基于气象因素的日光温室蓄放热研究

张传坤 李风晶 李广 王晓 刘波 杨宁

摘要 为探索寿光各代日光温室引进喀什地区后蓄热保温性能降低的原因，以气象学土壤热量收支平衡理论为依据，对2000—2020年越冬季潍坊市和喀什市的气象因素进行对比。结果表明，喀什市平均日照时数、地面接收到的太阳辐射强度分别为潍坊市的92.94%、91.55%～94.77%。喀什市白天最高气温比潍坊市最高气温低3.79 ℃；喀什市夜间最低气温比潍坊市最低气温低3.50 ℃，日光温室夜间放热量多。喀什市日光温室蓄放热更容易失去平衡，温室温度降低；外地引进寿光各代日光温室后，要对采光面倾斜程度、温室跨度、温室保温被厚度等进行调整，以适应引进地区的气象条件。

关键词 气象因素；日光温室；蓄放热；平衡

中图分类号 S 625.1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0196-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.045

Study on the Heat Absorption and Release in Solar Greenhouse Based on the Meteorological Factors

ZHANG Chuan-kun1，2， LI Feng-jing3， LI Guang2 et al

（1. Institute of Vegetables， Shandong Academy of Agricultural Sciences， Jinan， Shandong 250100;2.Bureau of Agriculture and Rural Affairs in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000;3.Meteorological Bureau in Kashgar of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Kashgar， Xinjiang 844000）

Abstract In order to explore the reasons for the reduction of heat storage and insulation performance of each generation of Shouguang solar greenhouses after being introduced in Kashgar region， based on the theory of soil heat absorption and release balance in meteorology， the meteorological factors of Weifang City and Kashgar City in the wintering season during 2000-2020 were compared. The results showed the average sunshine hours and the solar radiation intensity received in ground in Kashgar City were 92.94% and 91.55%-94.77% of those indices in Weifang City respectively. The maximum air temperature in Kashgar City was 3.79 ℃ lower than that in Weifang City. The minimum temperature at night in Kashgar City was 3.50 ℃ lower than that in Weifang City， heat volume released from solar greenhouse at night was more in Kashgar City than that in Weifang City. The solar greenhouse in Kashgar City was easier to lose balance between heat absorption and heat release， and the greenhouse temperature decreased. After each generation of Shouguang solar greenhouses was introduced into other places， the slope of lighting surface， the thickness of greenhouse insulation quilt should be adjusted to adapt the meteorological conditions of the introduced region.

Key words Meteorologic factors;Solar greenhouse;Heat absorption and release;Balance

基金項目 山东省援疆资金资助项目。

作者简介 张传坤（1972—），男，山东临朐人，研究员，博士，从事设施工程与环境调控研究。

收稿日期 2022-05-09；修回日期 2022-06-10

日光温室是在生产实践中不断发展完善起来的一种栽培模式，依靠其特有的棚型结构和保温性能，实现了喜温果菜的越冬生产，在我国北方地区得到大面积推广［1-3］，为北方地区越冬季蔬菜供应发挥了重要作用。在众多棚型结构中，以山东寿光各代日光温室［4-6］为代表的棚型结构被许多地区引进，在北方地区得到大面积应用。自1990年以来，喀什地区引进寿光各代日光温室，但引进的寿光各代日光温室在喀什地区表现一般，越冬季蓄热保温性能低下，夜间气温普遍较低，喜温果菜很难进行越冬季生产。为此，探索寿光各代日光温室引进喀什地区后温度水平降低的原因，不仅能够有针对性地加以改进，而且会对喀什地区的设施蔬菜产业发展产生深远影响。研究表明，后墙和土壤作为日光温室的热源［7］，其温度高低直接影响温室夜间空气温度的高低［8］。热源蓄热是被动蓄热［9-12］，其蓄热量与太阳辐射密切相关。考虑到一天之内太阳辐射强度的规律性变化，日照时间越长，热源蓄热量越多；热源放热同样也是被动放热［13］，其放热量受到外界低温的影响，外界温度越低，热源放热量越多。由此可见，日光温室热源的蓄热、放热受到所在地区白天日照和夜间低温的影响。热源蓄热量与放热量之间的关系也就是温室所在地区白天日照与夜间低温之间的关系，已有研究也给出了明确答案：根据非稳态导热［14-16］温度与热量转化的基础模型［17］，热源白天蓄热量大于夜间放热量时，热源温度水平提高，反之，热源温度水平降低。因此，日光温室温度水平取决于白天蓄热量与夜间放热量之间的关系，与引进地区白天日照和夜间低温密切相关。笔者对越冬季潍坊市和喀什市日照时数、地面接收到的太阳幅射强度、最高气温、最低气温进行对比研究，分析两地日光温室蓄热量与放热量之间的差异，探索寿光各代日光温室引进喀什地区后蓄热保温性能降低的原因，以期为不同地区日光温室引进后的结构调整提供理论依据。

