我國節能日光溫室結構選型和墻體研究進展*

王雪鵬 ， 謝思萌 ， 鄭建鴻 ， 張廬陵

（1.江西農業大學軟件學院，江西 南昌 330045；2.江西農業大學工程技術開發研究所，江西 南昌 330045）

近年來，日光溫室秉承綠色、高產、富農的發展原則，建設面積逐漸擴大。日光溫室是節能日光溫室的簡稱，又稱暖棚，由兩側的山墻和溫室后墻、支撐結構以及覆蓋材料組成。日光溫室墻體既具有圍護功能又具有保溫功能，是日光溫室不同于連棟溫室和塑料溫室的建筑特色之一。由于日光溫室投資較少、圍護成本較低、能源需求少且能夠保證農作物安全過冬，因此被農戶廣泛應用。截至2018年，中國溫室大棚總面積達到了18.94×105hm2，其中日光溫室總面積為5.77×105hm2，日光溫室大約占我國溫室大棚總面積的30%。2008—2018年，中國溫室大棚面積統計數據如圖1所示。

圖1 2008—2018年中國溫室大棚面積增長統計數據圖

1 我國日光溫室結構選型的發展

在2 000多年前，我國就有了通過保護措施來種植蔬菜的溫室設施，可以說中國是世界上最早實現溫室栽培的國家之一[1]。日光溫室的結構尺寸和形狀的變遷，是科技、經濟發展水平和社會需要的綜合體現。

1.1 第一發展時期

第一個發展時期是20世紀30年代，魏曉明等[2]指出，日光溫室在20世紀30年代采用的結構形式為“一坡一立式”，采用的透光材料為玻璃，受制于材料的物理屬性，當時日光溫室覆蓋材料結構為折線形，同時用竹木結構作為骨架也決定了結構的跨度和高度相對較小，當時日光溫室的跨度在6 m左右，高度在2 m左右，不利于操作員進行各項工作。該時期的日光溫室后屋面較長，因此保溫性能較好。

1.2 第二發展時期

第二個發展時期是20世紀70年代，由于塑料薄膜作為覆蓋材料的應用，再加上鋼架用于日光溫室的普及，使得日光溫室得到較大發展與升級。最大的改變是日光溫室屋面由折線形改為了弧形，同時脊高提升到了2.2 m～2.6 m，跨度也提升至6 m～7 m，這種改變使日光溫室的凈空高度得到提升，室內空間變大。該時期的典型結構類型有“感王式”和“鞍山Ⅰ式”兩種日光溫室結構，這兩種溫室結構類型保溫性能較好，造價也比較低，但是也存在一些缺點，比如后屋面過長導致采光不足、室內柱子太多不利于機械化作業等。

1.3 第三發展時期

第三個發展時期是20世紀80年代，隨著鋼結構逐漸取代了竹木結構成為溫室骨架材料，日光溫室開始進入了無柱、少柱時代，溫室結構跨度和高度顯著增大，長度也從原來的50 m～60 m發展到了100 m，甚至更長。該時期具有代表性的結構形式有“懸梁吊柱式”[2]、“琴弦式”[3]、“鞍山Ⅱ式”[4]。

2 日光溫室墻體分類

日光溫室墻體是區別于其他溫室的一大顯著特征，日光溫室墻體東西走向，角度隨著當地太陽輻射時間、強度的不同略有調整。墻體的材料和結構是影響日光溫室蓄放熱性能的重要因素之一[5]。

2.1 單質墻體

2.1.1 下挖式機打土墻

土的熱惰性比較大，土墻建造成本低、容易就地取材、制作工藝簡單，為農戶廣泛使用。機打土墻的特點是墻體下部寬、上部窄，地面下沉，用履帶式推土機推土碾壓，再用推土機切除多余土體形成寬大的墻體。下挖式機打土墻的墻體可以直接采用挖取的土壤作為墻體材料，降低了造價[6]。同時，由于溫室底部下沉，室內的熱量不容易向四周傳遞，很大程度上減少了后墻、山墻的傳熱，使蓄熱系數和保溫比增加，土壤水平方向熱量損耗減小，提高了溫室的熱穩定性[7]。但是，由于下沉式日光溫室在地面以下，可能會發生積水和采光面遮擋太陽光等問題。李清明等[8]指出，下沉式日光溫室下挖深度在0～1 m區間時，室內氣溫和地溫增溫效果明顯、保溫效果更好，下挖深度過深反而會引起負面效果。下沉式溫室保溫效果要明顯好于普通日光溫室，但占地面積較大，土地利用率較低，僅為40%[9]。

2.1.2 機壓大體積土坯墻

為了降低墻體的厚度，減少用土量，同時增加墻體的強度，研發了一種速土成型機，可以把松軟的土壤和一些工業廢渣加入固化材料和水中，通過壓鑄的形式把土壤（最佳含水量為11%～16%）在成型機里擠壓成1.2 m×1.2 m×1.2 m的立方體土塊。砌筑時不需要粘結劑，僅通過錯縫壘筑就可以建造保溫性能良好且可以做承重墻的溫室墻體，墻體厚度與干打壘土墻相差無幾，但相比于干打壘土墻，其施工的機械化程度更高，施工速度也更快（機打土墻的5倍）[10]，而且用土量也更少，極大地提高了土地的利用率。

