基于热平衡及热湿参数动态分析红梅杏防霜棚“冷室效应”*

姜瑞洋，张维江**，马 轶，马 芳，冯 娜，李伟建，姜 昌

基于热平衡及热湿参数动态分析红梅杏防霜棚“冷室效应”*

姜瑞洋1，张维江1**，马 轶1，马 芳1，冯 娜1，李伟建1，姜 昌2

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2. 宁夏红梅杏科技发展有限公司，固原 756000）

针对宁南地区红梅杏防霜棚夜间棚内环境温度长期低于棚外，即出现了“冷室效应”，未达到预防霜冻效果，依据质、热平衡原理分别研究防霜棚覆盖层、棚内湿空气和土壤层的热量收支情况，以及防霜棚系统在棚布覆盖-次日收拢时段棚内热量蓄积情况；分析棚内主要热湿参数的动态过程，以此探究防霜棚内相对湿度及湿空气状态变化对相变潜热的影响和棚内“冷室效应”的产生机理，为改进设计提供理论依据，以达到有效预防霜冻灾害的目的。结果表明：（1）春、秋季夜间棚内出现“冷室效应”时土壤层和覆盖层均因热损失较高成为失热部分，而棚内湿空气因得到热量较多成为得热部分。（2）春、秋季棚布覆盖-次日收拢时段棚内累计得热量低于累计失热量，导致棚内热量失衡。（3）棚内湿空气热湿参数与棚外热湿参数存在显著差异（春季棚内的饱和水汽压除外）；夜间棚内水汽密度与露点温度的动态变化过程均可反映因蒸发及冷凝而产生的潜热变化规律；棚内低温和较高的水汽密度使饱和水汽压与实际水汽压无限接近，导致棚内相对湿度持续偏高。红梅杏防霜棚夜间累计得热量始终小于累计失热量，土壤层和覆盖层为最主要的热损失部分，在热量失衡的情况下出现了“冷室效应”。

红梅杏；冷室效应；热平衡；水汽密度；露点温度；水汽压

红梅杏是宁夏固原地区的重要支柱产业，受当地特殊的气候影响，在每年红梅杏初花期和幼果期常会遭到不同程度的霜冻灾害，导致当地红梅杏产业减产甚至绝收[1−3]。张维江等为当地红梅杏产业有效预防霜冻灾害初步设计并建造了一种体型较小，单膜覆盖的红梅杏防霜棚（以下简称防霜棚），但在防霜棚试验阶段均出现了夜间棚内温度明显低于棚外的现象。本研究将夜间发生在密闭的防霜棚内温度长时间（持续时长8～10h）低于棚外温度的现象称为“冷室效应”。研究夜间防霜棚“冷室效应”的产生机理，对优化防霜棚设计，提高防霜棚预防霜冻灾害的能力，为当地红梅杏产业带来经济效益具有重要意义。目前有关温室大棚内出现“冷室效应”的研究报道较少，多数研究者在分析温棚内小气候变化规律时，因为出现的“冷室效应”持续时间短且棚内外温差小，所以并没有对其产生机理做相应的研究，仅结合各自研究环境给出了相应解释。李倩等[4]认为棚内作物种植较密集，导致塑料大棚内的土壤在白天吸收的热量少而夜间土壤的长波辐射较弱，所以棚内气温低于棚外；赵玮等[5]认为夜间塑料大棚的风口关闭，导致棚内外空气对流受限，容易出现大棚“冷室效应”；姚锋先等[6]认为白天大棚内吸收热量，夜间环境温度下降，棚内的散热较棚外要快，所以棚内储热量不足，此外夜间试验区域容易出现较强的冷却辐射所以引起“冷室效应”；余纪柱等[7]认为PE薄膜的长波辐射透过率达80%，棚内热量以传导和辐射的方式向外部大量散失，导致夜间棚内温度低于棚外；范万新等[8−9]认为在晴天的夜晚通常会有地面辐射冷却，棚外近地层会吸收其他地方的热量，而棚内不仅没有热量来源，反而会通过塑料薄膜向外界散失热量；于盛楠等[10]认为中午太阳高度角开始降低，以及塑料薄膜与后墙对太阳辐射的影响，使棚内温度较棚外提前下降，导致夜间容易出现“冷室效应”。杨栋等[11]认为初冬与初春更容易出现大棚“冷室效应”，并且单膜覆盖的大棚出现该现象的频率高于双膜覆盖。综上所述，前人对“冷室效应”的研究多集中在棚膜的覆盖形式及小气候影响因素方面，并未从大棚内外热量收支平衡的角度分析在有“冷室效应”情况下大棚内的整体热量收支情况。此外，目前对温室大棚内湿空气热湿参数的研究报道较为鲜有，研究湿空气热湿参数对深入了解棚内湿空气状态、调控棚内小气候因素等方面具有指导性作用[12]。本文拟以试验阶段的防霜棚为研究对象，分析夜间棚内外温、湿度差异，依据传热学的质、热平衡原理分析防霜棚出现“冷室效应”时的热量收支情况，以期为优化防霜棚设计，实现防霜棚对红梅杏有效预防霜冻灾害的目标提供理论依据。同时，分析棚内湿空气主要热湿参数的动态变化过程，从而研究棚内湿空气在低温高湿环境下的状态变化及对潜热的影响，以期为温室大棚内小气候调控与管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

查阅近年气候资料发现，宁夏固原地区春霜冻多发生于3月下旬−5月上旬，秋霜冻多发生于10月中旬−11月下旬，其中春霜冻对红梅杏的伤害最大[13−15]。因此，本试验选择2020年春季（3月下旬−4月下旬）和秋季（10月下旬−11月下旬），在固原市原州区的红梅杏建设示范基地（36°8′25″N，106°7′50″E，海拔1640m）于2019年12月搭建的红梅杏防霜棚内进行，试验区属内陆暖温带半干旱气候，年平均气温6.75℃，无霜期144d。

