姜瑞洋，張維江**，馬 軼，馬 芳，馮 娜，李偉建，姜 昌

基于熱平衡及熱濕參數動態(tài)分析紅梅杏防霜棚“冷室效應”*

姜瑞洋1，張維江1**，馬 軼1，馬 芳1，馮 娜1，李偉建1，姜 昌2

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2. 寧夏紅梅杏科技發(fā)展有限公司，固原 756000）

針對寧南地區(qū)紅梅杏防霜棚夜間棚內環(huán)境溫度長期低于棚外，即出現了“冷室效應”，未達到預防霜凍效果，依據質、熱平衡原理分別研究防霜棚覆蓋層、棚內濕空氣和土壤層的熱量收支情況，以及防霜棚系統(tǒng)在棚布覆蓋-次日收攏時段棚內熱量蓄積情況；分析棚內主要熱濕參數的動態(tài)過程，以此探究防霜棚內相對濕度及濕空氣狀態(tài)變化對相變潛熱的影響和棚內“冷室效應”的產生機理，為改進設計提供理論依據，以達到有效預防霜凍災害的目的。結果表明：（1）春、秋季夜間棚內出現“冷室效應”時土壤層和覆蓋層均因熱損失較高成為失熱部分，而棚內濕空氣因得到熱量較多成為得熱部分。（2）春、秋季棚布覆蓋-次日收攏時段棚內累計得熱量低于累計失熱量，導致棚內熱量失衡。（3）棚內濕空氣熱濕參數與棚外熱濕參數存在顯著差異（春季棚內的飽和水汽壓除外）；夜間棚內水汽密度與露點溫度的動態(tài)變化過程均可反映因蒸發(fā)及冷凝而產生的潛熱變化規(guī)律；棚內低溫和較高的水汽密度使飽和水汽壓與實際水汽壓無限接近，導致棚內相對濕度持續(xù)偏高。紅梅杏防霜棚夜間累計得熱量始終小于累計失熱量，土壤層和覆蓋層為最主要的熱損失部分，在熱量失衡的情況下出現了“冷室效應”。

紅梅杏；冷室效應；熱平衡；水汽密度；露點溫度；水汽壓

紅梅杏是寧夏固原地區(qū)的重要支柱產業(yè)，受當地特殊的氣候影響，在每年紅梅杏初花期和幼果期常會遭到不同程度的霜凍災害，導致當地紅梅杏產業(yè)減產甚至絕收[1?3]。張維江等為當地紅梅杏產業(yè)有效預防霜凍災害初步設計并建造了一種體型較小，單膜覆蓋的紅梅杏防霜棚（以下簡稱防霜棚），但在防霜棚試驗階段均出現了夜間棚內溫度明顯低于棚外的現象。本研究將夜間發(fā)生在密閉的防霜棚內溫度長時間（持續(xù)時長8～10h）低于棚外溫度的現象稱為“冷室效應”。研究夜間防霜棚“冷室效應”的產生機理，對優(yōu)化防霜棚設計，提高防霜棚預防霜凍災害的能力，為當地紅梅杏產業(yè)帶來經濟效益具有重要意義。目前有關溫室大棚內出現“冷室效應”的研究報道較少，多數研究者在分析溫棚內小氣候變化規(guī)律時，因為出現的“冷室效應”持續(xù)時間短且棚內外溫差小，所以并沒有對其產生機理做相應的研究，僅結合各自研究環(huán)境給出了相應解釋。李倩等[4]認為棚內作物種植較密集，導致塑料大棚內的土壤在白天吸收的熱量少而夜間土壤的長波輻射較弱，所以棚內氣溫低于棚外；趙瑋等[5]認為夜間塑料大棚的風口關閉，導致棚內外空氣對流受限，容易出現大棚“冷室效應”；姚鋒先等[6]認為白天大棚內吸收熱量，夜間環(huán)境溫度下降，棚內的散熱較棚外要快，所以棚內儲熱量不足，此外夜間試驗區(qū)域容易出現較強的冷卻輻射所以引起“冷室效應”；余紀柱等[7]認為PE薄膜的長波輻射透過率達80%，棚內熱量以傳導和輻射的方式向外部大量散失，導致夜間棚內溫度低于棚外；范萬新等[8?9]認為在晴天的夜晚通常會有地面輻射冷卻，棚外近地層會吸收其他地方的熱量，而棚內不僅沒有熱量來源，反而會通過塑料薄膜向外界散失熱量；于盛楠等[10]認為中午太陽高度角開始降低，以及塑料薄膜與后墻對太陽輻射的影響，使棚內溫度較棚外提前下降，導致夜間容易出現“冷室效應”。楊棟等[11]認為初冬與初春更容易出現大棚“冷室效應”，并且單膜覆蓋的大棚出現該現象的頻率高于雙膜覆蓋。綜上所述，前人對“冷室效應”的研究多集中在棚膜的覆蓋形式及小氣候影響因素方面，并未從大棚內外熱量收支平衡的角度分析在有“冷室效應”情況下大棚內的整體熱量收支情況。此外，目前對溫室大棚內濕空氣熱濕參數的研究報道較為鮮有，研究濕空氣熱濕參數對深入了解棚內濕空氣狀態(tài)、調控棚內小氣候因素等方面具有指導性作用[12]。本文擬以試驗階段的防霜棚為研究對象，分析夜間棚內外溫、濕度差異，依據傳熱學的質、熱平衡原理分析防霜棚出現“冷室效應”時的熱量收支情況，以期為優(yōu)化防霜棚設計，實現防霜棚對紅梅杏有效預防霜凍災害的目標提供理論依據。同時，分析棚內濕空氣主要熱濕參數的動態(tài)變化過程，從而研究棚內濕空氣在低溫高濕環(huán)境下的狀態(tài)變化及對潛熱的影響，以期為溫室大棚內小氣候調控與管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

查閱近年氣候資料發(fā)現，寧夏固原地區(qū)春霜凍多發(fā)生于3月下旬?5月上旬，秋霜凍多發(fā)生于10月中旬?11月下旬，其中春霜凍對紅梅杏的傷害最大[13?15]。因此，本試驗選擇2020年春季（3月下旬?4月下旬）和秋季（10月下旬?11月下旬），在固原市原州區(qū)的紅梅杏建設示范基地（36°8′25″N，106°7′50″E，海拔1640m）于2019年12月搭建的紅梅杏防霜棚內進行，試驗區(qū)屬內陸暖溫帶半干旱氣候，年平均氣溫6.75℃，無霜期144d。

紅梅杏防霜棚的結構形式為裝配式拱形鍍鋅鋼骨架結構（圖1），共用31根拱架（規(guī)格DN20鍍鋅鋼管）和3根長60m縱向拉桿（規(guī)格DN15鍍鋅鋼管）組成，其中縱向拉桿與拱架采用專用卡具連接；防霜棚南北兩側均有厚度為10cm的巖棉夾心板材作為擋風側板；防霜棚跨度2m，高度2.5m，脊高1.5m，長度60m，南北走向，占地面積120m2；防霜棚的覆蓋材料采用卡槽及蛇形鋼絲彈簧固定，為增強夜間防霜棚的保溫性能，覆蓋材料選用厚度2mm不透光無紡布，單層覆蓋，日落前將棚東西兩側無紡布卷落下來，將棚全面覆蓋，次日日出后卷起并堆積至棚頂中間，全程由電動卷簾機展開與收攏；試驗期間防霜棚內單行種植2a生紅梅杏樹苗，株高經修剪至2m，株距2m，共29棵，地徑平均2.6cm，試驗期間管理方式為自然生長，無灌溉。

