吳菲菲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 包頭 014109）

作為北方冬季的關(guān)鍵農(nóng)業(yè)設(shè)施，日光溫室有著廣泛的應(yīng)用，但是傳統(tǒng)日光溫室普遍存在成本高、工序多、工程量大以及土壤性能受損等一系列問題，所以打造新型裝配式節(jié)能日光溫室非常有必要。新型裝配式節(jié)能日光溫室具有良好的冬季控溫效果，大大降低了冬季農(nóng)作物凍害問題的發(fā)生，具有較高的推廣價值。

1 當(dāng)前日光溫室的冬季控溫發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前所采用的日光溫室主要依靠太陽能來提供能量，并在土壤、山墻以及后墻內(nèi)對熱量進(jìn)行存儲。墻體表面在日間太陽輻射下，能夠保存熱量，可以使溫室中的溫度大于35 ℃，但是夜間會出現(xiàn)溫度降低的狀況，此時土壤、墻體能夠釋放所存儲的熱量，提升溫室的溫度。在這個過程中墻體表面、溫室空氣能夠進(jìn)行對流，交換熱量，且墻體也可以發(fā)揮導(dǎo)熱作用，將熱量釋放到溫室，使溫室中的溫度升高。然而在日光溫室墻體材質(zhì)特性的制約下，其蓄熱性能較差，因此在下半夜溫室的溫度較低，增大了低溫冷害問題的發(fā)生幾率，不利于提高作物產(chǎn)量。

日光溫室的墻體是關(guān)鍵的蓄熱保溫部分，在升級、改進(jìn)日光溫室時，主要會針對墻體進(jìn)行改造。結(jié)合日光溫室發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，后墻結(jié)構(gòu)發(fā)生了很多的改變，逐漸從土筑墻、磚砌墻轉(zhuǎn)變?yōu)楫愘|(zhì)復(fù)合墻或機(jī)打土墻等。眾多學(xué)者也針對日光溫室的墻體進(jìn)行研究，分析冬季控溫效果。其中，李小芳、陳青云在研究中詳細(xì)探究了日光溫室的氣溫受磚墻厚度、復(fù)合墻內(nèi)苯板厚度、組合墻體內(nèi)磚墻厚度、聚苯板厚度等因素的影響，明確了最佳控溫效果對應(yīng)的磚墻聚苯板隔熱材料厚度是0.1 m，且保持厚度不變的情況下，磚墻厚度越薄控溫效果越優(yōu)，同時控溫效果也會受薄磚墻材質(zhì)排列的影響；張義、楊其長等學(xué)者在論著中，基于日光溫室墻體結(jié)構(gòu)，設(shè)計出日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，發(fā)揮水循環(huán)的作用，在水池中存儲由水幕簾所吸收的日光能量，并于晚上對熱量進(jìn)行釋放，以此來達(dá)到良好的冬季控溫目的；王宏麗、任雷等學(xué)者在開展的研究中，探究北面符合保溫墻體的傳熱效果，通過相變材料的蓄熱性，避免日光溫室夜晚氣溫過低的問題，使北墻對日光的利用率顯著提升。此外，李炳海、劉圣勇等學(xué)者還借助太陽能土壤加溫系統(tǒng)，分析日光溫室的地溫改善狀況；方慧學(xué)者則分析了溫室蓄放熱增溫系統(tǒng)的控溫效果，借助透光水幕簾來高效化運(yùn)用太陽能，改善夜間溫室的低溫問題。

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)近年來提出一種全新的裝配式節(jié)能日光溫室，通過水載體來儲存太陽所釋放的熱量，并利用溫室淺層土壤進(jìn)行蓄熱，依托水循環(huán)作用實現(xiàn)淺層土壤、水池對熱量的收集和存儲，并在夜晚釋放土壤熱量，使氣溫得到提升，保障作物的成長。對于新型裝配式技能日光溫室的研究、設(shè)計工作，眾多學(xué)者在不斷探索和分析，為冬季日光溫室控溫工作的開展提供了參考和指導(dǎo)。

