烏日力格崔世茂*宋 陽，2呂?；⑼跤耢o孫世軍趙振宇

（1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019；2內(nèi)蒙古華申創(chuàng)達(dá)科技有限公司，內(nèi)蒙古包頭014010；3包頭市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古包頭 014013）

據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化管理司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年全國設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積208.288萬hm2，其中連棟溫室面積5.177萬hm2，日光溫室面積66.145萬hm2，塑料大棚面積136.967萬hm2。設(shè)施農(nóng)業(yè)越來越受歡迎的同時(shí)，也出現(xiàn)了越來越多有待解決的問題。三面環(huán)墻作為日光溫室的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有吸收和傳遞熱量功能，對維持作物正常生長發(fā)育所需溫度起著關(guān)鍵性作用。目前，日光溫室主要墻體結(jié)構(gòu)有傳統(tǒng)的機(jī)打土墻、磚墻以及復(fù)合異質(zhì)墻體等，其中理想的復(fù)合異質(zhì)墻體具有三層結(jié)構(gòu)，即內(nèi)側(cè)由蓄熱、吸熱能力較強(qiáng)的材料組成蓄熱層，外側(cè)由導(dǎo)熱、散熱能力較弱的材料組成保溫層，中間由隔熱性能較強(qiáng)的材料形成隔熱層（宋明軍和趙鵬，1999；周長吉，1999；張立蕓 等，2006；管勇 等，2012；張義 等，2012）。

日光溫室主要能量來源是太陽輻射能。日光溫室墻體具有保溫蓄熱和放熱雙重功能，蓄熱層白天蓄積熱量，隔熱層和保溫層則防止墻體熱量散失。白天，太陽光以短波輻射形式透過前屋面進(jìn)入溫室內(nèi)，被室內(nèi)墻體、地面、空氣以及植物等吸收，再以熱的形式進(jìn)行交換、傳遞。其中，部分熱量儲(chǔ)存到墻體、土壤；夜間，白天所貯藏的熱量向溫室內(nèi)緩慢釋放（馬承偉 等，2008；薛亞寧 等，2010）。在各種園藝設(shè)施結(jié)構(gòu)中，節(jié)能日光溫室是我國獨(dú)創(chuàng)的具有民族自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種溫室類型，其最大的特點(diǎn)就是兼具良好的保溫和蓄熱性能，使夜間室內(nèi)氣溫保持較高的水平（李明 等，2016；石玉 等，2017）。

為充分利用太陽輻射能且提高日光溫室墻體的保溫蓄熱性能，諸多學(xué)者對日光溫室墻體材料及墻體結(jié)構(gòu)類型等方面進(jìn)行了一系列研究，并取得了一些重要進(jìn)展。提高太陽能利用效率并對溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改造是一個(gè)新的研究方向。劉文合和蓋世臣（2015）通過利用太陽能集熱器加熱水，并在地下散熱水管中循環(huán)散熱直接對溫室內(nèi)土壤進(jìn)行加熱，以達(dá)到降低耗能量、提高溫室內(nèi)溫度的目的，試驗(yàn)結(jié)果表明太陽能輔助加溫系統(tǒng)具有明顯增加室溫的效果。Arkar等（2016）為溫室設(shè)計(jì)了一種太陽能空氣加熱系統(tǒng)，并分析了其蓄熱性能以及太陽能的利用率。對日光溫室墻體結(jié)構(gòu)類型的研究也有重要研究進(jìn)展，如張義等（2012）設(shè)計(jì)了一種以日光溫室墻體結(jié)構(gòu)為依托的水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)可將溫室內(nèi)夜間溫度提高5.4 ℃以上，實(shí)現(xiàn)了果菜類蔬菜安全越冬，同時(shí)將上市時(shí)間至少提前20 d。郭建業(yè)等（2016）設(shè)計(jì)出以日光溫室墻體結(jié)構(gòu)為依托的水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將平均氣溫提高3.65 ℃以上，地溫提高2.0 ℃左右；夜間氣溫至少提高3.0 ℃，地溫提高1.0 ℃以上，既能有效地提高溫度，還能替代化石燃料的使用而減少有害氣體的排放量。本試驗(yàn)利用水的比熱容大、吸收熱量多、成本低的優(yōu)點(diǎn)，通過在日光溫室后墻體（37墻）表面加裝蓄熱水管的方法吸收溫室內(nèi)多余的太陽輻射能來提高墻體蓄放熱性，從而有效改善日光溫室溫度環(huán)境，以期為冬季日光溫室的蔬菜栽培提供理論依據(jù)和實(shí)踐支持。

