不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究

第 卷第 期年 月中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ：不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究宋明軍，趙鵬，趙樹春，張斌祥，張建金（甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所 ，蘭州市 ，；甘肅省靖遠(yuǎn)縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 ，甘肅靖遠(yuǎn) ，）摘要 ：為研究跨度對(duì)組裝式日光溫室溫光環(huán)境的影響 ，選取 、和 跨度的組裝式日光溫室 ，以當(dāng)?shù)仄胀ㄈ展鉁厥覟閷?duì)照 ，進(jìn)行溫室環(huán)境溫度 、光照性能觀測(cè)和墻體熱工性能分析 。結(jié)果表明 ：各組裝式日光溫室墻體熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于普通溫室 ，平均最低溫度較普通日光溫室低 ；組裝式溫室保溫和采光性能隨跨度增加而減小 ，月份，跨度組裝溫室平均最低溫度較 和 跨度溫室高 和 ，透光率高 和 ，室內(nèi)外最低溫度差可達(dá)；組裝溫室隨跨度增大 ，室內(nèi)溫度變化越劇烈 。綜合分析認(rèn)為 ，冬季組裝式溫室中跨度溫室綜合保溫性能最好 ，組裝式溫室的保溫性能隨溫室跨度的增加而下降 ，組裝溫室在沒有輔助熱源加溫的情況下 ，不宜過度增加跨度 。關(guān)鍵詞 ：組裝式溫室 ；跨度 ；溫度 ；太陽輻射 ；性能中圖分類號(hào) ：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：文章編號(hào) ：（）宋明軍 ，趙鵬 ，趙樹春 ，張斌祥 ，張建金 不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ， ， ，（）：收稿日期 ：年 月 日修回日期 ：年 月 日基金項(xiàng)目 ：國(guó)家自然科學(xué)基金 （）組裝式日光溫室熱環(huán)境及主動(dòng)蓄熱系統(tǒng)耦合傳熱機(jī)理研究第一作者 ：宋明軍 ，男 ，年生 ，甘肅平?jīng)鋈?，碩士 ，副研究員 ；研究方向?yàn)樵O(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境與工程 。： 引言日光溫室作為我國(guó)北方冬季作物主要的反季節(jié)栽培設(shè)施 ，在生產(chǎn)中得到不斷的研究和改進(jìn)，普通日光溫室后墻體具有良好的保溫蓄熱性能，但是普通日光溫室普遍存在土地利用率低和建造費(fèi)時(shí)費(fèi)力等諸多問題。因此科研和生產(chǎn)單位進(jìn)行了組裝式日光溫室的研究與應(yīng)用，這些組裝式日光溫室的結(jié)構(gòu)大多還是依照普通日光溫室的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？缍仁侨展鉁厥医Y(jié)構(gòu)參數(shù)基本要素之一 ，它與脊高共同決定著溫室的透光率以及室內(nèi)的光溫環(huán)境。國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)普通日光溫室的合理跨度進(jìn)行了大量的研究工作 ，劉彥辰等以陜西關(guān)中地區(qū)普遍使用的跨度分別為，和的日光溫室為研究對(duì)象 ，認(rèn)為跨度溫室更適合在陜西關(guān)中地區(qū)的番茄種植中優(yōu)先推廣應(yīng)用 。劉玉鳳等針對(duì)陜西楊凌、不同跨度的日光溫室 ，以及唐中祺等對(duì)酒泉市肅州區(qū)跨度為、和的種石墻鋼結(jié)構(gòu)日光溫室的升溫保溫性能研究 ，結(jié)果跨度的溫室性能最優(yōu) 。