李 葦，李惠玲，王 巖（1.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 10015；.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 51060；.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣州 510555）

中國連棟溫室發(fā)展始于20 世紀(jì)70 年代末，主要通過引進(jìn)國外大型連棟溫室，并在消化吸收的基礎(chǔ)上進(jìn)行自主創(chuàng)新研究，20 世紀(jì)80年代后期，已基本形成自主溫室產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系，直至2000 年，國產(chǎn)連棟溫室已達(dá)到70%左右[1-3]。連棟溫室作為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，具有產(chǎn)出高、抗災(zāi)害能力強(qiáng)、科技含量高等特點(diǎn)，研究表明，大型連棟溫室單產(chǎn)就可以提高4～5 倍[4-6]。然而，目前中國大型連棟溫室普遍存在投入高、收益小的問題，主要原因是溫室小氣候環(huán)境調(diào)控管理成本偏高。

高溫高濕地區(qū)溫室主要考慮采光、抗風(fēng)、防雨、降溫性能，降溫措施主要有自然通風(fēng)降溫、遮陽降溫、噴霧降溫、蒸發(fā)降溫，空調(diào)降溫，采用外遮陽，內(nèi)遮陽、風(fēng)機(jī)濕簾、層面噴淋、室內(nèi)噴霧以及循環(huán)風(fēng)機(jī)等降溫形式[7-8]。通風(fēng)降溫性能較好的溫室大棚資金投入較大，回收周期較長，發(fā)展受到一定程度的限制，推廣應(yīng)用難度相對較大。為了提高溫室通風(fēng)降溫效果，同時減少溫室運(yùn)營成本，對高溫高濕地區(qū)溫室進(jìn)行溫濕度、光照的測試及分析，對后續(xù)溫室環(huán)境模擬和改善溫室結(jié)構(gòu)具有一定實際意義。

材料與方法

試驗材料

試驗溫室為廣東省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站示范基地2019 年新建的蝶形開窗玻璃溫室。試驗溫室坐落于廣州市天河區(qū)柯木塱，東經(jīng)113°40′，北緯23°18′，海拔30 m。廣州市屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏長冬暖，雨量充沛。

試驗溫室是一座綜合性展覽溫室，內(nèi)部分5個功能區(qū)，各功能區(qū)間設(shè)有玻璃隔斷墻，隔斷墻無側(cè)窗通風(fēng)（圖1～2）。溫室主體采用連棟小尖頂結(jié)構(gòu)，主體構(gòu)架采用輕型熱鍍鋅鋼材料。溫室天窗裝置繞屋頂鋁合金專用型材旋轉(zhuǎn)，采用電動扭矩分配開窗機(jī)構(gòu)，最大開啟角度達(dá)到45°，溫室四周裝有高約1.5 m 電動垂直升降側(cè)窗，通風(fēng)口均安裝防蟲網(wǎng)。溫室內(nèi)設(shè)有內(nèi)遮陽系統(tǒng)，采用遮光率為60% 的鋁箔隔熱膜，用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)光照強(qiáng)度，與通風(fēng)窗相結(jié)合，可以提高溫室自然降溫效果。溫室屋面覆蓋4 mm 厚漫反射玻璃+AR 涂層，透光率93% 以上，四周覆蓋5 mm 厚度單層鋼化玻璃，并貼安全膜，透光率90% 以上，隔斷墻覆蓋4 mm 厚漫反射玻璃+AR涂層，透光率93% 以上。溫室內(nèi)配置風(fēng)機(jī)濕簾降溫裝置、循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)功率1.1 kW，轉(zhuǎn)速440 rpm，通風(fēng)量44500 m3/h，循環(huán)風(fēng)機(jī)功率185 W，轉(zhuǎn)速930 rpm，通風(fēng)量6500 m3/h。

