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

马月虹，李保明，王国强，刘 娜，刘 德

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

马月虹1,2，李保明1※，王国强2，刘 娜2，刘 德3

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；2. 新疆农业科学院农业机械化研究所，乌鲁木齐 830091；3. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐 830000）

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。

温室；墙体；温度；砂浆砌块；蓄热性能；栽培

0 引 言

近年来，中国设施农业飞速发展，设施蔬菜总面积不断扩大，2016年设施蔬菜面积已达391.5 hm2，预计到2020年可达到410.5 hm2[1]。日光温室蔬菜已成为中国的支柱产业之一，同时，对提高城乡居民生活水平、提高农民收入、节约能源做出了历史性贡献[2]。新疆的戈壁沙漠区温室产业也得到了大力发展，戈壁沙漠设施农业已辐射到南疆的和田、喀什，东疆的吐鲁番，北疆的阿勒泰、塔城、昌吉等地区的多个县市，发展潜力很大[3]。

温室种植是一种设施农业栽培，不仅能防御自然灾害、实现农作物的优质高产[4]，还能提供农作物生长所需的适宜环境，促使农作物及早上市[5]。大多数温室作物在日间20～30 ℃和夜间14～18 ℃的环境温度中生长速度较快[6]。在温室种植中，对于环境温度和湿度的控制，是保证农作物正常生长的关键所在[7]。

西北地区典型结构日光温室，在夜间，温室的热量损失中约有70%是通过围护结构的传热损失，白天损失的能量中，约有65%的热损失是通过温室围护结构损失的[8]。在围护结构中最为重要的就是墙体，不仅要让墙体具有承重和隔热的功能，而且要有优良的保温性能和载热功能，白天要大量地蓄热，夜间要源源不断的向室内放热[9]。提高墙体的保温和蓄热性能是改善日光温室热环境的关键因素之一[10]。朱超等[11-12]提出了一种固化沙主动蓄热后墙，白天通过风机将室内热空气鼓入后墙，使后墙内部参与蓄放热，增加蓄放热面积。赵淑梅等[13-15]提出一种空气对流循环蓄热墙体，该墙体通过白天和夜间的空气对流，使砖墙深处参与蓄放热，大大增加了蓄放热面积。均是利用温室内空气在墙体中的对流换热作用，调动更多的深层墙体材料参与蓄放热过程，以此来提高太阳能利用[16]。马月虹等[17]研究北疆麦壳砂浆砌块填充蓄热材料复合墙体日光温室的热性能，砂浆砌块能够代替传统的红砖建设日光温室墙体。该复合墙体不需要增加风机，是自然对流蓄热墙体，增加蓄放热面积。

由以上分析可知，整个墙体隔热保温及蓄热能力的强弱决定着室内作物能否安全越过中国北方的寒冷冬季[9]。日光温室之所以能够在冬季连续生产，其原因在于其后墙，后墙通过白天蓄热、夜间向室内放热，保证了室内温度[18]。由于环保要求，燃煤加温炉禁止使用，和田地区7 000座装配式日光温室在没有辅助加温的情况下，不能满足越冬生产需求，大多数温室只能秋延晚种植叶菜，少部分温室空置。针对此问题，该文将砂浆砌块和红砖砌筑于装配式日光温室内，对砂浆砌块墙体和砖墙体在日光温室中的蓄热增温效果进行研究，并观察温室中草莓的栽培效果。

1 试验系统与方法

1.1 试验温室的构建及试验设计

结合团队相关研究成果，砂浆砌块墙体日光温室的保温蓄热性能的研究[17]，构建本文砂浆砌块，见图1。麦壳砂浆砌块尺寸为480 mm×240 mm×240 mm，内为2个尺寸为150 mm×120 mm×200 mm的空格，砂浆砌块配比为水泥35%，粘合剂4%，麦壳2.5%，细砂、水适量，内设纵筋4ø 6、箍筋ø 6@180。

图1 砂浆砌块[17]

本研究的4座试验温室均位于和田市和谐新村（东经79.87°，北纬37.04°）日光温室基地。为了降低试验成本，缩短试验周期，砖墙和砂浆砌块墙体日光温室是在装配式日光温室内北侧直接砌筑砂浆砌块和红砖。结合工民建设计规范和标准，试验墙体都设计为厚24 cm，高度182 cm。

