第38卷 第3期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 38 No 3 2022年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2022 189 嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚土壤蓄放熱特性 田東坤 宋衛(wèi)堂 王平智 程杰宇 梁 超 趙淑梅 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 北京 100083 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室 北京 100083 摘 要 土壤溫度及蓄放熱特性是保溫型塑料大棚土壤傳熱特性的重要體現(xiàn) 因此 為定性 定量地闡明棚內(nèi)土壤溫度 變化規(guī)律和蓄放熱特性 在嚴(yán)寒地區(qū)生產(chǎn)性大棚內(nèi)進(jìn)行了試驗測試 并通過構(gòu)建大棚土壤熱量平衡簡化方程 溫差擬合 等方法對土壤蓄放熱特性進(jìn)行了理論分析 研究結(jié)果表明 1 土壤溫度波幅隨深度的增加呈乘冪函數(shù)遞減 通過計算得 出測試地區(qū)大棚土壤的蓄熱層平均厚度約為0 55 0 80 m 2 棚內(nèi)土壤橫向地中傳熱損失占土壤總熱損失的9 8 24 7 若將此部分熱量用于提高土壤溫度 則棚內(nèi)土壤平均溫度可提高0 3 0 5 3 天氣條件對土壤蓄放熱性能的 影響較大 晴天日累積蓄熱量比多云天多37 2 50 6 左右 日累積放熱量比多云天多44 7 64 3 晴天的最大蓄 熱流量和日累積蓄熱量均是陰天的4倍以上 與蓄熱性能相比 晴天與陰天的土壤放熱性能差異較小 土壤蓄放熱量主 要受表層土壤與氣溫溫差的影響 棚內(nèi)外氣溫差對其影響較小 關(guān)鍵詞 土壤 溫度 保溫型大棚 蓄熱層厚度 熱量平衡估算方程 熱損失 蓄放熱特性 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 03 022 中圖分類號 S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2022 03 0189 08 田東坤 宋衛(wèi)堂 王平智 等 嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚土壤蓄放熱特性 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 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 保溫型塑料大棚是近年來在生產(chǎn)實踐中出現(xiàn)的一種 大棚形式 結(jié)合了傳統(tǒng)日光溫室和塑料大棚兩者的優(yōu)點 該類大棚與日光溫室相比 具有建設(shè)成本低 土地利用 率高等特點 而與傳統(tǒng)塑料大棚相比 又具有作業(yè)空間 大 保溫性能好等優(yōu)勢 因此在全國各地得到了廣泛應(yīng) 用 根據(jù)前期調(diào)研發(fā)現(xiàn) 內(nèi)蒙古 山東等地的部分保溫 型大棚中實現(xiàn)了不加溫條件下番茄 辣椒等蔬菜的越冬 生產(chǎn) 同時調(diào)研也發(fā)現(xiàn) 保溫型大棚近年來在西藏拉薩 日喀則等高寒高海拔地區(qū)也開始推廣 可以說該類大棚 正在成為中國園藝設(shè)施的發(fā)展趨勢之一 然而 目前該 類型大棚的設(shè)計建造 環(huán)境調(diào)控等主要依靠經(jīng)驗 尚缺 乏相關(guān)的理論指導(dǎo) 為促進(jìn)該類設(shè)施的科學(xué)發(fā)展 亟需 開展其熱環(huán)境的形成機(jī)制 變化規(guī)律及影響因素等的理 論研究 而在大棚類設(shè)施中 圍護(hù)結(jié)構(gòu)不具有蓄熱能力 土壤是其唯一的蓄熱體和放熱熱源 因此 分析土壤的 溫度分布 變化規(guī)律 以及土壤的蓄熱放熱特性 就成 為該類大棚熱環(huán)境研究的關(guān)鍵 1 3 關(guān)于溫室設(shè)施土壤溫度 前人做了較多的探索與研 收稿日期 2021 10 06 修訂日期 2022 01 23 基金項目 國家自然科學(xué)基金項目 U20A2020 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體 系 CARS 23 D02 作者簡介 田東坤 博士生 研究方向為設(shè)施園藝工程 Email tdkwonderful 通信作者 趙淑梅 教授 博士生導(dǎo)師 研究方向為設(shè)施園藝工程 Email