沙漠组装式温室光热环境测试与分析

王瑞 刘凯 张书峰 董浩远 王祥兵 许红军

摘要:测试和田沙漠组装式温室的光热环境,尤其是温室的蓄放热量及保温能力,为和田地区日光温室性能做出评价,采用数据记录仪对温室内外环境的光热环境进行测定,结果表明,晴天光照度平均为18 058 lx,空气温度可达40 ℃以上,且土层越深,地温越稳定;地面蓄热时平均热流密度为47.85 W/m2,放热时平均热流密度为16.91 W/m2;土壤表面温度和空气平均值分别为15.47、15.30 ℃;最大值可达37.90、45.00 ℃;墙体吸热时平均热流密度为 13.91 W/m2,放热时平均热流密度为5.40 W/m2;墙体表面温度和空气温度平均值分别为15.76、14.61 ℃,最大值可达72.10、55.30 ℃;地面白天最大蓄热量为2.03 MJ/m2,地面最大放热量为1.35 MJ/m2,墙体白天最大蓄热量为 0.76 MJ/m2,墙体最大放热量为0.40 MJ/m2。从温光特性方面来看,沙漠组装式温室各环境因子变化较大,温室内部空气温度、墙体温度、地表温度波动较大,热稳定较差;地面是主要的蓄放热体,温室墙体蓄热量、放热量很小,难以起到稳定温室夜间温度的作用。

关键词:沙漠;组装式温室;温室内环境;蓄放热量

中图分类号: S625.1;S625.5  文献标志码: A

文章编号:1002-1302(2021)18-0196-05

收稿日期:2021-02-06

基金项目:新疆维吾尔自治区高校科研计划自然科学青年项目(编号:XJEDU2019Y017);国家级大学生创新项目(编号:201910758028)。

作者简介:王 瑞(1996—),女,陕西武功人,碩士研究生,主要从事设施园艺工程方面的研究。E-mail:wangrui19961@163.com。

通信作者:许红军,博士,副教授,主要从事设施园艺工程方面的研究。E-mail:xuhongjun01@163.com。

日光温室在我国北方蔬菜越冬生产上应用广泛,通过少量加热或不加热进行生产,节能效果明显[1-2]。我国西北地区适宜发展非耕地设施农业,宁夏回族自治区、甘肃省及新疆维吾尔自治区等多地开展非耕地设施蔬菜生产探索,通过因地制宜利用沙漠、戈壁开展设施农业生产,已成为脱贫攻坚和乡村振兴的重要途径之一[3-4]。近年来,在新疆以和田沙漠区域组装式日光温室为主的非耕地设施农业发展迅速并形成了一定规模[5]。受到当地条件的制约,无法利用传统建筑材料大规模地建造温室,因此沙漠温室绝大多数为组装式温室。而组装式温室受材料热物性的影响与传统温室光温环境有一定差异,探索非耕地区域沙漠组装式温室的光温环境特点,对于蔬菜作物的高效生产以及温室结构进一步的优化设计意义重大。

日光温室的光热环境改善可通过结构、后墙材料、蓄热设备,最大限度地利用太阳辐射为温室供暖[6]。基于非稳态导热理论,后墙温度及蓄放热变化受太阳辐射周期性变化引起,可通过提高后墙放热温度和降低后墙放热量来改善温室保温性能[7]。组装式温室概念较为宽泛,目前墙体形式也多样化,徐刚毅对4种不同保温材料构成的6种墙体结构的温室保温性能进行研究,肯定了组装式轻体日光温室强化聚苯保温板的保温性能[8]。赵鹏等对甘肃靖远组装式涤棉墙体日光温室进行研究,结果表明,该温室具有升温快、降温也快的特点[9]。李星等测得采用保温被作维护材料的组装式温室,在外界温度为-10 ℃时,室内能保持5 ℃以上,可进行喜阴凉果菜越冬生产[10]。宋明军等研究表明,组装式温室保温性均低于土墙温室,墙体蓄热能力差,同时具有升温速度快、降温速度也快的特点,组装式温室墙体热稳定性远低于普通温室[11-12]。许红军等研究表明,沙漠区域组装式温室保温效果优于砖墙温室,但其蓄热能力较差,呈现出中午温度过高、夜间温度偏低、昼夜温差较大的特点[5,13]。丁明元等用保温棉被、双面彩钢板构成保温墙体及后屋面,建成全钢结构组装式日光温室,通过架设黑色水管网,可解决温室部分后墙无法蓄热的问题[14]。另外,相关研究者提出用水的比热容大蓄热、前屋面双层膜覆盖、增加蓄热设备等[15-20]来解决此问题。

