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不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究

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不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究

第 39卷第 4期2018年 4月中国农机化学报Journal of Chinese Agricultural MechanizationVol.39 No.4Apr. 2018DOI10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2018.04.007不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究*宋明军1,赵鹏1,赵树春2,张斌祥2,张建金2(1.甘肃省农业科学院蔬菜研究所 ,兰州市 ,730070;2.甘肃省靖远县农业技术推广中心 ,甘肃靖远 ,730600)摘要 为研究跨度对组装式日光温室温光环境的影响 ,选取 8m、9m和 10m跨度的组装式日光温室 ,以当地普通日光温室为对照 ,进行温室环境温度 、光照性能观测和墙体热工性能分析 。结果表明 各组装式日光温室墙体热稳定性远低于普通温室 ,平均最低温度较普通日光温室低 1.27℃~5.30℃;组装式温室保温和采光性能随跨度增加而减小 ,1月份,8m跨度组装温室平均最低温度较 9m和 10m跨度温室高 1.33℃和 4.04℃,透光率高 1.93%和 7.67%,室内外最低温度差可达30.09℃;组装温室随跨度增大 ,室内温度变化越剧烈 。综合分析认为 ,冬季组装式温室中8m跨度温室综合保温性能最好 ,组装式温室的保温性能随温室跨度的增加而下降 ,组装温室在没有辅助热源加温的情况下 ,不宜过度增加跨度 。关键词 组装式温室 ;跨度 ;温度 ;太阳辐射 ;性能中图分类号 S625.1文献标识码 A文章编号 2095-5553(2018)04-0028-06宋明军 ,赵鹏 ,赵树春 ,张斌祥 ,张建金 .不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究 [J].中国农机化学报 ,2018,39(4)28~33Song Mingjun,Zhao Peng,Zhao Shuchun,Zhang Binxiang,Zhang Jianjin.Study on the performance of photo-thermal en-vironment of assembled solar greenhouses with different spans[J].Journal of Chinese Agricultural Mechanization,2018,39(4)28~33收稿日期 2018年 3月 27日修回日期 2018年 4月 2日*基金项目 国家自然科学基金 (51568002)组装式日光温室热环境及主动蓄热系统耦合传热机理研究第一作者 宋明军 ,男 ,1969年生 ,甘肃平凉人 ,硕士 ,副研究员 ;研究方向为设施农业环境与工程 。E-mailgs_smj@163.com0 引言日光温室作为我国北方冬季作物主要的反季节栽培设施 ,在生产中得到不断的研究和改进[12],普通日光温室后墙体具有良好的保温蓄热性能[34],但是普通日光温室普遍存在土地利用率低和建造费时费力等诸多问题[5]。因此科研和生产单位进行了组装式日光温室的研究与应用[6],这些组装式日光温室的结构大多还是依照普通日光温室的参数进行设计[78]。跨度是日光温室结构参数基本要素之一 ,它与脊高共同决定着温室的透光率以及室内的光温环境[9]。国内学者已对普通日光温室的合理跨度进行了大量的研究工作 ,刘彦辰等[10]以陕西关中地区普遍使用的跨度分别为8,9和10m的日光温室为研究对象 ,认为9m跨度温室更适合在陕西关中地区的番茄种植中优先推广应用 。刘玉凤等[11]针对陕西杨凌8、10、12m不同跨度的日光温室 ,以及唐中祺等[12]对酒泉市肃州区跨度为8、9、10和11m的4种石墙钢结构日光温室的升温保温性能研究 ,结果10m跨度的温室性能最优 。这些对日光温室合理跨度的研究 ,都是以土质或石质墙体日光温室为研究对象 ,而跨度变化对组装式日光温室的环境性能的影响 ,国内尚未见文献报导 。组装式日光温室由于建造速度快 ,节省土地资源 ,甘肃省近几年设计和建造了多种规格的组装式日光温室[1315],这些组装式日光温室在生产应用中 ,温度环境性能差别很大 。为了研究跨度变化对组装式日光温室性能的影响 ,2017年我们进行了不同跨度组装式日光温室的温光性能观测试验 ,希望通过此项研究 ,为生产应用提供技术支持 。