外保溫連棟溫室光熱環(huán)境及保溫性能分析

陳 帆，孫維拓，禹文雅，魏曉明，周寶昌,4，李友麗，郭文忠

外保溫連棟溫室光熱環(huán)境及保溫性能分析

陳 帆1,2，孫維拓1，禹文雅3，魏曉明1，周寶昌1,4，李友麗1，郭文忠1※

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750000；3. 北京翠湖農(nóng)業(yè)科技有限公司，北京 100089；4. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，北京 100193）

為解決中國(guó)北方地區(qū)連棟溫室冬季加溫能耗大、盈利性和可持續(xù)性差等問(wèn)題，該研究以降低屋面熱損失為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大屋面外保溫連棟溫室，將外保溫系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用于連棟溫室，并在山東壽光地區(qū)，以文洛型連棟溫室為參照，對(duì)該溫室光熱環(huán)境及保溫性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與分析。結(jié)果表明：1）連續(xù)40 d白天（10:00—16:00），外保溫連棟溫室作物冠層上方平均太陽(yáng)輻射為152 W/m2，總透光率（含天溝下方）為40%，比文洛型連棟溫室高7個(gè)百分點(diǎn)。外保溫連棟溫室跨中采光最佳，跨東、跨西及天溝下方太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與跨中相比分別減少17%、29%及46%。2）太陽(yáng)升起后，外保溫連棟溫室東、西屋面外保溫被依次收攏，09:30—12:00室內(nèi)氣溫升速為1.9 ℃/h，較文洛型連棟溫室低0.3℃/h，收攏保溫后10 min內(nèi)室內(nèi)氣溫驟降幅度比文洛型連棟溫室低0.3 ℃。溫室采用空氣內(nèi)循環(huán)加溫，地面出風(fēng)，再由設(shè)備間風(fēng)機(jī)組內(nèi)側(cè)窗回風(fēng)；加溫期間（20:00—07:00）室內(nèi)空氣水平方向平均溫差不超過(guò)1.2℃，垂直方向不超過(guò)1.0 ℃。外保溫連棟溫室水平方向氣溫分布均勻，垂直方向溫差小于文洛型連棟溫室。3）夜間，外保溫連棟溫室平均氣溫為13.1～16.1 ℃，室內(nèi)外平均溫差為12.8～21.0 ℃，覆蓋外保溫被的屋面平均熱通量為50.0～97.7 W/m2，單層玻璃屋面為217.6～367.9 W/m2，覆蓋外保溫可減少75%的玻璃屋面熱損失。同期，采用雙層內(nèi)保溫的文洛型連棟溫室屋面平均熱通量為141.1～232.2 W/m2，外保溫連棟溫室與之相比屋面熱損失降低36%，具有更佳的保溫性能。加溫期間外保溫連棟溫室平均熱量投入實(shí)測(cè)為74.5 W/m2，并維持17.4 ℃的室內(nèi)外平均溫差，能耗較低。最后擬合了室內(nèi)外溫差對(duì)不同溫室屋面熱通量的影響，外保溫連棟溫室具有更高的擬合優(yōu)度。該研究為連棟溫室低碳節(jié)能發(fā)展提供了新型溫室結(jié)構(gòu)，也為外保溫連棟溫室的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

溫室；溫度；環(huán)境；保溫；太陽(yáng)輻射；空氣溫度；熱通量

0 引 言

作為大型溫室的代表，連棟溫室是中國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)的重要設(shè)施結(jié)構(gòu)類型。連棟溫室土地利用率高、環(huán)境調(diào)控能力強(qiáng)、適宜機(jī)械化作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化生產(chǎn)和智能化控制，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，適合企業(yè)化、規(guī)?；?jīng)營(yíng)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，中國(guó)引進(jìn)了荷蘭文洛型小屋頂玻璃溫室、美國(guó)雙層充氣塑料膜溫室、以色列圓拱形和鋸齒形塑料膜溫室以及日本塑料板溫室等溫室類型，在消化吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新開(kāi)發(fā)，逐漸形成自主技術(shù)體系，至2000年連棟溫室自主生產(chǎn)率達(dá)70%[1-4]。截至2018年底，全國(guó)連棟溫室面積已超過(guò)54 000 hm2[5]。尤其是在當(dāng)前國(guó)家大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵時(shí)期，很多地區(qū)涌現(xiàn)出完全復(fù)制“荷蘭模式”的大型連棟玻璃溫室項(xiàng)目，連棟溫室產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展窗口期。

然而，荷蘭文洛型連棟溫室及配套技術(shù)體系只在具有溫帶海洋性氣候的荷蘭和比利時(shí)獲得成功，該地區(qū)周年溫度在-5 ～30 ℃范圍變化，溫室冷、熱負(fù)荷低[6-7]。中國(guó)氣候四季分明，在北方地區(qū)連棟溫室冬季生產(chǎn)加溫能耗巨大，投入高但盈利差，嚴(yán)重威脅連棟溫室產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。例如，北京地區(qū)連棟溫室冬季加溫成本占年運(yùn)行總成本的40%以上[8]。節(jié)能降耗，尤其是降低冬季加溫能耗，是中國(guó)連棟溫室產(chǎn)業(yè)破解發(fā)展困局的關(guān)鍵。

