大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的。通过实验测试、分析及建造成本比较认为：大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高，而显著低于砖墙日光温室。大棚型温室内光照条件在5、6、7月份，无论晴天还是阴天均优于日光温室，特别在温室的北部表现更为突出。良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础。     

日光温室优型结构的研究

对节能型日光温室墙体、后坡及采光面等各项主要结构进行了单项因子温光性能的测试与分析，提出了优型结构的各项参数指标。依据这些参数设计的优型结构温室在鞍山地区冬季严守季节室内外最低温度温差达到３０℃，在不加温的情况下冬季可生产喜温的果菜类蔬菜。     

大棚型日光温室设计及光效应初探

大棚型温室是针对目前北方高寒地区日光温室春夏秋主要生产季节光照条件差的问题而设计的.通过实验测试、分析及建造成本比较认为大棚型温室的建造成本比土打墙日光温室稍高,而显著低于砖墙日光温室.大棚型温室内光照条件在5、6、7月份,无论晴天还是阴天均优于日光温室,特别在温室的北部表现更为突出.良好的光照条件为温室高产、优质奠定了基础.     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。     

基于温光效应的小白菜营养品质模拟模型研究

为了建立小白菜营养品质模型,本研究以小白菜品种“四月慢”为试材设计分期播种试验,测定不同温光条件下小白菜不同时期维生素C、纤维素、可溶性糖以及可溶性蛋白含量等营养品质指标,建立基于温光效应 (Light and temperature function,LTF)的小白菜营养品质数学模型,并利用独立试验资料对模型进行检验。结果表明：本模型对小白菜的维生素C、纤维素、可溶性糖以及可溶性蛋白含量的预测结果回归估计标准误差（RMSE）比辐热积法（Thermal effectiveness and photosynthetically active radiation,TEP）、积温法（Growing degree days,GDD）显著降低,与辐热积法相比,各指标的RMSE分别降低81.14%、77.46%、77.23%、75.53%,与积温法相比则分别降低77.15%、78.77%、79.90%、21.17%,表明模型的预测精度更高。本模型实测值与模拟值间的相关系数（r）均大于0.98,优于辐热积法和积温法的模拟结果,表明模拟值与实测值之间符合度较高。与传统的辐热积法和积温法相比,温光效应法显著提高了小白菜营养品质预测精度,可为耐弱光的温室作物营养品质模拟提供参考。     

基于温光效应的小白菜营养品质模拟模型研究*2

为了建立小白菜营养品质模型,本研究以小白菜品种“四月慢”为试材设计分期播种试验,测定不同温光条件下小白菜不同时期维生素C、纤维素、可溶性糖以及可溶性蛋白含量等营养品质指标,建立基于温光效应(Light and temperature function,LTF)的小白菜营养品质数学模型,并利用独立试验资料对模型进行检验。结果表明：本模型对小白菜的维生素C、纤维素、可溶性糖以及可溶性蛋白含量的预测结果回归估计标准误差（RMSE）比辐热积法（Thermal effectiveness and photosynthetically active radiation,TEP）、积温法（Growing degree days,GDD）显著降低,与辐热积法相比,各指标的RMSE分别降低81.14%、77.46%、77.23%、75.53%,与积温法相比则分别降低77.15%、78.77%、79.90%、21.17%,表明模型的预测精度更高。本模型实测值与模拟值间的相关系数（r）均大于0.98,优于辐热积法和积温法的模拟结果,表明模拟值与实测值之间符合度较高。与传统的辐热积法和积温法相比,温光效应法显著提高了小白菜营养品质预测精度,可为耐弱光的温室作物营养品质模拟提供参考。     

