高寒地區(qū)日光溫室后墻節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

馬 毅，周建容

（阿壩職業(yè)學(xué)院，四川 阿壩 623200）

高寒地區(qū)溫度較低，土壤不肥沃是阻礙當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因，通過建設(shè)日光溫室，能有效改善農(nóng)作物生長環(huán)境，對調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)具有關(guān)鍵作用。但是傳統(tǒng)日光溫室使用后墻保溫性能、承載能力等相對較差，且占地面積較大，易造成資源浪費[1]。臨床發(fā)現(xiàn)應(yīng)用日光溫室后墻節(jié)能技術(shù)能提升后墻性能，且操作相對簡單，費用較低，有助于高寒地區(qū)農(nóng)作物的栽培和種植。

1 日光溫室后墻類型

日光溫室指帶有后墻的大棚，是保暖效果最好的塑料大棚。在日光溫室中，后墻發(fā)揮著重要作用，白天太陽光照射到后墻時，后墻會吸收能量，開始蓄熱；夜間氣溫驟降，棚內(nèi)溫度降有所下降，此時后墻開始向棚內(nèi)散熱，維持大棚溫度。由此可見，后墻在日光溫室中有蓄熱和保溫功效[2-3]。

1.1 全堆土式后墻

全堆土式后墻是現(xiàn)階段保溫性能最好的后墻，土堆沿著后墻從地面堆起3m ～5m，且土堆越厚，在夜間溫度驟降時，其保溫效果更好。但是在建設(shè)過程中使用土質(zhì)量較多，在平衡墻體和大棚之間的壓力難度較大，易出現(xiàn)墻體倒塌現(xiàn)象[4]。一旦發(fā)生墻體倒塌情況，應(yīng)及時對后墻進行修復(fù)和加固，延長大棚使用壽命和保溫效果。

1.2 半堆土式后墻

半堆土式后墻是指土堆沿著后墻從地面堆起2m ～3m，且保溫性能比全堆土式后墻較低。但是由于使用土質(zhì)量較少，對墻體產(chǎn)生壓力較小。此外，還可使用材質(zhì)較輕、原材料消耗較少的空心磚[5-6]。

1.3 磚墻

磚墻具有較好承重、保溫及隔熱等性能，因此可通過修建墻體方式進行保溫。在修建過程中多見24 或37 墻體，使用材料多為空心磚或紅磚[7]。由于墻體蓄熱能力低下，在早晚溫差變化較大時不能向大棚內(nèi)持續(xù)散熱，故可在墻體內(nèi)使用夾泡沫保溫板進行保溫。但是墻磚占比面積較大，內(nèi)墻墻體較薄，蓄熱能力低下，寒透能力較強，故不適用于高寒地區(qū)[8]。

2 日光溫室后墻改進

2.1 材料選擇

日光溫室后墻主要作用為平衡大棚內(nèi)溫度，但是不同材料發(fā)揮的性能不同，故應(yīng)根據(jù)大棚內(nèi)栽培農(nóng)作物、氣候等進行綜合考慮，選擇最佳內(nèi)墻材料。目前，在日光溫室后墻中以復(fù)合材料和組織材料較為多見。從日光溫室后墻熱工方面研究發(fā)現(xiàn)，在日光溫室中最理想的墻體是墻體內(nèi)側(cè)為具有較強吸熱和蓄熱的材料組成的蓄熱層，外側(cè)為具有放熱和導(dǎo)熱能力較差的保溫層[9-10]。在墻體中間做好隔熱層，能最大限度提升保溫效果。在傳統(tǒng)日光溫室中多用單一的土、磚等進行堆砌，材料單一，且在保溫蓄熱上效果較差。因此，現(xiàn)階段在日光溫室后墻中所選材料為復(fù)合墻體，在提升蓄熱能力同時，還能提升大棚內(nèi)室溫。特別是將苯板作為外側(cè)的墻體，保溫效果更好。此外，高寒地區(qū)的早晚溫差較大，還應(yīng)使用EPS 泡沫板進行保溫隔熱，減少熱量散失，最大限度維持墻體溫度。同時，該材料成本低廉，是一種性價比較高的保溫隔熱材料[11]。

