壁柱式日光温室温度变化规律及温度预测模型研究

【摘要】以墙体总热阻值及后墙材料（红砖）相同为前提，以常规平面墙体作对照，研究壁柱式（凹凸面）墙体对日光温室温效应的影响并建立温度预测模型。采用SPSS软件构建日光温室次日最低/最高气温预报模型。结果表明：不同天气条件下，壁柱式日光温室和对照温室气温日变化规律基本一致，都有明显升降变化；壁柱式日光温室平均温度、最低/最高气温均高于对照；模型模拟值和实测值RMSE都在2℃以内，MRE在9%左右。壁柱式温室保温性好，蓄热能力强。所建模型对日光温室最低/最高气温模拟具有较高精度，满足温室最低/最高气温预测要求。

日光温室是中国重要的农业生产设施，它具有造价低、节能、结构优化、性能良好等特点[1-2]。日光温室的后墙是组成温室围护结构不可或缺的重要部分，从温室热工性能角度讲，日光温室后墙是保证室内作物正常生长温度的关键要素。温室热工性能在温室建设完成后就基本确定，因此在温室长度和高度确定的条件下，为了提高砖墙结构日光温室的热工性能，增大墙体室内的比表面积，是一种有效的解决途径[3]。壁柱式温室是一种增大表面积的日光温室，与传统平面型墙体相比，凹凸型后墙比平面具有更大表面积，能够更好蓄积太阳能，增加墙体与室内空气交换能力。目前，壁柱式日光温室在中国北部及西北部地区已经推广应用，但国内外学者对壁柱式日光温室内环境温度效应鲜有研究，缺少相关的室内温度变化规律理论及温度预警模型，来指导该类温室进行常规性种植管理。因此，笔者重点研究了春季壁柱式日光温室温度变化规律，以次日室内最低/最高气温为预测目标，以日光温室小气候范围内的当日环境因子作为自变量，建立春季日光温室内最低/最高气温预测模型，以期为今后壁柱式日光温室研究提供理论依据。

材料与方法

试验材料

本试验于2013年4月1日～5月31日在山东鑫诚现代农业有限公司实验基地内进行。试验温室为辽沈Ⅰ型日光温室，选用墙体材料为红砖，后墙结构分别为壁柱式（凹凸面）和平面式。

试验方法

试验设计

试验期间，室外气象条件由气象站自动采集，采集频率10 min/次。采用HOBO温湿度仪、T型热电偶、光照度计分别测定日光温室室内温湿度、围护结构温度及光照强度。其中温度采集频率为10 min/次；光照强度采集频率为30 min/次。如图1所示，温湿度仪分别放置在距前屋面1 m、后1 m和温室中部位置距地面1 m高平面上；T型热电偶安置在温室顶部、后坡、后墙及中部地表处。其中后墙热电偶线按0.5 m间隔均匀分布；光照度计放置在温室中部距离地面高0.5 m位置上。

统计分析

对原始数据进行标准化或归一化处理，采用Microsoft Excel 2003对测定数据进行绘图与制表；用SPSS18.0软件进行相关分析和逐步回归分析。

结果与分析

不同天气情况（晴天、阴天）日光温室内气温的日变化特点

晴天温室内气温的日变化特点

由图2可知，壁柱式和对照温室气温日变化规律基本一致。0：00～7：30（揭帘前），2栋温室内温度均处于下降趋势，壁柱式日光温室气温略高于对照，平均温差1.44℃；揭帘后，随着光辐射增强，2栋温室内的温度迅速上升，均呈不规则抛物线形，其中壁柱式日光温室上升速度大于对照，平均温差2.75℃，2栋温室于13：00同时达到最高温度，分别为28.84、24.8℃，此时温差最大，为4.04℃。下午16：30，温室盖帘，对照温室气温仍处于下降趋势，至18：00稳定在18℃左右，而壁柱式温室室温在盖帘后先上升至23.4℃，然后缓慢降低至20℃左右。

阴天温室内气温的日变化特点

由图3可知，与晴天相比，阴天条件下光强较弱，壁柱式温室和对照温室气温一天内最高峰值均小于晴天条件下气温最高值。0：00～5：30，壁柱式温室和对照温室气温均呈下降趋势，平均温差1.44℃，5：30出现最低值，分别为12.40和10.92℃；5：30～7：30，2栋温室内的温度出现回升现象；揭帘后，随着光照强度增强，2栋温室内的温度上升趋势增大，于13：00达到最高值，分别为24.09和21.49℃，此时温差最大，为3.29℃；下午16：30（盖帘），2栋温室气温仍在下降，至次日凌晨趋于稳定，分别为15、14℃。

