徐少南 杨志鹏 邹志荣 鲍恩财 曹凯

摘要 ［目的］探索不同日光温室在杨凌地区的保温性能，寻找适宜在杨凌地区推广的新型、适宜建造、标准化程度高的日光温室。［方法］对传统后墙主动蓄热温室（G1）、相变固化土后墙主动蓄热日光温室（G2）、现浇筑混凝土后墙主动蓄热温室（G3）和模块化素土后墙主动蓄热日光温室（G4）的墙体热结构性能进行对比分析。［结果］在典型晴天条件下，4座温室平均气温分别为15.68、15.83、16.52、18.44 ℃；在典型阴天条件下，4座温室平均气温分别为8.09、11.12、10.97和11.21 ℃。［结论］G4模块化后墙的主动蓄热能力使温室在冬季夜间保持较高温度，为作物越冬提供了更适宜的环境条件。模块化日光温室以其独特的施工工艺和可就地取材、施工周期短、标准化建设、机械化等优势，在杨凌及西北地区具有推广价值。

关键词 日光温室；墙体性能；主动蓄热

中图分类号 S626.5  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）11-0179-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.038

Thermal Performance Analysis of Different Solar Greenhouse Wall Structures

XU Shao-nan1， YANG Zhi-peng2，3， ZOU Zhi-rong4 et al

（1.Qinghai Agri-animal Husbandry Vocational College， Xining， Qinghai 812100;2.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing， Jiangsu 210014;3.College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036;4.College of Horticulture， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100）

Abstract ［Objective］To explore the insulation performance of different solar greenhouses in the Yangling area and identify a suitable energy-efficient greenhouse for promotion. ［Method］ Thermal performances of different solar greenhouse wall structures were compared： Traditional thermal storage （G1）， phase-change stabilized earth （G2）， cast-in-place concrete （G3）， and modular thermal storage （G4）. ［Result］ The findings demonstrate that， under typical sunny conditions， the average temperatures inside the four greenhouses are 15.68， 15.83， 16.52， and 18.44 ℃， respectively. Under typical overcast conditions， the respective average temperatures are 8.09， 11.12， 10.97， and 11.21 ℃. ［Conclusion］ The modular G4 greenhouse exhibits the capability to maintain elevated temperatures during winter nights， thereby providing a more favorable environment for winter crop cultivation. Moreover， due to its unique construction technique involving local resource utilization， the modular sunlight greenhouse offers advantages such as shortened construction duration， standardized development， and facilitation of mechanized processes. Consequently， it holds promising prospects for widespread implementation in the Yangling and greater northwestern regions.

Key words Solar greenhouse;The wall performance;Active heat storage

基金项目 青海省重点研发与转化计划项目（2022NK121）。

作者简介 徐少南（1992—），男，青海西宁人，硕士研究生，研究方向：日光温室结构和环境调控。

*通信作者，副研究员，博士，从事温室环境调控研究。

收稿日期 2023-08-15；修回日期 2023-12-15

日光温室作为我国北方地区越冬蔬菜生产的关键设施，在确保冬季蔬菜供应、稳定蔬菜价格以及改善居民生活等方面发挥了重要作用，对于我国设施园艺的发展做出了巨大贡献。截至2022年，我国的设施园艺总面积已经超过280万hm2，其中日光温室占地面积约为81万hm2，年产蔬菜量达到2.65亿t，解决了全年蔬菜的供应问题［1］。中央一号文件从2022年的加快发展设施农业转变为2023年的发展设施农业，显示了国家对日光温室发展的日益重视。因此，在未来相当长一段时间内，日光温室的发展将得到更多关注，并且将迅速发展。同时，它也是我国实现农业现代化、增加农民收入以及推动乡村振兴不可或缺的一部分［2-4］。