zhaoshum 究 4 7 其中 在土壤溫度變化規(guī)律方面 李天來等 8 研 究了作物對遼沈型I日光溫室土壤溫度日變化的影響 結(jié) 果表明 不同天氣條件下棚內(nèi)表層土壤的日變化可以擬 合為正弦函數(shù) 范愛武等 9 利用多孔介質(zhì)中的傳熱傳質(zhì)數(shù) 學(xué)模型對不同環(huán)境條件下的土壤溫度日變化進(jìn)行了研 究 結(jié)果表明 土壤溫度主要受室內(nèi)空氣溫度和土壤表 面截獲的輻射能的影響 且這種影響隨著土壤深度的增 加而減小 何雨等 10 對遼沈I型日光溫室室內(nèi)土壤溫度變 化的影響因素進(jìn)行了研究 認(rèn)為太陽總輻射 室內(nèi)外氣 溫 室外風(fēng)速都是影響溫室土壤溫度的主要因素 并建 立了這4個要素與室內(nèi)地表溫度之間的非線性回歸方程 Smerdon等 11 賈紅等 12 認(rèn)為氣溫是土壤溫度變化的主 要影響因素 并分別對不同深度土壤溫度的年變化和日 變化進(jìn)行了研究 建立了氣溫與淺層土壤溫度的關(guān)系模 型 室內(nèi)不同深度土壤與室外氣溫的線性回歸方程 Chalhoub 等 13 14 分析了土壤含水率對土壤溫度變化規(guī)律 的影響 并建立了相關(guān)的土壤溫度預(yù)測模型 Naranjo等 15 對淺層土壤的熱特性進(jìn)行了研究 將土壤中的熱擴(kuò)散視 為一維瞬態(tài)通量 并利用正弦 半無限和有限差分法等 不同模型模擬了短期和長期土壤溫度變化情況 在土壤 蓄放熱方面 Barbara 16 對土壤熱特性及地面中的熱量傳 遞進(jìn)行了研究 并依據(jù)地面溫度分布的Carslaw Jaeger方 程 建立了基于地表熱平衡方程的地表熱平衡數(shù)學(xué)模型 王雙瑜等 17 對不同地區(qū) 不同構(gòu)造參數(shù)的日光溫室的土 壤熱流量及土壤溫度狀況進(jìn)行了測試和分析 結(jié)果表明 土壤熱流量與室內(nèi)溫度高低不成正相關(guān) 并建立了夜間 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 190 室內(nèi)土壤平均傳熱量與室內(nèi)外溫差之間的關(guān)系式 李建 設(shè)等 18 19 認(rèn)為日光溫室地面溫度及吸放熱量與太陽輻射 有關(guān) 針對此進(jìn)行了測定與分析 分析結(jié)果表明 太陽 輻射和地面吸放熱量有密切關(guān)系 Faiziev等 20 認(rèn)為太陽 能的積累在溫室土壤中進(jìn)行 并根據(jù)溫室平均土壤溫度 溫室土壤在0 15 0 30 m深度的溫度變化以及太陽能在 土壤中的積累 建立了用于計算日光溫室地面熱量積累 的模型 上述研究對象主要為日光溫室 而保溫型塑料大棚 構(gòu)造與日光溫室不同 圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫能力相對較弱 且 不具有蓄熱放熱能力 因此土壤溫度變化規(guī)律及蓄放熱 特性方面就會存在差異 日光溫室研究結(jié)論不能完全適 用 鑒于此 本文在借鑒前人研究方法的基礎(chǔ)上 通過 在嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚的現(xiàn)場測試 研究棚內(nèi)土壤 溫度日變化規(guī)律和蓄放熱特性 以期為相關(guān)塑料大棚土 壤傳熱機(jī)理及棚內(nèi)熱環(huán)境機(jī)理模型研究提供依據(jù) 為保 溫型大棚在高嚴(yán)寒地區(qū)的推廣提供理論支撐 為進(jìn)一步 在高寒高海拔地區(qū)的研究與應(yīng)用提供基礎(chǔ) 1 材料與方法 1 1 試驗大棚 在嚴(yán)寒地區(qū) 日光溫室的越冬生產(chǎn)比較普遍 而使 用保溫型大棚進(jìn)行越冬生產(chǎn) 無疑是一個挑戰(zhàn) 所以在 部分嚴(yán)寒地區(qū) 保溫型塑料大棚往往會借鑒日光溫室的 特點 比如采用東西屋脊走向 兩側(cè)山墻為土墻 基礎(chǔ) 無防寒措施 屋面覆蓋保溫被等措施 同時在種植安排 和保溫被管理上加以配合 比如 春夏茬種植時 南北 兩側(cè)保溫被每日正常開閉 整棟大棚種植作物 秋冬茬 種植時 為提高大棚的保溫性能 北側(cè)保溫被不打開 南側(cè)保溫被根據(jù)天氣情況打開或關(guān)閉 且棚內(nèi)北側(cè)不種 植 僅南側(cè)種植 本文試驗所選用的即是這種較為典型 的生產(chǎn)性保溫型塑料大棚 見圖1 圖1 試驗大棚 Fig 1 Experimental tunnel 該大棚建成于2017年 位于內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧 城縣 