半封閉溫室在中國的工程實踐

周長吉 李 艷 富建魯

（農業農村部規劃設計研究院，北京 100125）

半封閉溫室是近年來在我國興起并大規模建設的一種新型溫室建筑與環境調控模式，具有氣流輸送距離長、室內環境周年可調控的特點，非常適用于設施園藝大規模連片建設和周年生產。但由于對其研究時間短，建設經驗不足，半封閉溫室工程設計還未形成通用設計方法和標準。本文在介紹半封閉溫室工作原理與特點的基礎上，對國內建設的半封閉溫室氣候室的結構形式及其加溫、降溫、CO2配送等環境調控設備的設置方法進行了綜述分析，可供類似工程設計參考。

現代化的大型連棟玻璃溫室在我國改革開放以來至少經歷了3 次發展高潮。改革開放初期的20世紀80 年代前后，從保加利亞、羅馬尼亞以及日本等國引進建設的大面積連棟玻璃溫室，由于冬季加溫能耗大、夏季降溫困難、運行成本高等原因，幾乎以全面失敗而告終（周長吉和馮廣和，2000）；進入21 世紀的2000 年前后，從荷蘭、西班牙等國引進的大面積連棟玻璃溫室以科技示范為立足點，雖然在生產中由于效益差而沒有得到大面積推廣，但確實帶動了我國溫室制造業的發展，使我國溫室主體結構以及遮陽保溫幕、風機濕簾等溫室配套設備躋身世界市場，這一階段由于對作物的基礎研究不足，溫室的環境控制技術還主要依靠荷蘭、以色列等國進行配套；在“十三五”以來的第三次大面積玻璃溫室的發展中，主要從荷蘭引進技術，而且通過金融資本和上市企業的介入，大規模溫室建設已經步入了市場化運行的范疇。尤其是在國家耕地政策限制越來越嚴格、人們對消費品品質要求越來越高的新發展時期，連棟玻璃溫室建設的規模越來越大，管理的智能化、精細化和現代化水平越來越高，并且伴隨產量的提升和銷售模式的改變，蔬菜種植的效益也開始初現（李新旭 等，2018）。未來大規模連棟玻璃溫室在我國還會有更大的發展空間。每一次大規模連棟溫室的發展都能給業界帶來新的機會和思考，同時也帶動了行業的科技進步和裝備革新。

半封閉溫室是在荷蘭國內全封閉溫室研究失敗后，由Certhon 溫室制造公司將其SuprimAir 環境調控技術結合荷蘭文洛型溫室結構提出的一種新型溫室環境控制系統。我國從2015 年前后從荷蘭學習引進，并進行種植試驗（程智慧和仲麗潔，2013；丁小濤 等，2016，2018）和國產化工程設計與性能測定（周增產 等，2018，2019）。截至2020年底，我國全套引進以及國產化設計的半封閉溫室建設面積已逾百公頃。本文就這種新型溫室的工作原理及其在工程實踐中的各種創新進行總結分析，可供工程設計參考和進一步研究應用。

1 半封閉溫室的工作原理與特點

傳統的荷蘭標準文洛型玻璃溫室墻面不開窗，屋頂不配遮陽網，僅設屋面交錯開窗。我國引進該類型溫室后，除了冬季的加溫能耗巨高外，夏季降溫困難更是其難以推廣的一個主要技術障礙。雖然在國產化的進程中有的采用了屋頂遮陽網和屋脊雙側的連續通風窗，使溫室開窗面積與地面面積之比由交錯開窗的不足30%提高到60%以上，但僅靠遮陽和屋面開窗的自然通風遠達不到溫室周年運行通風降溫的需要。所以，我國建設的連棟玻璃溫室大都配套濕簾風機降溫系統，尤其在北方干熱氣候條件下，配合屋頂遮陽，可徹底解決溫室夏季運行降溫的問題。但配套濕簾風機降溫系統的溫室，從濕簾側到風機側室內溫差較大。風機與濕簾之間的距離一般要求控制在50 m 以內，這就大大限制了連棟溫室連片建設的規模，造成了土地資源的浪費、建設成本的增加以及冬季加溫能耗的攀升。