這些對(duì)日光溫室合理跨度的研究 ，都是以土質(zhì)或石質(zhì)墻體日光溫室為研究對(duì)象 ，而跨度變化對(duì)組裝式日光溫室的環(huán)境性能的影響 ，國(guó)內(nèi)尚未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo) 。組裝式日光溫室由于建造速度快 ，節(jié)省土地資源 ，甘肅省近幾年設(shè)計(jì)和建造了多種規(guī)格的組裝式日光溫室，這些組裝式日光溫室在生產(chǎn)應(yīng)用中 ，溫度環(huán)境性能差別很大 。為了研究跨度變化對(duì)組裝式日光溫室性能的影響 ，年我們進(jìn)行了不同跨度組裝式日光溫室的溫光性能觀測(cè)試驗(yàn) ，希望通過此項(xiàng)研究 ，為生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)支持 。 材料與方法 試驗(yàn)溫室試驗(yàn)溫室位于甘肅靖遠(yuǎn)大壩和三合農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū) （°，°），試驗(yàn)地海撥 ，年平均氣溫，無霜期天 ，年日照時(shí)數(shù) 左右 ，極端最高氣溫為，極端最低氣溫。座不同跨度組裝式試驗(yàn)溫室 ，溫 室 骨 架 均 為×橢圓型鋼管 ，間距，各組裝溫室的墻體和后屋面材料一致 ，前屋面棚膜為日光溫室專用膜 ，保溫被芯層為針刺毛氈 ，外層包裹防水布 ，總厚度。第 期 宋明軍 等 ：不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究 對(duì)照溫室選用當(dāng)?shù)仄胀ㄍ翂θ展鉁厥?，土墻體下部厚，上部厚，平均厚度，骨架材料和覆蓋材料與試驗(yàn)組裝式溫室相同 。后屋面結(jié)構(gòu)為 ：竹膠板草簾麥草草泥 ，上薄下厚 ，平均厚度，后屋面長(zhǎng)度，座溫室具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表。表 供試溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)表 溫室編號(hào)跨度長(zhǎng)度脊高墻高采光屋面角（°）后墻體結(jié)構(gòu)種植作物 稻草簾 保溫被 棚膜 辣椒 防水布 滌綸棉 防水布（總厚度） 黃瓜 毛氈 草簾 保溫被 防水布 生菜 黏土墻（） 辣椒 觀測(cè)項(xiàng)目及方法 測(cè)點(diǎn)布置主要進(jìn)行試驗(yàn)溫室內(nèi)外環(huán)境溫度和太陽輻射量的觀測(cè) ，室內(nèi)空氣溫度觀測(cè)點(diǎn)位于各溫室前后正中間 ，偏右的 位 置 ，主 要 避 開 中 部 卷 簾 機(jī) 的 影 響 ，高 度。室外溫度觀測(cè)點(diǎn)位于室外空曠處 ，高度，為避免陽光直接輻射造成的影響 ，觀測(cè)時(shí)溫度傳感器上方加一硬紙板遮擋 。太陽輻射的測(cè)點(diǎn)位于溫室內(nèi)外空氣溫度測(cè)點(diǎn)的位置 ，組裝式溫室剖面結(jié)構(gòu)和觀測(cè)點(diǎn)位置如圖所示 。圖 組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)點(diǎn)布置 測(cè)試內(nèi)容年月日月日進(jìn)行各試驗(yàn)溫室的性能觀測(cè)試驗(yàn) ，每記錄一次 ，連續(xù)觀測(cè) 。測(cè)試內(nèi)容為不同跨度組裝式溫室的保溫性能和采光性能 ，主要測(cè)試指標(biāo)為室內(nèi)外空氣溫度 、最低溫度 、最高溫度和太陽輻射量 。 試驗(yàn)設(shè)備溫度觀測(cè)選 型和型溫度自動(dòng)記錄儀 ，精度±，溫濕度觀測(cè)選 型溫濕度自動(dòng)記錄儀 ，精度±（），濕度為±。