大量研究表明,组装式温室热稳定性较差,其原因主要与温室维护结构的蓄放热能力弱有关,但对蓄放热量大小与变化规律缺乏进一步探索。因此,本研究以和田沙漠温室为研究对象,通过对1月沙漠组装式温室在无加热环境下,对光热环境尤其是围护结构的蓄放热量进行测定,深入分析产生该现象的原因,为组装式温室设计提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验时间为2019年1月14日至2月2日,共19 d,试验温室位于新疆和田市吉亚乡金叶村,海拔1 300 m,地处80°E、37°N。该温室为组装式温室(图1),全钢骨架结构,后墙、后屋面、东西山墙及保温被均为10 cm厚喷胶棉,温室坐北朝南,南偏西走向,长度60 m,跨度9 m,后墙外部高度4.8 m,脊高 5.6 m,钢骨架每榀间隔1 m(图2),由北京佳华泰科技有限公司建造。温室内种植南瓜,采用椰糠、沙、有机肥等混合基质栽培方式。

1.2 试验仪器

PDE-KI数据记录仪,哈尔滨物格电子技术有限公司生产;JTR01热流计,北京世纪建通环境技术有限公司生产;PD温度数据记录仪,哈尔滨物格电子技术有限公司生产。通过上述仪器测试组装式温室地温、气温、湿度、光照度、热流密度等环境因子。

1.3 测试方法

在温室的1/2跨度、离地面高度1.5 m处测量空气温度、湿度、光照度,以及土壤0、20、40 cm 深度土壤温度。测试墙体1.5 m高处热流密度,以及墙体表面温度与距离墙体1 cm空气温度,测试温室中部土壤热流密度,以及土壤表面温度与距离土壤 1 cm 空气温度变化。测量室外高度 1.5 m 处空气温度及20 cm处地温。仪器记录间隔均设置为10 min。

2 结果与分析

2.1 温室环境测试

2019年1月14日至2月2日温室内部环境因子变化见图3。晴天正午温室内光照度能达到 30 000 lx 以上。揭开保温被后晴天光照度平均为18 058 lx,阴天平均为3 284 lx。揭开保温被后,温室内部气温逐渐升高,最高值出现在正午前后,最低气温出现在第2天揭开保温被前后。测试期间,室内平均空气温度为14.34 ℃,正午前后温室内部空气温度过高,晴天条件下温度可达40 ℃以上,温室内外温度相差达17.21~30.94 ℃,平均相差18.9 ℃,晴天温差大于阴天。从湿度来看,晴天揭开保温被后平均相对湿度为64.99%,夜间平均值为96.27%;阴天揭开保温被后相对湿度为92.97%,夜间为99.09%。晴天相对湿度最大值出现在夜间及早晨,随着外界光照度的加强、温度的升高,相对湿度逐渐减小,正午前后达到最小值,之后又逐渐增大。在试验中发现,晴天条件下,揭开保温被后30 min内,温室内相对湿度会达到短暂饱和状态,随着温室温度的升高,湿度逐渐降低。测试期间,0、20、40 cm处平均地温依次升高15.05 、15.59、16.27 ℃,地温最大值依次为37.90 、27.70、20.20 ℃(0 cm>20 cm>40 cm),地温最低值依次为7.30 、9.00、12.70 ℃(0 cm <20 cm<40 cm)。地温变化规律为:地表温度过高,变化幅度较大;土层越深,地温越稳定,变化幅度越小。

2.2 温室墙体与地面的热流密度测试

为进一步探索温室环境变化,测试2019年1月14日至2月2日温室内部地面的热流密度及温度,其变化规律见图4。地面热流密度变化规律为:白天土壤吸热时间较短,热流密度较大;夜间土壤放热时间较长,热流密度较为均匀。测试期间,晴天温室揭开保温被后,地面由放热转为蓄热阶段,温室地面放热量68.75%的集中在11:10—12:10之间;保温被盖上后地面即开始放热,温室地面放热量50%集中在17:30—18:30之间。晴天地面吸热时,平均热流密度为47.85 W/m2,放热时平均热流密度为16.91 W/m2;阴天地面吸热时,平均热流密度为11.47 W/m2,放热时热流密度为13.91 W/m2。

从图4可以看出,土壤表面温度和距土壤1 cm处空气温度总体相差不大,白天空气温度略高于土壤表面温度,而夜间空气温度略低于土壤表面温度,同时空气温度比土壤表面温度降温快。试验测得,土壤表面温度平均值15.05 ℃,空气温度平均值 14.86 ℃。晴天土壤表面温度和空气平均值分别为15.47、15.30 ℃,最大值分别为37.90、45.00 ℃,最小值分别为7.30、7.10 ℃。阴天土壤表面温度和空气温度平均值分别为13.33、13.09 ℃,最大值分别为24.50、22.90 ℃,最小值分別为10.60、10.00 ℃。