红梅杏防霜棚的结构形式为装配式拱形镀锌钢骨架结构（图1），共用31根拱架（规格DN20镀锌钢管）和3根长60m纵向拉杆（规格DN15镀锌钢管）组成，其中纵向拉杆与拱架采用专用卡具连接；防霜棚南北两侧均有厚度为10cm的岩棉夹心板材作为挡风侧板；防霜棚跨度2m，高度2.5m，脊高1.5m，长度60m，南北走向，占地面积120m2；防霜棚的覆盖材料采用卡槽及蛇形钢丝弹簧固定，为增强夜间防霜棚的保温性能，覆盖材料选用厚度2mm不透光无纺布，单层覆盖，日落前将棚东西两侧无纺布卷落下来，将棚全面覆盖，次日日出后卷起并堆积至棚顶中间，全程由电动卷帘机展开与收拢；试验期间防霜棚内单行种植2a生红梅杏树苗，株高经修剪至2m，株距2m，共29棵，地径平均2.6cm，试验期间管理方式为自然生长，无灌溉。

1.南侧板South side panel, 2.北侧板North side panel, 3.覆盖材料Covering material, 4.拱架Arch steel frame, 5.纵向拉杆Longitudinal side bar, 6.电动卷帘机Electric shutter rolling machine, 7.卷帘臂Roller shutter arm

1.2 观测项目

防霜棚内监测项目包括环境温度、相对湿度、土壤温度及大气压力，棚外监测项目包括环境温度、相对湿度、土壤温度、大气压力及风速风向。棚内外温湿度监测使用JL-17型温湿度记录仪（中国产），温度测量范围−30～70℃，精度±0.2℃；相对湿度测量范围0～100%，精度±3%；土壤温度监测使用JL-16-D1型6路土壤测温仪（中国产），测量范围−30～70℃，精度±0.2℃；防霜棚外风速风向监测使用JL-22型风速风向记录仪（中国产），风速测量范围0～60m·s−1，精度±1m·s−1；防霜棚内外大气压力的监测均采用RS-458型大气压测量仪（中国产），测量范围0～120kPa，精度±0.15kPa。

防霜棚内所有监测设备均设在由北向南棚中央30m处，其中温湿度记录仪共有两个测点，分别在距离地面高2m和1m处；大气压测量仪设在距离地面高1.5m处；土壤测温仪共有6个测点，埋深依次为5cm、15cm、25cm、35cm、45cm、65cm。棚外环境监测点距防霜棚正西面80m处，其中温湿度记录仪、土壤测温仪、大气压测量仪的测点数量及测点高度均与棚内一致，风速风向记录仪设在距地面高度2m处。所有数据采集的时间间隔均为5min。

试验阶段以当日气象台发布的夜间最低温度为标准，当预报最低温度2℃或以下时，开始红梅杏防霜棚试验，17：00左右在日落前覆盖棚布，棚内无加温措施，次日8：00左右日出后卷起棚布，覆盖时长14h～16h。

1.3 分析方法

从两个方面对防霜棚的热平衡进行分析，其一，为分析防霜棚的主要失热部分，将防霜棚夜间热平衡分为三个模块，分别为覆盖层、棚内湿空气、土壤层的热平衡，春季试验多集中在红梅杏初花期前后，对2a生树苗的修剪管理及秋季的落叶现象导致红梅杏树树叶较少，因此，春秋季夜间棚内红梅杏呼吸作用的耗热量较小，作物的热平衡可忽略不计[16−17]，根据各层之间物质与能量的交换以及与外界的质、热交互过程来定性与定量分析各个部分的热量得失情况；其二，研究防霜棚整体与外界环境的质、热交互情况，即夜间在进入棚内热量与散失热量的共同作用下防霜棚的热量蓄积情况。

常温常压下，湿空气的热湿参数均被视为常数，但本试验通过分析几个主要热湿参数随时间的动态变化，研究夜间棚内在低温高湿情况下湿空气的状态变化及其对相变潜热的影响，分析防霜棚内相对湿度持续偏高的原因。

1.4 数据处理

采用Matlab软件对上述分析方法进行编程，实现数据计算，使用Excel进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 初/终霜期防霜棚内“冷室效应”现象分析

2.1.1 春季终霜期内

2020年3月下旬−4月下旬当地预报夜间最低气温为2℃或以下的共5d，分别为3月29日，4月10、12、16和25日，为增加试验次数，再增选晴朗无风且最低气温高于2℃的夜晚（4月6、7、26和27日）进行观测试验。由表1可知，春季试验防霜棚内平均温度低于室外，均出现了“冷室效应”，其中4月10、12和25日夜间有轻霜冻预警，因此，重点分析这3d夜间棚内外温度变化，由于棚内外1m与2m高处的温度差异不大，因此，重点分析1m高处温度。

受太阳运行的影响，18：00−次日6：00棚外气温逐渐下降；棚内温度则随着18：00左右棚布落下后的保温作用，气温逐渐上升，约1h后达到最大值，然后开始下降，最终逐渐低于棚外温度，形成了“冷室效应”。

