严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性.pdf

第38卷 第3期 农 业 工 程 学 报 Vol 38 No 3 2022年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2022 189 严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性 田东坤 宋卫堂 王平智 程杰宇 梁 超 赵淑梅 1 中国农业大学水利与土木工程学院 北京 100083 2 农业农村部设施农业工程重点实验室 北京 100083 摘 要 土壤温度及蓄放热特性是保温型塑料大棚土壤传热特性的重要体现 因此 为定性 定量地阐明棚内土壤温度 变化规律和蓄放热特性 在严寒地区生产性大棚内进行了试验测试 并通过构建大棚土壤热量平衡简化方程 温差拟合 等方法对土壤蓄放热特性进行了理论分析 研究结果表明 1 土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函数递减 通过计算得 出测试地区大棚土壤的蓄热层平均厚度约为0 55 0 80 m 2 棚内土壤横向地中传热损失占土壤总热损失的9 8 24 7 若将此部分热量用于提高土壤温度 则棚内土壤平均温度可提高0 3 0 5 3 天气条件对土壤蓄放热性能的 影响较大 晴天日累积蓄热量比多云天多37 2 50 6 左右 日累积放热量比多云天多44 7 64 3 晴天的最大蓄 热流量和日累积蓄热量均是阴天的4倍以上 与蓄热性能相比 晴天与阴天的土壤放热性能差异较小 土壤蓄放热量主 要受表层土壤与气温温差的影响 棚内外气温差对其影响较小 关键词 土壤 温度 保温型大棚 蓄热层厚度 热量平衡估算方程 热损失 蓄放热特性 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 03 022 中图分类号 S625 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2022 03 0189 08 田东坤 宋卫堂 王平智 等 严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性 J 农业工程学报 2022 38 3 189 196 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 03 022 http www tcsae org Tian Dongkun Song Weitang Wang Pingzhi et al Soil heat storage and release characteristics of the plastic tunnel with external thermal insulation J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 3 189 196 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 03 022 http www tcsae org 0 引 言 保温型塑料大棚是近年来在生产实践中出现的一种 大棚形式 结合了传统日光温室和塑料大棚两者的优点 该类大棚与日光温室相比 具有建设成本低 土地利用 率高等特点 而与传统塑料大棚相比 又具有作业空间 大 保温性能好等优势 因此在全国各地得到了广泛应 用 根据前期调研发现 内蒙古 山东等地的部分保温 型大棚中实现了不加温条件下番茄 辣椒等蔬菜的越冬 生产 同时调研也发现 保温型大棚近年来在西藏拉萨 日喀则等高寒高海拔地区也开始推广 可以说该类大棚 正在成为中国园艺设施的发展趋势之一 然而 目前该 类型大棚的设计建造 环境调控等主要依靠经验 尚缺 乏相关的理论指导 为促进该类设施的科学发展 亟需 开展其热环境的形成机制 变化规律及影响因素等的理 论研究 而在大棚类设施中 围护结构不具有蓄热能力 土壤是其唯一的蓄热体和放热热源 因此 分析土壤的 温度分布 