本發(fā)明涉及一種日光溫室夜間室內(nèi)外溫差的估算方法。

背景技術(shù)：

夜間日光溫室所能維持的室內(nèi)外溫差是評價日光溫室保溫性能的關(guān)鍵指標，生產(chǎn)中，常因溫室保溫性能不足造成作物低溫冷害發(fā)生。由于我國進行日光溫室生產(chǎn)的地域廣闊，氣候類型多樣，地方經(jīng)濟社會發(fā)展水平千差萬別，生產(chǎn)中為適應(yīng)各地氣候與經(jīng)濟社會條件所建設(shè)的日光溫室構(gòu)型各異，標準化程度極低，以統(tǒng)計為基礎(chǔ)，針對某一特定類型日光溫室進行的研究較難直接推廣至多類型溫室；基于能量平衡的機理模型雖然解釋能力較強，但因使用條件較為嚴格、輸入?yún)?shù)較多，難以在生產(chǎn)中直接應(yīng)用；因無法合理評估生產(chǎn)溫室的保溫性能造成茬口安排不合理、作物品種選擇不科學、災(zāi)害風險難以控制等問題較為突出；同時，缺少通用統(tǒng)一的溫室室內(nèi)外溫差評估方法對政府與農(nóng)技部門的管理服務(wù)也是極大的挑戰(zhàn)；因此，尋找簡單、且準確的溫室保溫性能評價方法對提高溫室生產(chǎn)管理水平、合理溫室空間布局極為必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明在對溫差方程充分分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫室各部分建筑材料的熱力學參數(shù)、構(gòu)成以及幾何特征，結(jié)合溫室外的空氣溫度、風速、空氣濕度等要素，提出一種定量化計算溫室室內(nèi)外溫差，估算日光溫室夜間溫室內(nèi)外溫差的方法，為后續(xù)溫室分類提供參考。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種日光溫室夜間室內(nèi)外溫差的估算方法，確定日光溫室夜間室內(nèi)外溫差與溫室建筑結(jié)構(gòu)、室外氣溫、風速以及相對濕度的關(guān)系，并采用如下方法估算：(1)定義溫室室外氣溫為0℃、風速為0m/s、空氣干潔(不含有水汽的純凈空氣)情況下溫室所能維持的室內(nèi)外溫差為溫室保溫常數(shù)γ_c，按照計算公式γ_c＝a·b^k·k^c計算確定，式中a、b、c為待定參數(shù)，k為綜合傳熱系數(shù)；

(2)表征室外氣溫的溫度系數(shù)γ_T由公式γ_T＝0.0578·k-0.7637計算確定，式中：k為綜合傳熱系數(shù)；

(3)表征風速的風速系數(shù)γ_W由公式γ_W＝-0.2669·k-0.1977計算確定，式中：k為綜合傳熱系數(shù)；

(4)表征相對濕度的濕度系數(shù)γ_HR由公式γ_HR＝0.0531·k-0.0808計算確定，式中：k為綜合傳熱系數(shù)；

(5)確定日光溫室夜間室內(nèi)外溫差ΔT，由公式ΔT＝γ_c+γ_T·T+γ_W·W+γ_HR·HR計算確定，式中：T為日光溫室室外氣溫、W為日光溫室室外風速、HR為日光溫室室外相對濕度。

進一步的，所述步驟(1)中的溫室保溫常數(shù)γ_c是在溫室室外氣溫為0℃時，無風且空氣干潔情況下測定的。

更進一步的，所述空氣干潔是指空氣中不含有水汽。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的日光溫室夜間室內(nèi)外溫差的估算方法具有以下優(yōu)勢：根據(jù)溫室各部分建筑材料的熱力學參數(shù)、構(gòu)成以及幾何特征，結(jié)合溫室外的空氣溫度、風速、空氣濕度等要素定量化計算溫室室內(nèi)外溫差，并完成了各參數(shù)求解提出了溫差方程，實現(xiàn)了夜間溫室內(nèi)外溫差的估算；該方法可以簡單、準確的對日光溫室的保溫性能進行定性的估算或評價，從而提高溫室生產(chǎn)管理水平，并對溫室空間進行合理布局，提高溫室植物的培育效率和成活率。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明創(chuàng)造的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明創(chuàng)造的進一步理解，本發(fā)明創(chuàng)造的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明創(chuàng)造，并不構(gòu)成對本發(fā)明創(chuàng)造的不當限定。在附圖中：

圖1為以本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的寶坻圣人莊經(jīng)溫差方程計算所得模擬溫差與實測溫差對比圖；

圖2為以本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的北辰雙街鎮(zhèn)經(jīng)溫差方程計算所得模擬溫差與實測溫差對比圖；

圖3為以本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的薊縣老宋莊經(jīng)溫差方程計算所得模擬溫差與實測溫差對比圖；

