高原非耕地地区日光温室热环境的研究

西 北 农 业 学 报，（）：  ：网络出版日期 ：网络出版地址 ：高原非耕地地区日光温室热环境的研究收稿日期 ：  修回日期 ：基金项目 ：国家公益性行业 （农业 ）科研专项 （）；陕西省科技统筹项目 （）。第一作者 ：王昭 ，女 ，在读硕士研究生 ，从事设施农业环境研究 。：通信作者 ：何斌 ，男 ，博士 ，副教授 ，硕士生导师 ，主要从事建筑结构设施农业研究 。：王昭，何斌，邹志荣，王嘉维（西北农林科技大学 园艺学院，陕西杨凌；西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西杨凌）摘要为研究高原非耕地地区日光温室热环境的变化规律 ，对 年 月至 年 月内蒙古阿拉善盟典型日光温室的室外温度 、室内温度 、地表下 的土层温度 、前屋面及后屋面的热流量变化情况进行测定 ，分析不同天气条件下 ，日光温室气温 、地温 、热量情况 。结果表明 ：该地区典型温室日均温度为 ，室内晴天最低温度为 ，阴天，室内最高温度，室内外温差，室内地温为，变化较室外晚；热传递方面 ，晴天热流量峰值出现在：，阴天出现在盖帘后的。确定晴天 ：及阴天 ：为温室合理灌溉及通风换气的时间 ，不仅为进一步探究高原非耕地地区日光温室热环境特性提供了依据 ，还为温室不同时间不同类型作物的管理方式 、温室结构的改良提供了思路 。关键词非耕地 ；日光温室 ；温度 ；热流量中图分类号   文献标志码     文章编号（）随着国家加大力度提高农业现代化生产水平 ，其推广速度和范围进一步增大。近些年来对于日光温室的研究主要集中在对室内温 、光 、湿环境的调控和温室结构的改良个方面 。白义奎等对适宜东北气候条件的辽沈型日光温室的温 、光 、湿等环境及保温性能进行了综合分析 ，郭文忠等设计建造宁夏型日光温室基本保证了茄果类蔬菜越冬生长 ；朱宝文等探明建造于高寒冷地区的日光温室室内温度变化规律 ，为控制室内温度提供了依据 。同时很多研究者对温室的改良提出许多设想 ，张勇等研发了旋转屋面角日光温室 ，即前屋面角度随着太阳入射角而变化 ，并对其采光 、保温性能进行了测定 。孙周平等研发的彩钢板保温装配式节能日光温室 ，通过温室脊高前移 、减小温室中部 、后部的遮光面积 ，提高总体的温光性能 ；管勇等将研制的相变蓄热材料应用于日光温室北墙提高了温室气温 、地温以及对太阳能的利用 。阿拉善盟地处非耕地高原内蒙古自治区的最西端 ，平均海拔 ，位于亚洲荒漠区最东部 ，总面积达。沙漠 、戈壁 、裸岩及沙化土地总面积达以上 ，并有不断扩大的趋势。因此 ，本研究通过对阿拉善盟地区的日光温室内热环境的测定 ，分析在不同天气条件下温室内热环境变化情况 ，总结出温室内温度和热量的变化规律 ，以期能够对室温 、地温 、热流量变化进行预测 ，对环境提前调控 ，从而保证温室能够维持在适宜作物生长所需的条件范畴 。 材料与方法 时间及地点测试于年月至年月进行 ，改良温室均位于阿拉善左旗吉兰泰镇瑙干陶力嘎查哈图左 林 的 非 耕 地 温 室 示 范 基 地 ，地 处 北 纬，东经。坐北朝南 ，南偏西，覆盖材料选择透光率的聚氯乙烯无滴膜 ，保温被，厚。温室内采用垄作的方式种植番茄 。温室的具体结构参数如表所示 。 试验方法测定的数据为室内外温度 、室内地温 、前后屋面各点热流量 。分别在温室东西方向的和，距后墙，高度的位置 。