西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化

第 25 卷  第 8 期                           农  业  工  程  学  报                               Vol.25  No.8 180    2009 年     8月                         Transactions of the CSAE                              Aug. 2009      西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化  杨建军，邹志荣，张  智，王云冰，张志新，燕  飞（西北农林科技大学园艺学院，杨凌  712100）  摘   要： 西北地区 95%以上日光温室为土质墙体围护结构，各地温室墙体厚度差异较大。为寻求西北地区节能日光温室土质墙体的最佳厚度，对西北地区新疆维吾尔族自治区塔城市、陕西省杨凌区、甘肃省白银市和宁夏回族自治区银川市等四省区应用面积最广的不同厚度土质墙体节能日光温室环境指标进行分析，研究墙体保温性能和传热特性。综合建造成本和土地利用率得出陕西杨凌地区的最佳厚度为 1.0 m，甘肃白银地区的最佳厚度为 1.3 m，宁夏银川地区的最佳厚度为 1.5 m，新疆塔城地区的最佳厚度为 1.4 m。这样的厚度在当地可以满足保温要求，当达到当地的最佳厚度时，再通过增加墙体厚度对提高温室室内环境温度效果不明显。  关键字： 日光温室，土质墙体，厚度优化，放热量，西北地区  doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2009.08.033 中图分类号： S625           文献标识码： A           文章编号： 1002-6819(2009)-8-0180-06 杨建军，邹志荣，张   智，等 .西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化 J.农业工程学报，2009，25(8)：180185.  Yang Jianjun, Zou Zhirong, Zhang Zhi, et al. Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest ChinaJ. Transactions of the CSAE, 2009,25(8)： 180 185.(in Chinese with English abstract) 0  引   言   日光温室的围护结构不仅具有有效防止室内热量向室外传递的良好保温作用，而且在白天能吸收和蓄积太阳热能，在夜间又可将蓄积的太阳热能释放到温室中，以维持室内一定的气温1， 日光温室的围护结构在温室的热环境平衡过程中起着积极的作用。温室围护结构的组成材料和复合方式较多。从热工方面进行分析研究表明日光温室较理想的墙体内侧应由吸热蓄热能力较强的材料组成蓄热层，外侧由导热、放热能力较差的材料组成保温层，中间应为隔热层2。异质复合墙体比单一材料的夜间保温效果好，且尤以外层为苯板的保温效果好3-4。亢树华等5指出作为墙体内填充物质的隔热材料的保温性优劣为：珍珠岩煤渣锯末空气。 Nijskens J6综合围护结构厚度、天气状况和风速对温室维护结构热工性能从实验测试和理论两方面研究。虽国外的温室与中国温室有所差异，但对中国温室墙体的研究具有指导作用。白义奎等1对辽沈型日光温室的保温性能分析得出墙体释放到温室外面的热量较释放到室内多。 郭慧卿7等人对沈阳地区 20 种不同温室墙体从温度方面进行比较分析，就 4 种不同厚度的加草粘土墙而言， 1.0 m 为沈阳地区最佳厚度温室土墙厚度。 马承伟8等从建立了计算温室墙体夜间放热量的经验公式以评价温室墙体的储热保温收稿日期： 2008-12-09    修订日期： 2009-04-01 基金项目：陕西省“ 13115”科技创新工程项目（ 2007ZDGC-03）  作者简介：杨建军（ 1980） ，男，山西大同人，主要从事日光温室环境性能研究。杨凌   西北农林科技大学园艺学院， 712100。  