太陽輻射觀測(cè)選，測(cè)量范圍 ，誤差±，手工觀測(cè)采用便攜式光照輻射測(cè)量?jī)x ，測(cè)量范圍 ，誤差±，分辨率。 數(shù)據(jù)分析處理選取年月日月日的觀測(cè)數(shù)據(jù) ，主要為冬季最冷時(shí)期的數(shù)據(jù) ，通過處理數(shù)據(jù) ，獲得不同跨度組裝溫室室內(nèi)外溫度和太陽輻射量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 。運(yùn)用熱工計(jì)算公式 ，分析墻體材料的熱工性能 ，對(duì)不同跨度組裝式日光溫室的光熱環(huán)境特征做出分析和評(píng)價(jià) 。 結(jié)果與分析 溫度保溫能力分析 最低溫度變化日光溫室最低溫度是評(píng)判溫室保溫性能好壞的重要指標(biāo) 。從試驗(yàn)期間各溫室內(nèi)最低溫度變化分析 （圖），試驗(yàn)期間各組裝溫室最低溫度均低于對(duì)照土墻溫室 ，不同時(shí)段各組裝溫室的最低溫度變化規(guī)律不同 。圖 最低溫度變化曲線 月份平均最低溫度為，較、和分別高、和。組裝溫室中表現(xiàn)最好 ，較和分別高和，組裝溫室表現(xiàn)出隨跨度增大 ，最低溫度逐漸降低的趨勢(shì) 。月份以后 ，隨外界氣溫的回暖 ，組裝試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室的最低溫度差距減小 ，溫室平均最低溫度較、和分別高、和。通過以上分析 ，月份 ，組裝式溫室的最低溫度均低于普通土墻溫室 ， 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年組裝式溫室隨跨度的增加 ，最低溫度呈下降趨勢(shì) 。 室內(nèi)外最低溫度差如圖所示 ，室內(nèi)外最低溫度差和外界氣溫變化相反 ，外界氣溫越低 ，溫室內(nèi)外的溫差越大 。對(duì)照溫室的保溫性能最好 ，月份 ，對(duì)照溫室內(nèi)外最低溫度差最高可達(dá)。組裝溫室中仍然是保溫性能最好 ，室內(nèi)外最大溫差可達(dá)，表現(xiàn)次之 ，的各值均表現(xiàn)最小 ，說明在最冷的月份 ，組裝溫室中保溫性能最好 ，隨著跨度增加 ，組裝溫室的保溫性能逐漸降低 。月份的保溫性能超過了，但差異不顯著 。各組裝溫室仍然表現(xiàn)為跨度越大 ，保溫性越差的特點(diǎn) 。圖 試驗(yàn)溫室室內(nèi)外最低溫度差 升溫能力分析 升溫幅度溫室內(nèi)最高溫度和最低溫度差可以判斷設(shè)施的采光和升溫能力的強(qiáng)弱 ，由于日光溫室的最低溫度基本出現(xiàn)在揭簾時(shí)間 ，所以最高溫度和最低溫度差 ，可以反映溫室每日的升溫能力 。從表可以看出 ，組裝式溫室的升溫能力普遍高于土墻對(duì)照溫室 ，試驗(yàn)期間的升溫幅度最大 ，次之 ，而的升溫幅度最小 ，月份、升溫幅度分別較高、和，組裝溫室升溫幅度的最大值和最小值均大于對(duì)照溫室 。月份、升溫幅度高于，而低于。 升溫速度由于日光溫室白天通風(fēng)和管理方式不同 ，僅從溫室的升溫幅度并不能真實(shí)反應(yīng)溫室的升溫能力 ，當(dāng)?shù)厝展鉁厥叶久刻欤航液?，中午：開始通風(fēng)降溫 ，選取每天：的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 ，基本能反應(yīng)溫室的真實(shí)升溫速度 。從試驗(yàn)結(jié)果分析 （表），組裝溫室單位時(shí)間的升溫速度明顯高于對(duì)照溫室 ，組裝溫室中的升溫速度最快 ，月平均升溫速度在左右 ，最大升溫速度可達(dá)，而的升 溫 速 度 最 低 ，平 均 升 溫 速 度，的平均升溫速度稍低于，但差異不顯著 。