中國日光溫室結構的改良與創新（二）
——基于主動儲放熱理論的墻體改良與創新

周長吉

（農業部規劃設計研究院，農業部農業設施結構工程重點實驗室，北京 100125）

日光溫室主動儲放熱理論是我國日光溫室發展中一項重要的理論創新。在此理論的指導下，中國日光溫室建設徹底擺脫了厚重墻體結構，開始走向構件工廠化生產、現場組裝式安裝的工業化發展道路。一方面大大提高了溫室建設的工業化、標準化水平，使溫室建設的規范性和建設速度大大提升；另一方面也顯著減小了溫室墻體建設的占地面積，減少了墻體建設對土地的破壞，進而引領日光溫室建設向生態化方向發展。此外，采用主動儲放熱技術還徹底擺脫了被動儲放熱日光溫室靠天生產的被動局面，在保證室內適宜溫度的同時，有的技術還可調控溫室內的空氣濕度，降低作物病害，提高產品品質，從而顯著提高溫室越冬生產的安全性。應用日光溫室主動儲放熱技術研究和開發各種形式的新型日光溫室結構，應該是我國當前和未來設施農業工程科研和推廣的主戰場。本文在闡述日光溫室主動儲放熱基本原理的基礎上，系統總結了以墻體、骨架和地面為吸熱體，以空氣、水、土壤為儲放熱載體的主動儲放熱方法，并全面總結了應用主動儲放熱技術的組裝式日光溫室在墻體結構上的創新和變遷，以期對未來的創新發展有所借鑒。

基于日光溫室主動儲放熱原理和各種主動儲放熱技術與方法，分析和總結了可采用主動儲放熱技術的組裝式日光溫室在墻體材料和建設方法中的改進與創新。

1 主動儲放熱的原理與方法

主動儲放熱就是以最大限度吸收和儲存白天溫室內富裕熱量并在夜間根據需要高效利用和釋放白天儲存熱量為目標，人為控制溫室墻體、地面儲存和釋放熱量的時間和多寡的技術與方法。

目前在科研和生產中應用的主動吸熱和儲熱的方法有后墻表面吸熱介質儲熱法、骨架表面吸熱介質儲熱法、循環空氣墻體儲熱法、循環空氣地面儲熱法等。

1.1 后墻表面吸熱介質儲熱法

后墻表面吸熱介質儲熱法根據后墻表面吸熱方法和吸熱器吸熱面積的不同可分為管道吸熱法、墻板吸熱法和夾層墻面吸熱法。

1.1.1 管道吸熱法 管道吸熱法是將黑色塑料管或表面涂黑鋼管密集排列在溫室的后墻內表面，依靠室內高溫和直接照射在管道表面的直射和散射輻射將管道表面加熱，通過管道內介質的強制流動將管道表面吸收的熱量傳入流動介質使介質溫度提高而儲存熱量（吸收的熱量存儲在流動的介質中）。管道中經濟的介質可以是空氣，也可以是水，由于水的熱惰性較大，所以工程中大多使用水作介質儲存熱量。根據管道在后墻表面的布置方向不同，管道吸熱可分為橫向和豎向兩種布置方式（圖1）；布置面積可以是全后墻完全布置，也可以只在后墻的局部面積（如上部1/2部位）布置。對于種植如黃瓜、番茄、辣椒、茄子等高秧作物的溫室，由于后墻的下部受到植株的遮擋，直接接受的陽光不多，所以從經濟的角度設計，一般集熱管多布置在溫室后墻距離地面1/3墻體高度（1 m）以上，同時考慮后屋面也可能會形成遮光，所以集熱管也不一定布置到墻體的頂面。

圖1 后墻表面管道吸熱

1.1.2 墻板吸熱法 墻板吸熱法的原理和管道吸熱法的原理基本相同，所不同的是將后墻表面線條式分布的管道改變成了具有一定面積的吸熱板，順序排列貼掛在溫室的后墻內表面（圖2）。吸熱板可以采用中空PC板，在PC板的中空孔中注水吸收表面熱量（佟雪姣 等，2016）；也可以采用特制的外表面為黑色塑料薄膜、背板為保溫板、中間流水的封閉組件吸收熱量（張義 等，2012；梁浩 等，2013；方慧 等，2015）。相比管道吸熱法，采用吸熱板的方法吸熱表面面積顯然增加了很多，吸收的熱量也更多。

1.1.3 夾層墻面吸熱法 不論是管道吸熱、還是墻板吸熱，都無法將照射到整個后墻表面的熱量全部吸收，而夾層墻面吸熱法是在溫室的后墻內表面安裝一個鋪滿整個后墻表面的夾層水袋，通過均勻輸水管道（在輸水管道上均勻開孔）將循環水從夾層內噴射到夾層水袋的外表面（朝向溫室室內的表面），從而吸收水袋外表面獲得的室內太陽輻射和室內空氣對流換熱量（圖3）。由此可見，夾層墻面吸熱法吸收的熱量應該最大，但由于夾層水袋內部空腔較大，在噴水過程中水的蒸發同時要消耗空腔內空氣中一部分熱量（這些熱量最終還是來自于水袋表面吸收的熱量），所以總的熱效率不一定比墻板吸熱法高。但從造價來講，夾層墻面應該是最便宜的，而且完全解決了管道和墻板局部漏水的問題（夾層墻面吸熱是在夾層水袋的底部設置集水槽，集水槽可以兼作儲水池，也可以作為輸水渠道將熱水導流到溫室內的儲水池中）。