1.南側板South side panel, 2.北側板North side panel, 3.覆蓋材料Covering material, 4.拱架Arch steel frame, 5.縱向拉桿Longitudinal side bar, 6.電動卷簾機Electric shutter rolling machine, 7.卷簾臂Roller shutter arm

1.2 觀測項目

防霜棚內監(jiān)測項目包括環(huán)境溫度、相對濕度、土壤溫度及大氣壓力，棚外監(jiān)測項目包括環(huán)境溫度、相對濕度、土壤溫度、大氣壓力及風速風向。棚內外溫濕度監(jiān)測使用JL-17型溫濕度記錄儀（中國產），溫度測量范圍?30～70℃，精度±0.2℃；相對濕度測量范圍0～100%，精度±3%；土壤溫度監(jiān)測使用JL-16-D1型6路土壤測溫儀（中國產），測量范圍?30～70℃，精度±0.2℃；防霜棚外風速風向監(jiān)測使用JL-22型風速風向記錄儀（中國產），風速測量范圍0～60m·s?1，精度±1m·s?1；防霜棚內外大氣壓力的監(jiān)測均采用RS-458型大氣壓測量儀（中國產），測量范圍0～120kPa，精度±0.15kPa。

防霜棚內所有監(jiān)測設備均設在由北向南棚中央30m處，其中溫濕度記錄儀共有兩個測點，分別在距離地面高2m和1m處；大氣壓測量儀設在距離地面高1.5m處；土壤測溫儀共有6個測點，埋深依次為5cm、15cm、25cm、35cm、45cm、65cm。棚外環(huán)境監(jiān)測點距防霜棚正西面80m處，其中溫濕度記錄儀、土壤測溫儀、大氣壓測量儀的測點數量及測點高度均與棚內一致，風速風向記錄儀設在距地面高度2m處。所有數據采集的時間間隔均為5min。

試驗階段以當日氣象臺發(fā)布的夜間最低溫度為標準，當預報最低溫度2℃或以下時，開始紅梅杏防霜棚試驗，17：00左右在日落前覆蓋棚布，棚內無加溫措施，次日8：00左右日出后卷起棚布，覆蓋時長14h～16h。

1.3 分析方法

從兩個方面對防霜棚的熱平衡進行分析，其一，為分析防霜棚的主要失熱部分，將防霜棚夜間熱平衡分為三個模塊，分別為覆蓋層、棚內濕空氣、土壤層的熱平衡，春季試驗多集中在紅梅杏初花期前后，對2a生樹苗的修剪管理及秋季的落葉現象導致紅梅杏樹樹葉較少，因此，春秋季夜間棚內紅梅杏呼吸作用的耗熱量較小，作物的熱平衡可忽略不計[16?17]，根據各層之間物質與能量的交換以及與外界的質、熱交互過程來定性與定量分析各個部分的熱量得失情況；其二，研究防霜棚整體與外界環(huán)境的質、熱交互情況，即夜間在進入棚內熱量與散失熱量的共同作用下防霜棚的熱量蓄積情況。

常溫常壓下，濕空氣的熱濕參數均被視為常數，但本試驗通過分析幾個主要熱濕參數隨時間的動態(tài)變化，研究夜間棚內在低溫高濕情況下濕空氣的狀態(tài)變化及其對相變潛熱的影響，分析防霜棚內相對濕度持續(xù)偏高的原因。

1.4 數據處理

采用Matlab軟件對上述分析方法進行編程，實現數據計算，使用Excel進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 初/終霜期防霜棚內“冷室效應”現象分析

2.1.1 春季終霜期內

2020年3月下旬?4月下旬當地預報夜間最低氣溫為2℃或以下的共5d，分別為3月29日，4月10、12、16和25日，為增加試驗次數，再增選晴朗無風且最低氣溫高于2℃的夜晚（4月6、7、26和27日）進行觀測試驗。由表1可知，春季試驗防霜棚內平均溫度低于室外，均出現了“冷室效應”，其中4月10、12和25日夜間有輕霜凍預警，因此，重點分析這3d夜間棚內外溫度變化，由于棚內外1m與2m高處的溫度差異不大，因此，重點分析1m高處溫度。

受太陽運行的影響，18：00?次日6：00棚外氣溫逐漸下降；棚內溫度則隨著18：00左右棚布落下后的保溫作用，氣溫逐漸上升，約1h后達到最大值，然后開始下降，最終逐漸低于棚外溫度，形成了“冷室效應”。

表1 2020年3?4月防霜棚內外氣溫觀測結果統(tǒng)計

由圖2可見，每次“冷室效應”發(fā)生時，棚內外溫度會產生較大的差異。4月10日，棚布覆蓋后，18：00?19：00棚內溫度升高了1.2℃，19：00?次日6：00棚內溫度下降速度為1.6℃·h?1，高于棚外溫度的下降速度（1.2℃·h?1），造成棚內溫度低于棚外溫度的“冷室效應”。此時段，棚內和棚外的平均溫度分別為?0.3℃和1.2℃，平均溫差1.5℃，最低溫度均出現在次日6：00，分別為棚內?6.2℃和棚外?3.7℃，最低溫度相差2.5℃。7：00左右太陽升起棚內外溫度均開始回升，棚內溫度回升更快，直到8：00棚布卷起，棚內外溫度恢復一致。4月12日和4月25日夜間?次日凌晨棚內、外溫度變化趨勢與4月10日一致，均在20：00左右?次日6：00出現了“冷室效應”，4月12日、25日夜間棚內平均溫度分別為3.0℃和2.7℃，棚外平均溫度均為4.9℃，棚內與棚外的平均溫差分別為1.9℃和2.2℃?？梢姡谟兴獌龅囊雇硎褂脝螌訜o紡布覆蓋的防霜棚防御霜凍時，棚內受凍強度明顯高于棚外，未能達到保護紅梅杏樹防御霜凍災害的目的，保溫效果不理想，不符合本研究的設計初衷。

圖2 2020年4月夜間發(fā)生“冷室效應”時防霜棚內外溫濕度變化過程

園藝設施在夜間基本處于一種封閉狀態(tài)，其內部相對濕度因溫度較低且通風不足而相對較大[18]。由圖2可知，4月10日、12日和25日棚布覆蓋后，棚內相對濕度較棚外上升速度快，在次日卷起棚布前也都保持較高的水平，如4月10日23：00棚內相對濕度已經達到90.0%以上，而棚外在次日4：00左右才達到相對濕度的最大值74.0%。4月10、12和25日夜間?次日凌晨棚內平均相對濕度分別為84.0%、82.5%、71.4%，棚外平均相對濕度分別為53.9%、44.5%、25.0%，棚內相對濕度明顯高于棚外。

2.1.2 秋季初霜期內

如圖3所示為11月3、6和8日夜間出現“冷室效應”時棚內外溫濕度逐時變化過程。由圖可見，與春季略有不同，在秋季日落時棚布覆蓋后棚內溫度并未因保溫作用而有明顯的增溫過程，而表現為棚內溫度的下降幅度明顯高于棚外。11月6日18：00棚內外溫度均為7℃，而22：00棚內溫度已經降至?0.9℃，棚外則為1.1℃，相同時段內棚內外的降溫速度分別為2.0℃·h?1、1.4℃·h?1。11月3、6和8日夜間棚內平均溫度分別為3.5、?0.7和4.6℃，棚外平均溫度分別為5.9、1.6和7.2℃，棚內平均溫度分別低于棚外2.4、2.3和2.6℃，同時這3d夜間棚內最低溫度分別為?0.65、?4.6和?0.35℃，棚外最低溫度分別為?0.1、?3.6和1℃?？梢姡锛驹囼炌瑯映霈F了防霜棚內溫度低于外界溫度的“冷室效應”現象，同樣未能起防御霜凍災害的目的。