溫室加溫節(jié)能方法主要包括溫室結(jié)構(gòu)及組件優(yōu)化設(shè)計(jì)[9-12]，溫室環(huán)境優(yōu)化管理[13-16]，以及利用可再生能源或節(jié)能技術(shù)開(kāi)發(fā)供暖系統(tǒng)[17-19]。其中，溫室優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低溫室熱損失與熱負(fù)荷，從源頭降低能耗。研究表明70%以上的溫室熱量是通過(guò)屋面散失的[20]，降低連棟溫室屋面熱損失有利于降低溫室能耗。目前，內(nèi)保溫可保證在冬季夜間節(jié)能20%以上，是連棟溫室降低屋面熱損失最常用的措施[21]；增加內(nèi)保溫層數(shù)可以提高溫室保溫能力[22-23]。然而，內(nèi)保溫的使用對(duì)于保溫幕密閉性要求高，在生產(chǎn)中保溫幕模塊之間難以無(wú)縫銜接，造成上下層空氣混合，保溫效果不理想。同時(shí)，受制于折疊收放工藝，內(nèi)保溫幕材質(zhì)一般較薄，熱阻值低，節(jié)能效果有限。因此，在雙層內(nèi)保溫已成為中國(guó)北方地區(qū)連棟溫室標(biāo)配的情況下，加溫能耗問(wèn)題依舊突出，現(xiàn)有保溫措施有很大優(yōu)化提升空間。

日光溫室保溫蓄熱能力突出，低碳節(jié)能，原因之一是擁有獨(dú)具特色的外保溫被[24]，其使用能夠降低60%左右的溫室熱損失[25]。外保溫被安裝于溫室外部，其規(guī)格與材質(zhì)選擇較靈活，可鋪卷厚型保溫被，能與溫室屋面緊密貼合，有更大潛力提高溫室保溫隔熱性能。

因此，該研究以降低屋面熱損失為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了大屋面外保溫連棟溫室，將外保溫系統(tǒng)創(chuàng)新應(yīng)用于連棟溫室，并對(duì)外保溫連棟溫室光熱環(huán)境特征進(jìn)行重點(diǎn)解析，同時(shí)以傳統(tǒng)文洛型連棟溫室為參照，評(píng)價(jià)溫室保溫性能，以期為外保溫連棟溫室的優(yōu)化設(shè)計(jì)、模擬控制及工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 外保溫連棟溫室設(shè)計(jì)理念

由北京市農(nóng)林科學(xué)院智能裝備技術(shù)研究中心自主研發(fā)的外保溫連棟溫室（示意圖見(jiàn)圖1），具體設(shè)計(jì)思路如下：

1）大屋面

溫室采用大屋面設(shè)計(jì)，主要為了實(shí)現(xiàn)外保溫被的安裝與使用。大屋面設(shè)計(jì)還有利于實(shí)施外遮陽(yáng)網(wǎng)分屋面動(dòng)態(tài)控制，在降溫的同時(shí)保證充足光照；能夠形成更高的屋脊，提高溫室熱環(huán)境緩沖能力。

2）下沉式

溫室內(nèi)地面采用下沉式設(shè)計(jì)，低于地平面80～100 cm，有助于提高溫室保溫、蓄熱能力。

3）三玻兩腔立面

溫室四周立面采用三玻兩腔玻璃構(gòu)筑，與普通中空玻璃相比，犧牲少許透光率，大幅提升熱阻值，可節(jié)省側(cè)保溫安裝。

4）外保溫

在溫室南北走向的天溝處安裝滑動(dòng)平鋪式外保溫被，大幅降低冬季采暖熱負(fù)荷。同時(shí)，通過(guò)配置智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)太陽(yáng)方位角變化對(duì)東西屋面外保溫進(jìn)行分時(shí)控制，有更大空間權(quán)衡溫室采光與保溫，節(jié)本增效。

5）正壓通風(fēng)

溫室采用正壓通風(fēng)，從源頭控制空氣質(zhì)量，提高溫室環(huán)境綜合調(diào)控能力；同時(shí)打破單體溫室尺寸限制，避免溫室內(nèi)設(shè)置大量隔斷，有利于規(guī)模化、機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)。

1.2 試驗(yàn)溫室及對(duì)照溫室概況

試驗(yàn)溫室為外保溫連棟溫室（G1），位于山東省壽光市智慧農(nóng)業(yè)科技園（36°54′N，118°52′E）。溫室總面積8 484.6 m2，南北走向，跨度12.0 m，一跨內(nèi)一個(gè)屋脊，跨間天溝1.6 m，共計(jì)12跨，溫室東西總長(zhǎng)163.2 m，南北總長(zhǎng)52.0 m，溫室北側(cè)為設(shè)備間，寬8.0 m；溫室肩高6.1 m，脊高8.6 m，下沉1.0 m，水平面以上基礎(chǔ)墻高0.85 m，屋面傾角23°；溫室四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)為三玻（3 mm×5 mm）兩腔（2 mm×6 mm）鋼化中空玻璃，頂部覆蓋為5 mm漫散射單層鋼化玻璃；天溝為50 mm聚苯板外覆鍍鋅鋼板；外保溫被材料為雙層PE編織布夾8 mm聚乙烯發(fā)泡棉及200 g/m2噴膠棉，總厚度約35 mm。溫室配套外保溫系統(tǒng)、外遮陽(yáng)系統(tǒng)、正壓通風(fēng)溫室環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)及高壓噴霧等系統(tǒng)設(shè)備。

