东农三弦式节能日光温室保温性研究 - 图文

农学硕士学位论文

东农三弦式节能日光温室保温性研究

刘在民

东北农业大学

2007年5月

1前言

1.1引言

设施农业也称为工程农业和控制环境农业，即通过人工控制环境因素来满足植物生长发育需要的条件从而获得最大经济效益。设施农业在我国就有风障、阳畦、温床、塑料小棚、塑料中棚、塑料大棚、日光温室、现代温室一系列保护地设施。其中日光温室是我国设施农业发展过程中被实践所选择保存下来的保护地设施，由于它有独到的采光和保温设计，加上造价低廉，冬季无需采暖或只需少量采暖便能栽培喜温性蔬菜和花卉，所以在东北、华北、西北、和华中广为使用（穆天民，2004）。

1.2试验目的和意义

随着中国设施园艺的发展，近年来节能日光温室在高寒地区推广的面积越来越大，到1999年中国园艺设施种植面积为150万公顷，其中节能日光温室的面积为25万多公顷。近年来，黑龙江省节能日光温室建设更是发展迅猛，每年以15%的速度递增，到2003年黑龙江省节能日光温室面积已接近565公顷，对中国园艺业的发展起到了极为重要的作用。高纬地区冬季日照时间比较短，温室效应只在6~7个小时内发挥作用使温室内气温升到25~35℃，但是在下午15时以后，由于温室围护结构强烈向外界放热，特别是塑料膜的贯流放热，使气温急剧下降，为了维持室温，在日落前本来仍有光能可采的情况下，也不得不放弃采光面加盖保温被。如果说采光是获取能源的过程，那么保温则是“守护”能量使其尽量减少损失的措施。如果没有妥善的保温措施相配合，采集到的光能也很容易丧失殆尽，所以保温是不逊于采光的节能措施。日光温室是充分利用太阳能的节能型建筑，最大限度地保存室内热量从而有效地节省能源是温室围护结构设计首先要考虑的问题。提高温室的保温性能,降低能耗,是提高温室生产效益的最直接手段。日光温室温室的保温与采光具有同等重要意义。

节能型日光温室是设施园艺近年来发展的新型产业,是保护地生产的又一创新,也是跨世纪农业工程上的技术革命。高效节能日光温室的设计是以充分利用太阳的辐射热为基础,综合各种配套设施，提高温室的透光性能和保温性能，有效地解决温室冬季生产的不利因素，是高产、高效、优质栽培的最佳农业生产模式，并且有效地提高了土地和其他相关资源的利用率，是北方寒地冬春季进行蔬菜栽培的理想场所。

节能日光温室为改善北方冬春季节蔬菜供应状况做出重大贡献,具有很好的可持续发展性。但是,现有节能日光温室大部分是在总结农户生产经验的基础上发展起来的,在建造过程中由于各地区技术水平不同，缺少相关技术指导，有的脱离当地具体地理位置，甚至盲目模仿建造，导致设施结构不合理,其采光、保温节能效果不好,加之防寒设施不配套,遇到强寒流侵袭或较冷冬季,种植的蔬菜冷害现象普遍发生,生产安全性差，运行费用增加。目前黑龙江省节能率能达到80%的日光温室不到总数的一半，有些结构缺陷大的日光温室只能当塑料大棚使用，而它的投资却是塑料大棚的10倍，投入产出比远远高于塑料大棚。

本研究针对高寒地区日光温室实际生产中热量损失情况严重的问题，通过对日光温室节能保温措施的综合研究，优化采光性和保温性,以达到节约能源、降低温室运行生产成本的目的，从而提高日光温室利用率，实现周年生产，增加经济效益，推动寒地园艺设施的发展。

1.3日光温室热量平衡原理

日光温室热量来自太阳辐射，太阳辐射以短波辐射形式透入温室，被室内的地面、骨架、覆盖材料、植物体、空气、土壤等吸收转化为热能。热能通过长波辐射传导和对流方式进行交换。按能量守恒定律，温室从某时刻开始到另一时刻为止，所增加或减少的热量△Q应等于该时间间隔进入温室的热能Qin与同时间间隔温室以各种方式所散失热能总和Qout之差： △Q=Qin－Qout

当Qin ＞Qout时，贮热在原来基础上增加，温室升温，△Q为正值

当Qin ＜Qout时，原贮的热能会失掉一部分，室温下降，△Q为负值 当Qin =Qout时，收入的热能与支出的相等，△Q=0。 ①温室热量收入Qin

Qin=Qa＋Qb

其中：Qa是温室热量收入的主要途径即太阳辐射，Qb是在中高纬地区寒冷的冬季进行的人工补热 ②温室热量支出Qout

Qout=Qt+Qv+Qs

其中：Qt为贯流放热（围护材料以对流和辐射形式散失的热量），Qv缝隙放热(含热量不同的室内空气与室外空气通过各种通道、孔隙、裂缝互相对流或交换的热量损失)，Qs土壤传热（土壤上下层之间垂直方向的热传导和热量沿土壤水平方向传导造成的热损失）