為了提高溫室建設的土地利用率，目前我國連棟玻璃溫室建設的最小規模均在3 hm2以上，最大的連片建設規模已達到20 hm2，基本建設單元為5～7 hm2。建設這種規模的溫室，依靠傳統的屋面開窗自然通風系統很難滿足其夏季降溫的需要，風機濕簾負壓通風降溫系統由于風機和濕簾之間的距離過長，難以有效運行，且噴霧降溫系統由于室內濕度高，引發病害的風險高，生產管理者難以精準調控，由此催生了一種正壓通風降溫系統的應用。

所謂正壓通風降溫系統，就是用送風風機將經過濕簾或其他冷源降溫的濕冷或干冷空氣吹送到溫室內，在送風風機的壓力作用下，溫室室內的空氣壓力始終高于室外，在室內外空氣壓差的作用下將室內高溫空氣排到室外，從而達到通風換氣和降溫的作用。

傳統的負壓通風系統使用的風機為低壓大流量軸流風機，這種風機流量大，但壓力小，只能用于負壓排風而不能用于正壓送風。用于正壓送風的風機必須是流量適宜且壓力高的離心風機，配套送風風管可將進風口的新風送到100 m 以外的地方，由此滿足了溫室大規模連片建設的需求。

正壓送風系統不僅適用于溫室夏季的降溫，而且也適用于溫室冬季的加溫以及除濕和CO2的配送。將加溫、降溫、除濕以及CO2配送等多種功能的設備集合在一起，即形成一個設置在正壓送風風機之前的空氣混合調節室，簡稱氣候室。夏季降溫期間，打開氣候室的濕簾降溫系統和溫室屋面通風窗，正壓送風風機從濕簾的出風側將經過濕簾降溫的濕冷空氣加壓后，通過設置在種植床架下部的均勻送風管道，從作物的根區吹送到作物冠層，氣流在自下而上的運動中將溫室上部空間的熱空氣通過屋面通風窗擠壓出室外，其工作原理如圖1-a 所示。冬季加溫期間，關閉濕簾降溫系統和屋面通風窗，開啟加溫系統和CO2配送系統，正壓送風風機將混合有CO2的干熱空氣源源不斷輸送到種植床架下部的均勻送風管道，熱風通過作物根區再經過作物冠層和溫室上部空間降溫后，回送到氣候室重新加熱，實現室內空氣封閉循環運動且高效節能，其工作原理如圖1-b。

圖1 半封閉溫室工作原理

夏季降溫期間，正壓送風系統從室外引進新鮮空氣，經過氣候室降溫送入溫室并最終從溫室屋面通風窗排出，形成室內外空氣交換的開放系統；冬季溫室加溫期間，溫室屋面通風窗和濕簾進風口完全關閉，氣候室和溫室室內形成空氣內循環，溫室內空氣處于封閉循環系統。這種夏季開放、冬季封閉的溫室空氣循環系統即稱為半封閉系統。在氣候適宜的季節也可以同時關閉加溫和降溫系統，只按封閉內循環狀態運行配送CO2，可顯著提高溫室內CO2濃度，從而有效提高溫室內種植作物的產量和品質。