地理位置為東經(jīng)118 9 北緯41 7 平均海拔 1 000 m 屬于中海拔嚴(yán)寒地區(qū) 大棚屋脊東西走向 長 度140 m 跨度16 m 脊高4 7 m 試驗期間 棚內(nèi)南側(cè) 種植作物為番茄 9月定植 采用土壤栽培 灌溉方式為 滴灌 北側(cè)保溫被固定保溫 南側(cè)保溫被根據(jù)天氣情況 一般上午8 30左右揭開 下午17 00左右關(guān)閉 通風(fēng)口 位于大棚頂部 寬度為1 m 晴天11 50左右打開 14 00 左右關(guān)閉 1 2 測試方法 試驗測試時間為2019年12月17日 2020年1月 30日 測試內(nèi)容包括棚內(nèi)土壤熱流密度及不同深度土壤 溫度 棚內(nèi)外氣溫和太陽輻射 測點布置情況如圖2所 示 1 棚內(nèi)土壤熱流密度及土壤溫度 在大棚中部位置 沿跨度方向距大棚南側(cè)屋面底腳1 5 4 12 14 15 5 m 處布置5個土壤熱流密度和土壤溫度測點 分別為1 2 3 4 5號 其中土壤溫度測點深度分別為0 0 05 0 15 0 30 0 50 m 2 棚內(nèi)空氣溫度 將試驗大棚沿長 度方向4等分形成3個中間測試斷面 其中 在兩端測 試斷面的大棚跨中位置分別布置1個距地面1 5 m高的溫 度測點 在中間斷面再沿大棚跨度方向4等分 然后在 中間3個等分點上也分別布置1個距地面1 5 m高的溫度 測點 3 棚內(nèi)太陽輻射 在大棚長度方向的中間斷面 在該斷面距大棚南側(cè)底腳4 8 12 m處分別布置1個太 陽輻射測點 其高度在作物冠層頂部 4 室外氣象測點 在大棚南側(cè) 設(shè)置一個室外測點 測試內(nèi)容包括太陽輻 射 距地面1 5 m高度處空氣溫度 以及土壤表面熱流密 度及0 0 05 0 15 0 30 0 50 m深度的土壤溫度 a 平面測點布置示意圖 a Layout of plane measuring points b 剖面測點布置示意圖 b Layout diagram of section measuring points 注 1 6數(shù)字表示測點編號 Note No 1 6 indicate the number of measuring points 圖2 試驗測點布置圖 Fig 2 Layout of test points 溫度傳感器采用國產(chǎn)T型熱電偶 上海南浦儀表廠 精度為 0 5 熱流密度傳感器采用HFP01熱流量板 Hukseflux公司 荷蘭 精度為 50 mV W m2 以上 數(shù)據(jù)均由34970A數(shù)據(jù)采集器 Campbell Scientific公司 美國 采集 太陽輻射傳感器采用太陽總輻射探頭傳感器 Onset Computer Crop公司 美國 精度為 10 W m2 由HOBO數(shù)據(jù)采集器 Onset Computer Crop公司 美國 第3期 田東坤等 嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚土壤蓄放熱特性 191 采集 所有數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行全天測試 數(shù)據(jù)采集間隔為 10 min 1 3 土壤傳熱量計算方法 大棚土壤是由固體 液態(tài)水 水蒸氣和空氣構(gòu)成的多 孔混合物 其熱形成過程包括導(dǎo)熱 對流 蒸發(fā)凝結(jié)等多 個過程 21 22 為了合理簡化土壤熱平衡計算方程 作出如下 假設(shè) 1 土壤在一定深度以下為恒溫層 2 忽略棚內(nèi) 各圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面 作物冠層與土壤表層之間的輻射換熱 3 不考慮土壤水分運移引起的熱量傳遞 23 根據(jù)傳熱學(xué) 中經(jīng)典熱傳導(dǎo)公式和文獻(xiàn)資料 7 19 24 27 以及對棚內(nèi) 土壤溫度變化規(guī)律及傳熱的分析 得出白天和夜間棚內(nèi) 土壤的熱量收支項主要包括 土壤吸收的太陽輻射熱 土壤與棚內(nèi)空氣的對流換熱和土壤的地中傳熱 土壤地 中傳熱包括沿土壤深度方向的縱向傳熱和沿水平方向的 橫向傳熱 其中 橫向傳熱又包括跨度和長度2個方向 但由于大棚的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跨度 所以本研究的橫向傳 熱僅考慮跨度方向 因此 白天棚內(nèi)土壤熱量平衡簡化方程可表示為 gV gHsolar air g 0Q Q Q Q 1 夜間棚內(nèi)土壤熱量平衡估算方程可表示為 gV gH g air 0Q Q Q 2 式中Qsolar為土壤吸收的太陽輻射能量 W Qair g為棚內(nèi) 空氣與土壤對流換熱量 