表1 2020年3−4月防霜棚内外气温观测结果统计

由图2可见，每次“冷室效应”发生时，棚内外温度会产生较大的差异。4月10日，棚布覆盖后，18：00−19：00棚内温度升高了1.2℃，19：00−次日6：00棚内温度下降速度为1.6℃·h−1，高于棚外温度的下降速度（1.2℃·h−1），造成棚内温度低于棚外温度的“冷室效应”。此时段，棚内和棚外的平均温度分别为−0.3℃和1.2℃，平均温差1.5℃，最低温度均出现在次日6：00，分别为棚内−6.2℃和棚外−3.7℃，最低温度相差2.5℃。7：00左右太阳升起棚内外温度均开始回升，棚内温度回升更快，直到8：00棚布卷起，棚内外温度恢复一致。4月12日和4月25日夜间−次日凌晨棚内、外温度变化趋势与4月10日一致，均在20：00左右−次日6：00出现了“冷室效应”，4月12日、25日夜间棚内平均温度分别为3.0℃和2.7℃，棚外平均温度均为4.9℃，棚内与棚外的平均温差分别为1.9℃和2.2℃。可见，在有霜冻的夜晚使用单层无纺布覆盖的防霜棚防御霜冻时，棚内受冻强度明显高于棚外，未能达到保护红梅杏树防御霜冻灾害的目的，保温效果不理想，不符合本研究的设计初衷。

图2 2020年4月夜间发生“冷室效应”时防霜棚内外温湿度变化过程

园艺设施在夜间基本处于一种封闭状态，其内部相对湿度因温度较低且通风不足而相对较大[18]。由图2可知，4月10日、12日和25日棚布覆盖后，棚内相对湿度较棚外上升速度快，在次日卷起棚布前也都保持较高的水平，如4月10日23：00棚内相对湿度已经达到90.0%以上，而棚外在次日4：00左右才达到相对湿度的最大值74.0%。4月10、12和25日夜间−次日凌晨棚内平均相对湿度分别为84.0%、82.5%、71.4%，棚外平均相对湿度分别为53.9%、44.5%、25.0%，棚内相对湿度明显高于棚外。

2.1.2 秋季初霜期内

如图3所示为11月3、6和8日夜间出现“冷室效应”时棚内外温湿度逐时变化过程。由图可见，与春季略有不同，在秋季日落时棚布覆盖后棚内温度并未因保温作用而有明显的增温过程，而表现为棚内温度的下降幅度明显高于棚外。11月6日18：00棚内外温度均为7℃，而22：00棚内温度已经降至−0.9℃，棚外则为1.1℃，相同时段内棚内外的降温速度分别为2.0℃·h−1、1.4℃·h−1。11月3、6和8日夜间棚内平均温度分别为3.5、−0.7和4.6℃，棚外平均温度分别为5.9、1.6和7.2℃，棚内平均温度分别低于棚外2.4、2.3和2.6℃，同时这3d夜间棚内最低温度分别为−0.65、−4.6和−0.35℃，棚外最低温度分别为−0.1、−3.6和1℃。可见，秋季试验同样出现了防霜棚内温度低于外界温度的“冷室效应”现象，同样未能起防御霜冻灾害的目的。

图3 2020年11月夜间发生“冷室效应”时防霜棚内外温湿度的变化过程

秋季夜间棚内外相对湿度的变化趋势与春季基本一致，如图3所示。棚布覆盖后，棚内相对湿度有明显的上升过程，观测期内至19：00相对湿度都已达到90%以上，并在次日0：00均已接近100%，其中11月3日和8日均在次日6：00棚内相对湿度达到了100%，而11月6日的次日1：50就已达100%，这3d棚内湿空气的饱和状态均持续到卷起棚布时才结束。而棚外夜间的相对湿度基本保持在30%～88%，仅11月3日的次日凌晨出现了相对湿度升高并接近于棚内的现象，最高达到98.7%，但总体上均表现为棚内相对湿度高于棚外。

2.2 “冷室效应”发生时防霜棚内热平衡分析

2.2.1 分析思路和假设

对分析棚内外的热交换过程做如下假设：将防霜棚南、北面挡风侧板视为绝热部分，忽略其对棚内热环境的交互作用；覆盖面、棚内空气、土壤浅层与深层的温度视为均匀状态；覆盖层内外表面温度一致；只考虑土壤层沿深度方向的热传导，跨度与长度方向的传热忽略不计；棚内2a生红梅杏树夜间呼吸作用耗热量小，忽略不计。

（1）覆盖层能量

覆盖层能量平衡方程为

式中，△Qf为覆盖层的得热量（W），正值表示获得热量，负值表示失去热量。Qf,H2O表示覆盖层水蒸气凝结潜热放热量[19]（W），Qf,aw表示棚外湿空气与覆盖材料外表面的对流换热量(W)，Qf,s表示覆盖层内表面对土壤表层的长波辐射交换能量（W），Qf,sky表示覆盖层外表面对天空的长波辐射能（W），Qf,an表示棚内湿空气与覆盖层内表面的对流换热量（W）。其中

式中，γ是水的蒸发潜热，取值2.26×106J·kg−1；Af为覆盖层面积，取值377.54m2；K为棚内湿空气中水蒸气质量向覆盖层的传递速率（m·s−1），计算式为

式中，hf,an为棚内湿空气与覆盖层内表面间的自然对流换热系数（W·m−2·K−1），通过努谢尔特准则Nu[20]计算得出；ρf为覆盖材料密度，取值82kg·m−3；Cf为覆盖材料比热容，取值1.6832kJ·kg−1·K−1；Le为湿空气中水蒸气的Lewis数，取值0.89。覆盖材料无纺布的物性参数（密度、比热容、导热率）利用基于瞬态热线法的仪器TC3000测定得出。