2.2 日光溫室后墻熱工性能

日光溫室后墻所使用材料、種類及堆砌高度等直接關(guān)系后墻保溫性能。通常情況下，主要通過計算墻體熱工性能判斷后墻保溫性能，其中以冬季保溫性能和夏季隔熱性能為計算標(biāo)準(zhǔn)。日光溫室主要是通過保溫來維持農(nóng)作物生長，尤其是在高寒地區(qū)，主要用途為提升大棚內(nèi)溫度，以滿足農(nóng)作物生長需求，因此只用分析冬季保溫性能，判斷后墻保溫效果。保溫材料保溫性能的傳導(dǎo)系數(shù)是判別后墻保溫性能的關(guān)鍵，導(dǎo)熱系數(shù)值越大，導(dǎo)熱系數(shù)越好，說明保溫性能越低。因此，在后墻表征材料選擇上，最好選擇導(dǎo)熱系數(shù)值較小材料，提升后墻保溫效果。不同組合材料的熱功能性如圖1 所示，具體內(nèi)容如下：方案①為10cm苯板和40cm 土體；方案②為10cm 苯板和磚墻；方案③為10cm 苯板和40cm 空心混凝土砌塊；方案④為10cm 苯板和40cm 混凝土砌塊；方案⑤為10cm 苯板和40cm 有孔土塊。

圖1 不同組合材料熱工性能

方案⑤導(dǎo)熱系數(shù)值最小，保溫效果最強，但是在材料中所有有孔土塊對技術(shù)要求較高，在制作上相對較為困難。因此，選用方案③10cm 苯板和40cm 空心混凝土砌塊，作為當(dāng)前高寒地區(qū)日光溫室后墻所用材料。

2.3 日光溫室后墻溫度

10cm 苯板和40cm 空心混凝土砌塊是當(dāng)前日光溫室后墻最佳材料，但是目前對該材料所產(chǎn)生保溫效果并不明確，需對該材料產(chǎn)生的保溫性能做進一步研究。在研究過程中，將冬季內(nèi)日光溫室內(nèi)溫度變化與普通溫棚內(nèi)溫度變化進行對比，可判斷組合材料保溫效果。研究結(jié)果顯示，不用組合材料溫度均高于普通溫棚內(nèi)溫度，說明10cm 苯板和40cm 空心混凝土砌塊在保溫上產(chǎn)生效果更好。計算整個冬季內(nèi)2 個大棚內(nèi)溫度的均值可知，組合材料大棚內(nèi)溫度均值在9℃左右，在普通溫棚內(nèi)溫度均值在-4℃。在冬季氣溫最低時，組合材料大棚溫度與普通溫棚溫度差，最大為9℃，再次說明組合材料保溫效果更高，尤其是在溫度下降的情況下，其保溫效果更好。組合材料大棚與普通溫棚溫度比較如圖2 所示。

從研究結(jié)果中可以看出，組合材料與普通材料在大棚溫度上相差較大。在使用組合材料后墻后，大棚內(nèi)溫度明顯增加，說明使用組合材料后，能有效提升大棚保溫效果。

3 日光溫室后墻結(jié)構(gòu)

日光溫室后墻結(jié)構(gòu)不僅影響保溫性能，還影響墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對延長日光溫室使用壽命具有積極意義。尤其是在高寒地區(qū)，當(dāng)?shù)刭Y源有限，故應(yīng)充分利用現(xiàn)有資源，減少資源浪費，提高資源利用率。

3.1 土墻結(jié)構(gòu)

日光溫室后墻具有結(jié)構(gòu)承重、保溫蓄熱等功效，故使用墻體材料及墻體構(gòu)建結(jié)構(gòu)直接關(guān)系日光溫室性能。在修建墻體時，不僅要考慮墻體蓄熱能力、保溫效果，還要考慮對環(huán)境影響、所需成本及砌筑速度等。土墻比熱值較大，保溫效果較高，且使用成本較低，砌筑速度較快，是現(xiàn)階段最理想的墻體[12]。且在當(dāng)前農(nóng)村中，仍以土墻結(jié)構(gòu)為主要墻體。在以土為材料建造的墻體中有堆土碾壓和干打壘兩種方法。干打壘是最為簡易的筑墻方法，主要是在2 塊固定木板中間填充黏土，這種方法操作簡單，修建較快，牢固性較高。但是在雨季較多地方，易出現(xiàn)坍塌，故應(yīng)在降雨量較少地域修建；且在修建過程中，摻雜稻草或麥草等還能使墻體強度進一步增加。堆土碾壓是對干打壘做進一步完善，主要是在履帶機作用下，對墻體進行碾壓，達到提升墻體牢固度效果。這種方法不僅能減少人工，還能一定程度上保障墻體保溫效果和承載能力，且修建速度加快，使用成本較低，故得到農(nóng)民歡迎和喜愛。但是墻體結(jié)構(gòu)也存在諸多缺陷，比如，不同地域土質(zhì)存在較大差異，墻體性能也有所不同；結(jié)構(gòu)耐久性較差；吸水能力較強，抗雨水沖刷能力低下；占地面積較大；易破壞當(dāng)?shù)赝寥澜Y(jié)構(gòu)。

