第 29 卷 第 19 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 29 No 19 2013 年 10月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct 2013 159 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能 孫周平 1 2 3 黃文永 4 李天來 1 2 3 佟雪嬌 1 2 3 白義奎 1 3 5 馬 健 1 2 3 1 設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110866 2 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 沈陽 110866 3 遼寧省設(shè)施園藝 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110866 4 凌源市虹圓設(shè)施農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司 朝陽 122500 5 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院 沈陽 110866 摘 要 針對(duì)傳統(tǒng)日光溫室防雨 防雪 防風(fēng) 防火能力差 以及室內(nèi)光溫環(huán)境分布不均勻等問題 研制開發(fā)彩 鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室 該溫室骨架為半圓弧形鋼結(jié)構(gòu) 采用巖棉彩鋼板滑動(dòng)保溫覆蓋形式和可移動(dòng)保溫 山墻方法 溫室跨度 12 m 脊高 5 5 m 長度 65 m 屋面采光角高達(dá) 41 5 該日光溫室采用水循環(huán)系統(tǒng)和空氣 地中熱交換系統(tǒng)代替土墻和磚墻等蓄熱體 解決了裝配式日光溫室的蓄放熱問題 實(shí)現(xiàn)了日光溫室部件的工廠化 生產(chǎn)和安裝的標(biāo)準(zhǔn)化裝配 與對(duì)照 遼沈 型土墻日光溫室 比較 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室脊高前移 位于溫室中部 溫室后部遮光減少 土地利用率提高 20 以上 屋面采光角增加 16 3 采光率提高 5 3 晚間 室外大氣溫度在 25 8 時(shí) 室內(nèi)氣溫在 13 以上 室內(nèi)外溫差達(dá)到 39 1 比對(duì)照溫室提高 2 3 3 5 彩鋼板 保溫裝配式節(jié)能日光溫室栽培空間大 采光好 升溫快 室內(nèi)橫向和縱向光照和溫度分布均勻 植株生長整齊 有效解決了傳統(tǒng)日光溫室抵御雨 雪 風(fēng) 火自然災(zāi)害能力差的問題 該溫室集成了大型連體溫室溫光分布均勻 和傳統(tǒng)日光溫室蓄熱保溫好的優(yōu)點(diǎn) 提高了太陽能的利用效率 溫室總體溫光性能超過對(duì)照溫室 且滑動(dòng)覆蓋易 于實(shí)現(xiàn)日光溫室保溫覆蓋件的精準(zhǔn)控制 為中國日光溫室的自動(dòng)化控制和現(xiàn)代化提供新途徑 關(guān)鍵詞 溫室 結(jié)構(gòu) 光 溫度 保溫 彩鋼板 滑動(dòng)覆蓋裝配式 doi 10 3969 j issn 1002 6819 2013 19 020 中圖分類號(hào) S625 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2013 19 0159 09 孫周平 黃文永 李天來 等 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 29 19 159 167 Sun Zhouping Huang Wenyong Li Tianlai et al Light and temperature performance of energy saving solar greenhouse assembled with color plate J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2013 29 19 159 167 in Chinese with English abstract 0 引 言 日光溫室是中國獨(dú)具知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室類型 自 20 世紀(jì) 80 年以來日光溫室從遼寧省南部的海城和 瓦房店興起 迅速推廣至中國北方地區(qū) 1 2 到 2012 年中國日光溫室已發(fā)展到 92 8 萬 hm 2 北方地區(qū)約 占整個(gè)溫室大棚面積的 50 左右 可以實(shí)現(xiàn)在最低 氣溫 28 地區(qū)不加溫生產(chǎn)喜溫果菜 年產(chǎn)蔬菜總量 2 5 億 t 產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì) 社會(huì)和生態(tài)效益 不僅 成功解決了中國北方地區(qū)冬春淡季蔬菜供應(yīng)問題 保證了城鄉(xiāng)居民的 菜籃子 安全 促進(jìn)了城鄉(xiāng)勞 動(dòng)力就業(yè)和農(nóng)民增收 而且在中國能源供應(yīng)不足的 收稿日期 2013 05 12 修訂日期 2013 08 26 基金項(xiàng)目 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金 CARS 25 C 01 十 二五 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 2011BAD12B03 02 遼寧省 十二五 