式（2）中，ρva和ρvf分别为棚内湿空气水汽密度和覆盖材料内表面饱和水汽密度（kg·m−3），当ρva≤ρvf时，Qf,H2O取值为0，计算式分别为

式中，e和es分别为棚内湿空气的实际水汽压和饱和水汽压（Pa）；MH2O为水的摩尔质量，取值18×10−3kg·mol−1；Tan和Tfn分别为棚内环境温度与覆盖材料内表面温度（K），其中覆盖材料的表面温度根据马承伟等[21−23]提供的方法，通过覆盖材料的传热量满足能量平衡关系计算获得；Rv为气体常数，取值8.134J·mol−1·K−1。

式（3）−式（6）中，hf,aw为棚外湿空气与覆盖材料外表面对流换热系数(W·m−2·K−1)，与棚外风速有关，根据雷诺准则Re的大小判断棚外空气经过覆盖层外表面的流态，并根据层流与紊流各自不同的努谢尔特准则Nu得到对流换热系数；Tfw和Taw分别为覆盖材料表面温度和棚外湿空气温度（K）；Ef和Es分别表示覆盖层内表面与土壤表层的发射率，分别取值0.9和0.8[12]；Ff,s表示覆盖层内表面对土壤表层的辐射角系数，取值0.32[12]；σ表示黑体辐射常数，取值5.67×10−8W·m−2·K−4；Ts为土壤表层温度（K）；Esky表示天空发射率，取值1[12]；Ff,sky表示覆盖层外表面对天空的辐射角系数，取值1[12]；夜间的太阳短波辐射为0，天空可视为无限大黑体，因此，天空辐射温度Tsky=0.0552Taw1.5[24]，单位K。

（2）棚内湿空气能量

棚内湿空气能量平衡方程为

式中，△Qa为棚内湿空气的得热量（W），正值表示棚内湿空气得到热量，负值表示失去热量，Qan,s表示棚内湿空气与土壤表层的对流换热量（W）；Qf,an表示棚内湿空气与覆盖层内表面的对流换热量（W）；Qa,v表示棚内外湿空气的渗透换热量[25−26]（W），由围护结构的连接或覆盖部分存在裂缝、破损、缝隙所引起的棚内外热量交换；Qf,an表示棚内湿空气与覆盖层内表面的对流换热量（W）。其中

式（11）−式（13）中，As为棚内土壤表面面积（m2）；han,s为棚内湿空气与土壤表层的自然对流换热系数（W·m−2·K−1），计算方法同式（7）的hf,an；Vn为棚内容积，取值274.3m3；N、Cpw和ρw分别为换气次数（h−1）、棚外湿空气定压比热(kJ·kg−1·K−1)和棚外湿空气密度(kg·m−3)，其中换气次数的计算式为

式中，U为室外风速（m·s−1）；△T为棚内外环境温度差（K）。

（3）棚内土壤能量

棚内土壤能量平衡方程为

式中，△Qs表示棚内土壤的热量（W），正值表示获得热量，负值表示失去热量。Qs,sd为土壤表层至深层由热传导而引起的导热量（W）；Qs,H2O为土壤水分蒸发的潜热量（W）；Qan,s表示棚内湿空气与土壤表层的对流换热量（W）；Qs,f为棚内土壤表面对覆盖层内表面的长波辐射交换能量（W），其中

式（16）−式（19）中，λ为土壤热传导系数，0.86W·m−1·K−1；D为土壤层的铅直深度，取0.45m；Tsd为0.45m深处土壤温度（K）；△为棚内湿空气es随Tan变化的曲线斜率（kPa·K−1）；Rn为夜间棚内地表面净辐射（W·m−2)；G为土壤热通量（W·m−2)；ρn为棚内湿空气密度（kg·m−3）；Cpn为棚内湿空气定压比热(kJ·kg−1·K−1)；ra和rs分别为空气动力学阻抗与土壤表面阻抗，分别取值98s·m−1和210s·m−1；Fs,f为土壤层表面对覆盖层内侧的辐射角系数，取值1[12]。

（4）防霜棚夜间蓄热

将防霜棚视为一个整体的系统，根据能量守衡定律，该系统在得热与失热的共同作用下，研究它在整个夜间的热量蓄积情况，于是有

式中，△Q为棚内覆盖−次日棚布收拢棚内蓄积的总能量（W），正值表示棚内累计得热量大于失热，负值表示棚内累计得热量小于失热，当△Q=0时，棚内累计得热量等于累计失热量。式（20）中Qaw,an为贯流换热量（W），表示温度高的一侧通过覆盖材料向温度低的一侧传递的热量，计算式为

式中，f为覆盖材料的热节省率，取值0.64[12]；α为热量贯流率（W·m−2·K−1），计算式为

式中，δ为覆盖材料厚度，即0.002m。

2.2.2 防霜棚不同模块热平衡分析

各模块热量得失情况如表2所示。其中，4月10和12日、11月3和6日夜间覆盖层和棚内土壤层均为失热部分，棚内湿空气为得热部分，而4月25日和11月8日除土壤层为失热部分外，覆盖层和棚内湿空气均为得热部分。