對(duì)照溫室為文洛型連棟溫室（G2），位于山東省壽光市蔬菜小鎮(zhèn)，與G1直線距離約11 km。溫室總面積3 948 m2，南北走向，跨度12.0 m，一跨內(nèi)3個(gè)屋脊，共21跨，開(kāi)間8.0 m，溫室東西總長(zhǎng)84.0 m，南北總長(zhǎng)47.0 m；溫室肩高7.0 m，脊高8.0 m，屋面傾角23°；溫室四周覆蓋為（5+6+5）mm中空鋼化玻璃，基礎(chǔ)墻高0.5 m，頂部覆蓋為5 mm散射鋼化玻璃；天溝采用中空鋁材料。溫室配套外遮陽(yáng)系統(tǒng)、雙層內(nèi)保溫系統(tǒng)、側(cè)保溫系統(tǒng)、補(bǔ)光燈、天然氣鍋爐管道加溫系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)及高壓噴霧等系統(tǒng)設(shè)備。

試驗(yàn)測(cè)試期間，兩棟溫室種植作物均為番茄，G1在10月定值，次年6月拉秧；G2一年種植2茬，第一茬2月上旬定植，第二茬7月上旬定植。

注：冬季夜間溫室覆蓋外保溫被，采用空氣內(nèi)循環(huán)加溫，地面出風(fēng)。白天收攏外保溫被，適時(shí)開(kāi)啟頂開(kāi)窗自然通風(fēng)。

1.3 溫室管理

2022年1月13日至2月21日對(duì)溫室光熱環(huán)境及保溫性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。G1在07:30—08:00收攏東側(cè)屋面外保溫被，08:00—09:00收攏西側(cè)，16:30—17:00覆蓋外保溫被，根據(jù)天氣變化適當(dāng)調(diào)整收攏與覆蓋時(shí)間。外保溫被與溫室屋面緊密貼合，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)工藝問(wèn)題，頂開(kāi)窗存在阻擋保溫被行進(jìn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此在測(cè)試期間為避免運(yùn)行故障，外保溫被最高覆蓋位置設(shè)定為頂開(kāi)窗下沿，實(shí)際覆蓋面積約占屋面的80%；自2022年1月21日起，外保溫被實(shí)際覆蓋面積約占屋面的60%。雪天出于雪荷載的考慮，溫室夜間不覆蓋外保溫被。根據(jù)溫室熱負(fù)荷空間分布，7臺(tái)風(fēng)機(jī)分3組進(jìn)行變頻控制。當(dāng)夜間室內(nèi)氣溫下降至12℃左右開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行溫室加溫，風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)室內(nèi)溫度環(huán)境在20～45 Hz范圍內(nèi)做調(diào)整，一般夜間調(diào)整2～3次，次日09:00—10:00關(guān)閉風(fēng)機(jī)。15:30—16:00開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行溫室臭氧消毒，消毒時(shí)長(zhǎng)20～30 min。每跨啟用東側(cè)或西側(cè)屋面窗戶，適時(shí)開(kāi)啟頂開(kāi)窗通風(fēng)換氣，根據(jù)天氣變化調(diào)整開(kāi)閉時(shí)間，開(kāi)啟時(shí)間為09:00—10:00，開(kāi)啟角度約為25°，頂開(kāi)窗關(guān)閉時(shí)間為14:00—15:00，室內(nèi)溫度過(guò)低則不開(kāi)啟。

G2采用自動(dòng)化操作管理，07:30收攏溫室頂部雙層內(nèi)保溫和側(cè)墻內(nèi)保溫，17:00—17:30覆蓋。溫室使用天然氣鍋爐進(jìn)行管道加溫，供暖時(shí)間為20:00至次日09:00，根據(jù)天氣變化調(diào)整供暖時(shí)長(zhǎng)。溫室頂開(kāi)窗開(kāi)啟時(shí)段為11:30—14:00，開(kāi)啟角度約為25°。

1.4 試驗(yàn)儀器與測(cè)點(diǎn)布置

1.4.1 試驗(yàn)儀器

溫室內(nèi)空氣及風(fēng)機(jī)進(jìn)出風(fēng)處溫濕度采用美國(guó)Onset公司生產(chǎn)的HOBO U14-001型溫濕度記錄儀測(cè)量，溫、濕度傳感器精度分別為±0.2 ℃和±2.5%；溫室內(nèi)氣溫分布采用銅康銅T型熱電偶測(cè)量，精度為±0.2 ℃，測(cè)量范圍為-20～70 ℃，連接TestoT176型溫度記錄儀記錄；溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射采用荷蘭Kipp&Zonen公司生產(chǎn)的CMP6太陽(yáng)輻射傳感器測(cè)量，靈敏度為5～20 μV/W/m2，測(cè)量范圍為0～2 000 W/m2；采用荷蘭Hukseflux公司生產(chǎn)的HFP01SC熱通量傳感器測(cè)量玻璃屋面及天溝熱通量，靈敏度為50 μV/W/m2，測(cè)量范圍為-2 000～2 000 W/m2；數(shù)據(jù)采集儀采用美國(guó)Campbell公司生產(chǎn)的CR1000，用于自動(dòng)記錄熱通量與太陽(yáng)輻射值。

