呼和浩特地区不同类型日光温室光热性能研究

苏利军，潘耀婷

（呼和浩特蔬菜气象试验站，呼和浩特 010020）

0 引言

设施农业是指具有特定生产功能的、可以在外界自然环境条件较为不利时为作物提供最适宜生长环境的农业生产工程系统，主要包括各种类型的日光温室、大棚等[1-2]。日光温室为中国北方地区设施农业十分重要的一个组成部分，主要用于作物的越冬保温，它能够有效地解决冬春两季中国北方地区的蔬菜、瓜果及花卉等的供应问题[3-4]。日光温室依靠一定的建筑结构以及增温、蓄热、通风等环境调试设备，可以使其内作物在最适宜其生长的环境中进行高效生长，现代的日光温室可以对温室内作物生长的各类环境要素如光、温、水、肥、土、气等进行人为的调节和控制，可针对不同生长条件的作物为其提供最佳的生长环境，来克服外界环境带来的负面影响[5-7]。不同地区日光温室结构差异非常大，与各地冬季气温关系较为密切，选择经济实惠生产经营效益高的日光温室进行推广示范，对于提升日光温室种植效益尤为重要[8-10]。此外，不同天气条件对于日光温室的影响较为严重，特别是连续阴雨天气、暴风雪天气、极端低温天气、大风寒潮天气等对日光温室的生产带来了极大的风险[11-13]。各地根据不同气候条件，引进适合当地种植的日光温室，提高温室的生产经营效益，实现社会效益、经济效益、生产效益的互利互赢对于当地蔬菜的供应意义非常重大[14]。当前日光温室的墙体结构及建造材料种类越来越多，异质复合墙体材料、复合相变墙体材料、秸秆块墙体材料等，在不同地区也得到了广泛的应用和推广，新型材料墙体功能、建造技术、建筑材料的变化同步也得到了较快的发展[15-17]。温室外部覆盖物也逐步呈现出多样化，双膜双被、双膜单被，多层覆盖一体式等在严寒地区也得到了广泛的推广[18-19]。温室覆盖物材料不同，制作方式不同，覆盖物保温性能、防水性能等差异也非常显著[20-22]。温室跨度不同，温室屋面倾角不同，也对温室的光热性能影响极大[23-25]。因此，研究不同类型日光温室光热性能，对于提高日光温室生产效益尤为重要。

近年来，呼和浩特地区设施农业发展蓬勃迅速，日光温室在保证全市蔬菜供应、提升农民收入、促进农业产业结构调整等方面起到了重要的作用，全市厚墙体日光温室面积约占呼和浩特市整体设施农业面积的65%左右，是呼市冬季本地蔬菜供应的主要设施，但这些厚墙体日光温室由于运行时间长，许多温室出现了墙体坍塌、结构损坏等问题，此外，由于厚墙体日光温室后墙占地面积大，且建成后的温室多数都处于低洼地段，在遇强降水天气会造成棚前积水，有的棚前积水发生倒灌甚至会发生棚内作物被淹等问题，给生产带来了较大的安全隐患[15]。近随着新型墙体保温材料性能提升，出现了许多新型日光温室，彻底解决了厚墙体温室的安全隐患，本研究主要对近年来新增的3种日光温室进行气象要素监测，在同等条件下，研究其光热性能，为呼和浩特地区新建日光温室提供重要的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验温室概况

本试验选取呼和浩特境内不同类型日光温室，各温室所处位置、类型及种植作物种类等基本信息如表1所示。

表1 试验温室基本信息

日光温室数据选取时段为2020年12月1日—2021年2月28日。温室内光照、气温数据由温室内小气候仪进行24 h连续观测，外部气温数据选取距试验温室所在位置距离最近区域自动气象站数据。试验温室与区域站对应关系如表2所示。

表2 试验温室与区域气象站对应关系

根据实际情况，本次试验以揭帘至盖帘之间的时间段作为白天统计，以盖帘至揭帘之间的时间段作为夜间统计。晴朗天气情况下每天9:00揭帘，16:30盖帘，遇阴天，降雪等天气过程推迟揭帘时间，提前盖帘时间。