（1）覆盖层热平衡

由表2可见，Qf,sky为主要的热损失，这是因为夜间天空辐射温度低于覆盖层温度所致，而Qf,H2O、Qf,aw、Qf,s、Qf,an均为覆盖层提供热量，这是因为棚内外环境温度、土壤温度均高于覆盖层表面温度所致。在4月10和12日、11月3和6日夜间热损失Qf,sky占总热量的百分比依次为52%、56%、54%和53%，均大于总热量的一半，而其余各项占比总体情况表现为Qf,H2O＜Qf,an＜Qf,aw＜Qf,s，其中Qf,H2O提供的热量最少，依次为0.7%、0.3%、1.2%和1.8%，同时也可以看出，秋季夜间覆盖层内侧由水汽凝结所提供的热量高于春季，Qf,aw和Qf,s为主要的热量来源，将二者相加后占比依次为44%、38%、38%和40%。而4月25日夜间提供热量的Qf,s和热损失Qf,sky占比均为40%，外加其余各项提供的热量，导致覆盖层得热量的占比（59.9%）大于损失热的占比（40%），同样，在11月8日由于提供热量的Qf,an与热损失Qf,sky的占比分别为38.6%和40.1%，外加其余各项提供的热量，导致覆盖层得热量的占比（59.8%）大于损失热的占比（40.1%），因此，4月25日和11月8日的覆盖层为得热部分。

表2 夜间“冷室效应”发生时防霜棚不同模块的热量得失(kW)

注：正值表示得到的热量，负值表示失去的热量。表3同。

Note: positive value indicates the heat obtained and negative value indicates the heat lost. The same as table 3.

（2）棚内湿空气热平衡

由于棚内环境温度低于土壤与外界温度，所以棚内湿空气热量收支中Qan,s和Qa,v为棚内湿空气提供热量，由表2可知，4月10、12和25日，11月3、6和8日的Qan,s为主要热量来源，6d内的平均占比为79.5%，其次为Qa,v，平均占比3.4%。由于覆盖层内表面温度低于棚内环境温度，使得覆盖层吸收棚内湿空气温度，因此，Qf,an为主要热损失，6d内Qf,an平均占比为17%，小于Qan,s的占比，因此，夜间棚内湿空气为得热部分。

（3）棚内土壤层热平衡

夜间防霜棚内无热源供暖时，棚内环境温度低于土壤温度，所以土壤层就是唯一的热源。由表2可知，在土壤层的热量收支中，Qs,f、Qan,s、Qs,H2O均为土壤层的热损失项，其中Qs,f和Qan,s占比最大，该两项在6d内的平均占比分别为42.1%和42%，Qs,H2O的占比最小，为6.9%，由此可知，夜间土壤水分蒸发消耗的潜热较小。而Qs,sd在不同情况下表现为不同的传热方向，例如在4月10日、11月3日、6日和8日夜间，由于表层土温持续较长时间低于深层土温，即Qs,sd为负值，热量由深层向表层传递，Qs,sd为土壤层的得热项，在4月12日和25日夜间由于表层土温持续长时间高于深层土温，即Qs,sd为正值，热量由表层向深层传递，Qs,sd为土壤层的热损失项，但不论Qs,sd是正值或负值，该项在土壤层热量收支中占比较少，在6d内的平均占比仅9.1%。

2.2.3 防霜棚系统热量蓄积情况分析

如表3所示，6d内在棚布覆盖至次日收拢时段内，整个防霜棚系统均处于失热状态，即棚内累计得热量均小于累计失热量。由于夜间棚内环境温度低于土壤温度和棚外温度，以及覆盖层得到的潜热能与吸收的土壤长波辐射能，所以，Qf,H2O、Qan,s、Qs,f、Qaw,an、Qa,v均为得热项，除Qs,sd外其余均为热损失项，Qs,sd受表层土温和深层土温温差的影响，其传热方向不能一概而论。

表3 夜间“冷室效应”发生时防霜棚系统热量蓄积情况（kW）

4月12日、25日Qs,sd为热损失项，这2d夜间防霜棚系统得热项提供的平均累计热量由多至少依次为Qan,s＞Qs,f＞Qaw,an＞Qa,v＞Qf,H2O，平均占比依次为25.6%、18%、2.5%、0.4%和0.2%。而热损失项所消耗的平均累计热量由多至少依次为Qf,sky＞Qf,s＞Qs,sd＞Qs,H2O，平均占比依次为26.1%、17.3%、6.3%和3.6%。所以总累计得热量和总累计热损失占比分别为46.7%和53.3%，累计得热量小于累计热损失，导致夜间棚内出现“冷室效应”现象。

4月10日、11月3、6和8日Qs,sd为得热项，这4d夜间防霜棚系统得热项提供的平均累计热量由多至少依次为Qs,f＞Qan,s＞Qaw,an＞Qs,sd＞Qf,H2O＞Qa,v，平均占比依次为19.6%、17.2%、4.2%、3.1%、1.1%和0.9%。由热损失项所消耗的平均累计热量由多至少依次为Qf,sky＞Qf,s＞Qs,H2O，平均占比依次为36.8%、14.2%和2.9%。总累计得热量和总累计热损失量占比分别为46.1%和53.9%，同样的累计得热量小于累计热损失，导致夜间棚内出现“冷室效应”现象。

由此可知，夜间在棚内无热源设备供暖时，土壤是最主要的热源，通过对流与辐射的方式向防霜棚提供热量，其次是棚外环境以对流和渗透方式向棚内提供热量，但相对土壤而言，提供的热量较少，这是因为夜间棚内温度虽然低于外界温度，但外界温度始终保持着较低的水平，因此，供热量较少，而由覆盖材料内表面引起的水分凝结潜热量与渗透换热量的占比最低，提供的累计热量最少。防霜棚的覆盖层为主要失热部分，因外界天空辐射温度低于覆盖层温度，覆盖层主要以长波辐射的方式向外传热，还有覆盖层向棚内土壤的长波辐射热损失，这对防霜棚系统的热环境也有一定不利影响，而由土壤水分引起的汽化潜热造成的热损失相对较少。