变化规律 以及土壤的蓄热放热特性 就成 为该类大棚热环境研究的关键 1 3 关于温室设施土壤温度 前人做了较多的探索与研 收稿日期 2021 10 06 修订日期 2022 01 23 基金项目 国家自然科学基金项目 U20A2020 国家现代农业产业技术体 系 CARS 23 D02 作者简介 田东坤 博士生 研究方向为设施园艺工程 Email tdkwonderful 通信作者 赵淑梅 教授 博士生导师 研究方向为设施园艺工程 Email zhaoshum 究 4 7 其中 在土壤温度变化规律方面 李天来等 8 研 究了作物对辽沈型I日光温室土壤温度日变化的影响 结 果表明 不同天气条件下棚内表层土壤的日变化可以拟 合为正弦函数 范爱武等 9 利用多孔介质中的传热传质数 学模型对不同环境条件下的土壤温度日变化进行了研 究 结果表明 土壤温度主要受室内空气温度和土壤表 面截获的辐射能的影响 且这种影响随着土壤深度的增 加而减小 何雨等 10 对辽沈I型日光温室室内土壤温度变 化的影响因素进行了研究 认为太阳总辐射 室内外气 温 室外风速都是影响温室土壤温度的主要因素 并建 立了这4个要素与室内地表温度之间的非线性回归方程 Smerdon等 11 贾红等 12 认为气温是土壤温度变化的主 要影响因素 并分别对不同深度土壤温度的年变化和日 变化进行了研究 建立了气温与浅层土壤温度的关系模 型 室内不同深度土壤与室外气温的线性回归方程 Chalhoub 等 13 14 分析了土壤含水率对土壤温度变化规律 的影响 并建立了相关的土壤温度预测模型 Naranjo等 15 对浅层土壤的热特性进行了研究 将土壤中的热扩散视 为一维瞬态通量 并利用正弦 半无限和有限差分法等 不同模型模拟了短期和长期土壤温度变化情况 在土壤 蓄放热方面 Barbara 16 对土壤热特性及地面中的热量传 递进行了研究 并依据地面温度分布的Carslaw Jaeger方 程 建立了基于地表热平衡方程的地表热平衡数学模型 王双瑜等 17 对不同地区 不同构造参数的日光温室的土 壤热流量及土壤温度状况进行了测试和分析 结果表明 土壤热流量与室内温度高低不成正相关 并建立了夜间 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 190 室内土壤平均传热量与室内外温差之间的关系式 李建 设等 18 19 认为日光温室地面温度及吸放热量与太阳辐射 有关 针对此进行了测定与分析 分析结果表明 太阳 辐射和地面吸放热量有密切关系 Faiziev等 20 认为太阳 能的积累在温室土壤中进行 并根据温室平均土壤温度 温室土壤在0 15 0 30 m深度的温度变化以及太阳能在 土壤中的积累 建立了用于计算日光温室地面热量积累 的模型 上述研究对象主要为日光温室 而保温型塑料大棚 构造与日光温室不同 围护结构保温能力相对较弱 且 不具有蓄热放热能力 因此土壤温度变化规律及蓄放热 特性方面就会存在差异 日光温室研究结论不能完全适 用 鉴于此 本文在借鉴前人研究方法的基础上 通过 在严寒地区保温型塑料大棚的现场测试 研究棚内土壤 温度日变化规律和蓄放热特性 以期为相关塑料大棚土 壤传热机理及棚内热环境机理模型研究提供依据 为保 温型大棚在高严寒地区的推广提供理论支撑 为进一步 在高寒高海拔地区的研究与应用提供基础 1 材料与方法 1 1 试验大棚 在严寒地区 日光温室的越冬生产比较普遍 而使 用保温型大棚进行越冬生产 无疑是一个挑战 所以在 部分严寒地区 保温型塑料大棚往往会借鉴日光温室的 特点 比如采用东西屋脊走向 两侧山墙为土墙 基础 无防寒措施 屋面覆盖保温被等措施 同时在种植安排 和保温被管理上加以配合 比如 春夏茬种植时 南北 两侧保温被每日正常开闭 整栋大棚种植作物 秋冬茬 种植时 为提高大棚的保温性能 北侧保温被不打开 南侧保温被根据天气情况打开或关闭 且棚内北侧不种 植 仅南侧种植 本文试验所选用的即是这种较为典型 的生产性保温型塑料大棚 见图1 图1 试验大棚 Fig 1 Experimental tunnel 该大棚建成于2017年 位于内蒙古自治区赤峰市宁 城县 地理位置为东经118 9 北纬41 