一种日光温室夜间室内外温差的估算方法与流程

本发明涉及一种日光温室夜间室内外温差的估算方法。

背景技术：

夜间日光温室所能维持的室内外温差是评价日光温室保温性能的关键指标，生产中，常因温室保温性能不足造成作物低温冷害发生。由于我国进行日光温室生产的地域广阔，气候类型多样，地方经济社会发展水平千差万别，生产中为适应各地气候与经济社会条件所建设的日光温室构型各异，标准化程度极低，以统计为基础，针对某一特定类型日光温室进行的研究较难直接推广至多类型温室；基于能量平衡的机理模型虽然解释能力较强，但因使用条件较为严格、输入参数较多，难以在生产中直接应用；因无法合理评估生产温室的保温性能造成茬口安排不合理、作物品种选择不科学、灾害风险难以控制等问题较为突出；同时，缺少通用统一的温室室内外温差评估方法对政府与农技部门的管理服务也是极大的挑战；因此，寻找简单、且准确的温室保温性能评价方法对提高温室生产管理水平、合理温室空间布局极为必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明在对温差方程充分分析的基础上，根据温室各部分建筑材料的热力学参数、构成以及几何特征，结合温室外的空气温度、风速、空气湿度等要素，提出一种定量化计算温室室内外温差，估算日光温室夜间温室内外温差的方法，为后续温室分类提供参考。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种日光温室夜间室内外温差的估算方法，确定日光温室夜间室内外温差与温室建筑结构、室外气温、风速以及相对湿度的关系，并采用如下方法估算：(1)定义温室室外气温为0℃、风速为0m/s、空气干洁(不含有水汽的纯净空气)情况下温室所能维持的室内外温差为温室保温常数γ_c，按照计算公式γ_c＝a·b^k·k^c计算确定，式中a、b、c为待定参数，k为综合传热系数；

(2)表征室外气温的温度系数γ_T由公式γ_T＝0.0578·k-0.7637计算确定，式中：k为综合传热系数；

(3)表征风速的风速系数γ_W由公式γ_W＝-0.2669·k-0.1977计算确定，式中：k为综合传热系数；

(4)表征相对湿度的湿度系数γ_HR由公式γ_HR＝0.0531·k-0.0808计算确定，式中：k为综合传热系数；

(5)确定日光温室夜间室内外温差ΔT，由公式ΔT＝γ_c+γ_T·T+γ_W·W+γ_HR·HR计算确定，式中：T为日光温室室外气温、W为日光温室室外风速、HR为日光温室室外相对湿度。

进一步的，所述步骤(1)中的温室保温常数γ_c是在温室室外气温为0℃时，无风且空气干洁情况下测定的。

更进一步的，所述空气干洁是指空气中不含有水汽。

相对于现有技术，本发明所述的日光温室夜间室内外温差的估算方法具有以下优势：根据温室各部分建筑材料的热力学参数、构成以及几何特征，结合温室外的空气温度、风速、空气湿度等要素定量化计算温室室内外温差，并完成了各参数求解提出了温差方程，实现了夜间温室内外温差的估算；该方法可以简单、准确的对日光温室的保温性能进行定性的估算或评价，从而提高温室生产管理水平，并对温室空间进行合理布局，提高温室植物的培育效率和成活率。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为以本发明创造实施例所述的宝坻圣人庄经温差方程计算所得模拟温差与实测温差对比图；

图2为以本发明创造实施例所述的北辰双街镇经温差方程计算所得模拟温差与实测温差对比图；

图3为以本发明创造实施例所述的蓟县老宋庄经温差方程计算所得模拟温差与实测温差对比图；

图4为以本发明创造实施例所述的武清农科院经温差方程计算所得模拟温差与实测温差对比图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

下面将结合实施例来详细说明本发明。

实用例

1、夜间日光温室室内外温差估算方程检验

选取天津市北部设施生产聚集区的典型棚室：宝坻圣人庄(117.28°E，39.74°N，海拔9.12m)、北辰双街镇(117.14°E，39.29°N，海拔5.16m)、蓟县老宋庄(117.30°E，39.82°N，海拔9.28m)、武清农科院(116.96°E，39.43°N，海拔6.95m)等4个二代日光温室进行小气候观测试验，观测段为2013年-2015年冬季(11月至翌年3月)。室内观测仪器为中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的DZN1型农田小气候观测仪(产地：中国；气温测量范围：-40℃～50℃，分辨力：0.1℃；空气湿度测量范围：5％RH～100％RH，分辨力：1％；总辐射测量范围：0～1400W/㎡，分辨力：5W/㎡)，观测要素为温室内的气温、湿度、总辐射。室外观测仪器为中环天仪(天津)气象仪器有限公司生产的DZZ6型自动气象站(产地：中国；气温测量范围：-50℃～50℃，分辨力：0.1℃；空气湿度测量范围：5％RH～100％RH，分辨力：1％；风速测量范围：0m/s～60m/s，分辨力：0.1m/s；总辐射测量范围：0～1400W/㎡，分辨力：5W/㎡)，观测要素为温室外的气温、湿度、风速及总辐射。温室具体建筑结构见表1。

