郭华歌，郭春梅，宁春雪

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津300384）

蔬菜在其生长周期内，只有满足一定的温湿度条件才能更好地进行有机合成过程.日光温室作为一个随时变化的生长环境，其温湿度变化可以人为地控制在一定的范围内，蔬菜所处的环境温湿度对其生长有着重要的意义.自然界中，温湿度条件因昼夜、季节和地区的不同其变化范围很大，很难满足蔬菜的正常生长且更不能保证产量.而农业设施就可以使蔬菜摆脱这种自然条件的束缚，并且可以有效地提供优于自然界环境来保证蔬菜的产量越来越高.日光温室还具有建造简易、造价低等益处[1]，研究日光温室的保温隔热性能，降低冬季供暖能耗和需求，是急需解决的问题.

温度、光照等是温室内部环境因子的重要组成部分，二者相互影响，相互促进，共同组建温室内部环境[2].随着日光温室结构的不断完善，材质的不断提高，调控温室环境因子是优化温室内部环境的有效方法，是提高温室产量、改善品质的必要手段[3].关于温室的环境，国内大量的研究者对其进行分析与讨论，通过研究成果可知温室的环境受多种因素的影响.日光温室温湿度环境的研究中显示，温度是温室环境因子的重要组成部分，温室内作物适宜的湿度环境在65%～85%之间[4].同时为了提高日光温室的保温性能，国内有许多学者在空气夹层方面做了广泛的研究.张甜甜[5]对建筑围护结构的空气夹层的流动问题做出研究：基于涡量-流函数模型，分析不同瑞利数Ra下，判定空气夹层内流态变化情况；建立空气夹层的自然对流和辐射传热模型，研究分析空气夹层的厚度，角度以及壁面温差对传热的影响，当空气夹层的高度在0.8～1.5 m时，空气间层厚度最优值为20 mm.王厚华[6]等分别采用纯导热以及FLUENT模拟的方法对空气夹层对流换热进行分析，得出影响空气夹层对流换热的主要影响因素有气体种类、瑞利数Ra、空气夹层的相对厚度和壁面温差；在其他因素不变的情况下，用软件模拟空气夹层为6，9，12，14，16 mm自然对流传热系数[7-8]，找到最佳空气夹层厚度.提高温室保温性可以从提高封闭空气夹层的热阻及优化夹层厚度入手，本文将从优化夹层厚度的方向，以试验棚为例做出厚度优化.

综上所述，目前国内外研究重点主要集中在单膜日光温室环境因子和空气间层厚度的方向，但是对双膜日光温室的温湿度研究和实验数据比较缺乏，同时针对双膜日光温室的空气间层厚度的研究也比较少.本文结合天津地区日光温室种植区域的气象条件、双膜日光温室所测数据并利用EnergyPlus软件模拟日光温室空气间层厚度的不同对温室保温性能的影响，得出适用于天津地区双膜日光温室最佳空气间层厚度.

1 试验测试

本文测试的单、双膜日光温室是位于天津市蓟县东施古镇的现代农业科技示范园区内的日光温室，温室长度为85 m，宽度为8.6 m，两栋温室之间的距离为10 m.

双膜日光温室的内外两层拱架为镀锌管焊接而成的，镀锌管长6 m、厚1.8 mm，温室内部没有其他金属管以及混凝土支柱，两层拱架一边嵌在后墙上，另一边在地上.双层拱架上各覆盖一层塑料薄膜，内外层拱架上的塑料薄膜都为0.08 mm，为了强化双膜日光温室的采光性能和保温性能，在内外层拱架上都覆盖了保温棉被，保温棉被总长8.5 m、宽1.5 m、厚4 cm，并在内层拱架上安装卷帘机，在白天时，内层薄膜和棉被是一起被卷起的，只剩下外层薄膜，保证了温室内的光照.夜间卷帘机将同时将棉被和塑料薄膜敷设.温室后墙体的厚度为0.5 m，采用砖土混合结构，东西墙为双24墙.温室拱顶高度为4.3 m，内跨度为7.8 m.其温室结构如图1所示.