7 平均海拔 1 000 m 属于中海拔严寒地区 大棚屋脊东西走向 长 度140 m 跨度16 m 脊高4 7 m 试验期间 棚内南侧 种植作物为番茄 9月定植 采用土壤栽培 灌溉方式为 滴灌 北侧保温被固定保温 南侧保温被根据天气情况 一般上午8 30左右揭开 下午17 00左右关闭 通风口 位于大棚顶部 宽度为1 m 晴天11 50左右打开 14 00 左右关闭 1 2 测试方法 试验测试时间为2019年12月17日 2020年1月 30日 测试内容包括棚内土壤热流密度及不同深度土壤 温度 棚内外气温和太阳辐射 测点布置情况如图2所 示 1 棚内土壤热流密度及土壤温度 在大棚中部位置 沿跨度方向距大棚南侧屋面底脚1 5 4 12 14 15 5 m 处布置5个土壤热流密度和土壤温度测点 分别为1 2 3 4 5号 其中土壤温度测点深度分别为0 0 05 0 15 0 30 0 50 m 2 棚内空气温度 将试验大棚沿长 度方向4等分形成3个中间测试断面 其中 在两端测 试断面的大棚跨中位置分别布置1个距地面1 5 m高的温 度测点 在中间断面再沿大棚跨度方向4等分 然后在 中间3个等分点上也分别布置1个距地面1 5 m高的温度 测点 3 棚内太阳辐射 在大棚长度方向的中间断面 在该断面距大棚南侧底脚4 8 12 m处分别布置1个太 阳辐射测点 其高度在作物冠层顶部 4 室外气象测点 在大棚南侧 设置一个室外测点 测试内容包括太阳辐 射 距地面1 5 m高度处空气温度 以及土壤表面热流密 度及0 0 05 0 15 0 30 0 50 m深度的土壤温度 a 平面测点布置示意图 a Layout of plane measuring points b 剖面测点布置示意图 b Layout diagram of section measuring points 注 1 6数字表示测点编号 Note No 1 6 indicate the number of measuring points 图2 试验测点布置图 Fig 2 Layout of test points 温度传感器采用国产T型热电偶 上海南浦仪表厂 精度为 0 5 热流密度传感器采用HFP01热流量板 Hukseflux公司 荷兰 精度为 50 mV W m2 以上 数据均由34970A数据采集器 Campbell Scientific公司 美国 采集 太阳辐射传感器采用太阳总辐射探头传感器 Onset Computer Crop公司 美国 精度为 10 W m2 由HOBO数据采集器 Onset Computer Crop公司 美国 第3期 田东坤等 严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性 191 采集 所有数据采集器进行全天测试 数据采集间隔为 10 min 1 3 土壤传热量计算方法 大棚土壤是由固体 液态水 水蒸气和空气构成的多 孔混合物 其热形成过程包括导热 对流 蒸发凝结等多 个过程 21 22 为了合理简化土壤热平衡计算方程 作出如下 假设 1 土壤在一定深度以下为恒温层 2 忽略棚内 各围护结构表面 作物冠层与土壤表层之间的辐射换热 3 不考虑土壤水分运移引起的热量传递 23 根据传热学 中经典热传导公式和文献资料 7 19 24 27 以及对棚内 土壤温度变化规律及传热的分析 得出白天和夜间棚内 土壤的热量收支项主要包括 土壤吸收的太阳辐射热 土壤与棚内空气的对流换热和土壤的地中传热 土壤地 中传热包括沿土壤深度方向的纵向传热和沿水平方向的 横向传热 其中 横向传热又包括跨度和长度2个方向 但由于大棚的长度远远大于跨度 所以本研究的横向传 热仅考虑跨度方向 因此 白天棚内土壤热量平衡简化方程可表示为 gV gHsolar air g 0Q Q Q Q 1 夜间棚内土壤热量平衡估算方程可表示为 gV gH g air 0Q Q Q 2 式中Qsolar为土壤吸收的太阳辐射能量 W Qair g为棚内 空气与土壤对流换热量 W QgV为土壤沿垂直方向的纵 向地中传热量 W QgH为土壤沿大棚跨度方向的横向地 中传热量 W 根据牛顿冷却定律可知 从棚内空气到土壤表面的 