2 水循環(huán)系統(tǒng)、空氣——地中熱交換蓄放熱系統(tǒng)的設(shè)計

新型裝配式節(jié)能日光溫室主要采用的是水循環(huán)系統(tǒng)、空氣——地中熱交換蓄放熱系統(tǒng)，其中回水管道、水池、輸水管道、水泵以及采光板等共同構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。采光板（360 m2）位于日光溫室內(nèi)部的后墻體上，后墻內(nèi)地下設(shè)置了水池（32 m2），水泵的流量和功率分別設(shè)定為15 m2/h 平方米每小時和750 W。在白天會讓水循環(huán)系統(tǒng)處于啟動狀態(tài)，向采光板頂部對水進(jìn)行傳送，充分對太陽能進(jìn)行吸收后沿采光板間隙流出，再次回流入水池內(nèi)，從而在水池中存儲太陽能。而在夜晚溫室氣溫降低的情況下，則需要對水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行開啟，釋放由采光板存儲的熱量，調(diào)節(jié)溫室的氣溫，避免低溫狀況。新型裝配式節(jié)能日光溫室的水循環(huán)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 日光溫室的水循環(huán)系統(tǒng)

而溫室所運(yùn)用的空氣——地中熱蓄放熱交換系統(tǒng)工作原理則是借助風(fēng)機(jī)，對日光溫室頂層4.5 m 位置的熱空氣向地下0.5 m 處的熱交換管進(jìn)行導(dǎo)入處理，使日間太陽能的存儲熱量增大，以此來有效調(diào)節(jié)夜晚溫室的氣溫。

空氣——地中熱蓄放熱交換系統(tǒng)的開啟時間為上午10∶00 到下午3∶00，需要設(shè)置南北走向的地下熱交換管道，且將10 臺風(fēng)機(jī)每間隔6 m 進(jìn)行安放，各臺風(fēng)機(jī)對應(yīng)的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口應(yīng)分別位于日光溫室北面、南面，且運(yùn)行總功率是1.2 kW。該系統(tǒng)要在日光溫室的頂層布置上端進(jìn)風(fēng)口管道，保持同地面4.5 m的距離。

3 新型裝配式節(jié)能日光溫室的建立及實驗研究

（1）構(gòu)建試驗溫室。在北方某地區(qū)對新型裝配式節(jié)能日光溫室進(jìn)行構(gòu)建，且將溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計為半圓弧性骨架，選取具有移動功能的保溫山墻，借助巖棉彩鋼板對溫室進(jìn)行覆蓋，保障日光溫室的冬季控溫性能。該試驗日光溫室的占地面積是800 m2，后坡水平投影是1.7 m，采光角度是41°，整個溫室對應(yīng)的長、高和寬分別是65、5.5 以及12 m。此外，試驗溫室的作物種植空間為3 m 左右，雪荷載、風(fēng)荷載是45 和55 kg/m2。

將新型裝配式節(jié)能日光溫室標(biāo)記為A，并將設(shè)置的對照溫室標(biāo)記為B，在晴朗天氣下，從氣溫、土溫兩個角度對照分析兩個日光溫室的冬季溫控效果。

（2）溫室的氣溫和土溫對照研究。將試驗條件設(shè)定為：早上8∶00 將保溫板揭開，打開循環(huán)水泵進(jìn)行蓄熱，并于下午16:00 將循環(huán)水泵關(guān)閉，17:00 將保溫板蓋上。監(jiān)測點(diǎn)要每隔半小時對土溫、氣溫進(jìn)行檢測，記錄好溫度變化狀況。

測量溫室氣溫的步驟為：對于溫室A 應(yīng)于距地面一米的東西方向上，挑選中間點(diǎn)、各距東側(cè)及西側(cè)山墻三米位置的兩點(diǎn)作為三個監(jiān)測點(diǎn)，并在南北方向挑選中間點(diǎn)、各距前骨架及后墻兩米位置的兩點(diǎn)作為三個監(jiān)測點(diǎn)；同理對于溫室B 的東西方向上監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，而在南北方向上則要選取中間點(diǎn)、各距前墻及后墻兩米位置的兩點(diǎn)作為三個監(jiān)測點(diǎn)。借助精創(chuàng)U 盤式溫度記錄儀數(shù)據(jù)記錄儀RC-5 對兩個溫室的氣溫進(jìn)行檢測，測量范圍為-20 ℃～40 ℃，精準(zhǔn)度為±0.5 ℃，且溫度分辨率是0.1 ℃。