半封閉系統除夏季降溫外，溫室運行的大部分時間屋面窗戶處于關閉狀態，由此可最大限度減少室外空氣進入溫室室內，從而降低溫室由于空氣交換產生的能量和CO2損失；此外，溫室內的空氣由于采用自下向上的送風系統，可以通過果菜作物內部葉面，加速空氣流動，提升作物葉面的蒸騰作用與光合作用能力；由于空氣由下向上流動，也能顯著減少由于太陽輻射作用而造成的溫室沿高度方向的溫度梯度，從而保證了生產作物整體的生長環境相對一致且穩定；由于系統運行溫室內始終處于正壓狀態，從而也有效避免了負壓通風降溫系統引入病蟲害的風險。與傳統的文洛型溫室相比，半封閉溫室結構幾乎完全相同，但屋面開窗的面積可以更小，氣候室的存在使溫室北部的保溫得到進一步加強，溫室的整體保溫性能更好。此外由于配套了溫室降溫系統，溫室可以實現越夏安全生產，延長夏季生產周期1～2 個月。半封閉溫室與傳統文洛型溫室相比，建設成本增加值僅在5%以內，卻可顯著提高溫室的利用率，從而降低溫室的折舊成本，以及提高溫室作物的生產量。

2 半封閉溫室的結構與設備組成

與傳統的文洛型溫室相比，半封閉溫室就是在其一側墻面（一般在北側）增設了沿該墻面通長的氣候室。該氣候室與溫室間形成相對隔離的空間，在氣候室的外墻側安裝濕簾，內墻（與溫室的隔斷墻）側安裝送風風機，頂部設置與溫室相連通的可啟閉的通風口。

調節氣候室內空氣環境的加溫、降溫、除濕以及CO2配送的設備和方式，不同的工程有不同的做法，由此也形成了不同的氣候室形式與結構。

2.1 氣候室的形式與結構

氣候室的功能是在相對封閉的空間內形成溫室降溫、加溫等環境調節所要求的均勻、穩定的混合氣體，并將其輸送到溫室內。氣候室既是混合空氣的調節室，也是產生混合空氣的設備房。由此，不同的設備配置方案決定了氣候室的形式與結構。

①以濕簾為降溫設備的氣候室。濕簾在溫室降溫系統中的布置形式有兩種：一種是安裝在溫室的外側墻面上（圖2-a），另一種是安裝在獨立的濕簾箱的箱體上（圖2-b）。對于冬季比較寒冷的地區，為了增強溫室的保溫，在溫室外墻外側還可增設緩沖走廊（圖2-c），濕簾仍設置在溫室的外墻上，但需要在走廊外墻上設置進風口，以保證濕簾運行中能直接引入室外新鮮空氣。為了保證濕簾在非運行期間進風口的密封性，濕簾的外側應安裝可開閉的通風窗，濕簾運行期間開啟，濕簾停運期間關閉。為了減小走廊面積以節約用地，一般濕簾窗多采用上下啟閉的提拉窗，而走廊墻面的進風口則采用更廉價的卷膜通風窗。

圖2 濕簾的安裝方式

采用墻面安裝濕簾時，一般濕簾安裝在溫室的北側墻面，以減小氣候室對室內作物采光的影響。為了將濕簾降溫后的濕冷空氣引入氣候室，一般在濕簾與溫室作物生長區之間設置隔斷墻，隔斷墻要與濕簾有一定距離，高度應高于種植作物的冠層50 cm 以上。隔斷墻頂部與濕簾上部溫室墻體結構之間設置氣流內循環的可啟閉通風口，由此形成濕簾墻、隔斷墻和通氣口屋面組成的多開口且又能相對封閉的氣候室。內循環通風口屋面可以是水平設置的平頂屋面（周長吉，2020），也可以是通風口傾斜的折線形屋面（圖3），還可以是完全開口的敞口屋面（圖4）。

圖3 內循環通風口傾斜的折線屋面氣候室

圖4 敞口屋面氣候室

對于敞口屋面氣候室，為了能有效控制濕簾進風和室內回風的風口啟閉，設計者巧妙地用濕簾通風口蓋板兼作氣候室屋頂通風口的窗扇，也就是將傳統的濕簾外側窗改為了濕簾內側窗。當蓋板扣蓋濕簾進風口時，自然就將氣候室屋面打開；而當打開濕簾進風口時，蓋板正好可以用來封閉氣候室的屋面。相比需要在濕簾進風口和氣候室屋面分別設置窗扇的固定屋面氣候室，這種設計只用了1 套開窗系統兼顧完成了2 項任務，是一種比較經濟和優化的設計方案（圖4）。

