寒冷干旱地區日光溫室結構的優化設計

肖林剛 鄒志榮 吳樂天 鄒平 史慧鋒 曹新偉

摘要：以寒冷干旱地區的日光溫室結構為研究對象，針對在日光溫室結構優化設計方案所涉及到的相關問題展開了詳細分析與探討，從采光性、保溫性、安全性3個方面入手，研究了寒冷干旱地區日光溫室結構設計需要滿足的幾點基本要求，進而詳細闡述了寒冷干旱地區在進行日光溫室結構優化設計過程中應當采取的措施與方法，希望以上問題的分析能夠使日光溫室結構在極端惡劣環境下的使用性能得到提升。

關鍵詞：寒冷干旱；日光溫室；結構；優化設計

中圖分類號：S26.1文獻標志碼：A論文編號：2013-0949

0引言

在氣候變暖形成全球性環境問題的背景之下，日光溫室作為一種溫度可控、運行高效且穩定的農業生產生活，在應對惡劣、極端氣候環境，保障農業生產持續開展的過程當中，有著重要的意義與價值[1]。特別是對于中國北方等寒冷干旱的地區而言，由于這部分區域內的極端氣候常見，包括風災、雪災在內的各種氣候災害頻頻發生，對于此區域內日光溫室的運行也產生了極為不良的影響。

有關溫室寬度方面的研究，Sethi等[2]分別以改良拱型、圓拱型、對稱跨、非對稱跨等單跨溫室太陽輻射總量為研究對象，建立各溫室的數學模型，研究得出非對稱跨型太陽輻射總量最大，圓拱型最小。國內在溫室保溫方面研究的較細致。在墻體高度方面，溫祥珍等[3]對0.36、0.66、0.96和1.26 m 4種溫室模型的夜間溫度研究，得出墻體面積與溫室總表面積的比值每增加0.1，溫室夜間均溫提高約0.5℃。在墻體厚度方面，楊建軍等[4]分別以陜西楊凌、寧夏銀川、甘肅白銀和新疆塔城4省區日光溫室不同厚度的土質墻體進行研究，結合保溫、成本和土地利用率等因素，得出各地土質墻體的最佳厚度：陜西楊凌為1.0 m，甘肅白銀為1.3 m，寧夏銀川為1.5 m，新疆塔城為1.4 m。在溫室栽培區下挖方面李清明分別對0、0.5、1.0、1.5 m 4座下挖日光溫室光照輻射量的研究[5]，得出在泰安地區建造10 m跨度的日光溫室，其栽培區的下挖深度不應超過1.0 m。

“一種高效的蓄熱后墻日光溫室”發明專利中的后墻結構包括：日光溫室后墻內維護墻、日光溫室后墻外維護墻、聚苯乙烯絕熱板材、日光溫室后墻內回填的素土或沙子、C20鋼筋混凝土現澆板、空心砌塊組成的后墻通風風道。按照日光溫室后墻最佳厚度理論以及后墻傳熱的分析，申請人[6]計算了西北地區典型代表溫室后墻的潛在蓄熱能力，分別為：無限厚度原土后墻為1544.44 kJ/(m2·℃)；碾壓土后墻為1029.6 kJ/(m2·℃)；異質復合夾土后墻為 815.04 kJ/(m2·℃)；普通夾心后墻為300 kJ/(m2·℃)。

與此同時，由于中國現階段對于日光溫室的研究將重點放在對日光溫室環境適應性的研究層面中，對于日光溫室結構的安全性以及使用壽命未引起足夠的關注，導致大量的日光溫室處于一定的運行隱患當中，潛在大量的質量問題。為此，針對當前在日光溫室結構設計中存在的不足，需要通過一定的方式，對其設計方案進行優化與改良，以期促進日光溫室結構使用效能的進一步發揮。本研究即圍繞以上問題展開詳細分析與探討。

1寒冷干旱地區日光溫室結構設計的基本要求

對于寒冷干旱地區所建造并使用的日光溫室而言，要求在寒冷氣候狀態下的凌晨時分，日光溫室室內的溫度能夠達到10.0℃及以上水平。日光溫室正常運行狀態下的室內、室外溫度差異甚至可以達到35.0℃以上水平。即通過對日光溫室的應用，使得中國寒冷干旱地區能夠在不進行人工加溫干預的前提條件下，達到生產喜溫性蔬菜的種植與生產目的[7]。因此，對比常規區域下的日光溫室結構而言，在寒冷干旱地區中，對于日光溫室結構設計方案的選取要求要以對采光性、保溫性、安全性要求的滿足為前提。

1.1日光溫室結構設計應體現其采光性

在對日光溫室進行建造的過程當中，要求做好對日光溫室建筑朝向以及前屋面對應陽光入射角角度的選取工作。一般來說，針對寒冷干旱區域而言，合理的建筑朝向應當為正南向偏西，偏離角度在5.0—10.0°范圍之內。同時，要求將前屋面對應的陽光入射角角度控制在35.0—45.0°范圍之內。為了確保室內蔬菜對于太陽輻射的需求得到充分的滿足，還要求在對采光角度進行考量的過程中，將植物生長所需的光照作為重點考量因素。