其中装配式日光温室（A）结构尺寸及内部环境图分别见图2和图3a；另外3座温室分别为：1）砖墙砌体日光温室（B），即在装配式日光温室内砌筑厚24 cm砖墙，高度方向26层红砖，其内部环境见图3b；2）砌块墙体日光温室（C），即在装配式日光温室内砌筑厚24 cm砂浆砌块，高度方向7层砂浆砌块，其内部环境见图3c；3）砌块填充沙土墙体日光温室（D），即在装配式日光温室内砌筑厚24cm砂浆砌块，高度方向7层砂浆砌块，内部空格填充沙土[19]，其内部环境见图3d。

图2 温室尺寸图

图3 4种墙体的日光温室

1.2 试验仪器设备

试验用于测温的温度传感器采用PT100铂电阻（衡水朝辉自控仪表有限公司、DTM-491A），可保证较高的测量精度[20-21]；采用天平（ACS-30，浙江君凯顺工贸公司）精确称量各物料质量；数显折光仪（LH-B55型1台、陆恒生物）测可溶性固形物含量。

2 4种墙体日光温室热性能测试

A、B、C和D温室的跨度、长度和脊高等结构参数均相同。

2.1 4种墙体日光温室结构参数

4座日光温室的主要结构参数相同：方位角南偏西5°、跨度8.7 m、长度30 m、脊高4.2m、前屋面倾角60°，北墙体厚度：A温室10 cm保温被、B 温室10 cm保温被+24 cm红砖、C温室10 cm保温被+24 cm砌块、D温室10 cm保温被+24 cm砌块（内填沙土）。

2.2 3种砌筑墙体日光温室墙体温度测试

因A温室没有墙体，故不测试。试验以B、C和D温室蓄热墙体内部温度作为测试对象。B温室在如图4位置的砖墙内部厚度方向12 cm处放置温度传感器，C和D温室在如图4温室墙体位置的砌块、图1b的位置放置温度传感器，在砌筑墙体时就放置，取6个测点的平均温度。

图4 墙体温度测点布置正视图

2.3 4种墙体日光温室室内温度测试

试验以日光温室室内温度作为测试对象。日光温室室内测点平面布置按国家农业标准，如下图5布设，1、2、3测点距离西墙5 m，7、8、9测点距离东墙5 m，1、4、7测点距离前屋面1 m，3、6、9测点距离北墙1 m，4、5、6测点在温室长度的中部位置，南北向行内各测点间距相等。在每个平面点垂直方向上设1个点，位于地表上方1.0 m，一共布设9个测点。室外设1个温度测点，布设在光照测点附近，距地面高度1.0 m处。温室内温度数据采用9个测点的平均值[22]。

图5 温室温度测点平面布置图

2.4 4种墙体日光温室草莓栽培效果测试

在温室作物中，草莓具有较高的经济效益和观赏价值[23-24]。草莓对种植环境的温度及湿度的变换较为敏感且表现明显[25-26]，所以选择草莓为试验的作物。

A、B、C 和D温室前后相邻，栽培的草莓品种都是红颜，定植茎粗叶壮的种苗（具有3～5片叶，新根10条以上，顶芽饱满）。定植前整理好土地，施用腐熟羊粪10 m3、油渣1 m3，硫酸钾5 kg和磷酸二铵15 kg。起垄栽培，垄宽50 cm，垄距50 cm，一垄2行，株距20 cm，定植株数2 065株、定植时间2018-09-16。生长期采用相同的滴灌系统和灌水量26 m3，相同植株调整管理，进行草莓栽培试验，从2018年9月定植到2018年12月成熟收获，记录定植时间、开花时间（200朵花蕾绽放）和成熟时间（首次开始采摘）及总产量（40 d内5次），同时称量最大果质量，用LH-B55型数显折光仪测量可溶性固形物含量。

3 结果与分析

3.1 3种砌筑墙体温度测试和计算分析

3.1.1 3种砌筑墙体温度测试结果

选取试验数据2018年12月21日24:00至12月22日24:00（冬至日）共24 h的温度作为比较分析对象，3种砌筑墙体温室墙体的温度测试结果如表1。表1中时间均为北京时间。

由表1知，试验在早晨07:00室外最低温−7.7 ℃时，B、C和D 3种结构的蓄热墙体内部的温度依次为9.7、10.4和11.3 ℃，比室外温度依次高17.4、18.1和19 ℃。在午间15:00室外最高温−2.6 ℃时，B、C和D温室3种墙体的内部温度比室外高17.6、19.9和21.0 ℃。说明温室墙体有明显的蓄热效果。正午室外温度上升的情况下，3种砌体内温度也上升，蓄存热量；夜间室外温度下降的情况下，3种砌体内温度下降较缓慢。

