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不同材料墙体对温室温效应的影响
梁楠1 卢志权2 蒋欣梅1* 于锡宏1* 吴凤芝1（1 东北农业大学园艺学院，黑龙江哈尔滨 150030；2 辽源市农业科学院，吉林辽源 136200）
黑龙江省地处中国的最北部，冬季寒冷且漫长，加温耗能成为温室冬季蔬菜生产的主要障碍。据资料显示，用于温室加热耗能的费用占总生产成本的70% 左右，严重制约了黑龙江省设施蔬菜产业的发展。陈端生等（1990）和亢树华等（1992）先后以珍珠岩作隔热材料研究了不同砖墙结构的墙体热贡献，发现热性能越好的墙体对温室的热贡献越大。白义奎等（2003）研究表明采用聚苯板为墙体保温层的夹心墙具有很好的保温效果。采用混凝土砌块、岩石、粉煤灰砖作为墙体内表面蓄热材料，产生的昼夜温差小，热稳定性好，蓄热效果优于红砖（白义奎 等，2006）。徐刚毅（1997）以北京地区为例，认为墙体总厚度为37 cm，内填12 cm 厚聚乙烯发泡边角料的温室最为经济，造价最低，耗砖量最少，易于施工，且保温效果与炉渣保温墙体（240mm 厚砖墙+240 mm 厚炉渣+240 mm 厚砖墙）相同。随着北方冬季极端天气（极端低温，连续阴天等）出现频率的逐渐增多，以户外极限温度-30 ℃为设计标准的墙体已不能满足温室冬季生产的节能需要。为此，本试验以-40 ℃的户外温度为设计标准，以红砖材料墙体作对照，研究不同材料墙体对温室温效应的影响，旨在筛选出更好的温室墙体，使筛选出的新型墙体温室在不加温的条件下最低温度达到5 ℃以上，能够满足半耐寒蔬菜的生长，为今后日光温室的建造提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
本试验于2010 年7 月至2012 年6 月在东北农业大学设施中心进行。温室墙体材料包括普通红砖、20 孔圆孔多孔砖、蒸压粉煤灰砖、夹心复合板材、挤塑板（XPS）和聚苯板（EPS）。具体参数见表1。
1.2 试验方法
1.2.1 温室建造
在墙体总热阻值相同的前提下，利用不同的墙体材料建造4 栋不同墙体结构的温室。温室方位为坐北朝南偏西3°（即真南偏西3°），温室长5.3 m，跨度3 m，脊高1.7 m，后墙高1.1 m，前屋面角为30°，后屋面角为36°，钢筋拱架间距1 m，透明覆盖物为哈尔滨第五塑料厂生产的日光温室专用膜，保温覆盖物为2.5 m×4.0 m 棉被，厚度3 cm，后坡由内到外采用建筑模板+油毡纸+ 20 cm EPS + 2 cm 水泥抹面+沥青防水卷材。温室间距为4.5 m。温室墙体结构设3 个处理，即从内到外为240 mm 20 孔圆孔多孔砖+120 mmXPS+25 mm 水泥砂浆（代码为D-X）、240 mm 蒸压粉煤灰砖+120 mm XPS+25 mm 水泥砂浆（代码为F-X）、90 mm 夹心复合墙体（凸式）+115 mm XPS + 25 mm 水泥砂浆（代码为J-X），以常规墙体（即从内到外为240 mm 红砖+120 mm EPS+120 mm 红砖）作为对照（代码为CK）。
