日光温室围护结构热通量与气象因子的相关性
摘要：引入热通量概念對温室的保温蓄热性能进行评价，通过对比观测对热通量和室内外气象因子的相关性进行了分析。结果表明，总辐射、温室内外温度和热通量相关性较高，但室外温度升降转换的时间比热通量延迟了2～3 h；室内相对湿度对热通量有负调节作用，并且夜间作用小于白天，室外相对湿度夜间达到稳定状态比热通量延迟近2 h，在这期间对热通量的影响很小；室外风速是热通量的一个主要影响因子，但热通量具有较高的稳定性。
关键词：日光温室；围护结构；热通量；气象因子
中图分类号：S625.5+1 文献标识码：A
文章编号：0439-8114（2018）15-0041-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.15.010 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Correlation between Heat Flux and Meteorological Factors of
Solar Greenhouse Envelope
ZHANG Kun1，YANG Bo2，LI Xin1
（1.Tianjin Wuqing Meteorological Bureau，Tianjin 301700，China；2.Tianjin Ninghe Meteorological Bureau，Tianjin 301500，China）
Abstract： Introducing the concept of heat flux to evaluate heat preservation and storage performance of solar greenhouse， by comparing the observation of correlation between heat flux and meteorological factors to analyze， and the results show that： the correlation between total radiation and indoor and outdoor temperature of the greenhouse and heat flux is higher，but the outdoor temperature has a nearly 2～3 h delay to the heat flux on rising and dropping time； indoor relative humidity is a negative regulatory role for heat flux， and the effect is less than it during the day， outdoor relative humidity delays nearly 2 h to heat flux on reaching a steady state， and it has a little impact on the heat flux during night； outdoor wind speed is a major factor on heat flux， but it has a lower stability than heat flux.
Key words： solar greenhouse；envelope；heat flux；meteorological factors
日光温室围护结构的蓄放热功能与气象环境关系密切[1-6]，是影响日光温室热性能的关键部位之一[7-11]。白天墙体内表面吸收的太阳热量一部分通过对流和辐射传热传给室内；一部分通过传导传热给墙体内部，其中部分蓄集在墙体内，部分传导到外部放出；夜间墙体积蓄的热量除继续向外放热，大部分传入温室内部以维持室内温度。热通量是衡量墙体蓄热保温性能的重要指标，它可以表征温室内部通过墙体与外部进行热交换的状况，以及温室墙体的蓄热、放热状态，因此热通量可以作为日光温室蓄热保温性能的评价指标。