室外氣象參數(shù)采用美國(guó)Onset公司生產(chǎn)的HOBO U30小型自動(dòng)氣象站測(cè)量，氣象參數(shù)包括室外空氣溫、濕度傳感器：測(cè)量精度分別為±0.2 ℃和±2.5%，測(cè)量范圍分別為-40～75 ℃和0%～100%；風(fēng)速風(fēng)向傳感器：測(cè)量精度為±1.1 m/s，測(cè)量范圍為0～45 m/s；太陽(yáng)總輻射傳感器：測(cè)量精度為10 W/s，測(cè)量范圍為0～1 280 W/m2。

選用德國(guó)Testo公司生產(chǎn)的Testo 890-2紅外熱像儀獲取溫室屋面熱圖像，測(cè)量表面溫度分布。

溫、濕度傳感器做防輻射處理。所有設(shè)備儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)間隔為5 min。

1.4.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）溫室內(nèi)溫、濕度及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口溫度測(cè)點(diǎn)采用HOBO傳感器，G1共計(jì)7個(gè)，G2共計(jì)5個(gè)。

2）溫室內(nèi)氣溫垂直分布、玻璃屋面及天溝溫度測(cè)點(diǎn)采用銅康銅T型熱電偶，G1共計(jì)12個(gè)，G2共計(jì)9個(gè)。

3）溫室內(nèi)太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn)，G1共計(jì)4個(gè)，G2共計(jì)2個(gè)。

4）溫室內(nèi)玻璃屋面及天溝熱通量測(cè)點(diǎn)，G1共計(jì)4個(gè)，G2共計(jì)2個(gè)。

室內(nèi)環(huán)境及熱通量測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖2。氣象站安裝于外保溫連棟溫室附近空曠處。

注：太陽(yáng)輻射測(cè)點(diǎn)，熱通量測(cè)點(diǎn)，HOBO溫濕度測(cè)點(diǎn)，熱電偶測(cè)點(diǎn)。G1、G2分別為外保溫連棟溫室與文洛型連棟溫室。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室太陽(yáng)輻射

2.1.1 溫室透光率

太陽(yáng)輻射是影響溫室光、熱環(huán)境的重要因素，準(zhǔn)確獲取太陽(yáng)輻射值和變化規(guī)律，在溫室設(shè)計(jì)、環(huán)境調(diào)控和作物生產(chǎn)管理中具有重要的指導(dǎo)意義[26-28]。由于保溫被根據(jù)天氣變化調(diào)整收攏與覆蓋時(shí)間，為排除保溫措施干擾，便于統(tǒng)計(jì)分析與對(duì)比溫室各項(xiàng)環(huán)境、熱通量及能耗數(shù)據(jù)，在下文中，若無(wú)具體限定，白天統(tǒng)計(jì)時(shí)段為10:00 —16:00，夜間為20:00—次日07:00。圖3所示為兩棟溫室連續(xù)40 d收攏外保溫被期間的平均太陽(yáng)輻射。白天保溫全收攏期間，G1作物冠層上部平均太陽(yáng)輻射為152 W/m2，較G2高27 W/m2。天溝下方輻射，G1總透光率為40%，不含天溝下方為42%，分別比G2總透光率高7和9個(gè)百分點(diǎn)?？赡艿脑虬ǎ篏1外保溫被緊貼屋面，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)摩擦清掃屋面的灰塵，有利于透光；G1采用大屋面設(shè)計(jì)，外保溫被與外遮陽(yáng)均收攏于天溝上部，呈南北向安裝，無(wú)內(nèi)保溫及內(nèi)遮陽(yáng)，避免了遮陰累加，且隨著太陽(yáng)方位角的變化，室內(nèi)南北遮陰帶可以東西移動(dòng)，室內(nèi)光照分布均勻（圖4a）；而G2外遮陽(yáng)與室內(nèi)雙層內(nèi)保溫幕均采用折疊收放工藝，通常每隔4.0 m布置一組，即使在完全收攏狀態(tài)下也會(huì)形成稠密的陰影帶（圖4b）。此外，玻璃材質(zhì)及老化程度等也會(huì)影響溫室透光率。測(cè)試期間G1每日平均最高透光率（含天溝下方）為50%，比G2提高了15個(gè)百分點(diǎn)；中午前后（11:00—13:00）太陽(yáng)輻射較強(qiáng)烈，連續(xù)40 d G1平均透光率為38%，較G2高3個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 溫室白天平均太陽(yáng)輻射

圖4 溫室遮陰示意圖

2.1.2 室內(nèi)太陽(yáng)輻射分布

G1作物冠層上部，跨西、跨中、跨東和天溝下方各處平均太陽(yáng)輻射分別為133.7、187.5、155.1和101.9 W/m2。受天溝影響，G1跨中采光最佳，與跨中相比，跨東、跨西及天溝下方接收太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別減少17%、29%及46%。G1東西方向輻射分布存在差異，可能的原因是太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上午時(shí)段短于下午時(shí)段，與跨西相比，跨東受相鄰天溝遮陰時(shí)間較短（圖5a）。G2作物冠層上部，跨西和跨東平均太陽(yáng)輻射分別為125.1和128.5 W/m2，差異僅為3.4 W/m2（圖5b）。與G1相比，G2東西方向太陽(yáng)輻射分布更加均勻。