圖3 2020年11月夜間發(fā)生“冷室效應”時防霜棚內外溫濕度的變化過程

秋季夜間棚內外相對濕度的變化趨勢與春季基本一致，如圖3所示。棚布覆蓋后，棚內相對濕度有明顯的上升過程，觀測期內至19：00相對濕度都已達到90%以上，并在次日0：00均已接近100%，其中11月3日和8日均在次日6：00棚內相對濕度達到了100%，而11月6日的次日1：50就已達100%，這3d棚內濕空氣的飽和狀態(tài)均持續(xù)到卷起棚布時才結束。而棚外夜間的相對濕度基本保持在30%～88%，僅11月3日的次日凌晨出現了相對濕度升高并接近于棚內的現象，最高達到98.7%，但總體上均表現為棚內相對濕度高于棚外。

2.2 “冷室效應”發(fā)生時防霜棚內熱平衡分析

2.2.1 分析思路和假設

對分析棚內外的熱交換過程做如下假設：將防霜棚南、北面擋風側板視為絕熱部分，忽略其對棚內熱環(huán)境的交互作用；覆蓋面、棚內空氣、土壤淺層與深層的溫度視為均勻狀態(tài)；覆蓋層內外表面溫度一致；只考慮土壤層沿深度方向的熱傳導，跨度與長度方向的傳熱忽略不計；棚內2a生紅梅杏樹夜間呼吸作用耗熱量小，忽略不計。

（1）覆蓋層能量

覆蓋層能量平衡方程為

式中，△Qf為覆蓋層的得熱量（W），正值表示獲得熱量，負值表示失去熱量。Qf,H2O表示覆蓋層水蒸氣凝結潛熱放熱量[19]（W），Qf,aw表示棚外濕空氣與覆蓋材料外表面的對流換熱量(W)，Qf,s表示覆蓋層內表面對土壤表層的長波輻射交換能量（W），Qf,sky表示覆蓋層外表面對天空的長波輻射能（W），Qf,an表示棚內濕空氣與覆蓋層內表面的對流換熱量（W）。其中

式中，γ是水的蒸發(fā)潛熱，取值2.26×106J·kg?1；Af為覆蓋層面積，取值377.54m2；K為棚內濕空氣中水蒸氣質量向覆蓋層的傳遞速率（m·s?1），計算式為

式中，hf,an為棚內濕空氣與覆蓋層內表面間的自然對流換熱系數（W·m?2·K?1），通過努謝爾特準則Nu[20]計算得出；ρf為覆蓋材料密度，取值82kg·m?3；Cf為覆蓋材料比熱容，取值1.6832kJ·kg?1·K?1；Le為濕空氣中水蒸氣的Lewis數，取值0.89。覆蓋材料無紡布的物性參數（密度、比熱容、導熱率）利用基于瞬態(tài)熱線法的儀器TC3000測定得出。

式（2）中，ρva和ρvf分別為棚內濕空氣水汽密度和覆蓋材料內表面飽和水汽密度（kg·m?3），當ρva≤ρvf時，Qf,H2O取值為0，計算式分別為

式中，e和es分別為棚內濕空氣的實際水汽壓和飽和水汽壓（Pa）；MH2O為水的摩爾質量，取值18×10?3kg·mol?1；Tan和Tfn分別為棚內環(huán)境溫度與覆蓋材料內表面溫度（K），其中覆蓋材料的表面溫度根據馬承偉等[21?23]提供的方法，通過覆蓋材料的傳熱量滿足能量平衡關系計算獲得；Rv為氣體常數，取值8.134J·mol?1·K?1。

式（3）?式（6）中，hf,aw為棚外濕空氣與覆蓋材料外表面對流換熱系數(W·m?2·K?1)，與棚外風速有關，根據雷諾準則Re的大小判斷棚外空氣經過覆蓋層外表面的流態(tài)，并根據層流與紊流各自不同的努謝爾特準則Nu得到對流換熱系數；Tfw和Taw分別為覆蓋材料表面溫度和棚外濕空氣溫度（K）；Ef和Es分別表示覆蓋層內表面與土壤表層的發(fā)射率，分別取值0.9和0.8[12]；Ff,s表示覆蓋層內表面對土壤表層的輻射角系數，取值0.32[12]；σ表示黑體輻射常數，取值5.67×10?8W·m?2·K?4；Ts為土壤表層溫度（K）；Esky表示天空發(fā)射率，取值1[12]；Ff,sky表示覆蓋層外表面對天空的輻射角系數，取值1[12]；夜間的太陽短波輻射為0，天空可視為無限大黑體，因此，天空輻射溫度Tsky=0.0552Taw1.5[24]，單位K。

（2）棚內濕空氣能量

棚內濕空氣能量平衡方程為

式中，△Qa為棚內濕空氣的得熱量（W），正值表示棚內濕空氣得到熱量，負值表示失去熱量，Qan,s表示棚內濕空氣與土壤表層的對流換熱量（W）；Qf,an表示棚內濕空氣與覆蓋層內表面的對流換熱量（W）；Qa,v表示棚內外濕空氣的滲透換熱量[25?26]（W），由圍護結構的連接或覆蓋部分存在裂縫、破損、縫隙所引起的棚內外熱量交換；Qf,an表示棚內濕空氣與覆蓋層內表面的對流換熱量（W）。其中

式（11）?式（13）中，As為棚內土壤表面面積（m2）；han,s為棚內濕空氣與土壤表層的自然對流換熱系數（W·m?2·K?1），計算方法同式（7）的hf,an；Vn為棚內容積，取值274.3m3；N、Cpw和ρw分別為換氣次數（h?1）、棚外濕空氣定壓比熱(kJ·kg?1·K?1)和棚外濕空氣密度(kg·m?3)，其中換氣次數的計算式為

式中，U為室外風速（m·s?1）；△T為棚內外環(huán)境溫度差（K）。

（3）棚內土壤能量

棚內土壤能量平衡方程為

式中，△Qs表示棚內土壤的熱量（W），正值表示獲得熱量，負值表示失去熱量。Qs,sd為土壤表層至深層由熱傳導而引起的導熱量（W）；Qs,H2O為土壤水分蒸發(fā)的潛熱量（W）；Qan,s表示棚內濕空氣與土壤表層的對流換熱量（W）；Qs,f為棚內土壤表面對覆蓋層內表面的長波輻射交換能量（W），其中

式（16）?式（19）中，λ為土壤熱傳導系數，0.86W·m?1·K?1；D為土壤層的鉛直深度，取0.45m；Tsd為0.45m深處土壤溫度（K）；△為棚內濕空氣es隨Tan變化的曲線斜率（kPa·K?1）；Rn為夜間棚內地表面凈輻射（W·m?2)；G為土壤熱通量（W·m?2)；ρn為棚內濕空氣密度（kg·m?3）；Cpn為棚內濕空氣定壓比熱(kJ·kg?1·K?1)；ra和rs分別為空氣動力學阻抗與土壤表面阻抗，分別取值98s·m?1和210s·m?1；Fs,f為土壤層表面對覆蓋層內側的輻射角系數，取值1[12]。

