甘州區第三代日光溫室設計原理及性能試驗

白曉軍

甘州區第三代日光溫室設計原理及性能試驗

白曉軍

特約欄目主持：張麗華

正高職高級工程師，現任武漢市農業機械化技術推廣指導中心站長。30年來一直從事農業機械化技術推廣和培訓工作，先后承擔部省下達的農業機械化項目 10 多項，主持各類農業機械現場演示、推廣、培訓會 200 余場，獲全國農牧漁業豐收獎3項，省政府科技進步獎1項，地廳級科技進步獎4項。被農業部評為全國農業技術推廣先進工作者，為省政府專項津貼獲得者，被授予全國農機科普先進工作者、武漢市十佳農業女杰、全省農機化工作先進工作者等稱號。

導讀：甘肅張掖市甘州區目前推廣的第二代日光溫室蓄熱保溫性能不滿足當地冬季極端低溫天氣蔬菜安全生產的要求，為了解決此問題，按照當地冬至日合理太陽能截獲設計日光溫室合理前屋面角度，形成了蓄熱保溫性能更好的第三代節能日光溫室。主要介紹了第三代日光溫室的結構參數、蓄熱保溫性能提高的原理和試驗的性能表現。

甘州區隸屬于甘肅張掖市，位于河西走廊中部，地處東經 100°6′～100°52′，北緯 38°32′～39°24′，南依祁連山，北鄰內蒙古阿拉善右旗。甘州區屬大陸性氣候，年均日 照時數 2 932～3 085 h，具有 充足 的光熱資源發展節能日光溫室。 甘州區年均氣溫 7.8℃，冬季最低氣溫-28.7℃，目前推廣的第二代日光溫室是按照當地冬至日（12 月 22日左右）采光區段合理透光率設計日光溫室合理前屋面角度形成的，理論上在當地最寒冷的冬季夜間可實現室內外溫差 30℃，但在實際生產中第二代日光溫室遇到-28℃的極端低溫天氣， 棚內溫度會降到 0℃甚至 0℃以下， 棚內蔬菜特別是一些茄果類蔬菜就會發生凍害，若不加溫就不能保證冬季蔬菜安全生產。 為了解決第二代日光溫室冬季溫度低影響蔬菜安全生產的問題，參考農業部種植業管理司 2014 年制定印發的 《日光溫室發展的適宜地區及優型結構參數》， 按照甘州區冬至日合理太陽能截獲設計日光溫室合理前屋面角度，形成了北緯 38°～39°地區采光、蓄熱和保溫性能更好的第三代節能日光溫室。第三代節能日光溫室理論上在當地寒冷的冬季夜間可實現室內外溫差 35℃以上， 在冬季最低氣溫-28℃不加溫可實行果 菜 類蔬菜 安全生 產[1]。

1 第三代日光溫室斷面結構參數

①角度 方位角：座北向南，正南偏西 5°～8°為宜；前屋面角：平均 37°，天窗角 25°，地窗角 80°；后屋面仰角 45°。

②高度 脊高：6 m；后墻高：3.9 m。

③跨度 跨度：10 m。

④長度 長度：70 m。

⑤ 厚 度 墻 體 ： 山 墻 底 寬 3.7 m， 后 墻 底 寬3.3 m，后 墻頂寬 2.0 m；后 坡 保 溫層：中部厚 度 不 小于 0.8 m。

⑥前后坡長比 前后坡長比4∶1。

⑦高跨比 高跨比：0.6。

⑧后屋面水平投影 后屋面水平投影 2.1 m。

2 第三代日光溫室較第二代日光溫室蓄熱增溫性能提高原理

2.1 減小太陽直射光線在棚膜表面的入射角，可以提高日光溫室的采光性能提高

太陽直射光線在塑料薄膜表面上的入射角與薄膜透光率的關系為隨著入射角的增大，薄膜透光率呈下降趨勢。 在太陽直射光線入射角小于 40°之前，隨著入射角增大，透射率下降甚微；入射角在40°～60°透射率開始緩慢下降；入射角大于 60°后透射率迅速下降；入射角在 80°～90°透射率從 60%下降為 0[2]。 根 據這一 原理，日 光溫 室 結構 設 計 時 要 注 意使冬季太陽直射光線在整個溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角都小于 40°， 保證前屋面薄膜有較高的透光率，從而提高溫室的采光性能。

2.2 影響冬季太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素

影響冬季太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面入射角大小的因素主要有 2個，一是太陽高度角，二是溫室前屋面角。 首先，太陽高度角越小，太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。 北方地區冬至日的太陽高度角最小，因此冬至日太陽直射光線在溫室前屋面的入射角度也最大。 其次，溫室前屋面角越小，太陽直射光線在溫室前屋面塑料薄膜表面的入射角就越大。日光溫室的前屋面呈圓弧形，前屋面角度由下部到上部逐漸變小，因此太陽直射光線在前屋面上部的入射角最大。綜合考慮上述2個因素，冬季具有較好采光性能的日光溫室結構應該是冬至日太陽直射光線在溫室前屋面上部的入射角小 于 40°，這樣就可以保證冬季任何時候太陽直射光線在整個溫室前屋面任何一段的入射角都小于 40°。

