CN109511432A - 一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用 - Google Patents

一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用 Download PDF

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桂勇武
衡燕
张琼
夏明霞
江兴瑜
赵旸
刘晨
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Abstract

本发明公开了一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用，属于农业设施栽培及设施装备技术领域。是在钢架大棚北侧内沿着棚边构建的一条以岩石块料为主材的增温保温蓄热墙。保温季节用黑白膜覆盖蓄热墙的背阴面；夏季降温季节把黑白膜翻转到蓄热墙的向阳面。晴天蓄热墙大棚最高温比PO膜大棚高3.25℃，阴天增温约6℃。夜间最低温比PO膜大棚增高5.4℃‑5.6℃。在阴天条件下，蓄热墙大棚的RH在白天可以下降到90％以下，有利于冬季作物的病害控制。本装置构造简单，技术可靠，解决了钢架大棚应用于冬季生产中保温性差、园艺作物越冬困难的问题，可有效提高钢架大棚的利用率。

Description

一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用
技术领域
本发明公开了一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用，属于农业设施栽培及设施装备技术领域。
背景技术
设施栽培作为一项利用特殊栽培环境和手段的技术，可通过多种人工措施有效调节园艺作物生长环境，满足不同作物在不同生长阶段对外界环境、生长条件的要求，生产高品质的产品。主要有以下优势：1、不受季节环境限制，可进行周年生产。由于经济社会发展，人们生活水平不断提高，反季节消费需求增加，尤其是花卉，周年生产可以给人们提供不同色彩的同时带来心情愉悦的感受。2、可人为调控各因素条件，适应不同的生产需求。设施栽培在设施内的各种环境因素相对稳定，可针对目标作物所需的条件来调控，满足不同植物的生长发育需求。3、设施区域集中，方便管理。温室内区域相较于露地，环境条件可控的条件下，集中管理可节约劳动力，降低设备损耗等投入，各温室间位置也相对集中，便于统一管理。4、受外界干扰较少，能生产出优质高档产品，经济效益高。在相对密闭环境中，产品品质受外界影响较小，从而保证产品品质的均一性，有效提高经济效益。
设施栽培中尚有许多亟待解决的问题：1、设施水平低，科技含量有待提高。发达国家发展设施栽培采取的是“高投入，高产出”的技术路线，而我国由于技术和经济的原因，采用的是低投入，低能耗的体系。目前我国的设施栽培面积处于世界领先，但其中90％以上都是以简易型设施为主，结构简易、设备简陋、土地利用率低、采光性能差、作业空间小、不利于机械操作、设施的建造标准低、抗御自然灾害的能力差，绝大部分温室还谈不上温、光、水、气等环境的综合调节控制。2、产品安全质量及环境危害问题严重。由于设施结构不合理，加上环境调控能力差，造成病虫害大量发生，致使农药使用过量；有的单纯追求经济利益，盲目施用化肥，造成环境污染。在设施栽培中，土壤长时间处于高温、高湿、高蒸发量、无雨水淋溶的密闭环境中，复种指数高，肥料用量大，导致土壤结构被破坏，板结化，多年连作会造成土壤耕层盐分积累严重，形成次生盐渍化。3、标准化技术体系尚未完善。设施栽培仍以传统栽培技术为主，缺乏基于作物品种特性及土壤、设施环境的科学量化的管理指标。4、产量和劳动生产率低。我国花卉设施栽培的产量和劳动生产率都远远低于国外。以人均管理温室面积为例，我国仅仅相当于日本的1/5、部分欧洲国家的1/50、美国的1/300(杨艳珊，2011)。
