遼沈_型日光溫室西山墻熱通量日變化及分布規(guī)律的研究

收 稿日期 ：2010-03-01基金項目 ：國家 “863”基金項目 (2006AA10Z222)作者簡介 ：李天來 （1955-），男 ，沈陽農(nóng)業(yè)大學教授 ，博士 ，從事設(shè)施園藝及蔬菜生理生態(tài)研究 。沈陽農(nóng)業(yè)大學學報 ，201004，41(2)：137-141Journal of Shenyang Agricultural University，201004，41(2)：137-141遼沈 型日光溫室西山墻熱通量日變化及分布規(guī)律的研究李天來 ，張 昆 ，韓亞東 ，劉 爽 ，李 曼（沈陽農(nóng)業(yè)大學 園藝學院 /遼寧省設(shè)施園藝重點實驗室 ，沈陽 110866）摘要 ： 利用 TRM-ZS1 型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)和 surfer8.0 對遼沈 型日光溫室西山墻不同部位熱通量日變化和分布規(guī)律進行了分析 ，以期為日光溫室栽培管理和山墻結(jié)構(gòu)的改良提供理論指導(dǎo) 。 結(jié)果表明 ：晴天時 ，西山墻開始蓄熱和到達峰值的時間較早 ，開始放熱的時間也相應(yīng)提前 ，南部開始蓄放熱均早于北部 ，不同部位的熱通量日變化曲線趨勢一致 ，但到達峰值的時間不同 。 陰天時 ，由于缺少太陽輻射 ，所以熱通量在 10:00 左右同時到達峰值 ，無論晴天還是陰天 ，南部白天的蓄熱時間都小于北部 ，最晚開始蓄熱的部位都是墻體北部 。 山墻墻體的熱通量分布受天氣情況影響顯著 ：陰天的熱通量分布比較均勻 ，南北部差異比晴天顯著減小 ，晴天時 ，除了南北差異較大 ，上下差異也比較顯著 ；蓄熱強度大的部位蓄熱時間短 ，但夜間放熱量大 。關(guān)鍵詞 ：日光溫室 ；山墻 ；熱通量 ；日變化 ；分布規(guī)律中圖分類號 ：S625 文獻標識碼 ： A 文章編號 ： 1000-1700（2010）02-0137-05Diurnal Variation and Distribution of West Wall Heat Flux in LiaoshenSolar GreenhouseLI Tian-lai, ZHANG Kun, HAN Ya-dong, LIU Shuang, LI Man(College of Horticulture/Key Laboratory of Protected Horticulture of Liaoning Province,Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)Abstract： The diurnal variation and distribution of west wall heat flux in different parts of Liaoshen solar greenhouse werestudied, using TRM -ZS1 indoor environment monitor system and surfer8.0. The purpose of this study was to provide thetheoretical guidance for cultivation and management, and the structure improvement of west wall. The results showed that in fineday,west wall began storing heat and getting to the peak value earlier, and also releasing heat earlier. Storing and releasing heatin southern part earlier than in the north. The diurnal variations of heat flux showed an unanimous tendency in different parts,but the time of getting to peak value was different. Owing to lacking of solar radiation, all heat fluxes reached peak value at 10:00 in a cloudy day. Hours storing heat in south were shorter than those