1.2 试验数据测定方法

1.2.1 日光温室内外温度、光照测定 选择温室卷帘机位置和温室边墙之间距离1/3作为设备安装东西长度地点，选择温室内种植作物南北长度中心位置作为设备安装南北长度地点，南北和东西的交叉点是日光温室小气候安装位置。在安装位置高度1.5 m位置设置温度传感器监测，在安装位置高度1.5m位置设置光照度监测，温度传感器、光照度进行24 h连续监测，记录时间间隔为5 min。温室外气温选取距日光温室最近区域自动气象站气温日数据。

1.2.2 数据处理 以测试时间内每日24 h内气温的平均值作为日平均气温，以测试时间内每日最高气温的平均值作为平均最高气温，以测试时间内每日最低气温的平均值作为平均最低气温。降雪天气的判定以CIMISS服务系统平台天气现象及降雪量记录为准。数据统计和处理利用Office软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同类型温室内外气温对比

2.1.1 温室内外日平均气温对比 由图1～2可以看出，不同类型温室的室内外平均气温存在一定差别，4种类型温室内部的平均气温均保持在8～25℃之间，室内平均气温与室外平均气温起伏变化基本一致。稻草温室内部气温波动幅度最小，波动范围维持在10～20℃之间。双膜双被水箱蓄热温室波动范围最大。4种类型温室中厚墙体温室的室内平均温度最低，双膜双被水箱蓄热温室的室内平均温度最高。从外部气温来看，时间序列内有3次明显的降温过程，分别是1月17日、2月2日、2月17日，从图2的温差对比中可以看出，在外界气温条件较为恶劣的情况下，双膜双被日光温室、双膜单被日光温室的室内外温差较大，说明二者具有良好的保温蓄热性能，厚墙体日光温室的室内外温差较小，说明其保温性能相对较弱。

图1 4种类型日光温室室内外日平均气温变化趋势图

图2 4种类型日光温室室内外日平均气温温差变化趋势图

2.1.2 温室内外日最高气温对比 由图3可以看出不同类型的日光温室室内外最高气温存在一定差异，双膜双被温室、双膜单被温室波动性均较大，在17～50℃之间，稻草温室的日最高气温波动较小，范围在19～45℃，厚墙体温室日最高气温波动范围在17～43℃。4种类型温室外部日最高气温差异较小，但双膜双被及双膜单被温室的室内温度明显高于另外2种类型温室，可见这2种温室具有较好的蓄热性能。

图3 4种类型日光温室室内外日最高气温变化趋势图

2.1.3 温室内外日最低气温对比 由图4可以看出，不同类型的日光温室的室内外最低气温存在一定差异。4种类型温室的外部气温变化基本一致，但温室内部气温差异明显，室内外温差在20～40℃左右。双膜单被的室内最低气温变化幅度最大，在3～17℃之间，稻草日光温室变化幅度最小，在5～12℃之间。就时间序列内整体温度而言，明显看出2月19日后气温有显著的回升，回升后的气温保持在-10℃以上，而在1月12日—2月19日的气温较低的时间段内，双膜单被及双膜双被温室温度明显优于其他2种类型温室，时间序列内有若干次明显的降温过程，而4种温室中双膜双被对降温的反应程度最小，除2月3日的强降温过程外，其余的降温过程并没有造成室内温度明显下降，而其他3种温室室内温度均对室外温度有一定反应。综上所述，双膜双被温室内植物发生冷害的几率更小，厚墙体温室在冬季低温期间日最低气温均处于8℃以下，发生冷害的几率更大。

图4 4种类型日光温室室内外日最低气温变化趋势图

2.2 不同类型温室保温性能对比

厚墙体是呼和浩特地区应用最为广泛的温室类型，厚墙体温室的热性能基本可以反映本地区绝大部分温室的保温蓄热性能，以厚墙体温室为对照，对比其他类型温室的保温蓄热性能可以更直观地看出优劣程度。