重大項(xiàng)目 2011215003 作者簡(jiǎn)介 孫周平 1967 男 陜西扶風(fēng)人 副研究員 博士 從 事設(shè)施蔬菜栽培與生理研究 沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 110866 Email suner116 農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員 E040700013M 通信作者 李天來 1955 男 遼寧綏中人 教授 博士 博士 生導(dǎo)師 從事設(shè)施蔬菜栽培與生理研究 沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 110866 Email tianlaili 農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員 E041200183S 情況下 日光溫室已成為中國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)突破資 源環(huán)境瓶頸制約 保持 菜籃子 產(chǎn)品長期有效供 給的重要手段 2 4 目前 日光溫室已經(jīng)成為中國北 方地區(qū)解決 三農(nóng) 問題的支柱產(chǎn)業(yè) 然而 中國日光溫室仍然存在許多問題 4 8 1 在采光方面 與大型連棟溫室比較 日光溫室的光 照和溫度分布不均勻 導(dǎo)致作物長勢(shì)不整齊 此外 由于日光溫室東西兩側(cè)山墻的擋光 山墻兩側(cè)作物 生長受到弱光的影響 2 保溫方面 不僅草簾 防寒被等外置保溫材料的防雨 防雪 防風(fēng)和防火 能力差 而且多層保溫覆蓋 密封不嚴(yán) 保溫效果 不穩(wěn)定 3 溫室建筑方面 土墻和磚墻等墻體結(jié) 構(gòu)溫室的建造 不僅造成大量土地和耕地的破壞 而且施工周期較長 4 溫室自動(dòng)控制方面 一面 坡的異形曲面結(jié)構(gòu)不僅在防寒被的卷放過程中造 成其與棚膜和骨架之間的摩擦 常導(dǎo)致棚膜和防寒 被易破損 而且難于實(shí)現(xiàn)卷簾機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行和自動(dòng) 化控制 為此 國內(nèi)許多學(xué)者分別從墻體結(jié)構(gòu) 7 屋面采光角度 9 溫室整體曲面結(jié)構(gòu) 10 透光量的 網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計(jì) 11 溫室光溫環(huán)境模擬 12 溫室整體 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 160 尺寸 13 等方面 對(duì)日光溫室的優(yōu)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了 大量研究 這些研究改善了日光溫室的光溫性能 使近 30 a 來中國日光溫室蔬菜生產(chǎn)水平的大幅度 提高 但仍然有許多問題沒有得到有效解決 對(duì)此 本項(xiàng)目經(jīng)過 3 a 研究 研制出一種彩鋼板保溫裝配 式節(jié)能日光溫室 以期能很好地解決以上問題 為 中國日光溫室環(huán)境自動(dòng)化控制和現(xiàn)代化提供有效 途徑 1 材料與方法 1 1 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室的結(jié)構(gòu) 試驗(yàn)日光溫室建于遼寧省凌源市 119 31 E 41 20 N 屬中溫帶亞干旱季風(fēng)型大陸性氣候 年 平均氣溫 8 0 一月平均氣溫 11 2 最低氣溫 37 6 七月平均氣溫 23 3 最高氣溫 35 1 1 1 試驗(yàn)溫室主要結(jié)構(gòu) 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室為半圓弧形 鋼結(jié)構(gòu) 溫室凈跨度 12 m 外跨度 12 5 m 脊高 5 5 m 凈長度 65 m 外長度 66 m 屋面采光角 41 5 后坡水平投影長 1 6 m 凈面積 780 m 2 以 0 1 mm 厚的聚烯烴膜 PO 為透明覆蓋材料 設(shè) 計(jì)風(fēng)荷載 0 55 kN m 2 雪荷載 0 45 kN m 2 溫室栽 培空間大 適宜蔬菜和食用菌立體栽培 以及喬木 果樹栽培和養(yǎng)殖 溫室保溫覆蓋整體由巖棉彩鋼板構(gòu)成 分為 W Z N 3 段 圖 1a 其中位于溫室北側(cè)的覆 蓋件 N 為固定保溫件 覆蓋件 W Z 可沿骨架上的 滑道滑動(dòng)打開或關(guān)閉 冬季夜間可全部關(guān)閉保溫 晝間可打開覆蓋件 Z 和 W 隨著氣溫轉(zhuǎn)暖和太陽高 度角提高 可逐漸全部打開覆蓋件 W Z 確保充 足光照 巖棉彩鋼板作為保溫覆蓋件可有效解決傳 統(tǒng)草簾 防寒被等保溫材料所帶來的防雨 防雪 防風(fēng) 放火能力差的問題 也降低了圍護(hù)成本 溫 室東西山墻也由巖棉彩鋼板構(gòu)成 其中北側(cè)山墻 G 固定不動(dòng) 南側(cè)山墻 Y 可移動(dòng) 圖 1b 早晨 當(dāng)太陽升起時(shí) 東側(cè)彩鋼板山墻 Y 開啟 可減少東 山墻遮光 中午后 東側(cè)彩鋼板山墻 Y 關(guān)閉 西側(cè) 彩鋼板山墻 Y 開啟 可減少西山墻遮光 a 滑動(dòng)保溫覆蓋件 W Z 半開啟狀態(tài) a Half open state of slidable heat preservation covering plate W and Z b 移動(dòng)保溫山墻 Y 半開啟狀態(tài) b Half open state of movable heat preservation gable Y 