in northern parts which began storing heat latest bothsunny and cloudy day. Weather conditions played an important role in distribution of west wall heat flux. The distribution wasuniform on cloudy day, and the difference between south and north was significantly smaller than it on sunny day. And thedifference of heat flux between top and bottom was also remarkable. The position with a intense strength of heat storage had ashort storing time, but with a great heat released at night.Key words： solar greenhouse; west wall; heat flux; diurnal variation; distribution墻體是影響日光溫室熱性能的關(guān)鍵部位之一 ，其中山墻的作用不可忽略 。 白天 ，墻體內(nèi)表面吸收的太陽熱量一部分通過對流和輻射傳熱傳給室內(nèi) ，一部分通過傳導(dǎo)傳熱傳向墻體內(nèi)部 ，其中部分蓄集在墻體內(nèi) ，部分傳導(dǎo)到外部放出 ；夜間 ，墻體積蓄的熱量除繼續(xù)向外放熱 ，大部分傳入溫室內(nèi)部以維持室內(nèi)溫度 。 熱通量是衡量墻體蓄熱保溫性能的重要指標 ，它可以表征溫室內(nèi)部通過墻體與外部進行熱交換的狀況 ，以及溫室墻體的蓄熱 、放熱狀態(tài) 。 因此 ，研究日光溫室山墻的熱通量日變化及分布規(guī)律 ，對及時制定保溫調(diào)控措施以及對山墻建筑結(jié)構(gòu)進行改良具有重要指導(dǎo)作用 。 有關(guān)日光溫室熱通量方面國外早有研究1-2，國內(nèi)在日光溫室熱通量方面也有一些研究3，特別對日光溫室土壤熱通量進行了一系列研究4-5，還對多層覆蓋連棟溫室以及日光溫室的熱環(huán)境進行了進一步研究6-12。目前對土壤以及北墻的熱通量研究較多13-14，由于山墻的熱性能一直被低估 ，所以對其熱通量的研究尚少 ；同時 ，在研究山墻熱通量時通常將其分布視作均勻的15，但由于受太陽高度角和后坡陰影遮蔽作用的影響 ，山墻不同部位在同一時刻接受的太陽輻射是不同的 ，將其視作均勻分布進行研究會影響結(jié)果的準確第 41 卷沈陽農(nóng)業(yè)大學學報圖 2 晴天日光溫室西山墻的熱通量Figure 2 Heat flux of west wall inside the greenhouse圖 1 溫室西山墻內(nèi)側(cè)熱通量板布點Figure 1 HF plate distribution of west wallinside the greenhouse性 。 本試驗以遼沈 型日光溫室作為研究對象 ，針對日光溫室西山墻部分 ，進行熱通量日變化和分布規(guī)律的研究 。 分析了西山墻各個部分的蓄放熱規(guī)律以及分布情況 ，以期為北方日光溫室提前制定保溫措施 、改善栽培管理以及墻體結(jié)構(gòu)改良提供理論依據(jù) 。1 材料與方法1.1 遼沈 型日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)及儀器布置試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學工廠化高效農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心試驗基地的遼沈 型日光溫室 （緯度 41.8°N）內(nèi)進行 ，溫室坐北朝南 ，溫室方位角為南偏西 7°，脊高 3.5m，北墻高 2.4m，后坡水平投影 1.5m，跨度 7.5m，長度60m，前屋面覆蓋材料使用 PVC 膜 ，采用保溫覆蓋和通風對溫室內(nèi)部溫度進行調(diào)節(jié) 。 西山墻內(nèi)側(cè)布置 9 個熱通量板 （圖 1），熱通量板連接于 TRM-ZS1 型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) ， 熱通量板相對應(yīng)的布點都并置了美國 HOBO Pro v2型溫濕度記錄器 。