时间：2015-12-21 00:52:41 所属分类：园艺 浏览量:
0、引言 光温室是一种复杂的热交换体，在太阳辐射时，日光温室中的墙体、土壤、空气、塑料薄膜甚至温室中的作物吸收太阳的热量，一部分通过热传导储存在温室内部，一部分通过对流和辐射传递出去;在夜间，储存的热量又以热传递或者对流的方式，通过墙体、前屋
0、引言
光温室是一种复杂的热交换体，在太阳辐射时，日光温室中的墙体、土壤、空气、塑料薄膜甚至温室中的作物吸收太阳的热量，一部分通过热传导储存在温室内部，一部分通过对流和辐射传递出去;在夜间，储存的热量又以热传递或者对流的方式，通过墙体、前屋面、后屋面以及土层等传递到日光温室外界。日光温室与环境间的热量交换无时无刻都在发生，其中主要的影响因素是日光温室墙体材料的热工性能。因此，国内外专家对日光温室墙体的热工性能进行了广泛的研究，包括墙体蓄热性能、新型墙体材料的开发和复合墙体热传导特性等方面。
墙体结构是日光温室的重要组成元素。学者们不断提出新型墙体材料，如复合相变蓄热墙体材料、填充秸秆的粉煤灰砌块及墙体填充材料等在日光温室墙体方面做了大量研究，不断地开发新型墙体材料，以弥补夯实土墙体日光温室的缺陷。新型材料的开发不但提高了日光温室建造成本，而且也不利于循环农业、生态农业的发展。农作物秸秆质轻多孔，封闭型节间空腔存在大量不流动的空气，是一种天然绝热材料，具备良好的保温隔热性能，并且具有可再生、来源广泛、价格低廉等优势，是潜在的日光温室墙体材料。
笔者前期研究发现，与土墙体日光温室相比，秸秆块墙体日光温室的空气温度晴天时较高，阴雨天和夜间温度较低。为分析上述原因，本文测量了日光温室的各组成结构的热工性能，分析了墙体温度分布以及室内空气和土壤温度，为秸秆块墙体日光温室的进一步优化设计提供理论依据。
1、供试日光温室结构
3座供试日光温室均位于江苏省宿迁市宿城区农业园区(东经118°15'0''，北纬33°58'12'')，一座为夯实土墙体，两座为秸秆块墙体。
土墙体日光温室建造于2009年6月，记作SWG。
土墙体日光温室下沉0．3m，长96m，跨度11m;北墙高3．5m，脊高4．0m;山墙和北墙基部宽6．0m，顶部宽2．0m，平均厚度为4．0m。
两座秸秆块墙体日光温室规格为:长96m，跨度11m，北墙高3m，脊高3．5m。其中，一座秸秆块墙体日光温室的基础(包括山墙和北墙)为空心砖码砌，记作SBWG1。空心砖尺寸规格为390mm(长)×190mm(宽)×190mm(高)，空心部分尺寸为165mm(长)×150mm(宽)×190mm(高)，空心部分填充土壤;山墙基础尺寸为10．4m(长)×0．46m(宽)×0．4m(高)，后墙基础尺寸为96m(长)×0．46m(宽)×0．4m(高)，秸秆块墙体厚度0．46米。另一座秸秆块墙体日光温室的山墙和北墙基础为夯实土，秸秆块墙体厚度0．6m，记作SBWG2。两座秸秆块墙体日光温室的墙体均由支撑立柱和秸秆块组合而成，墙体外侧覆盖彩钢瓦，彩钢瓦厚度0．6mm，轻钢支架规格为60mm×60mm×3mm，成对支架间距离依墙体厚度而定，温室长度方向相邻支架间距3．6m。
3种墙体结构的日光温室后屋面自内向外依次为塑料薄膜、两层草帘、1层保温被、1层无纺布和1层塑料薄膜。其中，塑料薄膜为EVA长寿无滴膜，厚度为0．12mm;草帘规格为9m(长)×1．1m(宽)，厚度3cm;保温被为双面防水性，芯层为丝绵，规格为400g/m2，厚度为5cm;无纺布规格为100g/m2，厚度0．5cm;前屋面为1层EVA长寿无滴膜和双面防水性保温被，规格与后屋面薄膜和保温被一致。
