山西省日光溫室結構問題的調查研究

（山西省農業科 學院現代農業研究中心，山西太原 030031）

日光溫室是最具中國特色的設施農業形式，通過建設一定的圍護結構充分利用太陽能，為植物生產提供相對適宜的溫度條件，降低了環境條件對農業生產的限制。日光溫室結構包括采光屋面、后屋面、墻體、栽培面等4個重要部分，科學合理的采光屋面和保溫蓄熱構造是節能日光溫室應具備的最基本條件（譚海林 等，2008）。

采光屋面是日光溫室截獲太陽能的主要結構，采光屋面的角度與采光效果及承載力的關系等已有許多研究，其形狀與結構決定著室內接受的太陽輻射量與室內陽光的分布情況（侯麗薇和盧鍔，1999；張峰 等，2008；李清明 等，2011；李霞 等，2011；王朝棟 等，2011）。日光溫室墻體具保溫、儲熱的雙重功能，后墻的厚度和材料直接影響日光溫室的保溫性能，也決定了日光溫室的投資與土地利用情況（王軍偉 等，2012）。目前，已有許多關于墻體的傳熱與構造關系方面的研究（王宏麗 等，2008；馬承偉 等，2008；佟國紅和Christopher，2009；韓云全 等，2012），也有比較成熟的分析與設計方法。栽培面對調整室內溫度等環境狀況起著重要的作用，下挖對溫室通風產生不利影響，但可明顯改善溫室的保溫性能（于軍輝 等，2011）。日光溫室結構影響著室內的環境狀況，優化結構對于改善溫室性能具有重要作用。

2011年上半年山西省蔬菜種植面積達24.4 萬hm2，其中設施蔬菜面積達11.6 萬hm2。溫室蔬菜產業在設施蔬菜產業中占有很大比例，對農業經濟的發展具有至關重要的作用。但日光溫室蔬菜生產過程中普遍存在病害嚴重、蔬菜生產受低溫或高溫限制等問題，導致了生產成本增加、效益不高，進而影響種植者的積極性。一般來說，日光溫室結構不合理會導致室內環境不佳，將嚴重影響溫室蔬菜的生產。因此，尋找山西省適合不同區域的日光溫室構型，也就成為山西省日光溫室蔬菜產業發展亟需解決的主要問題。筆者于2011年12月～2012年1月對山西省11個不同縣區的日光溫室結構進行了調查，目的是為了發現已建日光溫室構型存在的問題，進一步指導山西省日光溫室構型優化和推進日光溫室規范化建設方案的制定。

1 調查設計

2011年12月～2012年1月進行調查。調查地點：陽高縣、朔州市朔城區、忻州市忻府區、臨縣、晉中市榆次區、陽泉市郊區、高平市、長子縣、洪洞縣、新絳縣、運城市鹽湖區等11個縣（市或區）的主要日光溫室蔬菜生產片區。選擇有代表型的日光溫室類型，包括73155（5 座）、84455（6 座）、壽光四代（9 座）、壽光五代（7 座）、復合 磚墻日光溫室（6 座）等，共3 3 座；主要調查日光溫室的采光屋面結構、墻體構造、下挖深度等3個基本結構的構型與參數。

2 調查結果

2.1 日光溫室采光屋面的設計與評價

日光溫室采光屋面作為熱量來源與散失的主要途徑，對日光溫室的溫度狀況有極其重要的作用。關于日光溫室采光屋面構造方面的研究已有很多（軒維艷，2007；王朝棟 等，2011），但就山西省日光溫室建設現狀來說，前屋面的設計與施工上缺少必要的規范。全省日光溫室采光屋面結構主要為2種：一種是由鋼拱架+竹竿組成的琴弦式結構，屋面多為立坡式，鋼拱架間距為3.0 m，鋼拱架間布置竹竿，竹竿間距一般為50～60 cm，用鋼絲橫向連接。該類型屋面投資較低，但拱架遮陰較多、承載力較低，室內一般需布置立柱支撐，竹竿一般4～6 a 更換1次，維護費用較高。另一種是拱圓形鋼拱架，多為拋物線形的拱圓形屋面，拱架間距一般為1.0～1.2 m，屋面承載能力強，室內無須立柱支撐，便于機械操作，使用年限10～15 a，但一次性投資較大，山西省新建日光溫室采光屋面多為鋼拱架結構。