圖4為以本發(fā)明創(chuàng)造實施例所述的武清農(nóng)科院經(jīng)溫差方程計算所得模擬溫差與實測溫差對比圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

在本發(fā)明創(chuàng)造的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明創(chuàng)造和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明創(chuàng)造的限制。

下面將結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

實用例

1、夜間日光溫室室內(nèi)外溫差估算方程檢驗

選取天津市北部設(shè)施生產(chǎn)聚集區(qū)的典型棚室：寶坻圣人莊(117.28°E，39.74°N，海拔9.12m)、北辰雙街鎮(zhèn)(117.14°E，39.29°N，海拔5.16m)、薊縣老宋莊(117.30°E，39.82°N，海拔9.28m)、武清農(nóng)科院(116.96°E，39.43°N，海拔6.95m)等4個二代日光溫室進行小氣候觀測試驗，觀測段為2013年-2015年冬季(11月至翌年3月)。室內(nèi)觀測儀器為中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的DZN1型農(nóng)田小氣候觀測儀(產(chǎn)地：中國；氣溫測量范圍：-40℃～50℃，分辨力：0.1℃；空氣濕度測量范圍：5％RH～100％RH，分辨力：1％；總輻射測量范圍：0～1400W/㎡，分辨力：5W/㎡)，觀測要素為溫室內(nèi)的氣溫、濕度、總輻射。室外觀測儀器為中環(huán)天儀(天津)氣象儀器有限公司生產(chǎn)的DZZ6型自動氣象站(產(chǎn)地：中國；氣溫測量范圍：-50℃～50℃，分辨力：0.1℃；空氣濕度測量范圍：5％RH～100％RH，分辨力：1％；風速測量范圍：0m/s～60m/s，分辨力：0.1m/s；總輻射測量范圍：0～1400W/㎡，分辨力：5W/㎡)，觀測要素為溫室外的氣溫、濕度、風速及總輻射。溫室具體建筑結(jié)構(gòu)見表1。

表1觀測試驗日光溫室建筑參數(shù)

*梯形結(jié)構(gòu)；**三角形結(jié)構(gòu)

日光溫室圍護結(jié)構(gòu)包括后墻、后坡、側(cè)墻、前坡(包括前坡透明覆蓋材料及保溫被等)，每個圍護結(jié)構(gòu)可能具有一層或多層材料構(gòu)成，各層圍護的結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)計算公式如下：a、r_ji＝δ_ji/λ_ji；其中：δ_ji為材料層厚度、λ_ji為材料導熱系數(shù)、r_ji為單層結(jié)構(gòu)熱阻；

b、其中：R_0j為某一圍護結(jié)構(gòu)的多層結(jié)構(gòu)熱阻；

c、R_j＝R_inj+R_0j+R_outj；其中：R_j為某一圍護結(jié)構(gòu)的傳熱阻、R_inj、R_0j、R_outj分別為內(nèi)表面換熱阻、該圍護結(jié)構(gòu)熱阻和外表面換熱阻；

d、k_j＝1/R_j；其中：k_j為日光溫室某一圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)；

e、綜合傳熱系數(shù)為日光溫室后墻、后坡、側(cè)墻、前坡傳熱系數(shù)與其面積權(quán)重的乘積，其計算式為其中：S_n為日光溫室暴露在空氣中的總表面積、S_j為日光溫室某一圍護結(jié)構(gòu)暴露在空氣中的表面積、η_j為日光溫室某一圍護結(jié)構(gòu)占綜合傳熱系數(shù)的權(quán)重，其中：k_j為日光溫室某一圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、k為日光溫室綜合傳熱系數(shù)。

根據(jù)步驟a～e，結(jié)合表2所得數(shù)據(jù)，計算得出日光溫室的綜合傳熱系數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表2綜合傳熱系數(shù)計算表

根據(jù)所得綜合傳熱系數(shù)采用本發(fā)明所述方法及公式計算溫室的保溫常數(shù)、氣溫系數(shù)、風速系數(shù)、濕度系數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表3：

表3基于總傳熱系數(shù)的保溫方程各參數(shù)求算

將室外氣溫、濕度及風速帶入本發(fā)明中所確立的溫差方程ΔT＝γ_c+γ_T·T+γ_W·W+γ_HR·HR，計算得出上述4個地區(qū)的實時模擬溫差，并與實測溫差結(jié)果做對比，對比圖見圖1～4，通過圖1～4可以看出本發(fā)明中的對于溫室內(nèi)外溫差的估算方法與實測值基本吻合，可用于對日光溫室的保溫性能進行定性的估算或評價，從而提高溫室生產(chǎn)管理水平。

