北方日光溫室構造的研究進展

2024-01-01 00:00:00張惠楠，李明，祝鵬

智慧農業導刊 2024年6期

摘" 要：隨著蔬菜、花卉種植業的不斷發展和對設施要求的不斷提高，以及當前對蔬菜質量和安全問題的關注，日光溫室在結構堅固、性能耐用、操作舒適方面提出更高的要求。從中國北方現代日光溫室的發展現狀和市場對高質量、高附加值產品的需求來開展評價和影響分析，從溫度、濕度、光照等維度來比較日光溫室的冬季性能，分析北方部分地區日光溫室的建設情況，對日光溫室的未來發展進行研討并提出一定的建議，但無論在哪個地區，日光溫室作為現代農業生產的重要方式，都具有不可替代的作用，能夠提高農業生產效率，促進農業的可持續發展。

關鍵詞：北方日光溫室；構造；光照；冬季保溫；濕度

中圖分類號：S625" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-9902（2024）06-0064-05

Abstract： With the continuous development of vegetable and flower planting industry and the continuous improvement of facility requirements， as well as the current attention to the quality and safety of vegetables， solar greenhouse has put forward higher requirements in terms of sturdy structure， durable performance and comfortable operation. The evaluation and impact analysis are carried out from the present situation of the development of modern solar greenhouse in northern China and the market demand for high quality and high value-added products， and the winter performance of solar greenhouse is compared from the dimensions of temperature， humidity and light. This paper analyzes the construction of solar greenhouse in some areas of North China， puts forward some suggestions for the future development of solar greenhouse and discusses the future progress， but no matter in which region. As an important way of modern agricultural production， solar greenhouse plays an irreplaceable role in improving agricultural production efficiency and promoting the sustainable development of agriculture.

Keywords： northern solar greenhouse; structure; illumination; winter heat preservation; humidity

盡管可以手動調節室內日光溫室中的小氣候，但是溫室的主要能源為太陽，并且室內環境的變化仍然很大程度上受到戶外天氣變化的影響。如果遇到連續的冬季天氣，則無法在溫室中獲得有效的熱量供應，也無法滿足正常蔬菜生長所需的光照和溫度條件[1]，北方地區氣候嚴寒，傳統農業生產受到季節限制，而日光溫室可以提供穩定的溫度和光照條件，有利于農作物的生長和增產，其次日光溫室利用太陽能進行溫室內部的加溫和照明，可以減少對傳統能源的依賴，節約能源資源。日光溫室技術的引入可以促進北方地區農業的現代化發展，提高農業生產的科技含量和競爭力。而且日光溫室可以為北方地區引入一些南方地區的農產品種植，豐富農產品種類，提供更多選擇。

近年來，日光溫室（包括溫室）發展迅速，但日光溫室生產面臨的主要問題是天氣低迷造成的低溫。研究內部隔熱的日光溫室的溫度變化規律以及在連續冬季條件下與外界的關系，對于擴大農業氣象服務領域和減少氣象災害對室內溫室生產的影響具有重要意義[2]。本文是以北京、新疆為研究目標，對他們的日光溫室進行了一系列的研究，對日光溫室冬季如何保溫提出了有效的保溫調控措施。

1" 日光溫室的發展路程

1.1" 北方日光溫室的發展

日光溫室是一種利用太陽能進行溫室種植的設施，其通常由鋼架或鋁架和玻璃或塑料材料制成，能夠有效地吸收和保留太陽能，提供溫暖和光照條件，有利于植物的生長和生產，日光溫室獲取光能的效率有限[3]，日光溫室可以延長種植季節，提高作物產量和品質，對農業生產具有重要作用，日光溫室雖然有很好的保溫采光性能，但在寒冷季節內，日光溫室內的溫光條件仍滿足不了黃瓜等作物正常生長的需要[4]。