注 W 與 Z 為可滑動(dòng)的保溫彩鋼板覆蓋件 N 為固定的保溫彩鋼板覆 蓋件 Y 為可移動(dòng)保溫彩鋼板山墻 G 為固定的保溫彩鋼板山墻 Note W and Z Slidable heat preservation covering plate N Fixed heat preservation covering plate Y Movable heat preservation gable G Fixed heat preservation gable 圖 1 試驗(yàn)日光溫室的截面與移動(dòng)山墻示意圖 Fig 1 Sketch of section and moving gable of experiment solar greenhouse 溫室蓄熱體主要采用水循環(huán)系統(tǒng) 水循環(huán)系統(tǒng) 由水池 水泵 輸水管道 采光板 回水管道和控 制器等組成 圖 2 其中 采光板面積 360 m 2 位于溫室內(nèi)后墻上 水池容積 32 m 3 長 60 m 寬 0 6 m 高 0 9 m 位于溫室后墻內(nèi)側(cè)地下 水泵 功率 750 W 流 量 15 m 3 h 晝 間 09 30 15 00 啟動(dòng) 水循環(huán)系統(tǒng) 水池中水輸送到采光板的頂部 并順 著每個(gè)采光板的空隙流下 最后通過回流管道流回 水池 這樣將太陽能蓄積在水中 夜間 00 30 06 30 日光溫室內(nèi)氣溫下降時(shí) 再次啟動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng) 可 通過采光板向溫室中釋放熱量 從而避免日光溫室 降溫 此外 試驗(yàn)溫室還采取空氣 地中熱交換系統(tǒng) 將溫室內(nèi)頂部 4 5 m 處的熱空氣通過風(fēng)機(jī)導(dǎo)入到溫 室地下 0 5 m 的熱交換管中 以提高溫室白天的熱 量蓄積和土壤溫度 該系統(tǒng)只在晝間 10 00 15 00 啟動(dòng) 而在晚上沒有運(yùn)行 風(fēng)機(jī)總功率為 1 2 kW 注 A 為蓄熱水池 B 為水泵 C 為主管道 D 為支管道 E 為毛管道 F 為采光板 Note A is heat storage tank B is pump C is main pipe D is branch pipe E is Lateral F is Day lighting panels 圖 2 水循環(huán)系統(tǒng)示意圖 Fig 2 Sketch of water cycling system 溫室通風(fēng)系統(tǒng)主要由溫室頂通風(fēng)系統(tǒng)和底通 風(fēng)系統(tǒng)組成 上下通風(fēng)系統(tǒng)各 20 扇陽光板通風(fēng)窗 每扇窗長 2 2 m 寬 1 m 2 套通風(fēng)系統(tǒng)均為齒條式 機(jī)械開啟 第 19 期 孫周平等 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能 161 1 1 2 對(duì)照溫室主要結(jié)構(gòu) 對(duì)照日光溫室為遼沈 型土墻日光溫室 溫室 凈跨度 7 m 脊高 3 3 m 后墻高 2 5 m 后墻和山 墻的底寬 3 m 頂寬 1 m 后坡水平投影長 1 5 m 以 0 08 mm 厚的聚氯乙烯膜 PVC 為透明覆蓋材 料 采用一層草簾和一層棉被為外保溫覆蓋材料 1 2 測(cè)試方法 1 2 1 溫度測(cè)定 溫度測(cè)定采用 HOBO U10 003 型 美國 onset 公司生產(chǎn) 精度 0 4 HOBO U23 001 和 U23 003 型記錄儀 美國 onset 公司生產(chǎn) 精度 0 18 2013 年 1 月 5 日至 2 月 28 日 同時(shí)測(cè)定了試驗(yàn)溫 室和對(duì)照溫室的溫度 試驗(yàn)日光溫室測(cè)點(diǎn)布置見圖 3 其中試驗(yàn)溫室在東西向距東側(cè) 3 9 和 30 m 位 置 南北向距前骨架 3 6 和 9 m 位置 垂直方向 距地面 1 和 2 5 m 位置 水池中水深 0 45 m H15 10 cm 土壤溫度 H14 室外大氣 H17 和對(duì)照 溫室中部距地面 1 m 分別設(shè)置傳感器和記錄儀 測(cè) 試期間每天的溫度變化規(guī)律一致 本文采用 2 月 25 日和 26 日數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 2013 年 3 月 24 日至 28 日在試驗(yàn)溫室內(nèi)距地面 1 2 5 4 和 5 m 共 4 個(gè)高 度測(cè)定了溫度垂直分布 圖 4 a 試驗(yàn)溫室 1 m 高度 a At a height of 1 m in solar greenhouse b 溫室截面 b At section of greenhouse 注 以 m 為單位 H1 H13 為測(cè)量溫室大氣溫度 H14 為測(cè)量 10 cm 土壤溫度 H15 為測(cè)量水循環(huán)水池水溫 H16 為測(cè)量對(duì)照土墻溫室氣溫 H17 為測(cè)量室外大氣溫度 Note Unit is meter Air temperature in the experiment greenhouse were measured by H1 H13 Soil temperature in the 10 cm depth was measured by H14 Water temperature in the water recycling tank was measured by H15 Air temperature in the control was measured by H16 Air temperature outside was measured by H17 圖 