節(jié)能可移動日光溫室的結構設計和性能分析

韓柏明， 巫建華， 解振強， 顏志明

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇句容 212400)

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節(jié)能可移動日光溫室的結構設計和性能分析

韓柏明， 巫建華， 解振強， 顏志明

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇句容 212400)

近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，設施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為農(nóng)民增收的一項重要產(chǎn)業(yè)。日光溫室作為我國一種重要的農(nóng)業(yè)設施類型，在設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展過程中發(fā)揮了重要作用。但目前已經(jīng)開發(fā)的日光溫室一般為磚石、泥土等材料砌成，建造復雜、重量大、難以拆卸、可移動性差。在保溫蓄熱性能方面，傳統(tǒng)的日光溫室也有許多需要改進的地方。目前，為了增加溫室墻體的儲熱能力，國內(nèi)外已經(jīng)開展了許多相變儲熱材料在溫室中應用的試驗研究[1-6]。相變儲熱材料通過相變過程中吸收或放出大量的潛熱量而溫度變化很小的特點來儲熱。相變儲熱材料一般被安裝在溫室墻體內(nèi)側(cè)，日光溫室白天溫度高，相變材料通過相變吸收儲存溫室多余熱量，夜間溫度降低到相變溫度點，相變材料又通過相變逐漸釋放已儲存的潛熱熱量，這樣可調(diào)劑溫室晝夜的熱量平衡，有利于溫室夜間的增溫。此外，太陽能集熱裝置在一些日光溫室上也進行了應用研究[7-10]。通過在溫室外部安裝太陽能集熱裝置白天收集熱量使儲熱水箱內(nèi)水的溫度升高，夜間儲熱水箱內(nèi)熱水通過散熱器對日光溫室進行輔助加溫。李炳海等的試驗結果表明，無論在晴天和陰天，日光溫室利用太陽能集熱器地溫加熱系統(tǒng)可明顯提高土壤溫度[7]。

為了促進日光溫室在高效園藝生產(chǎn)中的應用，江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院研發(fā)了新型節(jié)能可移動日光溫室，該溫室集成了近年來在日光溫室上應用的許多新技術、新材料，達到節(jié)能和建造、拆卸方便的效果。筆者介紹了該新型日光溫室的結構設計和性能試驗的初步結果，為其在生產(chǎn)中的應用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗地概況試驗在江蘇省句容市江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院試驗實訓基地(江蘇農(nóng)博園)內(nèi)進行。試驗地年平均氣溫15.2 ℃，日平均氣溫高于10 ℃的作物生長期平均為226 d，總積溫4 859.6 ℃，無霜期229 d,年降水量1 058.8 mm,光照常年平均2 157 h。

1.2試驗溫室 節(jié)能可移動日光溫室是由江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院設計研發(fā)的一種新型日光溫室。溫室墻體材料為聚苯乙烯泡沫板做成的泡沫板砌塊，便于安裝和拆卸；墻體泡沫板砌塊內(nèi)側(cè)填充相變儲熱材料，相變材料白天吸熱夜間放熱。在溫室外面安裝了太陽能集熱裝置白天收集太陽能，作為溫室夜間加溫的熱源。溫室冬季覆蓋外保溫被，保溫被每天07：00以后揭開，17：00以后放下。試驗以跨度8 m、脊高3 m、長50 m的普通塑料大棚作為對照，大棚南北走向，冬季夜間大棚內(nèi)加蓋二層保溫薄膜。溫室和大棚內(nèi)種植草莓，9月5日定植，種植方式和田間管理方法相同。試驗期間，白天溫度超過30 ℃進行放風。

1.3試驗方法

1.3.1溫度和濕度的測定。在溫室內(nèi)布置5個觀測點，室內(nèi)中央1個，南北方向距中央2 m各1個，東西方向距中央15 m各1個。室外布置2個觀測點，對照普通塑料大棚內(nèi)布置5個觀測點，棚內(nèi)中央1個，東西方向距中央2 m各1個，南北方向距中央15 m各1個。在2014年12月至2015年2月期間，利用杭州路格科技有限公司生產(chǎn)的L95-6型三路溫濕度自動記錄儀，測定并記錄各觀測點距地面1 m高處的空氣溫度和濕度，同時測定10 cm深土層的土壤溫度。