2.2.1 日平均气温对比 由图5可以清晰看出厚墙体温室与其他3种类型温室室内平均气温差距，厚墙体温室与稻草温室的气温差异主要存在于1月中下旬，每日温差可达1～5℃，后期气温差异较小。而厚墙体温室与双膜双被、双膜单被温室在整个越冬期间的气温差异均较大，一月中下旬的气温差异则更为显著，与双膜单被温差达2～10℃左右，与双膜双被温差在部分时间段可达10℃以上。

图5 厚墙体与其他新型日光温室日平均气温对比趋势图

2.2.2 日最高气温对比 由图6可以看出厚墙体温室与其他类型温室最高气温的变化趋势有所不同但整体高低差异并不大，双膜双被及双膜单被日光温室在2月6日之后的大部分时间段内高于厚墙体温室，前期也并无较大差异。

图6 厚墙体与其他新型日光温室日最高气温对比趋势图

2.2.3 日最低气温对比 由图7可以看出，厚墙体温室的最低气温普遍低于另外3种类型的温室，处于8℃甚至5℃以下的时间段非常长，易引发冷害、寒害等。稻草温室低于8℃的时间较双膜单被、双膜双被稍长，双膜双被温室整个越冬期间气温均显著高于厚墙体温室，最大温差可达15℃以上，是4种类型温室中保温蓄热性能最好的温室。

图7 厚墙体与其他新型日光温室日最低气温对比趋势图

2.2.4 气温差异量化分析 由表3可知，各类型温室的保温性能存在一定差异，稻草温室、双膜单被温室、双膜双被温室的日平均气温及日平均最低气温水平均高于厚墙体温室，日平均最高气温四者差距并不大。以保温性能优劣程度排序则双膜双被温室＞双膜单被温室＞稻草温室＞厚墙体温室。厚墙体温室在夜间常常会出现低于8℃甚至5℃的气温，这对植物生长会产生不利的影响，甚至产生危害，在保证夜间最低温度达标方面来看，双膜双被及双膜单被温室更能满足植物在夜间的保温需求，对植物生长较为有利。4种类型温室在越冬期间的白天日最高温度差异并不显著，故不具备优劣的比较性。

表3 以厚墙体温室为对照各类型温室气温差异

2.3 不同天气下各类温室气温日变化

选取晴天、多云、阴天3种天气情况对4种类型温室的气温日变化进行对比，选取日照时数8 h以上的2月9日、2月22日作为晴天日，日照时数1～2 h的1月14日、1月25日作为多云日，日照时数为0 h的1月13日作为阴天日。

2.3.1 晴天温室气温日变化 图8显示了4种类型温室在晴天条件下的气温日变化规律，可以看出，所有类型温室在凌晨至揭帘前都有小幅缓慢下降，且都在早晨9时前后，即揭帘时开始升温，各类温室升温速率基本一致。晴天条件下各类型温室白天的日最高气温相差不大，双膜双被温室及双膜单被温室在夜间的温度较高，有较好的保温效果，而厚墙体温室的夜间温度较低，保温效果较差。各类温室在10:00—14:00时间段内气温呈现快速上升趋势，14:00后开始下降，18:00后下降速度放缓，逐渐趋于平稳，晴天天气下室内气温可达35℃以上。

图8 晴天4种类型日光温室气温日变化趋势图

2.3.2 多云天气温室气温日变化 多云天气条件下，温室白天的升温时间在10:00前后，晚于晴天条件下的升温时间，升温速率也稍慢。气温在16:00左右达到当日峰值，也晚于晴天条件下的峰值时间，多云天气条件下稻草温室的升温速率较快，也最早到达单日峰值气温。

2.3.3 阴天温室气温日变化 阴天全天无日照条件下的温室内气温明显低于多云及阴天天气，室内气温峰值不到20℃，升温开始时间在10:00—12:00，16:00左右气温开始下降。稻草及双膜单被温室升温幅度较大，厚墙体温室升温幅度最小。在阴天条件下稻草温室的增温性能最优但保温性能仍差于双膜双被温室。

