土壤-空气热交换系统在大跨度外保温塑料大棚中应用效果研究＊

管梦真，王传清，段绪胜,2，李天华，魏珉,4**，曹欣（.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东泰安 2708；2.山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 2708；3.山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 2708；4.农业农村部黄淮海设施农业工程科学观测实验站，山东泰安 2708；.济南莱芜安信农业科技有限公司，山东莱芜 2700）

近年来，大跨度外保温塑料大棚因其具有土地利用率高、环境性能稳定、适合机械化作业等优点而在中国部分设施园艺产区得到快速推广，关于结构与性能研究日益增多[1-4]。但是，大跨度外保温塑料大棚的保温蓄热能力有限，寒冷季节和天气条件下常常出现低温现象，影响作物生长和产量[5-6]。前人研究表明，土壤-空气热交换系统具有良好的白天降温、夜间增温效果，且系统运行成本较低[7-11]。为此，本试验设计了一种土壤-空气热交换系统，并观测了在大跨度外保温塑料大棚中的增温效果，以期为系统优化和生产应用提供指导。

材料与方法

供试大棚及系统设置

试验于2021年11月8日～12月10日在山东省济南市莱芜区莱芜安信农业科技有限公司(北纬N36°14′，东经E117°32′）进行。大棚为东西走向，非对称结构，跨度20 m（南侧13 m、北侧7 m），脊高6.5 m，长度50 m，覆盖0.1 mm厚度PO 膜和由编织布、珍珠棉、太空棉制作的保温被。在大棚中部，用厚度0.1 mm 双层PO膜（膜间距60 mm）作为隔断，东部设置土壤-空气热交换系统，西部为对照区（图1）。

图1 土壤-空气热交换系统示意图

土壤-空气热交换系统结构包括集热部件、散热部件及控制部件。集热部件包括直径200 mm的集风管和157 W 单项离心式鼓风机，集风管安装在大棚屋脊投影部位，沿大棚延长方向间距6 m排列，距地面高度4.5 m，上端进风口处安装鼓风机。散热部件安装在地下60 cm 处，主要包括大棚长度方向上的直径160 mm 散热主管、大棚跨度方向上直径110 mm 散热支管。散热主管连接集风管和散热支管，散热支管间距1 m，向大棚两侧延伸并在靠地脚处伸出地面，距棚南端与北端1 m，支管上沿圆周均匀分布6 列直径30 mm孔洞，在管道伸长方向上的间距为150 mm，外包裹一层厚度2 mm 无纺布防止土壤堵塞管孔。散热管道下部铺设厚度3 cm 珍珠棉以减少向地下传热。系统于白天棚内气温高于25℃时开启，低于20℃时停止；夜间棚内气温低于12℃时开启，高于16℃时停止。每天棚内气温高于28℃打开顶通风口，低于23℃时关闭。

棚内种植作物为粉果番茄‘圣罗兰3681’，2021 年8 月17 日定植采取南北向高畦双行种植，大行距120 cm、小行距40 cm、株距 35 cm。单干整枝，5 穗果后打顶，膜下滴灌，常规管理。

环境指标测定方法

棚内空气温湿度：在处理区与对照区中部，由南向北1/12、3/12、5/12、7/12、9/12、11/12 处，垂直方向上距地面高度1.5 m、3.0 m、4.5 m 处各分别布点。此外在集风管进风口、散热支管出风口处分别布点。其中南部温度为1/12、3/12 测点处的平均值，中部为5/12、7/12 测点处的平均值，北部为9/12、11/12 测点处的平均值。

棚内地温：在处理区与对照区中部，散热支管向南（向北）延长的中间位置、离地面深度10 cm、30 cm、50 cm 处分别布点，测点位于高畦中央，其中处理区位于换热管道正上方；此外，在上述空气温湿度测点的正下方、距地面深度15 cm 处分别布点，其中处理区位于两根换热管道的中间，南、中、北部的设置同空气温湿度相同（图2）。

图2 棚内温湿度记录仪布点示意图

棚外空气温湿度和地温：在距大棚北面30 m空地上、离地面高度1.5 m 处设置空气温湿度测点，在地面下10、15、30、50 cm 深度处设地温测点。

温湿度传感器采用美国 Hobo 公司 U23-001型温湿度记录仪；地温传感器采用路格L93-4 地温记录仪。仪表每隔 15 min 自动记录数据1 次，相同位点重复测点3 次。

系统性能评价方法

土壤-空气热交换系统性能可用能效比（COP）表示。

系统能效比：

式中：QP为空气与地下管道交换热量，kW.h；WP.为风机的消耗电能，kW.h。

热量交换效率主要取决于管道的空气流量与空气在换热管道进、出口的焓差。

空气焓值计算公式为：

式中：T为温度（℃）；d为空气的含湿量（kJ/kg）。

空气含湿量：

系统白天蓄积热量Q 计算公式为：

数据处理方法

采用 Microsoft Excel 2013 和 SPSS 26.0 软件对数据进行处理与统计分析。

结果与分析

土壤-空气热交换系统对大棚气温的影响

不同天气条件下气温比较

表1 为11 月8 日～12 月10 日处理区、对照区及室外气温状况。无论晴天还是阴天，处理区昼最高和平均气温均低于对照区高于室外，晴天分别低0.7℃和0.9℃，阴天分别低0.5℃和0.7℃。处理区夜均气温均在12℃以上，夜平均气温、夜最低气温晴天较对照区分别高2.5℃和3.0℃，较室外高11.8℃和13.0℃，阴天较对照区分别高1.9℃和2.4℃，较室外高10.0℃和12.2℃。