1.3.2光照度的測定。在溫室中央沿南北方向的截面選3個點作為觀測點，分別距北墻2、4、6 m，高度均為1 m；對照塑料大棚的觀測點選擇在大棚中央東西截面距東側(cè)分別為2、4、6 m，高度均為1 m。利用JD-3型數(shù)字照度計在2015年1月9日(晴天)和2015年1月13日(陰天)分別測定可移動溫室和塑料大棚的日光照強度變化，每隔1 h測定一次。

1.4統(tǒng)計分析采用Excel 軟件進行數(shù)據(jù)處理與分析。

2結果與分析

2.1節(jié)能可移動日光溫室的主體結構設計溫室東西延長，長度65 m為宜，跨度10 m，屋脊高度5 m，后墻高度3.5 m。后屋面采用短坡設計，長2 m,覆蓋15 cm厚彩鋼瓦板。后屋面與后墻夾角45°，后屋面水平投影長度1 m。前屋面的采光屋面角應為32°，坡面及弧度為：上沿13°，中部為22°，前坡為27°，下沿為76°。溫室后墻由后墻支架及聚苯乙烯泡沫板儲熱砌塊組成，聚苯乙烯泡沫板儲熱砌塊由聚苯乙烯泡沫板砌塊和相變材料組成，聚苯乙烯泡沫板砌塊規(guī)格(長×寬×厚)為40 cm×45 cm×30 cm，聚苯乙烯泡沫板砌塊內(nèi)腔填充儲熱相變材料，相變材料是由石膏與相變石蠟按照1∶0.3混合而成的復合體。溫室山墻材料與后墻一致。采用熱浸鍍鋅U型鋼材作為溫室骨架。

溫室安裝太陽能集熱裝置進行夜間輔助加溫。太陽能集熱裝置由全玻璃真空管集熱器模塊、數(shù)字溫度顯示表、電控設備、循環(huán)水泵、保溫儲熱水箱和散熱片組成。打開閥門、開動水泵，將水抽至太陽能集熱器水箱 ，待水箱充滿水后關閉水泵閥門，停止給水。白天太陽能集熱器收到太陽能輻射，將冷水加熱至一定溫度，先進入保溫的蓄水箱，然后開動循環(huán)水泵將水箱中的熱水通過保溫墻前面的散熱片進行散熱，從而起到加溫的目的。冷卻后的水經(jīng)管道再通過供水泵進入太陽能集熱器，讓其再次受到太陽能輻射，變成熱水從而進行下一循環(huán)。裝置里面的控制系統(tǒng)會根據(jù)溫室的溫度高低，自動調(diào)控是否給散熱片供給熱水。當溫室溫度低于設置溫度時，控制系統(tǒng)會打開閥門給散熱片供水；當溫度高于設置溫度，控制閥門處于關閉狀態(tài)。

2.2節(jié)能可移動日光溫室的性能分析

2.2.1節(jié)能可移動日光溫室的保溫性能分析。比較在典型晴天(2015年1月9日)和典型陰天(2015年1月13日)條件下，可移動日光溫室和塑料大棚氣溫的日變化情況(圖1、2)。在2種天氣條件下，可移動溫室和塑料大棚的最低氣溫均出現(xiàn)在06：00～08：00，而最高溫度均出現(xiàn)在12：00～14：00，上午溫度逐漸上升，14：00以后氣溫逐漸下降。在2種天氣條件下，一天中，可移動溫室的氣溫始終高于塑料大棚，在典型晴天，可移動溫室的平均氣溫是21.5 ℃，最低氣溫達到16.4 ℃，塑料大棚平均氣溫為15.9 ℃，最低氣溫達到7.2 ℃；在典型陰天，可移動溫室的平均氣溫是16.3 ℃，最低氣溫達到12.6 ℃，塑料大棚平均氣溫為10.5 ℃，最低氣溫為5.8 ℃。從圖3可見，可移動溫室的12月、1月、2月的旬平均溫度均高于塑料大棚，可移動溫室在12月、1月、2月的月平均溫度分別為18.4、18.8、20.3 ℃，而塑料大棚分別為11.4、12.7、13.5 ℃。由圖4可見，可移動日光溫室的10 cm平均地溫在2014年12月至2015年2月間均高于塑料大棚。由圖5可見，可移動日光溫室12月、1月、2月的平均最低氣溫分別是14.3、14.8、15.7 ℃，而塑料大棚12月、1月、2月的平均最低氣溫分別是6.1、6.7、7.8 ℃。以上試驗結果表明，可移動日光溫室的保溫性能較好。