室外测点选在全天均无遮蔽物的空旷场地 ，高度为。数据从越冬茬番茄定植后开始 ，到果实全部采摘完毕为止 。测点布置方式如表所示 。：之前根据日出情况揭帘 ，：后盖帘 。表 试验温室结构参数 长度 跨度 脊高 前屋面角 后屋面角 后屋面投影宽度 后屋面做法 后墙高度 后墙厚度          木板 聚苯板 抹灰   表 测点分布情况 测点序号 测试设备 测试参数 布点要求 热流计 热流量密度 （） 测点 位于后屋面投影中点位置 ；测点 位于前屋面 ；投影均分高度 位置 ， 热电偶室内空气温度 位于温室栽培区 （作物栽培区域 ）中部位置 ，高度距地面 热电偶地下 温度 位于温室栽培区中部位置 ，距栽培面 处 热电偶室外空气温度 位于室外空旷处 高度位置 热电偶室外 深温度 位于前屋面底边 远 ，距地表 处 结果与分析测定期间的天气为晴天占，多云占，其他天气占。因此温度变化趋势按晴天和阴天种情况进行分析 。太阳升起时需揭帘使作物能够接收到阳光的照射进行光合作用 ，一 般 时 间 为：左 右，故 以 此 为 观 测起点 。 温室内日气温 温室内日平均气温变化趋势日平均气温能够反映温室内温度变化的总体趋势 ，是研究温室性能的基本指标 。至各时段平均温度变化情况如图所示 。试验温室在：前 ，晴天温度以平均速度上升 ，阴天为；：至盖帘前 ，晴天 以速 度 下 降 ，阴 天 为；夜间 ，晴天温度维持在，阴天为。 温室内日最低温度变化趋势植物生长发育必须要达到一定的有效积温 ，否则会导致作物生长不良 。一些蔬菜作物如白菜类 、根菜类 、葱蒜类和大部分叶菜类等生蔬菜需要度过一段时间的低温通过春化作用才能开花结实 。图为监测期间室内最低温度 。图 日平均温度 不同天气条件下室外最低温度为，改良温室晴天日最低温度主要分布范围较大 ，且温度区段更低 ，晴天主要分布在，占总天数的，阴天集中在，占。低温出现的时间在一天中的：期 王昭等 ：高原非耕地地区日光温室热环境的研究：，温度从盖帘后一直处于下降的状态 。如种植番茄 、黄瓜 、茄子等喜温蔬菜或需提前采收 ，可以采取热风炉进行适当加温 ，尤其是种子发芽阶段 ，以加快其生长 。图 日最低温度 温室内日最高温度变化趋势日光温室主要是解决北方地区冬季气温偏低不适宜作物生长的问题，但在某些时刻由于外界环境和温室自身结构共同影响下 ，温室内会出现高温现象 。图为监测期间 ，不同天气条件的日最高温度所占的比例 。图 日最高温度 从最高温度的范围上来看 ，已满足白菜 、甘蓝 、番茄 、黄瓜 、茄子等常见蔬菜的正常生长要求 ，同时建议在阴天时及时加温以保证作物品质和生长速度。相比于其他地区温室可以看出 ，高寒非耕地地区温室的最高温度出现较其他地区温室晚。 温室内外温差变化趋势室内外温差部分反映的温室保温效果 。图为不同天气条件室内外不同时刻温差变化情况 。图 温室内外温差 从图中可以看出 ，室内温度始终高于室外温度 ，温差集中在。典型晴天室内外的温差在：达到峰值 ，这是通风换气及作物灌溉之前的阶段 ，一天中光照强度最大 ，照射到室内的太阳光一部分被地面和墙体吸收蓄热 ，一部分经地面反射为长波辐射 ，变化对室外温度依存性小 ，温差变大；：，每小时下降；：至次日：温差较小 ，维持在左右 。典型阴天由于一天内温度光强变化不大 ，对温室升温影响较小 ，同时为防止室内温度过低会采用热风炉进行加温 ，提早盖帘以保持温度 。相比其他地区日光温室 ，该地区日光温室具有昼夜温差大等特点 。 