3 試驗(yàn)日光溫室溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖 2013 年 1 月 2 月 Fig 3 Sketch of temperature measuring points in experiment solar greenhouse Jan Feb 2013 注 以 m 為單位 H1 H16 為測(cè)量溫室大氣溫度 H17 為測(cè)量室外大氣溫度 Note Unit is meter Air temperature in the experiment greenhouse was measured by H1 H16 Air temperature outside was measured by H17 圖 4 試驗(yàn)日光溫室截面溫度記錄儀布置圖 2013 年 3 月 Fig 4 Sketch of temperature recorder section installation Mar 2013 1 2 2 光照測(cè)量 光照度采用 TES1339R 型照度計(jì) 臺(tái)灣泰仕電 子工業(yè)公司生產(chǎn) 分辨率 0 01 Lux 精度 3 測(cè) 定 在晴天中午 溫室中部高度 1 m 位置從南到北 每隔 1 m 進(jìn)行光照度測(cè)定 同時(shí)測(cè)定室外光照度 平均采光率為溫室從南到北每隔 1 m 測(cè)定的光照強(qiáng) 度平均值與室外大氣的比值 晴天早上 08 40 開始 至下午 15 40 采用 TES1339R 型照度計(jì)自動(dòng)記錄 功能 每隔 3 min 記錄一次 同時(shí)測(cè)定室外和室內(nèi) 光照變化 1 3 數(shù)據(jù)處理 采用 Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 2 結(jié)果與分析 2 1 試驗(yàn)日光溫室采光 保溫和蓄熱性能分析 2 1 1 試驗(yàn)日光溫室采光性能分析 試驗(yàn)日光溫室的骨架結(jié)構(gòu)為半圓弧形 脊高位 于溫室的南北中間位置 因此 其屋面采光角度高 達(dá) 41 5 比對(duì)照溫室提高 57 5 而且試驗(yàn)溫室采 光率為 82 7 對(duì)照溫室采光率為 72 4 扣除試 驗(yàn)溫室使用的 PO 膜和對(duì)照溫室使用的 PVC2 種棚 膜 5 的透光率差別 試驗(yàn)溫室的采光率仍然比對(duì) 照溫室高出 5 3 而 2 個(gè)溫室單位土地面積的采光 面積是相同的 說明溫室采光屋面角增大 可以增 加溫室的采光量 2 1 2 試驗(yàn)日光溫室的總體蓄熱保溫分析 從圖 5 可以看出 晴天 試驗(yàn)溫室啟動(dòng)水循環(huán)系 統(tǒng)進(jìn)行蓄熱 其氣溫比對(duì)照溫室降低了 4 8 5 2 其中試驗(yàn)溫室從 2012 年 12 月到 2013 年 2 月中旬都 不進(jìn)行頂部放風(fēng) 而對(duì)照溫室在 1 月 25 日中午由于 溫度過高 進(jìn)行了頂部放風(fēng) 1 月 26 日沒有進(jìn)行頂部 放風(fēng) 這說明 新型溫室的蓄熱系統(tǒng)可以有效的將進(jìn) 入到溫室中的太陽能蓄積保存下來 實(shí)現(xiàn)了太陽能的 高效利用 晚間 26 日凌晨室外最低氣溫 25 8 在 00 30 06 30 水循環(huán)系統(tǒng)啟動(dòng)期間 試驗(yàn)溫室氣溫 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 162 在 13 以上 比對(duì)照溫室提高 3 5 試驗(yàn)溫室室內(nèi) 外溫差最高達(dá)到 39 1 在早晨 8 00 未開啟溫室保溫 覆蓋物前 試驗(yàn)溫室氣溫比對(duì)照溫室高出 2 3 試 驗(yàn)溫室室內(nèi)外溫差為 37 7 說明試驗(yàn)溫室的總體蓄 熱保溫性能超過當(dāng)?shù)剡|沈 型土墻日光溫室 注 2013 年 1 月 25 日 27 日 Note Jan 25 27 2013 圖 5 晴天時(shí)試驗(yàn)日光溫室晝夜溫度變化 Fig 5 Change of day and night temperature of experiment solar greenhouse at sunny day 2 2 試驗(yàn)日光溫室的溫光環(huán)境變化規(guī)律分析 2 2 1 日光溫室的光環(huán)境變化分析 從圖 6a 可以看出 試驗(yàn)溫室的全天日光照度始 終大于對(duì)照溫室 而且在早晚光照較弱條件下 這種 差別更大 此外 試驗(yàn)溫室早晨和下午分別達(dá)到 2 萬 lux 的時(shí)間比對(duì)照溫室提早和延長各 30 min 左右 從 圖 6b 可以看出 試驗(yàn)溫室的光照在南北水平方向上 的分布除了第 11 m 外變化幅度較小 分布比較均勻 而 11 m 處光照降低是由于溫室頂部的通風(fēng)開窗系統(tǒng) 的透明覆蓋材料為陽光板所影響 說明試驗(yàn)溫室不僅 采光量大 而且光照分布比較均勻 可使溫室作物較 長時(shí)間保持在比較適宜的光照條件下 2 2 2 日光溫室的溫度環(huán)境變化規(guī)律 從溫室的南北方向上看 圖 7 白天 10 00 14 00 不論是 1 m 高度 還是 2 5 m 高度 南側(cè)和 北側(cè)溫度稍高 中點(diǎn)溫度稍低 溫差一般在 2 左 右 除此之外時(shí)間 試驗(yàn)溫室在南 中 北 3 個(gè)位 置之間的溫差在 0 2 左右 說明試驗(yàn)溫室晚上在 南北方向上的溫度分布非常均勻 a 光照強(qiáng)度 a Daily light intensity b 光照分布 b Light distribution 注 2013 年 1 月 29 日 Note Jan 29 2013 