圖1　可移動溫室和塑料大棚氣溫日變化(01-09晴天)Fig.1　The diurnal change of air temperature in the mobile greenhouse and vinyl house(January 9th sunny)

圖2　可移動溫室和塑料大棚氣溫日變化(01-13陰天)Fig.2　The diurnal change of air temperature in the mobile greenhouse and vinyl house( January 13th cloudy)

圖3　可移動溫室和塑料大棚氣溫月變化Fig.3　The monthly change of air temperature in the mobile greenhouse and vinyl house

圖4　可移動溫室和塑料大棚土壤溫度月變化Fig.4　 The monthly change of soil temperature in the mobile greenhouse and vinyl house

圖5　可移動溫室和塑料大棚最低氣溫比較Fig.5　 Comparison of air minimum temperature in the mobile greenhouse and vinyl house

2.2.2可移動日光溫室濕度環(huán)境分析。由圖6、7可見，在典型晴天和典型陰天，可移動日光溫室的相對濕度在一天中均低于塑料大棚，可移動溫室的平均相對濕度在晴天和陰天分別是75.8%和85.1%，而塑料大棚平均相對濕度在晴天和陰天分別是87.2%和95.3%。由圖8可見，在12月、1月、2月，可移動日光溫室的旬平均濕度均高于塑料大棚。以上試驗結果表明，與塑料大棚相比，可移動日光溫室在冬季生產(chǎn)時室內(nèi)空氣相對濕度較低，這有利于園藝作物的安全生產(chǎn)。

圖6　可移動溫室和塑料大棚空氣濕度日變化(01-09晴天)Fig.6　 The diurnal change of air humidity in the mobile greenhouse and vinyl house(January 9th sunny)

圖7　可移動溫室和塑料大棚空氣濕度日變化(01-13陰天)Fig.7　 The diurnal change of air humidity in the mobile greenhouse and vinyl house( January 13th cloudy)

圖8　可移動溫室和塑料大棚空氣濕度月變化Fig.8　The monthly change of air humidity in the mobile greenhouse and vinyl house

2.2.3可移動日光溫室采光性能分析。由圖9、10可見，可移動溫室與塑料大棚的光照強度日變化趨勢一致，上午光照度逐漸上升，12：00～13：00達到最高點，之后逐漸下降。在晴天10：00以前可移動日光溫室的光照強度略高于塑料大棚，10：00以后塑料大棚光照強度略高于可移動溫室。在陰天12：00以前可移動溫室光照強度高于塑料大棚，12：00以后塑料大棚光照強度略高于可移動日光溫室。

圖9　可移動溫室和塑料大棚光照強度變化(01-09 晴天)Fig.9　 The diurnal change of light intensity in the mobile greenhouse and vinyl house( January 9th sunny)

圖10　可移動溫室和塑料大棚光照強度變化(01-13陰天)Fig.10　 The diurnal change of light intensity in the mobile greenhouse and vinyl house(January 13th cloudy)