W QgV為土壤沿垂直方向的縱 向地中傳熱量 W QgH為土壤沿大棚跨度方向的橫向地 中傳熱量 W 根據(jù)牛頓冷卻定律可知 從棚內(nèi)空氣到土壤表面的 對流換熱量Qair g可由式 3 計算 air g air g air g air g Q A t t 3 式中Aair g為對流換熱表面面積 m2 air g為棚內(nèi)空氣與 土壤表面的對流換熱系數(shù) W m2 tair為棚內(nèi)空氣溫 度 tg為棚內(nèi)土壤表層溫度 根據(jù)傳熱學(xué)中經(jīng)典熱傳導(dǎo)公式 可求得土壤縱向地 中傳熱量QgV計算公式為 ggVgV up down g Q A t t 4 式中AgV為土壤沿深度方向傳熱面積 m2 g為土壤導(dǎo)熱 系數(shù) W m 一般取值0 86 g為土壤溫度穩(wěn)定層厚 度 m tup tdown分別為土壤上 下層表面溫度 土壤橫向地中傳熱量QgH計算公式為 gH gH gH in out Q A K t t 5 式中AgH為橫向傳熱面積 m2 KgH為土壤橫向?qū)嵯禂?shù) W m2 一般取值0 47 tin tout分別為棚內(nèi)和棚外土 壤溫度 1 4 數(shù)據(jù)處理與分析 利用Excel 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理 并利用Matlab 軟件編寫計算程序進(jìn)行計算 1 5 誤差分析 考慮到試驗測試儀器的不確定性 對測試過程中的 測量誤差進(jìn)行了分析 土壤和空氣溫度的測量誤差來源 于數(shù)據(jù)采集器和T型熱電偶 在試驗測試前 將數(shù)據(jù) 采集器和熱電偶分別在 30 10 0 20 和40 溫 度下進(jìn)行了標(biāo)定 在 30 40 溫度范圍內(nèi) 該誤差為 0 2 2 結(jié)果與分析 2 1 縱向土壤溫度變化及傳熱特性分析 2 1 1 縱向土壤溫度日變化規(guī)律 將晴天時棚內(nèi)不同深度土壤溫度測點的平均值進(jìn)行 分析 其日變化規(guī)律如圖3所示 棚內(nèi)淺層土壤溫度與 氣溫變化趨勢大體一致 均呈單峰曲線 從早上9 00左 右到下午17 00左右保溫被處于打開狀態(tài) 棚內(nèi)氣溫均高 于土壤溫度 說明空氣中的熱量是從空氣向土壤流動 加之太陽輻射的影響 土壤處于蓄熱狀態(tài) 其余時間 棚內(nèi)氣溫低于棚內(nèi)地表溫度 土壤向空氣釋放熱量 此 時土壤處于放熱狀態(tài) 土壤作為不加熱大棚的唯一熱量 來源 起到了在低溫時 維持棚內(nèi)氣溫的作用 圖3 晴天時棚內(nèi)氣溫及土壤溫度日變化 Fig 3 Diurnal variation of air temperature and soil temperature in sunny days 深度為0 0 05 0 15 m處的土壤溫度最高值時間分 別出現(xiàn)在13 30 13 50 18 30左右 溫度值分別為23 1 18 1 15 1 最低值分別出現(xiàn)在8 20 9 10 9 30左右 溫度值分別為10 9 12 0 13 4 表明隨著土壤深度的 增加 土壤溫度峰值出現(xiàn)的時間依次延遲 這是因為土 壤的熱容量較大 加之熱量從土壤表層向深層傳遞需要 一定的時間 另外 從不同深度土壤的溫度波動情況來 看 隨著土壤深度的增加 土壤溫度日變化趨勢逐漸減 緩 0 0 05 0 15 0 30 0 50 m處的土壤溫度日變化幅 度分別為16 2 8 6 2 0 0 9和0 8 即0 30 m深度 以下的土壤溫度變化幅度已經(jīng)小于1 0 2 1 2 土壤蓄熱層厚度確定 參考相關(guān)文獻(xiàn)資料 24 28 32 采用溫差法來確定大 棚土壤蓄熱層的厚度 根據(jù)前述土壤傳熱公式及相關(guān)文 獻(xiàn) 31 在保溫被打開或關(guān)閉期間 不同深度土壤的溫差 越大 說明土壤在白天蓄熱或夜間放熱越多 反之 在 上述期間 不同深度土壤的溫差越小 則說明土壤在白 天蓄熱或夜間放熱越少 在日光溫室研究中 通常采用 溫差法計算墻體蓄熱層厚度 認(rèn)為當(dāng)打開與關(guān)閉保溫被 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 192 時刻墻體的溫差低于1 時 該部分墻體在白天蓄熱或 夜間放熱量非常有限 所以將溫差設(shè)定為1 31 該方 法可以借鑒 但對于保溫型塑料大棚來說 每一份熱量 都極為重要 且由于其跨度和長度尺度較大 1 以下的 溫差所傳遞的熱量也應(yīng)考慮 但鑒于所選用熱電偶的最 高精度為0 5 因此將大棚土壤蓄熱層定義為溫度波幅 大于0 5 的部分 根據(jù)上述分析 溫度波幅與土壤深度密切相關(guān) 因 