蘭州市節能型日光溫室結構類型調查及效益分析

滕漢瑋，于威，王欽（.蘭州市農業科技研究推廣中心，甘肅，730030；.天津科潤農業科技股份有限公司蔬菜研究所）

蘭州市節能型日光溫室結構類型調查及效益分析

滕漢瑋1，于威1，王欽2
（1.蘭州市農業科技研究推廣中心，甘肅，730030；2.天津科潤農業科技股份有限公司蔬菜研究所）

通過調查研究，篩選出了4種蘭州市較為典型的日光溫室結構類型，分別為壽光5代變異Ⅰ型（Q1）、壽光5代變異Ⅱ型（A2）、8.5 m跨度管架拱圓型（H1）、下沉式8.5 m跨度管架拱圓型（H2），理論上溫室性能Q1最優，A2次之，H1、H2較差，同時對蘭州市日光溫室的成本和效益進行了分析。

日光溫室；結構類型；效益分析

設施農業是全國農業發展趨勢，是實現現代農業的顯著標志。近年來，蘭州市設施農業的發展經歷了由低級到高級、由分散到集中、由粗放到集約、由低水平種植向高科技發展的過程，生產規模逐步發展。達到了厚墻體、高起架、鋼結構、自動化控制光熱的要求，采用了卷簾機、保溫被等配套設備。到2012年底，蘭州市日光溫室建設已初具規模，設施種植面積10 667 hm2，日光溫室面積達到4 266.7 hm2，建成5個千畝設施農業示范基地，各基地已逐漸連片形成溫室群。種植的蔬菜發展到數十個品種，極大地豐富了冬春季節蔬菜市場，滿足了人民對“菜籃子”的需求。所生產的各類蔬菜不僅滿足了本省本市需求，而且還源源不斷地銷往新疆、青海、寧夏、內蒙、西藏、陜西等西部地區。

日光溫室安全性、耐久性和適用性強，節省土地面積，且保溫效果良好。墻體厚度、后墻高度、方位角、半地下式溫室下沉深度、采光面角、后屋面角、脊高、跨度、后屋面長度等是實現上述目標的重要參數指標。眾所周知，節能型日光溫室中，光照是其獲取能量的唯一來源，光是溫室內氣候環境中的主導因子，它決定著日光溫室內的光照度、溫度、濕度等諸因子的狀況甚至是溫室的整體環境狀況，建造參數的合理配比影響日光溫室的采光和保溫性能，因而建造參數及其配比決定著溫室中作物的生長發育以及經濟產量[1～3]。

目前在蘭州市已建成的日光溫室中，建造參數及配比各有不同，關于蘭州市日光溫室建造結構類型的文章也鮮有報道，因此，本文對蘭州市已建成的日光溫室結構類型進行調查，并對各類型溫室的生產效益進行分析。

1 溫室結構調查

1.1 調查區域

蘭州市現轄城關、七里河、西固、安寧、紅古5個區和永登、榆中、皋蘭3個縣。平均海拔1 500 m，年均日照時數為2 600 h，年均無霜期為180 d，年均降水量250～350 mm，年均氣溫9.1℃。

1.2 調查內容

墻體厚、后墻高、方位角、半地下式溫室下沉深度、采光面角、后屋面角、脊高、跨度、后屋面長度。

2 結果與分析

通過調查篩選出了4種蘭州市較為典型的日光溫室結構類型，分別為：8.5 m跨度管架拱圓型（H1）、下沉式8.5 m跨度管架拱圓型（H2）、壽光5代變異Ⅰ型（Q1）、壽光5代變異Ⅱ型（A2）。建造參數見表1。

蘭州地區緯度為36°03″，冬至最大太陽高度角為23°27″[4]，理想屋面角為59.45°，合理屋面角為19.45°，合理采光時段屋面角28.55°～28.70°。表1中屋面角分別為35°和45°在合理采光時段屋面角的基礎上加大了6.45°和16.45°，目的是加大采光面拋物線的弧度，從而增加入射角在50°以上陽光的照射時間。為使冬季陽光能整日灑滿后墻內側，后屋面仰角不可太小，至少應大于當地冬至 （12月22日或23日）正午的太陽高度角，保持在35°～45°。在甘肅省中部及東部地區，后屋面仰角可設計為38°左右[5]。以上4類溫室設計基本合理。