測量土溫的步驟為：溫室A、B 均將土層溫度監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在中間位置，土層深度依次為10、30 和60 m，檢測各深度下南北方向土層的溫度。由于溫室東西方向設(shè)置了相對均勻的換熱管，土層溫度不會出現(xiàn)較大的改變，所以檢測南北方向的溫度情況更科學(xué)。通過不銹鋼直角地溫計來測試溫室土層溫度，測量范圍為-30 ℃～50 ℃，精準(zhǔn)度為±1 ℃，且分度值為1 ℃。

4 新型裝配式節(jié)能日光溫室冬季溫控效果分析

（1）溫室中氣溫變化狀況。首先，不同監(jiān)測點(diǎn)在東西方向上的溫度變化狀況。在溫室A 中，三個監(jiān)測點(diǎn)的溫度不斷升高，直至下午13:00 達(dá)到最高，溫度依次為32 ℃、37.2 ℃及35.6 ℃，并在此之后不斷降低。其中，距東側(cè)山墻三米位置的監(jiān)測點(diǎn)僅在東側(cè)山墻受陽光照射較強(qiáng)的時間段內(nèi)，散熱較大，使其同其他兩個監(jiān)測點(diǎn)存在約3 ℃溫度差，其余時間段分別比其他兩個監(jiān)測點(diǎn)低0.2 ℃、0.3 ℃，這就表示該溫室在東西走方向上氣溫變化不大。

在溫室B 中，三個監(jiān)測點(diǎn)至下午13:00 之前，溫度不斷升高，之后呈現(xiàn)溫度降低的趨勢，最低點(diǎn)位于次日早晨6:30 左右，依次為5.9 ℃、7.6 ℃及5.2 ℃。其中，距東側(cè)山墻三米位置的監(jiān)測點(diǎn)因為東側(cè)山墻存在陰影，所以會低于其他兩個監(jiān)測點(diǎn)的溫度，且氣溫差約為2 ℃，但是同樣西側(cè)山墻也存在陰影，所以下午會出現(xiàn)距西側(cè)山墻三米位置的檢測點(diǎn)溫度較低的狀況，由此導(dǎo)致三個監(jiān)測點(diǎn)的氣溫出現(xiàn)一定浮動，氣溫差最大值達(dá)到4 ℃，由此表示該溫室在東西方向上的氣溫分布相對不均勻。

對比兩個溫室的東西向氣溫變化情況得知：下午13:00 前，在東西方向上溫室A 的平均氣溫明顯比B要高，溫差的最高值為5.2 ℃；而在17:00 將保溫板蓋上后，A 所蓄積熱量能夠長時期保持較高的問題，而B 則出現(xiàn)溫度快速降低的狀況，導(dǎo)致二者出現(xiàn)較大的氣溫差。溫差最大值達(dá)到6.4 ℃，分布在次日1:30到4：00 之間，這時溫室外的氣溫是-20 ℃，表示溫室A 能夠在白天蓄積熱量并于晚上釋放熱量，所以可以保持一定的室內(nèi)氣溫，這就避免了作物的凍害問題。

其次，不同監(jiān)測點(diǎn)在南北方向上的溫度變化狀況。在采光板采熱、太陽能輻射的作用下，溫室A 在日間10:00 到14:00 時間段內(nèi)，中間位置監(jiān)測點(diǎn)的氣溫要比各距前骨架、后墻兩米位置的兩個監(jiān)測點(diǎn)的溫度低，最高的溫差值為2 ℃，其他時間的溫差基本約為0.2 ℃，表示該溫室在南北方向上氣溫呈均勻分布。

太陽能是溫室B 的主要能量來源，因此在10:30到15:30 的時間段內(nèi)，距后墻兩米的監(jiān)測點(diǎn)溫度最高，其次為距后墻兩米的監(jiān)測點(diǎn)、中間位置的監(jiān)測點(diǎn)，溫差的最大數(shù)值為5 ℃；而在之后三個監(jiān)測點(diǎn)的溫度會不斷下降，但在后墻散熱作用下，三個監(jiān)測點(diǎn)的溫度差值會逐漸增大，在次日1:30 到4:30 達(dá)到5 ℃的最大差值，表示該溫室在南北方向上夜間氣溫呈不均勻分布的狀態(tài)。