针对钢架大棚在实际生产中增温途径缺乏、保温效果差的现状，国内相关研究向大跨度和保温被覆盖方向发展。孙信成研究了多种大棚保温被覆盖材料的保温性能，2月下旬3种保温被覆盖的棚内最低温度比棚外提高了10.2℃～12.6℃[1]。鲍恩财研究了江淮地区双层拱架塑料大棚的冬季保温效果，1月份的棚内平均温度达18℃[2]。周长吉研究了大跨度保温塑料大棚保温被和保温幕的形式和性能，达到了日光温室和连栋温室保温技术的综合应用[3、4]。周长吉还报道了一种装配式内保温双层结构主动储放热塑料大棚，在室外-20℃～-15℃的条件下，棚内最低温度达到了10℃以上[5]。
长江中下游地区设施农业普遍采用8332型钢架大棚，这种钢管大棚建设成本较低，跨度8米，长度30米以上，造价一般在每平方米35～45元，骨架全部采用管径32mm的热镀锌圆管装配而成，拱间距0.8米，顶高约3.2米，肩高约1.8米，大棚侧边共有4道卡槽。顶部采用3道纵拉杆，两边设带自锁装置的手动卷膜通风系统,卷膜高度约1.2米。通风处安装25目防虫网，上膜后每两根拱管间用压膜绳扣压，大棚两端设置移动门。该型大棚整体结构强度高，土地利用率高，缺点是保温蓄热能力不足，不能满足冬季生产需要，只能用于季节性蔬菜、花卉和果树果品的保护地栽培。
发明内容
技术问题
本专利针对南京地区面广量大的8332型钢架大棚的保温需要，提供了一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用，建立了蓄热墙保温模式。
技术方案
一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用，其特征在于：钢架大棚增温保温蓄热墙是在钢架大棚(1)北侧内沿着棚边构建一条以岩石块料(3)为主材的蓄热墙。蓄热墙是采用岩石块料(3)在石笼网箱(2)中填充堆码构筑面成。石笼网箱(2)的规格为1m长*0.4m宽*0.6m高，网箱的材质为锌铝合金，丝径分别为网丝2.7mm，边丝3.4mm，绑丝2.2mm；先把下层的石笼网箱(2)填满岩石块料，盖上翻盖后用绑丝扎紧，再在上面堆码第二层，上下层堆码整齐，上下2层石笼网箱首尾相连，最后在大棚北侧构建成一道1.2m高、0.4m宽、与大棚等长的岩石块蓄热墙。
石笼网箱(2)顶面有翻盖，岩石装填满后合上翻盖并绑扎固定。岩石块料(3)规格为15cm-30cm，紧密填满在石笼网箱(2)中。
钢架大棚增温保温蓄热墙的使用方法为：
1)钢架大棚蓄热墙使用具有高保温性功能的PO膜覆盖：保温季节用厚度0.12mm的黑白膜覆盖蓄热墙的背阴面，进一步阻止蓄热墙向背面棚外因长波辐射引起的热量损失，黑白膜的高度为1.8m，覆盖时黑面向外，白面向内，上端用铁丝固定在蓄热墙的顶面后边，下端自然下垂；夏季降温季节把黑白膜翻转到蓄热墙的向阳面，白面向外，黑面向内，阻止蓄热墙受太阳辐射，消除蓄热墙的增温效应；
2)做好冬季大棚的密封保温：晴天在中午12时-13时通风，阴雨天在中午12时-12时30分通风，棚内温度低于12℃时则不通风；
3)防尘处理：冬季低温来临前对棚面进行一次冲洗处理，用高压水流将大棚表面的灰尘带走，使薄膜保持非常高的透光率。
有益效果：
1、由于岩石质地紧密，所以具有很强的蓄热性能。岩石一方面可以直接吸收太阳辐射蓄积热能，在太阳辐射消失后逐渐释放出热能。另一方面可以反射一部分太阳辐射至棚内地表，提高土壤温度。不仅对夜间最低温度有较大提升，而且对全天的温度也有较大的提升增温作用。
2、由于蓄热墙的增温作用，夜间和白天的棚内相对湿度均有一定程度的下降，有利于冬季作物的病害控制。
3、由于蓄热墙的增温作用是依靠岩石内部蓄热，与传统多层覆盖保温模式相比，不仅节省了农膜材料的投入，而且不降低棚内光照，有利于冬季作物的生长。