圖1 試驗溫室平面圖

圖2 儀器安裝圖

屋頂天窗通風(fēng)口寬度1 m，長度為溫室沿屋脊方向長度，試驗區(qū)設(shè)置18 個連續(xù)天窗通風(fēng)口。溫室側(cè)窗長度為溫室山墻面長度，高度1.5 m，離地高0.3 m。溫室屋頂通風(fēng)口配置25 目防蟲網(wǎng)。四周通風(fēng)口裝設(shè)40 目防蟲網(wǎng)。風(fēng)機(jī)濕簾系統(tǒng)采用嵌入式安裝，溫室的一面山墻安裝風(fēng)機(jī)，另一山墻面安裝濕簾箱。試驗區(qū)濕簾高度1.8 m，厚0.15 m，長度19.2 m，風(fēng)機(jī)裝設(shè)9 臺。

試驗儀器

試驗所用儀器主要有環(huán)境數(shù)據(jù)采集器（Auto-100），溫度傳感器測量范圍為-40～60 ℃，測量精度±0.5 ℃，以水銀溫度計經(jīng)常性校準(zhǔn)溫度傳感器；相對濕度測量范圍0～100% 測量精度為±3%；光照度傳感器測量范圍0～200 klx，測量精度±5%，弱風(fēng)風(fēng)速傳感器0.3～60 m/s，分辨力0.05 m/s，起動風(fēng)速≤0.3 m/s。以上設(shè)備均由北京奧托智誠科技發(fā)展有限公司提供。

試驗設(shè)計

試驗于2020 年8 月9～12 日開展，試驗區(qū)溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。試驗期間試驗區(qū)內(nèi)未種植任何作物。

表1 溫室試驗區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)

室外環(huán)境參數(shù)測量

室外環(huán)境參數(shù)主要包括溫濕度、光照度、風(fēng)速風(fēng)向，通過室外數(shù)據(jù)采集器自動采集。室外采集系統(tǒng)位于溫室外空曠處，周圍無遮擋，傳感器安裝距地高2.5 m，室外環(huán)境數(shù)據(jù)每小時自動記錄1 次，通過計算機(jī)可以保存處理。

室內(nèi)溫濕度參數(shù)測量

溫濕度在試驗區(qū)內(nèi)沿橫向、縱向、豎向均勻布置27 個采樣點(diǎn)，其中，縱橫向均勻布置9個點(diǎn)，豎向分別布置低、中、高3 層，立面分布情況如圖3 所示，平面分布如圖4 所示。室內(nèi)溫濕度傳感器每小時采集1 次，試驗前溫室通風(fēng)半小時。進(jìn)行兩組對比試驗。

圖3 溫濕度采集點(diǎn)立面分布圖/mm

（1）自然通風(fēng)試驗：四周通風(fēng)口全開，天窗全開，自然通風(fēng)下，研究分析溫濕度隨外部環(huán)境因素變化情況。自然通風(fēng)試驗條件下，9:00～18:00 啟動室內(nèi)遮陽網(wǎng)系統(tǒng)。

（2）強(qiáng)制通風(fēng)試驗：根據(jù)華南地區(qū)溫室種植調(diào)研情況，人為設(shè)置降溫方案，研究分析溫室內(nèi)強(qiáng)制降溫情況，具體試驗方案如下：①提前開啟溫室天窗、側(cè)窗及門，6:00 開始溫室自然通風(fēng)試驗；②9:00 啟動室內(nèi)遮陽網(wǎng)系統(tǒng)，10:00 溫室內(nèi)進(jìn)行自然通風(fēng)；③10:00啟動風(fēng)機(jī)-濕簾系統(tǒng)和循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，關(guān)閉通風(fēng)窗系統(tǒng)，18:00 溫室內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)制降溫；④18:00 關(guān)閉風(fēng)機(jī)-濕簾系統(tǒng)，收起內(nèi)遮陽系統(tǒng)，開啟溫室通風(fēng)窗系統(tǒng)，溫室內(nèi)進(jìn)行自然通風(fēng)。