Email： yangjianjun0605126.com 通信作者：邹志荣（ 1956） ，男，陕西延安人，教授，博士生导师，院长，主要从事设施农业研究。杨凌   西北农林科技大学园艺学院， 712100。Email： zouzhirong2005163.com 性能。李小芳9等利用热反应系数法计算墙体的热量，从热量传递的角度就不同材料不同组合的温室墙体进行比较分析来评价墙体对温室的保温作用，墙体新型材料缀铝箔10和加气混凝土砌块11的应用在防潮保温储热方面有明显的优点，相变材料12正逐步的应用于日光温室墙体的建造。周长吉13通过对西北、华北和东北地区温室的比较并以西安和兰州的气候为依据比较分析得出结构合理的“西北型”日光温室。高艳明14、王晓冬15、董瑞16等对西北地区的日光温室墙体保温和结构进行优化分析，对指导当地的生产起到积极作用。关于墙体大量的研究工作都是对复合墙体的材料和厚度的筛选。对于推广面积最大的土质墙体日光温室研究甚少，大部分地区都是把当地的冻土层厚度作为建造温室土质墙体厚度的依据。同一区域墙体的厚度差异也较大，偏薄的保温效果不佳，偏厚的既增加建造成本又降低了土地的利用率。在西北地区，土质墙体是现有温室中应用最多的墙体，约占所有日光温室 95%，土质墙体保温蓄热性能好，而且能够充分利用土地资源，取材方便，从而降低了建造日光温室的成本，有利于区域化布局，规模化生产。因此，在未来的几十年内日光温室的建造中，土质墙体依然是农户的首要选择。本文通过对西北 4 省区应用面积最大，土质墙体厚度不同的温室进行温度测定、得热量计算和夜间墙体向室内放热性能的比较分析，得出不同纬度不同海拔地区温室土质墙体的最佳厚度，为设施农业的标准化和温室建造提供依据。  1  材料与方法 1.1  供试温室 供试温室位于新疆维吾尔族自治区塔城市、陕西省杨凌区、甘肃省白银市和宁夏回族自治区银川市，各省第 8 期                         杨建军等：西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化                           181 区日光温室都选择当地最流行的结构较为合适的日光温室以供环境性能测定，测定温室均为土质围护结构的温室，其主要结构参数如表 1。陕西、宁夏、甘肃地区测试温室栽培作物均为番茄，新疆塔城地区测试温室栽培作物为茄子和辣椒，棚膜均为当年新膜，各省区的保温覆盖材料均为草帘，不同省区之间在定植时间，保温材料的厚度有一定的差异，杨凌厚度为 2.0 cm，甘肃和宁夏为 3.5 cm，新疆 2.5 cm 双层，陕西杨凌定植时间为 11 月上旬，甘肃白银为 12 月上旬，宁夏为 12 月初，新疆为 8月上旬。在同一地区，栽培作物、定植时间、作物长势和温室管理都相同，因此，同一地区，造成温室内温度差异的主要原因是墙体厚度的不同。  表1  供试温室分布位置和结构参数 Table 1  Distribution location and structure parameter of tested greenhouses 编号  地点  纬度  海拔 /m 长度 /m 净跨度 /m 脊高 /m 后墙内 /(外 )高 /m 后屋面仰角 /() 后墙厚 */m sx-a 陕西杨凌  N3417 435 50 7.5 3.5 2.5(2.)5 55 0.9 sx-b 陕西杨凌  N3417 435 50 7.0 3.5 2.5(2.5) 55 1.0 sx-c 陕西杨凌  N3417 435 50 7.5 3.5 2.5(2.5) 55 2.2 gs-a 甘肃白银  N3634 1 520 50 7.3 3.5 2.2(2.9) 40 1.1 gs-b 甘肃白银  N3634 1 520 50 7.0 3.5 2.4(2.7) 40 1.3 gs-c 甘肃白银  N3634 1 520 64 7.2 3.6 2.2(2.7) 40 1.5 nx-a 宁夏银川  N3753 1 130 72 7.0 3.6 2.5(2.8) 33 1.3 nx-b 宁夏银川  N3753 1 130 72 7.0 3.4 2.0(2.0) 33 1.5 nx-c 宁夏银川  N3753 1 130 65 7.0 3.4 2.2(2.5) 35 1.7 xj-a 新疆塔城  N4645 548 60 7.2 3.2 2.0(2.9) 44 1.2 xj-b 新疆塔城  N4645 548 60 7.2 3.2 2.0(2.9) 44 1.4 xj-c 新疆塔城  N4645 548 60 7.5 3.5 2.0(3.0) 45 1.8 注：*指平均厚度。 