（4）防霜棚夜間蓄熱

將防霜棚視為一個整體的系統(tǒng)，根據能量守衡定律，該系統(tǒng)在得熱與失熱的共同作用下，研究它在整個夜間的熱量蓄積情況，于是有

式中，△Q為棚內覆蓋?次日棚布收攏棚內蓄積的總能量（W），正值表示棚內累計得熱量大于失熱，負值表示棚內累計得熱量小于失熱，當△Q=0時，棚內累計得熱量等于累計失熱量。式（20）中Qaw,an為貫流換熱量（W），表示溫度高的一側通過覆蓋材料向溫度低的一側傳遞的熱量，計算式為

式中，f為覆蓋材料的熱節(jié)省率，取值0.64[12]；α為熱量貫流率（W·m?2·K?1），計算式為

式中，δ為覆蓋材料厚度，即0.002m。

2.2.2 防霜棚不同模塊熱平衡分析

各模塊熱量得失情況如表2所示。其中，4月10和12日、11月3和6日夜間覆蓋層和棚內土壤層均為失熱部分，棚內濕空氣為得熱部分，而4月25日和11月8日除土壤層為失熱部分外，覆蓋層和棚內濕空氣均為得熱部分。

（1）覆蓋層熱平衡

由表2可見，Qf,sky為主要的熱損失，這是因為夜間天空輻射溫度低于覆蓋層溫度所致，而Qf,H2O、Qf,aw、Qf,s、Qf,an均為覆蓋層提供熱量，這是因為棚內外環(huán)境溫度、土壤溫度均高于覆蓋層表面溫度所致。在4月10和12日、11月3和6日夜間熱損失Qf,sky占總熱量的百分比依次為52%、56%、54%和53%，均大于總熱量的一半，而其余各項占比總體情況表現為Qf,H2O＜Qf,an＜Qf,aw＜Qf,s，其中Qf,H2O提供的熱量最少，依次為0.7%、0.3%、1.2%和1.8%，同時也可以看出，秋季夜間覆蓋層內側由水汽凝結所提供的熱量高于春季，Qf,aw和Qf,s為主要的熱量來源，將二者相加后占比依次為44%、38%、38%和40%。而4月25日夜間提供熱量的Qf,s和熱損失Qf,sky占比均為40%，外加其余各項提供的熱量，導致覆蓋層得熱量的占比（59.9%）大于損失熱的占比（40%），同樣，在11月8日由于提供熱量的Qf,an與熱損失Qf,sky的占比分別為38.6%和40.1%，外加其余各項提供的熱量，導致覆蓋層得熱量的占比（59.8%）大于損失熱的占比（40.1%），因此，4月25日和11月8日的覆蓋層為得熱部分。

表2 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚不同模塊的熱量得失(kW)

注：正值表示得到的熱量，負值表示失去的熱量。表3同。

Note: positive value indicates the heat obtained and negative value indicates the heat lost. The same as table 3.

（2）棚內濕空氣熱平衡

由于棚內環(huán)境溫度低于土壤與外界溫度，所以棚內濕空氣熱量收支中Qan,s和Qa,v為棚內濕空氣提供熱量，由表2可知，4月10、12和25日，11月3、6和8日的Qan,s為主要熱量來源，6d內的平均占比為79.5%，其次為Qa,v，平均占比3.4%。由于覆蓋層內表面溫度低于棚內環(huán)境溫度，使得覆蓋層吸收棚內濕空氣溫度，因此，Qf,an為主要熱損失，6d內Qf,an平均占比為17%，小于Qan,s的占比，因此，夜間棚內濕空氣為得熱部分。

（3）棚內土壤層熱平衡

夜間防霜棚內無熱源供暖時，棚內環(huán)境溫度低于土壤溫度，所以土壤層就是唯一的熱源。由表2可知，在土壤層的熱量收支中，Qs,f、Qan,s、Qs,H2O均為土壤層的熱損失項，其中Qs,f和Qan,s占比最大，該兩項在6d內的平均占比分別為42.1%和42%，Qs,H2O的占比最小，為6.9%，由此可知，夜間土壤水分蒸發(fā)消耗的潛熱較小。而Qs,sd在不同情況下表現為不同的傳熱方向，例如在4月10日、11月3日、6日和8日夜間，由于表層土溫持續(xù)較長時間低于深層土溫，即Qs,sd為負值，熱量由深層向表層傳遞，Qs,sd為土壤層的得熱項，在4月12日和25日夜間由于表層土溫持續(xù)長時間高于深層土溫，即Qs,sd為正值，熱量由表層向深層傳遞，Qs,sd為土壤層的熱損失項，但不論Qs,sd是正值或負值，該項在土壤層熱量收支中占比較少，在6d內的平均占比僅9.1%。

2.2.3 防霜棚系統(tǒng)熱量蓄積情況分析

如表3所示，6d內在棚布覆蓋至次日收攏時段內，整個防霜棚系統(tǒng)均處于失熱狀態(tài)，即棚內累計得熱量均小于累計失熱量。由于夜間棚內環(huán)境溫度低于土壤溫度和棚外溫度，以及覆蓋層得到的潛熱能與吸收的土壤長波輻射能，所以，Qf,H2O、Qan,s、Qs,f、Qaw,an、Qa,v均為得熱項，除Qs,sd外其余均為熱損失項，Qs,sd受表層土溫和深層土溫溫差的影響，其傳熱方向不能一概而論。

表3 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚系統(tǒng)熱量蓄積情況（kW）

4月12日、25日Qs,sd為熱損失項，這2d夜間防霜棚系統(tǒng)得熱項提供的平均累計熱量由多至少依次為Qan,s＞Qs,f＞Qaw,an＞Qa,v＞Qf,H2O，平均占比依次為25.6%、18%、2.5%、0.4%和0.2%。而熱損失項所消耗的平均累計熱量由多至少依次為Qf,sky＞Qf,s＞Qs,sd＞Qs,H2O，平均占比依次為26.1%、17.3%、6.3%和3.6%。所以總累計得熱量和總累計熱損失占比分別為46.7%和53.3%，累計得熱量小于累計熱損失，導致夜間棚內出現“冷室效應”現象。

4月10日、11月3、6和8日Qs,sd為得熱項，這4d夜間防霜棚系統(tǒng)得熱項提供的平均累計熱量由多至少依次為Qs,f＞Qan,s＞Qaw,an＞Qs,sd＞Qf,H2O＞Qa,v，平均占比依次為19.6%、17.2%、4.2%、3.1%、1.1%和0.9%。由熱損失項所消耗的平均累計熱量由多至少依次為Qf,sky＞Qf,s＞Qs,H2O，平均占比依次為36.8%、14.2%和2.9%?？偫塾嫷脽崃亢涂偫塾嫙釗p失量占比分別為46.1%和53.9%，同樣的累計得熱量小于累計熱損失，導致夜間棚內出現“冷室效應”現象。

由此可知，夜間在棚內無熱源設備供暖時，土壤是最主要的熱源，通過對流與輻射的方式向防霜棚提供熱量，其次是棚外環(huán)境以對流和滲透方式向棚內提供熱量，但相對土壤而言，提供的熱量較少，這是因為夜間棚內溫度雖然低于外界溫度，但外界溫度始終保持著較低的水平，因此，供熱量較少，而由覆蓋材料內表面引起的水分凝結潛熱量與滲透換熱量的占比最低，提供的累計熱量最少。防霜棚的覆蓋層為主要失熱部分，因外界天空輻射溫度低于覆蓋層溫度，覆蓋層主要以長波輻射的方式向外傳熱，還有覆蓋層向棚內土壤的長波輻射熱損失，這對防霜棚系統(tǒng)的熱環(huán)境也有一定不利影響，而由土壤水分引起的汽化潛熱造成的熱損失相對較少。