室內(nèi)光照度參數(shù)測量

室內(nèi)光照度在試驗區(qū)均勻布置9 個采集點(diǎn)，豎向布置1 層，離地高度0.6 m，具體分布情況見圖4。

圖4 溫濕度采集點(diǎn)平面分布圖/mm

室內(nèi)風(fēng)速參數(shù)測量

由于試驗區(qū)的對稱性，室內(nèi)風(fēng)速采用9 個弱風(fēng)速測量儀構(gòu)成多點(diǎn)檢測，對溫室內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)風(fēng)速進(jìn)行采集。采集平面布置3 個點(diǎn)，豎向布置3 層，具體分布情況如圖5 所示。

圖5 風(fēng)速采集點(diǎn)分布情況圖/mm

結(jié)果與分析

室內(nèi)外光照度隨時間變化

由圖6 可知，在一天時間里（6:00～18:00）室內(nèi)外光照度呈不規(guī)則變化，兩者變化趨勢基本一致，且室內(nèi)光照度較室外低。9:00 溫室啟動了室內(nèi)遮陽系統(tǒng)，室內(nèi)光照度有明顯降低，且室內(nèi)光照度保持較低水平，遮光效果顯著。室內(nèi)不同位置光照度無明顯差異。

圖6 溫室內(nèi)外光照度隨時間變化曲線圖

室內(nèi)外溫濕度變化規(guī)律

表2 是自然通風(fēng)條件下和不同工況條件下室外溫濕度統(tǒng)計表。由表可知，試驗溫室在測試期間處于高溫高濕環(huán)境。溫室自然通風(fēng)條件下，天窗、側(cè)窗及門都處于全開狀態(tài)，考慮晴天太陽強(qiáng)度較大，9:00 啟動室內(nèi)遮陽系統(tǒng)輔助溫室降溫。

表2 室外溫濕度統(tǒng)計表

由圖7 可知，室內(nèi)溫度高于室外，整體變化趨勢一致。11:00 室內(nèi)外溫度達(dá)到當(dāng)天峰值，對應(yīng)圖6 中，室外最高光照度，說明室外太陽能量對室內(nèi)溫度有顯著影響。室內(nèi)溫度在豎向存在明顯梯度變化，低層溫度明顯低于中高層，中高層溫度較為接近。溫度最高點(diǎn)時，豎向三層最大溫差為7.9℃。

圖7 自然通風(fēng)條件下溫室內(nèi)外溫度隨時間變化曲線圖

由圖8 可知，10:00 關(guān)閉通風(fēng)口后，啟動強(qiáng)制降溫系統(tǒng)，室內(nèi)豎向溫度梯度變化更加顯著，室內(nèi)低層溫度低于室外的，中高層溫度依舊高于室外的，說明強(qiáng)制降溫對低層降溫效果顯著，相對于室外，最大降溫4.8℃，室內(nèi)熱量集聚到溫室高層，并隨室外溫度降低逐步降低。

圖8 不同工況下溫室內(nèi)外溫度隨時間變化曲線圖

由圖9 可知，室內(nèi)相對濕度變化趨勢與溫度相反，且低于室外相對濕度，整體變化趨勢與室外相對濕度一致。自然通風(fēng)條件下，9:00啟動遮陽系統(tǒng)后，適當(dāng)阻止了室內(nèi)水分的蒸發(fā)，相對于室外，室內(nèi)相對濕度略有增加。室內(nèi)相對濕度在豎向呈梯度變化，低中層相對濕度高于高層，低中層差距不明顯。由圖10 可知，10:00 關(guān)閉通風(fēng)口后，啟動強(qiáng)制降溫系統(tǒng)，室內(nèi)相對濕度逐漸高于室外。室內(nèi)豎向相對濕度梯度變化更加顯著，低層相對濕度顯著高于中高層，最大相對濕度差23.1%。