3結論與討論

單棟鋼架結構的塑料大棚是包括蘇南地區(qū)在內(nèi)的長江中下游地區(qū)園藝設施的主要類型。塑料大棚具有結構簡單、建造方便等優(yōu)點，但塑料大棚在冬季生產(chǎn)時的保溫效果較差、濕度大[11-12]。為了提高保溫效果，塑料大棚在冬季生產(chǎn)時往往采用多層覆蓋，但多層覆蓋不利于大棚的采光[11]。日光溫室在包括蘇南地區(qū)在內(nèi)的長江中下游地區(qū)應用很少。為了探討日光溫室在蘇南地區(qū)的應用，筆者設計了新型可移動節(jié)能日光溫室。在江蘇句容地區(qū)的試驗表明，可移動節(jié)能日光溫室在冬季的保溫性能較好，明顯優(yōu)于普通的塑料大棚。在2014年12月、2015年1月、2015年2月的平均最低氣溫分別達到14.3、14.8、15.7 ℃，其中晴天的最低氣溫一般在16 ℃以上、陰天的最低氣溫一般在12 ℃以上，基本能夠滿足大多數(shù)喜溫蔬菜的種植條件。可移動節(jié)能日光溫室采用了相變儲熱材料和太陽能集熱技術，這樣更有利于提高溫室夜間的溫度，夜間溫度的升高也降低了溫室內(nèi)的相對濕度。與塑料大棚相比，可移動節(jié)能日光溫室內(nèi)相對濕度較低，這對冬季設施栽培的園藝作物生長發(fā)育和降低病害發(fā)生非常有利?？梢苿庸?jié)能日光溫室在陰天的上午采光效果好于塑料大棚，這是由于在陰天時，塑料大棚夜間加蓋的塑料薄膜一般要在上午繼續(xù)覆蓋保溫，加蓋的塑料薄膜不僅導致光照強度下降，而且增加大棚內(nèi)的濕度，對作物生長非常不利。與塑料大棚相比，可移動溫室更有利于陰天的采光和降低陰天時設施內(nèi)的相對濕度。

新型節(jié)能可移動日光溫室建造安裝方便，采用了相變儲熱技術和太陽能集熱技術，明顯提高了溫室夜間的保溫效果，并有利于控制溫室的濕度，比較適宜在包括蘇南在內(nèi)的長江中下游地區(qū)推廣應用。

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摘要[目的]促進日光溫室在蘇南地區(qū)設施園藝生產(chǎn)中的應用。[方法]試驗設計建造了以聚苯乙烯泡沫板作為主要墻體材料，并采用相變儲熱技術和太陽能集熱技術進行輔助升溫的新型節(jié)能可移動日光溫室，并在2014年12月至2015年2月測定了日光溫室的各方面性能。[結果]分析表明，節(jié)能可移動日光溫室保溫性較好，在2014年12月、2015年1月、2015年2月的平均最低氣溫分別達到14.3、14.8 、15.7 ℃。節(jié)能可移動日光溫室平均相對濕度在典型晴天和典型陰天分別是75.8%和85.1%，而塑料大棚平均相對濕度在典型晴天和典型陰天分別是87.2%和95.3%，與塑料大棚相比節(jié)能可移動日光溫室相對濕度較低。[結論] 新型節(jié)能可移動日光溫室在蘇南地區(qū)具有較好的應用前景。

關鍵詞日光溫室；節(jié)能；可移動；設計；性能

The Structure Design and Performance Analysis in Mobile Energy Conservation Solar Greenhouse

HAN Bai-ming, WU Jian-hua, XIE Zhen-qiang et al(Jiangsu Polytechnical College of Agriculture and Forestry, Jurong, Jiangsu 212400)

Abstract[Objective] To promote the application of solar greenhouse in facilities horticulture production in south of Jiangsu Province. [Method] The new energy saving and movable solar greenhouse was designed with polystyrene foam board as main wall material, using phase-change energy-storing technology and solar energy assistant heating system to increase the temperature of the greenhouse. The performance of the greenhouse was tested in the December of 2014 to the February of 2015. [Result] The results showed that the heat preservation performance of the greenhouse was superior. The mean lowest temperature of the greenhouse was 14.3, 14.8, 15.7 ℃ respectively in December 2014, January 2015, February 2015. The relative humidity of the greenhouse were 75.8% and 85.1% respectively in the typical fine and the typical overcast and that of 87.2% and 95.3% respectively in the vinyl house. The relative humidity was lower in the greenhouse compared to the vinyl house. [Conclusion] The new energy saving movable solar greenhouse has widely application prospect in south of Jiangsu Province.

Key wordsSolar greenhouse; Energy conservation; Mobile; Design; Performance

收稿日期2015-11-30

作者簡介韓柏明(1978- )，男，吉林梨樹人，講師，博士，從事果樹栽培、設施園藝教學科研工作。

基金項目江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新項目[CX(13)3033]。

中圖分類號S 214.3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)01-341-04