除可以通過人工的室內小氣候環境調控實現日光溫室變溫管理外，通過合理的日光溫室方位角設計來達到調控室內光溫也是一個可行、有效的方法[7]。李軍等[7]分析探討了西北型節能日光溫室采光設計理論中的溫室方位角和前屋面角的設計原理，建議在西北地區建造東西延長、面朝正南方向（低緯度區）或南偏西5～8°（高緯度區）的節能日光溫室。曹偉等[8]通過對具有不同朝向日光溫室室內溫度環境進行對比，認為溫室方位角偏西有利于提高晴天時日光溫室夜間氣溫和地溫。表1中只有A2為南偏東，但是A2用加大下沉深度的方法彌補了地溫降低的問題。然而如表1所示，除H1無下沉外，H2、Q1、A2分別下沉0.3、0.5、1.0 m，據調查測量H2的下沉深度無遮光現象，Q1根據太陽高度角不同遮光室內前端投影長度為0.5～1.5 m，A2遮光室內前端投影長度在1 m以上，因此，Q1、A2對于溫室前端作物生長前期長勢有一定程度的影響，適合種植番茄、黃瓜等植株個體較高的作物。

楊建軍等[9]研究表明，日光溫室墻體越厚儲熱保溫效果越好，當達到當地的最佳厚度時，再通過增加墻體厚度來增加保溫效果不明顯。墻體內距內外表面越近溫度變化越劇烈，根據室內外氣溫周期性變化對墻體內部溫度的影響，墻體可以分為隨室內氣溫變化的內層、中間穩定層和隨室外氣溫周期性變化的外層。隨著室溫低—高—低周期性變化，墻體內部與室溫的等溫點相應進行著外移—內移—外移的周期性變化，移動最大距離距內表面50 cm。50 cm厚墻體內層是對溫室環境貢獻最大儲熱和放熱層[9，10]。然而蘭州市最大凍土層深度為98 cm，按上述理論，隨室內氣溫變化的內層最大距離距內表面50 cm，那么蘭州市日光溫室墻體厚度為148 cm左右，是否需要中間穩定層還需要進一步試驗。如表1所示，4種類型日光溫室中H1、H2墻體略顯單薄，熱傳導過大，不利于溫室保溫；A1、Q1墻體過厚，不但無法進一步提升保溫性能，反之使土地利用率降低，浪費土地資源。

表1 蘭州市不同結構類型日光溫室建造參數

墻體高度對溫室夜間溫度能夠產生明顯影響，隨墻體高度增加，溫室夜間溫度提高，溫室墻體高度增加，夜間降溫速度減慢；墻體高度與室內夜間溫度相關分析結果表明，墻體面積/總表面積的比值每增加0.1，溫室內夜間平均溫度提高0.5℃左右。故隨墻體高度增加，溫室保溫性改善[11]。但同時要考慮溫室的穩定性、采光和保溫性能，其不僅與建造參數有關，還與各參數的比值有關。

各部位建造參數比例見表2。前后坡比是指前坡和后坡垂直投影寬度的比例，該比例直接影響到采光和保溫效果。生產上主要有3種：短后坡式，前后坡垂直投影比例為7∶1；長后坡式，前后坡垂直投影比例為2∶1；無后坡式即全采光面。從保溫、采光、擴大栽培面積、方便操作等方面考慮，前后坡垂直投影比例為4.5∶1左右為宜[12]。A2與Q1的比例基本符合建造標準，H1與H2屬于長后坡式日光溫室，因此在數據上與A2、Q1存在差異。

表2 蘭州市不同結構類型日光溫室各部位比例

高跨比是日光溫室高度與跨度的比例，二者比例的大小決定了屋面角的大小。要達到合理的屋面角，適宜的高跨比為1∶2.2左右。表2中Q1比例略大，A2、H1、H2比例均偏小，但均在合理設計范圍內。

保溫比指日光溫室內的儲熱面積與放熱面積的比例。日光溫室保溫比（R）=日光溫室內土地面積（S）/日光溫室前屋面面積（W）。保溫比的大小決定了日光溫室保溫性能的大小，保溫比越大，保溫性能越高。要提高保溫比，應盡量擴大土地面積，而減少前屋面的面積，但前屋面又起著采光的作用，還應該保持在一定的水平，因此，以保溫比值等于1為宜，即土地面積與散熱面積相等較為合理。A2與Q1完全符合標準，H1與H2比例偏小，但基本不會影響日光溫室的采光和保溫。

因此，從理論層面上分析得出，在不考慮下沉過深影響采光的情況下，蘭州市4種典型日光溫室性能，以Q1最優，A2次之，H1、H2較差。

3 效益分析

3.1 溫室成本

①建造成本 溫室建造成本視建造時間 （物價）、溫室規模、使用材料等因素而定。以H1、Q1、A2 3種溫室為例（H1、H2建造成本相當），建造年份分別為：1999年、2008年和2010年；建造成本分別為：5 000、40 000、70 000元；單位面積建造成本（建造成本/占地面積）分別為：15.62、35.70、54.38元/m2；可利用土地單位面積建造成本 （建造成本/可耕作面積）分別為：19.84、59.97、86.02元/m2。

②生產成本 生產成本以棚長70 m為667 m2折算，生產投入為5 986元，其中種子385元，底肥526元，追肥2 166元，農藥413元，棚膜1 000元（按使用2 a折算），地膜85元，草簾子611元（按使用4 a計算），水電費700元，其他100元。