采光性能是評價采光屋面優劣的重要因素，采光屋面優化的目的也是為了增加溫室的采光性能。對全省不同地區日光溫室內光照情況進行測定（圖1），可以看出兩種屋面的室內北側透光率均相對偏弱，拱圓形屋面透光率由南向北逐漸減弱，而立坡式屋面透光率變化較小。對比兩種屋面的透光率可以看出，在溫室內的中北部，立坡式屋面透光率均優于拱圓形，除去棚膜質量與管理上的差異外，原因在于立坡式屋面頂角角度一般大于拱圓形屋面。因此，拱圓形屋面的設計應根據溫室建設的地理位置適當增加頂角角度，以利于溫室內中北部的采光。另外，在滿足荷載要求的前提下，建議根據拱架材料適當調整拱架間距（1.00～1.25 m），以減少拱架遮光。

2.2 日光溫室栽培面下挖深度的現狀與合理性分析

日光溫室栽培面適當下挖可在很大程度上阻斷后墻、山墻的傳熱，使蓄熱系數和保溫比增加，縫隙放熱和土壤橫向傳熱的熱量損耗減少（劉桂芝 等，2004）。李清明等（2011）研究表明，日光溫室下挖深度在0～1.0 m時，下挖越深溫室氣溫和地溫增溫效果越顯著、保溫效果越好；下挖深度達1.5 m時增溫效果則顯著下降，最低地溫偏離度增大，且下挖越深溫室內光照度越低、相對濕度越大。因此，要充分利用下挖設計來提高溫室性能，但需要避免下挖過深對日光溫室環境帶來的負面效應。

圖1 山西省日光溫室內光照情況

一般情況下，在溫室內總陰影率不大于30%的條件下，可兼顧其采光與蓄熱保溫性能（李霞 等，2011）。溫室自身骨架材料和覆蓋材料等在室內產生的陰影率約為15%，所以下挖產生的遮陰率不宜超過15%（張峰 等，2008）。為了最大程度地為溫室作物生長提供最佳溫光條件，一般以太陽高度角最小、光照最弱的冬至日為計算日，依據合理采光時段理論（張真和和李建偉，1996），日光溫室的合理采光時段應保持在午間4 h以上，一般選在10：00～14：00。山西省日光溫室建設中，日光溫室朝向一般為南偏西3°～5°，即溫室方位角為-5°；因此，10：00時產生的陰影面積最大，筆者選擇該時間點作為考慮的限制條件，基于以上條件，根據李霞等（2011）的方法，計算得到全省不同地區代表型日光溫室下挖深度的理論最大值（表1）。

根據計算結果與實際調查現狀相比，可以看出陽高縣、高平市、新絳縣、朔城區、鹽湖區的代表型日光溫室下挖深度過大，對室內地面的采光面積有一定影響。

除了考慮對遮光的影響，下挖深度的確定還需要考慮土壤質地、地形與建造成本等因素，尤其是地下水埋深深度。參照《地下水月報，2011》數據，全省6 處盆地（重要的蔬菜產區）2011年的地下水埋深深度情況見表2。對比下挖深度理論最大值與地下水位情況，可以看出下挖深度理論最大值均在平均地下水位之上，但是鹽湖區與新絳縣（屬運城盆地）、洪洞縣（屬臨汾盆地）、榆次區（屬太原盆地）的下挖深度理論最大值均在月最小值的范圍內，即在某些月份里下挖深度理論最大值在地下水位最小值以下，日光溫室栽培面以及墻體的安全性會受到地下水的影響。所以，下挖溫室的建設一定要避開地下水位較淺的區域，以保證日光溫室的安全性。

表1 山西省代表型日光溫室下挖深度的現狀及理論最大值

2.3 日光溫室墻體厚度的現狀與合理性評估

機筑土墻類型日光溫室是山西省普遍存在的溫室類型，其數量可占到日光溫室總量的70%以上。據調查，該種類型日光溫室土墻基部厚度一般在4.0～5.0 m，部分地區還存在8.0 m 厚的土墻。磚墻型日光溫室一般為復合墻體構造，全省最常見的有3種復合墻體類型（表3）。