2.3 冬季太陽直射光線在第三代溫室前屋面塑料薄膜表面上的入射角大幅減小

甘州區第三代溫室通過增大高跨比，整體增大溫室的前屋面角度，使冬至日太陽直射光線在第三代溫室最上部前屋面塑料薄膜表面上的入射角減小到 40°以下。 第三代日光溫室高跨比為 0.6，比第二代溫室（0.44）的增大 36%以上；第三代日光溫室最上部前屋面角達到了 25°，比第二代溫室（13°）增大了 12°。 甘州區的冬至日太陽高度角最小為 27° [90°—39.5°（當地最大緯度）—23.5°（太陽直射點緯度）]， 冬至日太陽直射光線在第三代日光溫室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角減小到了 38°[90°—27°（太陽高度角）—25°（溫室前屋面角）]，比冬至日太陽直射光線在第二代日光溫室最上部前屋面塑料薄膜上的入射角 50°（90°—27°—13°）減小了 12°。這樣就保證了整個冬季太陽直射光線在第三代日光溫室前屋面任何一段塑料薄膜上的入射角最大不會超過 40°，使其前屋面塑料薄膜的透光率比第二代日光溫室顯著提高，保證了進入溫室內的熱量增加，從結構上改善了第三代日光溫室的采光性能。2.4 增加了墻體的高度和厚度，提高了溫室蓄熱和放熱效能

張掖市甘州區第二代節能日光溫室建造剖面圖

墻體高度對溫室夜間溫度能夠產生明顯影響，隨 墻 體 高 度 增 加 ，溫 室 夜 間 溫 度 提 高[3]。 在 白 天 ， 北墻是溫室的主要蓄熱體，增加了北墻的高度和厚度就增加了蓄熱體體積，可以延長墻體在夜間的放熱時 間 ，增 強 日 光 溫 室 夜 間 的 熱 穩 定 性[4]。 第 三 代 日 光溫 室 北 墻 底 寬 3.3 m， 頂寬 2.0 m，高度 3.9 m；第二代日光溫室北墻底寬2.2 m，頂寬1.4 m，高度 2.7 m。 與第 二 代 日 光 溫 室 比較，第三代日光溫室不僅顯著增高了北墻，而且還加厚了墻體。第三代日光溫室北墻墻體增高加厚以后 ， 其 北 墻 墻 體 橫 截 面 積 達 到 了 10.33 m2， 比 第 二代日光溫室（4.86 m2）增加了 1 倍多，其以墻體為主的蓄熱物體積也就比第二代日光溫室的增大了1倍多。第三代日光溫室北墻最小厚度 2.0 m，比第二代日光溫室（1.4 m）增加了 0.6 m。 第三代日光溫室北墻 平 均 厚 度 2.65 m，比 第 二 代 日 光 溫 室 （1.8 m）大0.85 m， 比 當 地 1.26 m 的 最 大 凍 土 層 厚 度 大1.39 m。 因此，第三代日光溫室北墻墻體加厚后，墻體所蓄積的熱量向室外傳導損失比第二代日光溫室的大幅減少，蓄熱、放熱性能增加。

2.5 增大了前屋面角， 有利于棚膜面附著水滴下滑，增加棚膜的透光率

當遇到寒冷的天氣，由于棚室內外溫差比較大，棚室內棚膜上不可避免地產生水膜，當水膜不能向下滑流就會聚集形成水滴，嚴重影響棚膜的透光率，降低棚內溫度。 據測定，棚膜上附著一層水滴后 ，一 般 可 使 棚 膜 的 透 光 率 下 降 20%～30%[5]。 由 于第三代日光溫室前屋面角比第二代日光溫室的增大了 12°（達到了 25°），附著在第三代日光溫室前屋面棚膜面上的水膜更容易沿著棚膜斜面向下滑流，不易聚集形成水滴。 因此，相比第二代日光溫室，第三代日光溫室內棚膜面上水滴附著數少，水滴停留的時間也短，因而，第三代日光溫室的棚膜面透光率相對增加，溫室的采光增溫效能也相應提高。