2.2 溫室氣溫

2.2.1 室內(nèi)平均氣溫

氣溫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因素，掌握氣溫總體變化、升速及空間分布等對(duì)于溫室節(jié)能降耗、作物高產(chǎn)具有積極意義[29-30]。由圖6可知，白天溫室密閉且保溫全收攏期間，G1連續(xù)40 d平均氣溫為20.7 ℃，G2為21.7 ℃，兩棟溫室白天平均氣溫差異不大。夜間，正壓通風(fēng)內(nèi)循環(huán)加溫系統(tǒng)配合外保溫被可將G1平均氣溫控制在14.5 ℃，天然氣鍋爐管道加溫配合雙層內(nèi)保溫可將G2平均氣溫控制在15.1 ℃，兩棟溫室均可滿足作物夜間氣溫需求。

2.2.2 氣溫升速

圖7a為兩個(gè)溫室氣溫升速，上午太陽(yáng)升起后，隨著東、西屋面外保溫被依次收攏，G1在09:30—12:00氣溫升速為1.9 ℃/h，比G2低0.3 ℃/h?？赡艿脑蚴荊1西側(cè)屋面外保溫收攏較晚，但G1收攏東側(cè)屋面外保溫后10 min內(nèi)室內(nèi)氣溫驟降幅度比G2低0.3 ℃。因此，外保溫連棟溫室分時(shí)收攏外保溫有利于緩解氣溫驟降問(wèn)題（圖7b）。

圖5 溫室太陽(yáng)輻射分布規(guī)律

圖6 溫室內(nèi)平均氣溫

2.2.3 氣溫空間分布

G1采用正壓通風(fēng)內(nèi)循環(huán)加溫，地面出風(fēng)，再由設(shè)備間風(fēng)機(jī)組內(nèi)側(cè)窗回風(fēng)，主要采取對(duì)流換熱加溫。溫室覆蓋外保溫且加溫期間，室內(nèi)空氣水平方向最大平均溫差不超過(guò)1.2 ℃，氣溫分布均勻（表1）；空氣垂直方向最大平均溫差不超過(guò)1.0 ℃，距離地面1.0 m處平均氣溫為14.8℃，隨地面高度的增加氣溫依次降低，距離地面6.0 m處平均氣溫為13.8 ℃（表2）；由于溫室內(nèi)熱氣向上運(yùn)動(dòng)，距地面7.0 m處氣溫略有回升，比6.0 m處平均氣溫高0.5 ℃。白天溫室密閉且保溫全收攏期間，室內(nèi)空氣水平方向氣溫分布均勻；垂直方向最大平均溫差為3.8 ℃，距離地面1.0 m處平均氣溫為19.2 ℃，隨距地面高度的增加氣溫逐漸升高，距離地面6.0 m處平均氣溫升至最高23.0 ℃，然后開(kāi)始下降，7.0 m處平均氣溫比6.0 m處低1.6 ℃。

注：圖b為溫室收攏保溫措施10 min內(nèi)氣溫變化

G2采用暖氣管道散熱片加溫，主要采取輻射換熱。G2覆蓋保溫幕且加溫期間，水平方向空氣最大平均溫差不超過(guò)0.9 ℃，氣溫分布均勻（表1）；夜間空氣垂直方向最大平均溫差為5.3 ℃，平均氣溫由低到高依次為8.0、7.0、2.0、3.0、4.0、1.0、5.0 m；5.0 m處由于靠近加溫管道，氣溫最高；8.0 m處位于雙層內(nèi)保溫幕的上方，靠近玻璃屋面氣溫最低（表2）。白天溫室密閉且保溫全收攏期間，水平方向室內(nèi)氣溫分布均勻；垂直方向最大平均溫差為4.5 ℃，平均氣溫由低到高依次為1.0、2.0、7.0、5.0、8.0、4.0、3.0 m；受作物生長(zhǎng)活動(dòng)、溫室結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局及生產(chǎn)管理等影響，G2白天垂直方向氣溫分布無(wú)規(guī)律。兩棟溫室在水平方向氣溫分布均勻，垂直方向分布存在差異。

2.3 溫室空氣濕度

濕度間接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育，溫室內(nèi)相對(duì)濕度較高，易造成屋面內(nèi)表面結(jié)露，降低溫室透光率，同時(shí)引發(fā)病蟲(chóng)害[31]。白天收攏外保溫且溫室密閉期間，室外平均相對(duì)濕度為25%～80%，G1平均相對(duì)濕度為69%～87%；夜間覆蓋外保溫且加溫期間，室外平均相對(duì)濕度為39%～88%，G1為79%～89%，室內(nèi)長(zhǎng)期處于高濕狀態(tài)（圖8）?？赏ㄟ^(guò)安裝集露槽，優(yōu)化溫室集露槽設(shè)計(jì)及安裝工藝，將屋面凝結(jié)的水珠及時(shí)徹底地轉(zhuǎn)運(yùn)清除，可防止結(jié)露滴落至室內(nèi)地面或植株葉片，有效降低室內(nèi)相對(duì)濕度，改善作物生長(zhǎng)環(huán)境。

表1 溫室內(nèi)水平方向氣溫分布

注：表1中數(shù)據(jù)為2022年1月13日至2月21日平均氣溫。

Note: The data in table 1 are the average air temperature from January 13 toFebruary 21, 2022.

表2 溫室內(nèi)垂直方向氣溫分布

注：表2中G1數(shù)據(jù)為2022年1月13日至2月21日平均氣溫，G2數(shù)據(jù)為2022年2月17日至2月28日平均氣溫。

Note: The G1 data in table 2 are the average air temperature from January 13 toFebruary 21, 2022, and the G2 data are the average air temperature from February 17 toFebruary 28, 2022.

