多重保溫覆蓋連棟溫室的設(shè)計及性能分析

何 芬 魏曉明* 蔡 峰 干天廣

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實驗室，北京 100125；3.北京興業(yè)華農(nóng)農(nóng)業(yè)設(shè)備有限公司，北京 101309)

連棟溫室自20世紀(jì)70年代在我國得到發(fā)展，歷經(jīng)自行設(shè)計、國外引進(jìn)、優(yōu)化提升3個階段[1]，為保障優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品供給、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展發(fā)揮了重要作用[2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理司統(tǒng)計，至2018年我國連棟溫室面積已達(dá)5.43萬hm2[3]。隨著連棟溫室的發(fā)展，其自身存在問題日益凸顯，如設(shè)施結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化水平低，技術(shù)裝備參差不齊，冬季加溫能耗高導(dǎo)致產(chǎn)投比倒掛，生產(chǎn)經(jīng)營者收益受限，已成為限制連棟溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[1]。我國由于自然氣候差異，溫室生產(chǎn)冬季加溫所需能耗較歐洲國家高很多[4]。在我國北緯35°～40°，冬季加溫能耗約占總成本的30%～50%[5]，因此連棟溫室節(jié)能技術(shù)和裝備研究尤為重要。目前連棟溫室多采用改善供暖設(shè)施提高能量利用率[6-7]，改造圍護(hù)結(jié)構(gòu)[8-10]、增設(shè)保溫設(shè)施減少熱量損失[11-12]，或建立溫室能耗模型及相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測系統(tǒng)[13]，利用溫室智能化控制實現(xiàn)精準(zhǔn)供能，這些方式的應(yīng)用在一定程度降低了連棟溫室冬季加溫能耗，但從改變溫室整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行研究的較少。本研究旨在設(shè)計一種新型連棟溫室結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置內(nèi)外雙層薄膜和雙層保溫幕布形成多重保溫覆蓋系統(tǒng)，以提高冬季室內(nèi)溫度，降低加溫能耗；同時通過對該溫室在北京冬季最冷時段進(jìn)行性能測試，分析其室內(nèi)環(huán)境變化規(guī)律，以期為該溫室的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用推廣提供實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗溫室主要結(jié)構(gòu)

試驗溫室為多重保溫覆蓋連棟溫室(圖1)，溫室東西走向，跨度7 m，3連跨，長度45 m，15個開間；溫室肩高4 m，立柱高4.5 m，脊高6.3 m。溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋材料均采用0.15 mm厚聚烯烴(polyolefin，PO)膜，所有覆蓋薄膜通過鋁合金卡簧卡槽或固膜卡固定。溫室整體骨架采用鍍鋅鋼管，立柱采用鍍鋅矩形鋼管。溫室頂部單層骨架單層膜覆蓋，四周均采用內(nèi)外雙層骨架雙層膜覆蓋，兩層膜之間距離為260 mm。溫室頂部上層設(shè)置內(nèi)遮陽系統(tǒng)，材料為鋁箔網(wǎng)，遮陽率10%，節(jié)能率35%；下層設(shè)置保溫雙層幕布，節(jié)能率75%。溫室四周側(cè)墻配套與頂部規(guī)格一致的保溫雙層幕布。內(nèi)遮陽和保溫雙層幕布分別采用不同的卷放系統(tǒng)控制其開合，卷放系統(tǒng)通過減速電機(jī)帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，從而帶動托幕線實現(xiàn)內(nèi)遮陽和保溫幕布的開合。

圖1 多重保溫覆蓋連棟溫室截面圖

1.2 測試條件

試驗于2017-12-27—2018-01-22日在北京市海淀區(qū)溫泉鎮(zhèn)的多重保溫覆蓋連棟溫室內(nèi)進(jìn)行。溫室內(nèi)無任何加溫設(shè)施，試驗期間選種作物為對溫度要求較低的葉菜。室內(nèi)遮陽和保溫幕布的閉合均根據(jù)環(huán)境控制系統(tǒng)基于室內(nèi)溫度變化進(jìn)行控制。

為對多重覆蓋溫室的保溫性能進(jìn)行對比測試，將試驗溫室按跨分為3個測試區(qū)，分別為1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)，每個測試區(qū)面積相同，均為315 m2。1區(qū)內(nèi)搭建2個小拱棚，拱棚直接采用雙層活動保溫幕布覆蓋，2區(qū)內(nèi)搭建塑料拱棚，采用薄膜外加雙層活動保溫幕布進(jìn)行覆蓋。