温室内地温地温能显著影响蔬菜作物的生长发育 ，地温过高或过低显著影响蔬菜根系对水分的吸收 ，剧烈的地温变化会对根系的应力构成威胁 ，甚至造成作物枯萎 ；影响蔬菜根系对养分的吸收 。不同天气条件下日平均地温变化如图所示 。改良温室晴天条件下 （图），室内地温在，室外地温，室内相比室外地温高，最高温度出现在：，最低温度出现在：；室内：至次日：温 度 处 于 下 降 趋 势 ，平均每小时下降；室内：温度表现为上升趋 西北农业学报 卷势 ，每小时升高，室内温度波动幅度高于室 外 。阴 天 条 件 下 （图），室 内 地 温 为，室外地温，室内相比室外地温高，最高温度出现在：，最低温度出现在：；室内：至次日：温度处于下降趋势 ，平均每小时下降；室内：温度处于上升趋势 ，每小时升高。图 室内外地温 室内地温变化晚于室外左右 ，波动幅度高于室外 ，温度较低时采取加温措施会造成温度的加速上升 。 日光温室内热流变化图为不同天气条件下室内各点热流量变化情况 。整体上看 ，阴天波动弱于晴天 ，越靠近屋脊各点变化越剧烈 。晴天各时刻前屋面的热流量明显高于阴天 ，点点整体波动趋势相似 ，晴天峰值出现在：前后 ，阴天最大值在盖帘后。最小值出现在揭帘前 。晴天会出现室内温度下降过快 ，点 （后屋面 ）散热 ，在阴天条件下 ，点点全天处于波动平稳状态 ，无明显的峰值和最小值出现 。点的峰值出现在：，可达到（）。图 各测点热流变化 以下从：揭帘时间 、：室外温度最高时间 、：盖帘前及：进行逐一分析 。特殊的时段对热流量进行分析 。从图可以看出 ，：，点点热流量相近 ，并处于较低范围 ，点略高 ，点值接近其他各点的。：，各点热流量处于较高值 ，点略低于点点 ，点较点低左右 。：，点 、点值相似 ，点和点分别略低 、略高于这两点 ，点出现负值 ，表明该点由吸热状态变为放热状态 ，该现象的出现是由于温度快速下降 ，而后屋面保温效果较好造成变化滞后进而放热 ，为负值 。夜间前屋面热流量差距缩小至基本一致 。建议：可以进行适当的灌溉及通风 。从后屋面的热特性计算可以 在 中 间 加 导 热 系 数（）的泡沫板 。从图可以看出 ，：时 ，点点热流期 王昭等 ：高原非耕地地区日光温室热环境的研究晴天   ；阴天  图 极值时刻各点热流量 量较小 ，无明显差异 ，后屋面接近前屋面的。：，各测点达到峰值 ，点点逐 步 递 增 ，点 和点 值 接 近 。：时 ，点点差距较小 ，点 、点吸热量减小 ，点减小了，表明此时室内温度已经下降 ，后屋面的保温性能开始发挥作用 。：，点点升高 ，由于阴天夜晚温度较低 ，室内进行了适当加温措施 。建 议 揭 帘 时 覆 盖 传 热 系 数 为（）及左右的保温被 ，前屋面前部分建议加厚，同时后屋面在建造温 西北农业学报 卷室时内部另加苯板保温 ，阴天时可适当推迟揭帘时间至：，待室外温度升高光线变强时开始揭帘 。盖帘时间提前至：。：可适当进行少量灌溉 ，避免通风散热和湿度过大造成的霜霉病等病害产生 。 温室内热交换计算温室内热量变化受到室内外环境条件的影响 。热量交换途径有 ：太阳辐射得热 ，围护结构对流换热 ，室内作物 、灯具 、人体等之间相互热交换 ，温室内作物叶片的蒸腾作用引起潜热的变化 ，土壤水分的蒸发引起潜热的变化 ，温室内换气装置（门 、天窗 、风机等 ）及结构缝隙等与外界产生的对流换热共个方面。当热量的流入量高于散热量时会使引起温室内温度升高 ，相反会造成温度的下降 。