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西北型日光温室内风速分布及其与室外风速和通风面积的关系

来源: 本站  类别:技术文章  更新时间:2013-10-16 11:54:20  阅读

在国内外温室生产中, 自然通风有3 个基本功能: 补充二氧化碳; 调节室内的温度和湿度; 在温室内部形成一定的气流, 增强光合、呼吸和蒸腾作用。国内外许多专家对温室内的气流运动和风速分布情况进行了初步研究, 但主要针对大型连栋温室。而我国目前主要的温室类型是节能日光温室, 其面积已约达70 万hm2。由于日光温室内的风速分布和大小与室外风速和通风面积的关系尚不清楚, 因而难以对其实现科学的量化管理。通风管理是日光温室生产过程中最重要的环境调控手段之一, 合理的通风既可以防止病虫害的滋生与蔓延, 又可以提高农产品的产量和品质。本研究探讨了西北型日光温室内的风速分布规律及其与室外风速和通风面积的关系, 以期为日光温室的生产管理和结构设计提供技术指导和理论依据。使用仪器推荐:植物叶面积仪活体叶面积仪
1 材料与方法
1. 1 试验温室
试验于2004204~ 06 在杨凌景卉公司的西北型日光温室内进行, 温室东西走向, 长60 m , 跨度8 m ,脊高3. 6 m , 拱梁间距1 m; 侧窗为卷膜开窗, 下沿距地面1 m , 跨度1 m; 天窗跨度1 m; 后墙平行布置10个通风口, 距地面1. 1 m , 面积30 cm ×30 cm。日光温室骨架为镀锌钢管拱架, 覆盖无滴聚乙烯薄膜, 外覆复合保温被, 保温被每天8: 00 揭开, 17: 30 盖严,后墙内夹保温层, 天窗、侧窗都为卷帘式, 天窗为电机带动, 侧窗为手动。温室内种植非洲菊, 株高20 cm左右。
1. 2 试验方法
试验通过调节卷膜开窗的宽度设置了12. 7% ,17. 45% , 18. 8% 和25. 2% 等4 个不同的开窗面积,于2004204205 8: 00~ 17: 00 测量晴天温室内外的风速, 每小时记录1 次数据, 最后对数据进行分析。试验共设10 个观测点, 室内均匀分布9 个(图1) , 在距离温室20m 远的空旷地带设一个室外观测点。各观测点在垂直方向上分别设100, 50 和20 cm 3 个测量高度。用KANOMAX6004 型热线式风速仪测定风速, 用上海产便携式ZJ 122A 型温湿度自记钟记录温度和湿度。
1. 2. 1 日光温室内风速日变化规律的研究 选择晴天的数据, 对不同时刻、不同高度水平室内所有测量点的风速数据求平均值, 即可得到不同时刻、不同水平高度的室内风速; 将室外20, 50 和100 cm 的所有风速值求平均值, 即室外风速, 最后分析室内风速的日变化情况。
1. 2. 2 日光温室内风速的水平分布规律 由图1
可知, 观测点1~ 3 号为东测点, 4~ 6 号为中测点, 7~ 9 号为西测点; 1, 4, 7 号为北观测点, 3, 6, 9 号为南测点, 2, 5, 8 号位于温室的中轴线上。对1~ 3,4~ 6和7~ 9 号点观测值分别求平均值, 统计分析后得温室内风速的东西分布情况; 将1, 4, 7 号, 2, 5, 8号和3, 6, 9 号点观测值求平均值, 统计分析后得温室内风速的南北分布情况。
1. 2. 3 日光温室内风速与室外风速的关系 将测得的试验数据进行统计分析, 找出各个时刻对应的室内、外风速值, 进行回归分析。
1. 2. 4 通风面积不同时日光温室内的风速折减率
和温升 通风面积不同, 则温室内的通风效果也不同, 可以用风速折减率(R ) 来讨论不同通风面积下的室内通风效果。R = 1 - V iöVo