表1观测试验日光温室建筑参数

*梯形结构；**三角形结构

日光温室围护结构包括后墙、后坡、侧墙、前坡(包括前坡透明覆盖材料及保温被等)，每个围护结构可能具有一层或多层材料构成，各层围护的结构传热系数计算公式如下：a、r_ji＝δ_ji/λ_ji；其中：δ_ji为材料层厚度、λ_ji为材料导热系数、r_ji为单层结构热阻；

b、其中：R_0j为某一围护结构的多层结构热阻；

c、R_j＝R_inj+R_0j+R_outj；其中：R_j为某一围护结构的传热阻、R_inj、R_0j、R_outj分别为内表面换热阻、该围护结构热阻和外表面换热阻；

d、k_j＝1/R_j；其中：k_j为日光温室某一围护结构传热系数；

e、综合传热系数为日光温室后墙、后坡、侧墙、前坡传热系数与其面积权重的乘积，其计算式为其中：S_n为日光温室暴露在空气中的总表面积、S_j为日光温室某一围护结构暴露在空气中的表面积、η_j为日光温室某一围护结构占综合传热系数的权重，其中：k_j为日光温室某一围护结构的传热系数、k为日光温室综合传热系数。

根据步骤a～e，结合表2所得数据，计算得出日光温室的综合传热系数，计算结果见表3。

表2综合传热系数计算表

根据所得综合传热系数采用本发明所述方法及公式计算温室的保温常数、气温系数、风速系数、湿度系数，具体数据如表3：

表3基于总传热系数的保温方程各参数求算

将室外气温、湿度及风速带入本发明中所确立的温差方程ΔT＝γ_c+γ_T·T+γ_W·W+γ_HR·HR，计算得出上述4个地区的实时模拟温差，并与实测温差结果做对比，对比图见图1～4，通过图1～4可以看出本发明中的对于温室内外温差的估算方法与实测值基本吻合，可用于对日光温室的保温性能进行定性的估算或评价，从而提高温室生产管理水平。

2.保温常数与日光温室墙体主要构成材料的相关性

由表3可知：围护结构对温室保温常数影响显著，土围护结构温室的保温常数大于17，如蓟县侯家营(17.85)及宝坻圣人庄(20.34)；砖围护结构温室保温常数低于17，如北辰双街(15.84)及武清农科院(13.21)；同一围护结构因建筑构型的差异保温常数也会影响温室保温性能，如同是砖围护结构北辰温室保温性能要优于武清农科院，同是土围护结构，跨度小的宝坻温室要好于蓟县；保温常数越大温室保温性能越好，如宝坻圣人庄温室可在室外零下-11.2℃时维持室内13℃的气温，结合低温冷害指标，可知该棚室可生产对温度要求较高的黄瓜，而如以武清农科院温室进行黄瓜生产则极易发生低温冷害。

3.基于温差方程的日光温室分类

利用温差方程，结合日光温室所在地的气候资源特点及作物生长发育指标，实现对温室的合理分类，利于指导温室生产，这里以天津地区为例，其他地区可采用同样或相似方法进行统计。

基于温差方程对日光温室进行分类，首先要获得温室所在地的气候背景资料(一般要求大于30年)，以计算最低气温保证率为80％(生产上认为保证率达到80％风险较为可控)的气温、湿度、风速组合，见表4。

表4天津1950-2014年最低气温保证率为80％温度、湿度及风速组合

根据表4中的气温、湿度、风速组合，分别计算保温常数为22、19、17、15、13、10的温室(以上述几个不同保温常数的温室为例)在指定气候背景条件下所能维持的室内外温差，根据室外最低气温获得温室内最低气温值，见表5。

表5基于保证率与温差方程估算低温条件下的生产能力

由表5，综合考虑不同作物生长发育所需要的最低温度，可将天津地区的日光温室可分为6大类：耐寒叶菜型、叶菜适宜型、果叶混合型、低温果菜型、果菜适宜型以及高温果菜型，见表6。

表6天津主要温室类型小气候分类及结构、生产特征

由表6中可以看出，天津地区6大类日光温室的具体情况分析如下：耐寒叶菜型，温室保温常数低于13高于10，温室在最冷月可保证最低气温高于2℃～5℃，此类温室多为砖围护结构，因前坡面占整个温室围护表面积比例较高，保温性能受到一定影响，可用于生产耐寒叶菜；叶菜适宜型，温室保温常数低于15高于13，温室在最冷月可保证最低气温高于5℃～7℃，此类温室多为砖围护结构，因前坡面占整个温室围护表面积比例较高，保温性能受到一定影响，可用于生产一般叶菜；果叶混合型，温室保温常数介于15至17之间，温室在最冷月可保证最低气温高于7℃～9℃，冬季生产月高于5℃有效积温大于2175～2304℃·d，此类温室多为砖围护结构，前坡面占整个温室围护表面积比例适中，保温性能优于一般砖围护结构，可用于生产叶菜及部分耐寒果菜，但风险较高易受冻害影响；低温果菜型，温室保温常数介于17至19之间，温室在最冷月可保证最低气温高于9℃～11℃，冬季生产月高于5℃有效积温大于2477～2606℃·d，此类温室多为土围护结构，因跨度较大，温室前坡面散热较大，因此保温性略差，可用于西红柿等对温度需求不高的果菜生产，进行高温果菜生产时风险较高；果菜适宜型，温室保温常数介于19至22之间，温室在最冷月可保证最低气温高于11℃～14℃，冬季生产月高于5℃有效积温大于2779～3059℃·d，可用于一般果菜生产，如黄瓜、西红柿等；高温果菜型，温室保温常数高于22，温室在最冷月可保证最低气温高于14℃，冬季生产月高于5℃有效积温大于3231℃·d，利于对温度要求较高的果菜进行生产。此外，保温常数低于10以下的日光温室，可进行耐寒蔬菜生产(如芹菜等)，由于该类温室在天津地区极为少见，这里不进行讨论。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。