在墙体总热阻值相同的前提下，利用不同的墙体材料建造4 栋不同墙体结构的温室。温室方位为坐北朝南偏西3°（即真南偏西3°），温室长5.3 m，跨度3 m，脊高1.7 m，后墙高1.1 m，前屋面角为30°，后屋面角为36°，钢筋拱架间距1 m，透明覆盖物为哈尔滨第五塑料厂生产的日光温室专用膜，保温覆盖物为2.5 m×4.0 m 棉被，厚度3 cm，后坡由内到外采用建筑模板+油毡纸+ 20 cm EPS + 2 cm 水泥抹面+沥青防水卷材。温室间距为4.5 m。温室墙体结构设3 个处理，即从内到外为240 mm 20 孔圆孔多孔砖+120 mmXPS+25 mm 水泥砂浆（代码为D-X）、240 mm 蒸压粉煤灰砖+120 mm XPS+25 mm 水泥砂浆（代码为F-X）、90 mm 夹心复合墙体（凸式）+115 mm XPS + 25 mm 水泥砂浆（代码为J-X），以常规墙体（即从内到外为240 mm 红砖+120 mm EPS+120 mm 红砖）作为对照（代码为CK）。
1.2.2 指标测定
温室建成后利用温室环境自动记录仪对墙体的热通量、温室内地温及气温进行测定。其中墙体热通量的测定是在距两侧山墙1.5 m 处墙体内外两侧安置热通量板；地温测定是在温室中部，距前底脚50 cm、中间、距后墙50 cm 3 处的5 cm 土壤中安置温度探头，取其平均值作为土壤温度；温室内气温的测定是在温室后墙东（距山墙80 cm）、中、西（距山墙80cm），距地面高70 cm 且距离后墙表面10 cm 处放置温度探头，取其平均值作为温室内气温。
温室建成后利用温室环境自动记录仪对墙体的热通量、温室内地温及气温进行测定。其中墙体热通量的测定是在距两侧山墙1.5 m 处墙体内外两侧安置热通量板；地温测定是在温室中部，距前底脚50 cm、中间、距后墙50 cm 3 处的5 cm 土壤中安置温度探头，取其平均值作为土壤温度；温室内气温的测定是在温室后墙东（距山墙80 cm）、中、西（距山墙80cm），距地面高70 cm 且距离后墙表面10 cm 处放置温度探头，取其平均值作为温室内气温。
2 结果与分析
2.1 不同材料墙体对温室热通量的影响
2.1.1 不同材料墙体对温室内侧热通量的影响
由图1 可知，4 种不同材料墙体温室内侧的热通量大致变化是相同的，都是在9：00 开始迅速吸热，F-X、D-X、J-X、对 照的吸热量最大值分别为62、56、35、53 W·m-2。其中以F-X 的吸热量最大，且吸收速度也最快，而D-X 与对照之间相差不大，三者明显高于J-X。在14：30 左右4 种墙体开始进入放热状态，总体放热量表现为：F-X＞D-X＞J-X＞对照，其中D-X与F-X 放热量相差不大，J-X 与对照放热量相差不大。
2.1.2 不同材料墙体对温室外侧热通量的影响
通过对温室外侧热通量进行测定，结果表明（图2），对照墙体一直处于向室外放热的状态，而其他3 种墙体在一天中均表现为白天进行少量的吸热、夜间进行放热。总体上吸热量处于高水平的是J-X 墙体，其次为D-X，二者吸热量基本相同。向室外放热最多的是对照，其次为F-X，向室外释放热量最少的是D-X 和J-X，且二者放热量基本相同。
通过对温室外侧热通量进行测定，结果表明（图2），对照墙体一直处于向室外放热的状态，而其他3 种墙体在一天中均表现为白天进行少量的吸热、夜间进行放热。总体上吸热量处于高水平的是J-X 墙体，其次为D-X，二者吸热量基本相同。向室外放热最多的是对照，其次为F-X，向室外释放热量最少的是D-X 和J-X，且二者放热量基本相同。
2.2 不同材料墙体对温室地温的影响
图3、4 表明，温室内部平均地温与最低地温的变化基本相同，在测定时期内均表现为D-X＞F-X＞J-X＞对照。其中F-X、D-X、J-X、对照的平均地温分别为11.8、12.6、 9.6、8.6℃；平均最低地温分别为8.4、8.9、6.8、6.1℃。总体上，F-X 和D-X 的地温差异不明显。