表 試驗(yàn)溫室最高和最低溫度差 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目年 月 年 月最高值 最低值 平均值 最高值 最低值 平均值 外界溫度 表 試驗(yàn)溫室升溫速度 統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目年 月 年 月最高值 （·）最低值 （·）平均值 （·）最高值 （·）最低值 （·）平均值 （·） 外界溫度 太陽輻射量動(dòng)態(tài)變化從試驗(yàn)期間太陽輻射量分析 （圖），月份外界月平均太陽輻射量為，、的月平均太陽輻射量分別為、和第 期 宋明軍 等 ：不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究 ，為，各組裝溫室的月平均透光率分別為、和，為。圖 日平均太陽輻射量變化 組裝溫室表現(xiàn)出隨著跨度增大 ，太陽幅射量減小的趨勢(shì) ，在相同跨度情況下 ，組裝溫室的太陽幅射量要高于土 墻 溫 室 。月份外界月平均太陽輻射量為，此時(shí)三種組裝溫室的月平均太陽輻射量分 別 為、和，為，透 光 率 分 別 為、和。通過以上對(duì)不同時(shí)期各組裝溫室的太陽輻射量分析 ，各溫室的太陽輻射量隨太陽高度角的增大而升高 ，透光率隨跨度增大而減小 。由于采光屋面角大 ，隨太陽高度角的增加 ，太陽輻射量和透光率上升較快 ，月份超過了。 墻體材料熱工性能分析運(yùn)用建筑材料熱工計(jì)算方法，對(duì)組裝溫室和對(duì)照溫室的墻體熱工參數(shù)進(jìn)行分析 （表、表）。雖然組裝溫室的墻體熱阻都大于對(duì)照溫室 ，但對(duì)照溫室土墻體熱穩(wěn)定性好 ，蓄熱系數(shù)和熱惰性指標(biāo)是組裝溫室的倍以上 ，實(shí)際測(cè)得土墻溫室冬季的保溫性能要好于組裝式溫室 。從各組裝溫室的墻體熱工性能分析 ，種試驗(yàn)組裝溫室墻體的熱阻和傳數(shù)系數(shù)相近 ，的熱穩(wěn)定性最 好 ，最 差 ，而冬季保溫性能則表現(xiàn)為，保溫性能隨跨度的增大而變小 。綜合分析認(rèn)為 ，各組裝溫室的溫度差異主要還是由于組裝溫室跨度增大 ，前屋面散熱面積增加 ，而組裝溫室墻體蓄熱能力較差 ，導(dǎo)致溫室保溫性降低 ，跨度變化是影響組裝溫室保溫性能的重要因素 。墻體材料基本熱工參數(shù)如表所示。表 墻體材料基本熱工參數(shù) 墻體材料 厚度 密度 （·） 導(dǎo)熱系數(shù) （··） 比熱容 （··）稻草簾 保溫被 滌綸棉 毛氈 土墻體 表 試驗(yàn)溫室墻體材料熱工性能 溫室編號(hào) 熱阻 （··） 傳熱系數(shù) （··） 蓄熱系數(shù) （··） 熱惰性指標(biāo) 結(jié)論與討論本試驗(yàn)選取了種不同跨度的組裝式日光溫室進(jìn)行光熱環(huán)境性能研究 ，隨著溫室跨度的增加 ，溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)相應(yīng)的也隨之不同 。因此 ，分析了溫室墻體熱工性能的綜合 ，認(rèn)為冬季組裝溫室是由于墻體蓄熱性能差 ，隨跨度增加 ，前屋面散熱面積增大 ，在冬季表現(xiàn)出跨度越大 ，溫室保溫性能越差的變化特征 。組裝溫室表現(xiàn)出升溫速度快 ，但降溫速度也快的特點(diǎn) ，月份 ，、跨度組裝溫室平均升溫幅度分別較對(duì)照溫室高、和，而傳統(tǒng)土墻溫室的最低溫度則高于組裝溫室。隨著組裝溫室隨跨度增加 ，室內(nèi)溫度變化越劇烈 。月 份和跨 度 組 裝 溫 室 升 溫 速 度 為和，每 日 平 均 升 溫 幅 度和，明顯高于跨度組裝溫室 。而晚間跨 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年度溫室最低溫度較和跨度溫室高、，跨 度 組 裝 溫 室 溫 度 變 化 較和平緩 。各溫室的太陽輻射量表現(xiàn)出隨太陽高度角的升高而增加 ，隨跨度增大而減小的趨勢(shì) 。月份跨度組裝溫室的月平均太陽輻射量為，平均透光率為，分別高于和跨度組裝溫 室、和、。