1.2  测试方法 在墙体的内、外表面和温室内跨度一半处平行于后墙分别设置 5 个测点（即东、中、西、中上和中下 5 测点） ，在室外同一高度处设置一个测点。如图 1 所示。各个观测点每隔 2 h 观测 1 次，每次重复 2 遍，取均值。室外温度测点为每一座温室中部距温室前部 2 m 远处设置，高度为 1.0 m。每个地区 3 座温室室外 3 个测点平均值为当地的室外气温。观测仪器为玻璃温度表。墙体表面温度表做防辐射处理，温度表半嵌入墙体表面凹槽且下端液泡紧贴墙壁凹槽。测定时间段为 2007 年 12 月 10 日至2008 年 3 月 2 日。  注： Sp 为跨度， h 为后墙内高， Ld 为后墙底部厚度， Lc 为温室长度  图 1  温度观测点分布 Fig.1  Distribution of the temperature observation 1.3  墙体传热量 HG(n)及夜间放热量 Qp的计算 日光温室内外的环境温度在一天内随时间不断的变化， n时刻通过墙体围护结构从室内向室外传递的热量得热量 HG(n)（ 单位 Wm-2）可由式（ 1）计算。  )()()()()(00jTjZjTjYHGninjnjoutn=  （ 1）  式中：outT )( jn ，inT )( jn 分别为单位单元作用计算时刻 n的前 j时刻的室外综合气温和室内气温，；Y( j)墙体传热反应系数， Wm-2-1； Z( j)墙体  内表面吸热系数， Wm-2-1。本文计算墙体的得热量时导热系数为 1.16 Wm-1-1，容重为 2 000 kgm-3，导温系数为 0.00207 m2h-1， 内、 外表面换热系数分别为 9.0、 23.7 Wm-2-1。  夜间日光温室墙体向室内的放热量是衡量温室墙体保温性能的主要指标，夜间放热量越大说明墙体的保温性能越好。本文采用马承伟8推荐的方法式（ 2）计算比较温室墙体的热性能。  Qp=kw(15-ti)ati 15        （ 2）  182                                             农业工程学报                                           2009 年  式中： ti室内温度，； Qp夜间放热量， Wm-2；kw根据不同墙体厚度在 40 55 取值； a 的取值为0.1 0.12。  2  结果与分析 2.1  西北地区不同厚度墙体日光温室内温度日变化 由图 2 可知，陕西杨凌地区对 sx-a、 sx-b 和 sx-c 3 座温室室内气温相比较， 1.0 m 和 0.9 m 厚墙体温室晴天的温度相差 0.5， LT / 为 5/m（ LT / 为室温增量与墙体厚度增量之间的比值，单位 /m，下同） ，阴天的  图 2  西北地区不同厚度墙体日光温室内气温日变化 Fig.2  Variation curve of temperature in the earth wall greenhouses with different thicknesses in the Northwest China 第 8 期                         杨建军等：西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化                           183 温度相差 0.2， LT / 为 2/m，因此在 0.9 m 基础上增加到 1.0 m 对提高墙体的保温性效果明显； 2.2 m 和   1.0 m 厚墙体温室晴天的温度相差 0.2， LT / 为0.17 /m，阴天的温度相差 0.3， LT / 为 0.25 /m，由 1.0 m 增加到 2.2 m 虽然能提高温室的保温性，但增加效果不明显。由此可知在 3 座温室中，厚度在 0.9 m 基础上增加 0.1 m 的增温效果优于在厚度 1.0 m 基础上厚度增加 1.2 m 的增温效果， 2.2 m 厚墙体温室虽然厚度增加较大但增温效果不明显。