蓄热水管在日光温室温度环境的影响范文

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摘要：以内保温日光温室为研究对象，在日光温室后墙（37墙）加装间距0.4m的水管（直径0.1m、长3m）共28根，蓄热水管总体积0.66m3，研究蓄热水管对日光温室热环境的影响。结果表明：日光温室加装蓄热水管后，晴天时温室内最低气温可提高2.3℃，阴天时提高0.6℃，后墙距墙体内表面0、10、20cm处最低温度均高于对照，墙体的保温性能明显增强。1月试验区最高气温、最低气温及平均气温分别提高了5.22、0.71、1.36℃。连续不良天气（3d）条件下，加装蓄热水管能将日光温室土壤（20cm）日最低温提高2.6～3.1℃；连续晴天（3d）条件下能提高2.0～3.7℃。可见，加装蓄热水管明显地改善了温室内的热环境，提高了日光温室的太阳能热利用率。

关键词：日光温室；蓄热水管；墙体；温度

据农业农村部农业机械化管理司统计数据，2016年全国设施农业总面积208.288万hm2，其中连栋温室面积5.177万hm2，日光温室面积66.145万hm2，塑料大棚面积136.967万hm2。设施农业越来越受欢迎的同时，也出现了越来越多有待解决的问题。三面环墙作为日光温室的主要围护结构，具有吸收和传递热量功能，对维持作物正常生长发育所需温度起着关键性作用。目前，日光温室主要墙体结构有传统的机打土墙、砖墙以及复合异质墙体等，其中理想的复合异质墙体具有三层结构，即内侧由蓄热、吸热能力较强的材料组成蓄热层，外侧由导热、散热能力较弱的材料组成保温层，中间由隔热性能较强的材料形成隔热层（宋明军和赵鹏，1999；周长吉，1999；张立芸等，2006；管勇等，2012；张义等，2012）。日光温室主要能量来源是太阳辐射能。日光温室墙体具有保温蓄热和放热双重功能，蓄热层白天蓄积热量，隔热层和保温层则防止墙体热量散失。白天，太阳光以短波辐射形式透过前屋面进入温室内，被室内墙体、地面、空气以及植物等吸收，再以热的形式进行交换、传递。其中，部分热量储存到墙体、土壤；夜间，白天所贮藏的热量向温室内缓慢释放（马承伟等，2008；薛亚宁等，2010）。在各种园艺设施结构中，节能日光温室是我国独创的具有民族自主知识产权的一种温室类型，其最大的特点就是兼具良好的保温和蓄热性能，使夜间室内气温保持较高的水平（李明等，2016；石玉等，2017）。为充分利用太阳辐射能且提高日光温室墙体的保温蓄热性能，诸多学者对日光温室墙体材料及墙体结构类型等方面进行了一系列研究，并取得了一些重要进展。提高太阳能利用效率并对温室结构进行优化和改造是一个新的研究方向。刘文合和盖世臣（2015）通过利用太阳能集热器加热水，并在地下散热水管中循环散热直接对温室内土壤进行加热，以达到降低耗能量、提高温室内温度的目的，试验结果表明太阳能辅助加温系统具有明显增加室温的效果。Arkar等（2016）为温室设计了一种太阳能空气加热系统，并分析了其蓄热性能以及太阳能的利用率。对日光温室墙体结构类型的研究也有重要研究进展，如张义等（2012）设计了一种以日光温室墙体结构为依托的水幕帘蓄放热系统，应用该系统可将温室内夜间温度提高5.4℃以上，实现了果菜类蔬菜安全越冬，同时将上市时间至少提前20d。郭建业等（2016）设计出以日光温室墙体结构为依托的水循环增温蓄热系统，该系统能将平均气温提高3.65℃以上，地温提高2.0℃左右；夜间气温至少提高3.0℃，地温提高1.0℃以上，既能有效地提高温度，还能替代化石燃料的使用而减少有害气体的排放量。本试验利用水的比热容大、吸收热量多、成本低的优点，通过在日光温室后墙体（37墙）表面加装蓄热水管的方法吸收温室内多余的太阳辐射能来提高墙体蓄放热性，从而有效改善日光温室温度环境，以期为冬季日光温室的蔬菜栽培提供理论依据和实践支持。