對比兩個溫室的南北向氣溫變化情況得知：溫室A、B 在10:00 到13:00 存在顯著的氣溫差，差值約為5.6 ℃，在分別將保溫板、保溫被蓋上之后，二者也存在較大的氣溫差，差值約為6.1 ℃。尤其在夜間氣溫變化方面，溫室A 可以始終保持在11.5 ℃左右的氣溫，但是溫室B 則僅達(dá)到6.6 ℃的氣溫，表示前者的蓄熱保溫性能明顯較優(yōu)。

（2）溫室中土溫變化狀況。首先，在相同位置各土層深度下的土溫變化方面。針對兩個溫室，可以分別觀察各自在各土層深度下的土溫變化狀況，其中對于溫室A 而言，土層溫度具有晝高夜低的特點(diǎn)，在土層加深的過程中，土溫會不斷下降，各土層下的溫度改變趨勢存在明顯的不同。受太陽照射影響的10 cm 深度的土層，在日間14:00 時溫度最高，之后會持續(xù)下降，出現(xiàn)很大的變動；30 cm 深度的土層受熱量傳遞時間延后的影響，溫度則具有夜晚不斷升高而晝間持續(xù)下降的特點(diǎn)，能夠在夜晚達(dá)到約12 ℃左右的土層，滿足了作物生長要求；60 cm 深度的土層在水循環(huán)系統(tǒng)和空氣——地中熱蓄放熱交換系統(tǒng)的作用下，能夠借助風(fēng)機(jī)向地下0.5 m 的熱交換管傳輸熱空氣，實現(xiàn)日間熱能儲蓄，使土溫高于日間。而對于溫室B 而言，10 cm 深度的土溫晝高夜低，30 cm及60 cm 深度的土層因為熱量傳遞很慢，因此夜晚土溫較高，最大值為9.2 ℃、8.1 ℃，而日間土溫較低，最低值為6.1 ℃、5.9 ℃。

在相同土層深度下，兩個溫室的土溫變化狀況為：對于10 cm 深度的土層溫度，二者日間相差不大，且日間較高而夜晚較低，然而在進(jìn)行保溫之后，溫室B的土溫下降速度要比A 快；對于30 cm 深度的土層溫度，溫室B 要低于A；對于60 cm 深度的土層溫度，溫室A 依靠后墻集熱管獲得能量，將搜集的熱能向土層進(jìn)行傳遞，但是溫室B 單純通過土層溫度由高到低進(jìn)行傳遞，必然達(dá)不到溫室A 的土溫。

其次，在差異位置相同土層深度下的土溫變化方面。因為作物生長適宜的土層深度是30 cm，在這一土層深度之下，溫室A 在日間14:00 時的土溫達(dá)到最低，三個監(jiān)測點(diǎn)按照南——中——北的順序，土溫依次是13.6 ℃、12 ℃和11.3 ℃，且夜間最高的土溫值依次是14 ℃、12.8 ℃和11.6 ℃，土溫差值最大達(dá)到6.4℃，土溫差變化無較大波動。因此溫室A 在南北方向的土溫差呈均勻分布。溫室B 在日間14:00 時，南——中——北三個監(jiān)測點(diǎn)的土溫最小值依次是10.8 ℃、10 ℃和7 ℃，在夜晚土溫相對較低，依次是9.9 ℃、9.1 ℃和7.6 ℃，土溫差最大值達(dá)到了7 ℃，變化曲線波動較大，這也就表示溫室B 在南北方向上的土溫分布并不均勻。

5 結(jié)語

上述實驗驗證：新型裝配式節(jié)能日光溫室具有良好的冬季溫控效果，能夠在夜間保持一定的氣溫和土溫，為作物的生長提供了良好的環(huán)境。新型裝配式節(jié)能日光溫室選用巖棉彩鋼板為主材料，制作成半圓弧形坡面，并對溫室東側(cè)、西側(cè)山墻設(shè)計了圍護(hù)結(jié)構(gòu)，輔以頂部保溫覆蓋板，起到很好的保溫、密封效果，有效避免了雨雪、大風(fēng)天氣帶來的危害。保溫覆蓋板可以結(jié)合天氣在不同時間段打開或關(guān)上，使溫室東側(cè)和西側(cè)山墻遮光較弱的弊端得到了彌補(bǔ)，極大地改善了土地利用效率。但是在實踐應(yīng)用新型裝配式節(jié)能日光溫室的過程中，還需要在實踐中不斷完善，對裝配工藝和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，從而達(dá)到推廣運(yùn)用新型裝配式節(jié)能日光溫室的目的。