对流换热量Qair g可由式 3 计算 air g air g air g air g Q A t t 3 式中Aair g为对流换热表面面积 m2 air g为棚内空气与 土壤表面的对流换热系数 W m2 tair为棚内空气温 度 tg为棚内土壤表层温度 根据传热学中经典热传导公式 可求得土壤纵向地 中传热量QgV计算公式为 ggVgV up down g Q A t t 4 式中AgV为土壤沿深度方向传热面积 m2 g为土壤导热 系数 W m 一般取值0 86 g为土壤温度稳定层厚 度 m tup tdown分别为土壤上 下层表面温度 土壤横向地中传热量QgH计算公式为 gH gH gH in out Q A K t t 5 式中AgH为横向传热面积 m2 KgH为土壤横向导热系数 W m2 一般取值0 47 tin tout分别为棚内和棚外土 壤温度 1 4 数据处理与分析 利用Excel 对数据进行分析与处理 并利用Matlab 软件编写计算程序进行计算 1 5 误差分析 考虑到试验测试仪器的不确定性 对测试过程中的 测量误差进行了分析 土壤和空气温度的测量误差来源 于数据采集器和T型热电偶 在试验测试前 将数据 采集器和热电偶分别在 30 10 0 20 和40 温 度下进行了标定 在 30 40 温度范围内 该误差为 0 2 2 结果与分析 2 1 纵向土壤温度变化及传热特性分析 2 1 1 纵向土壤温度日变化规律 将晴天时棚内不同深度土壤温度测点的平均值进行 分析 其日变化规律如图3所示 棚内浅层土壤温度与 气温变化趋势大体一致 均呈单峰曲线 从早上9 00左 右到下午17 00左右保温被处于打开状态 棚内气温均高 于土壤温度 说明空气中的热量是从空气向土壤流动 加之太阳辐射的影响 土壤处于蓄热状态 其余时间 棚内气温低于棚内地表温度 土壤向空气释放热量 此 时土壤处于放热状态 土壤作为不加热大棚的唯一热量 来源 起到了在低温时 维持棚内气温的作用 图3 晴天时棚内气温及土壤温度日变化 Fig 3 Diurnal variation of air temperature and soil temperature in sunny days 深度为0 0 05 0 15 m处的土壤温度最高值时间分 别出现在13 30 13 50 18 30左右 温度值分别为23 1 18 1 15 1 最低值分别出现在8 20 9 10 9 30左右 温度值分别为10 9 12 0 13 4 表明随着土壤深度的 增加 土壤温度峰值出现的时间依次延迟 这是因为土 壤的热容量较大 加之热量从土壤表层向深层传递需要 一定的时间 另外 从不同深度土壤的温度波动情况来 看 随着土壤深度的增加 土壤温度日变化趋势逐渐减 缓 0 0 05 0 15 0 30 0 50 m处的土壤温度日变化幅 度分别为16 2 8 6 2 0 0 9和0 8 即0 30 m深度 以下的土壤温度变化幅度已经小于1 0 2 1 2 土壤蓄热层厚度确定 参考相关文献资料 24 28 32 采用温差法来确定大 棚土壤蓄热层的厚度 根据前述土壤传热公式及相关文 献 31 在保温被打开或关闭期间 不同深度土壤的温差 越大 说明土壤在白天蓄热或夜间放热越多 反之 在 上述期间 不同深度土壤的温差越小 则说明土壤在白 天蓄热或夜间放热越少 在日光温室研究中 通常采用 温差法计算墙体蓄热层厚度 认为当打开与关闭保温被 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 192 时刻墙体的温差低于1 时 该部分墙体在白天蓄热或 夜间放热量非常有限 所以将温差设定为1 31 该方 法可以借鉴 但对于保温型塑料大棚来说 每一份热量 都极为重要 且由于其跨度和长度尺度较大 1 以下的 温差所传递的热量也应考虑 但鉴于所选用热电偶的最 高精度为0 5 因此将大棚土壤蓄热层定义为温度波幅 大于0 5 的部分 根据上述分析 温度波幅与土壤深度密切相关 因 此二者的关系可以描述为 bi a x 6 式中 i 为不同深度土壤温度波幅 i 1 2 n x 为土壤深度 m a b分别方程系数和幂指数 取1月1 7日 