圖9 自然通風(fēng)條件下溫室內(nèi)外相對濕度隨時間變化曲線圖

圖10 不同工況下溫室內(nèi)外相對濕度隨時間變化曲線圖

室內(nèi)外風(fēng)速變化規(guī)律

由圖11 可知，自然通風(fēng)條件下，室外風(fēng)速呈無規(guī)律變化，室內(nèi)風(fēng)速基本不受室外影響，且室內(nèi)風(fēng)速縱向變化不大。由圖12 可知，不同工況下，室內(nèi)外風(fēng)速變化關(guān)系依舊不大，但受風(fēng)機(jī)濕簾和循環(huán)風(fēng)機(jī)的影響，室內(nèi)縱向風(fēng)速分布梯度變化明顯，且低層風(fēng)速明顯增加，對室內(nèi)溫度分布產(chǎn)生一定的影響。

圖11 自然通風(fēng)條件下溫室內(nèi)外風(fēng)速隨時間變化曲線圖

圖12 不同工況下溫室內(nèi)外風(fēng)速隨時間變化曲線圖

室內(nèi)不同位置同一高度溫濕度變化規(guī)律

由圖13 可知，在自然通風(fēng)條件下，濕簾側(cè)在鋪開室內(nèi)遮陽后，各采樣點(diǎn)溫度分布較均勻，相對濕度變化相似，當(dāng)天最高溫度為11:00 的43.9℃。由圖14 可知，中部D2 溫度略高于E2和F2，相對濕度呈相反變化，E2 和F2 溫度差較小，相對濕度也相近。中部當(dāng)天最高溫度為11:00 達(dá)到43.7℃。由圖15 可知，風(fēng)機(jī)側(cè)各采樣點(diǎn)溫差較大，其中G2 溫度最高，相對濕度最低，當(dāng)天11:00 最高溫度達(dá)45.3℃。

圖13 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)中層濕簾側(cè)溫濕度變化曲線圖

圖14 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)中層中部溫濕度變化曲線

圖15 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)中層風(fēng)機(jī)側(cè)溫濕度變化曲線圖

中層在10:00 啟動強(qiáng)制降溫系統(tǒng)后，濕簾側(cè)溫度高于其他位置，且溫濕度分布均勻性最差。圖16 顯示，濕簾側(cè)當(dāng)天最高溫度在11:00達(dá)到43.8℃，最大溫差4.4℃，最大相對濕度差8.6%。圖17 顯示，中部當(dāng)天最高溫度為11:00的43.4 ℃，最大溫差2.6 ℃，最大相對濕度差11.6%。圖18 顯示，風(fēng)機(jī)側(cè)當(dāng)天最高溫度在11:00 為40.6℃，溫差1.6℃內(nèi)。

圖16 不同工況下室內(nèi)中層濕簾側(cè)溫濕度變化曲線圖

圖17 不同工況下室內(nèi)中層中部溫濕度變化曲線圖

圖18 不同工況下室內(nèi)中層風(fēng)機(jī)側(cè)溫濕度變化曲線圖

室內(nèi)中部不同高度溫濕度隨時間變化

由圖19 可知，自然通風(fēng)條件下，隨高度增加溫度呈遞增趨勢，相對濕度變化趨勢不明顯。中高層與低層溫度差距顯著，最大溫差5.5℃。由圖20 可知，不同工況下溫濕度變化趨勢與自然通風(fēng)條件下類似，但隨高度增加，溫度梯度變化加劇。低層與中層最大溫差9.8℃，中層與高層最大溫差8.5℃。說明封閉環(huán)境下，溫室內(nèi)熱量在頂部集聚，且無法消散，進(jìn)一步說明溫室屋面天窗結(jié)構(gòu)設(shè)計是必要的。