3.2 生產效益

①番茄—白菜—茼蒿 667 m2番茄平均產量3 500 kg，平均產值約8 000元；白菜平均產量為4 000 kg，平均產值1 500元；茼蒿平均產量750 kg，平均產值2 000元。三茬合計平均每667 m2產量為8 250 kg，平均產值11 500元，除去年生產成本5 801元，平均667 m2純收入5 699元。

②一茬辣椒 667 m2辣椒平均產量3 500 kg，平均產值21 000元，除去年生產成本5 776元，平均667 m2純收入15 224元。

③一茬西葫蘆 每667 m2西葫蘆平均產量7 000 kg，平均產值11 200元，除去年生產成本5 781元，平均667 m2純收入5 419元。

④一茬黃瓜 每667 m2黃瓜平均產量15 000 kg，平均產值30 000元，除去年生產成本5 901元，平均667 m2純收入24 099元。

3.3 用水效益

日光溫室每年正常生產10個月，3～6月及9～ 10月氣溫相對較高，需水量較大，每月需澆3次水，11月到次年2月氣溫相對較低，需水量較少，每月需澆2次水，周年需澆22～30次水，每次需水20 m3左右，667 m2日光溫室平均年需水在520 m3左右，按平均667 m2產值18 425元計算，每1 m3水產值為35.43元，按平均667 m2純收入12 605元計算，每1 m3水效益為24.24元。

4 展望

日光溫室將是中國溫室園藝裝備優化升級的重點。我國西北地區地域廣闊、光照資源豐富，但耕地資源貧瘠，擁有大量的戈壁、沙漠等非耕地，開發適宜非耕地生產的日光溫室結構類型及基于當地資源特征的墻體結構，將是日光溫室發展的熱點。隨著新的生產要求、新的建筑材料的出現，日光溫室結構也會不斷優化升級，在日光溫室不斷發展的同時，配套的先進生產技術也需要進一步的提升和優化，真正做到讓農民科技致富。

[1]陳端生，鄭海山，張建國，等.日光溫室氣象環境綜合研究（三）——幾種弧型采光屋面溫室內直射光量的比較研究[J].農業工程學報，1992，8（4）：78-82.

[2]Critten D L.The effect of house length on the lighttransmissivity of single and multispan greenhouse[J].J of Agric Engng Res,1984,32:163-172.

[3]孫忠富，吳毅明，曹永華，等.日光溫室中直射光的計算機模擬方法——設施農業光環境模擬分析研究之三[J].農業工程學報，1993，9（1）：36-42.

[4]傅連江，樊鴻修.高效節能日光溫室蔬菜栽培[M].蘭州：甘肅科學技術出版社，1993.

[5]吳國興.日光溫室蔬菜栽培技術[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1992.

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[7]李軍，鄒志榮，楊旭，等.西北型節能日光溫室采光設計中方位角和前屋面角的分析、探討與應用[J].西北農業學報，2003，12（2）：105-108.

[8]曹偉，李永奎，白義奎.溫室方位角對日光溫室溫度環境的影響[J].農機化研究，2009（5）：183-184.

[9]楊建軍，鄒志榮，張智，等.西北地區日光溫室土墻厚度及其保溫性的優化[J].農業工程學報，2009（8）：180-185.

[10]楊建軍.西北地區日光溫室土質墻體厚度優化及其保溫性研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2009.

[11]溫祥珍，梁海燕，李亞靈，等.墻體高度對日光溫室內夜間氣溫的影響[J].中國生態農業學報，2009（5）：980-983.

[12]李式軍.設施園藝學[M].北京：中國農業出版社，2002.

Investigation on Structure Types and Benefit Analysis of Solar Greenhouse in Lanzhou

TENG Hanwei1,YU Wei1,WANG Qin2

We screened out four typical structure types of solar greenhouse in Lanzhou,Shouguang 5 typeⅠ (Q1), Shouguang 5 typeⅡ(A2),arch pipe rack type with 8.5 meters span(H1),sinking arch pipe rack type of 8.5 meters span (H2).The performance of Q1 was better than A2,H1 and H2 theoretically.At the same time,we analyzed the costs and benefits of the four solar greenhouses in Lanzhou.

Solar greenhouse;Structure type;Benefit analysis

S625.2

：A

：1001-3547（2014）04-0033-04

10.3865/j.issn.1001-3547.2014.04.013

滕漢瑋（1963-），男，推廣研究員，主要從事糧食、蔬菜栽培、立體農業的研究探索及農業技術試驗、示范、推廣工作

②威（1983-），女，通信作者，碩士，農藝師，主要從事蔬菜栽培、設施農業生產及日光溫室建造結構研究等工作，

電話：18693108317，E-mail：yuwei831@126.com

2013-01-08