2.保溫常數(shù)與日光溫室墻體主要構(gòu)成材料的相關(guān)性

由表3可知：圍護結(jié)構(gòu)對溫室保溫常數(shù)影響顯著，土圍護結(jié)構(gòu)溫室的保溫常數(shù)大于17，如薊縣侯家營(17.85)及寶坻圣人莊(20.34)；磚圍護結(jié)構(gòu)溫室保溫常數(shù)低于17，如北辰雙街(15.84)及武清農(nóng)科院(13.21)；同一圍護結(jié)構(gòu)因建筑構(gòu)型的差異保溫常數(shù)也會影響溫室保溫性能，如同是磚圍護結(jié)構(gòu)北辰溫室保溫性能要優(yōu)于武清農(nóng)科院，同是土圍護結(jié)構(gòu)，跨度小的寶坻溫室要好于薊縣；保溫常數(shù)越大溫室保溫性能越好，如寶坻圣人莊溫室可在室外零下-11.2℃時維持室內(nèi)13℃的氣溫，結(jié)合低溫冷害指標，可知該棚室可生產(chǎn)對溫度要求較高的黃瓜，而如以武清農(nóng)科院溫室進行黃瓜生產(chǎn)則極易發(fā)生低溫冷害。

3.基于溫差方程的日光溫室分類

利用溫差方程，結(jié)合日光溫室所在地的氣候資源特點及作物生長發(fā)育指標，實現(xiàn)對溫室的合理分類，利于指導溫室生產(chǎn)，這里以天津地區(qū)為例，其他地區(qū)可采用同樣或相似方法進行統(tǒng)計。

基于溫差方程對日光溫室進行分類，首先要獲得溫室所在地的氣候背景資料(一般要求大于30年)，以計算最低氣溫保證率為80％(生產(chǎn)上認為保證率達到80％風險較為可控)的氣溫、濕度、風速組合，見表4。

表4天津1950-2014年最低氣溫保證率為80％溫度、濕度及風速組合

根據(jù)表4中的氣溫、濕度、風速組合，分別計算保溫常數(shù)為22、19、17、15、13、10的溫室(以上述幾個不同保溫常數(shù)的溫室為例)在指定氣候背景條件下所能維持的室內(nèi)外溫差，根據(jù)室外最低氣溫獲得溫室內(nèi)最低氣溫值，見表5。

表5基于保證率與溫差方程估算低溫條件下的生產(chǎn)能力

由表5，綜合考慮不同作物生長發(fā)育所需要的最低溫度，可將天津地區(qū)的日光溫室可分為6大類：耐寒葉菜型、葉菜適宜型、果葉混合型、低溫果菜型、果菜適宜型以及高溫果菜型，見表6。

表6天津主要溫室類型小氣候分類及結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)特征

由表6中可以看出，天津地區(qū)6大類日光溫室的具體情況分析如下：耐寒葉菜型，溫室保溫常數(shù)低于13高于10，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于2℃～5℃，此類溫室多為磚圍護結(jié)構(gòu)，因前坡面占整個溫室圍護表面積比例較高，保溫性能受到一定影響，可用于生產(chǎn)耐寒葉菜；葉菜適宜型，溫室保溫常數(shù)低于15高于13，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于5℃～7℃，此類溫室多為磚圍護結(jié)構(gòu)，因前坡面占整個溫室圍護表面積比例較高，保溫性能受到一定影響，可用于生產(chǎn)一般葉菜；果葉混合型，溫室保溫常數(shù)介于15至17之間，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于7℃～9℃，冬季生產(chǎn)月高于5℃有效積溫大于2175～2304℃·d，此類溫室多為磚圍護結(jié)構(gòu)，前坡面占整個溫室圍護表面積比例適中，保溫性能優(yōu)于一般磚圍護結(jié)構(gòu)，可用于生產(chǎn)葉菜及部分耐寒果菜，但風險較高易受凍害影響；低溫果菜型，溫室保溫常數(shù)介于17至19之間，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于9℃～11℃，冬季生產(chǎn)月高于5℃有效積溫大于2477～2606℃·d，此類溫室多為土圍護結(jié)構(gòu)，因跨度較大，溫室前坡面散熱較大，因此保溫性略差，可用于西紅柿等對溫度需求不高的果菜生產(chǎn)，進行高溫果菜生產(chǎn)時風險較高；果菜適宜型，溫室保溫常數(shù)介于19至22之間，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于11℃～14℃，冬季生產(chǎn)月高于5℃有效積溫大于2779～3059℃·d，可用于一般果菜生產(chǎn)，如黃瓜、西紅柿等；高溫果菜型，溫室保溫常數(shù)高于22，溫室在最冷月可保證最低氣溫高于14℃，冬季生產(chǎn)月高于5℃有效積溫大于3231℃·d，利于對溫度要求較高的果菜進行生產(chǎn)。此外，保溫常數(shù)低于10以下的日光溫室，可進行耐寒蔬菜生產(chǎn)(如芹菜等)，由于該類溫室在天津地區(qū)極為少見，這里不進行討論。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。