此二者的關(guān)系可以描述為 bi a x 6 式中 i 為不同深度土壤溫度波幅 i 1 2 n x 為土壤深度 m a b分別方程系數(shù)和冪指數(shù) 取1月1 7日 11日不同天氣條件下0 0 50 m深 度不同測點的土壤溫度平均值 對其溫度波幅進(jìn)行擬合 得出溫度波幅的遞減方程其結(jié)果如表1所示 從表1中 可以看出 大棚土壤溫度波幅隨土壤深度的增加 呈乘 冪函數(shù)遞減 冪指數(shù)b的絕對值 晴天 多云天多云天 陰天 結(jié)合不同天氣條件下 棚內(nèi)外平均氣溫 棚內(nèi)外氣溫差和棚內(nèi)太陽輻射等數(shù)據(jù) 發(fā)現(xiàn)冪指數(shù)b和方程系數(shù)a的變化規(guī)律均與棚內(nèi)平均氣 溫和太陽輻射的變化趨勢一致 由此可推斷 大棚土壤 溫度波幅遞減規(guī)律受棚內(nèi)平均氣溫和太陽輻射的影響 再利用式 6 進(jìn)一步模擬計算0 50 1 0 m深度土壤溫 度波幅變化 由模擬結(jié)果可知 在0 0 10 m深度范圍 土壤的溫度變化幅度最大 在0 30 m處 土壤溫度波幅 開始小于1 與前述測試結(jié)果一致 因此 根據(jù)前述 土壤蓄熱層的定義 可確定大棚土壤蓄熱層的平均厚度 約為0 55 0 80 m 綜合分析不同天氣條件下土壤溫度波 幅遞減方程和蓄熱層厚度變化規(guī)律可知 土壤溫度波幅 遞減方程的冪指數(shù)b的絕對值 方程系數(shù)a的值越大 土壤蓄熱層越厚 表1 不同天氣條件下土壤溫度波幅遞減方程 Table 1 Decreasing equation of soil temperature amplitude under different weather conditions 日期 Date 溫度波幅遞減方程 Decreasing equation of soil temperature amplitude R2值 Value of R2 天氣 Weather 蓄熱層厚度 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 陰 0 60 01 11 i 0 3404x 0 65 0 996 陰 0 55 注 ai為不同深度土壤溫度波幅 x為土壤深度 m Note ai is soil temperature amplitude at different depths x is soil depth m 2 2 橫向土壤溫度變化及傳熱特性分析 2 2 1 橫向土壤溫度日變化規(guī)律 由于大棚的長度遠(yuǎn)大于跨度 所以橫向土壤溫度與 傳熱分析 僅關(guān)注大棚跨度方向 由于測點3位于走道 附近 所以重點關(guān)注其余幾個測點其結(jié)果 典型晴天條 件下試驗大棚沿跨度方向由北到南各測點的土壤溫度日 變化規(guī)律如圖4所示 從圖4中可以看出 大棚的橫向 土壤溫度日變化較明顯 以大棚中間過道為界 將大棚 分為南北兩區(qū) 那么在靠近南北區(qū)屋面底腳處日變化幅 度最大 最大可達(dá)24 8 兩區(qū)中部的土壤溫度變化幅 度相對較小 最大值為9 3 由此可以看出 棚內(nèi)靠近 邊界處的土壤溫度受室外條件影響較大 即土壤邊際效 應(yīng)明顯 圖4 晴天時土壤溫度沿大棚跨度方向日變化 Fig 4 Diurnal variation of soil temperature along tunnel span in sunny days 進(jìn)一步對大棚測試期間典型天氣條件下的土壤溫度 進(jìn)行統(tǒng)計 結(jié)果如表2所示 由表2可以看出 南區(qū)整 體土壤溫度變化幅度小于北區(qū) 但其最低值和平均值卻 均高于北區(qū) 表明南區(qū)土壤溫度較為穩(wěn)定 結(jié)合圖4 詳 細(xì)對比南北邊界處土壤溫度數(shù)值 靠近南屋面底腳處的 地表溫度波動最大 最高溫度為21 9 低于北區(qū)邊界 處的33 6 二者溫差為11 7 而南區(qū)邊界處的最低 溫度 則高于北區(qū)2 5 且平均溫度也高于北區(qū)0 8 南區(qū)中部的土壤最高溫度低于北區(qū)3 7 最低溫度高于 北區(qū)2 3 平均溫度高于北區(qū)0 6 分析其原因 應(yīng) 該主要在于白天南區(qū)種植作物的遮擋 使棚內(nèi)空氣溫度 和太陽輻射對南區(qū)地表溫度的直接影響減弱 從而導(dǎo)致 地表及不同深度土壤溫度的最高值小于無種植作物的北 區(qū) 到了夜間 同樣由于種植作物的遮擋以及自身作為 內(nèi)熱源 則導(dǎo)致了其周邊土壤的散熱速率較慢 因此南 區(qū)土壤溫度的最低值高于北區(qū) 另外 從表2中可以看 出 南區(qū)0 30 m處的土壤溫度波幅已經(jīng)在0 5 左右 而北區(qū)0 5 m處的土壤溫度波幅仍大于0 5 