3 第三代日光溫室的蓄熱增溫性能試驗與結論

3.1 第三代日光溫室蓄熱保溫性能與第二代日光溫室比較試驗

2015 年冬至 （12 月 22 日）至 2016 年立春（2月 4 日），對第三代、第二代日光溫室的室內溫度進行了連續 45天觀察，以檢驗第三代日光溫室在冬季低溫期和極端嚴寒天氣發生時的蓄熱保溫性能。試驗地點選擇在甘州區長安鎮萬家墩村日光溫室示范點，用于試驗的第三代日光溫室是 2015年 8月在該點建成的，溫室墻體為 土 墻 ， 長 度 70 m， 脊 高 6 m， 跨度 10 m，后 墻高度 3.9 m，后 墻 平均厚 2.65 m。 選擇該示范點保溫性最好的甘州區生產中主要推廣應用的第二代節能型土墻結構日光溫室作試驗對照，溫室長度 70 m，脊 高 4.0 m，跨 度 9.0 m，后 墻 高 2.7 m， 后 墻 平 均 厚 度1.8 m。 參試的 2 座溫室在 2016 年 1 月均不種植任何作物，試驗期間夜間均采用保溫性能較好的棉被覆蓋，除 2 座溫室類型不同外，其他管理措施一致。溫度測試方法為在溫室中央距離地面 1 m 處放置溫度 計 ，每 天 8：00（ 揭 簾 前 1～2 h）、20：00（ 蓋 簾 后 2～3 h）觀察室內溫度， 取 8：00 的溫度為每天溫室內的最低溫度， 取當日 20：00 和次日 8：00 2 個溫度的平均值為溫室夜間平均溫度，同時觀測室外夜間最低氣溫，試驗觀測結果詳見表 1。

3.2 試驗數據比較分析

從表1可得出，參試的第三代日光溫室距地面1 m 處的 45 天的夜間平均溫度為 14.2℃，8：00 最低平均溫度為 10.4℃，20：00 的平均溫度為 18℃，與8：00 的平均溫度差為 7.6℃，最大溫差為 11℃，最低溫度在 10℃以上日數為 34 天，室內最低觀測溫度為5℃。作為試驗對照的第二代日光溫室距離地面 1 m處的 45 天的夜間的平均溫度為 11.7℃， 8：00 最低平 均 溫 度 為 6.8℃ ，20：00 的 平 均 溫 度 為 16.6℃ ，與8：00 的平均溫度差為 9.8℃，最大溫差為 16℃，最低溫度在 10℃以上日數為 11 天， 室內最低觀測溫度為-2℃。 試驗期第三代日光溫室的夜間平均溫度、最低平均溫度 分別比第二代日光溫 室高 2.5、3.6℃；第二代日光溫室 20：00 與 8：00 的平均溫度差比第三代日光溫室的平均溫度差大 2.2℃， 而且室外夜間氣溫越低，該溫度差之間的差值越大，當夜間室外氣溫下降到-29～-20℃時，第二代日光溫室 20：00與 8：00 的平均溫度差比第三代日光溫室的平均溫度差差值逐漸增大到 35℃，最低溫度差也增大到 5～7℃。 2016 年 1 月 24 日早晨室外最低氣溫為-29℃（歷史最低氣溫-28℃）時，第三代日光溫室室內觀測最低溫度為5℃， 比第二代日光溫室最低溫度高出 7℃，與室外溫度差為 34℃。

3.3 試驗結論

通過比較分析可以看出，第三代日光溫室熱容量大，白天蓄熱、夜間保溫放熱性能強，特別是在遇到連陰低溫和極端低溫天氣時，相比第二代日光溫室， 第三代日光溫室的蓄熱保溫性能更加突出，其夜間最低溫度可比第二代日光溫室高 7℃以上，可保證果菜類喜溫蔬菜的安全生產，蓄熱保溫性能基本達到了設計要求。 另外，第三代日光溫室除通過增大高跨比、 增高加厚墻體， 顯著提高了采光、蓄熱、保溫、增溫性能外，其室內空氣的速度場和溫度場逐漸趨向均勻，溫室內靠近南棚底角處渦旋逐漸減少，其流場和溫度場的均勻性有明顯改善，減少了 作物生 長區的 溫度分 層，有 利 于作 物 生長[4]。 第三代日光溫室室內空間較第二代日光溫室增大約72%，能夠顯著降低棚內空氣濕度，抑制或減輕病害的發生，創造了更加舒適的勞動環境，有利于勞動者身體健康。

總之，試驗證明甘州區第三代日光溫室結構設計科學合理，其冬季蓄熱保溫性能良好，在嚴寒天氣過程中能顯著提高溫室內最低溫度，能夠滿足喜溫蔬菜的安全生產要求。 目前，該溫室已在當地開始示范推廣，將會進一步促進當地冬季設施蔬菜生產發展。

表1 日光溫室蓄熱保溫性能試驗溫度觀測記載 ℃

[1] 農業部種植業管理司.日光溫室發展的適宜地區及優型結構 參 數 [EB/OL].（2014-08-29）.http://www.moa.gov.cn/fwllm/ nszd/2014nszd/201409/t20140901_4042100.htm

[2] 張利華，劉杰，徐為根，等.日光溫室前屋面角的設計研究[J].江西農業學報，2010，22（1）：74-77.

[3] 溫祥珍，梁海燕，李亞靈，等.墻體高度對日光溫室內夜間氣溫的影響[J].中國農業生態學報，2009，17（5）：980-983.

[4] 張林 華，董瑞.高 跨比對 日光 溫室綜合影 響的研究[J].可 再生能源，2007（8）：15-17.

[5] 王 玉 堂.如 何 消 除 塑 料 大 棚 薄 膜 水 滴 [J].西 南 園 藝 ，2006（1）：43.

白曉軍，甘肅張掖市甘州區經濟作物技術推廣站，734000，電話：13993663901，E-mail：baixiao9966@126.com

2016-11-20