因此， 1.0 m 厚的墙体是陕西杨凌地区最为适宜的温室墙体。  甘肃白银地区在晴天和阴天，温度的变化都为gs-c>gs-b>gs-a。 晴天夜间 1.3 m 厚的墙体比 1.1 m 厚的墙体增温 1.9左右， LT / 为 9.5 /m， 1.5 m 厚的墙体较 1.3 m 厚的墙体增温 0.5左右， LT / 为 2.5 /m；阴天夜间 1.3 m 厚的墙体比 1.1 m 厚的墙体增温 0.8左右， LT / 为 4.0 /m。 1.5 厚的墙体较 1.3 m 厚的墙体增温 0.5左右， LT / 为 2.5 /m。 1.3 m 厚墙温室和1.5 m 厚墙温室在夜间降温的过程中，温差逐步减小，二者温度逐渐趋于一致，二者之间夜间的储热保温性差异较小。由此可知就三座温室的保温效果而言， 1.1 m 厚的温室保温效果最差， 1.3 和 1.5 m 厚墙体的温室保温效果在晴天的差异较小， 在 1.3 m 厚墙体基础上通过增加墙体厚度对温室环境影响不大。 1.3 m 厚墙体是甘肃白银地区较为理想的墙体， 其室内温度明显的优于 1.1 m 厚墙体温室的室温，但和 1.5 m 厚墙体的保温效果相当。  宁夏银川地区 1.5 m 厚墙体温室比 1.3 m 厚墙体温室室均温晴天和阴天分别高 0.5和 0.9， LT / 分别为2.5 /m和 4.5 /m， 1.3 m 厚墙体温室的室温夜间下降较快，其保温能力差，在当地环境条件下显得偏薄。 1.5 m厚墙体温室的室温较 1.7 m 厚墙体温室的室温晴天高0.3，阴天高 0.1，但其一整天的室温变化和 1.5 m 基本一致，二者在夜间的室温变化一致。由此可知 3 座温室中， 1.3 m厚墙体温室的室温明显地低于其它两座温室，说明 1.3 m 的墙体在该地区的保温性能较差， 1.5 m 和   1.7 m 厚墙体温室的保温效果基本一致。墙体厚度达到  1.5 m 时再增加墙体的厚度，增温效果不明显。  新疆高纬度塔城地区日光温室 xj-a、 xj-b 和 xj-c 3 座温室中， 1.2 m 厚的温室 xj-a 室温明显低于 xj-b 和 xj-c，1.2 m 厚温室较 1.4 m 厚温室平均室温低 1.8左右， 温室最低温为 5.2，显然不能满足温室所需的保温效果，甚至出现低温冷害。 1.4 m 和 1.8 m 厚墙体温室的温度一致，尤其在阴天不揭草帘的情况下二者室温的日变化相同，1.4 m 和 1.8 m 厚墙体储热放热一致。由此可知，就保温效果而言，新疆塔城地区 1.4 m 和 1.8 m 厚墙体的温室最低室温相等，尤其在持续阴雪天不揭草帘的条件下保温效果较为一致。 因此新疆塔城地区 1.4 m 厚度墙体是较为理想的温室墙体。  2.2  西北地区日光温室不同厚度土质墙体保温性能分析 由表 2可知， 陕西杨凌地区 1.0 m厚墙体温室较 0.9 m墙体温室夜间室温和极端低温提高 0.6左右，夜间平均放热量晴天增加 6.5 Wm-2，阴天增加 2.8 Wm-2，平均传热量晴天减少 3.14 Wm-2，阴天减少 0.44 Wm-2。 1.0 m厚墙体向室内放热较多，向室外的平均传热量明显减少，能够明显的增加墙体的保温能力。 2.2 m 墙体与 1.0 m 墙体温室相比，夜间向室内放热量较大，但夜间温度和极端低温仅增加 0.2左右，对室温的提高作用不大，只使室温的夜间变化缓和，温度变化不明显。因此， 1.0 m 厚墙体较 0.9 m 厚墙体有明显的保温增温效果，但 2.2 m 厚墙体相对 1.0 m 的增温不明显。  表2  西北地区日光温室不同厚度土质墙体晴天保温性比较 Table 2  Analysis on the thermal insulation property in the earth wall greenhouses with different thicknesses in clear or clouldy day in the Northwest China 晴    天  阴     天  温室  编号  墙体  均厚 /m 传热系数  /(Wm-2-1) 总热阻  /(m2W-1) 夜间室内  均温 / 夜间最低室温 / 夜间平均放热量 /(Wm-2) 平均传热量 /(Wm-2)夜间室内均温 / 夜间最低  室温 / 夜间平均放热量 /(Wm-2) 平均传热量 /(Wm-2)sx-a 