评价日光温室的保温性能在农业防灾减灾中有重要作用[12，13]，热通量一直以来都被当作结果进行研究，由于热通量的物理学意义，可以通过墙体的热通量变化对墙体蓄热保温性能进行评价。有关日光温室热通量方面国外早有研究，国内在热通量方面也有一些研究[14-20]，特别对日光温室土壤热通量进行了一系列研究，还对多层覆盖连栋温室以及日光温室的热环境进行了研究。
本研究引入热通量概念对温室的保温蓄热性能进行评价，通过对比观测对热通量和室内外气象因子的相关性进行了分析。温室围护结构热通量在典型的晴天天气条件下，由于室内外的气象因子变化剧烈，导致其具有明显的正弦曲线波峰式的波动；而在阴天条件下，由于各种气象因子都趋于稳定，所以热通量整天都没有显著变化，整体趋势平稳。所以在研究热通量与室内外气象因子的相关性时，仅选取了典型的晴天天气进行试验与分析。
1 材料与方法
1.1 日光温室的结构参数及仪器布置
供试日光温室北墙内侧1.5 m高、后坡内侧中部以及前屋面PVC膜内侧中部各布置1个热通量板；热通量板连接于TRM-ZS1型室内环境监测系统，热通量板相对应的布点都并置了美国HOBO Pro v2型温湿度记录器。
晴天试验于2017年4月29日0：00-23：50进行；阴天试验于2017年3月21日0：00-23：50进行。分别对供试日光温室的西山墙进行连续24 h的热通量及各种常规气象因子的监测，室外气象因子数据由室外气象站采集，数据采集的时间间隔均为10 min。
1.2 方法
利用TRM-ZS1型室内环境监测系统收集典型晴天和阴天天气的日光温室围护结构连续24 h的内表面热通量实测数据，并通过试验基地的室外小型气象站和美国CAMPELL公司的超声风速仪等设备所采集的室内外气候环境因子进行相应的分析。
2 结果与分析
2.1 总辐射对围护结构热通量的影响
如图1所示，太阳辐射是温室内热量的主要直接来源，所以温室内部的总辐射对围护结构的热通量有直接影响。早晨6：40左右完全揭开草帘时，由于太阳瞬间照射进入温室内部，导致温室内的总辐射迅速升高，并且在11：40左右达到最大值717 W/m2，但北墙、后坡和前屋面达到最大值的时间则分别为10：50、10：30和12：10，最大值分别是46、33、-96 W/m2，到达最大值的时间比墙体延迟了1.0 h左右，比前屋面提前了0.5 h左右。温室在18：10左右草帘完全放下，太阳总辐射完全消失为0，北墙在15：50、后坡在14：50热通量开始由正值转向负值；前屋面在17：10开始转向正值，墙体蓄放热状态转换时间比太阳总辐射的消失时间提前了1～2 h。由于前屋面和墙体之间在材料的物理性质和热特性方面存在很大的差異，所以太阳总辐射对前屋面的热通量影响更大，太阳辐射非常微弱的变化就能使前屋面的热通量产生远大于墙体结构产生的波动。可以看出，虽然太阳总辐射对围护结构各个位置热通量的影响直接而显著，并且整体的变化趋势一致，呈现出比较高的相关性，但是两者之间的关系并不是完全对应的。
2.2 室内温度对围护结构热通量的影响
温室外部的太阳辐射对温室内部的总辐射和温度具有强烈的影响，太阳辐射不仅对室内的光照条件产生影响，同时也是温室内温度环境的主要决定因素，温室内的温度环境和太阳总辐射在时间分布和空间分布上有直接关系，所以室内温度对围护结构的热通量也有一定的作用。
从图2可以看出，温室内温度和围护结构热通量的变化趋势与总辐射的类似。室内温度在6：40左右完全揭开草帘时，开始随着太阳辐射的上升而升高。由于热通量的形成受到导热形式的影响，所以温度对其变化趋势有直接影响。室内温度在13：30左右达到最大值38.3 ℃，相比于北墙、后坡和前屋面达到最大值的时间分别为10：50、10：30和12：10，温度峰值大概延迟了1～2 h。随后温度开始持续下降，开始下降的时间也比围护结构的热通量有1～2 h的延迟。但室内温度相对于太阳辐射，整体的下降趋势非常平稳，没有太阳总辐射由峰值迅速下降然后瞬间消失那么剧烈。温室在18：10左右草帘完全放下，虽然在失去总热源太阳辐射以后，温度也随之持续下降，热通量也相应地逐渐升高，但整个夜间温度下降不超过2 ℃，热通量上升北墙不超过1 W/m2，后坡不超过3 W/m2。