表1 土壤-空气热交换系统对棚内气温的影响

气温的空间分布特征

处理区与对照区气温空间分布见表2。昼间，跨度方向上处理区以中部最高、南部次之、北部最低，对照区为南部最高、中部次之、北部最低；观测期内处理区和对照区水平方向温差范围晴天分别为0.51～1.01℃和0.46～1.70℃，阴天为0.45～1.52℃和0.16～1.90℃，两区水平方向气温变异系数晴天分别为2.8%和3.0%，阴天为 2.9%和3.8%；垂直方向上，随高度增加，气温先升高后降低，以3.0 m 处最高、4.5 m 处最低，其中处理区和对照区垂直方向温差范围晴天分别为0.36～0.78℃和0.23～1.20℃，阴天为0.36～0.97℃和0.30～1.12℃，两区气温变异系数晴天分别为1.3% 和1.5%，阴天为1.5% 和1.7%。

表2 土壤-空气热交换系统对气温空间分布的影响

夜间，跨度方向上处理区与对照区均表现为中部高、两侧低的特点，两者水平方向温差晴天分别为0～0.08℃和0.02～0.11℃，阴天为0.02～0.09℃和0.02～0.11℃，其气温变异系数晴天分别为0.6%和0.9%，阴天为0.5% 和0.8%；垂直方向上，随着高度增加气温逐渐降低，以1.5 m 处最高、4.5 m处最低，处理区和对照区垂直方向上温差晴天为0.01～0.06℃和0.04～0.16℃，阴天为0.03～0.06℃和0.03～ 0.14℃，其气温变异系数晴天分别为0.4%和0.6%，阴天为0.2%和0.4%。可见，无论晴天和阴天，均以处理区的气温空间分布更均匀。

土壤-空气热交换系统对大棚地温影响

不同天气条件下地温比较

不同天气条件大棚15 cm 处地温比较（表3）。无论晴天还是阴天，处理区昼间与夜间地温均显著高于对照区和室外。处理区昼平均与夜平均地温晴天较对照区分别高1.4℃和1.5℃，较室外高5.5 ℃和8.8 ℃，阴天较对照区分别高1.1℃和1.1℃，较室外高8.3℃和11.8℃。处理区最高与最低地温晴天较对照区分别高1.0℃和2.0℃，较室外高3.0℃和11.2℃，阴天较对照区高0.5℃和1.6℃，较室外高5.0℃和14.8℃。

表3 土壤-空气热交换系统对棚内地温的影响

地温空间变化特征

由图3 可以看出，昼间，跨度方向上处理区地温以中部最高、南部次之、北部最低，对照区为南部最高、中部次之、北部最低，两者水平方向地温温差范围晴天分别为 0.2～0.9℃和0.1～1.0℃，阴天分别为0.2～0.7℃和0.2～1.0℃，其地温变异系数晴天分别为2.1% 和2.9%，阴天为1.7% 和3.1%；夜间，水平方向上两者均以中部最高、南部次之、北部最低，其中处理区和对照区水平方向地温温差范围晴天分别为0.1～0.9℃、0.1～1.3℃；阴天分别为0.2～0.8℃、0.2～1.2℃，其地温变异系数晴天分别为2.2% 和3.4%，阴天为 1.9% 和3.2%。

图3 土壤-空气热交换系统对水平方向地温空间分布的影响

图4 为垂直方向10 cm、30 cm、50 cm 深度地温变化。无论晴天与阴天，处理区昼间与夜间地温以50 cm 处最高、10 cm 处最低，处理区昼间与夜间垂直方向地温温差范围晴天分别 为0.4～1.4 ℃和0.1～0.3℃，阴天为0.3～0.5℃和0.1～0.3℃，其地温变异系数晴天分别为3.2%和0.7%，阴天为3.6%和0.6%；对照区晴天昼间与夜间地温都呈现50cm处最高、30cm处最低的趋势，阴天地温分布规律同处理区，对照区昼间与夜间垂直方向地温温差范围晴天分别为0.1～0.5℃和0.1～0.3℃，阴天为0.8～1.0℃和0.1～0.8℃，其地温变异系数晴天分别为1.4% 和0.7%，阴天为2.5% 和1.8%。

图4 土壤-空气热交换系统对垂直方向地温空间分布的影响

土壤-空气热交换系统能效分析

如表4 所示，晴天系统日蓄热量为308.29～372.83 MJ，平均蓄热量为331.84 MJ，日耗电量4.37～4.82 kW·h，平均耗电量4.52 kW·h，系统的能效比（COP）为16.23～20.95，平均能效比为17.84。系统阴天时蓄热时间小于晴天，日蓄热量100.89～221.04 MJ，平均蓄热量144.58 MJ，日耗电量2.99～4.24 kW·h，平均耗电量3.35 kW·h，系统的能效比（COP）为8.43～13.20，平均能效比为10.11。可见，无论晴天与阴天系统整体蓄积的热量明显高于风机运行消耗的电能，经济性较好。

表4 不同天气系统蓄热性能对比

结论

土壤-空气热交换系统加温效果显著，晴天夜均气温较对照区提高2.5℃，阴天提高1.9℃，且作物冠层高度气温的水平分布更均匀；同时能够显著提高土壤温度。

土壤-空气热交换系统晴天日均蓄能331.84 MJ，平均能效比（COP）17.84；阴天日均蓄能144.58 MJ，平均能效比（COP）10.11。系统整体蓄积的热量远大于风机运行所消耗的电量，节能效果显著。