圖8 溫室平均相對(duì)濕度

2.4 屋面熱通量

2.4.1 夜間熱通量分析

連續(xù)40 d夜間覆蓋外保溫且加溫期間，G1平均氣溫為13.1～16.1 ℃，室內(nèi)外平均溫差為12.8～21.0 ℃。G1覆蓋外保溫被屋面平均熱通量為50.0～97.7 W/m2，單層玻璃屋面為217.6～367.9 W/m2，覆蓋外保溫被可減少玻璃屋面熱損失75%。同期，采用雙層內(nèi)保溫的G2屋面平均熱通量為141.1～232.2 W/m2，G1與之相比屋面熱損失降低36%。鑒于兩溫室平均溫差不超過(guò)0.6 ℃，因此與傳統(tǒng)連棟溫室相比，本研究的外保溫連棟溫室具有更佳的保溫性能（圖9）。連續(xù)40 d加溫期間G1平均熱量投入實(shí)測(cè)為74.5 W/m2，并維持17.4 ℃的室內(nèi)外平均溫差，耗能較低（圖10）。SUN等[8]預(yù)測(cè)壽光地區(qū)外保溫連棟溫室熱負(fù)荷為98.2 W/m2，此實(shí)測(cè)熱量投入與之相符。需要說(shuō)明的是，測(cè)試期間G1屋面外保溫被實(shí)際覆蓋面積約60%～80%；可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)連棟溫室外保溫被全面覆蓋溫室屋面，G1節(jié)能性將更加突出。

2.4.2 室內(nèi)外溫差對(duì)溫室屋面熱通量的影響

對(duì)于給定材質(zhì)與規(guī)格的溫室屋面，室內(nèi)外溫差是影響屋面熱通量的關(guān)鍵因素之一[32-33]。圖11為室內(nèi)外溫差對(duì)G1覆蓋外保溫被玻璃屋面、單層玻璃屋面及G2玻璃屋面熱通量的影響。由圖11可知，隨著室內(nèi)外溫差增大熱通量變大，即屋面熱損失變大；3種屋面熱通量與室內(nèi)外溫差均存在顯著的相關(guān)性（值均為0）。G1覆蓋外保溫被玻璃屋面及單層玻璃屋面熱通量與室內(nèi)外溫差的擬合優(yōu)度（0.511 7及0.529 6）高于G2玻璃屋面（0.361 9）?？赡艿脑蚴荊1玻璃屋面緊密貼合外保溫被，形成的多層覆蓋材質(zhì)特性、傳熱性能較穩(wěn)定，因此相關(guān)性較好；而G2室內(nèi)空氣與室外空氣間存在玻璃屋面及雙層內(nèi)保溫，形成的多層覆蓋內(nèi)部空氣擾動(dòng)混合，傳熱性能不穩(wěn)定。

圖9 溫室屋面及天溝夜間平均熱通量

圖10 外保溫連棟溫室熱量投入

a. 覆蓋外保溫被的玻璃屋面b. 單層玻璃屋面c. 雙層內(nèi)保溫幕的玻璃屋面 a. Glass roof covered with external thermal blanket b. Single-layer glass roofc. Glass roof with double-layer indoor thermal screens

2.5 溫室屋面紅外熱圖像

圖12為G1部分覆蓋外保溫被后玻璃屋面氣溫分布情況。覆蓋外保溫被玻璃屋面內(nèi)表面溫度較高，最高達(dá)13.0 ℃，未覆蓋外保溫被玻璃屋面內(nèi)表面溫度較低，最低溫度為4.0 ℃。覆蓋外保溫被玻璃屋面比未覆蓋外保溫被玻璃屋面溫度高，原因是溫室覆蓋外保溫后屋面熱阻值大幅提高，進(jìn)而減少屋面內(nèi)表面向外表面?zhèn)鳠?，使屋面?nèi)表面與室外環(huán)境能夠形成更大溫差。圖12拍攝時(shí)間為2022年2月18日19:05，此時(shí)G1覆蓋外保溫被屋面熱通量為38.9 W/m2，單層玻璃屋面為166.8 W/m2，覆蓋外保溫被可減少玻璃屋面熱損失77%。因此，溫室覆蓋外保溫被保溫隔熱效果明顯。

圖12 外保溫連棟溫室屋面紅外熱成像

2.6 典型天氣室內(nèi)環(huán)境變化特征

2.6.1 典型天氣光熱環(huán)境變化

圖13a為晴天G1室內(nèi)氣溫、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射的變化。07:30收攏東側(cè)屋面外保溫被，此時(shí)室外太陽(yáng)輻射為19.4 W/m2，室內(nèi)氣溫為13.6 ℃。10 min后室內(nèi)氣溫上升0.1 ℃，未出現(xiàn)氣溫驟降現(xiàn)象，其原因是西側(cè)屋面外保溫未收攏，在保證太陽(yáng)輻射從東側(cè)屋面進(jìn)入溫室的同時(shí)，減少了溫室熱損失，溫室得熱大于失熱。隨著太陽(yáng)輻射逐漸增加，07:30—09:30室內(nèi)氣溫逐漸升高，氣溫升速為1.8 ℃/h。09:30收攏西側(cè)屋面外保溫被，此時(shí)室內(nèi)太陽(yáng)輻射達(dá)到62.8 W/m2，氣溫為17.6 ℃。外保溫全收攏且密閉期間（09:30—12:00）氣溫升速為3.0 ℃/h，升溫速度較未完全收攏外保溫時(shí)段快。12:50溫室氣溫最高26.0 ℃，此時(shí)太陽(yáng)輻射也達(dá)到最大為173.2 W/m2，同時(shí)空氣相對(duì)濕度降至最低為75%。16:30覆蓋外保溫被，室內(nèi)氣溫逐漸下降，19:45室內(nèi)最低氣溫為12.2 ℃，此時(shí)相對(duì)濕度最高為93%。20:00開(kāi)啟加熱，室內(nèi)氣溫逐漸升高，相對(duì)濕度逐漸下降。