2.3 “冷室效應”發(fā)生時防霜棚內外濕空氣熱濕參數

2.3.1 水汽密度

由圖4可知，棚布覆蓋后棚內水汽密度有明顯的上升趨勢，維持平均1h左右達到最大值后又呈下降趨勢，而棚外水汽密度的變化幅度相對于棚內較小，次日棚布卷起，棚內外濕空氣在對流的情況下水汽密度保持一致。春季夜間棚內外水汽密度的平均增長率分別為65.2%和42.8%，秋季分別為47%和29.6%，秋季棚內外水汽密度的增長程度相對低于春季，這是因為秋季夜間棚內外水汽密度的總體水平（棚內外平均值分別為0.0053和0.0046kg·m?3）高于春季（棚內外平均值0.0049和0.0027kg·m?3），其次秋季棚內外水汽密度相差程度低于春季，因此，在圖4中秋季11月3日、8日夜間棚內外水汽密度在變化過程中出現了基本一致的現象。但總體而言，在防霜棚的作用下棚內水汽密度顯著高于棚外（P＜0.05）。

圖5為試驗期間棚內土壤表層因水分蒸發(fā)而消耗潛熱量的逐時變化過程，由圖5a、b、c可以看出，土壤表層水分蒸發(fā)潛熱初期有明顯的上升過程，這是因為春季棚布覆蓋后隨著棚內溫度的升高土壤表層水分蒸發(fā)能力增強，上升至最大值后又呈下降趨勢，這與圖4a、b、c的棚內水汽密度變化趨勢基本吻合，隨著棚內相對濕度的不斷升高或接近飽和狀態(tài)以及溫度的持續(xù)降低，土壤水分蒸發(fā)能力也隨之降低，因此，潛熱消耗量下降或為0，與此同時水汽密度也呈下降趨勢，次日日出后由于棚布卷起較晚，棚內溫度升高，土壤表層水分蒸發(fā)能力再次增強，導致潛熱消耗量升高的同時水汽密度也隨之上升，由此可知，棚內水汽密度的升高是由土壤表層水分蒸發(fā)占主導所致，同時水汽密度的變化過程可間接反映棚內土壤表層蒸發(fā)能力及水分蒸發(fā)潛熱消耗量的變化過程。與春季不同，由圖3可知棚布覆蓋后秋季的棚內溫度呈下降趨勢，同時由圖5d、e、f可知，土壤表層水分蒸發(fā)潛熱量也呈明顯的下降趨勢，因此，圖4d、e、f中棚布覆蓋后水汽密度的上升并非土壤水分蒸發(fā)占主導因素，而是防霜棚的封閉效果引起，之后隨著棚內溫度的降低以及相對濕度的不斷升高或接近飽和，土壤的水分蒸發(fā)能力下降或停止，因此，水汽密度不斷降低。由此可知，秋季水汽密度的上升過程是由防霜棚的封閉使棚內水汽的聚集導致，而后水汽密度的下降是因為棚內相對濕度接近飽和導致土壤水分蒸發(fā)能力降低所致。

圖4 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚內外水汽密度的變化情況

圖5 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚內土壤表層蒸發(fā)潛熱的變化情況

注：因為11月6日、8日覆蓋棚布時間分別為17：50和16：50，所以圖5e、f的分析起始時間分別為18：00和17：00，圖7e、f同。

Note: Because the covering time was 17：50 and 16：50 on November 6th and 8th respectively, so the starting time of analysis in Fig. 5e and Fig. 5f was 18：00 and 17：00 respectively, the same as Fig. 7e and Fig. 7f.

2.3.2 露點溫度

露點溫度Td指在等壓情況下，濕空氣溫度Ta下降至飽和時的溫度，即當Td＜Ta時，濕空氣未飽和；當Td=Ta時，濕空氣飽和；當Td＞Ta時，濕空氣過飽和[27]。針對夜間防霜棚內低溫高濕環(huán)境下的露點溫度與覆蓋層內表面、土壤表層、棚外露點溫度的逐時變化情況進行對比分析，來研究防霜棚內圍護結構表面的冷卻及傳熱情況。將飽和水汽壓公式轉換得出露點溫度的推移式[28]，即

式中，Td為露點溫度（℃），es為飽和水汽壓（hPa）。夜間棚內外露點溫度的逐時變化過程如圖6所示，由圖可見，棚布覆蓋后，棚內露點溫度與棚外相比有明顯的上升趨勢，達到最大值后均呈現緩慢的下降趨勢，但總體上均高于棚外露點溫度，其中圖6a、b、c的春季變化過程最明顯，而圖6d、e、f中棚內外露點溫度隨時間變化出現了基本一致的現象，這是因為秋季外界環(huán)境比春季較濕潤所致，經計算，春季棚內外平均露點溫度依次為0.1℃和?8.3℃，秋季為1℃和?0.9℃，總體表現為棚內高于棚外（P＜0.05）。

由圖6還可知，夜間棚內土壤表層溫度明顯高于棚內露點溫度，春、秋季棚內土壤表層溫度的平均值分別為2.6和7.1℃，均高于棚內平均露點溫度，說明春、秋季夜間棚內土壤表層并未出現冷凝現象。而覆蓋層內表面溫度在春、秋季均表現出從高于棚內露點溫度再降至低于露點溫度的過程，說明夜間覆蓋層內表面有冷凝現象，覆蓋層內表面溫度與露點溫度的差值小于零時則出現冷凝現象，春季基本在次日1：00?7：00有冷凝現象，秋季則在20：00?次日卷起棚布時段。此外，根據式（2）計算得出春、秋季覆蓋層內表面冷凝潛熱逐時變化過程，由圖7可以明顯看出，夜間覆蓋層內表面因冷凝而產生潛熱的時段與通過露點差所判斷的時段高度吻合，同時由圖7d、e、f可以看出，秋季夜間覆蓋層出現冷凝的時間比春季提前約5h，結束時間比春季晚0.5～1.0h，這是因為秋季棚內水汽密度高于春季，棚內覆蓋層表面因冷凝產生的潛熱量要高于春季。綜上所述，防霜棚可以有效提高棚內露點溫度，這有助于防霜棚覆蓋層內表現產生冷凝現象而得到潛熱量，同時研究露點溫度與圍護結構表面溫度的差值有利于了解因冷凝而得到潛熱的時間長短。

2.3.3 飽和水汽壓和實際水汽壓

防霜棚內飽和水汽壓和實際水汽壓在夜間的變化可以反應棚內相對濕度較高的原因，飽和水汽壓和實際水汽壓的計算式分別為

式中，es、e分別為飽和水汽壓（hPa）和實際水汽壓（hPa）；ta為環(huán)境溫度（℃）；RH為相對濕度（%）。由圖8a、b、c可以看出，春季棚布覆蓋后棚內飽和水汽壓有明顯的上升趨勢，上升至最大值后又呈下降趨勢，在該現象持續(xù)約2h以后由于棚內飽和水汽壓下降速度略高于棚外，因此出現了持續(xù)低于棚外飽和水汽壓的現象。由圖8d、e、f可以看出，秋季棚布覆蓋后棚內外的飽和水汽壓直接表現為下降趨勢（P＜0.05），這是因為飽和水汽壓緊隨環(huán)境溫度的變化而變化[29]。結合圖2可知，棚內飽和水汽壓低于棚外的直接原因是棚內溫度低于棚外溫度，春季棚內飽和水汽壓平均低于棚外飽和水汽壓的12.6%，秋季為15.6%。