實際測試中，為使作物生產(chǎn)管理(灌溉等)及設(shè)備管理(自然通風(fēng)、內(nèi)保溫及保溫幕布系統(tǒng))一致，將3個測試區(qū)設(shè)置在同一個溫室內(nèi)。溫室內(nèi)白天因太陽輻射及通風(fēng)等多種因素造成空氣溫度、光照等環(huán)境因子在水平和垂直方向均存在差異性；且3個測試區(qū)位置不一致，外部圍護(hù)條件不同，直接導(dǎo)致測試結(jié)果也有一定的差異性。

采用HOBO UX100-003型號(美國onset公司生產(chǎn)，精度±0.2 ℃)溫濕度記錄儀對溫室內(nèi)外溫度和相對濕度進(jìn)行測量，總共布置8個測點(diǎn)，其中室內(nèi)7個，室外1個，均布置在溫室長度方向的中間位置，具體的測點(diǎn)布置如圖2所示。為避免太陽輻射等環(huán)境因素影響溫濕度傳感器測量的準(zhǔn)確度，在記錄儀外部罩上表面粘貼鋁箔的紙杯。

1,2，…，8為溫、濕度測點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 室外環(huán)境

試驗期間室外溫濕度變化見圖3。每天14:00前后達(dá)到最高溫，隨后一直下降，次日6：00前后達(dá)到最低值。相對濕度和溫度具有耦合性，其一天的變化與溫度變化相反。試驗期間多為晴天，室外平均氣溫-2.3 ℃，最高氣溫15.6 ℃，最低氣溫-14.5 ℃；平均相對濕度41.5%，最大相對濕度88.7%，最小相對濕度15.0%。

圖3 測試期間室外溫濕度

2.2 室內(nèi)環(huán)境

2.2.1溫室整體環(huán)境分析

測試期間3個測試區(qū)溫度變化見圖4。3個測試區(qū)的整體變化趨勢一致，每天14:00—14:30達(dá)到最高溫，6：00—7:00達(dá)到最低值。1區(qū)和2區(qū)之間的溫度差異不明，3區(qū)與其他2個區(qū)相比，差異較明顯。通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，計算分析室內(nèi)、外平均氣溫、日最低氣溫、夜間平均氣溫、夜間室內(nèi)外溫差等指標(biāo)，對不同測試區(qū)內(nèi)的整體熱環(huán)境進(jìn)行分析和評價。

圖4 測試區(qū)溫度變化

2.2.2日平均氣溫和最低氣溫分析

日平均氣溫指0:00—24:00時間段內(nèi)空氣溫度的平均值，是溫室熱環(huán)境的一項基本指標(biāo)。日最低氣溫直接影響室內(nèi)作物的生長，持續(xù)的低溫有可能造成作物凍害。室內(nèi)外日平均氣溫和最低氣溫等統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 室內(nèi)不同測試區(qū)及室外日平均氣溫和日最低氣溫

由統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)(表1)可以看出：測試期間為北京冬至前后室外最冷時段，室外的日平均氣溫的平均值為-2.3 ℃，最低值為-5.7 ℃。3個測試區(qū)的日平均氣溫的平均值維持在6.0 ℃以上，其中2區(qū)的日平均溫度高于1區(qū)0.3 ℃，差異不大；1區(qū)和2區(qū)的日平均溫度均高于3區(qū)4～5 ℃，差異明顯。3個區(qū)的日平均最低溫度除3區(qū)低于5 ℃外，其他2個區(qū)在8 ℃以上。從日最低氣溫看，3個區(qū)日最低氣溫的最低值差異較大，3區(qū)僅有-1.4 ℃；2區(qū)最高，達(dá)到5.2 ℃。分段計日最低氣溫的日數(shù)，在測試的26 d時間內(nèi)，3區(qū)最低氣溫≤5 ℃有25 d，室內(nèi)氣溫≤5 ℃日平均時長達(dá)到12 h；2區(qū)日最低氣溫均在5～12 ℃，且沒有≤5 ℃的時段；1區(qū)日最低氣溫≤5 ℃ 僅3 d，其余時段均在5～12 ℃，室內(nèi)氣溫≤5 ℃ 日平均時長僅為0.2 h。由以上數(shù)據(jù)可知，1區(qū)和2區(qū)的溫度環(huán)境和保溫效果明顯優(yōu)于3區(qū)。1區(qū)和2區(qū)在無加溫條件下可滿足葉菜生長需求，3區(qū)可通過增加臨時輔助加溫設(shè)施滿足葉菜的生產(chǎn)；3個區(qū)均無法滿足喜溫果菜(番茄、黃瓜等)的溫度環(huán)境需求。