2.3 “冷室效应”发生时防霜棚内外湿空气热湿参数

2.3.1 水汽密度

由图4可知，棚布覆盖后棚内水汽密度有明显的上升趋势，维持平均1h左右达到最大值后又呈下降趋势，而棚外水汽密度的变化幅度相对于棚内较小，次日棚布卷起，棚内外湿空气在对流的情况下水汽密度保持一致。春季夜间棚内外水汽密度的平均增长率分别为65.2%和42.8%，秋季分别为47%和29.6%，秋季棚内外水汽密度的增长程度相对低于春季，这是因为秋季夜间棚内外水汽密度的总体水平（棚内外平均值分别为0.0053和0.0046kg·m−3）高于春季（棚内外平均值0.0049和0.0027kg·m−3），其次秋季棚内外水汽密度相差程度低于春季，因此，在图4中秋季11月3日、8日夜间棚内外水汽密度在变化过程中出现了基本一致的现象。但总体而言，在防霜棚的作用下棚内水汽密度显著高于棚外（P＜0.05）。

图5为试验期间棚内土壤表层因水分蒸发而消耗潜热量的逐时变化过程，由图5a、b、c可以看出，土壤表层水分蒸发潜热初期有明显的上升过程，这是因为春季棚布覆盖后随着棚内温度的升高土壤表层水分蒸发能力增强，上升至最大值后又呈下降趋势，这与图4a、b、c的棚内水汽密度变化趋势基本吻合，随着棚内相对湿度的不断升高或接近饱和状态以及温度的持续降低，土壤水分蒸发能力也随之降低，因此，潜热消耗量下降或为0，与此同时水汽密度也呈下降趋势，次日日出后由于棚布卷起较晚，棚内温度升高，土壤表层水分蒸发能力再次增强，导致潜热消耗量升高的同时水汽密度也随之上升，由此可知，棚内水汽密度的升高是由土壤表层水分蒸发占主导所致，同时水汽密度的变化过程可间接反映棚内土壤表层蒸发能力及水分蒸发潜热消耗量的变化过程。与春季不同，由图3可知棚布覆盖后秋季的棚内温度呈下降趋势，同时由图5d、e、f可知，土壤表层水分蒸发潜热量也呈明显的下降趋势，因此，图4d、e、f中棚布覆盖后水汽密度的上升并非土壤水分蒸发占主导因素，而是防霜棚的封闭效果引起，之后随着棚内温度的降低以及相对湿度的不断升高或接近饱和，土壤的水分蒸发能力下降或停止，因此，水汽密度不断降低。由此可知，秋季水汽密度的上升过程是由防霜棚的封闭使棚内水汽的聚集导致，而后水汽密度的下降是因为棚内相对湿度接近饱和导致土壤水分蒸发能力降低所致。

图4 夜间“冷室效应”发生时防霜棚内外水汽密度的变化情况

图5 夜间“冷室效应”发生时防霜棚内土壤表层蒸发潜热的变化情况

注：因为11月6日、8日覆盖棚布时间分别为17：50和16：50，所以图5e、f的分析起始时间分别为18：00和17：00，图7e、f同。

Note: Because the covering time was 17：50 and 16：50 on November 6th and 8th respectively, so the starting time of analysis in Fig. 5e and Fig. 5f was 18：00 and 17：00 respectively, the same as Fig. 7e and Fig. 7f.

2.3.2 露点温度

露点温度Td指在等压情况下，湿空气温度Ta下降至饱和时的温度，即当Td＜Ta时，湿空气未饱和；当Td=Ta时，湿空气饱和；当Td＞Ta时，湿空气过饱和[27]。针对夜间防霜棚内低温高湿环境下的露点温度与覆盖层内表面、土壤表层、棚外露点温度的逐时变化情况进行对比分析，来研究防霜棚内围护结构表面的冷却及传热情况。将饱和水汽压公式转换得出露点温度的推移式[28]，即

式中，Td为露点温度（℃），es为饱和水汽压（hPa）。夜间棚内外露点温度的逐时变化过程如图6所示，由图可见，棚布覆盖后，棚内露点温度与棚外相比有明显的上升趋势，达到最大值后均呈现缓慢的下降趋势，但总体上均高于棚外露点温度，其中图6a、b、c的春季变化过程最明显，而图6d、e、f中棚内外露点温度随时间变化出现了基本一致的现象，这是因为秋季外界环境比春季较湿润所致，经计算，春季棚内外平均露点温度依次为0.1℃和−8.3℃，秋季为1℃和−0.9℃，总体表现为棚内高于棚外（P＜0.05）。

由图6还可知，夜间棚内土壤表层温度明显高于棚内露点温度，春、秋季棚内土壤表层温度的平均值分别为2.6和7.1℃，均高于棚内平均露点温度，说明春、秋季夜间棚内土壤表层并未出现冷凝现象。而覆盖层内表面温度在春、秋季均表现出从高于棚内露点温度再降至低于露点温度的过程，说明夜间覆盖层内表面有冷凝现象，覆盖层内表面温度与露点温度的差值小于零时则出现冷凝现象，春季基本在次日1：00−7：00有冷凝现象，秋季则在20：00−次日卷起棚布时段。此外，根据式（2）计算得出春、秋季覆盖层内表面冷凝潜热逐时变化过程，由图7可以明显看出，夜间覆盖层内表面因冷凝而产生潜热的时段与通过露点差所判断的时段高度吻合，同时由图7d、e、f可以看出，秋季夜间覆盖层出现冷凝的时间比春季提前约5h，结束时间比春季晚0.5～1.0h，这是因为秋季棚内水汽密度高于春季，棚内覆盖层表面因冷凝产生的潜热量要高于春季。综上所述，防霜棚可以有效提高棚内露点温度，这有助于防霜棚覆盖层内表现产生冷凝现象而得到潜热量，同时研究露点温度与围护结构表面温度的差值有利于了解因冷凝而得到潜热的时间长短。