1.2 方法晴天試驗于 2009 年 5 月 14 日 0:0023:50 進行 ；陰天試驗于 2009 年 5 月 16 日 0:0023:50 進行 。 分別對供試的遼沈 型日光溫室的西山墻進行連續(xù) 24h 的熱通量（以下簡稱 HF）及各種常規(guī)氣象因子的監(jiān)測 ，室外氣象因子數(shù)據(jù)由沈陽農(nóng)業(yè)大學工廠化高效農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心室外氣象站采集 ，數(shù)據(jù)采集的時間間隔均為 10min。 試驗期間溫室作物區(qū)的栽培管理均與一般生產(chǎn)相同 。1.2.1 熱通量日變化分析 在西山墻接受太陽輻射不同的位置分別布置 9 個熱通量板 ， 利用 TRM-ZS1 型室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)收集代表性天氣的連續(xù) 24h 的熱通量實測數(shù)據(jù) ，分析不同天氣條件下西山墻不同位置的熱通量日變化規(guī)律 。1.2.2 熱通量分布規(guī)律分析 利用 surfer8.0 對西山墻熱通量實測數(shù)據(jù)進行分析處理 ， 首先創(chuàng)建 XYZ 數(shù)據(jù)文件 ，然后將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格文件 ，最后通過等值線命令創(chuàng)建基于不同天氣條件下西山墻不同位置在同一時間的熱通量的分布規(guī)律等值線圖 ，從而可以直觀地分析西山墻熱通量的分布情況 。2 結(jié)果與分析2.1 晴天西山墻熱通量日變化規(guī)律2009 年 5 月 14 日室外全天平均風速 1.3m·s-1，平均相對濕度 37%，平均氣溫 17.2，最高氣溫 27。 由圖2 可知 ，西山墻白天以蓄熱為主 ，夜間以放熱為主 。 雖然山墻不同部位同一時刻的熱通量數(shù)值以及分布是不均勻的 ，但總體變化趨勢一致 ，都是隨著太陽輻射的增加而不斷上升 。 南部偏下在 6:20 就開始蓄熱 ，北部偏上則延遲到 7:40 開始蓄熱 ，開始放熱的時間也相應(yīng)延遲 ，南部在 15:00 至 15:40 開始放熱 ，北部最晚到 18:00 才開始138· ·第 2 期圖 3 日光溫室西山墻的熱通量分布Figure 3 Heat flux distribution of west wall inside the greenhouse李天來等 ：遼沈 型日光溫室西山墻熱通量日變化及分布規(guī)律的研究放熱 。 由南至北熱通量達到峰值的時間也依次延遲 ，南部 9:00 左右就可以達到峰值 ，而北部最晚要延遲到 11:30 左右 。 由上至下則逐漸提前 ，靠近溫室脊處甚至也要到 11:30 才可以到達蓄熱峰值 。 西山墻北部與北墻交界附近無論上部還是下部峰值到達的時間一致 ，是各點峰值時間延遲最嚴重的 ，這是由于后坡的陰影遮蔽作用和太陽高度角導(dǎo)致墻體無法接收太陽輻射 。10:00 左右蓄熱量突然降低是由于短時間云量增加使山墻無法得到足夠的太陽輻射 ，導(dǎo)致周圍溫度暫時下降 ，墻體為了維持周圍的熱平衡而短時間削減了蓄熱量 。2.2 晴天西山墻熱通量分布規(guī)律由圖 3 可知 ，由于太陽高度角的原因 ，9:00 左右是西山墻一天當中蓄熱值最大的時刻 。 南部熱通量比北部大 ，山墻下部熱通量比上部大 ，是由于得到更多的太陽直接輻射 ，北部中部的蓄熱量最小 。 上午的光質(zhì)比較好 ，此時是山墻一天當中蓄熱最關(guān)鍵的時期 ，墻體熱量大部分在此時完成蓄積 。 到 12:00 時 ，整體分布差異不大 ，南北部蓄熱量較中部偏大 ，中部上下分布基本均勻 ，靠近北墻與南部底部的區(qū)域熱通量最大 ，但熱通量絕對值相對于 9:00 時已經(jīng)大幅度下降了 ，說明墻體蓄熱量開始下降 ，但此時山墻仍然處于蓄熱階段 。15:00 山墻南部中部開始放熱 ，其他部分繼續(xù)蓄熱 ，此時山墻北部蓄熱量最大 ，但由于此時太陽輻射大幅下降 ，所以熱通量數(shù)值很小 。 到 17:00 左右山墻全面放熱 ，北部中部放熱時間延遲將近 50min（數(shù)據(jù)未列出 ）。 熱通量分布與 12:00 時相比大致相同 ：南部偏小 ，北部較大 。0:00 放熱情況與 9:00 時墻體蓄熱量密切相關(guān) ：中南部由于接受大量的太陽直接輻射 ，所蓄積的熱量比北部多 ，所以夜間釋放的熱量比北部多 。 