0、引言
光溫室是一種復雜的熱交換體，在太陽輻射時，日光溫室中的墻體、土壤、空氣、塑料薄膜甚至溫室中的作物吸收太陽的熱量，一部分通過熱傳導儲存在溫室內部，一部分通過對流和輻射傳遞出去;在夜間，儲存的熱量又以熱傳遞或者對流的方式，通過墻體、前屋面、后屋面以及土層等傳遞到日光溫室外界。日光溫室與環境間的熱量交換無時無刻都在發生，其中主要的影響因素是日光溫室墻體材料的熱工性能。因此，國內外專家對日光溫室墻體的熱工性能進行了廣泛的研究，包括墻體蓄熱性能、新型墻體材料的開發和復合墻體熱傳導特性等方面。
墻體結構是日光溫室的重要組成元素。學者們不斷提出新型墻體材料，如復合相變蓄熱墻體材料、填充秸稈的粉煤灰砌塊及墻體填充材料等在日光溫室墻體方面做了大量研究，不斷地開發新型墻體材料，以彌補夯實土墻體日光溫室的缺陷。新型材料的開發不但提高了日光溫室建造成本，而且也不利于循環農業、生態農業的發展。農作物秸稈質輕多孔，封閉型節間空腔存在大量不流動的空氣，是一種天然絕熱材料，具備良好的保溫隔熱性能，并且具有可再生、來源廣泛、價格低廉等優勢，是潛在的日光溫室墻體材料。
筆者前期研究發現，與土墻體日光溫室相比，秸稈塊墻體日光溫室的空氣溫度晴天時較高，陰雨天和夜間溫度較低。為分析上述原因，本文測量了日光溫室的各組成結構的熱工性能，分析了墻體溫度分布以及室內空氣和土壤溫度，為秸稈塊墻體日光溫室的進一步優化設計提供理論依據。
1、供試日光溫室結構
3座供試日光溫室均位于江蘇省宿遷市宿城區農業園區\\(東經118°15'0''，北緯33°58'12''\\)，一座為夯實土墻體，兩座為秸稈塊墻體。
土墻體日光溫室建造于2009年6月，記作SWG。
土墻體日光溫室下沉0．3m，長96m，跨度11m;北墻高3．5m，脊高4．0m;山墻和北墻基部寬6．0m，頂部寬2．0m，平均厚度為4．0m。
兩座秸稈塊墻體日光溫室規格為:長96m，跨度11m，北墻高3m，脊高3．5m。其中，一座秸稈塊墻體日光溫室的基礎\\(包括山墻和北墻\\)為空心磚碼砌，記作SBWG1?？招拇u尺寸規格為390mm\\(長\\)×190mm\\(寬\\)×190mm\\(高\\)，空心部分尺寸為165mm\\(長\\)×150mm\\(寬\\)×190mm\\(高\\)，空心部分填充土壤;山墻基礎尺寸為10．4m\\(長\\)×0．46m\\(寬\\)×0．4m\\(高\\)，后墻基礎尺寸為96m\\(長\\)×0．46m\\(寬\\)×0．4m\\(高\\)，秸稈塊墻體厚度0．46米。另一座秸稈塊墻體日光溫室的山墻和北墻基礎為夯實土，秸稈塊墻體厚度0．6m，記作SBWG2。兩座秸稈塊墻體日光溫室的墻體均由支撐立柱和秸稈塊組合而成，墻體外側覆蓋彩鋼瓦，彩鋼瓦厚度0．6mm，輕鋼支架規格為60mm×60mm×3mm，成對支架間距離依墻體厚度而定，溫室長度方向相鄰支架間距3．6m。
3種墻體結構的日光溫室后屋面自內向外依次為塑料薄膜、兩層草簾、1層保溫被、1層無紡布和1層塑料薄膜。其中，塑料薄膜為EVA長壽無滴膜，厚度為0．12mm;草簾規格為9m\\(長\\)×1．1m\\(寬\\)，厚度3cm;保溫被為雙面防水性，芯層為絲綿，規格為400g/m2，厚度為5cm;無紡布規格為100g/m2，厚度0．5cm;前屋面為1層EVA長壽無滴膜和雙面防水性保溫被，規格與后屋面薄膜和保溫被一致。
為了保證對比效果，溫室內均種植了黃瓜，定值時間一致，晴天時上午9:00卷起保溫被，下午17:00覆蓋保溫被，3座日光溫室澆水灌溉、放風換氣一致。
