基于Ecotect 的連棟溫室夏季遮陽節(jié)能優(yōu)化研究

劉雨潔，蔣文杰，高新南*

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京）

經(jīng)過長期發(fā)展，我國夏熱冬冷地區(qū)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)已形成了以連棟溫室為主的生產(chǎn)體系，且占產(chǎn)業(yè)總面積超過40%。在進(jìn)入7、8 月份高溫季節(jié)后，溫室內(nèi)作物的光合作用與呼吸作用失去平衡，易出現(xiàn)高溫障礙問題，影響作物的品質(zhì)與產(chǎn)量。為保證作物生長發(fā)育正常進(jìn)行，解決夏季降溫冷負(fù)荷大、溫室設(shè)備運(yùn)行成本高、蔬菜品質(zhì)及產(chǎn)量低的問題成為溫室栽培的關(guān)鍵。

本研究以南京地區(qū)為代表，夏熱冬冷地區(qū)溫室典型作物黃瓜為例，根據(jù)文獻(xiàn)查閱及調(diào)查走訪確定黃瓜生長的適宜環(huán)境，并利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）構(gòu)建評(píng)估體系?；谙嚓P(guān)指標(biāo)通過Ecotect 模擬分析溫室內(nèi)部光熱環(huán)境，結(jié)合黃瓜生長的光飽和點(diǎn)等相關(guān)條件，優(yōu)化夏季高溫下外遮陽網(wǎng)的最佳遮光率范圍和揭蓋網(wǎng)時(shí)間，旨在提升連棟溫室的經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益，增加作物產(chǎn)量，降低溫室能耗。最后通過生命周期評(píng)價(jià)法（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）從溫室建造、作物生產(chǎn)管理兩方面對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行節(jié)能效果定量計(jì)算。

1 黃瓜生長適宜環(huán)境因子的確定

1.1 黃瓜最佳生長條件評(píng)估體系的構(gòu)建

黃瓜生長狀況主要由產(chǎn)量、果實(shí)大小和病蟲害三方面反映，對(duì)黃瓜苗期長勢影響顯著的環(huán)境因子為光照、溫度和濕度，均為正相關(guān)[1-2]?；诖?，采用層次分析法構(gòu)建了夏熱冬冷地區(qū)黃瓜最佳生長條件的評(píng)估體系，共包括產(chǎn)量高、果實(shí)大和無病蟲害三部分，其為AHP 層次分析中的一級(jí)指標(biāo)，及其共同對(duì)應(yīng)的5 個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別是適度遮陽、濕度適宜、通風(fēng)良好、溫度適宜和采光良好。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1。

圖1 夏熱冬冷地區(qū)黃瓜最佳生長條件評(píng)估體系

1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

通過查閱文獻(xiàn)[3]至文獻(xiàn)[5]及產(chǎn)業(yè)經(jīng)營者調(diào)查訪問，對(duì)黃瓜最佳生長條件評(píng)估體系中各指標(biāo)的重要性進(jìn)行了兩兩比較，構(gòu)建了判斷矩陣，然后對(duì)每一層次的要素利用和積法進(jìn)行單層次排序，在一致性檢驗(yàn)中得出一致性比率CR，其值小于0.1，說明判斷矩陣一致性良好，指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表1。

由表1 可知，光照條件和溫度條件的權(quán)重占比將近80%，因而將研究重點(diǎn)放在溫室大棚內(nèi)的溫光環(huán)境上。為減弱其他因子對(duì)研究的干擾，假定選取的溫室大棚通風(fēng)良好，濕度適宜，即不對(duì)此兩項(xiàng)因子再做分析。

表1 黃瓜生長狀況評(píng)估體系指標(biāo)權(quán)重

2 夏熱冬冷地區(qū)連棟溫室節(jié)能方案的確定

2.1 連棟溫室概況

研究對(duì)象為江蘇南京市某五連棟溫室，坐北朝南，占地1 280 m2，單跨8 m，總跨40 m，南北向長32 m；開間4 m，肩高3 m，脊高5 m。該連棟溫室以熱浸鍍鋅鋼為骨架結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為0.1 mm 厚的聚乙烯（PE）膜。通風(fēng)降溫設(shè)備主要為東西兩側(cè)各8 個(gè)通風(fēng)口，距地面6 m 處的外遮陽網(wǎng)構(gòu)件，溫室內(nèi)設(shè)空調(diào)等混合降溫裝置。其中外遮陽網(wǎng)由高密度聚乙烯通過經(jīng)線和緯線交織編織，遮光率為45%。