为了保证对比效果，温室内均种植了黄瓜，定值时间一致，晴天时上午9:00卷起保温被，下午17:00覆盖保温被，3座日光温室浇水灌溉、放风换气一致。
2、试验方法
2．1导热系数测定方法
利用导热系数测定仪(DRM－II，湘潭市仪器仪表有限公司)分析日光温室墙体结构中各材料的热工性能，导热系数范围为0．01～2W/m·K，测试精度＜3%，重复性误差＜1%。
2．2墙体材料的热工参数计算方法
不同结构日光温室中各材料的导热系数由导热系数测定仪测得，热阻、蓄热系数、热惰性指标等根据GB50176－93(民用建筑热工设计规范)中相关公式计算而得。
2．3不同日光温室中温度测定方法
试验中数据采集采用定时采集记录，自2013年11月1日开始至2014年6月1日结束，每月1号上午9:00开始测量并记录相应温度值。
2．3．1后墙墙体温度分布
在不同日光温室北墙各布置27个测试点，东西方向为日光温室长度的1/4、1/2和3/4处，垂直方向距离地面0．5、1．5、2．5m，墙体厚度方向位于距离墙体内表面0、15、30cm的位置，各测试点布置水银式温度计。
2．3．2温室内空气温湿度
在不同日光温室土壤中各布置6个测试点，包括3个干球温度测试点和3个湿球温度测试点，位于温室东西方向长度的1/4、1/2和3/4处。分别记录各点的干湿球温度，通过干球温度和干湿球温度差查询温室的空气湿度。
2．3．3土壤温度分布
在不同日光温室室内土壤中各布置9个测试点，东西方向为日光温室长度的1/4、1/2和3/4处，跨度方向为中间位置，测定土壤深度为0cm、10cm和20cm处的温度，各测试点布置水银式温度计。
3、结果与讨论
3．1日光温室墙体材料热工性能分析
日光温室各组成结构的热工性能与温室内的环境温度有直接的关系，不同材料的热工性能如表1所示。其中，日光温室的墙体具有保温和蓄热的双重性能，墙体的热阻、导热系数和蓄热系数直接关系到日光温室的环境温度。从表1可以看出，厚度为0．6m的秸秆块墙体的热阻(8．746m2·K/W)是平均厚度4．0m土墙体热阻(3．448m2·K/W)的2．54倍，但土墙体导热系数和蓄热系数分别是厚度为0．6m秸秆块墙体导热系数的16．91倍和11．42倍，土墙体的热惰性指标是秸秆块墙体热惰性指标的4．51倍。可见，秸秆块墙体具有较好的保温性能，但在蓄热性能方面需要提高。
从表1中还可以发现，空心砖的导热系数是秸秆块墙体和土墙体导热系数的8．18倍和0．48倍。由此可以判断，与秸秆块墙体相比，空心砖基础和夯实土基础成为日光温室墙体结构中的热桥，温室土壤中的热量很容易流失到室外土壤中。因此，在秸秆块墙体日光温室中构建防寒沟对维持日光温室中土壤的热量具有重要的作用。
从上面分析可知，土墙体蓄热性能最好，其次是建有空心砖基础的秸秆块墙体，最差的是秸秆块墙体。虽然土墙体具有较好的蓄热性能，但是土墙体的导热系数较大，很容易造成热量的流失。另外，平均厚度4．0m的土墙体占用了大量的耕地面积，以建造净内部跨度为10m日光温室为例，秸秆块墙体日光温室占地10．46m2，土墙体温室占地16m2，与后者相比土地利用率提高34．6%。
根据GB/T19165－2003《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》中规定环境温度为－5℃时墙体的最低热阻为1．1m2·K/W，后屋面的最低热阻为1．4m2·K/W。与试验中的秸秆块墙体日光温室相比，秸秆块墙体和后屋面的热阻(以两层草帘、一层无纺布和一层保温被计)分别为8．746m2·K/W和2．38m2· K/W，试验中的秸秆块墙体远远高于GB/T19165－2003的要求。