2、試驗方法
2．1導熱系數測定方法
利用導熱系數測定儀\\(DRM－II，湘潭市儀器儀表有限公司\\)分析日光溫室墻體結構中各材料的熱工性能，導熱系數范圍為0．01～2W/m·K，測試精度＜3%，重復性誤差＜1%。
2．2墻體材料的熱工參數計算方法
不同結構日光溫室中各材料的導熱系數由導熱系數測定儀測得，熱阻、蓄熱系數、熱惰性指標等根據GB50176－93\\(民用建筑熱工設計規范\\)中相關公式計算而得。
2．3不同日光溫室中溫度測定方法
試驗中數據采集采用定時采集記錄，自2013年11月1日開始至2014年6月1日結束，每月1號上午9:00開始測量并記錄相應溫度值。
2．3．1后墻墻體溫度分布
在不同日光溫室北墻各布置27個測試點，東西方向為日光溫室長度的1/4、1/2和3/4處，垂直方向距離地面0．5、1．5、2．5m，墻體厚度方向位于距離墻體內表面0、15、30cm的位置，各測試點布置水銀式溫度計。
2．3．2溫室內空氣溫濕度
在不同日光溫室土壤中各布置6個測試點，包括3個干球溫度測試點和3個濕球溫度測試點，位于溫室東西方向長度的1/4、1/2和3/4處。分別記錄各點的干濕球溫度，通過干球溫度和干濕球溫度差查詢溫室的空氣濕度。
2．3．3土壤溫度分布
在不同日光溫室室內土壤中各布置9個測試點，東西方向為日光溫室長度的1/4、1/2和3/4處，跨度方向為中間位置，測定土壤深度為0cm、10cm和20cm處的溫度，各測試點布置水銀式溫度計。
3、結果與討論
3．1日光溫室墻體材料熱工性能分析
日光溫室各組成結構的熱工性能與溫室內的環境溫度有直接的關系，不同材料的熱工性能如表1所示。其中，日光溫室的墻體具有保溫和蓄熱的雙重性能，墻體的熱阻、導熱系數和蓄熱系數直接關系到日光溫室的環境溫度。從表1可以看出，厚度為0．6m的秸稈塊墻體的熱阻\\(8．746m2·K/W\\)是平均厚度4．0m土墻體熱阻\\(3．448m2·K/W\\)的2．54倍，但土墻體導熱系數和蓄熱系數分別是厚度為0．6m秸稈塊墻體導熱系數的16．91倍和11．42倍，土墻體的熱惰性指標是秸稈塊墻體熱惰性指標的4．51倍?？梢?，秸稈塊墻體具有較好的保溫性能，但在蓄熱性能方面需要提高。
從表1中還可以發現，空心磚的導熱系數是秸稈塊墻體和土墻體導熱系數的8．18倍和0．48倍。由此可以判斷，與秸稈塊墻體相比，空心磚基礎和夯實土基礎成為日光溫室墻體結構中的熱橋，溫室土壤中的熱量很容易流失到室外土壤中。因此，在秸稈塊墻體日光溫室中構建防寒溝對維持日光溫室中土壤的熱量具有重要的作用。
從上面分析可知，土墻體蓄熱性能最好，其次是建有空心磚基礎的秸稈塊墻體，最差的是秸稈塊墻體。雖然土墻體具有較好的蓄熱性能，但是土墻體的導熱系數較大，很容易造成熱量的流失。另外，平均厚度4．0m的土墻體占用了大量的耕地面積，以建造凈內部跨度為10m日光溫室為例，秸稈塊墻體日光溫室占地10．46m2，土墻體溫室占地16m2，與后者相比土地利用率提高34．6%。
根據GB/T19165－2003《日光溫室和塑料大棚結構與性能要求》中規定環境溫度為－5℃時墻體的最低熱阻為1．1m2·K/W，后屋面的最低熱阻為1．4m2·K/W。與試驗中的秸稈塊墻體日光溫室相比，秸稈塊墻體和后屋面的熱阻\\(以兩層草簾、一層無紡布和一層保溫被計\\)分別為8．746m2·K/W和2．38m2·K/W，試驗中的秸稈塊墻體遠遠高于GB/T19165－2003的要求。