表1 3种温室墙体温度及室外温度

3.1.2 3种砌筑墙体的蓄热量计算

根据以上试验，选取3种蓄热墙体夜间最低温和白天最高温，对B、C和D 温室3种蓄热墙体进行分析，该墙体砌筑在温室内部，白天吸收太阳热能，蓄积在墙体内，温度增加，夜间向温室内散热，温度降低，墙体就完成了一个升温降温的热循环过程。

温室砌筑墙体的蓄热量计算

式中为墙体散失到温室内的热量，J；为墙体比热容，J/(kg·℃)；为墙体蓄热体质量，kg；为墙体密度kg/m3；为墙体体积，m3；t为墙体白天最高温度，℃；0墙体为夜间最低温度，℃。

1）B温室砌筑墙体的蓄热量计算

由建筑材料的验收规范标准知道，砖的比热容为750 J/(kg·℃)，密度为1 750 kg/m3，体积计算得13.1 m3，由表1知砖墙体夜间最低温度为9.7℃，白天最高温度为15.0 ℃，向温室内散发的热量由式（1）计算得91.1 MJ。

2）C温室砌筑墙体的蓄热量计算

砂浆砌块的比热容为1180 J/(kg·℃)，砂浆砌块的密度为1 119 kg/m3[17]。整堵砌块墙体积13.1 m3，砂浆砌块夜间最低温度为10.4 ℃，白天最高温度为17.3 ℃，向温室内散发的热量由式（1）计算得119.3 MJ。

3）D温室砌筑墙体的蓄热量计算

砂浆砌块的比热容和密度由上已知；沙土的比热容为2 000 J/(kg·℃)，沙土的密度为1 680 kg/m3[19]。整堵砌块墙体积13.1 m3，砌块空格的体积为3.1 m3。计算得砌块蓄热体体积10.0m3，沙土蓄热体积3.1 m3，砂浆砌块夜间最低温度为11.3 ℃，白天最高温度为18.4 ℃，砌块蓄热墙体和沙土向温室内散发的总热量由式（1）计算得167.7 MJ。

3.2 4种墙体日光温室室内温度测试结果

试验据选取冬至日2018年12月21日24:00至12月22日24:00共24 h的温度作为比较分析对象，4种墙体日光温室室温测试结果如表2。表2中时间均为北京时间。

表2 日光温室热性能测试结果

由表2可知，试验的4座日光温室，A温室保温被厚10cm，无墙体，B、C、D温室墙体厚度相同，其他结构参数相同。早晨07:00室外温度–7.7 ℃时，A、B、C、D 4座温室室温依次为7.4、9.6、10.3和11.2 ℃。B、C、D温室比A温室室温分别高2.2、2.9和3.8 ℃。这说明砌筑墙体的B、C、D温室热性能明显优于没有墙体的A温室。在B、C、D墙体厚度相同的3种温室中，蓄热性能依次是：D温室＞C温室＞B温室。C、D温室的墙体砌块材料相同的情况下，D温室砌块内填充沙土比C温室未填充室温增加0.9 ℃，表明D温室蓄热性能优于C温室。以上结果显示砂浆砌块墙体比砖墙体日光温室增温多，砂浆砌块填充沙土墙体比砂浆砌块墙体温室增温多。说明砂浆砌块填充沙土作为沙漠地区日光温室墙体材料具有显著的增温效果。

由3.1.2知砌筑的砖墙体和砂浆砌块墙体B、C和D温室每天向温室内散发的热量计算值分别为91.1、119.3和167.7 MJ，砂浆砌块墙体C温室和砂浆砌块填沙土墙体D温室比砖墙体B温室蓄热量多，与3.2节温度测试结果D温室的墙体＞C温室的墙体＞B温室的墙体，结论的规律一致，进一步验证了砂浆砌块墙体比砖墙体蓄热量更多。