4、钢架大棚增加蓄热墙的保温措施后，棚内温度有明显提升。在太阳辐射缺乏的夜间和阴雨天，这种增温效果尤其明显。在晴天条件下，蓄热墙对全天的温度均起到较大的提升增温作用，昼间的棚内高温也为夜间的增温效果蓄积了热能。在同样的太阳辐射和覆盖材料下，蓄热墙大棚白天最高温度比PO膜大棚增高3.25℃，可能是由于建在大棚北侧的蓄热墙对太阳辐射有一定的反射作用，从而使地表辐射增强。在阴天条件下，蓄热墙对温度的维持作用更明显，对全天时段内的温度均有稳定的提升作用，比PO膜大棚增温约6℃。夜间最低温比PO膜大棚增温5.4℃-5.6℃。在阴天条件下，由于棚内的连续低温，PO膜大棚达到95％以上的高湿度，但蓄热墙大棚的RH在白天可以下降到90％以下，有利于冬季作物的病害控制。
附图说明：
图1钢架大棚增温保温蓄热墙装置的平面结构示意图
图2钢架大棚增温保温蓄热墙装置的立体结构剖面图
图3钢架大棚增温保温蓄热墙装置的俯视图
图中，1-钢架大棚；2-石笼网；3-岩石块
图4钢架大棚四种不同保温模式1月份的日最低温变化
图5钢架大棚四种不同保温模式晴天的单日温度变化
图6钢架大棚四种不同保温模式1月份的日最高温变化
图7钢架大棚四种不同保温模式阴天的单日温度变化
图8钢架大棚四种不同保温模式1月份的日平均温变化
图9不同保温模式下晴天的单日相对湿度变化
图10四种不同保温模式下阴天的单日相对湿度变化
具体实施方式
下面结合图1-3详细说明钢架大棚蓄热墙的结构：
在钢架大棚1北侧内沿着棚边构建一条以岩石块料3为主材的墙体。为了便于建设施工，采用岩石块料4在石笼网箱2中填充堆码构筑，省却了砌筑的人工。石笼网箱2的规格为1m长*0.4m宽*0.6m高，网箱2的材质为锌铝合金，丝径分别为网丝2.7mm，边丝3.4mm，绑丝2.2mm。网箱2顶面有翻盖，岩石装填满后可合上翻盖并绑扎固定。由河北省安平县昊昌丝网制造有限公司提供。
岩石块料3规格为15cm-30cm，紧密填满在石笼网箱2中。岩石块由当地的石料厂提供。
先把下层的石笼网箱(2)填满岩石块料，盖上翻盖后用绑丝扎紧，再在上面堆码第二层，上下层堆码整齐，上下2层石笼网箱首尾相连，最后在大棚北侧构建成一道1.2m高、0.4m宽、与大棚等长的岩石块蓄热墙。
实施例：
江苏省南京市钢架大棚蓄热墙保温模式试验
试验地点位于江苏省南京市江宁区禄口街道铜山社区南京金陵绿谷现代园艺有限公司基地内，在基地大棚生产区中心区域选取4栋钢架大棚进行试验。
1材料与方法
利用4幢东西向的8332型钢架大棚，分别进行蓄热墙、内保温及PO膜覆盖、EVA膜覆盖的大棚保温性试验。在大棚内安装空气温湿度记录仪，对供试大棚的棚内温度、湿度进行定时记录分析，对增温保温性能进行评价。
1号棚沿北侧棚边建设一条蓄热墙。大棚外膜采用三菱树脂农膜公司的“E100”PO膜覆盖，厚度0.10mm。
2号棚增设内保温。即在拱杆下方安装内拱杆，间隔4米，在内拱杆两侧配套电动卷膜器，安装开闭活动型内保温，冬季1月份全天关闭保温。大棚外膜也采用三菱树脂“E100”PO膜覆盖。
3号棚大棚外膜采用三菱树脂“E120”PO膜覆盖，厚度0.12mm。4号棚采用米可多EVA长寿膜覆盖，厚度0.08mm。
钢架大棚增温保温蓄热墙的使用方法为：
1)钢架大棚蓄热墙使用具有高保温性功能的PO膜覆盖：保温季节用厚度0.12mm的黑白膜覆盖蓄热墙的背阴面，进一步阻止蓄热墙向背面棚外因长波辐射引起的热量损失，黑白膜的高度为1.8m，覆盖时黑面向外，白面向内，上端用铁丝固定在蓄热墙的顶面后边，下端自然下垂；夏季降温季节把黑白膜翻转到蓄热墙的向阳面，白面向外，黑面向内，阻止蓄热墙受太阳辐射，消除蓄热墙的增温效应；
2)做好冬季大棚的密封保温：晴天在中午12时-13时通风，阴雨天在中午12时-12时30分通风，棚内温度低于12℃时则不通风；
3)防尘处理：冬季低温来临前对棚面进行一次冲洗处理，用高压水流将大棚表面的灰尘带走，使薄膜保持非常高的透光率。
2结果分析