3．2墙体厚度方向温度分布
日光温室结构中墙体、后屋面以及土壤是维持日光温室热平衡的重要元素。其中，后墙的温度变化反映了后墙向室内释放热量的多少。试验期间，各日光温室中后墙沿厚度方向温度的变化如图1所示。从图1中可以看出，虽然3种墙体结构和厚度各不相同，但墙体温度呈现出由墙体内表面向外表面逐渐降低的趋势，这与黄雪研究结果一致。试验期间，SBWG1、SBWG2和SWG内表面、距离内表面10cm和30cm处平均温度分别为27．7、17．4、14．2、28．0、18．2、14．5，30．8、23．9、21．8℃。各温室墙体温度在厚度方向衰减频率分别为1．03、0．32、0．98、0．37、0．69、0．21℃/cm。
比较SBWG1与SBWG2发现，二者内表面温度基本一致，但由于SBWG1墙体厚度为0．46m、SBWG2墙体厚度为0．6m，导致SBWG1中10cm和30cm处温度比SBWG2相应位置温度略低。当墙体内表面在不同时间受太阳辐射时，秸秆块墙体内表面温度随时间变化不明显，但距离内表面10cm和30cm处墙体温度随时间变化显著，1－2月份温度明显降低。结合表1可知，其原因是秸秆块墙体的导热系数和蓄热系数比较低，太阳辐射的热量不易传递到秸秆块墙体内部，秸秆块墙体蓄积的热量少，秸秆块墙体内部温度变化较大，在无太阳辐射时向温室内释放的热量降低。
分析SWG中墙体温度分布发现，土墙体各层次温度变化随时间变化均不明显，尤其是在1、2月份，墙体内部各层次的温度并未因外界温度降低而降低，表明土墙体厚度方向存在热量传递，这与表1中土墙体导热系数和蓄热系数较高是一致的。由此可知，土墙体各层次容易发生热量的交换和传递，土墙体中各层次温度变化随季节变化不明显，日变化明显［14］。
3．3不同日光温室中空气温湿度变化
日光温室中环境温度受季节变化的影响，同时受到太阳辐射以及墙体和土壤热蓄热量的影响，直接关系到温室内作物的生长。不同墙体日光温室中空气的温湿度变化如图2所示。从图2中发现，各温室内空气的温度呈现先降低后升高的趋势，这与温室外环境的温度变化一致。试验期间，室外环境的平均温度为14．8℃，平均湿度为46．7%，温室SBWG1、SBWG2和SWG中空气的平均温度分别为30．8、32．1、32．6℃，空气的平均湿度分别为71．4%、68．9%和81．4%。
其中，2月份环境的最低温度为4．1℃，此时各温室内空气的温度分别为33．5、35．8、35．1℃，说明不同墙体结构的日光温室均有很好的保温效果。
比较SBWG1和SBWG2发现，SBWG2中空气平均温度比SBWG1中空气温度提高了1．3℃，空气湿度降低了2．5%。2月份时，SBWG2中空气温度比SB-WG1中空气温度高2．3℃，比SBWG1中空气湿度低8%。这是由于SBWG2中秸秆块墙体厚度增加的原因，同时也说明增加秸秆块墙体的厚度不仅提高了秸秆块墙体的蓄热能力，而且提高了平衡温室内空气湿度的能力。
与SWG比较发现，土墙体日光温室中空气的温度比SBWG1高1．6℃，与SBWG2中空气温度基本一致。王倩等研究发现，下沉式日光温室气温高出黄淮改良型日光温室5～8℃;但在本研究中发现，SWG中空气温度比SBWG1高出仅1．8℃，比SBWG2仅高0．5℃，体现了秸秆块墙体优良的保温性能。土墙体为下沉式结构，而且土墙体蓄热系数高于秸秆块墙体的蓄热系数，土墙体向温室环境中释放的热量更多，进而维持了较高的空气温度。