2.1.3 沙袋土墻

在甘肅張掖市高臺縣地區，土質多為砂礫土，不適用干打壘土墻，也不適合機打土墻，當地溫室建造者創新了一種沙袋墻體。該墻體是先將砂礫土裝進具有良好的抗風化性能的編織袋中，錯縫將沙袋壘成墻體，在墻體表面張掛保護網或者涂抹泥漿，該墻體保溫性能良好，可以在不加溫情況下保證果蔬安全過冬。但由于施工只能通過人工進行，因此人工成本較高（造價15萬元/畝～16萬元/畝），且勞動強度大[11]。

2.1.4 漿砌石墻

對于一些石料來源比較方便的地區也有不少采用石料作為溫室結構墻體的，石料是一種熱惰性比土墻更大的材料，因此儲熱能力更強。傳統的石墻采用砌筑的方式，墻體承載力強、儲放熱性能較好、墻體耐久性較好，在一些河堤、護坡等工程中也常用到漿砌石墻。但是這種砌筑石墻采用的石塊較大，勞動強度也大，只能依靠人工作業，無法進行機械化生產，而且施工周期長，造價也較高，一般在25萬元/畝左右，因此也極大地限制了漿砌石墻的發展[12]。

2.1.5 “石籠”墻體

張勇等[13]結合我國耕地分布情況，利用當地自然條件開發了一種適合我國非耕地區域的新型鵝卵石后墻溫室結構，通過合理的粒料集配將鵝卵石封裝在鋼筋網箱中，降低了土建造價，提高了施工速度，增強了后墻穩定性；所利用的石料為鵝卵石、碎石，甚至建筑垃圾都可以作為后墻儲能材料，尤其適合在戈壁、多礫石地區進行大面積推廣。

2.2 復合結構墻體

2.2.1 復合磚墻

采用磚墻作為溫室的墻體可以極大地提高溫室的耐久性，同時也可以減小占地面積，提高土地利用率。施展[14]認為相比于夯實土墻，磚結構墻體在蓄熱效率上要高16.5%，而制約磚結構墻體推廣最大的阻礙是建造成本太高。此外，考慮到燒結普通磚對耕地的破壞，因此要盡量避免使用燒結普通磚作為溫室墻體。佟國紅等[15]認為在相同厚度下，異質復合墻體比單質磚墻夜間溫度高3 ℃。材料相同、不同排列方式的異質復合墻體在蓄熱和傳熱方面也存在差異，內部是磚墻、外部是聚苯板的異質復合墻體好于磚墻內部夾聚苯板的異質復合墻體[11]。

2.2.2 相變材料

相變材料（Phase Change Material, PCM）在建筑行業的研究已經有了一定的基礎，目前相變材料技術在日光溫室墻體中的應用還處于研究階段。王宏麗等[16]選用石蠟和硬脂酸正丁酯按照1∶1的質量比，以稻殼為載體制成復合相變材料，并將其用于日光溫室的墻體中。試驗發現用相變材料制成墻體的日光溫室相比于普通磚墻溫室放熱更加均勻，室內平均溫度相較于普通磚墻溫室高2 ℃～5 ℃，溫室內的農作物長勢情況也優于普通溫室。相變材料作為日光溫室的墻體要滿足以下要求：1）相變材料的相變溫度要在農作物適宜的溫度附近；2）比熱容大，體積穩定；3）相變材料要能長期循環使用，要與其他建材相容；4）可逆相變，不發生過冷現象；5）具有良好的化學穩定性和低降解性質；6）不腐蝕、不可燃、不爆炸；7）經濟性好[17]。

2.2.3 加氣混凝土

黏土磚的燒制破壞了大量耕地，同時國家也發布了燒結普通磚的禁令，日光溫室的建造中不少墻體使用的是燒結普通磚和其他隔熱材料組成的復合墻體。磚墻作為墻體具有較好的蓄熱保溫性能，但是磚墻造價比較高，加上其破壞耕地嚴重，所以必須用其他建筑材料替代燒結普通磚。加氣混凝土容重是燒結普通磚的1/3，抗壓強度為4.0 MPa～5.0 MPa，加氣混凝土的導熱系數為0.16，小于燒結普通磚（0.81），在相同厚度下加氣混凝土的保溫隔熱性能優于燒結普通磚，而且可以減少墻體占地面積，提高土地利用率[18]。