1材料与方法

1.1日光温室概况试验温室位于包头市农牧科学院研究所试验基地。温室方位为南偏西5°，南北跨度10m，东西长度100m，后墙高度4.2m，后墙厚度0.37m，外拱高度5.6m，内拱高度4.67m，室内无立柱，采用单膜双保温被覆盖，内层专用轻质防水保温被，各保温被均可独立卷放，外层固定PO棚膜，37墙外贴0.1m厚聚苯板辅助保温。

1.2水管蓄热墙体的设计水管为PE材质，将其固定于日光温室后墙表面，距地表面高度为0.2m，每个水管外径为0.1m，水管间距为0.4m，水管高度为3m，温室共有28根水管，水管蓄热墙体总长度约14m，蓄热水管总体积为0.66m3。

1.3试验设计与方法将普通日光温室（37墙）用双层间距2m的PE膜分成两个大小相等的区域。温室东侧为水管蓄热墙体温室（图2），西侧为普通日光温室（37墙），将普通日光温室作为对照区。试验于2016年12月1日至2017年2月28日进行。重点观测温室内空气温度、蓄热水管内水温、后墙表面温度以及墙体内部（距后墙内表面向外10、20cm处）温度，测试点布置如图1所示。蓄热水管内水温测点（温度探头）置于蓄热水管壁表面与后墙表面中间，为防止外界环境影响，用泡沫将温度探头与墙体、空气隔绝。墙体温度数据采用ZDR多路温度记录仪（杭州泽大仪器有限公司）实时监测，测量范围为-40～100℃，精度±0.2℃。水管温度、室内外空气温度以及土壤温度数据采用测试范围为-20～40℃，精度为±0.5℃的RC-4迷你型温度记录仪实时监测，数据均每15min采集1次。试验期间每天上午9：00开启棉帘（保温被），下午16：00关闭棉帘。

2结果与分析

2.1蓄热水管对日光温室环境温度的影响

2.1.1典型晴天蓄热水管对室内气温的影响，上午9：00开棉帘前，试验区与对照区气温均达到最低，分别为8.5℃和6.2℃，试验区比对照区高2.3℃。打开棉帘之后，由于太阳辐射强度的增加，以及外界气温的热传导作用下，试验区和对照区气温均呈升高趋势，试验区气温升高较快。由于对照区砖墙吸收热量快，中午13：00对照区气温率先达到最高温度30.2℃，试验区在14：00达到最高温度，为40.2℃。随后由于太阳辐射强度降低，温室内气温逐渐下降。但是试验区气温始终高于对照区。可见加装水管后，白天由于水管吸收一部分太阳辐射，所以试验区达到最高气温滞后于对照区，下午太阳能辐射减少后，试验区和对照区气温迅速降低，但是由于水管不断地向外散发热量，所以试验区气温始终高于对照区。

2.1.2典型阴天蓄热水管对室内气温的影响阴天上午9：00开棉帘前，试验区与对照区气温均达到最低，分别为9.8℃和9.2℃，水管外壁温度为11.3℃；打开棉帘后，由于微弱的太阳辐射强度的照射，试验区、对照区及蓄热水管内水温均呈缓慢升高的趋势。试验区气温升高最快，其次是对照区，水管温度升高最慢。受太阳辐射照度的影响，14：00才达到日最高温，水管温度、试验区和对照区气温分别为25.6、37.5、37.1℃。随后温室内气温及蓄热水管内水温逐渐下降。但是水管降温速度最慢，温度最高，同时试验区气温始终高于对照区。可见加装水管后，阴天也能达到提高室内气温以及保温的目的。