圖 6 試驗(yàn)日光溫室日光照強(qiáng)度變化和光照分布 Fig 6 Daily light intensity change and light distribution in experiment solar greenhouse a 1 m 高度 a At a height of 1 m b 2 5 m 高度 b At a height of 2 5 m 注 2013 年 1 月 25 日 27 日 Note Jan 25 27 2013 圖 7 試驗(yàn)日光溫室南北方向的氣溫變化 Fig 7 Air temperature change at north south direction in the experiment solar greenhouse 從溫室的東西方向上看 圖 8 白天上午 10 00 12 30 由于打開東側(cè)山墻增加光照 與溫 室中部溫度 距離東側(cè)山墻 30 m 比較 距離東側(cè) 山墻 3 m 處的氣溫降低 3 左右 說明 上午打開 東山墻保溫覆蓋件時(shí) 東山墻處的透明覆蓋材料的 保溫仍需要加強(qiáng) 下午當(dāng)整個(gè)試驗(yàn)溫室的保溫覆蓋 件全部關(guān)閉后 距東山墻 3 m 處的溫度仍然最低 第 19 期 孫周平等 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能 163 但溫差減小 較溫室中部的溫差在 0 2 左右 較 東山墻 9 m 處的溫差在 0 7 左右 但距離東山墻 9 m 處溫度高反而于溫室中部溫度 其原因有待進(jìn) 一步研究 總體而言 試驗(yàn)溫室在東西水平方向上 的溫度分布仍然比較均勻 注 2013 年 1 月 25 日 27 日 Note Jan 25 27 2013 圖 8 試驗(yàn)日光溫室東西方向 1 m 高度氣溫變化 Fig 8 Air temperature change at a height of 1m at east west direction in experiment solar greenhouse 從溫室截面的垂直方向上看 圖 9 白天溫 度變化較大 其中距地面 4 m 溫度最高 其次是 2 5 和 1 m 距地 面 5 m 距溫室頂部 0 5 m 的最高點(diǎn)溫 度最低 一般較 4 m 處低 4 左右 這與 3 月份白 天溫室的頂部放風(fēng)有關(guān) 而晚上 溫室的垂直溫度 變化很小 1 2 5 4 和 5 m 各個(gè)高度之間溫差在 0 2 左右 說明試驗(yàn)溫室晚上在垂直方向上的溫度 分別仍然很均勻 注 2013 年 3 月 24 日 26 日 Note Mar 24 26 2013 圖 9 試驗(yàn)日光溫室中部的垂直氣溫變化 Fig 9 Air temperature change at vertical direction in the middle of experiment solar greenhouse 3 討 論 3 1 日光溫室結(jié)構(gòu) 中國日光溫室發(fā)展已有 30 多年歷史 從最初 的一坡一立式和一面坡式日光溫室開始 到現(xiàn)在的 單棟或者多連棟日光溫室 無論用材上還是結(jié)構(gòu)形 式上都發(fā)生了很大的變化 但日光溫室 三面墻一 面坡 透光 防寒被 卷簾機(jī) 的基本結(jié)構(gòu)沒有 改變 這種結(jié)構(gòu)的不足帶來了日光溫室采光 保溫 以及自動(dòng)控制方面的許多難于克服的問題 新型彩 鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室采取半圓弧形鋼骨 架結(jié)構(gòu) 采用工業(yè)和民用建筑上常用的巖棉彩鋼板 作為半圓弧形坡面和東西兩側(cè)山墻的保溫圍護(hù)結(jié) 構(gòu) 由于溫室頂部的巖棉彩鋼板保溫覆蓋件可以在 溫室骨架上的滑道中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)行 不僅便于實(shí)現(xiàn) 日光溫室的自動(dòng)化控制 而且 晚上能夠在溫室四 周形成一個(gè)整體的巖棉彩鋼板覆蓋的保溫圍護(hù)結(jié) 構(gòu) 可顯著增強(qiáng)溫室的密封性能和保溫性能 有效 解決傳統(tǒng)日光溫室保溫被外置帶來的防雨 防雪 防風(fēng)和防火等能力差 以及保溫效果不佳問題 同 時(shí) 東西兩側(cè)巖棉彩鋼板保溫山墻還可以分別在上 午 下午打開 解決了墻體日光溫室的東西山墻遮 光問題 并提高了溫室的土地利用效率 此外 試 驗(yàn)溫室的脊高位于溫室的最中間 冬至?xí)r后部遮陰 只有 7 5 m 縮小了前后溫室的間距 土地利用率 達(dá)到 68 比對(duì)照土墻日光溫室提高 20 以上 另 外 試驗(yàn)溫室的結(jié)構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn) 溫室建 造可進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化裝配 解決了傳統(tǒng)日光溫室建造對(duì) 土地和耕地的破壞 對(duì)保護(hù)土地資源和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán) 境具有重要意義 在溫室的建造和運(yùn)行方面 其建 造費(fèi)用為 550 元左右 m 2 與同跨度的磚墻鋼骨架結(jié) 構(gòu)日光溫室接近或略高 其冬季消耗的電量為 16 2 kW d 其中保溫覆蓋件開閉 1 5 kW d 水循環(huán) 系統(tǒng) 8 625 kW d 空氣 地中熱交換系統(tǒng) 6 kW d 按照農(nóng)用電 0 46 元 kW 計(jì)算 只需電費(fèi) 7 4 元 d 說明試驗(yàn)溫室的總體運(yùn)行費(fèi)用較低 此外 該溫室 延長了棚膜的使用年限 