1 材料與方法

1.1 日光溫室概況

試驗(yàn)溫室位于包頭市農(nóng)牧科學(xué)院研究所試驗(yàn)基地。溫室方位為南偏西5°，南北跨度10 m，東西長度100 m，后墻高度4.2 m，后墻厚度0.37 m，外拱高度5.6 m，內(nèi)拱高度4.67 m，室內(nèi)無立柱，采用單膜雙保溫被覆蓋，內(nèi)層專用輕質(zhì)防水保溫被，各保溫被均可獨(dú)立卷放，外層固定PO棚膜，37墻外貼0.1 m厚聚苯板輔助保溫。

1.2 水管蓄熱墻體的設(shè)計(jì)

水管為PE材質(zhì)，將其固定于日光溫室后墻表面，距地表面高度為0.2 m，每個(gè)水管外徑為0.1 m，水管間距為0.4 m，水管高度為3 m，溫室共有28根水管，水管蓄熱墻體總長度約14 m，蓄熱水管總體積為0.66 m3（圖1）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

將普通日光溫室（37墻）用雙層間距2 m的PE膜分成兩個(gè)大小相等的區(qū)域。溫室東側(cè)為水管蓄熱墻體溫室（圖2），西側(cè)為普通日光溫室（37墻），將普通日光溫室作為對照區(qū)。試驗(yàn)于2016年12月1日至2017年2月28日進(jìn)行。重點(diǎn)觀測溫室內(nèi)空氣溫度、蓄熱水管內(nèi)水溫、后墻表面溫度以及墻體內(nèi)部（距后墻內(nèi)表面向外10、20 cm處）溫度，測試點(diǎn)布置如圖1所示。蓄熱水管內(nèi)水溫測點(diǎn)（溫度探頭）置于蓄熱水管壁表面與后墻表面中間，為防止外界環(huán)境影響，用泡沫將溫度探頭與墻體、空氣隔絕。墻體溫度數(shù)據(jù)采用ZDR多路溫度記錄儀（杭州澤大儀器有限公司）實(shí)時(shí)監(jiān)測，測量范圍為-40～100 ℃，精度±0.2 ℃。水管溫度、室內(nèi)外空氣溫度以及土壤溫度數(shù)據(jù)采用測試范圍為-20～40 ℃，精度為±0.5 ℃的RC-4迷你型溫度記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)均每15 min采集1次。試驗(yàn)期間每天上午9：00開啟棉簾（保溫被），下午16：00關(guān)閉棉簾。

圖1 試驗(yàn)溫室結(jié)構(gòu)及測點(diǎn)布置

圖2 試驗(yàn)區(qū)水管蓄熱墻體

2 結(jié)果與分析

2.1 蓄熱水管對日光溫室環(huán)境溫度的影響

2.1.1 典型晴天蓄熱水管對室內(nèi)氣溫的影響 由圖3可知，上午9：00開棉簾前，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)氣溫均達(dá)到最低，分別為8.5 ℃和6.2 ℃，試驗(yàn)區(qū)比對照區(qū)高2.3 ℃。打開棉簾之后，由于太陽輻射強(qiáng)度的增加，以及外界氣溫的熱傳導(dǎo)作用下，試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)氣溫均呈升高趨勢，試驗(yàn)區(qū)氣溫升高較快。由于對照區(qū)磚墻吸收熱量快，中午13：00對照區(qū)氣溫率先達(dá)到最高溫度30.2 ℃，試驗(yàn)區(qū)在14：00達(dá)到最高溫度，為40.2 ℃。隨后由于太陽輻射強(qiáng)度降低，溫室內(nèi)氣溫逐漸下降。但是試驗(yàn)區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)。可見加裝水管后，白天由于水管吸收一部分太陽輻射，所以試驗(yàn)區(qū)達(dá)到最高氣溫滯后于對照區(qū)，下午太陽能輻射減少后，試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)氣溫迅速降低，但是由于水管不斷地向外散發(fā)熱量，所以試驗(yàn)區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)。