1 材料与方法

2000—2020年喀什市与潍坊市越冬季的日照时数、最高气温、最低气温数据来源于国家气象科学数据中心。

越冬季指的是每年12月到次年1月；最高气温指的是一天24 h内的最高气温；最低气温指的是一天24 h内的最低气温。

1.1 喀什市与潍坊市日光温室白天蓄热的对比

对日照时数、地面接收到的太阳幅射强度、最高气温3个指标进行对比。

①计算2000—2020年每个越冬季喀什市和潍坊市日照时数的均值、整个越冬季的均值，并进行对比。

②根据喀什市、潍坊市的纬度，计算出冬至日两地太阳高度角，以此高度角进行计算，对冬至日两地地面接收到的太阳辐射强度进行对比，然后对越冬季两地地面接收到的太阳辐射强度进行对比。

③计算2000—2020年每个越冬季喀什市和潍坊市最高气温的均值、整个越冬季的均值，然后对比日光温室白天热量的变化。

1.2 喀什市与潍坊市日光温室夜间放热的对比

计算2000—2020年每个越冬季喀什市、潍坊市最低气温的均值、整个越冬季的均值，并进行对比。

2 结果与分析

2.1 越冬季喀什市与潍坊市气象因素的对比分析

2.1.1 喀什市与潍坊市日照时数对比。

2000—2020年越冬季喀什市和潍坊市平均日照时数如图1所示。

从图1可以看出，不同越冬季喀什市的平均日照时数不同，潍坊市的平均日照时数也不同。同一越冬季喀什市的平均日照时数与潍坊市的平均日照时数也不同，有些越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数要长，比如2000年越冬季、2006年越冬季等；有些越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数要短，比如2005年越冬季、2008年越冬季等。造成不同年份喀什市、潍坊市日照时数不同，同一年份喀什市与潍坊市日照时数也存在差别的原因可能是由于不同年份、不同地区的云层、尘埃随太阳辐射的反射不同，导致大气透明程度不同造成的［18］。

2000—2020年越冬季喀什市平均日照时数的均值为4.87 h，2000—2020年越冬季潍坊市平均日照时数的均值为5.24 h，喀什市平均日照时数是潍坊市平均日照时数的92.94%。以上结果表明2000—2020年越冬季喀什市的平均日照时数比潍坊市的平均日照时数短，这可能是由于越冬季喀什地区的浮尘天气较多所致。

2.1.2 喀什市和潍坊市地面接收到的太阳辐射强度对比。

太阳高度角与地面太阳辐射强度的关系如图2所示。

从图2可以看出，太阳辐射强度（ac）到达地面后，受太阳高度角α的影响，地面接收到的太阳辐射强度（bc）发生变化，二者之间的关系可用下式表达：

bc×sinα=ac（1）

受地球围绕太阳公转的影响，同一地区不同日期的太阳高度角会发生变化。由于喀什市纬度比潍坊市纬度高2.76°，所以越冬季潍坊市太阳高度角始終大于喀什市太阳高度角2.76°，越冬季喀什市地面接收到的太阳辐射强度始终小于潍坊市地面接收到的太阳辐射强度。