彩钢板保温装配式节能日光温室的温光性能

针对传统日光温室防雨、防雪、防风、防火能力差,以及室内光温环境分布不均匀等问题,研制开发彩钢板保温装配式节能日光温室,该温室骨架为半圆弧形钢结构,采用岩棉彩钢板滑动保温覆盖形式和可移动保温山墙方法,温室跨度12 m、脊高5.5 m、长度65 m,屋面采光角高达41.5°。该日光温室采用水循环系统和空气-地中热交换系统代替土墙和砖墙等蓄热体,解决了装配式日光温室的蓄放热问题,实现了日光温室部件的工厂化生产和安装的标准化装配。与对照（辽沈Ⅲ型土墙日光温室）比较,彩钢板保温装配式节能日光温室脊高前移、位于温室中部,温室后部遮光减少,土地利用率提高20%以上,屋面采光角增加16.3°,采光率提高5.3%,晚间室外大气温度在-25.8℃时,室内气温在13℃以上,室内外温差达到39.1℃,比对照温室提高2.3～3.5℃。彩钢板保温装配式节能日光温室栽培空间大,采光好,升温快,室内横向和纵向光照和温度分布均匀,植株生长整齐,有效解决了传统日光温室抵御雨、雪、风、火自然灾害能力差的问题。该温室集成了大型连体温室温光分布均匀和传统日光温室蓄热保温好的优点,提高了太阳能的利用效率,温室总体温光性能超过对照温室,且滑动覆盖易于实现日光温室保温覆盖件的精准控制,为中国日光温室的自动化控制和现代化提供新途径。     

基于日光温室相变材料的梯形墙体热特性分析

将以石蜡为主的固-液复合相变材料喷涂到日光温室梯形北墙体内表面,对相变涂层温室梯形墙体和普通温室梯形墙体的热流量、北墙内的温度,以及室内外气温进行典型天气和月度变化的测试分析,以探究相变材料应用于日光温室梯形墙体后对室内热环境的影响。结果表明：晴天和阴天,相变涂层温室墙体的日间蓄热量和夜间放热量均显著高于普通温室墙体（P＜0.05）。相变涂层温室墙体与普通温室墙体在同一典型时刻相同部位温度存在一定差异,这种差异随着墙体深度的增加而逐渐减弱,0-300mm墙体内差异最显著（P＜0.05）。相变涂层温室墙体的累积蓄热量日平均值比普通温室墙体高8.1%,累积放热量日平均值比普通温室墙体高14.8%,相变涂层墙体表面和墙体内各层的月平均温度与普通温室墙体温度差异显著（P＜0.05）,相变涂层温室、普通温室和室外的月平均气温分别为9.93、8.63和-8.91℃。说明相变涂层墙体可有效增加墙体蓄放热量,提升温室气温尤其是夜间气温。     

复合相变储能保温砂浆在日光温室中的应用效果

为改善日光温室内作物生长的热环境,该文研制了一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,其相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8 k J/kg。并将50 mm的复合相变保温砂浆用于砖墙日光温室的后墙作为试验温室,与无相变材料的原砖墙温室(即对照温室)进行对比试验。在试验周期内,试验温室的室内日最低温度比对照温室平均高出1.5℃,最高可达2.4℃;其中,阴天试验温室的室内温度比对照温室平均高1.6℃;晴天试验温室的室内最高温度比对照温室低1.7℃,室内最大温差比对照温室低3.1℃,夜间(17:00-次日8:00)试验温室室温比对照温室平均高2.7℃;多云期间,试验温室的室内最高温比对照温室低1.4℃,最大温差比对照温室低3.5℃,夜间试验温室室温比对照温室平均高2.3℃;在相同栽培管理条件下,生长旺盛期和坐果期,试验温室的黄瓜植株高度比对照温室分别平均高出17.1和24.6 cm,试验温室内黄瓜的单果质量和单株结果数分别为对照温室的1.4倍和1.3倍,单株产量为对照温室的1.8倍。试验结果表明,复合相变储能保温砂浆具有良好的保温和蓄、放热效果,对日光温室内的热环境具有明显的改善效果,使其更适于黄瓜的生长。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

基于夜间室内外温差计算方法的日光温室气候分类

为了解决日光温室园艺作物越冬栽培茬口合理安排问题,同时减少低温灾害风险,开展温室保温性评价并进行科学分类。该研究选取天津市3种典型日光温室设置室内外小气候观测试验,结合不同温室构型及建筑材料,基于热传导原理形成日光温室夜间室内外温差计算方法,并以此为基础评价不同类型温室保温能力,进而对天津地区主要日光温室类型进行划分,提出不同类别温室适宜种植蔬菜建议。结果表明：1）温室保温常数γc能较好地反映日光温室保温性能差异,3种典型日光温室保温常数分别为20.34、15.84、13.21。2）温差计算方法可以较好模拟不同类型日光温室室内气温变化,温差模拟值与实测值决定系数（R2）在0.71以上,均方根误差RMSE范围为1.97%～3.86%。3）利用1960-2020年气候观测资料按气候保证率80%计算其最低气温、最小湿度及最小风速值,模拟得到本地不同保温能力日光温室的极端最低温度值为3～14 ℃,按照果蔬生长发育指标需求,提出日光温室分类标准,可分为耐寒叶菜型、叶菜适宜型、果叶混合型、果菜适宜型及喜温果菜型,并在2016-2020年温室改造与评估实际应用中得到验证。该研究可为解决中国日光温室类型多且构型复杂,难以量化评价其保温性能及合理安排种植茬口的难题提供方案参考。     