2.3 裝配式結構墻體

裝配式日光溫室墻體相較于傳統的磚墻、土墻、石墻結構的日光溫室墻體，最大的優點就是建造速度快、土地利用率高、破壞耕地很少、建筑材料標準化等。裝配式日光溫室結構墻體材料大多可以工廠化生產，極大地減少了建造時間，裝配式日光溫室墻體一般不再以承重和被動儲放熱為主要功能，而是以保溫和圍護為己任。周長吉[19]介紹了一種以聚苯板（模塑聚苯乙烯泡沫塑料）為保溫隔熱材料的墻體，該材料是由聚苯乙烯顆粒經過加熱發泡，然后在磨具中成型的一種有閉合氣孔的聚苯板材。作者用鍍鋅輕型方鋼作為骨架承受屋架傳遞過來的荷載，屋面結構采用的是目前較為流行的C型鋼，在煙臺海陽縣進行了實驗（2019年1月），實驗表明在沒有采用任何加溫措施情況下室內外溫差維持在20 ℃以上，說明溫室具有良好的保溫性能。

3 日光溫室結構選型和發展趨勢分析

日光溫室的透光覆蓋材料一開始采用玻璃，受制于材料屬性，形狀為折線形；隨著材料科學的發展，透光覆蓋材料采用聚氯乙烯塑料薄膜，覆蓋材料結構形式變為弧線形，增大了室內空間。隨著支撐材料結構由竹木結構到鋼結構，溫室室內的柱子也逐漸減少，柱子的減少有利于實現機械化生產。另外，由于溫室的骨架材料強度的增強，溫室的跨度也逐步變大。

無論是干打壘土墻、機打土墻還是機壓大體積土坯墻，都是以土壤作為主要材料，其優點是容易就地取材、建造的成本相對較低、有較好的儲放熱能力，但是其缺點也不言而喻，用土壤作為主要材料，對耕地破壞較大，現場取土會造成場地整體下沉、容易積水等。隨著國家對于耕地保護的要求不斷提高，人們的生態保護意識也不斷增強，單質土墻逐漸被其他材料所取代。

漿砌石墻具有較好的強度和耐久性，河道和堤壩常用此方法砌筑，但漿砌石墻也有很大的弊端，比如勞動強度大、施工周期長、造價偏高、材料獲取受制于自然條件等。張勇等[13]結合我國耕地分布情況，利用當地自然條件開發了一種適合我國非耕地區域的“石籠”墻體結構，很大程度上解決了施工周期長等問題，但其發展只限于部分石料獲取比較方便的地區。

復合材料墻體要考慮選用合適的材料，陳瑞生等[20]認為理想的日光溫室墻體結構是：最內側由吸熱、蓄熱能力較強的材料組成蓄熱層，最外部由導熱系數低、放熱能力差的材料組成保溫層，中間由絕熱系數較大的材料組成隔熱層。不同的材料組合以及相同的材料不同的厚度和放置位置都會有不同的效果。

為了加強日光溫室的保溫性能，在復合材料墻體的建造中，較多采用一種聚苯板為夾層，因為其導熱系數較小，隔熱性能較好，價格也比較適中。部分學者的研究也表明了采用聚苯板作為日光溫室墻體的夾層，可以取得不錯的效果[21-23]。同時，國內一些學者質疑，他們認為隔熱材料置于墻體中間將失去日光溫室的意義，并且對聚苯板位于墻體不同位置對保溫性能的影響進行了分析，對外貼聚苯板墻體與中間夾層設置聚苯板的復合墻體在經濟上、保溫性能上還有施工便捷性上進行綜合分析，得出墻體外部貼聚苯板相比于內置聚苯板更好[24-26]。

前文已經概述了我國日光溫室墻體材料及其結構，我國日光溫室秉承節能、綠色、高產、高效的原則。同時，從建造方便快捷的角度出發，使用裝配式結構建造的保溫墻體有利于改進黏土、石塊、砌塊建造速度慢、土地利用率低等問題，其也是日光溫室墻體發展的重要趨勢之一[27]。可以預見，裝配式日光溫室墻體材料的選擇接下來會是日光溫室升級的核心研究對象之一。

近年來，很多研究員和學者對于日光溫室墻體保溫蓄熱的研究，主要目的就是研究如何把白天多余的熱能儲存起來，在夜間溫度較低時釋放出來，從而實現削峰填谷，使室內溫度較為適宜，把熱能的利用率提高，因此日光溫室墻體相變蓄熱技術是研究的重點之一。

4 結束語

設施農業的快速發展，解決了新鮮果蔬季節性生產帶來的不便，使一部分新鮮果蔬的生產供應不再受制于氣候條件，同時設施農業也極大地提高了農產品的產出。日光溫室因具有結構簡單、造價低廉、節能減排等優點在我國北方地區得到了廣泛應用，其作為一種具有中國特色且保有量巨大的溫室設施，在未來很長一段時間內，將成為中國溫室設施優化升級的重點。隨著新型建筑材料的發展以及產業的發展，日光溫室結構會不斷優化升級。日光溫室的發展同樣受制于當地的自然資源條件，因此要因地制宜地發展符合當地實際情況的環境友好型日光溫室。