式中,V i 和V o 分别为温室内、外的风速(m ös)。试验同时分析了日光温室内温度较室外温度的上升值与通风面积之间的关系。设置了12. 7% ,17. 45% , 18. 8% 和25. 2% 4 个通风面积比, 分别进行室内外共10 个点、3 个高度水平风速的测量, 对测得的1 080 个数据进行统计分析。
2 结果与分析
2. 1 西北型日光温室内风速的日变化规律  西北型日光温室内风速与室外风速的日变化情况见图2。
F ig. 2 D iurnal variat ion of air speed inside and outside no rthw est type sunligh t greenhouse  从图2 可以看出, 日光温室内风速日变化明显受到室外风速的影响, 总体趋势呈双峰曲线, 上午9:00 和中午13: 00 风速较大, 早晚风速较小。通风情况下, 13: 00 时室内风速最大, 12: 00 时风速最小; 室内垂直方向上的风速虽然有些时段有所不同, 但总体变化趋势是风速随着高度的增加而增大。风速变化除了主要受室外风速的影响外, 还受室内热压的作用。上午(8: 00~ 10: 00) 开棚(侧窗打开以及天窗开启为开棚) 时, 由于棚内温度较棚外高, 从而产生较大的温度差, 导致棚内外的气流交换较快, 造成上午气流交换加强, 风速变化不平稳; 中午(12: 00~ 14:00) , 室内温度升高, 空气上下温度差增大, 因此中午风速最大; 下午(15: 00~ 17: 00) , 由于棚内外温度基本平衡, 气流交换变弱, 因而风速变化平稳。
2. 2 西北型日光温室内风速水平分布
从图3 可以看出, 温室中风速在东西方向的水平分布规律为: 温室东部和中部的风速差异不大, 西部风速明显大于东部和中部, 这主要是由于温室的第9 期杨振超等: 西北型日光温室内风速分布及其与室外风速和通风面积的关系37
 从图2 可以看出, 日光温室内风速日变化明显受到室外风速的影响, 总体趋势呈双峰曲线, 上午9:00 和中午13: 00 风速较大, 早晚风速较小。通风情况下, 13: 00 时室内风速最大, 12: 00 时风速最小; 室内垂直方向上的风速虽然有些时段有所不同, 但总体变化趋势是风速随着高度的增加而增大。风速变化除了主要受室外风速的影响外, 还受室内热压的作用。上午(8: 00~ 10: 00) 开棚(侧窗打开以及天窗开启为开棚) 时, 由于棚内温度较棚外高, 从而产生较大的温度差, 导致棚内外的气流交换较快, 造成上午气流交换加强, 风速变化不平稳; 中午(12: 00~ 14:00) , 室内温度升高, 空气上下温度差增大, 因此中午风速最大; 下午(15: 00~ 17: 00) , 由于棚内外温度基本平衡, 气流交换变弱, 因而风速变化平稳。
2. 2 西北型日光温室内风速水平分布
从图3 可以看出, 温室中风速在东西方向的水平分布规律为: 温室东部和中部的风速差异不大, 西部风速明显大于东部和中部, 这主要是由于温室的操作间在西侧墙上, 因此造成西部风速较大。若排除操作间开口的影响, 温室内风速在东西方向上应无明显差异。从图4 可知, 温室内风速在南北方向的水平分布规律为: 中排测量点的风速明显小于南北两排测量点的风速。由此可以看出, 在温室前开口和顶开窗同时打开的情况下, 温室内风速南北方向水平分布规律呈V 字型, 并且离窗口越近, 风速越大。这主要是因为北测量点距离顶窗较近, 南测量点距离南侧通风口较近, 而中部测量点离窗口较远。另外,温室通风除了室外风速的影响外, 还受室内外温度差造成的热压作用的影响, 在顶通风和底通风同时开启的情况下, 会形成前底窗进风, 顶窗排风的自然循环, 因此越靠近通风窗口, 风速越大。2. 3 西北型日光温室室外风速对室内风速的影响在温室中, 通过调节顶通风和前部底通风, 温室的最大通风面积可以达到25. 2% (通风口面积与温室总占地面积之比)。2004205217, 在通风面积最大条件下, 白天对室内外各点的风速和温度进行测量,经统计分析可以看出, 室内风速主要受室外风速的影响, 且二者存在较强的线性关系(图5)。在室外风速相同的情况下, 室内风速随着测点高度的增加而增大, 且室外风速对室内风速的影响也增大。