1.2日光溫室結構設計應當體現其保溫性

要求寒冷干旱地區所建造的日光溫室維護結構設計在滿足熱阻需求的基礎之上，還需要體現一定的熱惰性性能，確保對熱能進行儲存的有效性。在寒冷氣候狀態下，日光溫室室內溫度應當控制在8.0℃以上（晨起狀態下[8]）。同時，針對地表土壤結構而言，10.0 cm深度范圍內的日光溫室地表溫度也應當保持在20.0℃以上。

1.3日光溫室結構設計應當體現其安全性

在對日光溫室進行結構設計的過程當中，所涉及到的相關構件以及結構組成元素都應當滿足中國現行的《日光溫室結構》[9]標準中的相關要求與規范。針對寒冷干旱氣候條件下的日光溫室而言，要求其結構能夠承受0.45 kN/m2以上的風速，以及0.35 kN/m2以上積雪厚度。

2寒冷干旱地區日光溫室結構設計的優化措施

2.1對結構采光性能的優化

陽光是日光溫室在實際運行過程當中，最主要的熱源之一。由于日光溫室生產大多在低溫、弱光且日光照射時間相對較短的冬季至來年春季進行。因此，為了能夠最大限度地確保日光溫室當中，作物生產發育的質量水平，就需要在設計過程當中，充分關注日光溫室采光性能對其所產生的影響[10]。針對寒冷干旱的地區而言，由于冬季氣候狀態下，晨起時的環境溫度相當低，日光溫室運行過程當中為了能夠使午后的光照時間得到充足的保障，同時確保溫室夜間狀態下保溫性能的可靠性，就需要按照偏西10°左右的方式，對日光溫室的所處方位進行控制。與此同時，除地理緯度會對日光溫室接受光照的時間長度以及強度產生影響以外，建筑結構也是影響該指標的關鍵因素之一。結合相關的實踐研究結果表明：日光溫室前屋面所對應的夾角角度與投入日光溫室室內的光線強度兩者之間呈現出正比例關系[11]，即為了保障滲透入日光溫室當中的太陽光充足，就需要盡量的擴大日光溫室前屋面所對應的夾角角度。同時，還可以通過對日光溫室所對應跨度數值進行提升，對日光溫室所對應脊高數值進行控制的方式，達到對日光溫室室內采光量進行優化調整的重要目的。

2.2對日光溫室后屋面角的優化

為了能夠在日光溫室結構設計的過程當中體現日光溫室運行的節能型優勢，大多認為：參照日光溫室所處環境趨于內的冬至日太陽高度角，在此基礎之上，上調10.0°—15.0°后所得到的數值應當作為日光溫室后屋面角的首選數值。以此種方式不僅能夠使整個日光溫室所對應的后部光照得到充足的保障，同時還能夠避免夏季氣候狀態下出現日光溫室過度遮陰的問題。更加關鍵的是，由于對日光溫室后屋面角參數進行了合理的優化，因而使得后屋面對應產生的日光輻射熱始終處于較高水平，這對于夜間狀態下日光溫室的保溫性能發揮有顯著的價值。結構桁架對應的水平推力也得到了明顯的提升，以確保在寒冷干旱的氣候條件狀態下，日光溫室結構對于風災以及雪災等惡劣、極端氣候有良好的適應性。為此，結合寒冷干旱的氣候特點，可以將日光溫室結構設計中所對應的后屋面角數值控制在35.0°—45.0°范圍之內。有關研究人員通過有限元分析[12]的方式發現，由于對日光溫室的后屋面角數值進行了優化，使得日光溫室上弦桿對應的弧度得到了優化，提高了整體弧度水平，在出現日光溫室頂面積雪等不良問題的狀態下，能夠促使積雪自上半坡采光面區域滑落，避免因頂面大量覆雪而導致的采光面壓力、應力水平過大，而對日光溫室結構穩固性產生的不良影響。

在對日光溫室后屋面角數值進行優化的同時，對于其所對應的拱架而言，相鄰拱架之間對應的間隔距離大多表現為1.00 m。在該數值的作用之下，使得畦子與相鄰拱架結構的間隔距離處于已知狀態，畦埂所處位置也能夠與日光溫室對應的壓膜線保持一致性狀態。若對該數值進行優化設計，將其調大(1.50 m)或者是調小(0.5 m)，在可操作性方面都明顯不如調整前的數值。因此，在對后屋面角數值進行優化的基礎之上，對于拱架間隔距離則維持恒定狀態，取值為1.00 m，以最大限度的保障后期日光溫室結構建造的安全性與有效性。