2.3 不同材料墙体对温室气温的影响
对温室平均气温的测定结果表明（图5）：4 种材料墙体温室内的平均气温均表现为波浪式变化，总体来说，4 种材料墙体温室的平均气温与地温变化趋势相同，即D-X ﹥ F-X ﹥ J-X ﹥对照。其中F-X、D-X、J-X、对照的平均气温分别是11.6、12.1、11.4、9.0℃。在测定前期，各温室内的平均气温相差不大，但从11 月底开始，对照温室内平均气温明显低于其他处理温室。
通过对12 月23 日及12 月26 日两个典型天气中的气温进行统计分析（表2）：3 种新型材料墙体温室内的夜间平均气温、夜间最低气温和白天最高气温均在不同程度上高于对照温室。其中D-X 的夜间平均气温和夜间最低气温最高，夜间最低温度达到了5 ℃以上；夜间最低气温较高的为F-X。白天最高气温最高的是F-X，其次为D-X。
3 结论与讨论
温室内部环境受多种因素的影响。李小芳和陈青云（2004）的研究认为，较短温室的山墙对日光温室的各个面的热量有影响，温室越短，阴影率越大，对气温影响越大，方位角也对东西山墙的放热量有所影响，在分析日光温室热量流动的同时，必须加以考虑。而且揭盖棉被的时间不同也可能影响各个处理的热量。刘玉凤等（2012）研究认为，在一定范围内，随着温室跨度的增加，平均气温也随之增加。增加墙体的高度，有利于提高夜间的低温，后墙面积/总表面积的值与温室夜间平均温度呈显著的直线相关，且后墙面积/总表面积的值每增加0.1，温室内夜间温度可提高0.5 ℃（温祥珍 等，2009）。王晓东等（2011）研究认为，增加温室的容积有利于温室的升温，但是不利于保温，容积大的温室，白天平均气温较高，容积小的温室，夜间的平均温度较高。本试验由于受试验场地、试验经费等问题的限制，温室跨度、脊高和后墙高是将哈尔滨地区常用温室按1∶2 比例进行缩小的，可能会造成温室温效应与常规大小温室有一定差别。本试验是在温室墙体热阻值相同的前提下对不同材料墙体进行设计，结果表明，采用240mm 20 孔圆孔多孔砖作为温室内墙、外挂120 mm XPS 板、最外层为25 mm 水泥砂浆的温室墙体结构或240 mm 蒸压粉煤灰砖（处理D-X 或F-X）均可更好地提高温室内地温、气温。温室内温度的变化与墙体的热通量有关，白天太阳光能转化成热能使温室内气温及地温升高，温室内一部分热量被墙体吸收，其中处理F-X 的温室内侧墙体吸热量最大，其次为处理D-X；在夜晚温室墙体向温室内部释放热量，从温室内侧热通量的变化来看，处理F-X 的放热量最大，其次为处理D-X，这就使得温室内无论是气温还是地温均表现为处理D-X 和F-X 处于较高水平。从墙体的建造成本来看， D-X、F-X、J-X、对照分别为425、435、365、475 元·m-2，如果建造温室采用处理D-X 墙体，不仅具有较高的吸热和放热能力，有效提高温室内地温和气温，而且与对照相比可以节约成本10.5%。
多孔砖是以粘土、页岩、粉煤灰为主要原料，经成型、焙烧而成，具有蓄热表面积较大，吸放热较多等特点（孙昆峰和王晓璐，2007）。蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料，掺加适量石膏和集料经混合料制备、压制成型、高压蒸汽养护而成。本试验中蒸压粉煤灰砖和多孔砖均表现为吸热多及放热多的特点，特别是蒸压粉煤灰砖表现得略好些，但是由于蒸压粉煤灰砖具有吸湿性，在温室这种湿度较高的环境下容易造成砖体呈粉状而影响墙体的稳固性，这在今后的温室墙体建造中还需进一步的改进。