11日不同天气条件下0 0 50 m深 度不同测点的土壤温度平均值 对其温度波幅进行拟合 得出温度波幅的递减方程其结果如表1所示 从表1中 可以看出 大棚土壤温度波幅随土壤深度的增加 呈乘 幂函数递减 幂指数b的绝对值 晴天 多云天多云天 阴天 结合不同天气条件下 棚内外平均气温 棚内外气温差和棚内太阳辐射等数据 发现幂指数b和方程系数a的变化规律均与棚内平均气 温和太阳辐射的变化趋势一致 由此可推断 大棚土壤 温度波幅递减规律受棚内平均气温和太阳辐射的影响 再利用式 6 进一步模拟计算0 50 1 0 m深度土壤温 度波幅变化 由模拟结果可知 在0 0 10 m深度范围 土壤的温度变化幅度最大 在0 30 m处 土壤温度波幅 开始小于1 与前述测试结果一致 因此 根据前述 土壤蓄热层的定义 可确定大棚土壤蓄热层的平均厚度 约为0 55 0 80 m 综合分析不同天气条件下土壤温度波 幅递减方程和蓄热层厚度变化规律可知 土壤温度波幅 递减方程的幂指数b的绝对值 方程系数a的值越大 土壤蓄热层越厚 表1 不同天气条件下土壤温度波幅递减方程 Table 1 Decreasing equation of soil temperature amplitude under different weather conditions 日期 Date 温度波幅递减方程 Decreasing equation of soil temperature amplitude R2值 Value of R2 天气 Weather 蓄热层厚度 Thickness of heat storage layer m 01 01 i 0 4217 x 0 79 0 934 晴 0 75 01 02 i 0 4566 x 0 74 0 970 晴 0 80 01 03 i 0 4556 x 0 76 0 951 晴 0 80 01 04 i 0 4007 x 0 76 0 969 晴 0 70 01 05 i 0 4064 x 0 73 0 957 晴 0 70 01 06 i 0 3710 x 0 72 0 962 多云 0 60 01 07 i 0 3784x 0 63 0 980 阴 0 60 01 11 i 0 3404x 0 65 0 996 阴 0 55 注 ai为不同深度土壤温度波幅 x为土壤深度 m Note ai is soil temperature amplitude at different depths x is soil depth m 2 2 横向土壤温度变化及传热特性分析 2 2 1 横向土壤温度日变化规律 由于大棚的长度远大于跨度 所以横向土壤温度与 传热分析 仅关注大棚跨度方向 由于测点3位于走道 附近 所以重点关注其余几个测点其结果 典型晴天条 件下试验大棚沿跨度方向由北到南各测点的土壤温度日 变化规律如图4所示 从图4中可以看出 大棚的横向 土壤温度日变化较明显 以大棚中间过道为界 将大棚 分为南北两区 那么在靠近南北区屋面底脚处日变化幅 度最大 最大可达24 8 两区中部的土壤温度变化幅 度相对较小 最大值为9 3 由此可以看出 棚内靠近 边界处的土壤温度受室外条件影响较大 即土壤边际效 应明显 图4 晴天时土壤温度沿大棚跨度方向日变化 Fig 4 Diurnal variation of soil temperature along tunnel span in sunny days 进一步对大棚测试期间典型天气条件下的土壤温度 进行统计 结果如表2所示 由表2可以看出 南区整 体土壤温度变化幅度小于北区 但其最低值和平均值却 均高于北区 表明南区土壤温度较为稳定 结合图4 详 细对比南北边界处土壤温度数值 靠近南屋面底脚处的 地表温度波动最大 最高温度为21 9 低于北区边界 处的33 6 二者温差为11 7 而南区边界处的最低 温度 则高于北区2 5 且平均温度也高于北区0 8 南区中部的土壤最高温度低于北区3 7 最低温度高于 北区2 3 平均温度高于北区0 6 分析其原因 应 该主要在于白天南区种植作物的遮挡 使棚内空气温度 和太阳辐射对南区地表温度的直接影响减弱 从而导致 地表及不同深度土壤温度的最高值小于无种植作物的北 