由此可见，温室内部墙体附近的温度、太阳总辐射和围护结构热通量的整体变化趋势一致，但开始升降和到达峰值的时间并不完全同步。夜间太阳总辐射为0 W/m2，室内温度保持在20 ℃左右，热通量北墙、后坡和前屋面分别保持在-14、-8、18 W/m2左右。室内温度和热通量的升降程度相似，没有太阳总辐射的变化程度剧烈。
2.3 室内空气相对湿度对围护结构热通量的影响
温室内部空气相对湿度的变化，受到室内水分平衡的直接影响。温室内部的水分变化与室内作物的栽培条件、土壤的蒸发率、水蒸气的凝结率、水蒸气的渗漏率和通风换气影响水蒸气的变化率等因素有关。
在白天，由于温度偏高并且人为进行通风换气，所以前屋面的内表面几乎不发生冷凝现象；然而在夜间，水蒸气在覆盖材料内表面发生冷凝，形成大量水滴，导致前屋面附近温度骤降，湿度增加，吸收大量热量，所以夜间前屋面的冷凝现象不可忽略不计。墙体附近的水蒸气很少凝结成水滴，所以空气相对湿度对墙体热通量的影响相对于前屋面较小。如果温室内部采用无土栽培或者土壤表面用塑料薄膜覆盖，则可以忽略土壤的水气蒸发。而水蒸气又通过潜热形式直接影响温室内部的热平衡。
如图3所示，由于白天温室通风换气，导致温室内的空气相对湿度迅速下降，空气相对湿度和围护结构热通量的变化趋势与太阳总辐射和室内温度相比完全相反，由此可见空气湿度对热通量的影响属于负调节。上午6：40左右，在完全揭开草帘时的85%左右，仅经过2 h，至上午9：00左右就已经下降到了40%左右，在下午4：00-5：00达到最小值20%，夜间凝结的水滴在通风换气和温室内部温度升高的条件下发生相变，吸收了部分热量，可能对围护结构的热通量产生一定影响。当下午放下草帘以后，热通量很快就趋于稳定，但是水蒸气要到夜间20：00以后才逐渐稳定在70%左右，可见在夜间水蒸气对热通量的调节作用有所下降。
2.4 室外温度对围护结构热通量的影响
在热通量的物理形成过程中，涉及到墙体内外表面两侧进行热量流动交换的过程。热通量是指在单位时间内单位面积传递的热量，在传热学中，这种热量从固体壁的一侧通过固体壁面传递到另一侧的过程称为传热过程。
在热传递的过程中导热也是主要形式之一，而温室墙体内外两侧形成的温差就成为导热形式的主要驱动因子。墙体两侧的温差越大，所表现出来的热通量的绝对值就越大，表明墙体热量的传递程度就越高。墙体在白天接受太阳辐射积蓄热量，夜间通过热传导形式，在向温室内部放热维持热平衡的同时也向外界释放一部分热量，损失一部分热量。
如图4所示，室外温度在夜间稳定程度也很高，基本维持在4～7 ℃，在上午8：00以后，室外温度迅速上升，至14：30时达到最大值21.6 ℃，但整个白天室外总体的温差并不大。相比于北墙、后坡和前屋面达到最大值的时间10：50、10：30和12：10，有将近2～3 h的延迟，之后开始持续稳定地下降，在夜间20：00以后达到稳定的13 ℃左右。白天室外温度和墙体的热通量整体趋势都是升高，但是热通量的上升幅度比较大，这是由于温室内部的温度上升程度更大，导致墙体两侧的温差逐渐增大，大量热量积蓄到墙体内部，造成了热通量绝对值偏大。
结果表明，温室外部的温度是热通量形成的因子之一，逐渐增大的墙体两侧的温差是热通量渐渐升高的驱动因子，但其升降转换的时间比热通量延迟了2～3 h，比温室内部的温度还延迟了1 h左右，说明室外温度对热通量的作用不仅属于负调节因子，并且对它的影响要小于室内温度和太阳辐射。
2.5 室外空气相对湿度对围护结构热通量的影响
虽然室内外的空气相对湿度的变化程度相近，但变化的绝对数值有所差异。在试验当天的0：00-18：00，室外的空气相对湿度比室内小10%～20%，但之后到次日凌晨，室内外的空气相对湿度差达到50%左右。室内外的湿度差剧烈的变化可能对墙体的热通量产生影响，由于温室外部温度变化程度小于室内，所以室外空气相对湿度对温度的影响小于室内。
如图5所示，由于白天风速较大且不稳定，导致温室外部的空气相对湿度下降幅度偏大，空气相对湿度对围护结构热通量的影响属于负调节。上午 8：20之前，室外空气相对湿度维持在60%左右，波动幅度较小，但经过1 h以后，至上午9：20左右就已经下降到了27%左右，12：30-17：20达到最小值11%左右，之后至夜间有所升高，但和之前的夜间相比，下降显著，这可能导致次日夜间温度高于前夜，并对围护结构的热通量产生一定影响。