3.3 装配式温室热负荷及试验温室墙体蓄热量计算

装配式日光温室前屋面的覆盖材料是聚乙烯薄膜，夜间覆盖保温被，夜间温室按理想状态，基本是密闭的，因此温室的热负荷Q由式（2）计算。

式中1是围护结构的散热量，W，2是冷风渗透的耗热量，W，3是地面的热损失，W。

1由式（2）[27]计算。

式中U是温室覆盖材料的传热系数，W/(m2×K)，夜间温室外围均覆盖保温被，U为1.12 W/(m2×K)[28]；A是温室围护结构的传热面积，m2，由温室外围尺寸图2得13.736 m，计算可知A为13.736 m´30 m=412.08 m2；T是温室内栽培作物冬季所需的设计温度，℃；根据温室加热系统的设计规范[29]，草莓果实发育的适温是在18～22 ℃之间[30-31]，综合考虑下，草莓温室的设计温度T取18℃；amb是室外环境的温度，℃，由和田地区历年冬季平均气温amb取值−12 ℃；按这个设计方案，由式（3）得温室围护结构的散热量是13 845.9W。

式中u为地面的传热系数，W/(m2×K)；A是地面面积，m2。由参考文献[29]可得，地面传热系数u取值0.06 W/(m2×K)；地面面积A是246 m2；由公式（5）计算得该温室的地面的热损失3为442.8W。

由式（2）数值计算得装配式日光温室围护结构的热负荷Q为70.3MJ/h（19 536.7W）。

3.1.2中试验3种温室蓄热墙体向温室内散发的热量计算值，与3.4.1中装配式温室所需热负荷计算值规律一致。说明在没有其他加温设施的情况下，温室内增加的蓄热体是温室内夜间的热源，可以使温室内温度增加。

3.4 日光温室草莓栽培测试结果

由表3知，B、C和D温室栽培的草莓开花期分别比A温室早7、11和14 d，成熟期早14、17和20 d。

4座温室草莓总产量分别是：D温室＞C温室＞B温室＞A温室。B、C和D温室栽培的草莓产量分别是A温室的1.24、1.3和1.33倍，单棚产量依次高24.2%、30.1%和33.4%。

对4座温室内草莓的品质也进行了测量。单果质量最大值依次为：D温室＞C温室＞B温室＞A温室。B、C和D温室栽培的草莓可溶性固形物质量分数平均值分别达11.5%、12.2%和12.7%，比A温室的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。可溶性固形物含量越高草莓的口感越甜，商品品质越好。

综合分析可知，砂浆砌块填充沙土墙体温室内种植的草莓得到了更适宜的生长环境，呈现出更高的产量和更优的品质。

表3 4种墙体温室的草莓产量和果实品质

在装配式日光温室内砌筑砂浆砌块填充沙土墙体，使温室的蓄热性能明显增加。砂浆砌块填充沙土墙体日光温室充分发挥了墙体材料的蓄热性，增加了蓄热体积，白天吸收太阳热量，更多地蓄积在墙体内，夜间将蓄存的热量散失至温室内，使得温室内夜间温度得以补偿，满足草莓生长需求，使草莓成熟期提早，产量增高，可溶性固形物含量增加。

因此在和田大量使用的装配式日光温室内砌筑砂浆砌块填充沙土墙体，温室的蓄热性显著增加，且砂浆砌块填充沙土墙体比砖墙日光温室更适宜草莓生长需求。

在原装配式日光温室内部砌筑墙体，增加了温室内蓄热体，是温室内夜间的加温热源。验证了墙体对温室热贡献的重要性。因此温室内没有其他热源的情况下，夜间温度也有显著增加，适合作物的生长。

4 结 论

本文通过在装配式温室(A温室)内北侧砌筑砖墙体（B温室）、砌块墙体（C温室）和砌块填充沙土墙体（D温室）得到3种结构的蓄热墙体温室，实验测得墙体温度， A、B、C和D温室室内温度和草莓产量和可溶性固形物含量平均值等，并为验证砌筑墙体增加的蓄热量，与装配式温室的热负荷计算值进行对比，得到以下结论：

1）砖墙体、砌块墙体和砌块填充沙土墙体3种结构的蓄热墙体早晨07:00内部的温度依次为9.7、10.4和11.3 ℃，砌块填充沙土墙体＞砌块墙体＞砖墙体。

早晨室外−7.7 ℃时，A、B、C和D温室室内温度依次为7.4、9.6、10.3和11.2 ℃，D温室＞C温室＞B温室＞A温室。近一步验证了墙体对日光温室热贡献的重要性。新砌筑砂浆砌块墙体蓄热量计算值大于砖墙体蓄热量计算值，说明砂浆砌块比砖更适合建设温室墙体。