由此可推出温室内热量平衡方程可以表述为 ：其中为温室内热量变化 （负值为热量的散失 ，正值为热量的流入 ），；为温室内接收到的太阳辐射能 ，；为通过温室的围护结构（前屋面 、后屋面 、后墙等 ）换热量 ，；为温室内作物 、灯具 、人体等之间的热交换量 ，；为土壤传热量 ，；为温室换气装置 （门 、天窗 、风机等 ）及结构缝隙等与外界产生的对流换热 ，；为温室内作物叶片的蒸腾作用引起潜热的变化 。该地区室外年平均最低温度为，不同种类的作物生长适宜温度不同 ，如韭菜 、菠菜 、大葱 、大蒜等耐寒作物适宜生长温度为；白菜 、甘蓝 、马铃薯 、萝卜等半耐寒作物适宜生长温度为；番茄 、茄子 、辣椒 、黄瓜等喜温作物适宜生长温度为；南瓜 、西瓜 、甜瓜 、豇豆等耐热作物适宜生长温度为。白天基本可以达到所有作物生长所需的条件 ，夜间温度均低于，不适宜作物的正常生长 。需考虑夜 间 加 温 ，故此处设定室内设计温度为。（）温室内接收的太阳辐射能 （）由于夜间的温室没有太阳光照射 ，因此为零 。（）温室结构换热 （）温室是一个相对稳定的半封闭环境 ，根据稳定传热理论 ：（）其中为不同材料围护结构的传热系数 ，（）；为不同材料各部分面积 ，；为室内温度 ，；为室外温度 ，。以本次试验选取的日光温室为例 ，山墙为厚 ，的红砖墙 ，传热系数（）；后墙 、后屋面以及夜间前屋面 （聚氯乙烯无滴膜外覆保温被 ）均为复合材料 ，其传热系数计算公式 ：其中为复合围护结构外层材料的对流换热 系 数 ，（），此 处 取 值（）；为复合围护结构隔层材料的厚度 ，；为复合围护结构隔层材料的导热系数 ，（）；为复合围护结构内层材料的对流换 热 系 数 ，（），此 处 取 值（）。前屋面面积，外层覆盖保温被 ；，（），内层为聚氯乙烯无滴膜 ，（）；后屋面面积，外层为防水卷材 ，中间为水泥砂浆 ，（），内层为聚苯板 ，；后墙面积，外层为聚苯板 ，内层为厚土坯墙 ， 。因此总 前屋 后屋 后墙 山墙 （）（）（）（） 冷风渗透损失可按公式 ：（）其 中为 空 气 的 定 压 比 热 ，（）；为通过冷风渗透进入温室的空气质量 ，；空气质量为每小时冷风渗透进入温室的空气总质量 ，可按公式 ：其中为每小时温室内空气交换的总次数 ，日光温室，取；为温室体积 ， ；为空气密度 ，室内温度期 王昭等 ：高原非耕地地区日光温室热环境的研究时 ，空气密度取。 （）温室内作物及灯具 、人体等之间的热交换量 （）夜间不进行补光处理 ，工作人员无夜间作业 ，取值为零 。（）土壤传热损失 （）选取墙外以内范围 ，以宽为一个梯度 ，由外 到 内 各 梯 度 的 传 热 系 数 取（），（），（），（），计算其通过土壤传热的热量损失 （）温室换气装置 （门 、天窗 、风机等 ）及结构缝隙等与外界产生的对流换热量 （）夜间为达到保温效果会关闭门窗及其他通风换气 设 备 ，因 此 本 次 计 算 设 定 为 密 闭 环 境 ，为零 。故当忽略不同风速及叶面蒸腾作用的影响（）时 ，可近似求得夜间日光温室热量散失情况 。温室内夜间热量损失 ： 若要保证喜凉作物的正常生长 ，当室外温度在时 ，室内温度需维持在以上 ，则温室内的采暖负荷至少为 。若要保证半耐寒作物的正常生长 ，当室外温度在时 ，室内温度需维持在以上 ，则温室内的采暖负荷至少为 。若要保证喜温 、耐热作物的正常生长 ，当室外温度在时 ，室内温度需维持在以上 ，则温室内的采暖负荷至少为 。 