日光溫室是一種在農業生產中被廣泛應用的設施，其能夠有效地控制環境條件，提供良好的生長環境，從而提高作物產量和品質。日光溫室的歷史可以追溯到古代。在古埃及、古希臘和古羅馬時期，人們已經開始利用玻璃覆蓋土地，創造溫暖濕潤的環境來種植和培養植物。然而，當時的技術和材料限制了溫室的規模和效果。直到19世紀，隨著工業革命和現代化農業的興起，溫室技術得到了迅速發展。玻璃和金屬的生產技術不斷提高，使得溫室結構更加堅固耐用，并且能夠更好地保留太陽能和溫度。隨著對溫室技術的深入研究，人們開始生產各種類型和規模的溫室，以滿足不同地區和不同作物的需求。

20世紀以來，隨著新材料和新技術的不斷涌現，日光溫室得到了進一步的發展。塑料材料的使用使得溫室的成本大大降低，同時也提高了溫室的耐久性和透光性。另外，自動化設備的應用使得日光溫室的管理和維護更加便利，減少了人力成本，提高了生產效率。

近年來，隨著人們對食品安全和環境保護的關注，日光溫室在全球范圍內得到了廣泛的應用和推廣。高科技溫室、智能溫室、光熱一體化溫室等新型溫室設施不斷涌現，為農業生產提供了更多的可能性。同時，一些新興技術如太陽能發電、雨水收集利用等也被應用到日光溫室中，提高了溫室的可持續性和環保性。

總的來說，日光溫室經過了數千年的發展，已經成為現代農業生產中不可或缺的一部分。隨著新技術的不斷涌現和應用，日光溫室將繼續發揮重要作用，為全球糧食生產和食品安全做出更大的貢獻。

此外，它能獲得充足的光照資源，是一種適合北方的溫室，經過20多年的發展，日光溫室已經形成了相對固定的基本結構，主要是保溫蓄熱墻，保溫屋面朝北，采光屋面朝南，晝夜開放覆蓋保溫復合，以塑料薄膜或PE太陽能板作為透明屋面材料，東西向延伸。然而，由于生產水平差異大，對日光溫室的結構缺乏了解，加上建筑水平不同，日光溫室的結構和建筑材料的選擇差異很大。太陽能溫室的結構類型很多，建筑質量水平差異很大，種植環境也有差異，這些都在不同程度上影響了園林作物的生產，對種植區的冬季保溫策略也有影響。

1.2" 國內外日光溫室現狀

如今，國外的技術和配套設施更加成熟和穩定，生產過程也更加標準化。隨后，各種版本的溫室設計模型被提出，可以有效降低溫室布局和管理的成本，促進植物在溫室中的生長。在溫室結構研究中，改進溫室結構以節省能源、保護環境、節約和提高效率是大勢所趨，通過使用模型方程和新能源技術來創造更大、更自動化、更機械化、更智能的溫室。通過數據分析方法，可以將資本投資、土地使用和人力資源等因素考慮在內。

國內對日光溫室設計的研究主要是利用環境監測工具來分析和比較不同設計、不同屋頂角度、不同屋頂形狀及不同墻體材料等的差異，以選擇最佳的溫室設計。目前，太陽能溫室的設計一般以結構的跨度大小、選擇合適的屋頂角度和整體結構尺寸為基礎。

1.3" 研究的目的

為了使溫室盡可能多地從太陽輻射中獲取能量，以提高冬季日光溫室所需的內部溫度，由于北方地區的土壤條件、氣候要求，我們需要從溫室的采光、保溫性能、材料的選擇和人為動機等方面考慮，最終找到一個整體解決方案，實現低成本、節能、高效，使溫室在沒有人為干預的情況下達到植物所需的溫度。溫室中的光照和溫度條件主要是指光照強度、光照時間、光照質量、光照分布以及最低溫度、最適溫度和最高溫度，是溫室中植物生長的最直接環境因素，日光溫室截獲光能效率有限，最多不到70%，因此，改善日光溫室、透光率應是首要任務，改善和調節溫室內的光照和溫度條件是溫室研究的目標，也是實現溫室作物高產和優質的重要手段。為此，我們主要從建筑材料、覆土材料、溫度和建造方法等方面對北方地區進行比較，以實現預期目標。