減少了人工 降低了勞動(dòng) 強(qiáng)度 省去了更換防寒被等維護(hù)費(fèi)用 將具有廣闊 的發(fā)展和應(yīng)用前景 3 2 日光溫室采光 節(jié)能日光溫室的熱量主要來自太陽輻射 因 此 溫室前屋面的角度和形狀是決定太陽光進(jìn)入溫 室多少的關(guān)鍵 試驗(yàn)溫室為了保證溫室的骨架為半圓弧形結(jié) 構(gòu) 溫室的脊高前移到溫室的最中間 因此溫室的 前屋面角有了很大的提高 其最大值可以達(dá)到 45 本試驗(yàn)中 試驗(yàn)溫室的前屋面角為 41 5 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 對(duì)照土墻溫室 25 2 主要考慮了兩個(gè)方面因素 1 根據(jù)北緯 41 20 夏至?xí)r的太陽高度角及其后屋面的 投影 2 溫室內(nèi)部的栽培空間大小 關(guān)于日光溫 室的前屋面采光角 近 30 a 來一直是人們優(yōu)化日光 溫室結(jié)構(gòu)的研究熱點(diǎn) 從合理屋面角到最佳屋面 角 前屋面角不斷增大 提高了 10 左右 目前 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 164 許多研究 2 13 16 認(rèn)為北緯 41 地區(qū)最佳屋面角應(yīng)在 31 37 從日光溫室生產(chǎn)實(shí)際來看 溫室的屋面 角也在不斷加大 脊高不斷增加 溫室溫光效果得 到了明顯的改善 15 16 進(jìn)一步 丁秀華 15 通過冬 至日不同屋面角下太陽入射角的日變化研究發(fā)現(xiàn) 按合理屋面采光角度 24 設(shè)計(jì)溫室時(shí) 在 10 40 左右 溫室達(dá)到較好的采光角度 入射角 45 全天較 好采光時(shí)段為 2 5 h 當(dāng)屋面采光角增至 34 時(shí) 大 約在 09 40 達(dá)到較好的采光時(shí)間 全天較好采光時(shí) 段為 5h 當(dāng) 增 至 40 時(shí) 09 00 左右就能達(dá)到最佳采 光角度 較好采光時(shí)段可延長到 6 h 結(jié)果說明 提高溫室屋面采光角 延長溫室處于良好采光時(shí)段 的時(shí)間 可以提高溫室的光熱性能 本文研究結(jié)果 與此一致 實(shí)際上 近 10 a 來 由于日光溫室結(jié)構(gòu) 的不斷優(yōu)化 采光保溫性能的不斷提高 在北緯 41 地區(qū)冬至日前后溫室的每日實(shí)際較好采光時(shí)段可 以達(dá)到 5 6 h 在本試驗(yàn)中 試驗(yàn)溫室的采光量大 蓄熱量多 與其有長時(shí)間的較好采光時(shí)段有關(guān) 關(guān)于日光溫室前屋面的形狀 中國研究者采用 圓 橢圓 拋物線等可描述的數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行了大 量研究 李有等 17 采用三效率計(jì)算模式 提出圓弧 面的采光效率為最高 橢圓面次之 拋物面最低 陳端生等 10 對(duì)北京地區(qū)四種屋面形狀的溫室研究認(rèn) 為 不同的屋面幾何曲面對(duì)溫室的采光有不同的影 響 10 4 月室內(nèi)直射光總量均以圓面 拋物面組合 型溫室最高 橢圓面最低 圓面和拋物面相比 冬 季圓面優(yōu)于橢圓 春季橢圓面優(yōu)于圓面 王靜等 18 對(duì)不同結(jié)構(gòu)日光溫室光環(huán)境及補(bǔ)光進(jìn)行了研究 得 出圓 拋物面溫室內(nèi)的光環(huán)境明顯優(yōu)于單斜面和拋物 面溫室 劉俊杰等 19 通過無柱式日光溫室骨架的內(nèi) 力分析模型研究發(fā)現(xiàn) 圓型是較理想的受力曲面 這些研究說明近圓弧形的屋面比較優(yōu)越 這與本試 驗(yàn)溫室屋面形狀比較接近 但也有不同的研究結(jié)果 認(rèn)為溫室前屋面的形狀對(duì)采光量的影響不大 高志 奎等 20 對(duì)日光溫室采光性能的數(shù)學(xué)模擬分析認(rèn)為 無論曲線類型如何 若將內(nèi)跨 脊高和肩高固定后 經(jīng)過模擬優(yōu)化曲線參數(shù)后 最終的曲面形狀會(huì)趨同 軒維艷 12 通過日光溫室采光屋面曲線數(shù)學(xué)模型的模 擬分析 發(fā)現(xiàn)溫室采光面的形狀不同 弧度不同 對(duì)采光效果 太陽光入射率 影響最大相差不到 3 但采光面形狀對(duì)日光溫室內(nèi)光照的均勻性分布較大 的影響 其中以屋脊與前底腳形成的平面總進(jìn)光量 最大 而我們的研究發(fā)現(xiàn) 圓弧形結(jié)構(gòu)日光溫室的 室內(nèi)光照南北分布比較均勻 達(dá)到了大型連體溫室 的特點(diǎn) 有利于作物受光均勻 長勢(shì)整齊 3 3 日光溫室蓄熱 試驗(yàn)溫室改變了日光溫室的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 以隔熱 保溫性能好的巖棉彩鋼板代替后墻 山墻 后坡和 防寒被等圍護(hù)結(jié)構(gòu) 因此 試驗(yàn)溫室不具備傳統(tǒng)日 光溫室墻體結(jié)構(gòu)的蓄熱功能 為此 我們?cè)跍厥液?