结 论温室内热量变化受到室内外环境条件的影响 ，热量交换途径有 ：（）室内相比室外地温变化晚左右 ，当室外地温发生变化时 ，应提前调节室内环境 。（）阴天全天前屋面中下部及后屋面热流量明显高于晴天 ，须适当对这两个位置覆盖保温被或苯板以减小热量流失 。（）温室后墙热流变化情况 ，晴天条件下 ，从揭帘至：，后墙热流量介于前屋面各点之间 ，：后热流量高出其他各点左右 ；阴天条件下 ，：左右后墙墙热流量达到峰值 ，是所有点中热量流出的最高位置 。（）夜间通过热风炉的方式进行加温 ，加温负荷可根据各地自身气候情况及对室温的要求参考本试验计算结果进行测算 。（）夜间对后屋面进行保温被覆盖 ，加以上的保温被 ，为保证夜间保温效果前屋面前处应加厚。晴天：对作物进行灌溉 ，并配合通风换气 ，阴天减少灌溉量 。揭帘时间推迟至：之后 ，盖帘时间提前至：，：开 始 少 量 灌 溉 ，无 须 通 风 ，以 减 少 热 量散失 。参考文献：刘志杰 ，郑文刚 ，胡清华 ，等 中国日光温室结构优化研究现状及发展趋势 中国农学通报 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）吴正景 ，张菊平 ，王少先 日光温室保温节能技术应用与研究进展 北方园艺 ，（）： ， ， ，（）：（ ）魏瑞江 ，孙忠富 我国日光温室小气候进展与展望 西北农林科技大学学报 （自然科学版 ），（）： ， （ ），（）：（ ）白义奎 ，刘文合 ，王铁良 ，等 辽沈型日光温室环境及保温性能试验研究 农业工程学报 ，（）： ， ， ， ： ，（）：（ ）郭文忠 ，杨冬艳 ，曲继松 ，等 宁夏 型日光温室设计建造及冬季温光环境特征 北方园艺 ，（）： ， ， ， ，（）：（ 西北农业学报 卷）朱宝文 ，胡德奎 ，赵年武 ，等 高寒冷凉地区日光温室温度变化规律研究 中国农学通报 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）张勇 ，邹志荣 ，李建明 倾转屋面日光温室的采光及蓄热性能试验 农业工程学报 ，（）： ， ， ，（）：（ ）孙周平 ，黄文永 ，李天来 ，等 彩钢板保温装配式节能日光温室的温光性能 农业工程学报 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）管勇 ，陈超 ，凌浩恕 ，等 日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特 性 分 析 农 业 工 程 学 报 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）杜方红 ，黄文浩 阿拉善地区生态问题及探讨 内蒙古环境保护 ，（）： ， ，（）：（ ）张百平 ，张雪芹 ，姚永慧 ，等 内蒙古阿拉善地区的荒漠化与战略性对策 干旱区研究 ，（）： ， ， ， ，（）：（ ）刘璎瑛 ，丁为民 ，张剑锋 日光温室保温帘揭盖时间的确定农业工程学报，（）： ， ， ，（）：（ ）肖林刚 ，邹志荣 ，吴乐天 ，等 寒冷干旱地区日光温室结构寒冷干旱地区日光温室结构的优化设计 农学学报 ，（）： ， ， ， ，（）：（ 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