圖7 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚覆蓋層內表面冷凝潛熱量的變化情況

圖8 夜間“冷室效應”發(fā)生時防霜棚內外飽和水汽壓和實際水汽壓的變化情況

實際水汽壓的變化過程受水汽密度的影響，比較圖4與圖8可以看出，二者的變化過程一致，表現為棚布覆蓋后棚內實際水汽壓快速上升，上升至最大值后又呈下降趨勢，春季棚外的實際水汽壓變化范圍不大，基本維持在2.7～5.1hPa，平均為3.4hPa，而棚內實際水汽壓在5.0～12.9hPa，平均為6.3hPa，比棚外高出46%。秋季夜間棚內實際水汽壓的變化過程初期與春季一致，但由于當地秋季夜間較濕潤以及秋季夜間棚內土壤水分蒸發(fā)能力明顯低于春季，因此，隨時間的推移出現了棚內外實際水汽壓基本一致的現象，但總體仍表現為秋季夜間棚內實際水汽壓顯著高于棚外（P＜0.05），秋季棚內外平均水汽壓分別為6.7hPa和5.9hPa，比棚外高出12.5%。

相對濕度是同溫度下實際水汽壓與飽和水汽壓的比值[30]，當相對濕度高，并且接近于100%時說明同溫度下的實際水汽壓幾乎接近于飽和水汽壓。由圖8可以看出，隨著時間的不斷推進，棚內實際水汽壓與飽和水汽壓的變化曲線無限接近，春季棚內外的實際水汽壓與飽和水汽壓平均最小壓差分別為0.26hPa和2.1hPa，秋季分別為0hPa和0.35hPa，這就是造成棚內相對濕度高于棚外的原因。

綜上所述，影響相對濕度的因素有實際水汽壓和飽和水汽壓，但片面地分析二者的數量關系并不能科學解釋相對濕度升降的原因。其主要影響因素分別為水汽密度和環(huán)境溫度，當棚內實際水汽壓變化相對穩(wěn)定或不變時，飽和水汽壓開始下降并逐漸接近實際水汽壓，導致相對濕度升高，在這種情況下引起相對濕度升高的主要原因是棚內溫度降低；當棚內飽和水汽壓變化相對穩(wěn)定或不變時，由實際水汽壓的上升并逐漸接近飽和水汽壓導致相對濕度升高，此時相對濕度升高的主要原因是棚內水汽密度增多。由圖8a、b、c可知，春季初期水汽密度增加是棚內相對濕度升高的主要原因，而后由于出現了“冷室效應”，此時棚內溫度的快速降低成為相對濕度持續(xù)偏高的主要原因；由圖8d、e、f可知，秋季棚布覆蓋后首先棚內溫度的快速下降和棚內水汽密度的快速上升共同作用導致棚內相對濕度增加，而后水汽密度呈明顯下降趨勢，但隨著棚內“冷室效應”出現由于環(huán)境溫度持續(xù)下降，導致棚內相對濕度持續(xù)偏高，此時棚內溫度的降低過程逐漸成為影響棚內相對濕度持續(xù)偏高的主要原因。

3 結論與討論

3.1 討論

本研究針對新設計的紅梅杏防霜棚在夜間進行保溫試驗時出現的“冷室效應”進行熱平衡分析，得出夜間棚內無熱源設備提供熱量時，土壤層為主要的熱源，以對流和輻射的方式向棚內釋放熱量，這在崔思宇等[16?17，31]的研究結果中得到了證實。此外本試驗得出夜間外界環(huán)境通過覆蓋層以對流和滲透方式向棚內輸送熱量，這與多名研究者的結論相悖[17,19,26]，這是因為在他們的研究中夜間棚內溫度均高于棚外溫度，保溫性較好，根據能量守恒定律，熱量總是從高溫側流向低溫側，因此，覆蓋層以輻射、對流和滲透方式向棚外輸送熱量，然而，本試驗夜間防霜棚內基于“冷室效應”的情況下環(huán)境溫度低于外界溫度，根據能量守恒定律外界環(huán)境通過覆蓋層以對流和滲透方式向棚內輸送熱量，盡管如此由于向棚內輸送的熱量較少，根據對防霜棚夜間熱平衡的分析來看，覆蓋層主要以輻射的方式向外界輸送大量熱量，成為主要失熱部分。

夜間防霜棚內露點溫度明顯高于棚外露點溫度，這將對圍護結構內表面在低溫高濕環(huán)境下產生水汽的冷凝現象提供有利條件，本研究中夜間防霜棚覆蓋層內表面溫度低于露點溫度，確有冷凝現象產生，并釋放出少量潛熱，而土壤表層溫度高于露點溫度，因此無冷凝現象，這與佟國紅等[32?33]的研究結果相呼應。雖然圍護結構夜間出現的冷凝現象對棚內的保溫可以起到積極作用，但是由于其提供的潛熱量較少，而圍護結構因對流與輻射方式產生的顯熱損失較大，因此，迫于棚內熱損失量高于得熱量的前提下，出現了“冷室效應”現象，由此說明針對此次設計的紅梅杏防霜棚在有效防御霜凍災害方面還有待進一步研究與完善。

受條件約束，防霜棚內的溫濕度監(jiān)測只能滿足鉛直方向溫度分布的觀測，為簡化計算假設了棚內水平方向溫度分布均勻，而在實際生產中棚內水平方向的熱量傳遞情況對棚內熱平衡具有一定的影響。此外，試驗期間棚內栽種的2a生紅梅杏對熱量平衡的影響暫可忽略不計，但在往后的試驗中隨著作物的生長，對棚內熱平衡的影響不能忽視，因此，為全面準確分析防霜棚出現“冷室效應”現象的熱量收支情況，下一步將棚內水平方向的溫度分布情況考慮在內，以及針對棚內栽種2a生以上的紅梅杏在夜間參與棚內的熱量交換也要進行重點研究。

3.2 結論

（1）春、秋季試驗期夜間紅梅杏防霜棚內環(huán)境的整體特征表現為低溫高濕。棚內環(huán)境溫度低于棚外環(huán)境溫度，平均相差2℃，未能起到有效預防霜凍的目的，反而加劇了棚內紅梅杏樹的受凍情況；棚內相對濕度明顯高于棚外，二者平均相差38%，秋季棚內普遍出現飽和現象。

（2）春、秋季夜間防霜棚各個部分在熱量收支方面總體表現為土壤層與覆蓋層為失熱部分，棚內濕空氣為得熱部分，其中覆蓋層的熱量損失中Qs,sky為主要的熱損失，平均占比53.8%；土壤層作為唯一的熱源，Qs,f與Qan,s引起的熱損失較大，二者總占平均為42%，為主要熱損失項；棚內濕空氣因Qan,s為主要的熱量來源，平均占比79.5%。在防霜棚熱量蓄積方面，夜間棚內累計得熱量小于累計失熱量，二者平均占比分別為46.4%和53.6%，因此棚內存在熱量失衡現象，導致“冷室效應”的產生。

（3）除春季飽和水汽壓外，棚內熱濕參數與棚外存在顯著性差異（P＜0.05）。棚內水汽密度的升降可以準確反映土壤水分在夜間的蒸發(fā)能力，并解釋不同季節(jié)土壤因蒸發(fā)而產生潛熱的規(guī)律；將圍護結構內表面的逐時溫度與棚內環(huán)境逐時露點溫度的變化進行比較，可以準確判斷圍護結構表面是否有冷凝現象產生，以及冷凝現象產生起止時間；棚內相對濕度偏高的原因是飽和水汽壓和實際水汽壓在夜間的變化過程無限接近，棚內溫度偏低及水汽密度的升高是棚內相對濕度持續(xù)偏高的主要原因。

[1] 吳國平,楊治科.寧南山區(qū)紅梅杏產業(yè)發(fā)展現狀與對策建議[J].寧夏農林科技,2020,61(8):31-32.