墻研制安裝了水循環(huán)系統(tǒng) 在溫室地下 0 5 m 設(shè)計(jì) 安裝了空氣 地中熱交換系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱 經(jīng)過一個(gè)冬 季的測(cè)試表明 水循環(huán)系統(tǒng)和空氣 地中熱交換系統(tǒng) 可以代替土墻的蓄熱能力 能夠確保日光溫室冬季 的溫?zé)岘h(huán)境 從水循環(huán)系統(tǒng)的蓄熱看 白天 09 30 15 00 啟 動(dòng)水循環(huán)系統(tǒng) 水池中的水溫逐漸升高 全天水溫 可提高 7 8 圖 10 蓄積太陽能的熱量 936 MJ 折合單位面積集熱板蓄積的熱量為 2 600 kJ m 2 折 合單位面積溫室蓄積的熱量為 1 200 kJ m 2 這與王 順生等 21 報(bào)道的日光溫室內(nèi)置式太陽能集熱調(diào)溫 裝置研究效果接近 他們采用 3 7 m 2 的集熱面積和 0 12 m 3 的蓄熱水池 最大蓄熱量為 1 1 MJ 折合單 位面積集熱板蓄熱量為 2 980 kJ m 2 從夜間 00 30 06 30 水循環(huán)系統(tǒng)的散熱看 水池中水溫可下降 7 左右 圖 10 同時(shí) 蓄積的熱量隨之釋放出來 減緩溫室內(nèi)降溫 李建設(shè)等 22 對(duì)寧夏跨度 8 m 脊 高 4 m 種植番茄日光溫室的土質(zhì)墻體和地面的放 熱進(jìn)行了測(cè)定 結(jié)果表明 單位面積溫室的墻體晚 上釋放熱量為 761 kJ m 2 僅為本研究水循環(huán)系統(tǒng)的 63 也說明本試驗(yàn)采用的水循環(huán)系統(tǒng)可以代替土 墻的蓄熱功能和效果 水循環(huán)系統(tǒng)白天運(yùn)行 5 5 h 消耗電能為 14 85 MJ 只占蓄熱能量的 1 59 可 見 該系統(tǒng)具有良好的換熱性能與蓄熱能力 注 2013 年 1 月 25 日 27 日 Note Jan 25 27 2013 圖 10 試驗(yàn)日光溫室氣溫與水循環(huán)系統(tǒng)水溫的變化 Fig 10 Change of air temperature of experiment solar greenhouse and water temperature of water cycling system 溫室的地下土層擁有很大的熱容量 30 多年 來 國內(nèi)外對(duì)溫室太陽能空氣 地中熱交換系統(tǒng)進(jìn)行 了大量的研究和成功應(yīng)用 23 27 本試驗(yàn)的空氣 地中 熱交換系統(tǒng)主要做了兩個(gè)方面的改進(jìn) 1 地下熱 交換管的走向?yàn)槟媳狈较?進(jìn)風(fēng)口在溫室北側(cè) 出 風(fēng)口在溫室南側(cè) 每 6 m 一組 設(shè)置一個(gè)小型風(fēng)機(jī) 第 19 期 孫周平等 彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能 165 共 10 臺(tái)風(fēng)機(jī) 而不是傳統(tǒng)的采用一個(gè)大型軸流風(fēng) 機(jī) 熱交換管為東西走向的方法 2 進(jìn)風(fēng)口管道 的上端位于溫室內(nèi)的頂部 距離溫室地面 4 5 m 左 右 這里的溫度在晴天時(shí)可以達(dá)到 40 左右 而 不是傳統(tǒng)的主要是抽取近地面的空氣 本文試驗(yàn)結(jié) 果表明 風(fēng)機(jī)白天運(yùn)行 5 h 根據(jù)王永維等 27 計(jì)算 方法 單位面積溫室的蓄熱量約為 221 kJ m 2 而運(yùn) 行該系統(tǒng)消耗的電能占蓄熱能量的 9 81 說明該 系統(tǒng)的熱交換效率較高 對(duì)提高土壤溫度具有一定 作用 3 4 日光溫室保溫 研究表明 28 29 傳統(tǒng)日光溫室盡管晚上覆蓋了 一層或多層草簾 紙被和棉被等保溫材料 但晚上 的散熱仍然以前屋面的放熱為主 為此 在保溫設(shè) 計(jì)方面 采用目前在建筑上常用的巖棉彩鋼板作為 試驗(yàn)溫室四周的保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu) 其熱阻為 5 16 m 2 K W 明顯大于草簾 防寒被的 3 4 m 2 K W 因此 試驗(yàn)溫室的屋面和東西山墻等保 溫覆蓋材料的傳熱損失比較少 可見 只要做好溫 室的保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu) 采光屋面的擴(kuò)大并不是意味著 保溫能力的下降 所以 巖棉彩鋼板結(jié)構(gòu)良好的保 溫性能使得試驗(yàn)溫室的熱量和溫度性能得到大幅 度的提高 由于試驗(yàn)溫室晚上散熱較少 使得晚上 溫室中的東西方向 南北方向和垂直方向的溫度分 布非常均勻 各個(gè)方向的溫差不超過 0 3 左右 從試驗(yàn)溫室種植的蕓豆生長來看 每行南北的植株 的長勢(shì)均勻 株高比較整齊 沒有出現(xiàn)傳統(tǒng)日光溫 室植株南側(cè)低 北側(cè)高的現(xiàn)象 說明 試驗(yàn)溫室有 利于作物長勢(shì)整齊 4 結(jié) 論 保溫彩鋼板裝配式節(jié)能日光溫室集成了大型 連棟溫室和日光溫室的優(yōu)點(diǎn) 打破了日光溫室 三 面墻一面坡 草簾 卷簾機(jī) 的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 總體性 能超過當(dāng)?shù)剡|沈 型土墻日光溫室 具有以下性能 和特點(diǎn) 1 溫室骨架為半圓弧形鋼結(jié)構(gòu) 整體采用保 溫彩鋼板滑動(dòng)覆蓋形式 不僅有效解決了傳統(tǒng)日光 溫室草簾和保溫被等外置帶來的防雨 防雪 防風(fēng) 防火 防盜等能力差問題 而且溫室屋面采光角度 高達(dá) 41 5 比對(duì)照溫室增加 16 3 采光量大 升 溫快 此外 白天溫室的縱向和橫向光照分布比較 均勻 晚上溫室的縱向 橫向和垂直方向溫度分布 也比較均勻 作物長勢(shì)整齊 溫室脊高 5 5 m 跨度 12 m 栽培空間高 寬敞明亮 即適宜蔬菜和食用 菌等立體栽培和高大果樹栽培 還適宜養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展 2 溫室的水循環(huán)系統(tǒng)代替了土質(zhì)墻體的蓄放 熱功能 