测试了2019年1月14日至2月2日温室内部墙体的热流密度及温度,其变化规律见图5。白天墙体吸收太阳辐射,墙体表面温度升高,热流密度增大,夜间墙体向温室环境缓慢放热,墙体表面温度降低,热流密度小;热流密度变化规律与地面一致,但远小于地面热流密度变化。晴天墙体热流密度变化,从环境中平均流入墙体的热流密度为13.91 W/m2,从后墙释放到环境中的平均热流密度为5.40 W/m2;阴天白天从环境中平均流入墙体的热流密度为1.92 W/m2,夜间从后墙释放到环境中平均热流密度为5.40 W/m2。

从图5可以看出,墙体表面温度和距墙体1 cm处空气温度早晚及夜间差异不大,正午前后温度差异较大,墙体温度高于空气温度。由于温室内侧墙体1 m以上喷胶棉都刷为黑色,而黑色对太阳辐射吸收强、吸热快,因此晴天墙体表面及空气温度非常高,这与砖墙温室、土墙温室蓄放热规律不一致。试验测得墙体和空气表面温度平均值分别为14.83、13.92 ℃。晴天墙体表面温度和空气温度平均值分别为15.76、14.61 ℃,最大值分别为72.10、55.30 ℃,最小值分别为3.90、4.00 ℃。阴天墙体表面温度和空气温度平均值分别为11.09、11.14 ℃,最大值分别为29.70、29.10 ℃,最小值分别为6.60、6.70 ℃。

2.3 墙体地面蓄放热量

温室围护结构蓄放热量为某一天早晨温室揭开保温被至次日早晨揭开保温被期间温室围护结构单位面积吸收或放出的总热量。温室蓄放热量大小,将直接影响温室内温度的热稳定性。从图6可以看出,组装式温室地面蓄放热量多,而墙体蓄放热量少;放热量数值均较为稳定,蓄热量受太阳辐射影响而差异较大。测试期间,地面白天最大蓄热量为2.03 MJ/m2,地面最大放热量为1.35 MJ/m2。墙体白天最大蓄热量为0.76 MJ/m2,最大放热量为 0.40 MJ/m2。墙体白天平均蓄热0.27 MJ/m2,夜间平均放热0.33 MJ/m2;地面白天平均蓄热 0.91 MJ/m2,地面夜间平均放热1.08 MJ/m2。

3 讨论与结论

从组装式温室测试结果来看,组装式温室可以提高室内地面温度和空气温度20 ℃左右,达到日光温室生产的相关要求,这与马承伟等的研究结果[2-10]基本一致。组装式温室内部环境特点变化与宋明军等的研究结果[11]基本一致,也呈现出“升温快,降温快”的特点。由于新疆沙漠区域特殊的地理位置,光照强烈、昼夜温差大,导致温室内部正午前后空气温度、地表温度过高,对生产不利。因此,组装式温室作为新型温室类型,在沙漠区域生产是基本可行的,但是也存在性能不佳的问题,需要改进,对“温室内部中午温度过高”,可考虑采用白天储热装置进行热量储存、夜间进行综合利用的方式,且值得进一步研究。

从热流密度的测试结果来看,地面的蓄放热能力远大于温室墙体。组装式温室主要由地面进行蓄放热,墙体蓄放热能力极差,这也是组装式温室与砖墙、土墙日光温室的区别。组装式温室墙体材料为喷胶棉,墙体没有蓄热层,只有保温层,喷胶棉导热系数小,比热容低,而土壤比热容大,可以很好地吸收并蓄集热量。由于墙体没有蓄热能力,导致墙体表面温度在正午前后过高,致使温室空气温度上升较高,夜间无法向温室释放热量,所以夜间降温也快。因此,如何进一步增强组装式温室墙体蓄热能力、增强组装式温室内部热稳定性值得进一步研究。

组装式温室由于造价低、安装简便、不会破坏土壤耕作层等优势而被不断扩大使用。本研究通过测定分析2019年1月沙漠组装式温室室内环境因子,得出以下结论:(1)从温光特性方面来看,沙漠组装式温室各环境因子变化较大,温室内部空气温度、墙体温度、地表温度波动较大,热稳定较差。光照度、空气温度、土壤温度均能够满足生产的相关要求,但是存在正午空气温度、地表溫度过高的不足之处。(2)组装式温室中,地面是主要的蓄放热体,温室墙体蓄热量、放热量很小,导致墙体白天温度较高、夜间温度较低,难以起到稳定温室夜间温度的作用。

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