日光温室通过白天吸收太阳辐射并将其储存于后墙和土壤中，在夜间或温室温度较低时释放储存的热量，以提高温室内的温度［5］。日光温室后墙具有保温蓄热和结构支撑的功能［6］，并能吸收太阳辐射，储存热量，以提高温室内的温度稳定性［7］。日光温室后墙的材料选择和设计对温室的能效和气候控制起着至关重要的作用。佟国红等［8］采用频率响应法分析了不同类型材料构成的日光温室墙体内部的传热特性，结果显示，采用复合墙体结构相对于传统单一材料墙体能更有效地解决保温和蓄热能力不足的问题，并带来节省材料和提高土地利用效率的优势。此外，其他研究也指出，通过采用多层复合材料［9-10］、特定填充材料［11-13］和相变材料［14-17］等策略来构建日光温室后墙，可显著改善保温效果，同时提供稳定的温室内环境。这些研究成果为日光温室后墙结构的设计和材料选择提供了有益的指导。研究表明，墙体被动蓄热的能力有限，无法完全储存热量。为解决这一问题，张勇等［18-20］提出了一种新型的日光温室设计，具备主动蓄热功能，可将多余的热量主动储存于墙体中。鲍恩财等［21-22］在此基础上采用固化沙设计了一种主动蓄热日光温室，并通过热性能测试验证了其良好的保温效果。另外，李小芳等［23-24］研究发现，墙体主动蓄热厚度可达到36 cm，能够保持温室内环境的稳定，且在墙体外部添加10 cm的保温苯板可实现绝热效果。

传统的土夯墙温室存在施工周期长、后墙厚、中间有立柱等问题，导致温室土地利用效率低和无法实现机械化作业等［25-28］。为解决这些问题，新型的日光温室如固化沙主动蓄热温室和模块化素土日光温室应运而生，它们具有施工周期短、造价低、就地取材和土地利用率高等优点。尽管前人已经对这些新型日光温室进行了一定的研究［29-31］，但对它们的性能分析仍然相对较少。因此，笔者在前期相关研究的基础上，对传统的日光温室、固化土日光温室、相变固化土日光温室和现浇混凝土日光温室这4种类型的日光温室进行了热环境和光环境的分析，探索不同类型日光温室的实用性，旨在为今后我国日光温室的推广和发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验温室

该试验对比了位于陕西省咸阳市杨凌示范区旭荣农业科技有限公司农业基地内（34°16′N，108°06′E）的4座日光温室的热性能和采光等数据，并进行了分析。这4座温室的建成时间为2021年10月，试验在11月初进行了番茄的定植，采用无土基质袋栽培模式。日光温室的热环境和光照强度测试于2021年12月—2022年1月进行。为了确保数据的同步和准确性，在正常天气条件下，每天9：00打开保温被，17：00覆盖保温被，12：00—14：00开启通风口。通过这样的操作，保证4座温室的试验条件一致。

传统后墙主动蓄热温室（G1）的后墙结构由120 mm黏土砖墙+960 mm固化土+120 mm黏土砖墙+100 mm聚苯板（自内而外）组成，后墙采用人工堆砌的方式建造，使用了园区内的土壤，并在搅拌后加入8%的土壤固化剂。相变固化土后墙主动蓄热日光温室（G2）的后墙结构由10 mm混凝土喷浆涂层+10 mm钢筋网+1 070 mm固化土+10 mm钢筋网+100 mm聚苯板（从内到外）构成。现浇筑混凝土后墙主动蓄热温室（G3）的后墙由300 mm现浇陶粒混凝土+100 mm聚苯板构成。该温室采用现场浇筑的方式建造，温室前屋面骨架采用椭圆形钢骨架结构。模块化素土后墙主动蓄热日光温室（G4）的后墙由尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m的正方体土块通过机器压制而成，土壤就地取材，使用农业区内的土壤并添加2%的麦秆进行均匀混合压制，墙体由土块（墙厚1.2 m）+ 0.1 m的聚苯板（自内而外）构成。温室的尺寸为南北跨度10.0 m，东西长度32.0 m，屋脊高5.0 m，墙高3.6 m，方位角为南偏东5°。温室采用卡槽骨架，间隔1.0 m，前屋面覆盖厚度为0.1 mm的PO膜，后屋面采用100 mm的聚苯板覆盖。其余3个日光温室的主体结构、长度、跨度、高度等参数与模块化素土后墙主动蓄热日光温室相同，主要差别在于后墙的建造方式和材料选择。