2.2 節(jié)能改造方案的確定

黃瓜為喜溫植物，適宜生長在熱量充足的地區(qū)，對(duì)光的需要介于陽生和陰生之間。夏熱冬冷地區(qū)夏季光照強(qiáng)、溫度高，過強(qiáng)的光照會(huì)對(duì)植株的光合作用產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致吸收二氧化碳受阻，呼吸強(qiáng)度過大。就黃瓜栽培而言，不同生長發(fā)育時(shí)期，應(yīng)采取不同的控溫措施，在黃瓜嫁接育苗的過程中，可選遮光率高的黑色遮陽網(wǎng)覆蓋，但在后期生長過程即6、7 月則應(yīng)以透光率高的遮陽網(wǎng)為主。

目前夏熱冬冷地區(qū)對(duì)夏季黃瓜栽培所需遮陽網(wǎng)的要求未作出具體的規(guī)范，通常采用針數(shù)較高的遮陽網(wǎng)進(jìn)行遮蓋，導(dǎo)致光照不足，黃瓜產(chǎn)量低、果實(shí)小，盡管一定程度上降低夏季降溫冷負(fù)荷，但同時(shí)也增加了全生命周期的栽培能耗。因此對(duì)遮陽率為20%～50%范圍內(nèi)每變動(dòng)5%的不同情況作出研究，并與原有遮陽率為45%的情況比較，綜合分析得出最佳遮光率，并確定揭蓋網(wǎng)時(shí)間。

3 不同遮光率下連棟溫室光熱環(huán)境模擬分析

結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，使用Revit，Ecotect Analysis 以及Radiance 軟件組合對(duì)模型進(jìn)行分析。在Ecotect 里建模，將其導(dǎo)入到Ecotect 軟件中，如圖2 所示，導(dǎo)入Ecotect 后，載入南京市的CSWD（Chinese Standard Weather Data）氣候數(shù)據(jù)。本研究重點(diǎn)研究夏季高溫天氣遮陽網(wǎng)的使用，為獲得最佳光照條件，選擇典型晴天條件下最熱一天（7 月20 日）的溫度數(shù)據(jù)作為環(huán)境條件。

圖2 南京某5 跨連棟溫室Ecotect 模型

3.1 不同遮光率下溫室內(nèi)熱環(huán)境的變化

黃瓜生長最適溫度為25 ℃～32 ℃，而氣象數(shù)據(jù)顯示，南京市在7 月20 日達(dá)到最高溫37 ℃，已大幅度超過黃瓜生長所能承受的范圍。為使黃瓜穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，對(duì)溫室大棚采取降溫措施非常必要。借助Ecotect中的Thermal Analysis 得到不同遮陽率的遮陽網(wǎng)覆蓋下7 月20 日（最高溫日）的溫室內(nèi)環(huán)境的逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 7 月20 日不同遮光率下溫室內(nèi)部逐時(shí)溫度變化

由圖3 可知，在均覆蓋遮陽網(wǎng)的條件下，7 種不同遮陽率的情況逐時(shí)溫度差異很小，盡管隨著遮光率的上升溫室內(nèi)部溫度有所下降，但是日最高溫度下降僅在0.3～0.7 ℃之間，且與未加蓋遮陽網(wǎng)相比，加蓋后溫度只能下降約1.0～1.4 ℃。因此，夏熱冬冷地區(qū)高溫天氣下遮陽網(wǎng)降溫效果并不顯著，需要進(jìn)一步分析溫室內(nèi)的光環(huán)境來確定合適的遮陽率范圍。

3.2 不同遮光率下溫室內(nèi)光照強(qiáng)度和平均采光系數(shù)的變化

根據(jù)中國生物質(zhì)庫數(shù)據(jù)來源，黃瓜的光補(bǔ)償點(diǎn)為2000 Lx，飽和點(diǎn)為55000 Lx，光照度低于20000 Lx或者超過60000 Lx 則植株生育遲緩。因此，棚內(nèi)光照度略低于光飽和點(diǎn)時(shí)為較適宜范圍（40000～55000 Lx）。利用Radiance 對(duì)所研究溫室在無遮陽網(wǎng)情況下做7 月20 日從8：00-17：00 的逐時(shí)光照度分析，模擬發(fā)現(xiàn)光照度在中午12：00 時(shí)達(dá)到最大值，且超過70000 Lx，這對(duì)植物生長發(fā)育不利，因此，依據(jù)中午12：00 的光照度分析并確定遮陽網(wǎng)的遮光率具有一定的合理性。遮光率為20%～50%的不同情況下12：00時(shí)溫室內(nèi)部自然光照度及采光系數(shù)值見圖4、圖5。