1 材料与方法1.1 试验温室试验温室位于甘肃靖远大坝和三合农业高科技示范园区 (N36.63,E104.71),试验地海拨1 312m,年平均气温8.9℃,无霜期165天 ,年日照时数2 700h左右 ,极端最高气温为39.5℃,极端最低气温-24.3℃。3座不同跨度组装式试验温室 ,温 室 骨 架 均 为70mm30mm椭圆型钢管 ,间距0.9m,各组装温室的墙体和后屋面材料一致 ,前屋面棚膜为0.12mmEVA日光温室专用膜 ,保温被芯层为针刺毛毡 ,外层包裹防水布 ,总厚度2.5cm。第 4期 宋明军 等 不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究 29 对照温室选用当地普通土墙日光温室 ,土墙体下部厚2.0m,上部厚1.2m,平均厚度1.6m,骨架材料和覆盖材料与试验组装式温室相同 。后屋面结构为 竹胶板+5cm草帘+10cm麦草+15cm草泥 ,上薄下厚 ,平均厚度30cm,后屋面长度2.4m,4座温室具体结构参数见表1。表 1供试温室结构参数表Tab.1 Structure parameter of tested greenhouses温室编号跨度/m长度/m脊高/m墙高/m采光屋面角/()后墙体结构种植作物WSP8 8.0 80 3.9 2.4 30.4 80mm稻草帘 +40mm保温被 +0.12mm棚膜 辣椒WSP9 9.0 84 5 4.3 34.0 防水布 +涤纶棉 +防水布(总厚度100mm) 黄瓜WSP10 10.0 90 4.5 3.2 29.1 2.5mm毛毡 +80mm草帘 +40mm保温被 +0.5mm防水布 生菜CK 8.0 90 4.2 2.8 31.3 黏土墙(1.6m) 辣椒1.2 观测项目及方法1.2.1 测点布置主要进行试验温室内外环境温度和太阳辐射量的观测 ,室内空气温度观测点位于各温室前后正中间 ,偏右5m的 位 置 ,主 要 避 开 中 部 卷 帘 机 的 影 响 ,高 度1.5m。室外温度观测点位于室外空旷处 ,高度1.5m,为避免阳光直接辐射造成的影响 ,观测时温度传感器上方加一硬纸板遮挡 。太阳辐射的测点位于温室内外空气温度测点的位置 ,组装式温室剖面结构和观测点位置如图1所示 。图 1组装式日光温室结构示意图及测点布置Fig.1 Schematic diagram of assembled solargreenhouse and measuring points1.2.2 测试内容2017年1月7日~4月28日进行各试验温室的性能观测试验 ,每30min记录一次 ,连续观测 。测试内容为不同跨度组装式温室的保温性能和采光性能 ,主要测试指标为室内外空气温度 、最低温度 、最高温度和太阳辐射量 。1.2.3 试验设备温度观测选HOBO Pro v2U23003型和HOBOU12006型温度自动记录仪 ,精度0.2℃,温湿度观测选HOBO Pro v2U23001型温湿度自动记录仪 ,精度0.2℃(0~50℃),湿度为5%。太阳辐射观测选WatchDog1200,测量范围0~1 500W/m2,误差5%,手工观测采用3415FX便携式光照辐射测量仪 ,测量范围0~1 500W/m2,误差5%,分辨率1W/m2。1.3 数据分析处理选取2017年1月9日~2月28日的观测数据 ,主要为冬季最冷时期的数据 ,通过Excel处理数据 ,获得不同跨度组装温室室内外温度和太阳辐射量的动态变化规律 。运用热工计算公式 ,分析墙体材料的热工性能 ,对不同跨度组装式日光温室的光热环境特征做出分析和评价 。2 结果与分析2.1 温度保温能力分析2.1.1 最低温度变化日光温室最低温度是评判温室保温性能好坏的重要指标 。从试验期间各温室内最低温度变化分析 (图2),试验期间各组装温室最低温度均低于对照土墙温室 ,不同时段各组装温室的最低温度变化规律不同 。图 2最低温度变化曲线Fig.2 Minimum temperature change curve1月份CK平均最低温度为11.04℃,较WSP8、WSP9和WSP10分别高1.27℃、2.60℃和5.30℃。组装温室中WSP8表现最好 ,较WSP9和WSP10分别高1.33℃和4.04℃,组装温室表现出随跨度增大 ,最低温度逐渐降低的趋势 。2月份以后 ,随外界气温的回暖 ,组装试验温室和对照温室的最低温度差距减小 ,CK温室平均最低温度较WSP8、WSP9和WSP10分别高1.42℃、1.05℃和3.61℃。通过以上分析 ,1~2月份 ,组装式温室的最低温度均低于普通土墙温室 ,30 中国农机化学报 2018年组装式温室随跨度的增加 ,最低温度呈下降趋势 。2.1.2 室内外最低温度差如图3所示 ,室内外最低温度差和外界气温变化相反 ,外界气温越低 ,温室内外的温差越大 。对照温室的保温性能最好 ,1月份 ,对照温室内外最低温度差最高可达31.27℃。