圖19 自然通風(fēng)條件下室內(nèi)中部不同高度溫濕度變化曲線

圖20 不同工況下室內(nèi)中部不同高度溫濕度變化曲線

討論和結(jié)論

室內(nèi)外光照度試驗表明，室外平均光照度52.7 kl x，最高1 48.3 kl x，室內(nèi)平均光照度7.2 klx，最高19.4 klx。溫室主體鋼構(gòu)架、覆蓋材料及室內(nèi)遮陽系統(tǒng)對室內(nèi)光照度有重要影響。

受溫室結(jié)構(gòu)及覆蓋材料采光性能的影響，室內(nèi)光照度較室外低[9]，與前人研究一致。對于白天高溫時段，作物氣孔關(guān)閉，不進(jìn)行光合作用，應(yīng)主要考慮降溫需求，若需要延長作物生長時間，可以增設(shè)補(bǔ)光設(shè)施。

自然通風(fēng)6:00～9:00，室內(nèi)溫濕度與室外相近，9:00 啟動遮陽系統(tǒng)后，阻止室內(nèi)水分蒸發(fā)，室內(nèi)相對濕度略有增加。10:00 啟動強(qiáng)制降溫系統(tǒng)，室內(nèi)低層溫度低于室外，降濕效果顯著，室內(nèi)相對濕度逐步高于室外。室內(nèi)溫濕度分布均勻性受溫室結(jié)構(gòu)影響，在空間呈不均勻分布，隨高度增加，溫度增加，相對濕度降低，強(qiáng)制降溫條件下，隨高度增加溫度差異更顯著，中高層與低層溫差最大可達(dá)9.8℃，室內(nèi)熱量集聚到溫室中高層，降溫措施對低層降溫效果顯著，最大降溫4.8℃。室內(nèi)不同位置溫濕度分布不均勻，自然通風(fēng)條件下，由于濕簾側(cè)與室內(nèi)過道鄰近，鋪開遮陽網(wǎng)后，受室外太陽光照和風(fēng)速影響較為均勻，因而，濕簾側(cè)溫濕度分布相對均勻，溫差在1.4℃內(nèi)。風(fēng)機(jī)側(cè)各采樣點(diǎn)鄰近通風(fēng)窗，均勻性就差，溫度較其他位置高，這與張芳等[10]研究規(guī)律相似；在啟動強(qiáng)制降溫系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)側(cè)溫濕度均勻性有改善，濕簾側(cè)溫濕度均勻性最差。觀賞性溫室一般建設(shè)的較高大，增大了空間面積，但同時也增加了環(huán)境控制難度。建議溫室風(fēng)機(jī)濕簾降溫設(shè)施設(shè)計不同高度，實現(xiàn)中高層溫度有效降溫，減少室內(nèi)熱量聚集效益。

在室內(nèi)外氣流交換速度不顯著條件下，室內(nèi)風(fēng)速呈弱風(fēng)速，室內(nèi)氣流速度幾乎不受室外影響；在強(qiáng)制降溫條件下，室內(nèi)氣流豎向呈梯度變化，隨高度增加，氣流速度降低。室內(nèi)風(fēng)速分布主要受溫室通風(fēng)結(jié)構(gòu)和室外風(fēng)速大小的影響[11-12]，現(xiàn)有研究表明，開側(cè)窗時通風(fēng)效果最佳，該試驗溫室結(jié)構(gòu)類似梅州圍屋，溫室脊高較大，試驗區(qū)兩側(cè)玻璃隔斷無通風(fēng)窗，因而室內(nèi)氣流變化效果不顯著。

本研究在高溫高濕地區(qū)溫室內(nèi)進(jìn)行了三維溫度場、濕度場和風(fēng)速場的實測試驗研究，分析了溫室內(nèi)溫濕度、光照、風(fēng)速隨時間的變化規(guī)律，比較了溫濕度空間變化規(guī)律，對改進(jìn)高溫高濕地區(qū)溫室結(jié)構(gòu)型式和通風(fēng)降溫方式具有一定意義。