③温室热能增量或减量△Q

△Q=Q1+Q2+Q3+Q4

其中：△Q是指在温室内发生变化并为损失于温室外界的那部分能量，Q1潜热转换，Q2室内空气蓄热变化，Q3室内各种实物贮热和放热量，Q4光合作用放热和呼吸放热。

综上得出: Qa＋Qb= Qout+△Q

即Qa＋Qb= Qt+Qv+Qs+ （Q1+Q2+Q3+Q4）

所以为了在冬季保证蔬菜作物正常生长、发育，并获得较高的产量，除设计出合理的采光屋面，还要设计出合理的围护结构，严密保温，使得通过围护结构散失的热量减少到最低程度。

1.4国内外研究动态

温室又名暖房、温棚，是一种以玻璃或塑料薄膜等材料作为屋面，用土、砖做成围墙，或者全部以透光覆盖材料作为维护结构，具有充分采光、防寒保温能力，可供冬季或其它不适宜栽培植物的寒冷季节栽培植物的房屋。温室是人类智慧与科技文明的结晶,它改变了农业生产的模式,打破了植物生长的地域和时空界限，推动了农业生产的发展和社会文明的进步，尤其是现代温室,将计算机技术应用于温室建设与管理,已成为现代农业生产发展的生长点和助推器（李萍萍,毛罕平1996）

1.4.1国外设施园艺发展简史

保护地栽培作为一种农业生产方式的出现和发展，在东西方虽有不同点，但却都是在农业发展到一定程度后为了服务于宫廷、贵族才出现的。在公元前12~10世纪，欧洲地中海东岸的腓尼基族人处于最盛时期，即已有关于园艺学的记载。莱蒙（Lemmon）在考证西方保护地发展史时，引用公元前4世纪柏拉图（Plato）著作中关于植物在人工保护地栽培生长的内容。对于保护地的兴起，其中有种说法是罗马帝国的第五代皇帝尼禄（公元37~68年），生病时御医泰斯欧可理泰司让他常吃黄瓜（矢吹万寿1985；雄则三郎，1963）。于是农民利用云母或滑石板片覆盖在坑的上面生产早熟黄瓜。直到16、17世纪欧洲各地设施农业设备才有发展。法国17世纪初，利用木箱种植早熟豌豆。路易十四(1640~1710)最早利用玻璃窗覆盖的温床种植蔬菜，并建成有简单玻璃屋顶的温室，这也是法国最早的玻璃温室。德国于1619年其最早的温室。玻璃温室的出现是在1684年英国伦敦郊外切尔塞的农场。首先建成两层的房子，第一层在4月安装玻璃窗进行作物栽培，第二层为起居室和仓库。1717年又改建曾用玻璃做屋顶的建筑物(Odum.P.E,1967; Taft.I.R,1926)。荷兰1750年出现了促成栽培，1832年全国各地利用木框温室和玻璃温室进行促成栽培。美国的温室是16世纪以来，随着欧洲的移民引入，1764年Games Beekman在纽约建成比欧洲还要简单而粗糙的温室，19世纪，在美国各地推广改进温室，19世纪中期美国各地成立了温室建筑业。日本江户时代，庆长年间（1596-1615)于静冈县采用草框油纸窗温床，培育早春苗，进行类蔬菜早熟栽培，明治元年(1868年)英国商人建造了日本的玻璃温室。太平洋战争（1941）前日本全国共有温室130公顷，战争期间几乎绝迹，战后才得到复兴，至1986年有玻璃温室1891公顷，薄膜温室37195公顷，在面积、生产水平和科学研究等方面都位居世界先进行列（郭富常，1984）

1.4.2我国设施园艺发展简史

我国是温室栽培起源最早的国家，利用保护设施栽培蔬菜有着悠久的历史。据《古文奇字》记载：早在秦始皇时代（即公元前221~前206年间）冬种瓜于骊山沟谷中温处，瓜实成，使人上书曰：“瓜冬有实”（郜庆炉，2003）。据《汉书》记载“自汉世大官园，冬种葱韭菜菇，复以屋庑，昼夜蕴火，得温气诸等皆生……”，可知当时用覆盖栽培，加上昼夜加温，在隆冬季节生产出葱韭菜之类的“不时之物”。 随着“蔡侯纸”的发明和推广，