圖13b為雪天G1室內(nèi)氣溫、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射的變化。09:00同時(shí)收攏東、西兩側(cè)屋面外保溫被，此時(shí)室外太陽(yáng)輻射為58.1 W/m2，室內(nèi)氣溫為16.2 ℃，無(wú)驟降現(xiàn)象，升溫緩慢。09:30開(kāi)始降雪，室內(nèi)氣溫下降，從10:10開(kāi)始?xì)鉁鼗厣?，?1:35室內(nèi)氣溫達(dá)到最高值16.8 ℃，此時(shí)太陽(yáng)輻射也達(dá)到最大87.9 W/m2。16:00覆蓋外保溫被，此時(shí)氣溫下降至最低為12.9 ℃，同時(shí)，室內(nèi)空氣相對(duì)濕度最高為93%。18:00溫室開(kāi)啟加溫，室內(nèi)氣溫上升，相對(duì)濕度降低。

圖13 典型天氣外保溫連棟溫室光熱環(huán)境變化

2.6.2 典型天氣熱通量變化

在晴天（圖14a），07:10 G2收攏雙層內(nèi)保溫幕，玻璃屋面熱通量上升了36%；07:40 G1收攏東側(cè)屋面外保溫被，覆蓋外保溫被玻璃屋面熱通量上升了60%，單層玻璃屋面熱通量下降了10%。原因是G2隨著雙層內(nèi)保溫幕的收攏，室內(nèi)熱空氣上升，導(dǎo)致玻璃屋面兩側(cè)溫差增大，熱通量上升；G1收攏東側(cè)屋面外保溫被，屋面熱阻值下降；同時(shí)，G1室內(nèi)氣溫下降，室內(nèi)外溫差降低，單層玻璃屋面熱通量下降。16:00 G1覆蓋外保溫被，屋面熱通量驟降84%后逐漸穩(wěn)定，單層玻璃屋面在覆蓋外保溫被后熱通量下降明顯。G2在16:30覆蓋雙層內(nèi)保溫幕，玻璃屋面熱通量驟降36%，17:00溫室加溫開(kāi)啟，熱通量總體呈上升趨勢(shì)。19:30 G1加溫開(kāi)啟，覆蓋外保溫被玻璃屋面、單層玻璃屋面熱通量逐漸上升，隨后在22:30左右隨室外環(huán)境變化熱通量開(kāi)始下降。

在雪天（圖14b），07:10 G2收攏雙層內(nèi)保溫幕，熱通量上升到最高為215.7 W/m2后逐漸下降，此時(shí)G1覆蓋外保溫被的玻璃屋面熱通量為81 W/m2。09:00 G1同時(shí)收攏東、西兩側(cè)屋面外保溫被，之前覆蓋外保溫被的玻璃屋面熱通量升高了70%，一直為單層玻璃的屋面下降了27%，原因同晴天。16:00 G1覆蓋外保溫被，覆蓋外保溫被的玻璃屋面熱通量驟降至49.4 W/m2，單層玻璃屋面熱通量逐漸上升，18:15上升到233.6 W/m2后逐趨于穩(wěn)定。

圖14 典型天氣條件下熱通量的變化

3 結(jié) 論

本研究以降低屋面熱損失為出發(fā)點(diǎn)，創(chuàng)新溫室結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)建造了外保溫連棟溫室，通過(guò)試驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：

1）外保溫連棟溫室在外保溫被全收攏時(shí)總透光率為40%，比同地區(qū)文洛型連棟溫室高7個(gè)百分點(diǎn)，跨中采光最佳，跨東、跨西及天溝下方太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與跨中相比分別減少17%、29%及46%。

2）外保溫連棟溫室在09:30—12:00溫升速為1.9 ℃/h，略低于文洛型連棟溫室，但收攏保溫后10 min內(nèi)室內(nèi)氣溫驟降幅度比文洛型連棟溫室低0.3 ℃。外保溫連棟溫室水平方向氣溫分布均勻；垂直方向平均溫差在白天溫室密閉且外保溫全收攏期間（10:00—16:00）不超過(guò)3.8 ℃，在覆蓋外保溫且加溫期間（20:00—07:00）不超過(guò)1.0 ℃，小于文洛型連棟溫室。

3）2022年1月13日至2月21日，溫室夜間加溫期間外保溫連棟溫室平均氣溫為13.1～16.1 ℃，室內(nèi)外平均溫差為12.8～21.0 ℃。覆蓋外保溫被的屋面平均熱通量為50.0～97.7 W/m2，單層玻璃屋面為217.6～367.9 W/m2，覆蓋外保溫被可減少屋面熱損失75%。同期，采用雙層內(nèi)保溫的文洛型連棟溫室玻璃屋面平均熱通量為141.1～232.2 W/m2，外保溫連棟溫室與之相比屋面熱損失降低36%，具有更佳的保溫性能。連續(xù)40 d外保溫連棟溫室平均熱量投入實(shí)測(cè)為74.5 W/m2，并維持17.4 ℃的室內(nèi)外平均溫差，耗能較低。