当夜间放下草帘以后，由于室内外温度都比较稳定，墙体传热程度变化较小，所以围护结构的热通量很快就趋于稳定，但是室外空气相对湿度和室内湿度一样，要到夜间20：00以后才逐渐稳定，空气相对湿度在26%左右趋于平稳。由此可见，无论是室内空气湿度还是室外湿度，和热通量的变化趋势都有差异。夜间达到稳定状态的时间比热通量延迟了近2 h，在这期间可以说室外的空气相对湿度对热通量的影响非常小，墙体只是通过周围的温度在对热通量进行调节，在夜间温室外部的水蒸气对围护结构热通量的调节作用也有所减小。
2.6 室外风速对围护结构热通量的影响
温室前屋面的覆盖物把温室内的空气和外界空气完全隔离开，二者之间只能通过通风口进行物质能量交换。空气的流动包括能量和质量两种形式的变化，它影响了温室内部的大多数环境气象因子。通风是由温室内外的压差引起的，而压差则是由外界的风速或内外空气的密度差所引起的。通风的空气流通量取决于外界风速、内外温差以及通风口的大小与形状等因素。
由于风速对温度和空气相对湿度以及其他一些因素都有一定影响，所以它也是热通量变化的一个驱动因子。在夜间，室外风速稳定在1 m/s，和墙体的热通量一样保持稳定状态。上午9：00开始，风速开始逐渐增大，并且非常不稳定，升降幅度在3～9 m/s，一直到夜间20：00以后，才逐渐稳定在2 m/s左右。虽然室外风速基本符合正弦曲线波峰式的波动规律，但热通量的波动显然比室外风速稳定。
从图6可以看出，白天室外风速变化剧烈且无规律，它通过降低室内外温度对墙体的热通量产生影响，所以热通量和室外风速的变化规律和室内外温度基本一致，但内部联系有待进一步分析。
3 结论
通过对日光温室内外各种气象因子的观测和研究，分析了各种气象因子对日光温室围护结构热通量的影响，结果表明：
1）太阳总辐射对围护结构各个位置热通量的影响直接而显著，并且整体的变化趋势一致，呈现出较高的相关性，但是两者之间的關系在时间上并不是完全对应的。
2）室内温度和热通量的升降程度相似，没有太阳总辐射的变化程度剧烈。温室内部墙体附近的温度、太阳总辐射和围护结构热通量的整体变化趋势一致，但开始升降和到达峰值的时间有所差异。
3）白天温室通风换气，温室内的空气相对湿度迅速下降。空气相对湿度和围护结构热通量的变化趋势与太阳总辐射和室内温度相比完全相反，空气湿度对热通量的作用属于负调节，并且在夜间空气相对湿度对热通量的调节作用有所下降。
4）温室外部的温度是热通量形成的因子之一，逐渐增大的墙体两侧的温差是热通量逐渐升高的驱动因子，但其升降转换的时间比热通量延迟了2～3 h，说明室外温度对热通量的作用不仅属于负调节因子，并且对它的影响要小于室内温度和太阳辐射。
5）室外湿度和热通量的变化趋势也有差异。夜间达到稳定状态的时间比热通量延迟了近2 h，在这期间可以说室外的空气相对湿度对热通量的影响非常小。
6）风速对温度和空气相对湿度以及其他一些因素都有一定影响，所以它也是热通量变化的一个驱动因子。虽然室外风速基本符合正弦曲线波峰式的波动规律，但热通量的波动显然比室外风速稳定。
4 讨论
日光温室山墙接收到的太阳直接辐射，随着太阳高度角和墙体方位角的变化而改变，热通量在上午9：00左右即达到最大值，是1 d当中蓄热最关键的时期，作为实心材料的墙体结构，白天接受太阳辐射而积蓄热量，从而对日光温室的热环境产生影响。这与李小芳等[5]的研究结果一致，但其将山墙接受的太阳辐射视为均匀分布，没有考虑到山墙不同部位在同一时刻接收到的太阳辐射有很大差异，这也导致了不同部位在夜间对温室的放热量也有很大差异，其中温室北部接受到的太阳总辐射显著低于墙体南部。
室外风速对热通量的影响程度和温度相近，远低于太阳辐射的影响。室外空气相对湿度对热通量的影响显著大于室内空气相对湿度，均达到0.3以上，这是因为室外水蒸气的多少对太阳辐射的透过率有影响，水蒸气增加导致太阳辐射在进入温室之前，经过反射与折射要损失掉较大部分的能量，降低了温室的太阳辐射透过率，从而对围护结构的热通量产生了影响。
参考文献：
[1] 陈端生，郑海山，刘步洲.日光温室气象环境综合研究Ⅰ墙体、覆盖物热效应研究初报[J].农业工程学报，1990，6（2）：77-81.