結(jié)合前文 對蓄熱層厚度的分析 可以推斷作物種植模式和生育階 段等對土壤沿深度方向的日變化和大棚蓄熱層厚度的影 響較大 大棚的橫向傳熱主要是由棚內(nèi)向棚外的熱量損失 33 34 從圖4中可以看出 棚內(nèi)不同深度土壤溫度全天均高于 棚外同一深度土壤溫度 0 0 50 m范圍4個測點處棚 內(nèi)外土壤溫度平均溫差分別為25 5 20 9 17 9 14 5 和12 7 表明棚內(nèi)土壤橫向傳熱全天均處于熱量散 失狀態(tài) 第3期 田東坤等 嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚土壤蓄放熱特性 193 表2 晴天大棚內(nèi)南北區(qū)土壤溫度變化比較 Table 2 Comparison of ground temperature changes in south and north of the tunnel in sunny day 區(qū)域 Area 土壤深度 Soil depth m 最高值 Max 最低值 Min 最大溫差 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 南區(qū) 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 北區(qū) North 0 50 14 0 13 2 0 8 13 6 2 2 2 橫向土壤傳熱量計算 根據(jù)式 1 5 編程求解土壤傳熱量 同時為 更加值觀 將大棚土壤傳熱量換算成單位地面的傳熱量 結(jié)果顯示 在典型天氣條件下 1月1 7日 大棚土壤 全天總熱損失量為922 6 1 229 4 W m2 其中縱向地中 傳熱損失為362 1 838 4 W m2 土壤與棚內(nèi)空氣對流換 熱損失為270 7 332 8 W m2 土壤橫向地中傳熱損失為 120 3 227 7 W m2 三者分別占總熱損失的39 2 68 2 22 0 36 1 9 8 24 7 在上述3項熱損 失中 橫向傳熱關(guān)注的較少 但實際上 這部分熱損失 是可以通過工程手段加以控制的 若將上述土壤橫向地中傳熱損失量用于提升棚內(nèi)土 壤溫度 則根據(jù)式 7 可以計算出棚內(nèi)土壤平均溫升幅 度 7 gH s s s Qt V C 7 式中 t 為棚內(nèi)土壤提升的平均溫度 Vs為土壤體 積 m3 s為土壤濕容重 kg m3 Cs為土壤比熱容 W kg 大棚土壤體積Vs取值為1 120 m3 土壤濕容重 s取 值為1 530 kg m3 土壤比熱容Cs取值為0 58W kg 7 則計算可得 t 0 3 0 5 即理論上若能阻隔土壤橫向 傳熱 棚內(nèi)土壤平均溫度可提升0 3 0 5 由此可見 若能采取有效措施 阻止土壤橫向傳熱 對提升大棚熱 環(huán)境是非常有益的 2 3 土壤蓄放熱特性分析 2 3 1 土壤熱流量日變化 從土壤的熱流量日變化可以更好地闡明土壤對棚內(nèi) 氣溫的影響 取各測點土壤熱流量的平均值進(jìn)行分析 圖5為不同天氣條件下土壤熱流量日變化 正值表示土 壤從周圍吸收的熱量 負(fù)值表示土壤向棚內(nèi)空氣釋放熱 量 如圖5所示 無論晴天還是陰天 棚內(nèi)土壤熱流量 的總體趨勢是一致的 土壤熱流量在上午9 00左右開始 表現(xiàn)為正值 說明此時土壤開始蓄熱 土壤溫度開始上 升 土壤蓄熱開始后 蓄熱量迅速增大 這與表層土壤 溫度變化趨勢一致 在中午12 00 左右達(dá)到熱流量最大 值 下午17 00左右開始直到次日上午9 00左右 土壤 熱流量表現(xiàn)為負(fù) 說明土壤作為熱源開始向棚內(nèi)空氣散 熱 這與縱向土壤溫度變化規(guī)律相同 觀察土壤熱流量 的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn) 土壤在夜間向棚內(nèi)供給的熱量較穩(wěn)定 沒有明顯的峰值或波動出現(xiàn) 圖5 不同天氣條件下土壤熱流量日變化 Fig 5 Diurnal variation of soil heat flux under different weather conditions 選取1月2 3日晴天 1月6日多云天 1月7日 和11日陰天作為典型天氣 對不同天氣條件下土壤蓄放 熱性能的各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計 如表3所示 在晴好天氣條 件下 9 20 15 50 為土壤蓄熱階段 日累積蓄熱量為 1 577 1 730 W 土壤熱流量最大值為94 W m2 在多云 天氣條件下 9 40 15 50為土壤蓄熱階段 日累積蓄熱 量為1 149 W 土壤熱流量最大值為60 W m2 在陰天條 件下 9 40 14 50 為土壤蓄熱階段 日累積蓄熱量為 373 