夏季休闲期不同年限日光温室土壤硝态氮淋溶状况

连续2 a（2006和2007年）研究了夏季休闲前后陕西杨凌示范区13个日光温室0～200 cm土壤剖面氮素的动态变化,以评价夏季休闲期间日光温室栽培下土壤累积硝态氮的淋溶情况。结果表明：日光温室蔬菜收获后不同年限温室0～200 cm土壤剖面累积了大量的硝态氮,2006和2007年不同年限日光温室土壤剖面硝态氮的平均残留量分别为 667.6和781.8 kg/hm2。休闲近2个月后,休闲期间降雨量低的2006年（65 mm）不同温室土壤硝态氮含量及电导率与休闲前相比明显增加;而降雨量高的2007年（214 mm）,土壤剖面残留的硝态氮及电导率显著降低,说明发生硝态氮的淋溶,13个日光温室0～200 cm 土壤剖面硝态氮较夏季休闲前降低量在223.8～658.0 kg/hm2之间,平均为298.5 kg/hm2。不同年限日光温室0～200 cm 土壤剖面硝态氮降低量相比,1998年温室＞2004年温室＞2002年温室,其中1998年的温室土壤剖面硝态氮降低量平均达355.1 kg/hm2。可见,夏季休闲期间的降雨量是影响日光温室栽培土壤累积大量硝态氮发生淋溶损失的主要因素。     

装配式日光温室砌筑不同蓄热墙体的增温和草莓栽培效果

针对西北沙漠地区日光温室冬季夜间室内低温的问题,以新疆和田使用的装配式日光温室为研究对象,通过在温室内北侧砌筑砖墙体、砌块墙体和砌块填充沙土墙体3种材质的蓄热墙体,采用PT100铂电阻温度传感器对试验温室墙体、室内温度进行测试,并进行草莓栽培试验,用ACS-30型天平、LH-B55型数显折光仪进行草莓质量、可溶性固形物含量测量。由试验数据得,3种蓄热墙体体积、尺寸相同条件下,蓄热性能依次是:砌块填充沙土墙体砌块墙体砖墙体。装配式日光温室内砌筑砖墙体、砌块墙体和砌块填充沙土墙体,使得室温较装配式日光温室早晨07:00分别增加2.2、2.9和3.8℃。采用同样的种植管理技术,栽培的草莓开花期分别比原装配式日光温室早7、11和14 d,成熟期早14、17和20 d,单棚产量依次高24.2%、30.1%和33.4%,比装配式温室的草莓可溶性固形物质量分数平均值高1.4、2.1和2.6个百分点。进一步验证了墙体对日光温室热贡献的重要性,且砂浆砌块墙体比砖墙体增温效果明显,该墙体温室更适宜草莓生长。新砌筑墙体蓄热量与装配式温室热负荷计算数值一致,表明在没有其他加温设施的情况下,温室内新砌的墙体是室内夜间热源,可使温室内温度增加。该文为西北沙漠区日光温室墙体蓄热材料和结构设计提供参考,为日光温室内砂浆砌块的应用研究提供了依据。     

不同有机肥对日光温室黄瓜土壤氮运移影响的研究

研究了两种有机肥（腐熟牛粪和烘干鸡粪）作底肥及其与化学氮肥（尿素）配施对黄瓜（Cucumis sativus L．）日光温室栽培条件下的土壤NO3^--N运移特点。结果表明，烘干鸡粪和腐熟牛粪的矿化均可增加温室内土壤NO3^--N积累，黄瓜收获后分别比不施肥（对照）增加了118．2％和118．8％（0—30cm土层）；腐熟牛粪和烘干鸡粪与化学氮肥配施后，可使土壤表层（0—30cm）NO3^--N含量分别增加225．5％和321．9％，而使温室深层土壤（60-90cm）NO3^--N含量分别增加167．6％和184．2％，故本试验条件下无论增施腐熟牛粪还是烘干鸡粪作底肥均可显著提高土壤NO3^--N积累，进一步追施化学氮肥则使土壤NO3^--N积累相应显著提高，而两种有机肥处理之间对温室土壤NO3^--N积累的影响无显著差异。     