用濕簾箱降溫的氣候室，和墻面安裝濕簾的氣候室一樣，都結合了加溫和CO2配送的功能，但整棟溫室的氣候室是由若干獨立的氣候箱組成，一般每跨溫室配置一組氣候箱。氣候箱可以全部置于溫室室外，也可以在溫室內建設一個更大空間的氣候室，將氣候箱和其他環境調控設備全部布置其中（圖2-b，圖5）；在溫室的外墻開設通風窗作為氣候室/氣候箱新風的引入口，在氣候室與溫室相連的隔墻上開設通風窗用作氣候室/氣候箱空氣內循環的進風口。

圖5 濕簾箱降溫的氣候室結構

相比濕簾安裝在溫室墻面上的氣候室，氣候箱式氣候室占地面積大，設備投資較高，單臺設備故障會影響一跨溫室內作物的供氣，運行風險也較高。

② 以熱泵和制冷機調節空氣溫度的氣候室。當溫室的熱源和冷源不是采用鍋爐和濕簾，而是采用地源熱泵或制冷機時，由于取消了墻面濕簾，大大簡化了氣候室的結構，使原來的大空間氣候室演變成以管道為單元的氣流混合與輸送管（圖6）。

圖6 地源熱泵和制冷機調節空氣溫度的氣候室結構

這種結構將室外新風、室內回風以及加溫、降溫、CO2配送等功能全部集中配套在1 根送氣管道上（丁小濤 等，2016，2018），用一塊導流板或其他的風口控制閥來控制新風和回風進入主管，主管上連接空氣過濾器、冷熱交換器及CO2配送管等，在風管與溫室內作物栽培架下的均勻送風管道連接處安裝送風風機。其中冷熱交換器可以是分體式串聯或并聯連接，也可以是一體化集成設備。當需要降溫時停止供熱，而需要加溫時則停止供冷。無論是降溫、加溫期間還是CO2配送期間，溫室的屋面窗戶和新風口都應處于關閉狀態，以節約能源。只有當室外氣溫適宜，溫室不需要強制加溫和降溫時，方可關閉室內回流口，打開室外新風口和屋面通風窗，依靠室外的自然環境進行溫室的自然通風、降溫并補充CO2。這種結構完全取消了濕簾降溫系統的氣候室建筑結構，大大節省了溫室建筑空間，增加了溫室有效種植面積，提高了溫室建設的土地利用率。但由于溫室運行的加溫、降溫都需要開啟熱泵或制冷機，電能消耗量較大，也直接影響了溫室的生產效益。

具體設計中應根據建設地區的氣候條件和溫室生產作物對環境的要求綜合分析，統籌核算，以經濟效益為中心，合理選擇氣候室的結構形式。

2.2 氣候室設備配置

調節氣候室空氣環境的設備主要包括加溫設備、降溫設備和CO2配送設備，更加精細的環境控制還包括除濕設備。將氣候室調節混合后的空調氣體輸送到溫室內作物生長區域，還需要配套送風風機和均勻送風管道。其中降溫設備主要有濕簾和制冷機組及配套的冷交換器，其布置形式見2.1。

①加溫設備。加溫設備是提高送風溫度的熱源。加熱設備的熱量可以是來自鍋爐或其他換熱設備的熱水或蒸汽，也可以是直接用電對空氣進行加溫后的熱風。

提高送風管內空氣溫度的方法有兩種：一種是對氣候室內空氣進行整體加溫，風機從氣候室內抽取熱空氣送入作物區的均勻送風管道；另一種是在送風風機進氣口前對吸入風機的空氣進行局部加溫。

