.3.2室内作物测定项目及方法

番茄生长和产量指标：株高、茎粗、干质量、SPAD值(Soil-plant analysis and development)于定植后30 d取样测算，并计算相对生长速率(RGR)。除去保护行，将相邻两行的10个栽培袋作为1个小区，各温室3个重复，统计并计算从果实采收开始直到采收结束时的平均单果质量与单株产量。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010和Matlab 2016 绘图，SPSS 19.0软件Duncan’s多重比较法(P<0.05)进行数据分析。根据云量和日照时数，将试验期间的天气类型划分为晴天和阴天2种典型天气[26]。白天测试时间为7:00—19:00，夜晚 19:00—次日7：00。

2 结果与分析

2.1 温室内外光照强度对比

在相同天气条件下，各温室室内的光照强度变化趋势基本一致(图3)。晴天，G1、G2、G3白天平均光照强度分别为81.20、70.80、64.27 klx，室外122.11 klx，相比G3，G1、G2晴天白天光照强度分别提高了26.34%和10.16%。阴天，3座温室室内白天平均光照强度分别为28.98、32.74、31.84 klx，室外62.15 klx。综合分析发现：晴天，3座温室之间的室内光照强度差异较大，G1、G2室内光照强度均大于G3，而阴天3座温室室内光环境差异较小。说明在晴天外界光照条件较好时，具有后坡通风窗的G1、G2室内光照强度大于具有顶通风的G3，同时晴天G1光照强度大于G2。

图3 典型晴天(a)和典型阴天(b)各温室内外光照强度变化Fig.3 Changes in light intensity inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.2 日光温室内外气温对比分析

2.2.1典型天气下室内外气温对比

晴天白天，G1、G2、G3增温迅速，在13:00各温室内气温均达峰值(图4(a))，分别为41.2、41.2、45.0 ℃，G3的最高气温比G1、G2高出3.8 ℃。7:00—13:00G1、G2、G3和室外的平均升温速率分别为2.9、2.9、3.5、1.5 ℃/h。晴天白天，G1、G2、G3与室外的平均气温分别为33.7、33.8、34.8、30.0 ℃，G1、G2、G3室内外温差分别为1.8、2.0、2.4 ℃。由此可见，晴天白天，G1和G2的通风降温效果均优于G3，G1优于G2。而晴天夜间，3种温室内部气温与室外接近而且彼此差异较小。阴天白天，G1、G2、G3增温比晴天较缓，14:00各温室内气温均达峰值(图4(b))，分别为33.8、36.2、38.0 ℃，此时，G3的最高气温分别比G1、G2高出4.2、1.8 ℃。阴天白天，G1、G2、G3与室外的平均气温分别为28.5、28.9、29.3、26.9 ℃，G1、G2、G3室内外温差分别为1.6、2.0、2.4 ℃。说明阴天条件下，G1和G2通风降温效果均优于G3，而且G1优于G2。综上分析，可知无论阴天或晴天，具有后坡连续通风窗的G1和后坡间隔通风窗的G2通风效果均优于前屋面顶通风的G3。

图4 典型晴天(a)和典型阴天(b)下各温室内外气温变化Fig.4 Changes in temperature inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.2.2典型晴天室内植物冠层气温分布

本研究中植物冠层高度为1.5 m。选取典型晴天13:00各温室内距地1.5 m的气温测点(即图3中点A～I)的数据，各温室以气温测点C为坐标原点，分别向东、北做X、Y轴，建立二维坐标系。输入坐标值与对应气温值，cubic插值处理，绘制植物冠层等温线分布示意图(图5)。G3的植物冠层气温整体高于G1和G2。统计数据可知，晴天13:00，G1、G2、G3植物冠层平均气温为41.2、41.1、45.0 ℃。G1、G2植物冠层气温空间分布为南高北低，由于后坡通风口的存在，压低了出风口，使得G1和G2温室内空气对流和扰动延伸至北墙，而南向、高处的靠近薄膜附近的空气受扰动较小，热量聚集，温度升高。G3植物冠层气温整体比G1、G2高，呈现南低北高分布。由于顶通风方式，空气从进风口到出风口的路径，偏向上部，对靠近北墙和下部的空气扰动较小，形成热量聚集，温度较高。综上分析，在植物冠层区域，后坡开窗式通风效果较好，而顶通风式通风效果较差，温度较高。