响应面设计法在温室番茄栽培中的应用

为优化温室番茄的栽培条件,试验研究了不同栽培密度、施氮量和施钾量对日光温室番茄产量的影响。通过中心复合试验设计,构建三因素（栽培密度,氮肥,钾肥）五水平的响应面设计方法并建立番茄产量与三因子的二次回归数学模型。结果表明:三因素对温室番茄产量均有显著的影响（p0.01）,影响的大小顺序为栽培密度施钾量施氮量;栽培密度与施氮量、施钾量之间存在显著的交互作用（p0.01）,施氮量与施钾量之间的相互作用对番茄产量影响不显著（p0.05）;多元二次回归分析结果显示,栽培密度、施氮量、施钾量与番茄产量之间的回归模型高度显著（p0.01）。统计分析确定温室番茄的最佳栽培条件为:栽培密度4.83万株/hm2,施氮量262 kg/hm2,施钾量513kg/hm2;在此条件下,温室番茄产量的预测值为119381kg/hm2,验证试验所得产量为121005kg/hm2。本研究为日光温室番茄高产、稳产和优质提供了理论依据。     

地震作用在温室荷载组合中的控制效应

农业温室结构刚度小、自重轻、地震响应小,对抗震的要求各国不同。为探讨中国农业温室合理的抗震设计方法,该研究以屋面透光覆盖材料中最重的玻璃温室为研究对象,按照《建筑抗震设计规范》要求,选择两个规则形和一个不规则形平面布局,运用MidasGen计算软件,以恒活风雪荷载为基础,对不考虑地震作用的a类荷载组合和考虑地震作用后增加的e类荷载组合进行比较,以构件的最大应力比为评判指标,以地震烈度为变量,分别选取7度(0.10g)、7度(0.15g)、8度(0.20g)、8度(0.30g)和9度(0.40g)(g为重力加速度)来研究地震作用的控制效应。计算结果表明在地震烈度为7度时,规则和不规则平面的温室,均是不考虑地震作用的a类荷载组合下的应力比更大,即地震作用不起控制作用。地震烈度达到8度(0.20g)时,对于规则平面温室的中柱和侧墙柱,考虑地震作用的e类荷载组合应力比已经非常接近a类荷载组合;对于不规则平面温室的个别凹角立柱,e类应力比(0.31)略大于a类(0.29);当地震烈度达到8度(0.30g)时,对于规则平面温室的个别构件,e类应力比(0.36)大于a类(0.29),最大应力比已经受地震作用控制。结合中国最小风荷载地区地震烈度表,提出在中国玻璃温室设计时,8度(0.20g)及以下地区可不考虑地震作用计算,8度(0.30g)及以上地区应考虑地震作用计算,此外,以塑料薄膜为透光覆盖材料的连栋塑料温室、塑料大棚以及日光温室在任何情况下都可以不考虑地震作用。该研究结果可为国内温室结构设计规范的制定和具体工程设计提供理论依据。     

日光温室荷载组合方法及应用

荷载组合是日光温室结构设计的前提和依据，为了使工程设计人员科学认识和正确使用荷载组合，需要对日光温室的荷载特点、组合效应进行分析和构建。该研究分析了日光温室荷载的特征，通过分析国家规范体系中对结构设计荷载组合的要求，并以北京地区日光温室为例，分析了12个荷载工况下温室骨架的最大应力比，表明多种可变荷载成为主导荷载的可能性；研究提出了基于精确分析所有可能荷载组合的逻辑、方法，并在此基础上研发了日光温室全荷载组合自动生成软件；继续以北京地区日光温室为例，分析了该日光温室在1 216种荷载组合下的最大应力比，与当前普遍采用的预估等简化设计方式进行了比较。分析表明，采用部分荷载组合的日光温室简化设计方法没有涵盖算例中所出现的最不利荷载组合方式，存在组合上的漏洞，而采用"全荷载组合"进行结构分析是必要的、科学的，可以作为新国家规范要求下荷载组合取值的具体方法。应用表明，在电算化条件下，运算时间不到1 s，在工程设计中是高效的。研究结果具有较强的现实意义，可在满足现行国家标准的前提下，直接应用于日光温室工程设计、专业软件开发、既有软件改造升级之中。     