2.2日光温室后墙墙体温度日变化曲线墙体温度变化幅度反映了日光温室保温性能及吸热放热速度。图5为2017年1月14日（晴天）试验区与对照区墙体温度日变化曲线。夜间（关闭棉帘期间），试验区后墙距墙体内表面0、10、20cm处温度始终高于对照区对应位置处的温度，其中试验区后墙距墙体内表面0、10、20cm处最低温度分别出现在9：00、9：00、10：00，分别为10.9、12.2、11.7℃；对照区后墙距墙体表面0、10、20cm处最低温度分别出现在9：00、9：00、10：00，分别为8.2、10.1、10.7℃。试验区后墙距墙体内表面0cm和20cm处温差为0.8℃，而对照区温差为2.5℃。试验区后墙距墙体内表面0、10、20cm处最低温度变化趋势为先升高再降低，对照区则一直升高，说明对照区后墙一直向外散热，试验区墙体保温性能强于对照区。由于太阳辐射强度的增强，试验区与对照区后墙温度均呈升高趋势。但是由于对照区砖墙表面吸收热量快，所以中午开棉帘期间，对照区砖墙表面温度高于试验区。随后试验区与对照区后墙内部温度逐渐降低，由于蓄热水管将白天所吸收的太阳辐射能缓慢释放到温室环境及墙体中，使试验区后墙表面温度高于对照区，且降温速度低于对照区。

2.3连续不良天气条件下墙体内部温度变化曲线由图6可见，2017年1月4日（雾霾天气）9：00试验区与对照区墙体内部温度达到最低值，试验区自墙体表面0、10、20cm处墙体温度分别为10.6、11.8、11.5℃，比对照区分别提高1.7、1.3、0.4℃。1月5日（典型阴天）9：30左右墙体内部温度达到最低值。试验区自墙体表面0、10、20cm处墙体温度分别为11.2、12.1、11.8℃，比对照区分别提高1.6、1.3、0.6℃。1月6日（雨夹雪天气）由于天气原因，当天墙体内部温度最低值出现在11：30左右，试验区自墙体表面0、10、20cm处墙体温度分别为10.8、11.9、11.8℃，比对照区分别提高1.4、1.2、0.6℃。表明日光温室后墙加装蓄热水管之后，在连续不良天气条件下墙体内部最低温度均高于对照区相应墙体内部温度，其墙体保温性能显著提高。

2.4日光温室内气温比较日光温室保温性能主要体现在12月至翌年2月，1月外界气温最低时期，试验区最高气温、最低气温及平均气温均高于对照区，分别提高了5.22、0.71、1.36℃。12月试验区最高气温、最低气温和平均气温也均高于对照区。2月随着外界气温慢慢升温，试验区与对照区气温无明显差异。可见，加装水管之后12月和1月温室保温效果更加明显。

2.5蓄热水管对土壤温度的影响

2.5.1温室内土壤温度比较由图7可见，2017年1月试验区温室内土壤平均温度始终显著高于对照区。其中，1月6日是雨夹雪天气，试验区与对照区平均土壤温度分别为14.8℃和12.3℃，相差2.5℃。1月14日是典型的晴天，试验区与对照区平均土壤温度分别为16.9℃和13.7℃，相差3.2℃。

2.5.2连续不良天气土壤温度比较由图8可见，2017年1月4日（雾霾天气）10：00试验区与对照区土壤温度达到最低值，分别为13.9℃和10.8℃，相差3.1℃。1月5日（典型阴天）10：00试验区与对照区土壤温度达到最低值，试验区比对照区高3.0℃。1月6日（雨夹雪天气），由于天气原因土壤温度最低值出现在13：00，试验区比对照区高2.6℃。可见日光温室后墙加装蓄热水管之后，在连续不良天气条件下（2017年1月12～14日）土壤最低温度均高于对照区。