2.4 温室内日最低温度低于8℃天数统计

温室内日最低气温低于8℃的温度对蔬菜的越冬生产较为不利，当低温持续一定时间会影响到作物的正常生长发育，必要时则需人为采取增温保温措施，但势必会增加生产成本，所以低于8℃的天数越少，对设施农业生产越节能和越安全。由表4可以看出在越冬期间（1月12日—2月21日），各类型温室均出现了室内气温低于8℃的情况。通过查阅每日实况资料，低于8℃的天数主要集中在1月中旬，2月2日—4日、2月15日—17日，与室外温度对比发现，以上日期均出现了明显的降温天气，室外最低气温均在-20℃左右。其中厚墙体温室共出现34天最低气温低于8℃的情况，超过了统计总天数的4/5；稻草温室出现18天，超过了统计总天数的2/5；双膜单被温室出现8天，约为统计总天数的1/5；双膜双被温室仅出现2天。可以看出厚墙体温室在保证温室低温达标的方面明显差于其他3类温室，在越冬期间若想要保证作物正常生长，必然需要增温措施进行辅助。当外界气温低于-20℃时，稻草温室开始体现出不足，不能完全保证作物的正常生长发育所需温度，而双膜双被及双膜单被日光温室的保温性能则较为出色，可以抵抗较为恶劣的外界气温条件。

图9 多云天气4种类型日光温室气温日变化趋势图

图10 阴天天气4种类型日光温室气温日变化趋势图

表4 4种类型温室日最低气温出现低于8℃天数

2.5 温室内部气温、光照度分析

选取晴天、阴天2种天气情况对4种类型温室室内气温和光照度日变化做分析，选取日照时数8 h以上的2月9日作为晴天日，日照时数为0 h的1月13日作为阴天日。

2.5.1 晴天条件下各类型温室光照度及气温关系分析

从图11可以看出温室内部气温是受光照度影响的，在温室内部光照度上升后，室内气温随之上升，且光照度峰值总是早于气温峰值，光照度的峰值一般在正午12—13时到达当日峰值，气温推迟2～4 h，在14—16时达到峰值，晴天条件下温室内部光照强度峰值均可达到20000 lx以上。

图11 晴天4种类型温室光照强度与气温变化趋势图

2.5.2 阴天条件下各类型温室光照度及气温关系分析

如图12所示阴天天气下温室内部气温与光照度相关性依旧显著，光照强度升高同样会引起气温升高，但光照度、气温峰值均有明显下降，光照度的峰值在5500～8000 lx左右，气温峰值在16～19℃。气温及光照度的峰值时间差也均缩小至1 h左右，气温升温幅度在5～12℃之间，明显小于晴天条件下的升温幅度，阴天条件下光照度为零的时间也较晴天条件较早。

图12 阴天4种类型温室光照强度与气温变化趋势图

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）越冬期间日光温室的内外平均气温温差可以达到15～35℃，最低气温的温差更是可以达到20～40℃。从室内外日平均气温、日平均最低及最高对比来看，双膜双被水箱蓄热日光温室的保温效果最高，稻草温室及双膜单被水箱蓄热日光温室略差于双膜双被日光温室，厚墙体温室的保温性能在4种类型温室中最差。厚墙体日光温室在冬季的几次降温天气过程中的最低温度均处于8℃以下，易引发冷害寒害，对作物的正常生长发育较为不利。

（2）将呼和浩特地区较为广泛使用的厚墙体温室作为对照组，从双膜单被水箱蓄热日光温室、双膜双被水箱蓄热日光温室、稻草温室的室内气温与厚墙体温室的对比可得出与结论（1）相同的结果，双膜双被日光温室为室内温度水平最高的日光温室，越冬期间日平均气温为20℃，日平均最高气温、最低气温分别为35.7℃和13.6℃，厚墙体温室为4种温室中温度水平最低的日光温室，日平均温度为15.1℃，日平均最低气温为6.1℃。