氣候室內空氣整體加溫的方法主要是在氣候室內均勻布置光管散熱器和圓翼散熱器（圖7-a），或布置其中一種，向其供應熱水或蒸汽即可。對于送風風機前空氣局部加溫的方式，可同樣采用熱水或蒸汽，用供回水主管（圖7-b）將熱水或蒸汽輸送到每個送風風機，在風機口增設換熱盤管（圖7-c），在氣流進入風機的過程中與換熱盤管進行熱量交換，從而提高空氣溫度。同理，在風機進氣口前加設電加熱絲替代換熱盤管，即可實現用電直接加熱空氣的目的。

圖7 加熱設備布置形式

比較兩種加溫的方式可以看出，風機送風口空氣局部加溫的換熱效率高于氣候室空間整體加溫。從節能的角度出發，設計中應盡量采用風機進氣口局部加溫的方式。

② CO2供氣管。CO2的供氣碳源可以是天然氣燃燒鍋爐后經檢驗合格的煙道尾氣，也可以是液態CO2經氣化和調壓后的純CO2氣（周長吉，2020）。氣態CO2經管道輸送到氣候室后，導入溫室內送風管道的方式可以是置于送風風機的進氣口，也可以置于送風風機的送風口。

對于濕簾安裝在墻面上降溫的氣候室，CO2輸送管往往是直接將CO2供給到氣候室內送風風機的進氣口，可以在每臺送風風機口設置1 個CO2送風管（圖8-a），也可以在相鄰2 臺送風風機之間設置1 個CO2送風管（圖8-b），依靠送風風機進氣口的負壓，將CO2吸入作物栽培架下的均勻送風管道。

圖8 CO2 供氣的方式

對于濕簾箱降溫的氣候室，由于氣候室內空間較大，可將CO2緩沖罐一并布置于氣候室中。從CO2緩沖罐引出的CO2氣體可以直接注入送風風機的送風側管道內，在送風管內與空調氣體混合，再分送到作物栽培架下的均勻送風管道中。對于以熱泵為冷熱源的管道式氣候室系統，可將CO2輸送管直接連接在送風主管上，隨著空調混合氣流一并送入均勻送風管道（圖8-c）。

③送風風機。送風風機是溫室正壓通風系統的動力源。其作用是將室外新風或溫室內回風抽吸到氣候室內，經過加溫和降溫設備調節后與配送的CO2混合，統一輸送到作物栽培區的均勻送風管道中。按功能要求，送風風機一般安裝在均勻送風管道的起始進氣端（圖9-a、b），其類型主要有僅送風的單機，以及將風機和冷熱交換器集合為一體的復合機。

對于濕簾箱氣候室的送風風機，一般是將送風風機安裝在氣候箱內，將氣候箱內經過濕簾降溫或加溫管加溫的調節氣體抽出氣候箱，在送風風機的出風口安裝引風管，引風管再進行二次分流將混合調節的氣體分送到作物種植區的均勻送風管道中（圖9-c）。

圖9 送風風機的設置形式

④ 送風管。送風管是將氣候室內經過調節混合后的空氣均勻輸送到作物生產區的氣流輸送管道。傳統的送風管為帆布材料圓筒管道，在其表面的雙側開設出風小孔，使主送風管內的氣流通過小孔射流溢出送風管。該射流氣流具有一定初速度，在離開送風管進入溫室后可沖擊和擾動室內氣流運動。

一般作物區的均勻送風管設置在作物栽培架的下方（圖10-a），氣流自下而上運動擾動作物區內空氣，可加速作物葉面蒸騰和CO2吸收，也可促使溫室內溫度分布更均勻。若作物的種植方式不是吊架式栽培，而是地面土壤或基質栽培或移動苗床栽培（主要用于育苗、水培葉菜和盆花栽培等），均勻送風管道在地面沒有安裝空間時，也可將送風管布置在空中（圖10-b），為了減少對作物的遮光，一般采用透光塑料膜制作送風管。

圖10 送風管的設置形式

對于吊架高度小于送風管主管直徑的種植模式，送風管不能直接設置在吊架下部時，也可以將主送風管埋設在地下，并用支管將主管氣流引出地面，采用支管射流的方式將主管氣流均勻釋放到溫室作物栽培區（圖10-c）。