组装温室中仍然是WSP8保温性能最好 ,室内外最大温差可达30.09℃,WSP9表现次之 ,WSP10的各值均表现最小 ,说明在最冷的1月份 ,组装温室中WSP8保温性能最好 ,随着跨度增加 ,组装温室的保温性能逐渐降低 。2月份WSP9的保温性能超过了WSP8,但差异不显著 。各组装温室仍然表现为跨度越大 ,保温性越差的特点 。图 3试验温室室内外最低温度差Fig.3 Minimum temperature difference between indoor andoutdoor in experimental greenhouse2.2 升温能力分析2.2.1 升温幅度温室内最高温度和最低温度差可以判断设施的采光和升温能力的强弱 ,由于日光温室的最低温度基本出现在揭帘时间 ,所以最高温度和最低温度差 ,可以反映温室每日的升温能力 。从表2可以看出 ,组装式温室的升温能力普遍高于土墙对照温室 ,试验期间WSP9的升温幅度最大 ,WSP10次之 ,而WSP8的升温幅度最小 ,1月份WSP8、WSP9、WSP10升温幅度分别较CK高3.87℃、5.58℃和5.08℃,组装温室升温幅度的最大值和最小值均大于对照温室 。2月份WSP9、WSP10升温幅度高于CK,而WSP8低于CK0.34℃。2.2.2 升温速度由于日光温室白天通风和管理方式不同 ,仅从温室的升温幅度并不能真实反应温室的升温能力 ,当地日光温室冬季每天930揭帘 ,中午1200~1300开始通风降温 ,选取每天930~1230的数据进行分析 ,基本能反应温室的真实升温速度 。从试验结果分析 (表3),组装温室单位时间的升温速度明显高于对照温室 ,组装温室中WSP9的升温速度最快 ,1~2月平均升温速度在6.90℃/h左右 ,最大升温速度可达11.45℃/h,而WSP8的升 温 速 度 最 低 ,平 均 升 温 速 度5.26~5.99℃/h,WSP10的平均升温速度稍低于WSP9,但差异不显著 。表 2试验温室最高和最低温度差Tab.2 Test the difference between the highest and lowest temperature of the greenhouse统计项目2017年 1月 2017年 2月最高值 /℃ 最低值 /℃ 平均值 /℃ 最高值 /℃ 最低值 /℃ 平均值 /℃WSP8 34.42 5.52 25.74 32.05 14.77 22.63WSP9 35.84 5.51 27.45 35.46 16.93 26.38WSP10 35.78 5.53 26.95 31.95 17.41 25.52CK 27.97 4.80 21.87 27.81 15.22 22.97外界温度 17.726.69 13.10 21.99 7.57 15.11表 3试验温室升温速度Tab.3 Test heating rate of experimental greenhouse统计项目2017年 1月 2017年 2月最高值 /(℃h-1)最低值 /(℃h-1)平均值 /(℃h-1)最高值 /(℃h-1)最低值 /(℃h-1)平均值 /(℃h-1)WSP8 9.18 -0.06 5.99 8.90 2.27 5.26WSP9 11.17 -0.21 6.97 11.45 1.37 6.86WSP10 9.91 0.20 6.88 10.27 3.30 6.33CK 9.12 -0.27 5.60 8.30 2.51 5.71外界温度 2.660.54 2.02 3.17 0.67 2.212.3 太阳辐射量动态变化从试验期间太阳辐射量分析 (图4),1月份外界月平均太阳辐射量为117.27W/m2,WSP8、WSP9、WSP10的月平均太阳辐射量分别为88.08、85.82和第 4期 宋明军 等 不同跨度组装式日光温室光热环境性能研究 31 79.08W/m2,CK为82.95W/m2,各组装温室的月平均透光率分别为75.11%、73.18%和67.44%,CK为70.73%。图 4日平均太阳辐射量变化Fig.4 Daily average solar radiation change组装温室表现出随着跨度增大 ,太阳幅射量减小的趋势 ,在相同跨度情况下 ,组装温室的太阳幅射量要高于土 墙 温 室 。2月份外界月平均太阳辐射量为157.99W/m2,此时三种组装温室的月平均太阳辐射量分 别 为118.00、119.68和111.85W/m2,CK为111.32W/m2,透 光 率 分 别 为74.69%、75.75%、70.80%和70.46%。通过以上对不同时期各组装温室的太阳辐射量分析 ,各温室的太阳辐射量随太阳高度角的增大而升高 ,透光率随跨度增大而减小 。WSP9由于采光屋面角大 ,随太阳高度角的增加 ,太阳辐射量和透光率上升较快 ,2月份超过了WSP8。2.4 墙体材料热工性能分析运用建筑材料热工计算方法[16],对组装温室和对照温室的墙体热工参数进行分析 (表4、表5)。