2）新砌筑墙体的蓄热量与装配式温室的热负荷的计算值一致。表明在没有其他加温设施的情况下，温室内新砌筑墙体是温室内夜间热源，可以使温室内温度增加。

3）B、C和D 3种墙体日光温室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%，可溶性固形物含量平均值多1.4、2.1和2.6个百分点。根据以上结论和试验依据，后续在日光温室内增加砂浆砌块蓄热墙体，不占温室内栽培面积，只占少量走道面积，不破坏种植区原来地貌环境，经济实用，利于推广应用。且砂浆砌块墙体增温效果显著，其温室夜间温度更适宜作物生长。鉴于目前设施农业产业的工业化生产，砌块墙体的规模化、产业化的加工建造技术有待于进一步研究。

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Warming and strawberry cultivation effect of building heat storage walls in assembled solar greenhouse

Ma Yuehong1,2, Li Baoming1※, Wang Guoqiang2, Liu Na2, Liu De3

(1.,100083,; 2.,830091,; 3.,,830000,)

To solve the problem of low temperature inside the solar greenhouses during the winter nights in Northwest desert area of China, a case study was conducted on the assembled solar greenhouse, which is widely used in Hetian area, XinjiangProvince. Three types of walls with different building materials, i.e., the brick wall, block wall, and the sand-filled block wall, were built in the north sides of the solar greenhouses with the purpose to improve its heat storage properties and consequently to increase the indoor temperatures during the winter nights. Temperatures of the north walls and indoor environments of the solar greenhouses were continuously monitored with the TC100 sensors. The effect of different heat storage walls on strawberry cultivation inside the greenhouses was evaluated. The mass weight and solid soluble content of the strawberry were measured by ACS-30 balance and LH-B55 digital refractometer, respectively. Results showed that the heat storage performances of the three types of north walls with identical volumes and dimensions were as followings: Sand-filled block wall > block wall > brick wall. The internal temperatures of the three heat storage walls were 9.7, 10.4, and 11.3 ℃, respectively. The brick wall, block wall and sand-filled block wall averagely increased the indoor temperatures of the assembled solar greenhouses by 2.2, 2.9, and 3.8 ℃ at 07:00 in the morning, respectively. The indoor temperatures of four greenhouses are 7.4, 9.6, 10.3, and 11.2 ℃ respectively. The same planting management technology was adopted for the three tested solar greenhouses. The flowering dates of the cultivated strawberries using the three heat storage walls were 7 days, 11 days, and 14 days earlier than those of the original solar greenhouses without any modifications, and the maturities of strawberries were 14 days, 17 days, and 20 days earlier, respectively. The strawberry yields were 24.2%, 30.1%, and 33.4% higher, and meanwhile, the soluble solid contents of the strawberry in the treated groups were 1.4 percentage points, 2.1 percentage points, and 2.6 percentage points greater than those in the original fabricated greenhouses. The average soluble solids content of strawberry cultivated in three greenhouses reached 11.5%, 12.2%, and 12.7% respectively. The results again verify the importance of thermal properties of the north wall on the microenvironment of the solar greenhouses. Among the modifications, the mortar block wall is more effective than the brick wall, providing a better environment for strawberry growth in the greenhouse. The heat storage capacity of the new tested walls was consistent with the calculated heat load of the assembled greenhouses, indicating that the newly built walls in the greenhouse without supplemental heating systems were the driven source for the indoor environment improvement during the nighttime. The thermal load of fabricated solar greenhouse envelope was 70.3 MJ/h. The calculated value of heat emitted from the heat storage wall into the greenhouse was 91.1和119.3 MJ, respectively. This paper provides a reference for the heat storage material selection and structural design, as well as a basis for the application and research of mortar blocks in assembled solar greenhouses in the desert area of Northwest China.

greenhouses; walls; temperature; mortar block; heat storage performance; cultivate

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022

S625.2

A

1002-6819(2019)-15-0175-07

2019-03-27

2019-08-08

国家自然科学基金资助项目（51768072）；新疆自治区重点研发专项（2018B01002）

马月虹，研究员，博士生，主要从事设施农业工程研究。Email：923999218@qq.com

李保明，教授，博士，博士生导师，主要从事设施农业工程工艺与环境研究。Email：libm @cau.edu.cn

马月虹，李保明，王国强，刘 娜，刘 德. 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[J]. 农业工程学报，2019，35(15)：175－181. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022 http://www.tcsae.org

Ma Yuehong, Li Baoming, Wang Guoqiang, Liu Na, Liu De. Warming and strawberry cultivation effect of building heat storage walls in assembled solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 175－181. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.022 http://www.tcsae.org