293 W 土壤熱流量最大值為25 W m2 晴天與多 云天的蓄放熱時間差異不大 但其瞬時蓄放熱流量值差 異較大 因此晴天土壤日累積蓄熱量比多云天多37 2 50 6 左右 日累積放熱量比多云天多44 7 64 3 左 右 晴天的最大蓄熱流量和日累積蓄熱量均是陰天的4 倍以上 與蓄熱性能相比 晴天與陰天的土壤放熱性能 差異較小 由此可知 天氣條件對土壤的蓄放熱性能影 響較大 且不同天氣條件下土壤蓄放熱性能主導(dǎo)影響因 素不同 表3 土壤蓄放熱性能參數(shù) Table 3 Correlation coefficient between each element and soil heat storage and release 日期 Date 日累積蓄 熱量 Daily accumulation heat W 蓄熱 時長 Heat storage duration h 最大蓄 熱流量 Max heat storage flow W m 2 日累積 放熱量 Daily accumulated heat release W 放熱時長 Heat release duration h 最大放 熱流量 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 土壤蓄放熱特性的相關(guān)性分析 由于土壤蓄放熱影響因素較多 本文參考相關(guān)文獻(xiàn) 35 并結(jié)合前文的分析 選擇太陽輻射 棚內(nèi)外溫差 表 層土壤與棚內(nèi)氣溫溫差3要素 將其與土壤熱流量進(jìn)行 相關(guān)性分析 嘗試不同因素對土壤蓄放熱特性的影響 分析計算的相關(guān)系數(shù) 如表4所示 從表4中可以看出 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2022年 194 在不同天氣條件下 土壤的蓄熱階段和放熱階段主導(dǎo)影 響因素不同 表4 土壤蓄放熱與各要素相關(guān)系數(shù) Table 4 Correlation coefficients between soil heat storage and release and various factors 階段 Stage 天氣 Weather 太陽輻射 Solar radiation 棚內(nèi)外氣溫差 Temperature difference between inside and outside the tunnel 表層土壤與 棚內(nèi)氣溫差 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 白天蓄熱階段 The heat storage stage during daytime 陰天 0 87 0 71 0 96 晴天 0 74 0 99 多云天 0 25 0 91 夜晚放熱階段 The heat release stage at night 陰天 0 42 0 89 在白天蓄熱階段 無論晴天 多云天還是陰天條件 下 土壤蓄熱流量均表現(xiàn)為受表層土壤與棚內(nèi)氣溫差的 影響最大 其中 晴天條件下 土壤蓄熱與各要素的相 關(guān)系數(shù)差異較小 說明太陽輻射 棚內(nèi)外溫差以及空氣 與土壤表面溫差 均具有較大影響 但在多云和陰天條 件下 表層土壤與棚內(nèi)氣溫差對蓄熱量的影響力顯著提 升 說明在太陽輻射較弱的條件下 土壤與空氣對流換 熱是主導(dǎo)傳熱方式 因此可以推斷 在不同天氣條件下 對土壤蓄熱量影響的差異性首先體現(xiàn)在表層土壤與棚內(nèi) 氣溫差上 然后體現(xiàn)在太陽輻射上 這應(yīng)該是作物層遮 擋導(dǎo)致太陽輻射影響力下降的緣故 陰天條件下太陽輻 射影響力有一定提升 應(yīng)該是陰天散射光為主 作物遮 擋影響下降所致 在夜晚放熱階段 無論何種天氣 土壤夜晚放熱量 也主要受表層土壤與棚內(nèi)氣溫差的影響 這與其白天蓄 熱階段相同 但在晴天條件下 土壤放熱還與棚內(nèi)外氣 溫差有較強(qiáng)的相關(guān)性 這是因為晴天時棚內(nèi)外氣溫差更 大 因此對土壤放熱量的影響更大 相比較而言 多云 天與陰天條件下 土壤放熱與棚內(nèi)外溫差的相關(guān)性較小 綜合分析 在不同天氣條件下 影響土壤蓄熱量和 放熱量的主導(dǎo)因素是表層土壤與棚內(nèi)氣溫差 而棚內(nèi)外 氣溫差影響最小 3 結(jié) 論 1 研究發(fā)現(xiàn) 土壤溫度波幅隨深度的增加呈乘冪函 數(shù)遞減規(guī)律 且不同天氣條件下遞減方程的冪指數(shù)b 的 絕對值 晴天 多云天多云 天 陰天 根據(jù)溫差法 分析確定在測試地區(qū)大棚土壤的 蓄熱層平均厚度約為0 55 0 80 m 2 在測試條件下 棚內(nèi)土壤橫向地中傳熱全天處于 失熱狀態(tài) 