圖3 典型晴天日光溫室氣溫日變化曲線（2017-01-14）

2.1.2 典型陰天蓄熱水管對室內(nèi)氣溫的影響 由圖4可知，陰天上午9：00開棉簾前，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)氣溫均達(dá)到最低，分別為9.8 ℃和9.2 ℃，水管外壁溫度為11.3 ℃；打開棉簾后，由于微弱的太陽輻射強(qiáng)度的照射，試驗(yàn)區(qū)、對照區(qū)及蓄熱水管內(nèi)水溫均呈緩慢升高的趨勢。試驗(yàn)區(qū)氣溫升高最快，其次是對照區(qū)，水管溫度升高最慢。受太陽輻射照度的影響，14：00才達(dá)到日最高溫，水管溫度、試驗(yàn)區(qū)和對照區(qū)氣溫分別為25.6、37.5、37.1 ℃。隨后溫室內(nèi)氣溫及蓄熱水管內(nèi)水溫逐漸下降。但是水管降溫速度最慢，溫度最高，同時(shí)試驗(yàn)區(qū)氣溫始終高于對照區(qū)。可見加裝水管后，陰天也能達(dá)到提高室內(nèi)氣溫以及保溫的目的。

2.2 日光溫室后墻墻體溫度日變化曲線

墻體溫度變化幅度反映了日光溫室保溫性能及吸熱放熱速度。圖5為2017年1月14日（晴天）試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)墻體溫度日變化曲線。夜間（關(guān)閉棉簾期間），試驗(yàn)區(qū)后墻距墻體內(nèi)表面0、10、20 cm處溫度始終高于對照區(qū)對應(yīng)位置處的溫度，其中試驗(yàn)區(qū)后墻距墻體內(nèi)表面0、10、20 cm處最低溫度分別出現(xiàn)在9：00、9：00、10：00，分別為10.9、12.2、11.7 ℃；對照區(qū)后墻距墻體表面0、10、20 cm處最低溫度分別出現(xiàn)在9：00、9：00、10：00，分別為8.2、10.1、10.7 ℃。試驗(yàn)區(qū)后墻距墻體內(nèi)表面0 cm和20 cm處溫差為0.8 ℃，而對照區(qū)溫差為2.5 ℃。試驗(yàn)區(qū)后墻距墻體內(nèi)表面0、10、20 cm處最低溫度變化趨勢為先升高再降低，對照區(qū)則一直升高，說明對照區(qū)后墻一直向外散熱，試驗(yàn)區(qū)墻體保溫性能強(qiáng)于對照區(qū)。由于太陽輻射強(qiáng)度的增強(qiáng)，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)后墻溫度均呈升高趨勢。但是由于對照區(qū)磚墻表面吸收熱量快，所以中午開棉簾期間，對照區(qū)磚墻表面溫度高于試驗(yàn)區(qū)。隨后試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)后墻內(nèi)部溫度逐漸降低，由于蓄熱水管將白天所吸收的太陽輻射能緩慢釋放到溫室環(huán)境及墻體中，使試驗(yàn)區(qū)后墻表面溫度高于對照區(qū)，且降溫速度低于對照區(qū)。