Wu G P,Yang Z K.Development status and countermeasures of red plum and apricot industry in mountainous area of Southern Ningxia[J].Ningxia Agriculture and Forestry Science and Technology,2020, 61(8):31-32.(in Chinese)

[2] `劉強偉.原州紅梅杏產業(yè)發(fā)展前景及栽培技術[J].現代農業(yè)科技,2017(16):75-77.

Liu Q W.Development prospects and cultivation techniques of Yuanzhou Hongmei apricot industry[J].Modern Agricultural Science and Technology,2017(16):75-77.(in Chinese)

[3] 楊凱齊.寧南山區(qū)紅梅杏園生境特征及調控措施效應[D].楊凌:西北農林科技大學,2020.

Yang K Q.Habitat characteristics and effects of control measures of Prunus mume and apricot orchards in Ningnan mountain area[D].Yangling:Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology,2020.(in Chinese)

[4] 李倩,申雙和,陶蘇林,等.基于諧波法的塑料大棚內氣溫日變化模擬[J].中國農業(yè)氣象,2014,35(1):33-41.

Li Q,Shen S H,Tao S L,et al.Simulation of daily temperature change in plastic greenhouse based on harmonic method[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2014,35(1):33-41.(in Chinese)

[5] 趙瑋,石茗化,張艷艷,等.春季塑料大棚內氣溫和相對濕度變化特征[J].江蘇農業(yè)科學,2020,48(5):205-209.

Zhao W,Shi M H,Zhang Y Y,et al.Variation characteristics of temperature and relative humidity in plastic greenhouse in spring[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2020,48(5):205- 209.(in Chinese)

[6] 姚鋒先,管冠,謝金招,等.簡易塑料大棚對冬季晚棱臍橙樹冠內環(huán)境因子的影響[J].江西農業(yè)學報,2015,27(12): 37-44.

Yao F X,Guan G,Xie J Z,et al.Effect of simple plastic greenhouse on environmental factors in canopy of late ridge navel orange in winter[J].Journal of Jiangxi Agriculture, 2015,27(12):37-44.(in Chinese)

[7] 余紀柱,金海軍.塑料三連棟溫室的溫、濕度變化規(guī)律初探及相應調控措施[J].上海農業(yè)學報,2002(4):63-69.

Yu J Z,Jin H J.The law of temperature and humidity change of three series plastic greenhouse and corresponding control measures[J].Journal of Shanghai Agriculture,2002 (4):63-69.(in Chinese)

[8] 范萬新,陳丹,廖雪萍,等.桂南地區(qū)春季三連棟塑料大棚小氣候特征分析[J].氣象研究與應用,2009,30(1):47-51.

Fan W X,Chen D,Liao X P,et al.Analysis of microclimate characteristics of three span plastic greenhouse in spring in southern Guangxi[J].Meteorological Research and Application, 2009,30(1):47-51.(in Chinese)

[9] 金志鳳,周勝軍,朱育強,等.不同天氣條件下日光溫室內溫度和相對濕度的變化特征[J].浙江農業(yè)學報,2007(3): 188-191.

Jin Z F,Zhou S J,Zhu Y Q,et al.Variation characteristics of temperature and relative humidity in solar greenhouse under different weather conditions[J].Journal of Zhejiang Agriculture,2007(3):188-191.(in Chinese)

[10] 于盛楠,閆立奇,肖峰,等.不同天氣背景下春季大棚小氣候變化分析[J].農業(yè)現代化研究,2010,31(2):254-256.

Yu S N,Yan L Q,Xiao F,et al.Analysis of microclimate change in spring greenhouse under different weather background[J].Agricultural Modernization Research,2010, 31(2):254-256.(in Chinese)

[11] 楊棟,丁燁毅,孫軍波,等.南方塑料大棚“棚溫逆差”特征及其預報[J].中國農業(yè)氣象,2019,40(4):240-249.

Yang D,Ding Y Y,Sun J B,et al.Characteristics and forecast of "greenhouse temperature deficit" of plastic greenhouses in South China[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2019,40(4):240-249.(in Chinese)

[12] 馬承偉,苗香雯.農業(yè)生物環(huán)境工程[M].北京:中國農業(yè)出版社,2005.

Ma C W,Miao X W.Agricultural bioenvironmental engineering[M].Beijing:China Agricultural Press,2005.(in Chinese)

[13] 李紅英,張曉煜,曹寧,等.寧夏霜凍致災因子指標特征及危險性分析[J].中國農業(yè)氣象,2013,34(4):474-479.

Li H Y,Zhang X Y,Cao N,et al.Index characteristics and risk analysis of frost disaster causing factors in Ningxia[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2013, 34(4):474-479.(in Chinese)

[14] 陳少勇,夏權,王勁松,等.西北地區(qū)晚霜凍結束日的氣候變化特征及其影響因子[J].中國農業(yè)氣象,2013,34(1): 8-13.

Chen S Y,Xia Q,Wang J S,et al.Climate change characteristics and influencing factors of late frost freezing day in Northwest China[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2013,34(1):8-13.(in Chinese)

[15] 楊凱齊,武東波,王瑋,等.寧南紅梅杏典型栽培區(qū)生產中存在的問題調查分析[J].水土保持研究,2020,27(4):157- 163.

Yang K Q,Wu D B,Wang W,et al.Investigation and analysis of problems existing in the production of red plum apricot in typical cultivation areas in Southern Ningxia[J]. Research on Soil and Water Conservation,2020,27(4): 157-163.(in Chinese)

[16] 崔思宇.日光溫室地表面熱濕耦合傳遞規(guī)律的研究[D].太原:太原理工大學,2017.

Cui S Y.Study on coupled heat and moisture transfer law on the ground surface of solar greenhouse[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology,2017.(in Chinese)

[17] 鮑恩財.江淮地區(qū)雙層拱架塑料大棚冬季保溫效果及實驗研究[D].合肥:安徽農業(yè)大學,2015.

Bao E C.Thermal insulation effect and experimental study of double arch plastic greenhouse in winter in Jianghuai area[D].Hefei:Anhui Agricultural University,2015.(in Chinese)

[18] 董曉星,黃松,余路明,等.大跨度外保溫型塑料大棚小氣候環(huán)境測試[J].中國農業(yè)氣象,2020,41(7):413-422.

Dong X X,Huang S,Yu L M,et al.Microclimate environment test of long-span external thermal insulation plastic greenhouse[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2020,41(7):413-422.(in Chinese)

[19] 畢玉革.北方干寒地區(qū)日光溫室小氣候環(huán)境預測模型與數字化研究[D].呼和浩特:內蒙古農業(yè)大學,2010.

Bi Y G.Study on microclimate environment prediction model and digitization of solar greenhouse in dry and cold areas of North China [D].Hohhot:Inner Mongolia Agricultural University,2010.(in Chinese)

[20] 章熙民,朱彤,安青松,等.傳熱學[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2014.

Zhang X M,Zhu T,An Q S,et al.Heat transfer[M]. Beijing:China Construction Industry Press,2014.(in Chinese)

[21] 馬承偉,張俊芳,覃密道,等.基于覆蓋層能量平衡法的園藝設施覆蓋材料傳熱系數理論解析與驗證[J].農業(yè)工程學報,2006(4):1-5.