1.2 试验设备及测试方法

该试验涉及4座温室，其环境参数和测点布置如图1所示。每座温室内设置了2个温湿度传感器，分别位于温室长度的1/3和2/3处，高度为1.5 m。同时设置了户外对照组，放置在距离温室外部1.5 m处，高度与室内传感器相同。为确保试验准确性，户外传感器上放置了防水纸板。空气温湿度采用 HOBO UX100-011型记录仪（美国 onset公司生产，精度：温度±0.2 ℃、相对湿度±2.50 %）进行记录，每 30 min记录 1次数据。光照强度传感器布置于日光温室后墙长度方向的中间位置，高度为1.0 m。室外对照组的传感器布置在室外的西山墙台阶上，高度为1.0 m。光照强度采用 HOBO UA002-64型光照强度记录仪（美国 Onset公司生产，精度：光照强度±10 lx）进行记录，每 30 min记录 1次数据。温室后墙内的温度测点沿着墙体厚度方向布置，共有7个位置，距离墙体内表面的深度分别为0、50、100、150、200、250、300 mm。这些测点的标号为5、6、7、8、9、10、11，位于温室后墙长度方向的中间，高度为1.5 m。后墙温度采用HOBO 温度四通道记录仪 UX120-006M（美国Onset公司，其测定范围为-20～70 ℃，精度为±0.50 ℃）测定，每30 min记录 1次数据。

2 结果与分析

2.1 温室内外光照情况分析

太阳辐射是主动蓄热日光温室的主要热量来源，太阳照射到日光温室后墙的时间和强度成为影响温室热环境的主要因素。从图2可以看出，4座供试温室的光照强度曲线变化规律大体相似。自9：00打开保温被后，温室内光照强度开始增加。光照强度最高值出现在13：30左右，此时G1～G4温室的光照照度分别为71 235.4、66 133.8、77 156.1和86 678.4 lx，而室外光照强度为124 711.8 lx。之后光照强度逐渐降低，直到18：00关闭保温被后，各温室内的光照强度降为0。可以看出，4座温室间的光照强度差异不大，在相同的环境条件下，由太阳辐射引起的4座温室内环境的差异可以忽略不计。

2.2 各温室内外长期气温情况

由表1可知，在室外平均最低气温为-3.35 ℃时，4座供试温室的最低温度均高于5.00 ℃，基本上都能满足茄果类作物的越冬生产需求。在连续6 d的阴天条件下，温室内平均最低温度出现在第6天，分别为6.40、8.21、7.76和8.71 ℃，表明G4温室的保温蓄热效果最好，其次是G2温室，而G1温室的效果最差。在平均气温方面，G4温室的日平均气温最高，为16.01 ℃；其次是G3温室，为15.80 ℃，差异不大；而G1温室的日平均气温最低，为14.12 ℃。在日平均气温大于15和18 ℃的天数上，G3和G4温室明显高于G1和G2温室，说明G3和G4温室的气温环境更适合蔬菜越冬种植。总体而言，G4温室表现最好，G3温室较好，而G1温室表现最差。

2.3 典型晴天条件下各温室温、湿度情况

由图3可见，在典型晴天条件下，4座温室的平均湿度分别为77.57%、77.76%、78.08%、82.72%；传统日光温室平均湿度最低，为77.57%；模块化后墙主动蓄热温室内的湿度在0—9：00明显高于其他3座温室。

由图4可见，在典型晴天条件下，4座温室的温度变化曲线符合天气的变化规律。4座温室及室外平均气温分别为15.68、15.83、16.52、18.44、2.92 ℃，G4温室分别高出其他温室及室外2.76、2.61、1.92、15.52 ℃。4座温室及室外的最高温分别为32.75、26.82、30.02、36.56、10.59 ℃，最低温度分别为8.77、11.57、11.71、11.96、-2.55 ℃。4座温室的积温分别为768.21、775.85、809.25、803.80 ℃。