2.3.3 饱和水汽压和实际水汽压

防霜棚内饱和水汽压和实际水汽压在夜间的变化可以反应棚内相对湿度较高的原因，饱和水汽压和实际水汽压的计算式分别为

式中，es、e分别为饱和水汽压（hPa）和实际水汽压（hPa）；ta为环境温度（℃）；RH为相对湿度（%）。由图8a、b、c可以看出，春季棚布覆盖后棚内饱和水汽压有明显的上升趋势，上升至最大值后又呈下降趋势，在该现象持续约2h以后由于棚内饱和水汽压下降速度略高于棚外，因此出现了持续低于棚外饱和水汽压的现象。由图8d、e、f可以看出，秋季棚布覆盖后棚内外的饱和水汽压直接表现为下降趋势（P＜0.05），这是因为饱和水汽压紧随环境温度的变化而变化[29]。结合图2可知，棚内饱和水汽压低于棚外的直接原因是棚内温度低于棚外温度，春季棚内饱和水汽压平均低于棚外饱和水汽压的12.6%，秋季为15.6%。

图7 夜间“冷室效应”发生时防霜棚覆盖层内表面冷凝潜热量的变化情况

图8 夜间“冷室效应”发生时防霜棚内外饱和水汽压和实际水汽压的变化情况

实际水汽压的变化过程受水汽密度的影响，比较图4与图8可以看出，二者的变化过程一致，表现为棚布覆盖后棚内实际水汽压快速上升，上升至最大值后又呈下降趋势，春季棚外的实际水汽压变化范围不大，基本维持在2.7～5.1hPa，平均为3.4hPa，而棚内实际水汽压在5.0～12.9hPa，平均为6.3hPa，比棚外高出46%。秋季夜间棚内实际水汽压的变化过程初期与春季一致，但由于当地秋季夜间较湿润以及秋季夜间棚内土壤水分蒸发能力明显低于春季，因此，随时间的推移出现了棚内外实际水汽压基本一致的现象，但总体仍表现为秋季夜间棚内实际水汽压显著高于棚外（P＜0.05），秋季棚内外平均水汽压分别为6.7hPa和5.9hPa，比棚外高出12.5%。

相对湿度是同温度下实际水汽压与饱和水汽压的比值[30]，当相对湿度高，并且接近于100%时说明同温度下的实际水汽压几乎接近于饱和水汽压。由图8可以看出，随着时间的不断推进，棚内实际水汽压与饱和水汽压的变化曲线无限接近，春季棚内外的实际水汽压与饱和水汽压平均最小压差分别为0.26hPa和2.1hPa，秋季分别为0hPa和0.35hPa，这就是造成棚内相对湿度高于棚外的原因。

综上所述，影响相对湿度的因素有实际水汽压和饱和水汽压，但片面地分析二者的数量关系并不能科学解释相对湿度升降的原因。其主要影响因素分别为水汽密度和环境温度，当棚内实际水汽压变化相对稳定或不变时，饱和水汽压开始下降并逐渐接近实际水汽压，导致相对湿度升高，在这种情况下引起相对湿度升高的主要原因是棚内温度降低；当棚内饱和水汽压变化相对稳定或不变时，由实际水汽压的上升并逐渐接近饱和水汽压导致相对湿度升高，此时相对湿度升高的主要原因是棚内水汽密度增多。由图8a、b、c可知，春季初期水汽密度增加是棚内相对湿度升高的主要原因，而后由于出现了“冷室效应”，此时棚内温度的快速降低成为相对湿度持续偏高的主要原因；由图8d、e、f可知，秋季棚布覆盖后首先棚内温度的快速下降和棚内水汽密度的快速上升共同作用导致棚内相对湿度增加，而后水汽密度呈明显下降趋势，但随着棚内“冷室效应”出现由于环境温度持续下降，导致棚内相对湿度持续偏高，此时棚内温度的降低过程逐渐成为影响棚内相对湿度持续偏高的主要原因。

3 结论与讨论

3.1 讨论

本研究针对新设计的红梅杏防霜棚在夜间进行保温试验时出现的“冷室效应”进行热平衡分析，得出夜间棚内无热源设备提供热量时，土壤层为主要的热源，以对流和辐射的方式向棚内释放热量，这在崔思宇等[16−17，31]的研究结果中得到了证实。此外本试验得出夜间外界环境通过覆盖层以对流和渗透方式向棚内输送热量，这与多名研究者的结论相悖[17,19,26]，这是因为在他们的研究中夜间棚内温度均高于棚外温度，保温性较好，根据能量守恒定律，热量总是从高温侧流向低温侧，因此，覆盖层以辐射、对流和渗透方式向棚外输送热量，然而，本试验夜间防霜棚内基于“冷室效应”的情况下环境温度低于外界温度，根据能量守恒定律外界环境通过覆盖层以对流和渗透方式向棚内输送热量，尽管如此由于向棚内输送的热量较少，根据对防霜棚夜间热平衡的分析来看，覆盖层主要以辐射的方式向外界输送大量热量，成为主要失热部分。

夜间防霜棚内露点温度明显高于棚外露点温度，这将对围护结构内表面在低温高湿环境下产生水汽的冷凝现象提供有利条件，本研究中夜间防霜棚覆盖层内表面温度低于露点温度，确有冷凝现象产生，并释放出少量潜热，而土壤表层温度高于露点温度，因此无冷凝现象，这与佟国红等[32−33]的研究结果相呼应。虽然围护结构夜间出现的冷凝现象对棚内的保温可以起到积极作用，但是由于其提供的潜热量较少，而围护结构因对流与辐射方式产生的显热损失较大，因此，迫于棚内热损失量高于得热量的前提下，出现了“冷室效应”现象，由此说明针对此次设计的红梅杏防霜棚在有效防御霜冻灾害方面还有待进一步研究与完善。