2" 北方各地區的日光溫室結構

2.1" 北京日光溫室的發展近況

2.1.1" 墻體保溫材料的改進

以前的太陽能溫室墻體大多是由黏土制成的，雖然保溫效果好，價格便宜，但不是很穩定，也不能使用。隨后，人們開發了兩層背磚墻或內墻和外墻，中間填充煤渣、珍珠巖、石棉等。這些填充物最初具有良好的保溫性能，但經過一段時間后，材料本身會吸收水分，導致保溫性能明顯下降。此外，由于墻體填充物的隔熱性能不足，所以采用更厚的墻體來提高其保溫性能，將增加墻體的成本，從而增加其尺寸[5]。因此，使用了新的絕緣材料，如LD聚苯乙烯，特殊的T-W絕緣涂層和聚乙烯泡沫板。

2.1.2" 聚乙烯泡沫保溫毯的研發

北京蔬菜研究中心開發的保溫毯不僅具有良好的保溫性和防水性，而且使用壽命長[6]，因為其經過加工和處理，不僅能保證長期保溫，而且具有良好的防水性，易于保存。缺點是自身重量太低，不能解決抗風問題，而其外觀好，強度高，所以保溫毯及其傳動裝置經過2年的推廣，不僅覆蓋了北京的郊區，也覆蓋了山東、河南的輻射區，它的使用壽命長，年平均成本低，比草苫子還低，有很多優點，所以被大多數農民采用，得到成功的研發，其自身的質量以及工藝效果也是很不錯的，優點多于缺點。

2.1.3" 雙層膜保溫及扭蓋材料

在冬季，當有足夠的陽光時，堅實而密閉的雙層薄膜也可以顯著提高溫室在夜間的保溫效果，在冬季沒有足夠的陽光時，可以使用內襯薄膜。此外，PC板價格較高，盡管其是一種新型的溫室覆蓋材料，具有透光性好、光照質量好、保溫性強、耐沖擊和壽命長等優點，但因其價格超標，一般不被采用。

2.1.4" 北京日光溫室面臨的難點

首先，對日光溫室園藝的認識問題，有相當多的人認為日光溫室不能現代化，即使能現代化也不適應當前的生產；有的人只計算一次性的大投資，而不計算多年的折舊和土地成本；還有的人只注意用電，大多數農民沒有經濟實力，采取消極的態度去對待所面臨的問題。

其次，農民在溫室園藝中缺乏示范基地，實用、高效的技術體系還不成熟。應用太陽能理論和傳熱理論，實現冬季對太陽能的最大吸收和最佳保溫效果，以及日光溫室的設計和建造，對保證冬季蔬菜植物的正常生長發育和實現高產尤為重要，但農民的整體示范作用較差。

再次，農民的經濟和技術實力不足，園藝區的農民經濟條件較好，但難以拆除現有設施，建設新的設施；而谷物種植區的農民經濟困難，加之溫室園藝改造技術水平低，難以一次性大量投資建設高質量的日光溫室用于生產，阻礙了現代日光溫室產業的發展。

最后，政府對日光溫室產業的支持力度不夠，導致日光溫室發展緩慢，技術水平不高，不能滿足市場需求。同時，政府在對日光溫室建設和生產過程中的監管不力，導致溫室質量不高，生產環節出現安全隱患，影響農產品質量和安全。

2.1.5" 北京冬季日光溫室性能改進

影響保溫性能的因素很多，如溫室的朝向、跨度，屋脊的高度和長度，墻體的深度、基質和樹皮層等。如果是近期建造的建筑，成本太高，只能改善建筑結構。

首先，增加后墻和斜墻的厚度。后墻和斜墻是建筑物暴露在冷風中的主要部分，為了減少夜間室內房間的熱量損失，地板的高度應與后墻的高度相等。

其次，墻體組成。為保證墻體厚度為1～1.2 m，墻體組成為異質復合墻。

再次，開挖和設計抗寒溝槽。抗寒溝槽是為了減少熱量損失，以提高保溫性能、在溫室內檐前挖出一條深50 cm、寬30 cm的溝，用稻草、蘆葦或聚苯乙烯保溫板填充，以防止水分對保溫層的侵蝕和抗寒性能的喪失。