（3）从不同天气条件下温室内气温的日变化趋势图中可以明显看出，晴天条件下日光温室的气温峰值可达35～40℃，多云天气下气温峰值稍低，达30℃左右，阴天条件下的室内气温峰值明显降低，各类型温室均处于20℃以下。阴天条件下的稻草日光温室升温效果较为显著，优于其他类型温室，但保温效果较差，厚墙体温室的升温保温效果均不理想，导致二者夜间温度低于双膜双被和双膜单被日光温室。

（4）从温室内气温低于8℃的天数统计来看，稻草温室的低于8℃天数达到18天，超过了统计总天数的1/3，厚墙体温室的低于8℃天数达到34天，超过了统计总天数的3/4，双膜单被水箱蓄热日光温室为8天，双膜双被水箱蓄热日光温室仅为2天。结合室外气温可以得出：整个作物越冬期间厚墙体温室的温度均处于较低水平，可能需要采取较为频繁的增温保温措施，而在外界气温低于20℃时，稻草温室也不能完全保证作物的正常生长发育所需温度，而双膜双被日光温室的保温性能则较为出色，可以抵抗较为恶劣的外界气温条件。

（5）温室内的气温是随着光照度的增大而升高的，晴天条件下气温的升高时间较光照度增大时间滞后2～4 h，光照度峰值均可达20000 lx以上；多云条件下气温的升高时间较光照度增大时间滞后1 h左右，光照度峰值达5500～8000 lx。

3.2 讨论

本次试验选取的温室都是各种类型温室建设的标准化尺寸，各温室的结构具有一定的代表性，研究结果与实际调查结果一致。但是每种类型温室建设高度不同，建设跨度不同，种植作物不同，此外保温棉被、棚膜质量也存在着差异，因此，每种类型的温室保温实际结果仍需要不断进行验证和纠正。具体日光温室研究意见和建设建议如下。

（1）建议在同一区域建设跨度、高度、棉被、棚膜性能相同的不同类型温室进行研究，进一步对上述温室的保温性能进行测试，提出每种温室最佳建设方案，为北方日光温室建设提供更为精细的指导意见。

（2）本试验主要研究了不同类型日光温室的冬季光热性能，对温室其他性能没有具体进行研究。通过实际调查发现，双膜双被水箱蓄热温室、双膜单被水箱蓄热温室保温蓄热性能好，可以抵御极端低温带来的不良影响。但是在实际生产过程中，这两种温室夏季顶风通风不畅，温室内温度在晴热天气居高不下，不利于蔬菜的健康生长。建议温室设计者加强该种类型温室的通风口设置，提升温室内空气流通，经济合理降低温室内温度，使该种类型温室具有建设费用低，保温性能好，生产效益高的特征。

（3）稻草日光温室具有建设占地面积小，空间使用效率高，保温性能良好的特点。但是通过实际调查了解到，稻草温室随着建设时间的延长，有时雨水漏入墙体中，并且稻草经常会发生鼠害，导致墙体会发生局部塌陷，影响保温性能，建议稻草日光温室在建设中应该优化防水、防鼠措施提升温室的保温性能。

（4）厚墙体日光温室作为呼和浩特地区主流温室，近年来为本地蔬菜供应提供了优质的保障，为稳定冬季蔬菜菜价起到了重要的作用。但是由于近年来灾害性天气的增加，降水、降雪导致许多温室后墙出现了坍塌，也有许多后墙杂草丛生，在冬季杂草干枯时，可能导致火灾发生。土墙温室墙体占地面积较大，影响大棚净种植面积，并且许多温室多数建设过程中采取就地取土建设，温室处于低洼地段，在发生强降水过程中会发生棚前积水，严重会发生棚前积水倒灌棚中。此外温室闲置后，恢复土地原貌，经费投入大，土地再利用极低，不利于日光温室园区环境恢复。

综合试验研究结论，结合日光温室建设趋势，墙体设计理念更新，可以说当前日光温室墙体结构和材料已经走到了一个创新与变革的年代。新型材料墙体日光温室在今后温室建设中将扮演越来越重要的作用，引进经济、适用、环保、性能优良的日光温室必将备受关注。