区 到了夜间 同样由于种植作物的遮挡以及自身作为 内热源 则导致了其周边土壤的散热速率较慢 因此南 区土壤温度的最低值高于北区 另外 从表2中可以看 出 南区0 30 m处的土壤温度波幅已经在0 5 左右 而北区0 5 m处的土壤温度波幅仍大于0 5 结合前文 对蓄热层厚度的分析 可以推断作物种植模式和生育阶 段等对土壤沿深度方向的日变化和大棚蓄热层厚度的影 响较大 大棚的横向传热主要是由棚内向棚外的热量损失 33 34 从图4中可以看出 棚内不同深度土壤温度全天均高于 棚外同一深度土壤温度 0 0 50 m范围4个测点处棚 内外土壤温度平均温差分别为25 5 20 9 17 9 14 5 和12 7 表明棚内土壤横向传热全天均处于热量散 失状态 第3期 田东坤等 严寒地区保温型塑料大棚土壤蓄放热特性 193 表2 晴天大棚内南北区土壤温度变化比较 Table 2 Comparison of ground temperature changes in south and north of the tunnel in sunny day 区域 Area 土壤深度 Soil depth m 最高值 Max 最低值 Min 最大温差 Max temperature difference 平均值 Average 0 16 0 13 2 2 8 14 6 0 05 16 3 13 0 3 3 14 5 0 15 15 3 14 2 1 1 14 8 0 30 14 8 14 3 0 5 14 6 南区 South 0 50 15 8 15 3 0 5 15 5 0 20 0 10 4 9 6 13 8 0 05 16 2 11 8 4 4 13 9 0 15 14 8 13 6 1 2 14 2 0 30 13 9 13 1 0 8 13 6 北区 North 0 50 14 0 13 2 0 8 13 6 2 2 2 横向土壤传热量计算 根据式 1 5 编程求解土壤传热量 同时为 更加值观 将大棚土壤传热量换算成单位地面的传热量 结果显示 在典型天气条件下 1月1 7日 大棚土壤 全天总热损失量为922 6 1 229 4 W m2 其中纵向地中 传热损失为362 1 838 4 W m2 土壤与棚内空气对流换 热损失为270 7 332 8 W m2 土壤横向地中传热损失为 120 3 227 7 W m2 三者分别占总热损失的39 2 68 2 22 0 36 1 9 8 24 7 在上述3项热损 失中 横向传热关注的较少 但实际上 这部分热损失 是可以通过工程手段加以控制的 若将上述土壤横向地中传热损失量用于提升棚内土 壤温度 则根据式 7 可以计算出棚内土壤平均温升幅 度 7 gH s s s Qt V C 7 式中 t 为棚内土壤提升的平均温度 Vs为土壤体 积 m3 s为土壤湿容重 kg m3 Cs为土壤比热容 W kg 大棚土壤体积Vs取值为1 120 m3 土壤湿容重 s取 值为1 530 kg m3 土壤比热容Cs取值为0 58W kg 7 则计算可得 t 0 3 0 5 即理论上若能阻隔土壤横向 传热 棚内土壤平均温度可提升0 3 0 5 由此可见 若能采取有效措施 阻止土壤横向传热 对提升大棚热 环境是非常有益的 2 3 土壤蓄放热特性分析 2 3 1 土壤热流量日变化 从土壤的热流量日变化可以更好地阐明土壤对棚内 气温的影响 取各测点土壤热流量的平均值进行分析 图5为不同天气条件下土壤热流量日变化 正值表示土 壤从周围吸收的热量 负值表示土壤向棚内空气释放热 量 如图5所示 无论晴天还是阴天 棚内土壤热流量 的总体趋势是一致的 土壤热流量在上午9 00左右开始 表现为正值 说明此时土壤开始蓄热 土壤温度开始上 升 土壤蓄热开始后 蓄热量迅速增大 这与表层土壤 温度变化趋势一致 在中午12 00 左右达到热流量最大 值 下午17 00左右开始直到次日上午9 00左右 土壤 热流量表现为负 说明土壤作为热源开始向棚内空气散 热 这与纵向土壤温度变化规律相同 观察土壤热流量 的变化规律发现 土壤在夜间向棚内供给的热量较稳定 没有明显的峰值或波动出现 图5 不同天气条件下土壤热流量日变化 