0.9 1.08 0.93 9.3 8.2 45.9 -16.01 8.3 8.0 30.0 -9.17 sx-b 1.0 0.98 1.02 9.9 8.7 52.4 -12.87 8.5 8.3 32.8 -8.63 sx-c 2.2 0.49 2.05 10.1 8.9 59.5 -9.34 8.8 8.7 41.5 -6.06 gs-a 1.1 0.91 1.10 13.5 11.9 43.5 -22.80 9.4 8.8 29.5 -11.98 gs-b 1.3 0.78 1.27 15.3 13.7 51.9 -20.48 10.2 9.3 32.0 -11.24 gs-c 1.5 0.69 1.45 15.8 14.3 55.4 -18.36 10.9 9.9 34.7 -10.11 nx-a 1.3 0.78 1.27 11.2 9.0 54.5 -19.90 7.7 6.5 35.4 -12.74 nx-b 1.5 0.69 1.45 12.7 9.2 59.1 -16.92 8.6 7.3 37.8 -11.12 nx-c 1.7 0.62 1.62 12.3 9.9 60.9 -14.85 8.5 7.2 39.1 -9.77 xj-a 1.2 0.84 1.19 7.7 7.5 32.4 -15.80 6.1 5.2 14.5 -14.62 xj-b 1.4 0.74 1.36 9.5 9.3 35.3 -13.82 8.0 7.8 17.4 -12.98 xj-c 1.8 0.59 1.71 10.5 9.4 36.4 -11.52 8.0 7.7 19.2 -10.84 注：晴天测试时间为陕西杨凌 2008-01-05，甘肃白银 2008-01-02，宁夏银川 2008-02-18，新疆塔城 2007-12-23；阴天测试时间为陕西杨凌 2008-01-10，甘肃白银 2008-01-12，宁夏银川 2008-01-11，新疆塔城 2007-12-25。  甘肃白银地区 1.1 m 厚墙体保温效果最差， 夜间的墙体的放热较少，平均传热量较大。 1.3 m 和 1.5 m 厚墙体温室气温相差 0.6，夜间放热量晴天相差 3.5 Wm-2，阴天相差 0.7 Wm-2，平均传热量相差 1.0 2.0 Wm-2。在184                                             农业工程学报                                           2009 年  1.3 m 厚墙体上再增加厚度对温室室温的变化影响不大，夜间放热量相差较小。由此可知， 1.1 m 厚墙体温室夜温较低，保温效果较差，墙体有些偏薄。 1.5 m 的厚度虽然放热量较高，但增温效果不明显， 1.3 m 是较为合适的墙体厚度。  宁夏银川地区 1.3 m 厚墙体夜间放热量晴天相差   4.6 Wm-2，阴天相差 2.4 Wm-2， 相差较大，平均传热量相差较大，说明 1.5m 后墙保温效果明显的优于 1.3 m 厚墙体， 1.5 m 厚墙体比 1.3 m 厚墙体能够明显增加墙体向室内的放热，提高夜间温室环境温度。 1.5 m 较 1.7 m 厚墙体夜间放热量和平均传热量相差较小，说明两种墙体的储热保温性能相差不明显，对温室室温环境变化影响较小。因此， 1.3 m 厚墙体的温室保温效果较差， 1.5 m是较为适合的墙体厚度， 在 1.5 m 的基础上再增加墙体厚度。对提高温室的环境温度影响不明显。  新疆塔城地区温室 1.2 m 厚墙体明显偏薄， 夜温较其它温室低 2.0左右，夜间向室内的放热量最少，平均传热量最多，保温效果在 3 者中最差； 1.4 m 较 1.8 m 厚的墙体温室内最低气温相差为 0.1， 夜间放热量相差甚微。在 1.2 m墙体厚度的基础上增加 20 cm其保温效果会明显的提高， 但在 1.4 m 的基础上再增加 40 cm 的保温效果基本一致，因此， 1.4 m 厚墙体是新疆塔城地区较为适合的墙体厚度。  分析认为各个省区温室随着墙体厚度的增加，墙体传热系数逐步减小，总热阻逐步增大，夜间均温和极端低温增高。墙体越厚夜间墙体向室内的放热量越多，夜间室内温度下降就越缓慢。