2. 4 通风面积对西北型日光温室内风速折减率和温升的影响
从图6 可以看出, 风速的折减率随着测点高度的增加而增大; 总体来看, 随着通风面积的增大, 风速折减率先缓慢降低, 再迅速降低, 最后又缓慢降低(100 cm 高度处出现轻微增加)。表明在20~ 100 cm高度, 从风速折减率的角度来看, 通风效果最佳的通风面积比大约为18%~ 25%。图7 表明, 在通风面积比从12. 7% 上升到25. 2% 时, 室内温升先迅速降低, 后缓慢降低, 温室内的平均温升从2. 36 ℃降到1. 34 ℃, 其中在通风面积比为18. 8%~ 25. 2% 时温升下降缓慢。结合图6的分析可以初步得出, 西北型日光温室通风效果最佳的通风面积比为18%~ 25%。
3 结论与讨论
温室自然通风的原理包括热压作用和风压作用, 前者是利用温度差而产生室内外空气的压力差,形成热压作用的通风; 后者是利用风吹向建筑物时,迎风面产生正压、背风面产生负压, 从而形成风压作用的通风。热压作用的变化相对较小, 而风压作用的随机性很大。由于自然通风应用广泛, 在许多情况下风压引起的自然通风会有举足轻重的作用。本研究结果显示, 西北型日光温室内的风速日变化规律基本上呈双峰曲线, 这主要是因为在上午8: 00 左右, 由于温室开窗通风, 室内的高温高湿气体因热压的作用迅速向外排出, 室外温度较低的新鲜空气进入室内, 使室内的风速达到第1 个高峰; 随着空气交换的进行, 室内外的温度逐渐达到平衡, 室内风速开始降低; 在中午时刻, 由于温室内外温差加大, 室内的风速又一次增大, 达到第2 次高峰; 下午时段, 由于温室内外的温差逐渐减小, 室内风速逐渐减小。因此日光温室内的风速日变化呈双峰曲线。在25. 2% 的通风面积比下, 西北型日光温室室内风速与室外风速有显著的线性关系, 这与M eirTeitel 等和W ang 等对大型连栋温室的研究结论一致。因此可以认为, 在国内的节能日光温室中,室内风速随室外风速的增大而增大, 随室外风速的减小而减小。日光温室内的风速在水平方向的分布规律为东西方向变化不大, 南北方向呈V 字型分布,其根本原因是距离通风口距离的不同, 离通风口越近, 风速越大, 反之越小。
日光温室内风速的大小可直接调节室内的小气候, 如降低温度, 排除湿气, 增加CO 2 含量, 适宜的风速还有利于作物的光合、呼吸和蒸腾作用。日光温室内的风速与通风面积密切相关, 因此研究日光温室的通风面积非常重要。以往通风面积的确定主要采用经验参数, 至今尚无此方面的研究报道。本试验研究了通风面积与风速折减率之间的关系, 以及通风面积与温室内温升的关系, 结果表明, 西北型日光温室通风效果最佳时的通风面积比为18%~25% , 这对于指导温室结构设计、提高温室管理水平和日光温室的环境调控能力均有重要意义。西北型节能日光温室是西北地区温室生产的主要温室类型, 具有造价低、保温性能好等优点, 十分适合西北地区设施农业生产, 研究其室内的风速分布规律可以进一步优化温室结构。本试验初步阐明了西北型节能日光温室中风速的分布和变化规律,结果对于日光温室通风面积的优化设计和温室的生产管理具有一定的参考价值和指导意义。

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