Fig 5 Diurnal variation of soil heat flux under different weather conditions 选取1月2 3日晴天 1月6日多云天 1月7日 和11日阴天作为典型天气 对不同天气条件下土壤蓄放 热性能的各参数进行统计 如表3所示 在晴好天气条 件下 9 20 15 50 为土壤蓄热阶段 日累积蓄热量为 1 577 1 730 W 土壤热流量最大值为94 W m2 在多云 天气条件下 9 40 15 50为土壤蓄热阶段 日累积蓄热 量为1 149 W 土壤热流量最大值为60 W m2 在阴天条 件下 9 40 14 50 为土壤蓄热阶段 日累积蓄热量为 373 293 W 土壤热流量最大值为25 W m2 晴天与多 云天的蓄放热时间差异不大 但其瞬时蓄放热流量值差 异较大 因此晴天土壤日累积蓄热量比多云天多37 2 50 6 左右 日累积放热量比多云天多44 7 64 3 左 右 晴天的最大蓄热流量和日累积蓄热量均是阴天的4 倍以上 与蓄热性能相比 晴天与阴天的土壤放热性能 差异较小 由此可知 天气条件对土壤的蓄放热性能影 响较大 且不同天气条件下土壤蓄放热性能主导影响因 素不同 表3 土壤蓄放热性能参数 Table 3 Correlation coefficient between each element and soil heat storage and release 日期 Date 日累积蓄 热量 Daily accumulation heat W 蓄热 时长 Heat storage duration h 最大蓄 热流量 Max heat storage flow W m 2 日累积 放热量 Daily accumulated heat release W 放热时长 Heat release duration h 最大放 热流量 Max heat release flow W m 2 01 02 1 577 6 94 1 191 18 15 01 03 1 730 6 5 85 1 049 17 2 13 01 06 1 149 5 8 60 725 18 2 11 01 07 373 5 6 25 1 276 18 4 15 01 11 293 5 8 721 20 13 2 3 2 土壤蓄放热特性的相关性分析 由于土壤蓄放热影响因素较多 本文参考相关文献 35 并结合前文的分析 选择太阳辐射 棚内外温差 表 层土壤与棚内气温温差3要素 将其与土壤热流量进行 相关性分析 尝试不同因素对土壤蓄放热特性的影响 分析计算的相关系数 如表4所示 从表4中可以看出 农业工程学报 http www tcsae org 2022年 194 在不同天气条件下 土壤的蓄热阶段和放热阶段主导影 响因素不同 表4 土壤蓄放热与各要素相关系数 Table 4 Correlation coefficients between soil heat storage and release and various factors 阶段 Stage 天气 Weather 太阳辐射 Solar radiation 棚内外气温差 Temperature difference between inside and outside the tunnel 表层土壤与 棚内气温差 Temperature difference between surface soil and air in tunnel 晴天 0 61 0 68 0 73 多云天 0 66 0 72 0 95 白天蓄热阶段 The heat storage stage during daytime 阴天 0 87 0 71 0 96 晴天 0 74 0 99 多云天 0 25 0 91 夜晚放热阶段 The heat release stage at night 阴天 0 42 0 89 在白天蓄热阶段 无论晴天 多云天还是阴天条件 下 土壤蓄热流量均表现为受表层土壤与棚内气温差的 影响最大 其中 晴天条件下 土壤蓄热与各要素的相 关系数差异较小 说明太阳辐射 棚内外温差以及空气 与土壤表面温差 均具有较大影响 