3．2墻體厚度方向溫度分布
日光溫室結構中墻體、后屋面以及土壤是維持日光溫室熱平衡的重要元素。其中，后墻的溫度變化反映了后墻向室內釋放熱量的多少。試驗期間，各日光溫室中后墻沿厚度方向溫度的變化如圖1所示。從圖1中可以看出，雖然3種墻體結構和厚度各不相同，但墻體溫度呈現出由墻體內表面向外表面逐漸降低的趨勢，這與黃雪研究結果一致。試驗期間，SBWG1、SBWG2和SWG內表面、距離內表面10cm和30cm處平均溫度分別為27．7、17．4、14．2、28．0、18．2、14．5，30．8、23．9、21．8℃。各溫室墻體溫度在厚度方向衰減頻率分別為1．03、0．32、0．98、0．37、0．69、0．21℃/cm。
比較SBWG1與SBWG2發現，二者內表面溫度基本一致，但由于SBWG1墻體厚度為0．46m、SBWG2墻體厚度為0．6m，導致SBWG1中10cm和30cm處溫度比SBWG2相應位置溫度略低。當墻體內表面在不同時間受太陽輻射時，秸稈塊墻體內表面溫度隨時間變化不明顯，但距離內表面10cm和30cm處墻體溫度隨時間變化顯著，1－2月份溫度明顯降低。結合表1可知，其原因是秸稈塊墻體的導熱系數和蓄熱系數比較低，太陽輻射的熱量不易傳遞到秸稈塊墻體內部，秸稈塊墻體蓄積的熱量少，秸稈塊墻體內部溫度變化較大，在無太陽輻射時向溫室內釋放的熱量降低。
分析SWG中墻體溫度分布發現，土墻體各層次溫度變化隨時間變化均不明顯，尤其是在1、2月份，墻體內部各層次的溫度并未因外界溫度降低而降低，表明土墻體厚度方向存在熱量傳遞，這與表1中土墻體導熱系數和蓄熱系數較高是一致的。由此可知，土墻體各層次容易發生熱量的交換和傳遞，土墻體中各層次溫度變化隨季節變化不明顯，日變化明顯［14］。
3．3不同日光溫室中空氣溫濕度變化
日光溫室中環境溫度受季節變化的影響，同時受到太陽輻射以及墻體和土壤熱蓄熱量的影響，直接關系到溫室內作物的生長。不同墻體日光溫室中空氣的溫濕度變化如圖2所示。從圖2中發現，各溫室內空氣的溫度呈現先降低后升高的趨勢，這與溫室外環境的溫度變化一致。試驗期間，室外環境的平均溫度為14．8℃，平均濕度為46．7%，溫室SBWG1、SBWG2和SWG中空氣的平均溫度分別為30．8、32．1、32．6℃，空氣的平均濕度分別為71．4%、68．9%和81．4%。
其中，2月份環境的最低溫度為4．1℃，此時各溫室內空氣的溫度分別為33．5、35．8、35．1℃，說明不同墻體結構的日光溫室均有很好的保溫效果。
比較SBWG1和SBWG2發現，SBWG2中空氣平均溫度比SBWG1中空氣溫度提高了1．3℃，空氣濕度降低了2．5%。2月份時，SBWG2中空氣溫度比SB-WG1中空氣溫度高2．3℃，比SBWG1中空氣濕度低8%。這是由于SBWG2中秸稈塊墻體厚度增加的原因，同時也說明增加秸稈塊墻體的厚度不僅提高了秸稈塊墻體的蓄熱能力，而且提高了平衡溫室內空氣濕度的能力。
與SWG比較發現，土墻體日光溫室中空氣的溫度比SBWG1高1．6℃，與SBWG2中空氣溫度基本一致。王倩等研究發現，下沉式日光溫室氣溫高出黃淮改良型日光溫室5～8℃;但在本研究中發現，SWG中空氣溫度比SBWG1高出僅1．8℃，比SBWG2僅高0．5℃，體現了秸稈塊墻體優良的保溫性能。土墻體為下沉式結構，而且土墻體蓄熱系數高于秸稈塊墻體的蓄熱系數，土墻體向溫室環境中釋放的熱量更多，進而維持了較高的空氣溫度。