温室内气温最高值和最低值的月变化特点

温室内气温最低值的月变化特点

如图4可知，4月份壁柱式日光温室和对照温室气温最低值变化规律一致，壁柱式温室气温最低值均高于对照，平均温差1.84℃，最大温差3.38℃。4月份内2栋温室气温最低值均有较大起伏，壁柱式温室气最低值变化范围7.28℃～18.80℃，对照温室气温最低值变化范围5.16～16.63℃，两温室气温最低值升降变化一致。

温室内气温最高值的月变化特点

由图5可知，4月份壁柱式日光温室和对照温室气温最高值变化规律一致，壁柱式温室气温最低值高于对照，平均温差1.47℃，最大温差2.48℃。4月份内两温室气温最高值均有较大起伏，壁柱式温室气温最高值变化范围22.36～35.35℃，对照温室气温最高值变化范围20.76～33.87℃，2栋温室气温最高值升降变化一致。

日光温室空气最低温度和最高温度预报模型的建立

预报气温与室内外各气象要素的相关分析

以次日室内最低气温和最高气温为预测目标，应用相关分析技术分析预测目标与室内外气象因素的相关性（表1）。

如表1所示，与次日最低气温呈现极显著相关性的气象因素有：当日室内最大光照度、地表最低温度、墙体表面最高和最低温度、前膜最高和最低温度、后坡最高和最低温度及室内最小相对湿度值。与次日最高气温呈现极显著相关性的气象因素有：次日室内最大光照度、当日地表最低温度、墙体表面最低温度和后坡最低温度。

预测模型建立

以次日室内最低和最高气温为应变量，根据所得结果，选择相应达到显著水平以上的气象因素为自变量，建立日光温室内空气温度最低和最高值预测模型（表2）。

模型检验

以2012年5月份日光温室内外气象数据输入模型，预测次日温室气温预报值。如表3所示，建立的4个方程平均绝对误差和平均相对误差都在可接受误差范围内，所建方程符合要求，达到预测精度要求。

结论

本试验是在温室墙体材料相同的前提下对不同墙体结构进行设计，结果表明：

（1）不同天气情况下，壁柱式日光温室和对照温室气温日变化规律一致，且壁柱式温室平均温度均高于对照；壁柱式温室最低和最高气温均高于对照，平均温差为1.5和2.1℃，说明壁柱式温室保温性好，墙体保温蓄热能力强。

（2）以次日室内最低气温为预测目标，建立次日室内最低和最高气温预测模型。模型模拟值和实测值RMSE都在2℃以内，MAE和MRE均在1.5%和9%左右；壁柱式日光温室模型模拟值和实测值相关系数R2为0.936、0.904，对照温室模型模拟值和实测值相关系数R2为0.959、0.866，表明所建模型对室内最低和最高气温模拟都有较高精度，能够满足日光温室预测要求。

壁柱式日光温室模型为：

T最低气温= 3.155+0.243SR2+0.304T5D- 0.147T6D-0.358T5G+0.264T3G

T最高气温= 1.837+0.420T1G+0.239SR1+ 0.402T2D+

0.142T3G

对照日光温室模型为：

T最低气温= 6.984+0.488T4G+1.399T4D-1.120T3D+

0.298T2G-0.431T3G+0.067RHD

T最高气温=2.410 + 0.288T1G+0.529SR1+0.283T5D-

0.147T3G

讨论

该预报模型可预测日光温室最低/最高温度。当室内气温高/低于作物临界值，农户可提前降温/增温。但因日光温室气温受外界环境因素影响较多，室内温变速率随着天气状况和季节变化而变化，所以该模型还不能涵盖整个日光温室温度变化全过程。模型对晴天和阴天气温预测准确率相对较高，而对多云天气下气温预测准确率相对较低。

北方日光温室温度变化规律有一致性，日光温室温度预测模型可试用于北方地区。试验中保温材料和性能较固定，而实际上各地农户保温材料参差不齐，因此实际应用模型预报结果存在误差，还需进一步订正和研究。

参考文献

[1] 何雨，须晖，李天来.日光温室后墙内侧温度变化规律及温度预测模型[J].北方@艺，2012（7）：34-39.

[2] Bailey B J， Montero J I， Parra J P， et al. Airflow resistance of greenhouse ventilators with and without insectscreens[J]. Bio-systems Engineering，2003，86（2）：217-229.

[3] Katsoulas N， Savvas D， Tsirogiannis I， et al. Responseof an eggplant crop grown under Mediterranean summerconditions to greenhouse fog cooling[J]. Scientifichorticultural，2009，123（1）：90-98.

作者简介：刘洋（1991-），女，山东滨州人，硕士，现主要从事果树方面研究工作。