温室东西方向为长度方向，南北为宽度方向。The east-west direction of the greenhouse is the length direction, and the north-south direction is the width direction.图5 典型晴天各温室内植物冠层气温分布Fig.5 Distribution of canopy temperature in greenhouses on a typical sunny day

2.3 日光温室内外风速日变化规律

图6示出温室内外白天(7:00—19:00)风速变化情况。在中午12:30之前，室外几乎无风，此时室内的风速也较小，多在0.20 m/s以下，G1、G2、G3的最大风速分别为0.16、0.44、0.15 m/s，平均风速分别为0.02、0.05、0.01 m/s。此后，室内风速随着室外风速的增大而增大，且波动变化较为同步，G1、G2、G3的最大风速分别为1.52、2.36、0.74 m/s，平均风速分别为0.08、0.10、0.04 m/s。统计数据可知，3座温室的日平均风速折减率为0.80、0.74、0.90。由此可见，G3内气流运动比G1、G2缓慢，G2的气流运动快于G1。统计各温室内白天(7:00—19:00)不同大小风速比例可得， G1、G2、G3风速处于0.15～0.5 m/s的比例分别为6.99%、9.50%、2.27%。

图6 温室内外白天(7:00—19:00)风速变化Fig.6 Changes in wind speed inside and outside greenhouses

2.4 日光温室内外空气湿度对比

无论晴天还是阴天，室外相对湿度均明显高于室内(图7)。G1、G2、G3平均相对湿度晴天白天依次为47.15%、47.21%、44.03%，晴天夜间依次为76.23%、75.90%、77.58%。阴天白天依次为65.48%、65.07%、66.50%，阴天夜间依次为87.68%、86.71%、88.95%。由上述数据分析可知，与G1、G2相比，G3相对湿度白天低，夜间高，十分不利于植物的生长。

图7 典型晴天(a)和典型阴天(b)下各温室内外相对湿度变化Fig.7 Changes in relative humidity inside and outside greenhouses on a typical sunny day (a) and typical cloudy day (b)

2.5 日光温室内番茄生长指标与产量比较

表1示出各日光温室内番茄生长参数及产量，可知，G1内番茄株高显著小于G2、G3，而茎粗、SPAD值、单果质量显著大于G2、G3。G1、G2内番茄根、茎干质量，相对生长速率(RGR)、单株产量均大于G3但差异不显著，经计算G1、G2内番茄单株产量分别比G3提高了19.54%、6.90%。

表1 不同类型日光温室对室内番茄生长及产量的影响Table 1 Effect of different types of indoor solar greenhouse tomato growth and yield

3 结 论

为提高日光温室自然通风效率，本研究在通风面积相同的情况下，对采用不同自然通风方式的日光温室即后坡整体开窗式通风日光温室(G1)、后坡间隔开窗式通风日光温室(G2)、前屋面顶通风式日光温室(G3)内部的环境和作物生长状况进行了测试分析。得出以下结论：

1)晴天白天，G1、G2的室内光照强度分别比G3提高了26.34%和10.16%，G1、G2、G3平均气温分别为33.7、33.8、34.8 ℃，平均相对湿度分别为47.15%、47.21%、44.03%，风速折减率分别为0.80、0.74、0.90。说明G1、G2内光照条件和通风降温效果均优于G3，为植物提供更好的生长环境。

2)G1、G2内番茄单株产量分别比G3提高了19.54%、6.90%。