月份跨度組裝溫室由于采光屋面角大 ，太陽輻射量上升較快 ，平均太陽輻射量高于跨度組裝溫室，透光率高。綜上所述 ，由于組裝式日光溫室墻體蓄熱性能不足 ，在冬季表現(xiàn)出跨度越大 ，溫室保溫性能越差的變化特征 。所以 ，今后在組裝式日光溫室的設(shè)計(jì)建設(shè)中 ，若沒有輔助補(bǔ)溫設(shè)備的情況下 ，不宜過度增加跨度 ，要根據(jù)生產(chǎn)需要 ，合理進(jìn)行組裝溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì) 。參考文獻(xiàn)魏曉明 ，周長(zhǎng)吉 ，曹楠 ，等中國(guó)日光溫室結(jié)構(gòu)及性能的演變 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ，（）：牛貞福 ，黃振軒 ，國(guó)淑梅 ，等雙屋面日光溫室建造設(shè)計(jì)及其環(huán)境動(dòng)態(tài)變化分析 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：楊建軍 ，鄒志榮 ，張智 ，等西北地區(qū)日光溫室土墻厚度及其保溫 性 的 優(yōu) 化 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：羅偉 ，韓曉栩 ，蔣欣梅 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， ，（）：第 期 宋明軍 等 ：不同跨度組裝式日光溫室光熱環(huán)境性能研究 ， ， ，（ ， ，； ，）： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ；（上接第頁 ）王濤多層堆肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)及改進(jìn)分析城鎮(zhèn)給水排水 ，（）：王濤 ，邢家樂 ，蘭軒花 ，等污泥高溫好氧發(fā)酵技術(shù)典型案例分析 城鎮(zhèn)給水排水 ，（）：李 宜 海機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)建模及求解中的幾個(gè)問題 煤礦現(xiàn)代化 ，（）：張寶巖翻拋機(jī)翻拋裝置的仿真分析柳州：廣西科技大學(xué) ， ： ，白威濤槽式翻拋機(jī)工作部件的研究與設(shè)計(jì)杭州：浙江理工大學(xué) ， ： ，黃娥慧 ，梁詩華 ，張亞峰 ，等雙向槽式翻堆機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化研究試驗(yàn) 機(jī)電技術(shù) ，（）：，李 宜 海機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)建模及求解中的幾個(gè)問題 煤礦現(xiàn)代化 ，（）：郝麗君新型滾筒式翻堆機(jī)滾筒及升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研究 北京 ：機(jī)械科學(xué)研究總院 ，曹遠(yuǎn) 國(guó) ，謝 友 柏 ，戴 旭 東挖掘機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)建模 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究 ，（）：郭蓓蓓在機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用科技展望 ，（）：居玉坤密閉倉式污泥高溫好氧快速發(fā)酵資源化技術(shù)及應(yīng)用研究 北京 ：中國(guó)地質(zhì)大學(xué) ，周艷文動(dòng)態(tài)滾筒式污泥堆肥一體化設(shè)備的研制和應(yīng)用 污染防治技術(shù) ，（）： ， ， （ ， ，）： （ ）， ， ， ， ： ； ； ；