此外，從溫室空氣濕度來看，土墻體空氣濕度最高，這是由于宿遷地區地下水位較高、土墻體溫室中土壤含水率高所致?？諝鉂穸仍谝欢ǔ潭壬咸岣吡送翂w中空氣的蓄熱量，也是造成土墻體日光溫室中溫度較高的一個因素。
3．4不同日光溫室中土壤溫度分布
土壤溫度是土壤環境的重要元素，與作物的生長密切相關。通常條件下，土壤溫度的年變化呈現單峰曲線，但在日光溫室微環境的影響下，日光溫室中土壤的變化有所不同，不同條件下土壤溫度變化如圖3所示。從圖3中溫室外土壤的溫度變化發現，受季節變化的影響，室外土壤最低溫度出現在2月份，從2013年11月份開始土壤溫度逐漸降低，次年3月份開始土壤溫度逐漸回升。溫室外面土壤在2月份時0、10、20cm的溫度分別為3．4、0．5、1．8℃。相對于溫室外面土壤溫度而言，溫室內部土壤溫度變化相對穩定。日光溫室中土壤的最低溫度也出現在2月份，SBWG1、SBWG2和SWG溫室中0、10、20cm的溫度分別為26．2、14．1、13．9，25．2、16．5、15．1、27．2、17．5、17．2℃。
比較SBWG1與SBWG2發現，二者土壤表面溫度基本一致，因為SBWG1的墻體基礎為空心磚，SBWG2墻體墻體基礎為夯實土壤;而空心磚的導熱系數大于夯實土的導熱系數，造成SBWG1中土壤熱量通過空心磚向溫室外面土壤中散失，因此SBWG1中土壤溫度低于SBWG2中土壤的溫度。與SWG比較發現，土墻體日光溫室中土壤溫度高于秸稈塊墻體溫度:一方面是土墻體日光溫室為下沉式結構，土壤中熱量向溫室外面散失的較少;另一方面土墻體的蓄熱系數較高，土墻體中的熱量釋放到溫室環境中，減少了土墻體日光溫室中土壤向溫室環境中釋放，導致SWG中土壤溫度較高。
雖然秸稈塊墻體日光溫室中土壤溫度不及土墻體日光溫室中土壤溫度，但在試驗期間土壤的最低溫度為13．9℃，該溫度依然能夠滿足作物的生長。此外，還可以通過將空心磚基礎和夯實土基礎該為秸稈塊結構，進一步減少土壤中熱量的流失，提高秸稈塊墻體日光溫室中土壤溫度。
4、結論
秸稈塊墻體具有較低的導熱系數，厚度為0．6m的秸稈塊墻體的熱阻是平均厚度4．0m土墻體熱阻的2．54倍;秸稈塊墻體日光溫室的土地利用率可提高34．6%，空氣濕度比土墻體降低12．3%～15．4%。由于秸稈塊墻體的蓄熱系數較低，在空氣和土壤溫度方面比土墻體略差，秸稈塊墻體空氣溫度和土壤溫度比土墻體低0．5～1．8℃和1．6～2．5℃。土墻體厚度方向的溫度衰速率最小，其次是是0．6m厚秸稈塊墻體，0．46m厚秸稈塊墻體溫度衰減速率最快。
此外，由于墻體結構不同，兩種秸稈塊墻體日光溫室保溫性能不同。與0．46m厚秸稈塊墻體相比，0．6m厚秸稈塊墻體日光溫室中空氣溫度提高了1．3℃，空氣濕度降低了2．5%。2月份時，SBWG2中空氣溫度比SBWG1中空氣溫度高2．3℃，比SBWG1中空氣濕度低8%。
參考文獻:
［1］王謙，陳景玲，孫治強，等．冬季日光溫室北墻內表面熱流分析［J］．中國農業氣象，2010，31\\(2\\):225－229．［2］白義奎，劉文合，柴宇，等．防寒溝對日光溫室橫向地溫的影響［J］．沈陽農業大學學報，2004，35\\(5－6\\):595－597．
［3］王云冰，鄒志榮，楊建軍，等．高效保溫材料在日光溫室后屋面中的應用研究［J］．西北農林科技大學學報:自然科學版，2010，38\\(1\\):173－180．
［4］王爍．基于日光溫室溫度模型的墻體熱量釋放控制研究［D］．北京:中國農業科學院，2010:6．