2.5.3连续晴天土壤温度比较由图9可见，与连续不良天气土壤温度变化趋势类似，日光温室后墙加装蓄热水管之后，在连续晴天条件下（2017年1月12～14日）土壤最低温度均高于对照区，增温幅度为2.0～3.7℃。

3结论与讨论

日光温室是一种利用太阳辐射能进行热量蓄积和释放的农业设施，白天通过墙体、土壤等蓄积太阳能，并在夜间室内温度降低时将白天蓄积的热量释放到环境当中，维持温室内热环境的稳定状态（方慧等，2012）。因此，了解日光温室墙体热特性规律对设施蔬菜栽培生产具有重要指导意义。当环境温度较低时，墙体会将蓄积的热量释放到作物生长环境中，确保作物的正常生长发育。日光温室墙体蓄热性能受到多种环境因素的共同作用，包括墙体材料、墙体结构、室内外空气温度等。本试验利用水的比热容大、吸收热量多、成本低的优点，在日光温室后墙体（37墙）表面加装蓄热水管的方法提高墙体蓄放热性，通过分析加装蓄热水管后墙体内部温度变化规律及气温变化规律，得到如下结论。加装蓄热水管之后墙体内部温度昼夜变化趋势变缓，开棉帘之前，试验区自墙体内表面0、10、20cm处最低温度变化趋势为先升高再降低，而对照区相同位置处最低温度变化趋势为一直升高，说明对照区后墙一直向外散热，加装蓄热水管明显提高了墙体保温性能。日光温室加装蓄热水管后，晴天时最低气温提高2.3℃，阴天时最低气温提高0.6℃，此结果与梁浩等（2013）的研究结果稍有差距，是因为本试验加装的水管总体积（0.66m3）较小，提高的温度有限，且试验地不在同一地区。1月试验区最高气温、最低气温及平均气温比对照区分别提高了5.22、0.71、1.36℃。说明在关闭棉帘期间，当环境温度低于水管温度时，加装的蓄热水管将白天蓄积的太阳辐射能缓慢向室内释放，从而使低的环境温度与作物正常生长温度达到平衡状态。

土壤温度是日光温室蔬菜生产的重要环境指标，可直接影响作物根系的生长和养分的吸收，也是室温升高的直接热量来源之一（管勇等，2012）。刘圣勇等（2003）研究表明，采用太阳能地下加热系统，地温平均提高4.4℃，黄瓜产量可提高21%以上。本试验中，日光温室加装蓄热水管后，在连续不良天气（3d）条件下，能将日光温室土壤（20cm）日最低温提高2.6～3.1℃；连续晴天（3d）条件下，能将日光温室土壤（20cm）日最低温提高2.0～3.7℃。可见，不管晴天还是连阴天，加装蓄热水管对土壤温度提高显著。春、夏黄瓜自根苗在土壤温度14℃以下时，根系生长明显受阻（Tachibana，1982），本试验在加装蓄热水管之后能将土壤（20cm）温度提高到14℃以上，可以为黄瓜自根苗以及其他喜温性蔬菜的生长发育提供了较好的土壤生长环境。本试验加装的蓄热水管体积（0.66m3）较小，但仍可以在阴天条件下使室内最低气温提高0.6℃，在连续不良天气条件下使室内土壤温度（20cm）提高2.6℃以上，并且能提高墙体保温蓄热性能。假设将0.66m3体积的水量增加到两倍以上，可以使室内气温、墙体保温性能以及土壤温度的提高更为显著。本试验建造成本较低，与传统的加温方式相比具有节约能源、环保及节省人工的优势，相比土墙、秸秆墙体温室而言，降低了墙体占地面积，有效提高了土地利用率。可见，加装蓄热水管明显地改善了温室内的热环境，提高了日光温室的太阳能热利用率。

作者：乌日力格1；崔世茂1；宋阳1，2；吕福虎3；王玉静3；孙世军1；赵振宇1 单位：1内蒙古农业大学农学院，2内蒙古华申创达科技有限公司，3包头市农业科学研究所