从太阳赤纬的周年变化曲线［18］可以看出，越冬季太阳直射纬度为-23.26°～-10.00°，喀什市太阳高度角的最小值、最大值分别为27.27°和40.53°，潍坊市太阳高度角的最小值、最大值分别为30.03°和43.29°。

越冬季喀什市地面接收到的太阳辐射强度与潍坊市地面接收到的太阳辐射强度比值分别用下式计算：

sin27.27°/sin30.03°×100%=91.55%（2）

sin40.53°/sin43.29°×100%=94.77%（3）

2.1.3 喀什市和潍坊市最高气温、最低气温对比。

2000—2020年越冬季喀什市和潍坊市最高气温、最低气温如图3所示。从图3可以看出，2000—2020年越冬季喀什市、潍坊市最高气温不断变化，除了2009年越冬季、2012年越冬季喀什市与潍坊市最高气温比较接近外，其余越冬季喀什市最高气温均低于潍坊市越冬季最高气温。这可能是由于越冬季潍坊市的平均日照时数比喀什市的平均日照时数长（图1），且潍坊市地面接收到的太阳辐射强度大于喀什市地面接收到的太阳辐射强度。

从图3可以看出，除了2003年越冬季、2009年越冬季喀什市与潍坊市最低气温比较接近外，其余越冬季喀什市越冬季最低气温均低于潍坊市越冬季的最低气温。这可能是由于一方面越冬季喀什市白天地面接收到的太阳辐射较少，气温本来就低于潍坊市气温；另一方面，喀什市海拔在1 298 m左右，而潍坊市的海拔在30 m左右，由于地面大气层气温随着海拔高度的增加而逐渐降低，夜间喀什市气温比潍坊市的气温更低。

2000—2020年越冬季潍坊市最低气温和最高气温的均值分别为-4.81和4.61 ℃，气温变化区间为-4.81～4.61 ℃；喀什市最低气温和最高气温的均值分别为-8.31和0.82 ℃，气温变化区间为-8.31～0.82 ℃。根据气象学下垫面土壤热量收支平衡可知，这可能是由于潍坊市和喀什市所处的纬度不同、海拔高度不同，导致两地下垫面土壤热量收支存在差别，进而造成下垫面土壤蓄放热失衡程度不同。

2.2 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室蓄放热的影响

2.2.1 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室白天蓄热的影响。

日照时间短使得喀什市日光温室蓄热时间短，进而导致温室热源白天蓄热量少；太阳高度角小造成太阳光线透过率低、太阳辐射强度低，进而造成温室热源白天蓄热量少；最高气温低，可能造成白天采光面塑料薄膜两侧空气温差较大，从温室内部向温室外释放出的热量较多，从而导致温室热源蓄积的热量较少。由此可见，对于相同结构的日光温室，喀什市白天蓄积的热量少于潍坊市白天蓄积的热量。

2.2.2 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室夜间放热的影响。

从图3可以看出，喀什市夜间最低气温比潍坊市夜间最低气温低3.50 ℃。对于相同结构的日光温室，喀什市夜间释放的热量多于潍坊市夜间释放的热量。

2.2.3 喀什市和潍坊市越冬季气象因素对日光温室蓄放热平衡的影响。

对于相同结构的日光温室来说，喀什市白天蓄积的热量少，夜间释放的热量多，温室蓄放热更容易失去平衡，气温降低得更多，温室温度更低。

2.3 实现喀什地区日光温室蓄放热平衡采取的措施

寿光各代日光温室引入喀什地区后，日光温室结构应做以下调整，才能适应喀什地区的气象条件，改善温室的蓄放热平衡，提高温室温度。

①考虑到两地气温差异，增大喀什市日光温室采光面倾斜程度，提高屋面角2.76°以上，以抵消纬度差异对太阳光线透过造成的影响。

②喀什市温室跨度调整为7～9 m。多年园艺栽培实践表明，温室跨度受当地夜间最低气温影响。喀什地区夜间最低气温低于-18 ℃，对应温室跨度为7～9 m［19］。此外，温室跨度越大，夜间土壤释放出来的热量在温室夜间温度形成中的占比就越大，温室温度就会越低［18］。