但在多云和阴天条 件下 表层土壤与棚内气温差对蓄热量的影响力显著提 升 说明在太阳辐射较弱的条件下 土壤与空气对流换 热是主导传热方式 因此可以推断 在不同天气条件下 对土壤蓄热量影响的差异性首先体现在表层土壤与棚内 气温差上 然后体现在太阳辐射上 这应该是作物层遮 挡导致太阳辐射影响力下降的缘故 阴天条件下太阳辐 射影响力有一定提升 应该是阴天散射光为主 作物遮 挡影响下降所致 在夜晚放热阶段 无论何种天气 土壤夜晚放热量 也主要受表层土壤与棚内气温差的影响 这与其白天蓄 热阶段相同 但在晴天条件下 土壤放热还与棚内外气 温差有较强的相关性 这是因为晴天时棚内外气温差更 大 因此对土壤放热量的影响更大 相比较而言 多云 天与阴天条件下 土壤放热与棚内外温差的相关性较小 综合分析 在不同天气条件下 影响土壤蓄热量和 放热量的主导因素是表层土壤与棚内气温差 而棚内外 气温差影响最小 3 结 论 1 研究发现 土壤温度波幅随深度的增加呈乘幂函 数递减规律 且不同天气条件下递减方程的幂指数b 的 绝对值 晴天 多云天多云 天 阴天 根据温差法 分析确定在测试地区大棚土壤的 蓄热层平均厚度约为0 55 0 80 m 2 在测试条件下 棚内土壤横向地中传热全天处于 失热状态 其热损失占总热损失的9 8 24 7 若将此 部分热量用于提升棚内土壤温度 理论上可将棚内土壤 平均温度提高0 3 0 5 3 天气条件不影响土壤热流量的变化趋势 但是影 响土壤的蓄放热性能 晴天土壤日累积蓄放热量比多云 天多37 2 64 3 左右 日累积放热量比多云天多 44 7 64 3 左右 晴天的最大土壤热流量值和日累积 蓄热量均是阴天的4倍以上 与蓄热性能相比 晴天与 阴天的土壤放热性能差异较小 4 土壤表层与气温差是影响土壤蓄放热量的主导因 素 其相关系数为0 73 0 99 其次是室外太阳辐射 其 相关系数为0 61 0 87 影响最小的是棚内外气温差 其 相关系数为0 25 0 74 表明大棚内土壤的蓄放热均以对 流传热方式为主 本研究旨在通过保温型塑料大棚的土壤温度和蓄放 热特性的初步分析 了解保温型大棚在中纬度严寒地区 的土壤温度情况 为构建更准确的土壤二维传热模型 阐明大棚土壤边际效应及土壤传热机制提供研究基础 为保温型塑料大棚在高寒高海拔地区的应用推广提供基 础数据和理论支撑 当然 影响保温型塑料大棚土壤温 度变化及蓄放热特性的因素还有较多 诸如大棚规格 通风方式 种植作物种类 模式和生育阶段等的影响 这些内容将在今后的研究中进一步丰富和深入 参 考 文 献 1 Nawalany G Bieda W Radon J et al Experimental study on development of thermal conditions In ground beneath a greenhouse J Energy Build 2014 69 103 111 2 Ghosal M K Tiwari G N Srivastava N Thermal modelling of a greenhouse with an integrated earth to air heat exchanger An experimental validation J Energy Build 2004 36 3 219 227 3 Kurpaska S Lata a H Energy analysis of heat sur plus storage systems in plastic tunnels J Renew Energy 2010 35 12 2656 2665 4 孙治强 孙丽 王谦 等 日光温室土壤温度环境边际效 应 J 农业工程学报 2009 25 5 150 155 Sun Zhiqiang Sun Li Wang Qian et al Marginal effect of the soil temperature 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type solar greenhouse and harmonic simulation conf