钢架大棚的四种不同保温模式分别标记代号为T1(蓄热墙)、T2(内保温)、T3(PO膜覆盖)和T4(EVA膜覆盖)。棚内温湿度数据每30分钟记录一次。提取2018年1月份的数据，对每日的日最低温、日最高温、日平均温进行整理分析，单日温度和湿度变化采用24个时段的平均值。
2.1日最低温
从1月份的四种不同保温模式的日最低温变化可以看出(图4)，T1(蓄热墙)的日最低温最高，其次是T2(内保温)，无保温技术的T3(PO膜覆盖)和T4(EVA覆盖)均明显低于T1和T2，两者差异不大。在温度波动剧烈的强冷空气影响期，增加保温技术的钢架大棚保温效果更明显，如在月最低温出现的1月12日，T1的日最低温分别比T3和T4提高5.4℃和4.6℃，T2分别比T3和T4提高3.9℃和3.1℃。在月次低温出现的1月30日，T1的日最低温比T3和T4提高5.6℃，T2的日最低温比T3和T4提高2.9℃，T3和T4基本一致。说明钢架大棚增加蓄热墙后夜间保温性能有明显提升。
图5为四种不同保温模式晴天的单日温度变化。从0:00开始，四种保温模式下温度均逐渐下降，但T1模式下降幅度较平缓，T2、T3、T4模式下降趋势基本一致。早晨6:00～7:00，棚内温度到达一天中的最低值，温度由高到低分别是T1为-0.6℃，T2为-2.2℃，T3为-6.1℃，T4为-5.25℃。7:00后，随着太阳辐射增强，棚内温度迅速上升，12；30～14:00，棚内温度到达一天中的最高值。温度由高到低分别是T2为35.95℃，T1为34.4℃，T3为30.35℃，T4为28.5℃。15:00后，温度开始迅速回落。说明蓄热墙不仅对夜间最低温度有较大提升，而且对全天的温度也有较大的提升增温作用。
2.2日最高温
从1月份的四种不同保温模式的日最高温变化可以看出(图6)，增加保温技术的T1和T2均高于T3和T4，而且在昼温较低的阴雨天气，这种效果更加明显。如在最低昼温出现的1月27日，T1的日最高温分别比T3和T4提高6.7℃和6.4℃，T2的日最高温分别比T3和T4提高3.5℃和3.2℃。说明钢架大棚增加蓄热墙后对光照不足期的棚内温度也有明显提升。
图7为四种不同保温模式下阴天的单日温度变化。早晨6:00～7:00，棚内温度最低，温度由高到低分别是T1为6.95℃，T2为3.3℃，T4为1.25℃，T3为0.45℃。7:00后温度逐渐上升，12:00～13:00温度达到最高值，温度由高到低分别是T1为10.2℃，T2为6.95℃，T4为3.8℃，T3为3.6℃。在同样的太阳辐射和覆盖材料下，蓄热墙大棚在岩石吸收热量的情况下，棚内最高温仍比PO膜大棚高3.25℃，随后温度逐渐下降，下降趋势基本一致。说明在缺少太阳辐射的条件下，钢架大棚增加蓄热墙或内保温对全天时段内的温度均有稳定的提升作用，蓄热墙的增温作用最明显，增加约6℃，内保温的增温作用次之，增加约3℃。
2.3日平均温
通过计算钢架大棚内的日平均温度，可以清晰发现四种不同保温模式间的差异(图8)。增加保温技术的T1、T2模式的日平均温始终高于无保温技术的T3、T4模式，T1和T2模式1月上旬温度曲线基本重合，差异不大。1月下旬差异增大，T1比T2的增温作用更强。T3和T4的温度曲线基本重合，差异不大。说明随着低温期的持续，蓄热墙的增温保温作用比内保温更明显。
2.4相对湿度(图9-10)
四种保温模式的棚内相对湿度(RH)也有差异。在晴天条件下，四种保温模式的单日RH变化均呈现典型的“U”型曲线，变化趋势基本一致。夜间棚内RH基本呈水平直线，其中T1最低，约90％左右，其它3种模式均在90％以上。8:00后随着棚内温度上升，RH迅速下降。10:00后达到40％～60％的较低水平，T1、T2的最低值在40％左右，T3的最低值在50％左右，T4的最低值在60％左右。15:00后随着棚内温度下降，RH又迅速回升。在阴天条件下，四种保温模式的RH差异较大。T1由于蓄热墙的增温作用，夜间RH在90％左右，白天逐渐下降，最低值在85％左右。T2、T3和T4的RH基本稳定，白天的下降趋势不明显。T2在92％～93％，T3和T4在96％左右。