此外，从温室空气湿度来看，土墙体空气湿度最高，这是由于宿迁地区地下水位较高、土墙体温室中土壤含水率高所致。空气湿度在一定程度上提高了土墙体中空气的蓄热量，也是造成土墙体日光温室中温度较高的一个因素。
3．4不同日光温室中土壤温度分布
土壤温度是土壤环境的重要元素，与作物的生长密切相关。通常条件下，土壤温度的年变化呈现单峰曲线，但在日光温室微环境的影响下，日光温室中土壤的变化有所不同，不同条件下土壤温度变化如图3所示。从图3中温室外土壤的温度变化发现，受季节变化的影响，室外土壤最低温度出现在2月份，从2013年11月份开始土壤温度逐渐降低，次年3月份开始土壤温度逐渐回升。温室外面土壤在2月份时0、10、20cm的温度分别为3．4、0．5、1．8℃。相对于温室外面土壤温度而言，温室内部土壤温度变化相对稳定。日光温室中土壤的最低温度也出现在2月份， SBWG1、SBWG2和SWG温室中0、10、20cm的温度分别为26．2、14．1、13．9，25．2、16．5、15．1、27．2、17．5、17．2℃。
比较SBWG1与SBWG2发现，二者土壤表面温度基本一致，因为SBWG1的墙体基础为空心砖，SBWG2墙体墙体基础为夯实土壤;而空心砖的导热系数大于夯实土的导热系数，造成SBWG1中土壤热量通过空心砖向温室外面土壤中散失，因此SBWG1中土壤温度低于SBWG2中土壤的温度。与SWG比较发现，土墙体日光温室中土壤温度高于秸秆块墙体温度:一方面是土墙体日光温室为下沉式结构，土壤中热量向温室外面散失的较少;另一方面土墙体的蓄热系数较高，土墙体中的热量释放到温室环境中，减少了土墙体日光温室中土壤向温室环境中释放，导致SWG中土壤温度较高。
虽然秸秆块墙体日光温室中土壤温度不及土墙体日光温室中土壤温度，但在试验期间土壤的最低温度为13．9℃，该温度依然能够满足作物的生长。此外，还可以通过将空心砖基础和夯实土基础该为秸秆块结构，进一步减少土壤中热量的流失，提高秸秆块墙体日光温室中土壤温度。
4、结论
秸秆块墙体具有较低的导热系数，厚度为0．6m的秸秆块墙体的热阻是平均厚度4．0m土墙体热阻的2．54倍;秸秆块墙体日光温室的土地利用率可提高34．6%，空气湿度比土墙体降低12．3%～15．4%。由于秸秆块墙体的蓄热系数较低，在空气和土壤温度方面比土墙体略差，秸秆块墙体空气温度和土壤温度比土墙体低0．5～1．8℃和1．6～2．5℃。土墙体厚度方向的温度衰速率最小，其次是是0．6m厚秸秆块墙体，0．46m厚秸秆块墙体温度衰减速率最快。
此外，由于墙体结构不同，两种秸秆块墙体日光温室保温性能不同。与0．46m厚秸秆块墙体相比，0．6m厚秸秆块墙体日光温室中空气温度提高了1．3℃，空气湿度降低了2．5%。2月份时，SBWG2中空气温度比SBWG1中空气温度高2．3℃，比SBWG1中空气湿度低8%。
参考文献: ［1］王谦，陈景玲，孙治强，等．冬季日光温室北墙内表面热流分析［J］．中国农业气象，2010，31(2):225－229． ［2］白义奎，刘文合，柴宇，等．防寒沟对日光温室横向地温的影响［J］．沈阳农业大学学报，2004，35(5－6):595－597． ［3］王云冰，邹志荣，杨建军，等．高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究［J］．西北农林科技大学学报:自然科学版，2010，38(1):173－180． ［4］王烁．基于日光温室温度模型的墙体热量释放控制研究［D］．北京:中国农业科学院，2010:6．
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