雖然山墻北部在中午至下午的時間內(nèi)蓄熱量大于其他部分 ，但所接受的太陽直接輻射量遠遠小于 9:00 時 ，所以夜間的放熱能力明顯小于其他部分 ，尤其是山墻中南部 ，但墻體上下部的放熱量無顯著差異 。 由此可見 ，晴天西山墻中南部的放熱量遠遠大于北部 ，而墻體上下部的差異并不顯著 。2.3 陰天西山墻熱通量日變化規(guī)律2009 年 5 月 16 日室外全天平均風速 4m·s-1，平均相對濕度 60.5%，平均氣溫 13.2，最高氣溫 15.6。 由圖 4 可知 ，陰天情況下 ，由于墻體得不到任何太陽直接輻射 ，西山墻放熱時間大于蓄熱 。 雖然墻體有短時間的蓄熱過程 ，但無論是蓄熱強度還是蓄熱量都比晴天小的多 。 山墻不同部位同一時刻的熱通量是不相同的 ，總體變化趨勢一致 ，但熱通量的絕對值非常小 ，說明在沒有太陽直接輻射的情況下 ，墻體的蓄放熱能力大幅下降 。139· ·第 41 卷沈陽農(nóng)業(yè)大學學報圖 5 日光溫室西山墻的熱通量分布Figure 5 Heat flux distribution of west wall inside the greenhouse圖 4 陰天日光溫室西山墻的熱通量Figure 4 Heat flux of back slope inside the greenhouse由于熱通量是隨著太陽輻射的增加而不斷上升的 ，所以陰天山墻不同部位的熱通量到達峰值的時間基本相同 ，但蓄放熱的轉(zhuǎn)換時間不同 。 南部墻體開始蓄熱的時間最早是 6:40，北部最晚 7:40，但達到峰值的時間都是 10:00，雖然缺少太陽直接輻射 ，但是南部的蓄熱量仍然大于北部 。 11:10 左右山墻中部最先開始放熱 ，南部 16:00左右開始放熱 ，北部偏上部分 16:50 左右才開始放熱 ，是山墻開始放熱時間最晚的部位 。 10:00 左右蓄熱量迅速增高和云量突然減小有關(guān) ，云量減小使散射輻射暫時增大導(dǎo)致山墻周圍溫度突然升高 ，墻體為了維持周圍的熱平衡而短時間增加了蓄熱量 。西山墻陰天的熱通量峰值與晴天相比明顯不同 。這是因為陰天墻體熱通量主要受散射輻射影響而不是太陽直接輻射 ，也就不受太陽高度角影響 。 由圖 2 和圖 4 可知 ，陰天西山墻的蓄熱量和蓄熱時間遠遠小于晴天 。 由于墻體整體的蓄熱量下降 ，所以相同位置放熱量也相應(yīng)地下降 ，這也是陰天室內(nèi)溫度較低的原因之一 。2.4 陰天西山墻熱通量分布規(guī)律由圖 5 可知 ，9:00 左右仍然是西山墻一天之中蓄熱量最大的時刻 ，雖然南北差異不大 ，但南部偏下的蓄熱量明顯大于其他部位 ，北部偏上最小 。因為缺少太陽直接輻射 ，所以墻體整體蓄熱能力顯著下降 ，尤其北部偏下140· ·第 2 期的蓄熱量下降最大 。 到 12:00 時 ，整體分布差異進一步減小 。 雖然墻體南北部仍在進行蓄熱 ，但蓄熱量顯著降低 ，中部開始放熱 ，上下分布基本均勻 。15:00 時 ，由于云量短時間減小 ，散射輻射瞬時增大 ，導(dǎo)致墻體再次進行蓄熱 ，墻體整體的蓄熱量基本相同 ，只有南部偏下蓄熱量偏大 。 此時山墻各個部位的蓄放熱狀態(tài)無顯著差異 （圖 5）。0:00 左右墻體放熱情況與晴天有顯著差異 ：南部由于 9:00 左右蓄積的熱量偏大 ，所以夜間的放熱量比北部多 。 雖然山墻上下部在 9:00 左右蓄熱量差異不大 ，但是墻體上部夜間的放熱量卻明顯小于下部 ，尤其是山墻北部偏上的位置 。 由此可見 ，在陰天條件下 ，西山墻下部對溫室的保溫作用大于上部 ，北部偏上部分作用最小 。3 結(jié)論與討論研究結(jié)果表明 ，晴天時 ，西山墻上部比下部到達熱通量峰值的時間晚 ，放熱時間與蓄熱時間緊密相關(guān) ，北部開始放熱的時間也相應(yīng)地延遲 ，南部白天的蓄熱時間短于北部 ；陰天時 ，西山墻內(nèi)側(cè)同時到達峰值 ，開始放熱的時間比晴天提前了 14h，南部白天的蓄熱時間仍然小于北部 ，但總體的蓄熱時間遠遠小于晴天 。 無論晴天還是陰天 ，最晚開始蓄熱的部位都是墻體北部 。 墻體夜間的放熱量和白天的蓄熱量有直接關(guān)系 ，所以山墻中南部的放熱量大于北部 ，但墻體上下部差異不顯著 。 本研究表明 ，西山墻中南部蓄熱量大于北部 ，所以墻體北部夜間放熱量較低 ，導(dǎo)致溫室西北部溫度低于其他部位 ，影響附近作物生長發(fā)育 。 在設(shè)計溫室結(jié)構(gòu)時 ，應(yīng)加強山墻北部及上部的蓄熱保溫設(shè)計 ，如加厚聚苯板 、墻體內(nèi)側(cè)使用蓄熱能力較強的材料等措施 。日光溫室墻體熱通量是表征墻體蓄熱性能的重要指標 ，通過墻體蓄放熱量的絕對值大小來判斷墻體的蓄熱性能 。 