2.2.3夜間日平均氣溫和室內(nèi)外溫差分析

試驗溫室無任何輔助加溫設(shè)備，主要靠白天太陽輻射自然升溫，夜間靠內(nèi)外雙層膜、雙層幕布等多重覆蓋保溫。因此夜間溫度狀況能較好反映溫室的保溫性能。夜間溫度的計算時段為20:00—次日8:00，具體夜間日平均氣溫等統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表2 室內(nèi)不同測試區(qū)夜間溫度性能

由表2看出，3個區(qū)的夜間日平均氣溫的平均值最低的是3區(qū)，僅2.6 ℃，1區(qū)和2區(qū)均在8 ℃以上，且比3區(qū)高5 ℃以上。從夜間室內(nèi)外溫差統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，1區(qū)和2區(qū)的夜間室內(nèi)外溫差的平均值在14 ℃以上，比3區(qū)高5～6 ℃。由此可知，1區(qū)和2區(qū)的保溫性能最好，3區(qū)的保溫性能最差。

2.3 多層覆蓋對溫度環(huán)境的影響

試驗溫室頂部采用鋁箔網(wǎng)材質(zhì)的內(nèi)遮陽，測試及統(tǒng)計室外、室內(nèi)頂部(測點(diǎn)1)、內(nèi)遮陽下(測點(diǎn)2)3個區(qū)域的溫度，分析內(nèi)遮陽對溫度環(huán)境的影響。由圖5可見，通過頂部薄膜覆蓋、設(shè)置內(nèi)遮陽，室內(nèi)頂部和內(nèi)遮陽下溫度較室外高。室內(nèi)頂部平均溫度為0.4 ℃，內(nèi)遮陽下1.9 ℃，較室外分別高2.7 ℃和4.2 ℃。對于夜間溫度，室內(nèi)頂部夜間溫度平均值僅為-6.2 ℃，內(nèi)遮陽下-4.1 ℃，室外-6.4 ℃，可見夜間情況下，當(dāng)僅只有一層膜覆蓋時，室內(nèi)外溫度差異為0.2 ℃，保溫性能微乎其微。當(dāng)再采用內(nèi)遮陽時，夜間保溫性能可提高2 ℃。

圖5 測試期間室外、室內(nèi)頂部、內(nèi)遮陽下的溫度變化

試驗溫室在側(cè)墻采用內(nèi)外雙層膜結(jié)構(gòu)，測試及統(tǒng)計分析室外、內(nèi)外膜之間(測點(diǎn)6)、內(nèi)膜與保溫幕布之間(測點(diǎn)7)3個區(qū)域的溫度，分析設(shè)置內(nèi)外雙層膜對溫度環(huán)境的影響。從圖6可看出，通過設(shè)置雙層膜，內(nèi)外膜之間溫度的平均值為-1.1 ℃，內(nèi)膜與保溫幕布之間為0.7 ℃，較室外分別高1.2 ℃和3.0 ℃。對于夜間溫度，內(nèi)外膜之間溫度平均值僅為-7.3 ℃，內(nèi)膜與保溫幕布之間-5.4 ℃，室外-6.4 ℃，可見夜間情況下，當(dāng)僅只有一層外膜覆蓋時，室內(nèi)溫度較室外低0.9 ℃。當(dāng)再采用內(nèi)膜時，夜間保溫性能有一定提高，較室外高1 ℃。

圖6 測試期間室外、內(nèi)外膜之間、內(nèi)膜與保溫幕布之間的溫度變化

3 結(jié) 論

本研究設(shè)計了一種多重保溫覆蓋連棟溫室，在北京冬季對溫室性能進(jìn)行測試，結(jié)果表明：在無輔助加溫的情況下該多重保溫覆蓋連棟溫室內(nèi)日平均溫度、日最低氣溫的平均值為6.1和1.4 ℃，夜間日平均氣溫、室內(nèi)外溫差的平均值為2.4和9.0 ℃，小拱棚+雙層幕布覆蓋、塑料拱棚+薄膜和雙層幕布覆蓋2個對照區(qū)的日平均溫度、日最低氣溫的平均值可高4～6 ℃，夜間日平均氣溫、室內(nèi)外溫差的平均值高5～6 ℃，且日最低氣溫平均值為5～12 ℃。該多重保溫覆蓋連棟溫室需要進(jìn)一步加強(qiáng)保溫覆蓋設(shè)計或增加臨時輔助加溫設(shè)備才能滿足葉菜作物的生長要求。