3小结
钢架大棚增加蓄热墙或内保温的保温措施后，棚内温度有明显提升。在太阳辐射缺乏的夜间和阴雨天，这种增温效果尤其明显。在晴天条件下，蓄热墙和内保温对全天的温度均起到较大的提升增温作用，昼间的棚内高温也为夜间的增温效果蓄积了热能。在同样的太阳辐射和覆盖材料下，蓄热墙大棚在岩石吸收热量的情况下，棚内最高温仍比PO膜大棚高，可能是由于建在大棚北侧的蓄热墙对太阳辐射有一定的反射作用，从而使地表辐射增强。在阴天条件下，蓄热墙和内保温对温度的维持作用更明显，对全天时段内的温度均有稳定的提升作用，蓄热墙增温约6℃，内保温增温约3℃。四种保温模式的棚内RH变化与温度变化相一致，在晴天条件下，90％以上的高湿度均出现在夜间低温期。在阴天条件下，由于棚内的连续低温，PO膜大棚和EVA膜大棚均达到里95％以上的高湿度，只有蓄热墙大棚的RH在白天可以下降到90％以下，有利于冬季作物的病害控制。

Claims (6)

1.一种钢架大棚增温保温蓄热墙的应用，其特征在于：所述钢架大棚增温保温蓄热墙是在钢架大棚(1)北侧内沿着棚边构建的一条以岩石块料(3)为主材的蓄热墙。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：蓄热墙是采用岩石块料(3)在石笼网箱(2)中填充堆码构筑而成。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：石笼网箱(2)的规格为1m长*0.4m宽*0.6m高，网箱的材质为锌铝合金，丝径分别为网丝2.7mm，边丝3.4mm，绑丝2.2mm；先把下层的石笼网箱(2)填满岩石块料，盖上翻盖后用绑丝扎紧，再在上面堆码第二层，上下层堆码整齐，上下2层石笼网箱首尾相连，最后在大棚北侧构建成一道1.2m高、0.4m宽、与大棚等长的岩石块蓄热墙。
4.根据权利要求2或3所述的应用，其特征在于：石笼网箱(2)顶面有翻盖，岩石装填满后合上翻盖并绑扎固定，岩石块料(3)规格为15cm-30cm，紧密填满在石笼网箱(2)中。
5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，钢架大棚增温保温蓄热墙的使用方法为：
1)钢架大棚蓄热墙使用具有高保温性功能的PO膜覆盖：保温季节用厚度0.12mm的黑白膜覆盖蓄热墙的背阴面，进一步阻止蓄热墙向背面棚外因长波辐射引起的热量损失，黑白膜的高度为1.8m，覆盖时黑面向外，白面向内，上端用铁丝固定在蓄热墙的顶面后边，下端自然下垂；夏季降温季节把黑白膜翻转到蓄热墙的向阳面，白面向外，黑面向内，阻止蓄热墙受太阳辐射，消除蓄热墙的增温效应；
2)做好冬季大棚的密封保温：晴天在中午12时-13时通风，阴雨天在中午12时-12时30分通风，棚内温度低于12℃时则不通风；
3)防尘处理：冬季低温来临前对棚面进行一次冲洗处理，用高压水流将大棚表面的灰尘带走，使薄膜保持非常高的透光率。
6.根据权利要求2或3所述的应用，其特征在于：钢架大棚增温保温蓄热墙的使用方法为：
1)钢架大棚蓄热墙使用具有高保温性功能的PO膜覆盖：保温季节用厚度0.12mm的黑白膜覆盖蓄热墙的背阴面，进一步阻止蓄热墙向背面棚外因长波辐射引起的热量损失，黑白膜的高度为1.8m，覆盖时黑面向外，白面向内，上端用铁丝固定在蓄热墙的顶面后边，下端自然下垂；夏季降温季节把黑白膜翻转到蓄热墙的向阳面，白面向外，黑面向内，阻止蓄热墙受太阳辐射，消除蓄热墙的增温效应；
2)做好冬季大棚的密封保温：晴天在中午12时-13时通风，阴雨天在中午12时-12时30分通风，棚内温度低于12℃时则不通风；
3)防尘处理：冬季低温来临前对棚面进行一次冲洗处理，用高压水流将大棚表面的灰尘带走，使薄膜保持非常高的透光率。
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