2.4 典型阴天条件下各温室温、湿度情况

由图5可见，在典型阴天条件下，4座温室的平均湿度分别为88.43%、90.41%、93.42%、92.12%；传统日光温室平均湿度最低，为88.43%。

图6为典型阴天条件各温室温度变化情况。4座温室及室外平均气温分别为8.09、11.12、10.97、11.21、-1.74 ℃，G4温室分别高出其他温室及室外3.12、0.09、0.24、12.95 ℃。4座温室及室外的最高温分别为15.75、17.99、17.59、18.56、10.59 ℃，最低温度分别为6.16、9.29、9.36、9.59、-5.81 ℃，4座温室的积温分别为396.42、545.10、537.69、549.41 ℃。

3 结论与讨论

从上述数据分析来看，模块化主动蓄热日光温室的综合性能相较于其他温室表现更优秀。主动蓄热日光温室即在传统日光温室墙体内安装主动蓄热循环系统，变被动蓄热的墙体为主动蓄热，从而提高墙体的蓄放热性能。主动蓄热日光温室的原理基于日光收集和热量储存2个关键方面：首先，温室利用透明材料将太阳光引入室内，光线经过吸收转化为热能；其次，温室采用热储存系统，如热贮存罐或热传导材料，将多余的热能储存起来。这些储存的热量在夜晚或低温时释放出来，保持温室内部温度的稳定［7］。通过这些原理的应用，主动蓄热日光温室能够为植物提供持续且适宜的环境，促进植物生长和提高农作物产量。

笔者对4座温室的1个月平均湿度进行分析后认为，G4温室湿度高是因为0—9：00其室内温度较其他温室高，造成室内外温差更大从而湿度更高。虽然夜间的保温对作物生长有重要作用，但是连续的高湿也会造成植物病虫害风险的增加［32-33］。故在今后的实际生产中，应进一步提高模块化后墙主动蓄热温室的密封性，选择具有防滴性能更好的薄膜来降低温室内的湿度。

经过对4座温室环境进行测试，结果显示G4温室的保温效果优于G1、G2和G3。这一优势主要得益于G4温室在墙体厚度、施工工艺以及后墙主动蓄热方面的优化。相比之下，G1温室采用了纯素土材料，可以在现场就地取材、现场压制，因此建造成本最低。特别值得一提的是，模块化素土后墙在主动蓄热系统的优化下具备良好的蓄热能力，提升了温室的热环境，并相对提高了土地利用率。综合考虑成本、保温效果等因素，模块化日光温室不仅在保温性能上表现出色，而且在建造成本和土地利用效率方面也有着明显优势。因此，模块化日光温室在西北光照资源丰富的地区以及非耕地地区具有一定的推广使用价值。

在典型晴天条件下，各温室内光照强度最高值出现在13：30左右，此时G1～G4温室的光照强度分别为71 235.4、66 133.8、77 156.1和86 678.4 lx。4种日光温室内的光照情况没有较大区别，从而证明光照不是引起日光温室内环境差异的根本原因。

在典型晴天条件下，4座温室的平均湿度分别为77.57%、77.76%、78.08%、82.72%。4座温室及室外平均气温分别为15.68、15.83、16.52、18.44、2.92 ℃，G4温室分别高出其他温室及室外2.76、2.61、1.92、15.52 ℃。其余3座温室的保温效果相差不大，说明G4温室在密封性、蓄热性能和主动墙体循环系统的综合作用下具有最佳的保温效果。同时，这4座温室在冬季都能实现越冬生产。

在典型阴天条件下，4座温室的平均气温分别为8.09、11.12、10.97和11.21 ℃，夜间最低温度分别为6.16、9.29、9.36和9.59 ℃，而室外的最低温度为-5.81 ℃。其中，G4温室的保温效果最好，分别比其他温室高出3.43、0.30和0.23 ℃。G1温室的温度最低，而G2和G3温室的保温性能相差不大。

通过取材、建造工艺、建造成本及热性能等方面的对比，整体来看模块化日光温室在保温性能上表现出色，而且在建造工艺和土地利用效率方面也有着明显优势，具有一定的推广使用价值。

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