圖4 不同遮光率下12：00 時(shí)溫室內(nèi)自然光照度

圖5 不同遮光率下12：00 時(shí)溫室內(nèi)平均采光系數(shù)

由圖4 可知，遮陽率和自然采光照度基本呈負(fù)線性關(guān)系，當(dāng)遮光率低于25%時(shí)，溫室內(nèi)部的自然光照度高于55000 Lx，高于植株生長的光飽和點(diǎn)，故遮陽率高于25%為宜。由圖5 可知，采光系數(shù)的變化趨勢與光照度的變化趨勢一致，采光系數(shù)隨著遮光率的增大而減小。由于模擬結(jié)果為平均采光系數(shù)，為確保溫室內(nèi)部采光均勻，控制平均采光系數(shù)大于50%。當(dāng)遮陽率高于35%時(shí)，溫室內(nèi)平均采光系數(shù)低于50%，不利于作物整體質(zhì)量的提升。綜上，基于對(duì)不同遮光率12：00 時(shí)溫室內(nèi)部自然光照度和采光系數(shù)的對(duì)比研究，可知夏熱冬冷地區(qū)夏季黃瓜生長的適宜遮陽率范圍為25%～35%。

3.3 不同遮光率的遮陽網(wǎng)揭蓋網(wǎng)時(shí)間分析

前文確定了遮陽網(wǎng)合適的遮光率范圍為25%～35%，以遮陽率為30%的遮陽網(wǎng)為例做揭蓋網(wǎng)時(shí)間分析，無遮陽網(wǎng)和增設(shè)遮陽率為30%的遮陽網(wǎng)情景下9：00～16：00 溫室內(nèi)自然光照度變化趨勢對(duì)比分析見圖6。

圖6 無遮陽和遮光率30%的溫室內(nèi)部光照度變化對(duì)比

由前文可知將室內(nèi)自然光照度控制在40000～55000 Lx 范圍內(nèi)最為合適，因此以55000 Lx和40000 Lx 為參照點(diǎn)確定揭蓋網(wǎng)時(shí)間。未加蓋遮陽網(wǎng)時(shí)，自然光照度在上午9：30 開始超過55000 Lx，且若在此時(shí)加蓋遮陽網(wǎng)能保證溫室內(nèi)自然光照度正好超過40000 Lx，因此蓋網(wǎng)時(shí)間宜為9：30；加蓋遮陽網(wǎng)后，溫室內(nèi)部自然光照度于15：00 低于40000 Lx，且此時(shí)自然狀態(tài)下溫室內(nèi)光照度為55000 Lx，若在此時(shí)揭網(wǎng)，既能保證黃瓜不因過早揭網(wǎng)而導(dǎo)致的高溫脅迫，又能使不因蓋網(wǎng)時(shí)間過長而造成光照不充分，即蓋網(wǎng)時(shí)間為9：30，揭網(wǎng)時(shí)間為15：00。

4 基于LCA 的溫室節(jié)能前后能耗對(duì)比

塑料連棟溫室的能耗計(jì)算以LCA 為理論依據(jù)。它可以評(píng)估某個(gè)產(chǎn)品、過程或活動(dòng)從原材料獲取、生產(chǎn)、使用、直至最終處置整個(gè)生命周期產(chǎn)生的影響。黃瓜的LCA 評(píng)價(jià)法包括溫室建造和作物生產(chǎn)管理兩部分。連棟溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量作物的能耗計(jì)算公式為式A，式A 中溫室建造所需能耗與溫室作物生產(chǎn)管理所需能耗分別由式B 與式C 計(jì)算得出。