图1 双膜日光温室结构

1.1 测试方法

本研究实时监测双膜日光温室与单膜日光温室在冬季温室内部气温以及太阳光照强度的变化情况，对比分析双膜日光温室与普通日光温室冬季保温性能.选择北方地区冬季最冷时间段，即选取2019年1月1日到2019年1月15日的实测数据进行分析，同时选择晴天、阴天、下雪天气为代表对比分析了土壤温度以及空气湿度.因为内层薄膜以及内层棉被是一体的，所以早上9：00揭开保温被的同时，卷帘机会卷起内层的薄膜，下午16：00盖上保温被以及内层薄膜，各监测点的温度记录时间为30 min记录一次.

试验测点位置的确定是根据《设施园艺学》以及《塑料日光温室蔬菜栽培技术》中的实测数据，采用线性内插法对数据进行插值分析，最后得出测量仪器可以布置在距离北墙1/3处的东西线上和距离无门一端墙1/6南北线的交点[9]，如图2所示.实验测点所测得的数据可以较为准确地反应温室内的平均值.空气温湿度以及光照强度传感器布置在距离地面1.5 m的地方，土壤温湿度传感器（见图3）布置在地下100 mm的深度.

图2 测点布置

图3 土壤温湿度传感器

1.2 测试仪表

空气温湿度和光照数据可由传感器（见图4）所得，试验过程中所用的空气温湿度以及光照强度传感器是ZigBee传感器，传感器外观图如图5所示，技术规格如表1所示.

图4 空气温湿度以及光照传感器

图5 环境因素监测屏

表1 ZigBee传感器技术规格

1.3 试验测试结果与分析

本文采用精密的设施农业监测仪器采集日光温室内的空气温湿度、土壤温度值，记录每30 min一次的数据的数值，将全天的温度数据计算成平均值，如图6所示，并结合所有实测数据展开分析研究.

图6是2019年1月1日至2019年1月15日双膜日光温室以及普通日光温室内部日平均空气温度对比变化图，两温室室内气温变化相对于室外气温均有明显提升，说明两温室在应用中都具有保温蓄热的能力.

由图6可以看出，双膜日光温室的日平均温度最低值为11.9℃，最高为18.1℃.普通日光温室的日平均最低温度为10.2℃，最高温度为15.6℃.15日内双膜日光温室与普通日光温室最大温差为3.6℃，与室外气温最大温差为24.3℃.由图可知双膜日光温室15 d的日平均空气温度显著均高于普通日光温室，说明双膜日光温室整体保温性能优于普通日光温室.

图6 日光温室内外日平均空气温度变化曲线

日光温室日平均土壤温度变化如图7所示，图7是2019年1月1日至2019年1月15日双膜日光温室以及普通日光温室内部日平均土壤温度对比变化图.15日内双膜日光温室与普通日光温室最大的日平均温差为3.3℃，双膜日平均温度的最低值要比普通日光温室最低值高1.5℃.这主要是由于双膜白天蓄热以及夜晚保温性能好.通过以上数据说明双膜日光温室内部温度环境优于普通温室，在生产中更有助于应对室外低温带来的威肋，更加适合于温室冬季生产.

图7 日光温室日平均土壤温度变化曲线

1.3.1 温度测试结果

下雪天日光温室土壤的温度变化如图8所示，由图8可以看出在2月12日下雪天天气状况下，双膜日光温室与普通日光温室土壤温度变化.双膜日最高土壤温度为15.5℃，最低温度为11.2℃.普通日光温室日最高土壤温度为13.3℃，最低为10.6℃，两温室最低温差相差0.6℃.总体来说，在下雪天，双膜日光温室的土壤温度明显高于普通日光温室，普通日光温室的地温不能满足蔬菜生长的最低要求，需要辅助加温；而双膜日光温室在下午6点之后的温度低于最低要求温度，说明如遇连续雨雪天气，双膜日光温室也需要辅助加温措施.

图8 下雪天日光温室土壤的温度变化曲线

1.3.2 湿度测试结果

蔬菜的正常生长除了温度以外，空气湿度也是十分重要的影响因素，它影响了蔬菜的蒸腾作用以及微生物的活动，一般蔬菜的适宜湿度范围是在65%～85%之间，低于最小值或者长时间高于最大值都对蔬菜的生长有不利的影响.由于日光温室的保温效果较好，封闭性能好，所以温室内的相对湿度一般情况下要大于室外，但为了保证蔬菜的品质，要注意相对湿度值不能太高.