③增加日光温室保温被的厚度，减少夜间放热量。

以温室内部空气温度为10 ℃进行计算示例：

此时喀什市日光温室保温被两侧温差为18.31 ℃，潍坊市日光温室保温被两侧温差为14.81 ℃；在保温被性能相同的情况下，具有相同的传热系数［20］和厚度，因而温室夜间释放的热量与温差成正比：

18.31 ℃/14.81 ℃×100%=123.63%（4）

由式（4）可知，为减少喀什市日光温室夜间放热量，保温被厚度应该是潍坊市同等品质保温被厚度的123.63%。考虑到日照时数、最高气温造成的白天蓄热量差异，也需要通过减少夜间放热量进行平衡，因此喀什地区日光温室保温被的厚度还要增加。

3 讨论

日光温室是通过生产实践不断发展完善起来的一种栽培模式。多年来，由于理论研究滞后，学术界没有能为日光温室建设提供指导的实用理论。受到利益的驱动，部分温室建设企业盲目引进，造成建成后的日光温室保温性能不高，越冬季无法进行喜温果菜生产，冬春季无法正常供应喜温果菜，因此喀什地区日光温室的结构应该不断调整和修正，以适应喀什地区当地的气象条件。

极端天气必然会造成温室内部作物受到冷害、冻害，这是一个伪命题。从日光温室夜间温度的形成来看，温室内部低温是由于温室夜间放热量大于白天蓄热量，从而造成温室内部温度逐渐降低造成的。当极端天气来临时，如果温室内部温度水平较高，温室内部作物是不会受到冷害、冻害的；当温室内部温度水平很低时，极端天气的来临必然会加速温室温度降低的速率，进而造成温室作物受到冷害、冻害。从极端天气造成温室内部作物受到冷害、冻害也可以反向推出，当前我国北方地区日光温室夜间放热量普遍大于白天蓄热量，造成温室蓄放热失衡，夜间温室内部温度水平普遍较低，因此我国北方地区日光温室应该加强减少温室夜间放热量的研究，提高温室夜间温度水平。

通过生产和实践发现，日光温室建设企业对国家或行业标准的认知度较低、执行意愿不高［4］，是由于越冬季北方不同地区的气象因素存在差异，因此温室结构也应进行调整，以适应不同地区白天日照和夜间低温的差别。对于我国广大北方地区来说，不能制定一成不变的温室标准。

不同年份同一地区的气象条件也会有差别，越冬季日光温室的温度也不同，因此不同地区日光温室结构标准的制定［4］要综合多年来的气象条件；日光温室日常温度管理也要按照“增加白天蓄热量、减少夜间放热量”的原则来控制保温被，调节日光温室的蓄放热失衡程度，才能确保日光温室的温度。

4 结论

通过对喀什市和潍坊市2000—2020年越冬季日照时数、最低气温、最高气温等气象因素进行对比研究，探讨山东省寿光市各代日光温室引进喀什地区后蓄热保温性能降低的原因。

（1）越冬季喀什市平均日照时数是潍坊市平均日照时数的92.94%，喀什市地面接收到的太阳幅射强度是潍坊市地面接收到的太阳幅射强度的91.55%～94.77%，喀什市白天最高气温比潍坊市最高气温低3.79 ℃，喀什市日光温室白天蓄热量少于潍坊市日光温室白天的蓄热量。

（2）越冬季喀什市夜间最低气温比潍坊市夜间最低气温低3.50 ℃，喀什市温室夜间放热量多于潍坊市温室夜间的放热量。

（3）寿光各代日光温室引进喀什地区后，要对采光面倾斜程度、温室跨度、保温被厚度进行调整，使得温室结构适应喀什地区的气象条件。

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