A 溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量溫室作物所需能耗（MJ·kg-1）

表3 連棟溫室輸入物質(zhì)能耗當(dāng)量清單

B 單位面積單位時(shí)間建造溫室所需能耗（MJ·hm-2·day-1）

利用Ecotect 對(duì)改造前后溫室（即遮陽網(wǎng)遮陽率分別為45%和30%）進(jìn)行熱工分析，溫室夏季降溫主要采用空調(diào)等混合降溫系統(tǒng)，計(jì)算所得改造前溫室降溫冷負(fù)荷為1.59×106kw·h，改造后溫室降溫冷負(fù)荷為1.61×106kw·h。遮陽率45%的遮陽網(wǎng)使用市面上4針的遮陽網(wǎng)，使用數(shù)量為400 kg/hm2，遮陽率30%的遮陽網(wǎng)使用市面上2 針的遮陽網(wǎng)，使用數(shù)量為200 kg/hm2。

由3.1 節(jié)可知，遮陽網(wǎng)的優(yōu)化對(duì)溫室內(nèi)熱環(huán)境改變微弱，即降低遮陽率后雖提高了一部分控溫能耗，但優(yōu)化后的遮陽網(wǎng)使得溫室內(nèi)光照位于植物生長適宜的條件范圍，能夠提高作物產(chǎn)量，并減少遮陽網(wǎng)造價(jià)，從而降低黃瓜全生命周期的生產(chǎn)培育能耗。由文獻(xiàn)[6]可知，不同寡照程度對(duì)黃瓜產(chǎn)量有一定的影響，寡照程度越強(qiáng)，黃瓜產(chǎn)量越小，利用插值法可求得優(yōu)化后的遮陽裝置（遮陽率30%）較原有遮陽裝置（遮陽率45%）能夠提產(chǎn)11.9%。改造前該連棟溫室一個(gè)生長周期（120 天）內(nèi)黃瓜產(chǎn)量約為11 000 kg/hm2，因此改進(jìn)遮陽設(shè)施后，黃瓜提產(chǎn)至12 309 kg/hm2。物質(zhì)輸入量及能耗當(dāng)量由文獻(xiàn)[7]查得，列出清單并對(duì)改進(jìn)前后的溫室能耗進(jìn)行LCA 計(jì)算與分析，詳見表2 至表4。

表2 連棟溫室建造輸入物質(zhì)清單

表4 連棟溫室輸入物質(zhì)能耗當(dāng)量清單

能耗計(jì)算結(jié)果表明，該連棟溫室改造前生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗約為570.158 MJ，改造后生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗約為515.216 MJ，節(jié)能率約為10%，符合經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益，遮陽網(wǎng)優(yōu)化方案可行有效。

5 結(jié)論

本研究通過對(duì)夏熱冬冷地區(qū)某連棟溫室黃瓜栽培的不同可能改造方案進(jìn)行模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1） 采用層次分析法構(gòu)建了夏熱冬冷地區(qū)黃瓜最佳生長條件的評(píng)估體系，得出光照條件和溫度條件的權(quán)重占比近80%。

（2） 在熱環(huán)境分析方面，分析了遮光率為20%～40%的遮陽網(wǎng)的降溫效果。研究發(fā)現(xiàn)，單以遮陽網(wǎng)為主的降溫措施只能使得室溫下降約1.0～1.4 ℃，且不同遮陽網(wǎng)的降溫效果差異很小，因此在夏熱冬冷地區(qū)遮陽網(wǎng)非主要降溫設(shè)施，需要與其他設(shè)備結(jié)合，達(dá)到降溫、增產(chǎn)的效果。

（3） 在光環(huán)境分析方面，為提高產(chǎn)量并從全生命周期降低能耗，需關(guān)注溫室內(nèi)光照條件與作物光飽和點(diǎn)之間的關(guān)系。夏熱冬冷地區(qū)黃瓜后期生長階段宜采用遮光率為25%～35%的遮陽網(wǎng)覆蓋。當(dāng)遮陽率為30%時(shí)，適宜的蓋網(wǎng)時(shí)間為9：30，揭網(wǎng)時(shí)間為15：00。

（4） 生命周期評(píng)價(jià)法對(duì)該地區(qū)的作物黃瓜進(jìn)行能耗定量計(jì)算更具實(shí)際意義，規(guī)避了低遮陽率的遮陽裝置產(chǎn)生更多降溫能耗的缺陷，而從全生命周期考慮到優(yōu)化后能夠提高作物產(chǎn)量水平，減少作物栽培投入，進(jìn)而減少總能耗，本研究優(yōu)化后的遮陽網(wǎng)能夠提產(chǎn)11.9%，有效節(jié)約生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗，節(jié)能率約為10%。