受条件约束，防霜棚内的温湿度监测只能满足铅直方向温度分布的观测，为简化计算假设了棚内水平方向温度分布均匀，而在实际生产中棚内水平方向的热量传递情况对棚内热平衡具有一定的影响。此外，试验期间棚内栽种的2a生红梅杏对热量平衡的影响暂可忽略不计，但在往后的试验中随着作物的生长，对棚内热平衡的影响不能忽视，因此，为全面准确分析防霜棚出现“冷室效应”现象的热量收支情况，下一步将棚内水平方向的温度分布情况考虑在内，以及针对棚内栽种2a生以上的红梅杏在夜间参与棚内的热量交换也要进行重点研究。

3.2 结论

（1）春、秋季试验期夜间红梅杏防霜棚内环境的整体特征表现为低温高湿。棚内环境温度低于棚外环境温度，平均相差2℃，未能起到有效预防霜冻的目的，反而加剧了棚内红梅杏树的受冻情况；棚内相对湿度明显高于棚外，二者平均相差38%，秋季棚内普遍出现饱和现象。

（2）春、秋季夜间防霜棚各个部分在热量收支方面总体表现为土壤层与覆盖层为失热部分，棚内湿空气为得热部分，其中覆盖层的热量损失中Qs,sky为主要的热损失，平均占比53.8%；土壤层作为唯一的热源，Qs,f与Qan,s引起的热损失较大，二者总占平均为42%，为主要热损失项；棚内湿空气因Qan,s为主要的热量来源，平均占比79.5%。在防霜棚热量蓄积方面，夜间棚内累计得热量小于累计失热量，二者平均占比分别为46.4%和53.6%，因此棚内存在热量失衡现象，导致“冷室效应”的产生。

（3）除春季饱和水汽压外，棚内热湿参数与棚外存在显著性差异（P＜0.05）。棚内水汽密度的升降可以准确反映土壤水分在夜间的蒸发能力，并解释不同季节土壤因蒸发而产生潜热的规律；将围护结构内表面的逐时温度与棚内环境逐时露点温度的变化进行比较，可以准确判断围护结构表面是否有冷凝现象产生，以及冷凝现象产生起止时间；棚内相对湿度偏高的原因是饱和水汽压和实际水汽压在夜间的变化过程无限接近，棚内温度偏低及水汽密度的升高是棚内相对湿度持续偏高的主要原因。

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Study on “Cold Chamber Effect” of Red Plum Apricot Frost Proof Shed Based on Dynamic Analysis of Heat Balance and Heat and Moisture Parameters

JIANG Rui-yang1，ZHANG Wei-jiang1，MA Yi1，MA Fang1，FENG Na1，LI Wei-jian1，JIANG Chang2

(1. School of civil and hydraulic engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China；2. Ningxia Hongmei Apricot Technology Development Co. Ltd., Guyuan 756000)

A frost-proof shed was designed to prevent perennial frost disaster suffered by red plum apricots in the southern area of Ningxia. During the tests at night, the ambient temperature in the shed was always lower than that outside the shed, resulting in a "cold chamber effect”, and the desired effect was not achieved. Therefore, there was a test that needed to probe into the mechanism of the “cold chamber effect” in the frost-proof shed to provide a theoretical basis for improving the design of the frost-proof shed accurately and prevent frost disaster effectively. According to the principle of mass and heat balance, the test was researched the heat budget of the cover layer, the moist air in the shed, and the soil layer respectively then studied the heat accumulation in the whole system of the frost-proof shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day. Finally, the test explored the influence of relative humidity and the changes of moist air on phase transition latent heat by analyzing the dynamic process of main heat and humidity parameters in the shed. The study results show that: (1) when the “cold chamber effect” occurs at night in spring and autumn, both the soil layer and the cover layer become the part losing heat due to more heat loss, while the moist air in the shed becomes the part gaining heat due to more heat gain. (2) In spring and autumn, the accumulated heat gain is lower than the accumulated heat loss in the shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day, resulting in the heat imbalance in the shed. (3) There is a significant difference in the heat and humidity parameters of the moist air in the shed and those outside the shed (except the saturated water vapor pressure in the shed in spring); The dynamic changes of the water vapor density and the dew point temperature in the shed at night can reflect the change rules of latent heat caused by evaporation and condensation; The low temperature and higher water vapor density in the shed make the saturated water vapor pressure infinitely close to the actual water vapor pressure, resulting in the relative humidity in the shed persistently on the high side. The accumulated heat gain of the frost-proof shed for red plum apricots is always less than the accumulated heat loss at night, and the soil layer and the cover layer are the most important parts losing heat, and thus the “cold chamber effect” appears in the case of heat imbalance.

Red plum apricots; Cold chamber effect; Heat balance; Water vapor density; Dew point temperature; Water vapor pressure

姜瑞洋,张维江,马轶,等.基于热平衡及热湿参数动态分析红梅杏防霜棚“冷室效应”[J].中国农业气象,2022,43(3):177-193

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.002

2021−04−22

宁夏回族自治区重点研发计划重大（重点）项目“宁南山区生态恢复与水资源潜力开发研究与示范”（2018ZDKJ0040）

张维江，教授，博士生导师，研究方向为干旱地区水资源调控及水土保持，E-mail：zwjiang @263.net

姜瑞洋，E-mail：469560272@qq.com