綜合以上分析，對于高緯度寒冷干旱地區而言，針對不同的跨度取值，所對應的脊高數值、后墻高數值、后屋面水平投影數值均存在一定的差異，具體的參考取值數據如表1所示。

2.3對墻體結構材料的優化

對于日光溫室而言，墻體結構不僅需要發揮其在重力作用力承載方面的職能，更需要凸顯其在溫度控制方面的優勢，對熱能進行有效的隔離、吸收、儲存、以及釋放?；趯σ陨檄h節需求的分析，認為，對于寒冷干旱地區的日光溫室而言，墻體結構需要確保熱惰性的合理與可靠[13]。在白天，作為蓄熱體，對熱能進行持續的蓄積，而在夜間，則作為放熱體，對熱能進行持續的釋放。從這一角度來說，在對日光溫室墻體材料進行選擇的過程當中，應當滿足以下3個方面的基本原則：（1）墻體材料需要具有良好的吸熱性能；（2）墻體材料需要具有良好的蓄熱性能；（3）墻體材料需要具有導熱性能較差的材料。

日光溫室的墻體在整個溫室中起到圍護、蓄熱、保溫的作用，墻體的厚度及組成材料是影響保溫性能的重要參數，常用的墻體有干打壘土墻和異質復合墻體，異質復合墻體一般的組合是：磚+苯板（珍珠巖或爐渣）+磚。這些墻體材料的熱性能，見表2[14]。

由表2可知，異質復合墻體最經濟、優化的組合為：磚+苯板+磚。將干打壘土墻1.5 m厚與異質復合墻體雙240磚+120苯板總厚度60 cm的熱性能進行比較。

其熱阻見公式(1)。

R=∑(δ/λ)…(1)

式(1)中：R—熱阻；δ—材料厚度；λ—導熱系數。

土墻：R=∑(δ/λ)=1.5/1.16=1.293 m2·℃/W。

復合墻：R=∑(δ/λ)=0.24/0.81+0.12/0.03+0.24/0.81=4.59 m2·℃/W。

可見，單一材料墻體厚度再大，熱阻的增加是有限的，而采用多層異質復合墻體，不僅顯著增加了熱阻，也有效地減小了墻體厚度，從而也減少基礎寬度，節省了材料。

在現階段的技術條件支持下，日光溫室結構設計過程當中，所涉及到的墻體材料大多以土夯方式形成，土體結構下墻體材料對應的熱能儲存能力較低于傳統意義上的磚體結構材料，但其放熱的速度相對較慢，因而能夠以一種比較穩定的方式，持續面向外界進行長時間的熱能釋放作業[15]。在此基礎上，為了能夠確保日光溫室運行過程當中，墻體所對應的熱阻水平得到持續的提升，避免熱量借助于墻體以及墻體下部土壤結構向室外進行散失，則需要對墻體的厚度水平進行合理的控制。一般來說，應當參照日光溫室所建設區域對應的凍土層厚度，按照1.2~1.5倍于凍土層厚度的方式，對日光溫室墻體厚度進行控制。

3結論

在對日光溫室結構進行優化設計的過程當中，所需要關注的問題主要表現在2個方面。（1）需要最大限度地控制日光溫室在運行期間產生的熱損失問題。相關的實踐研究結果證實：在雙層薄膜覆蓋狀態下，日光溫室的環境溫度較常規溫度高出3.0~4.0℃，能夠通過對室內溫度的升高，達到控制貫流放熱的目的。與此同時，還可以通過在日光溫室建造區域地下挖設防寒溝的方式，使地層土壤結構的熱傳遞渠道得到阻斷，避免日光溫室室內的熱量通過以上渠道向外界釋放。（2）需要最大限度地確保日光溫室所對應蓄熱保溫效果達到最佳水平。由于太陽光輻射是日光溫室熱量的最主要來源，因而需要通過對采光角度進行合理優化的方式，使前屋面的透光率得到顯著的提高，增強日光溫室對于太陽輻射的接受水平。以上措施配合對日光溫室的結構優化設計措施，能夠使寒冷干旱區域的日光溫室運行質量得到更加可靠的保障，促使其綜合效應更高水平的體現與發揮出來。

4討論

（1）在日光溫室墻體設計中，還應注意材料層的排列次序問題，多種墻體材料的不同組合，盡管墻體的熱阻和熱惰性指標均相同，但其熱工性能卻不同。分析表明，當蓄熱系數大的材料層（即重質材料層）設置在內側時，圍護結構內表面對于室外空氣溫度波和室內空氣溫度波傳熱衰減倍數和吸熱衰減倍數均較大，就日光溫室墻體而言，最好由3層材料組成，兩側為重質材料，中間為導熱系數小的輕質材料。在冬季的白天，當陽光照射到北墻時，由于重質內層墻的蓄熱系數大，能在白天蓄存較多的熱量，而當夜間室溫較低時，北墻又能向室內放出較多的熱量使室溫不致降得太快，外層的重質墻既要有一定的蓄熱能力，又要有一定的保溫能力，而中間的輕質隔熱層則有效地減少了內部熱量向外傳遞及外部冷量向室內傳遞。因此，墻體材料層的排列次序對溫室保溫的影響還有待更深入的研究。

（2）溫室墻體的保溫方面，很多研究人員只考慮到墻體水平方向的蓄放熱，而忽略了墻體頂部的保溫蓄熱設計，因此溫室墻體頂部保溫對溫室整體保溫的影響還有待于進一步的研究。

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