圖4 典型陰天日光溫室氣溫日變化曲線（2017-01-28）

圖5 日光溫室后墻內(nèi)部溫度日變化曲線

2.3 連續(xù)不良天氣條件下墻體內(nèi)部溫度變化曲線

圖6 連續(xù)不良天氣條件下墻體內(nèi)部溫度變化曲線

由圖6可見，2017年1月4日（霧霾天氣）9：00試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)墻體內(nèi)部溫度達(dá)到最低值，試驗(yàn)區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為 10.6、11.8、11.5 ℃，比對照區(qū)分別提高 1.7、1.3、0.4 ℃。1月5日（典型陰天）9：30左右墻體內(nèi)部溫度達(dá)到最低值。試驗(yàn)區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為11.2、12.1、11.8 ℃，比對照區(qū)分別提高1.6、1.3、0.6 ℃。1月6日（雨夾雪天氣）由于天氣原因，當(dāng)天墻體內(nèi)部溫度最低值出現(xiàn)在11：30左右，試驗(yàn)區(qū)自墻體表面0、10、20 cm處墻體溫度分別為10.8、11.9、11.8 ℃，比對照區(qū)分別提高1.4、1.2、0.6 ℃。表明日光溫室后墻加裝蓄熱水管之后，在連續(xù)不良天氣條件下墻體內(nèi)部最低溫度均高于對照區(qū)相應(yīng)墻體內(nèi)部溫度，其墻體保溫性能顯著提高。

2.4 日光溫室內(nèi)氣溫比較

日光溫室保溫性能主要體現(xiàn)在12月至翌年2月，由表1可見，1月外界氣溫最低時(shí)期，試驗(yàn)區(qū)最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫均高于對照區(qū)，分別提高了5.22、0.71、1.36 ℃。12月試驗(yàn)區(qū)最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫也均高于對照區(qū)。2月隨著外界氣溫慢慢升溫，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)氣溫?zé)o明顯差異。可見，加裝水管之后12月和1月溫室保溫效果更加明顯。

表1 日光溫室月平均氣溫比較 ℃

2.5 蓄熱水管對土壤溫度的影響

2.5.1 溫室內(nèi)土壤溫度比較 由圖7可見，2017年1月試驗(yàn)區(qū)溫室內(nèi)土壤平均溫度始終顯著高于對照區(qū)。其中，1月6日是雨夾雪天氣，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)平均土壤溫度分別為14.8 ℃和12.3 ℃，相差2.5℃。1月14日是典型的晴天，試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)平均土壤溫度分別為16.9 ℃和13.7 ℃，相差3.2 ℃。

2.5.2 連續(xù)不良天氣土壤溫度比較 由圖8可見，2017年1月4日（霧霾天氣）10：00試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)土壤溫度達(dá)到最低值，分別為13.9℃和10.8 ℃，相差3.1 ℃。1月5日（典型陰天）10：00試驗(yàn)區(qū)與對照區(qū)土壤溫度達(dá)到最低值，試驗(yàn)區(qū)比對照區(qū)高3.0 ℃。1月6日（雨夾雪天氣），由于天氣原因土壤溫度最低值出現(xiàn)在13：00，試驗(yàn)區(qū)比對照區(qū)高2.6 ℃?？梢娙展鉁厥液髩友b蓄熱水管之后，在連續(xù)不良天氣條件下（2017年1月12～14日）土壤最低溫度均高于對照區(qū)。

圖7 1月溫室內(nèi)平均土壤溫度變化曲線

2.5.3 連續(xù)晴天土壤溫度比較 由圖9可見，與連續(xù)不良天氣土壤溫度變化趨勢類似，日光溫室后墻加裝蓄熱水管之后，在連續(xù)晴天條件下（2017年1月12～14日）土壤最低溫度均高于對照區(qū)，增溫幅度為2.0～3.7 ℃。