虽然组装温室的墙体热阻都大于对照温室 ,但对照温室土墙体热稳定性好 ,蓄热系数和热惰性指标是组装温室的10倍以上 ,实际测得土墙温室冬季的保温性能要好于组装式温室 。从各组装温室的墙体热工性能分析 ,3种试验组装温室墙体的热阻和传数系数相近 ,WSP10的热稳定性最 好 ,WSP9最 差 ,而冬季保温性能则表现为WSP8>WSP9>WSP10,保温性能随跨度的增大而变小 。综合分析认为 ,各组装温室的温度差异主要还是由于组装温室跨度增大 ,前屋面散热面积增加 ,而组装温室墙体蓄热能力较差 ,导致温室保温性降低 ,跨度变化是影响组装温室保温性能的重要因素 。墙体材料基本热工参数如表4所示[1617]。表 4墙体材料基本热工参数Tab.4 Fundamental thermal parameters of wal material墙体材料 厚度 /m 密度 /(kgm-3) 导热系数 /(Wm-1k-1) 比热容 /(Jkg-1k-1)稻草帘 0.08150.00 0.069 1 410保温被 0.04100.00 0.058 1 220涤纶棉 0.1040 0.051 1 220毛毡 0.0025 180 0.06 1 200土墙体 1.61 800.00 0.93 1 010表 5试验温室墙体材料热工性能Tab.5 Thermal properties of materials in experimental greenhouse wal温室编号 热阻 /(m2kW-1) 传热系数 /(Wm-2k-1) 蓄热系数 /(Wm-2k-1) 热惰性指标WSP8 1.85 0.5 0.78 1.44WSP9 1.96 0.47 0.43 0.84WSP10 1.89 0.49 0.89 1.69CK 1.72 0.54 11.08 19.063 结论与讨论本试验选取了3种不同跨度的组装式日光温室进行光热环境性能研究 ,随着温室跨度的增加 ,温室的结构参数相应的也随之不同 。因此 ,分析了温室墙体热工性能的综合 ,认为冬季组装温室是由于墙体蓄热性能差 ,随跨度增加 ,前屋面散热面积增大 ,在冬季表现出跨度越大 ,温室保温性能越差的变化特征 。组装温室表现出升温速度快 ,但降温速度也快的特点 ,1月份 ,8m、9m、10m跨度组装温室平均升温幅度分别较对照温室高3.87℃、5.58℃和5.08℃,而传统土墙温室的最低温度则高于组装温室1.27℃~5.30℃。随着组装温室随跨度增加 ,室内温度变化越剧烈 。1月 份9m和10m跨 度 组 装 温 室 升 温 速 度 为6.97和6.88℃/h,每 日 平 均 升 温 幅 度27.45℃和26.95℃,明显高于8m跨度组装温室 。而晚间8m跨32 中国农机化学报 2018年度温室最低温度较9m和10m跨度温室高1.33℃、4.04℃,8m跨 度 组 装 温 室 温 度 变 化 较9m和10m平缓 。各温室的太阳辐射量表现出随太阳高度角的升高而增加 ,随跨度增大而减小的趋势 。1月份8m跨度组装温室的月平均太阳辐射量为88.08W/m2,平均透光率为75.11%,分别高于9m和10m跨度组装温 室2.26、9.00W/m2和1.92%、7.76%。2月份9m跨度组装温室由于采光屋面角大 ,太阳辐射量上升较快 ,平均太阳辐射量高于8m跨度组装温室1.98W/m2,透光率高1.06%。综上所述 ,由于组装式日光温室墙体蓄热性能不足 ,在冬季表现出跨度越大 ,温室保温性能越差的变化特征 。所以 ,今后在组装式日光温室的设计建设中 ,若没有辅助补温设备的情况下 ,不宜过度增加跨度 ,要根据生产需要 ,合理进行组装温室结构参数的设计 。参考文献[1]魏晓明 ,周长吉 ,曹楠 ,等.中国日光温室结构及性能的演变 [J].江苏农业学报 ,2012,28(4)855~860.Wei Xiaoming,Zhou Changji,Cao Nan.Evolution of struc-ture and performance of Chinese solar greenhouse[J].Jian-gsu Academy Agricultural Sciences,2012,28(4)855~860.[2]牛贞福 ,黄振轩 ,国淑梅 ,等.双屋面日光温室建造设计及其环境动态变化分析 [J].