試驗(yàn)溫室采取水循環(huán)系統(tǒng)和空氣 地中熱交 換系統(tǒng)進(jìn)行蓄熱 以及巖棉彩鋼板作為保溫覆蓋 件 溫室的蓄熱與保溫能力增強(qiáng) 冬季夜晚當(dāng)室外 大氣溫度為 25 8 時(shí) 試驗(yàn)溫室氣溫比對(duì)照溫室提 高 2 3 3 5 溫室內(nèi)外溫差達(dá)到 39 1 3 東西兩側(cè)的移動(dòng)保溫山墻在上午與下午可 以分別打開 解決了傳統(tǒng)溫室兩側(cè)山墻擋光問題 可提高日光溫室有效利用面積 6 左右 此外 試 驗(yàn)溫室的脊高前移 減少了溫室的后部遮陰 縮小 了前后溫室間距 試驗(yàn)溫室的土地利用率提高了 20 以上 新型溫室實(shí)現(xiàn)了溫室組裝件的工廠化生產(chǎn) 溫 室建造的標(biāo)準(zhǔn)化裝配 縮短溫室建造周期 并減少 了傳統(tǒng)土墻和磚墻溫室建造對(duì)土地資源的破壞 保 護(hù)了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境 同時(shí) 新型溫室的保溫彩鋼板 滑動(dòng)覆蓋件易于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)運(yùn)行和自動(dòng)化控制 將為 中國日光溫室的智能化管理和現(xiàn)代化發(fā)展提供了 新的途徑 參 考 文 獻(xiàn) 1 李天來 我國日光溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景 J 沈陽 農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2005 36 2 131 138 Li Tianlai Current situation and prospects of greenhouse industry development in China J Journal of Shenyang Agricultural University 2005 36 2 131 138 in Chinese with English abstract 2 李天來 齊紅巖 齊明芳 我國北方溫室園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā) 展方向 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2006 37 3 265 269 Li Tianlai Qi Hongyan Qi Mingfang Development direction of greenhouse horticulture industry in North China J Journal of Shenyang Agricultural University 2006 37 3 265 269 in Chinese with English abstract 3 張真和 我國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)策研究 J 長江蔬 菜 2010 3 1 5 4 魏曉明 周長吉 曹楠 等 中國日光溫室結(jié)構(gòu)及性 能的演變 J 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2012 28 4 855 860 Wei Xiaoming Zhou Changji Cao Nan et al Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse J Jiangsu Journal of Agricultural Sciences 2012 28 4 855 860 in Chinese with English abstract 5 劉克長 任中興 張繼祥 等 山東日光溫室溫光性 能的實(shí)驗(yàn)研究 J 中國農(nóng)業(yè)氣象 1999 20 4 34 36 6 彭致功 段愛旺 郜慶爐 節(jié)能日光溫室光照強(qiáng)度的 分布及其變化 J 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究 2003 21 2 37 40 Peng Zhigong Duan Aiwang Gao Qinglu Distribution and variation radiant intensity in solar greenhouse J Agricultural Research in Arid Areas 2003 21 2 37 40 in Chinese with English abstract 7 劉建 周長吉 日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究進(jìn)展與發(fā)展 方向 J 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào) 2007 28 3 64 268 Liu Jian Zhou Changji The present and development of sunlight greenhouse structure optimization J Journal of Inner Mongolia Agricultural University 2007 28 3 64 268 in Chinese with English abstract 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 年 166 8 李春生 薊春型高效節(jié)能日光溫室的基本結(jié)構(gòu)與性能 J 中國蔬菜 2008 4 49 50 9 亢樹華 陳端生 日光溫室優(yōu)型結(jié)構(gòu)的研究 J 農(nóng)業(yè)工 程學(xué)報(bào) 1996