其熱損失占總熱損失的9 8 24 7 若將此 部分熱量用于提升棚內(nèi)土壤溫度 理論上可將棚內(nèi)土壤 平均溫度提高0 3 0 5 3 天氣條件不影響土壤熱流量的變化趨勢 但是影 響土壤的蓄放熱性能 晴天土壤日累積蓄放熱量比多云 天多37 2 64 3 左右 日累積放熱量比多云天多 44 7 64 3 左右 晴天的最大土壤熱流量值和日累積 蓄熱量均是陰天的4倍以上 與蓄熱性能相比 晴天與 陰天的土壤放熱性能差異較小 4 土壤表層與氣溫差是影響土壤蓄放熱量的主導(dǎo)因 素 其相關(guān)系數(shù)為0 73 0 99 其次是室外太陽輻射 其 相關(guān)系數(shù)為0 61 0 87 影響最小的是棚內(nèi)外氣溫差 其 相關(guān)系數(shù)為0 25 0 74 表明大棚內(nèi)土壤的蓄放熱均以對 流傳熱方式為主 本研究旨在通過保溫型塑料大棚的土壤溫度和蓄放 熱特性的初步分析 了解保溫型大棚在中緯度嚴(yán)寒地區(qū) 的土壤溫度情況 為構(gòu)建更準(zhǔn)確的土壤二維傳熱模型 闡明大棚土壤邊際效應(yīng)及土壤傳熱機(jī)制提供研究基礎(chǔ) 為保溫型塑料大棚在高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用推廣提供基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐 當(dāng)然 影響保溫型塑料大棚土壤溫 度變化及蓄放熱特性的因素還有較多 諸如大棚規(guī)格 通風(fēng)方式 種植作物種類 模式和生育階段等的影響 這些內(nèi)容將在今后的研究中進(jìn)一步豐富和深入 參 考 文 獻(xiàn) 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 孫治強(qiáng) 孫麗 王謙 等 日光溫室土壤溫度環(huán)境邊際效 應(yīng) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2009 25 5 150 155 Sun Zhiqiang Sun Li Wang Qian et al Marginal effect of the soil temperature environment in greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2009 25 5 150 155 in Chinese with English abstract 5 Mahre Y 馬樹慶 提高溫室土壤溫度的數(shù)值試驗研究 J 國外農(nóng)學(xué) 農(nóng)業(yè)氣象 1987 3 33 35 6 吳德讓 李元哲 于竹 日光溫室地下熱交換系統(tǒng)的理論 研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 1994 10 1 137 143 Wu Derang Li Yuanzhe Yu Zhu Optimal design and test research of earth tube heat exchangers in a sun light greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 1994 10 1 137 143 in Chinese with English abstract 7 馬承偉 塑料大棚地下熱交換系統(tǒng)的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué) 報 1985 1 1 54 65 Ma Chengwei Studies on the vinyl house house heating by the underground heat exchange system J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 1985 1 1 54 65 in Chinese with English abstract 8 李天來 李曼 韓亞東 等 遼沈 型日光溫室地溫日變 化規(guī)律及其諧波模擬驗證 J 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報 2010 19 10 152 160 Li Tianlai Li Man Han Yadong et al Soil temperature 第3期 田東坤等 嚴(yán)寒地區(qū)保溫型塑料大棚土壤蓄放熱特性 195 diurnal variation in Liaoshen type solar greenhouse and harmonic simulation conf