目前一般都認為山墻熱通量是均勻分布的 ， 但是由于山墻得到的太陽直接輻射隨著太陽高度角的不斷變化而相應(yīng)發(fā)生改變 ，這直接影響了墻體的熱通量變化 ，所以將山墻熱通量視作均勻分布是不準確的 。 在研究山墻熱通量的時候 ，應(yīng)該將墻體表面由南至北劃分為若干個區(qū)域進行分析 ，盡量減小墻體不同部位同一時刻的熱通量差異所帶來的誤差 ，在進行山墻熱通量模型研究時應(yīng)注意這一點 。 實際生產(chǎn)中 ，日光溫室的環(huán)境變化是比較復(fù)雜的 ，包括很多氣象因子 ，這些因子直接或間接地影響日光溫室維護結(jié)構(gòu)的熱通量 ，但有些因子本試驗中沒有考慮 ， 如溫室通風口的風速 。 因為日光溫室正常的栽培管理是根據(jù)當天的氣象條件隨時進行適宜的調(diào)節(jié) ，對通風口進行操作的依據(jù)主要是當時溫室內(nèi)的溫度 ，并不考慮風速 。 尤其在溫室內(nèi)種植作物時 ，由于作物的阻擋作用 ，風速對熱通量的影響非常小 。 試驗的過程是在標準的晴天和陰天條件下進行的 ，但試驗過程中不可避免地出現(xiàn)了短時間的云量變化 ，但時間都是非常短的 ，并且試驗數(shù)據(jù) 10min 采集 1 次 ，在一定程度上避免了短暫云量變化對太陽輻射造成的影響 ，因此對試驗的結(jié)果影響也較小 。參考文獻 ：1 THOMS J S,TYSON E O,ROBERT H.Soil heat flux plates:heat flow distortion and thermal contact resistanceJ.AgronomyJournal,2007,99(1):304-310.2 SAUER T J, MEEK D W, OCHSNER T E,et al.Errors in heat flux measurement by flux plates of contrasting design andthermal conductivityJ.Vadose Zone,2003,2(12):580-588.3 楊仁全 ,馬承偉 ,劉水麗 ,等 .日光溫室墻體保溫蓄熱性能模擬分析 J.上海交通大學學報 ,2008,26(5):449-453.4 張立杰 ,江 灝 ,李 磊 .土壤中熱量傳輸計算的研究進展與展望 J.冰川凍土 ,2004,26(5):569-575.5 楊紅娟 ,叢振濤 ,雷志棟 .諧波法與雙源模型耦合估算土壤熱通量和地表蒸散發(fā) J.武漢大學學報 ：信息科學版 ,2009,34(6):706-710.6 李惟毅 ,李兆力 ,雷海燕 ,等 .農(nóng)業(yè)溫室微氣候研究綜述與理論模型分析 J.農(nóng)業(yè)機械學報 ,2005,36(5):137-140.7 楊曉光 ,陳端生 ,鄭海山 .日光溫室氣象環(huán)境綜合研究 (四 )：日光溫室地溫場模擬初探 J.農(nóng)業(yè)工程學報 ,1994,10(1):150-156.8 孟力力 .基于 VB 和 MATLAB 的日光溫室熱環(huán)境模型構(gòu)建與結(jié)構(gòu)優(yōu)化 D.北京 :中國農(nóng)業(yè)科學院 ,2008.9 李樹海 ,馬承偉 ,張俊芳 ,等 .多層覆蓋連棟溫室熱環(huán)境模型構(gòu)建 J.農(nóng)業(yè)工程學報 ,2004,20(3):712-716.10 馬承偉 ,張俊芳 ,覃密道 ,等 .基于覆蓋層能量平衡法的園藝設(shè)施覆蓋材料傳熱系數(shù)理論解析與驗證 J.農(nóng)業(yè)工程學報 ,2006,22(4):1-5.11 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)工程學報 ,1994,10(1):137-143.12 吳德讓 ,李元哲 ,于 竹 .日光溫室地下熱交換系統(tǒng)的實驗和優(yōu)化設(shè)計研究 J.農(nóng)業(yè)工程學報 ,1994,10(1):144-149.13 佟國紅 ,王鐵良 ,白義奎 ，等 .日光溫室墻體傳熱及節(jié)能分析 J.農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究 ,2003,19(2):101-105.14 陳端生 .中國節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進展 J.農(nóng)業(yè)工程學報 ,1994,10(1):123-129.責任編輯 馬迎杰 李天來等 ：遼沈 型日光溫室西山墻熱通量日變化及分布規(guī)律的研究 141· ·