日光温室栽培下土面及整棚氨挥发比较

日光温室氮素投入量高，氨挥发损失是值得关注的问题之一。但目前对温室系统氨挥发排放测定多以土面氨挥发为主，而日光温室是一种半封闭式种植系统，由土面挥发出的部分NH3会被植物冠层吸收或溶解于棚膜水中回流于土壤，因此土面氨挥发难以准确反映日光温室排放到大气中氨的量，从而难以准确估计日光温室栽培系统NH3的实际排放量。为此，采用间歇式密闭室通气法连续测定了三季作物（番茄、西瓜、番茄）生长期间不同施肥处理（包括：不施氮+常规灌溉（N0+FI）、常规施氮+常规灌溉（FT+FI）、优化施氮+常规灌溉（OPT+OI）及优化施氮+优化灌溉（OPT+OI）4个处理）土面氨挥发损失量；同时连续两季采用风量罩测定通风口处气体流量，采用抽气法对通风口处氨浓度进行连续监测，以估算监测整棚（通风口处）氨挥发损失速率及损失量。结果表明，温室施肥后当天土面氨挥发速率出现峰值，7 d后施肥与未施肥对照无显著差异，三季种植期间各施氮处理其氨挥发排放量分别为N 2.82~4.97、6.59~9.97和15.77~21.83 kg hm-2，相应的氨挥发系数分别为0.64%~1.50%、3.11%~4.21%和2.59%~3.90%；整棚氨挥发速率趋势与土面氨挥发基本一致，整棚氨挥发量第二季及第三季分别为N 2.22 kg hm-2和N 2.92 kg hm-2，仅占土面表氨挥发的13.38%~33.69%，氨挥发系数仅为0.46%~1.48%，显著低于土面氨挥发量。可见若以土面氨挥发来估算日光温室氨挥发会显著高估了我国日光温室系统氨挥发损失量，建议采用整棚观测的方法估算日光温室体系氨排放损失。     

相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果

日光温室墙体的保温蓄热性能直接影响温室内气温和作物的生长。该文选用石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比为5∶5制成复合相变材料,以稻壳为载体采用自然吸附法进行吸附得到相变骨料。相变骨料与建筑材料混合制成相变蓄热砌块,并以其为墙体建造相变蓄热温室。采用差示扫描量热法测试复合相变材料和稻壳骨料DSC（热流-温度）曲线,相变温区为15～45℃;复合相变材料的熔解潜热为116.2 kJ/kg,凝固潜热为118.5 kJ/kg,相变稻壳的凝固潜热值为70.63 kJ/kg,熔解潜热值为58.14 kJ/kg。用多点温度计测量相变温室和普通温室室内外气温和墙体内外表面温度,相变温室室内气温波动幅度比对照温室小4.1℃,最低气温比对照高1.7℃,而最高气温则比对照低2.4℃。通过在温室内栽培金鹏一号番茄试验,表明相变温室中番茄的生长状况明显优于普通温室。因此,该文采用的相变蓄热砌块墙体建成的日光温室比普通温室具有更好的蓄热保温性能,更有利于冬季作物生长。     

后墙立体栽培草莓提高冬季日光温室内温度

在日光温室的后墙上,采用管道无土栽培方式进行蔬菜或草莓生产,可以提高温室空间利用率和作物种植量,但可能会出现因为管道和植物的挡光而减少后墙蓄热、降低冬季温室温度的问题。为此,通过冬季连续31 d的温度监测,在3种典型气象（晴天、阴天、雪天）条件下,对比分析了有后墙立体基质栽培的日光温室（solar greenhouse with equipment,ESG）和无后墙立体栽培的日光温室（solar greenhouse with no equipment,NSG）温度环境的变化。监测结果表明,ESG的月平均气温较NSG高0.84℃,其中最大日温差为2.22℃,最小日温差为0.14℃。晴天条件下,ESG的日平均冠层温度和1.5 m高度处的空气温度分别是12.72和13.04℃,NSG分别是10.68和11.04℃;ESG的冠层温度最低值是4.68℃,而NSG最低值是4.10℃。可见,ESG较NSG的气温要略高一些;阴天和雪天条件下,2种温室内的温度环境无显著差别。因此,利用日光温室后墙进行立体基质栽培草莓,不但没有降低反而提高了冬季温室内的温度,是一种可行、值得推广应用的温室高效栽培技术。