根据当地的气候特点和栽培管理，西北 4 省区所测试的日光温室，陕西杨凌地区    1.0 m、 甘肃白银 1.3 m、 宁夏银川 1.5 m 和新疆塔城 1.4 m在当地能够起到较好的保温效果，在此基础上通过增加温室墙体厚度带来的增温效果不明显。  3  结论与讨论 温室的墙体越薄其储热能力越差，夜间向室内放热越少，保温性能越差。墙体越厚储热保温效果越好，夜间放热越多，尤其在凌晨以后保温作用越强，使室温下降缓慢。但随着厚度的增加，达到一定厚度后 LT / 值逐步递减，厚度增加对温室增温的作用不大。这与董    瑞16，籍秀红17的结论相同。保温性好的墙体应是在夜间放热量大并能够持续不断的向温室内提供热量的墙体。温室的墙体越厚其土地的利用率越低，建造成本相应就越高。在满足喜温蔬菜生长的前提下，根据当地的温度环境条件，综合考虑保温效果、土地的利用率和建造成本。根据测试的环境温度以及保温性能分析比较可得出西北地区四省区各个观测点日光温室土质墙体的最佳厚度分别为陕西杨凌地区 1.0 m 的 sx-b 温室，甘肃白银地区 1.3 m 的 gs-b 温室，宁夏银川地区 1.5 m 的 nx-b温室，新疆塔城地区 1.4 m 的 xj-b 温室。当达到当地的最佳厚度时，再通过增加墙体厚度来增加保温效果不明显。  志谢：感谢在试验过程中甘肃省农科院蔬菜研究所郭晓冬研究员，宁夏大学李建设教授和新疆农科院农机化研究所王晓冬副研究员给予悉心指导和帮助。 参   考   文   献 1 Bai Yikuai, Liu Wenhe, Wang Tieliang, et al. 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Beijing: College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University， 2007 (in Chinese with English abstract) 16 董瑞沙荒地日光温室墙体传热性能研究 D济南：山东建筑大学热能工程学院， 2007  Dong Rui. Research on the Heat Transfer Characteristic of the Greenhouse Wall in the Sandy BadlandsD. Jinan: College of Thermal Energy Engineering, Shandong Jianzhu University， 2007 (in Chinese with English abstract) 17 籍秀红日光温室墙体材料保温蓄热性能的测试与研究D北京：中国农业大学农学与生物技术学院， 2007  Ji Xiuhong. Test and Research on the Performance of the Greenhouse Wall Materials At Heat Preservation And AccumulationD. Beijing: College of Agriculture and Biotechnology, China Agricultural University， 2007 (in Chinese with English abstract) Optimization of earth wall thickness and thermal insulation property of solar greenhouse in Northwest China  Yang Jianjun, Zou Zhirong, Zhang Zhi, Wang Yunbing, Zhang Zhixin, Yan Fei (College of Horticulture, Northwest Agriculture and Forest University, Yangling 712100, China) Abstract: More than 95% Solar Greenhouse walls were built with earth in Northwest China, the thickness of the earth walls changed with areas. In order to find out the optimal earth wall thicknesses of Sola