最后，篷布。篷布是提高溫度的最好措施，其中最好選擇雙層篷布。鋪設時應迎風鋪設，兩邊應壓住棚體，避免在寒風中吹動。

2.2" 新疆日光溫室的發展近況

2.2.1" 新疆設施農業發展歷史與現狀

早在20世紀50年代，新疆就開始探索設施農業。但由于當時技術、材料和設備的限制，設施農業發展相對緩慢。20世紀80年代，新疆設施農業得到了一定的發展，但規模較小，主要以塑料大棚為主，用于種植蔬菜和水果。21世紀初，隨著科技進步和政策支持，新疆設施農業得到了迅速發展，規模不斷擴大，種類也日益豐富。2011年，物聯網農業總面積超過6.67×104 hm2（100萬畝，1畝約等于667 m2），近年來逐步進入適應和質量提升階段。經過20多年的發展，截至2012年底，新疆農業總面積（不含體）達到60 941.28 hm2，覆蓋全疆14個地（州、市）和91個縣（市、區）。

2.2.2" 試驗材料

試驗于2013年12月至2014年12月在新疆農業研究所示范區進行，選取具有代表性的第五代日光溫室，溫室長120 ｍ，跨度8 ｍ，脊高3.5 ｍ，溫室內種植葡萄。

2.2.3" 新疆冬季日光溫室的結構種類

新疆冬季日光溫室是利用日光溫室技術進行蔬菜、水果等農作物種植的一種設施。新疆冬季氣溫較低，但通過日光溫室可以有效地利用太陽光照射，保持溫室內部溫度在適宜農作物生長的范圍內，而且新疆幾乎所有的縣市都有日光溫室[7]。

根據結構材料可分為鋼架日光溫室、竹木日光溫室、塑料日光溫室等。鋼架日光溫室使用鋼鐵作為主要結構，優點是結構穩定，可以使用較長時間，缺點是造價較高；竹木日光溫室則使用竹子和木頭作為主要結構，優點是結構簡單，造價低廉，缺點是使用壽命較短；塑料日光溫室則使用塑料薄膜作為覆蓋材料，優點是保溫性能好，缺點是使用壽命較短。根據前屋面的構造可分為圓拱型、雙層型和三層型。根據內部結構、可分為有柱和無柱的結構。根據墻體的不同材料，可分為土結構、磚結構和復合結構等。

2.2.4" 角度、高度、跨度、長度和厚度

新疆日光溫室在設計時，需要考慮其角度、高度、跨度、長度和厚度等關鍵參數，以滿足當地的氣候條件和作物生長需求。

新疆日光溫室的后屋面角度一般較大，以保證冬季陽光能夠充分照射到溫室內部。通常，后屋面與水平面之間的夾角在60～80°。

高度設計需要兼顧保溫性能和作物生長需求。高度包括前屋面高度和后屋面高度。前屋面高度一般為2.5～3.5 m，后屋面高度一般為1.5～2.5 m。

跨度設計需要考慮土地利用效率和溫室結構穩定性。跨度是指溫室前后墻之間的距離，一般為6～10 m。

長度設計需要考慮作物生長需求和土地利用效率。長度是指溫室沿地面的長度，一般為30～60 m。

后屋面厚度需要保證溫室的保溫性能。后屋面厚度一般為10～20 cm。

2.2.5" 新疆冬季日光溫室的保溫性能

在冬季，一年中最冷的時候，室內溫度需保持在20～25 ℃，在晴天，夜間高于10 ℃，短時間內不低于5 ℃，土壤溫度在15 ℃左右，這對蔬菜的生長和發育很重要，滿足這些要求的關鍵在于日光溫室的采光。

自然光照：為確保保溫，日光溫室的照明設計必須提供超過4 000 lx的最低光照強度，6 h內的綜合平均光照強度至少為20 000 lx。按照這個速度，可以保證日光溫室中蔬菜整個施肥過程的正常生長，保證產量在3％左右，除了光照，在冬季溫室里溫度是植物生命活動最基本的因素[8]。

2.2.6" 日光溫室所面臨的問題

第一，首先設計不當主要表現在太陽能溫室后部屋頂的跨度、高度和間距角度。太陽能溫室前屋面的跨度越大，間距越小，反射系數越大，入射系數越小，從而降低了太陽能產量。此外，當跨度大時，后屋面的俯仰角小，所以在冬至前后，陽光不能到達后屋面內部，形成光照死角，影響溫升。