3.2 磚墻結(jié)構(gòu)

磚墻結(jié)構(gòu)相較于土墻結(jié)構(gòu)具有承載能力強、占地面積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高等特點，但是由于修建后墻所需磚墻數(shù)量較多，成本相對較高，且不同材料或厚度修建的磚墻在保溫效果上也存在較大差異，黏土磚與土壤的導(dǎo)熱性無差異，實心磚墻越厚保溫效果更強，但是保溫效果明顯低于土墻，很難滿足日光溫室農(nóng)作物生長需求。因此，在使用磚墻結(jié)構(gòu)時，通常使用填充材料進行保溫隔熱，提升墻體保溫性能。

3.3 新型墻體結(jié)構(gòu)

創(chuàng)新墻體結(jié)構(gòu)和使用材料，不僅能減少對資源浪費，還能最大限度提升墻體蓄熱保溫效果。現(xiàn)階段，墻體存在多種結(jié)構(gòu)，如草磚墻、聚苯乙烯泡沫板墻、發(fā)泡水泥墻、聚苯乙烯泡沫空心磚墻及空心板墻等。草磚墻主要是將稻草或麥草制作成方塊的草捆，像修建墻面一樣，制作成墻體。同時，在墻體內(nèi)外層涂抹防水層，并在外側(cè)修建泡沫水泥空心墻，以提升保溫效果。這樣不僅可以合理利用農(nóng)作物，減少資源浪費，還可保護生態(tài)環(huán)境。聚苯乙烯泡沫板墻根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)制作成空心磚，在現(xiàn)場采用插接連接方式進行安裝，操作簡單，所用時間較少，且所使用材料還具有反光能力，能使光照均勻分布[13]。發(fā)泡水泥墻先使用建筑模板搭建成外墻，再注入發(fā)泡水泥，使其膨脹后，形成墻體。這種墻體牢固性較高，密封性和防水性較高。另外，該材料保溫隔熱性能較高，但是在發(fā)泡水泥澆筑過程中的難度較大，很難達到理想效果。

4 日光溫室后墻結(jié)構(gòu)改善

通常情況下，在普通溫棚中所使用后墻主要發(fā)揮著承載作用，且受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、條件等影響，所使用材料存在較大差異。其中，土壤、磚塊使用較為普遍，這樣極易出現(xiàn)資源浪費情況發(fā)生。因此，通過改善日光溫室后墻結(jié)構(gòu)，可最大限度提升資源利用率和后墻性能，提高日光溫室保溫效果。在該實驗中，所選擇材料為空心混凝土砌塊，根據(jù)原料比例制作成塊。

圖2 組合材料大棚與普通溫棚溫度比較

空心混凝土砌塊制作材料及配方如表1 所示，制作成空心混凝土砌塊后，分別進行抗壓、透水系數(shù)及凍融試驗，檢測制作空心混凝土砌塊性能是否能達到實際投入使用標(biāo)準(zhǔn)。抗壓試驗使用長、寬、高分別為100mm 的試件，透水系數(shù)測定使用直徑和高度分別為100mm、200mm 的試件，凍融試驗使用長寬高分別為100mm、100mm、400mm 的試件。最終實驗結(jié)果如表2 所示。

表1 空心混凝土砌塊制作材料及配方

表2 空心混凝土砌塊性能結(jié)果

通過試驗后可以看出，制作的空心混凝土砌塊能滿足使用要求，制作完成后可直接投入日光溫室后墻建設(shè)中。

5 日光溫室后墻節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

將制作完成的空心混凝土砌塊投入日光溫室后墻建設(shè)中，保障蓄熱保溫性能實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，將該日光溫室制作成與普通溫棚大小、結(jié)構(gòu)等完全一致形態(tài)后發(fā)現(xiàn)，其與預(yù)期目標(biāo)完全一致。但是為避免在投入使用后出現(xiàn)后墻坍塌情況，需在墻體內(nèi)填充石子、澆筑混凝土，提升其穩(wěn)定性[14]。

6 結(jié)束語

高寒地區(qū)的氣候、地域等存在較大劣勢，在建設(shè)日光溫室中應(yīng)充分利用資源，減少資源浪費，提升后墻節(jié)能性。文章所采用材料為性價比最高的苯板和空心混凝土砌塊組合材料，蓄熱保溫效果較好，適用于高寒地區(qū)。