[2] 陈端生，郑海山，张建国，等.日光温室气象环境综合研究（三）——几种弧型采光屋面温室内直射光量的比较研究[J].农业工程学报，1992，8（4）：78-82.
[3] 郭慧卿，李振海，张振武，等.日光温室北墙构造与室内温度环境的关系[J].沈阳农业大学学报，1995，26（2）：193-199.
[4] 李惟毅，李兆力，雷海燕，等.农业温室微气候研究综述与理论模型分析[J].农业机械学报，2005，36（5）：137-140.
[5] 李小芳，陈青云.日光温室山墙对室内太阳直接辐射得热量的影响[J].农业工程学报，2004，20（5）：142-146.
[6] 孙忠富，李佑祥，吴毅明，等.北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析——设施农业光环境模拟分析研究之四[J].农业工程学报，1993，9（2）：36-41.
[7] 陈 威，刘 伟，黄素逸.温室及其蓄热层中传热与流动的研究[J].工程热物理学报，2003，24（3）：508-510.
[8] 亢树华，房思强，戴雅东，等.节能型日光温室墙体材料及结构的研究[J].中国蔬菜，1992（6）：1-5.
[9] 李小芳，陈青云.墙体材料及其组合对日光温室墙体保温性能的影响[J].中国生态农业学报，2006，14（4）：185-189.
[10] 佟国红，王铁良，白义奎，等.日光温室墙体传热特性的研究[J].农业工程学报，2003，19（3）：186-189.
[11] 于 威，王铁良，任冰洁，等.辽沈I型日光温室内热平衡的建立及数值模拟[J].节能，2005（8）：22-25.
[12] 刘淑梅，薛庆禹，李 春，等.天津地区不同墙体处理对日光温室保温性能影响初探[J].中国农学通报，2012，28（35）：170-179.
[13] 黎貞发，于 红.持续低温及低温连阴天气下几种典型日光温室保温性能评价[J].中国农学通报，2013，29（23）：123-128.
[14] 伍 琼，严 平，田 红，等.淮河流域农田CO2和热通量日、季节变化特征[J].中国农学通报，2009，25（1）：211-216.
[15] 王春风，刘文兆，朱元骏，等.长武塬区土壤热状况变化特征[J].中国农学通报，2011，27（18）：130-134.
[16] 黄 景，严 平，伍 琼.淮河流域麦田湍流通量输送特征分析[J].中国农学通报，2010，26（14）：319-323.
[17] 史激光.典型草原区生长季湍流通量特征分析[J].中国农学通报，2010，26（15）：357-360.
[18] 童应祥，田 红.寿县小麦下垫面能量平衡闭合状况分析[J].中国农学通报，2009，25（18）：384-387.
[19] 张立杰，江 灏，李 磊.土壤中热量传输计算的研究进展与展望[J].冰川冻土，2004，26（5）：569-575.
[20] 杨红娟，丛振涛，雷志栋.谐波法与双源模型耦合估算土壤热通量和地表蒸散发[J].武汉大学学报（信息科学版），2009，34（6）：706-710.
上一篇：浓妆淡抹总相宜