第二，忽視了前屋面的保溫性能。白天儲存在溫室中的大部分熱量在夜間通過前屋面消失殆盡，一些太陽能溫室在建設過程中往往只注重后墻和后屋面的保溫，而忽視了前屋面的保溫工作，導致溫室內溫度不足。

第三，多年連作由于土壤病害嚴重加上病蟲害防治不到位，造成葉霉病的出現，影響產量，導致溫室內保溫效果降低，不能達到預期目的，溫室內土壤消毒困難由于連作較多，輪作較少，對土壤中養分平衡的一種破壞，造成土壤病害嚴重。

2.2.7" 保溫增溫的方法

第一，使用不滴水的聚氯乙烯薄膜。大棚膜上的一層水滴可以減少20%～30%的透光率。無滴水聚氯乙烯薄膜的透光系數為89%，反射損失小，絕緣性能好，防老化，易于粘貼[9]。使用無滴膜可以使棚內溫度提高2～4 ℃，并防止大量的冷凝水滴到蔬菜上。

第二，使用滴水灌溉。冬天澆大量的水會使棚內的土壤溫度明顯下降，濕度過高，浪費水。滴灌方法有利于保持土壤溫度和控制濕度。

第三，溫室內建有水池。由于水的比熱較高，水箱中的水在白天吸收熱量，在夜間散發熱量，這對溫室有增溫作用。在溫室里建一個水箱也可以使澆灌蔬菜更容易，注意采用透光性好的薄膜，每年必須使用新膜，栽培期間經常擦拭薄膜[10]。

第四，保持溫室的氣密性好。要封住大棚內的漏氣孔，在大棚門口掛上雙層棉簾，及時修補破損的棚膜，保持大棚的氣密性，提高保溫效果。

第五，地熱線。溫室地面上的熱地線，埋在地下，是通過電阻絲發熱，提高地面溫度。熱地線通常適用于蔬菜芽苗菜的使用。

第六，使用雙層稻草和防風墻。冬季使用雙層稻草覆蓋溫室，可以減少夜間溫室內的熱量損失，使溫室內的溫度提高10 ℃以上。稻草的厚度約為5 cm，應該是密實、薄而不透風的。在稻草上加一層鋁箔或紙也會提高保溫效果。在溫室的前面，在鋁箔旁邊放置一個1 m長的草簾，以阻擋風，這樣可以增強保溫效果。

最后，各地的專家和科學家從不同的角度對農業就進行了分析，從溫度、緯度、濕度等因素出發在不同季節開展了研究，主要是針對冬季展開。新疆幾乎所有的縣市都有日光溫室，從北緯35°的和田到北緯47°的塔城和伊犁，從海拔-154 m的吐魯番到海拔3 000 m的帕米爾高原。近年來做了許多分區研究，但大多數沒有與生產實際相結合，純屬理論研究。

3" 結束語

在北京、新疆等地日光溫室的類型和結構在一定程度上存在差異。北京地區的日光溫室多采用玻璃溫室，結構復雜，但耐用性和隔熱性能較好。而新疆地區的日光溫室結構更為多樣化，除了傳統的玻璃溫室和大棚外，還有塑料溫室和草地溫室等各種類型。

北京、新疆的氣候條件各不相同，對日光溫室生產也有不同的影響。新疆地區的氣候干旱寒冷，適宜種植蘋果、葡萄、草莓等作物。

北京、新疆的日光溫室生產的作物種類和收益也有所不同。北京地區的日光溫室生產的作物以花卉、蔬菜、水果為主，出口收益較高。而新疆地區的日光溫室生產的作物以蘋果、葡萄、草莓等水果為主，收益較高。

綜上所述，北京、新疆的日光溫室在類型、結構、氣候條件、作物種類和收益等方面都存在一定的差異。但無論在哪個地區，日光溫室作為現代農業生產的重要方式，能夠提高農業生產效率，而且政府、企業、高校、科研院所和金融等各部門需形成工作合力加大力度[11]，促進農業的可持續發展。

參考文獻：

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