表2 山西省不同盆地海拔高度及地下水埋深深度（2011年）

表3 山西省代表型日光溫室墻體結構的建設厚度及計算厚度

表4 不同地區溫室室外設計溫度及低限熱阻值

日光溫室墻體厚度的確定是在滿足承載能力的前提下，達到設計要求的保溫蓄熱能力。《民用建筑熱工設計規范》（GB50176-93）中針對不同類型的建筑，從節能的角度提出了圍護結構的低限熱阻的要求，R設計≥R0（R設計，熱阻設計值；R0，低限熱阻值），調查地點的溫室外設計溫度及所要求的低限熱阻R0值見表4。依據該方法，計算不同地區日光溫室墻體厚度（表3）。單從傳熱的角度來看，山西省機筑土墻厚度在1.2～1.4 m 之間；而復合墻體的總體厚度也超出了計算值，長子縣所需聚苯板的厚度僅為2.4 cm；陽高縣、洪洞縣的復合墻體聚苯板厚度最小值為3.43、2.83 cm；高平市的復合墻體，則可將爐渣厚度降低為18.76 cm，或調整為24 磚墻+23.41 cm 爐渣+24 磚墻的構造。從以上結果可以看出，單從傳熱角度分析，山西省不同地區代表型日光溫室的墻體厚度均高于規范要求的最小值，尤其是機筑土墻體。

墻體不僅要達到保溫要求，還要滿足足夠的承載能力。復合墻體構造為保溫結構+承重結構，在滿足承載力與保溫性能的前提下，可通過降低承重結構或保溫結構的厚度來降低墻體總厚度。而機筑土墻則為直接承重，其承載能力決定于土質、土壤物理性質以及壓實程度等多方面因素，因此，土墻厚度的合理設計還需要進行土質與承載能力方面的研究與分析。

3 日光溫室規范化建設的意義與建議

日光溫室的規范化建設具有重要的意義。從經濟角度上說，區域建設標準的制定與實施有利于建設單位或個人的合理選型，可以避免盲目增加結構強度帶來的資金投入，減少使用過程中的維護費用。結構的合理性也有利于溫室內環境條件的優化，進而減少溫室內環境不佳帶來的作物病害的防治費用。從生態角度來講，可以減少結構不合理對土地資源的浪費。從社會角度講，可以促進蔬菜產業的發展、增加農民收入。日光溫室的標準化建設，保障了日光溫室的應用性能的充分發揮，避免了日光溫室在安全性、管理上的問題對經營者的 不利影響，有利于設施蔬菜產業的發展。

日光溫室作為冬季蔬菜生產的農業設施，其保溫性能是建設過程中首先要考慮的因素，為了滿足寒冷季節的蔬菜生產，溫室內白天溫度需要維持在10℃以上，夜間溫度則要保持在5℃以上。不同地區的溫度特征不同，要求日光溫室的保溫性能也應不同，溫室的建設要依據各地的氣候特征，才能保證溫室在寒冷期的充分利用和蔬菜生產效益的最大化。

前屋面、墻體和栽培面是日光溫室最重要的結構部分，各結構部分的參數相互影響，共同決定著溫室的性能，因此在日光溫室建設中應協調好各結構部分的功能。單獨來說，采光屋面角要協調好其采光與夜間散熱的關系；墻體要充分發揮其蓄熱保溫性能；而栽培面部分，要考慮下挖深度對作物生長的影響，同時盡量發揮下挖帶來的升溫效應。總之，氣溫低的區域應增加溫室墻體的蓄熱保溫性、適當增加下挖深度（在合理范圍內），以提高溫室的蓄熱性能；同時增大前屋面的角度，提高溫室太陽光的有效截獲。

日光溫室的保溫能力主要決定于不同結構的組合，而結構也決定了投資、土地利用、使用年限、安全性等方面。因此，依據區域氣候特征設計日光溫室類型，并且需要提高土地利用率、延長使用年限、增強安全性、節約投資等方面優化日光溫室結構，最終制定建設標準。日光溫室標準化建設內容的另一重要方面就是嚴格把控施工過程與材料選擇，應該選擇有資質的施工單位，嚴格依照設計標準施工，這樣才能真正的實現標準化建設。

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