該研究是對(duì)國(guó)產(chǎn)化低能耗大型連棟溫室發(fā)展道路的創(chuàng)新探索，為設(shè)施園藝低碳生產(chǎn)提供了新路徑。隨著連棟溫室外保溫被機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與配套技術(shù)工藝愈發(fā)成熟，外保溫連棟溫室在中國(guó)北方地區(qū)將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Analyzing light and thermal environment and insulation performance of a multi-span greenhouse with external insulation

CHEN Fan1,2, SUN Weituo1, YU Wenya3, WEI Xiaoming1, ZHOU Baochang1,4, LI Youli1, GUO Wenzhong1※

(1.,,100097,;2.,,750000,;3..,.,100089,;4.,,100193,)

Large-scale greenhouse can be expected to serve as the future direction in the horticulture industry. However, the multi-span greenhouses can consume a large amount of energy for heating in winter in northern China, resulting in low profitability and sustainability. In this study, a multi-span greenhouse was designed with large roofs and external insulation, in order to reduce the heat loss of the greenhouse roof. The external insulation system was innovatively applied to the multi-span greenhouse. The greenhouse design was expected to improve thermal insulation performance and reduce heating energy consumption. A field test was carried out in Shouguang, Shandong Province, China. Taking the Venlo-type multi-span greenhouse in the same area as a reference, a systematic investigation was made on the light and thermal environment, thermal insulation performance of the multi-span greenhouse with external insulation. The experimental data were analyzed from continuous 40 winter days. The results show that: 1) The average solar radiation was 152 W/m2above the crop canopy inside the tested greenhouse during the day (10: 00-16: 00), and the total light transmittance was 40%, which was 7 percentage points higher than that of Venlo type multi-span greenhouse. The best daylighting was found in the middle of the greenhouse span, due to the influence of the gutter. The solar radiation intensity at the east and west of the greenhouse span and under the gutter was reduced by 17%, 29%, and 46%, respectively, compared with the middle. 2) There was the folded in turn for the external thermal blankets covering the east and west greenhouse roofs after the sun rose. Specifically, the indoor air temperature rose at 1.9 ℃/h from 09:30 to 12:00, which was 0.3 ℃/h slower than that of the Venlo-type one. However, the sudden drop in the air temperature of the multi-span greenhouse with the external insulation was reduced by 0.3℃ within 10 min after folding insulation devices. The tested greenhouse was heated by the internal air circulation, with the air coming out from the ground and then returning to the equipment room through the inner side windows. During the heating period (20:00-07:00), the average temperature difference of indoor air in the horizontal direction did not exceed 1.2 ℃, without exceeding 1.0 ℃ in the vertical direction. The uniform distribution was observed in the horizontal temperature of the multi-span greenhouse with the external insulation. The vertical temperature difference was smaller than that of the Venlo-type one. 3) The average air temperature at nighttime inside the multi-span greenhouse with external insulation ranged from 13.1 to 16.1 ℃, and the average temperature difference between indoor and outdoor air was 12.8-21.0℃. The average heat flux of the glass roof that was covered with the external thermal blanket was 50.0-97.7 W/m2, while the single-layer glass roof was 217.6-367.9 W/m2. The greenhouse covering with the external thermal blanket was reduced by 75% in the heat loss of the glass greenhouse roof. At the same time, the average heat flux was 141.1-232.2 W/m2in the Venlo-type one with double-layer indoor thermal screens in use. The roof heat loss of the multi-span greenhouse with the external insulation was reduced by 36%, indicating a better insulation performance. The mean heat energy input of the multi-span greenhouse with external insulation was measured to be 74.5 W/m2during the heating period, maintaining an average temperature difference between indoor and outdoor air of 17.4 ℃. Thus, the energy consumption of heating the multi-span greenhouse with the external insulation was low. Finally, the fitted influence of indoor and outdoor air temperature differences on the heat fluxes of greenhouse roofs was presented, and the tested greenhouse showed better goodness of fitting. This finding can provide a new type of greenhouse structure for the low-carbon and energy-saving production of multi-span greenhouses. A data basis can also be offered for the optimal design and engineering application of the multi-span greenhouse with external insulation.

greenhouse; temperature; environment; thermal insulation; solar radiation; air temperature; heat flux

10.11975/j.issn.1002-6819.202212081

S625.5；S26+1

A

1002-6819(2023)-06-0194-10

陳帆，孫維拓，禹文雅，等. 外保溫連棟溫室光熱環(huán)境及保溫性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(6)：194-203.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212081 http://www.tcsae.org

CHEN Fan, SUN Weituo, YU Wenya, et al. Analyzing light and thermal environment and insulation performance of a multi-span greenhouse with external insulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(6): 194-203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212081 http://www.tcsae.org

2022-12-12

2023-01-20

北京市鄉(xiāng)村振興科技項(xiàng)目（20220716；20221230-02）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（BAIC08-2022）；國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心壽光試驗(yàn)站項(xiàng)目（QDJY-2019-030）

陳帆，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝環(huán)境工程。Email：chenfan_nercita@163.com

郭文忠，研究員，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程與智能裝備。Email：guowz@nercita.org.cn