中国农机化学报 ,2016,37(6)74~78.Niu Zhenfu,Huang Zhenxuan,Guo Shumei,et al.Con-struction design and 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order to study the span that impacts on the temperature and photo-thermal environment of the assembled solar green-house,as controls,we select the local ordinary assembled solar greenhouses with 8m,9mand 10mspan,observe the environmenttemperature and light performance and analyze the wal thermal performance.The results show that the thermal stability of wals ofassembled solar greenhouse is much lower than that of ordinary greenhouse,the mean minimum temperature is 1.27~5.30℃lowerthan the ordinary solar greenhouse.The performance of thermal insulation and lighting decreases with the increase of spans.In Janu-ary,the mean minimum temperature of 8mspan assembled greenhouse is 1.33℃and 4.04℃higher than that of 9mand 10mspan as-sembled greenhouses.and light transmittance is 1.93%and 7.67%higher,and the lowest indoor and outdoor temperature differencecan reach 30.09℃.The assembly greenhouses increase with the span and the indoor temperature changes fiercer According to thecomprehensive analysis,in winter,the general thermal insulation performance of 8mspan greenhouse is best.The insulation perform-ance of the assembled greenhouse decreases with the increase of greenhouse spans.Therefore,it is inappropriate to increase the spansof assembled greenhouses without ancilary heating sources.Keywordsassembled solar greenhouse;span;temperature;solar radiation;performance(上接第27页 )[3]王涛.SACT1.1多层堆肥系统设计及改进分析[J].城镇给水排水 ,2016,(3)12~16.[4]王涛 ,邢家乐 ,兰轩花 ,等.SACT污泥高温好氧发酵技术典型案例分析 [J].城镇给水排水 ,2014,(1)24~27.[5]李 宜 海.机械优化设计的数学建模及求解中的几个问题 [J].煤矿现代化 ,2008,(3)80~81.[6]张宝岩.翻抛机翻抛装置的仿真分析[D].柳州广西科技大学 ,2015.Zhang Baoyan.Simulation and analysis of work part of fer-tilizer windrow turner[D].LiuzhouGuangxi Universityof Science and Technology,2015.[7]白威涛.槽式翻抛机工作部件的研究与设计[D].杭州浙江理工大学 ,2015.Bai Weitao.Study and design of working parts of troughed compostturner[D].HangzhouZhejiang Sci-Tech University,2015.[8]黄娥慧 ,梁诗华 ,张亚峰 ,等.双向槽式翻堆机运动参数优化研究试验 [J].机电技术 ,2016,(12)18~21,34.[9]李 宜 海.机械优化设计的数学建模及求解中的几个问题 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of the sludge to find the relationship between the bladeangle and the distance.Keywordsblade of compost turner;blade angle;mathematical model;turning distance

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