圖8 連續(xù)不良天氣條件下日光溫室土壤溫度變化曲線

圖9 連續(xù)晴天條件下日光溫室土壤溫度變化曲線

3 結(jié)論與討論

日光溫室是一種利用太陽輻射能進(jìn)行熱量蓄積和釋放的農(nóng)業(yè)設(shè)施，白天通過墻體、土壤等蓄積太陽能，并在夜間室內(nèi)溫度降低時(shí)將白天蓄積的熱量釋放到環(huán)境當(dāng)中，維持溫室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)（方慧 等，2012）。因此，了解日光溫室墻體熱特性規(guī)律對設(shè)施蔬菜栽培生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，墻體會(huì)將蓄積的熱量釋放到作物生長環(huán)境中，確保作物的正常生長發(fā)育。日光溫室墻體蓄熱性能受到多種環(huán)境因素的共同作用，包括墻體材料、墻體結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外空氣溫度等。本試驗(yàn)利用水的比熱容大、吸收熱量多、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在日光溫室后墻體（37墻）表面加裝蓄熱水管的方法提高墻體蓄放熱性，通過分析加裝蓄熱水管后墻體內(nèi)部溫度變化規(guī)律及氣溫變化規(guī)律，得到如下結(jié)論。

加裝蓄熱水管之后墻體內(nèi)部溫度晝夜變化趨勢變緩，開棉簾之前，試驗(yàn)區(qū)自墻體內(nèi)表面0、10、20 cm處最低溫度變化趨勢為先升高再降低，而對照區(qū)相同位置處最低溫度變化趨勢為一直升高，說明對照區(qū)后墻一直向外散熱，加裝蓄熱水管明顯提高了墻體保溫性能。

日光溫室加裝蓄熱水管后，晴天時(shí)最低氣溫提高2.3 ℃，陰天時(shí)最低氣溫提高0.6 ℃，此結(jié)果與梁浩等（2013）的研究結(jié)果稍有差距，是因?yàn)楸驹囼?yàn)加裝的水管總體積（0.66 m3）較小，提高的溫度有限，且試驗(yàn)地不在同一地區(qū)。1月試驗(yàn)區(qū)最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫比對照區(qū)分別提高了5.22、0.71、1.36 ℃。說明在關(guān)閉棉簾期間，當(dāng)環(huán)境溫度低于水管溫度時(shí)，加裝的蓄熱水管將白天蓄積的太陽輻射能緩慢向室內(nèi)釋放，從而使低的環(huán)境溫度與作物正常生長溫度達(dá)到平衡狀態(tài)。

土壤溫度是日光溫室蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)境指標(biāo)，可直接影響作物根系的生長和養(yǎng)分的吸收，也是室溫升高的直接熱量來源之一（管勇 等，2012）。劉圣勇等（2003）研究表明，采用太陽能地下加熱系統(tǒng)，地溫平均提高4.4 ℃，黃瓜產(chǎn)量可提高21%以上。本試驗(yàn)中，日光溫室加裝蓄熱水管后，在連續(xù)不良天氣（3 d）條件下，能將日光溫室土壤（20 cm）日最低溫提高2.6～3.1℃；連續(xù)晴天（3 d）條件下，能將日光溫室土壤（20 cm）日最低溫提高2.0～3.7 ℃?？梢姡还芮缣爝€是連陰天，加裝蓄熱水管對土壤溫度提高顯著。春、夏黃瓜自根苗在土壤溫度14 ℃以下時(shí)，根系生長明顯受阻（Tachibana，1982），本試驗(yàn)在加裝蓄熱水管之后能將土壤（20 cm）溫度提高到14 ℃以上，可以為黃瓜自根苗以及其他喜溫性蔬菜的生長發(fā)育提供了較好的土壤生長環(huán)境。

本試驗(yàn)加裝的蓄熱水管體積（0.66 m3）較小，但仍可以在陰天條件下使室內(nèi)最低氣溫提高0.6℃，在連續(xù)不良天氣條件下使室內(nèi)土壤溫度（20 cm）提高2.6 ℃以上，并且能提高墻體保溫蓄熱性能。假設(shè)將0.66 m3體積的水量增加到兩倍以上，可以使室內(nèi)氣溫、墻體保溫性能以及土壤溫度的提高更為顯著。本試驗(yàn)建造成本較低，與傳統(tǒng)的加溫方式相比具有節(jié)約能源、環(huán)保及節(jié)省人工的優(yōu)勢，相比土墻、秸稈墻體溫室而言，降低了墻體占地面積，有效提高了土地利用率。可見，加裝蓄熱水管明顯地改善了溫室內(nèi)的熱環(huán)境，提高了日光溫室的太陽能熱利用率。