晴天日光温室内外空气湿度变化如图9所示.由图9可以看出在1月4日晴天天气状况下，双膜日光温室、单膜日光温室以及室外的逐时空气湿度变化曲线.在这一天，双膜日光温室的空气湿度最大值为87%，最低为45%，一天内的空气湿度变化范围为42%；普通日光温室的最大空气湿度值为94%，最低为33%，最大值与最小值的差值为61%；室外的空气湿度变化是由59%变化到24%；晴天天气条件下，两温室的相对湿度在下午2点时降到最低点，随后继续增长.由上述数据可知，双膜日光温室的空气湿度更符合蔬菜的生长需要，并且一天内的相对湿度的波动范围较普通日光温室变化较小，对蔬菜生长发育更加有利.

图9 晴天日光温室内外空气湿度变化曲线

前文已提出，为了提高温室保温性可以从增加封闭空气夹层的热阻出发，本文将从优化夹层厚度入手，以试验棚为例做出厚度优化.

2 双膜日光温室间层厚度优化

与单层膜相比，双层大棚里面种植的瓜果蔬菜无论是在外观还是品质上都有很大的提升.近些年来双膜大棚在天津的应用越来越广泛，除了蓟县的多处农业园在用，汉沽也在用双膜日光温室种葡萄，其收成也很可观.但是根据实际走访发现，对于双膜日光温室的空气间层厚度，缺乏技术指导，所以针对此现象，本文运用EnergyPlus对双膜日光温室做模拟分析，分析不同空气间层厚度下的薄膜侧的传热情况，但在有关文献中提到双层膜覆盖后，棚内温度提高，物候期也开始相应提早，内外棚间距不宜小于30 cm，否则增温效果差[10].

本章节取空气间层厚度分别为0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m进行EnergyPlus能耗模拟.

选取不同厚度的空气间层的双膜进行总耗热量模拟分析（见图10），测得双膜总耗热量.由图10可以看出，两条曲线在空气间层厚度在1 m之后趋于平缓，空气间层的厚度可以再继续增加，但是蔬菜生长需要空间，随之而来的是棚的高度增加，棚的成本增加.本文试验棚的空气间层厚度为0.8 m，模拟结果得出最优值为1 m，比原来增加20 cm，在不增加棚的高度的情况下也可以实现.

实测1月1日至1月29日每天不同时刻的空气温度（见图11）以及土壤温度（见图12），并设定空气间层为1 m时进行模拟分析，由图11和图12可以看出，一月份温室内空气温度以及土壤温度均满足最低值要求.

图11 W=1 m空气间层的双膜日光温室温度变化曲线

图12 W=1 m空气间层的双膜日光温室土壤温度变化曲线

3 结论

（1）在土壤温度方面，选取典型天气下雪天，双膜日最高土壤温度为15.5℃，最低温度为11.2℃，普通日光温室日最高土壤温度为13.3℃，最低为10.6℃，两温室最低温差相差0.6℃.总体来说，在下雪天，双膜日光温室的土壤温度明显高于普通日光温室，普通日光温室的地温不能满足蔬菜生长的最低要求，需要辅助加温.而双膜日光温室在下午6点之后的温度低于最低要求温度，说明如遇连续雨雪天气，双膜日光温室也需要辅助加温措施.

（2）在湿度方面，双膜日光温室、单膜日光温室双膜日光温室的空气湿度最大值为87%，最低为45%.一天内的空气湿度变化范围为42%，普通日光温室的最大空气湿度值为94%，最低为33%.最大值与最小值的差值为61%，室外的空气湿度变化是由59%变化到24%.双膜日光温室的空气湿度符合蔬菜的生长需要，并且一天内的相对湿度的波动范围较普通日光温室变化较小，对蔬菜生长发育更加有利.

（3）选取双模日光温室不同空气间层厚度，利用EnergyPlus进行耗热量模拟分析.结果显示：当空气间层厚度为1m时，温室耗热量最低；并且在此厚度下的温室环境满足蔬菜正常生长所需的最低空气温度和土壤温度.