Ma C W,Zhang J F,Qin M D,et al.Theoretical analysis and verification of heat transfer coefficient of covering materials for horticultural facilities based on covering energy balance method[J].Transactions of the CSAE, 2006(4):1-5.(in Chinese)

[22] 劉晨霞,馬承偉,王平智,等.日光溫室保溫被傳熱的理論解析及驗證[J].農業(yè)工程學報,2015,31(2):170-176.

Liu C X,Ma C W,Wang P Z,et al.Theoretical analysis and experimental verification of heat transfer through thick covering materials of solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2015,31(2):170-176.(in Chinese)

[23] 張義,馬承偉,劉藝偉,等.溫室多層覆蓋傳熱的數值模擬與驗證[J].農業(yè)工程學報,2010,26(4):237-242.

Zhang Y,Ma C W,Liu Y W,et al.Numerical simulation and experimental verification of heat transfer through multi-layer covering of greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2010,26(4):237-242.(in Chinese)

[24] Nijskens J,Deltour J,Coutisse S,et al.Heat transfer through covering materials of greenhouses[J].Agricultural and Forest Meteorology,1984,33(2/3):193-214.

[25] 佟國紅,李保明,David M Christopher.日光溫室溫度環(huán)境非穩(wěn)態(tài)模擬求解方法初探[C]//農業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設現代農業(yè):2005年中國農業(yè)工程學會學術年會論文集(第五分冊).中國農業(yè)工程學會,2005:5.

Tong G H,Li B M,Christopher D M.Preliminary study on unsteady state simulation solution method of temperature environment in solar greenhouse[C]//Scientific and technological innovation of agricultural engineering and construction of modern agriculture:volume 5 of the proceedings of the academic annual meeting of China Society of Agricultural Engineering in 2005.China Society of Agricultural Engineering,2005:5.(in Chinese)

[26] 楊雪梅,張志萍,王艷錦,等.多能互補型農業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵系統(tǒng)能量流動過程研究[J].太陽能學報,2019,40(4): 936-941.

Yang X M,Zhang Z P,Wang Y J,et al.Study on energy flow process of multi energy complementary agricultural waste anaerobic fermentation system[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2019,40(4):936-941.(in Chinese)

[27] 溫顯罡,馬舒慶,杜波,廖明水,趙乃君.草溫與露點溫度對結露和結霜指示性分析[J].氣象,2012,38(6):745-750.

Wen X G,Ma S Q,Du B,et al.Indicative analysis of grass temperature and dew point temperature on dew and frost[J].Meteorology Monthly,2012,38(6):745-750.(in Chinese)

[28] 張志富,希爽.關于露點溫度計算的探討[J].干旱區(qū)研究, 2011,28(2):275-281.

Zhang Z F,Xi S.Discussion on dew point temperature calculation[J].Arid Area Research,2011,28(2):275-281.(in Chinese)

[29] 袁開蓉,王玉英,劉衍,等.不同飽和水汽壓計算式對室外濕球溫度計算的影響[J].工業(yè)建筑,2020,50(7):101-106.

Yuan K R,Wang Y Y,Liu Y,et al.Influence of different saturated water vapor pressure calculation formulas on outdoor wet bulb temperature calculation[J].Industrial Architecture,2020,50(7):101-106.(in Chinese)

[30] 梁稱福,陳正法,李文祥,等.廣西賀州地區(qū)溫室內空氣濕度時空變化研究[J].中國農業(yè)氣象,2003(4):52-56.

Liang C F,Chen Z F,Li W X,et al.Study on temporal and spatial variation of air humidity in greenhouse in Hezhou,Guangxi[J].Chinese Journal of Agrometeorology, 2003(4):52-56.(in Chinese)

[31] 儲長樹,朱軍.塑料大棚內土壤的熱特性[J].中國農業(yè)氣象, 1992(5):33-37.

Chu C S,Zhu J.Thermal characteristics of soil in plastic greenhouse[J].Chinese Journal of Agrometeorology,1992 (5):33-37.(in Chinese)

[32] 佟國紅,David M.Christopher.墻體材料對日光溫室溫度環(huán)境影響的CFD模擬[J].農業(yè)工程學報,2009,25(3): 153-157.

Tong G H,Christopher D M.CFD simulation of the impact of wall materials on the temperature environment of solar greenhouse[J].Transactions of the CSAE,2009,25(3):153- 157.(in Chinese)

[33] 佟國紅,車忠仕,劉文合,等.夜間日光溫室表面冷凝及傳熱[J].北方園藝,2008(11):72-74.

Tong G H,Che Z S,Liu W H,et al.Condensation and heat transfer on the surface of solar greenhouse at night[J]. Northern Horticulture,2008(11):72-74.(in Chinese)

Study on “Cold Chamber Effect” of Red Plum Apricot Frost Proof Shed Based on Dynamic Analysis of Heat Balance and Heat and Moisture Parameters

JIANG Rui-yang1，ZHANG Wei-jiang1，MA Yi1，MA Fang1，FENG Na1，LI Wei-jian1，JIANG Chang2

(1. School of civil and hydraulic engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China；2. Ningxia Hongmei Apricot Technology Development Co. Ltd., Guyuan 756000)

A frost-proof shed was designed to prevent perennial frost disaster suffered by red plum apricots in the southern area of Ningxia. During the tests at night, the ambient temperature in the shed was always lower than that outside the shed, resulting in a "cold chamber effect”, and the desired effect was not achieved. Therefore, there was a test that needed to probe into the mechanism of the “cold chamber effect” in the frost-proof shed to provide a theoretical basis for improving the design of the frost-proof shed accurately and prevent frost disaster effectively. According to the principle of mass and heat balance, the test was researched the heat budget of the cover layer, the moist air in the shed, and the soil layer respectively then studied the heat accumulation in the whole system of the frost-proof shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day. Finally, the test explored the influence of relative humidity and the changes of moist air on phase transition latent heat by analyzing the dynamic process of main heat and humidity parameters in the shed. The study results show that: (1) when the “cold chamber effect” occurs at night in spring and autumn, both the soil layer and the cover layer become the part losing heat due to more heat loss, while the moist air in the shed becomes the part gaining heat due to more heat gain. (2) In spring and autumn, the accumulated heat gain is lower than the accumulated heat loss in the shed during the period after the covering of the shed cloth to the time before its folding on the next day, resulting in the heat imbalance in the shed. (3) There is a significant difference in the heat and humidity parameters of the moist air in the shed and those outside the shed (except the saturated water vapor pressure in the shed in spring); The dynamic changes of the water vapor density and the dew point temperature in the shed at night can reflect the change rules of latent heat caused by evaporation and condensation; The low temperature and higher water vapor density in the shed make the saturated water vapor pressure infinitely close to the actual water vapor pressure, resulting in the relative humidity in the shed persistently on the high side. The accumulated heat gain of the frost-proof shed for red plum apricots is always less than the accumulated heat loss at night, and the soil layer and the cover layer are the most important parts losing heat, and thus the “cold chamber effect” appears in the case of heat imbalance.

Red plum apricots; Cold chamber effect; Heat balance; Water vapor density; Dew point temperature; Water vapor pressure

姜瑞洋,張維江,馬軼,等.基于熱平衡及熱濕參數動態(tài)分析紅梅杏防霜棚“冷室效應”[J].中國農業(yè)氣象,2022,43(3):177-193

10.3969/j.issn.1000-6362.2022.03.002

2021?04?22

寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃重大（重點）項目“寧南山區(qū)生態(tài)恢復與水資源潛力開發(fā)研究與示范”（2018ZDKJ0040）

張維江，教授，博士生導師，研究方向為干旱地區(qū)水資源調控及水土保持，E-mail：zwjiang @263.net

姜瑞洋，E-mail：469560272@qq.com