圖2 后墻表面墻板吸熱

圖3 后墻表面夾層墻面吸熱

從墻面吸收的熱量通過提升介質溫度而儲存在介質中，一般在溫室內應設計一個儲水池，大多設置在溫室內地面下，一方面不影響溫室地面的種植面積，另一方面地下土壤的溫度比較穩定，在做好儲水池外保溫的前提下對儲存熱量的損失也較少。

1.2 骨架表面吸熱介質儲熱法

骨架表面吸熱法就是利用上下弦桿為圓管或方管的桁架結構形成一個閉環的水循環系統（馬承偉 等，2016）。由于桁架的上弦桿外表面在塑料薄膜的覆蓋下直接對外，不受室內種植作物的影響，可接受更多的室外太陽輻射，桁架的下弦桿也可同時接受室內太陽輻射并吸收室內空氣對流換熱，事實上形成了桁架上下弦桿白天同時為吸熱體的一種吸熱體系。每根桁架是一個獨立的微循環系統，將溫室內所有的桁架通過主管并聯在一起即形成一個大的儲放熱循環系統，可以將所有骨架表面吸收的熱量集中回收到儲熱池中（圖4）。到了夜間，隨著室內溫度的降低，溫室的所有桁架又是散熱器，將白天儲存在儲熱池中的熱量通過水泵回流到骨架中，由于鋼管的散熱能力強，而且骨架在溫室中分布均勻，所以在溫室中釋放熱量也更均勻。為了增強管道表面的吸熱能力，一般在管道表面涂刷黑色涂料，涂料應無毒、無味，對鋼材和塑料薄膜沒有腐蝕作用。

這種系統省去了專門配置在墻面吸熱的設備，大大減少了溫室建設投資，也不會有更多的設備占用溫室空間。但由于該系統溫室桁架是承重結構，在溫室運行過程中桁架會隨著風雪荷載、作物荷載等作用的變化發生變形，因此對水循環系統連接處的密封性要求較高。此外，在桁架的上下弦桿上安裝水循環回路連接件，需要在鋼管上開口，會對結構的強度產生影響，在結構強度設計中應給予高度的重視，不應顧此失彼，得不償失。

圖4 骨架表面吸熱介質儲熱

1.3 循環空氣墻體儲熱法

循環空氣墻體儲熱法就是白天將溫室中的高溫空氣通過風機和管道導入溫室的后墻內，通過提高溫室后墻內部的溫度將熱量儲存在溫室后墻內的一種儲熱方法（張勇 等，2015）。夜間，當室內溫度降低到設定溫度時，開啟風機將白天儲存在墻體內部的熱量再釋放到溫室中補充溫室的熱量損失，保證溫室生產需要的適宜溫度。

根據氣流在墻體內的運動方向不同，空氣循環分為水平氣流法和垂直氣流法。

1.3.1 水平氣流法 亦稱為縱向氣流法，即導入墻體內部的氣流是沿著溫室的長度方向在墻體內同一高度位置流動（圖5）。由于溫室長度方向的氣流在墻體內的流道較長，為了減小氣流在墻體內管道中的空氣阻力和空氣進出口的溫差，使導入溫室墻體內的熱量分布更均勻，一般沿溫室長度方向每組通風管道的長度控制在30～40 m，且沿溫室墻體的高度方向設置3～5組。在墻體內管道中的氣流一般采用負壓送風，即在通風管的出口安裝排風風機即可。

白天當溫室內溫度超過25 ℃后即可打開風機，將室內高溫空氣抽進設置在墻體內的通風管中，提高墻體內部溫度，并將熱量儲存在墻體內；到了夜間，當室內溫度下降到設定溫度后，再打開風機，將白天儲存在墻體內的熱量回送到溫室內，補充溫室夜間散失的熱量，保證溫室內適宜的溫度。

墻體內部的通風管可以是塑料管，也可以是在墻體砌筑過程中直接砌筑而成的磚通道，最新開發的機壓大體積土坯墻體日光溫室，可將通風通道直接預制在土坯塊上，碼砌土坯后自然形成墻體內的通風通道（鄒志榮 等，2017）。

圖5 循環空氣水平流動墻體儲熱

1.3.2 垂直氣流法 也稱為豎向氣流法，即在溫室后墻的上部設置進風口（因為溫室白天上部的空氣溫度高），在墻體的下部設置出風口，墻體內氣流沿墻體高度方向自上而下流動，將溫室內熱量儲存在后墻內的一種方法（圖6）。采用垂直氣流法的儲放熱墻體多采用空心墻，將兩層墻之間的空間作為氣流通道，可以大大降低氣流的阻力，而且墻體建造速度快，也不需要其他的附加管道，相應建設造價也低，溫度在墻體內的分布也更均勻。

圖6 循環空氣垂直流動墻體儲熱

不論是水平氣流法，還是垂直氣流法，由于以墻體為儲熱體，所以要求墻體建造材料的熱惰性大，而且建造墻體的厚度不能過薄，所以磚墻、石墻和土墻是使用這種系統比較理想的墻體。

采用墻體儲放熱，除了能夠白天儲熱、夜間放熱提高溫室夜間空氣溫度外，由于氣流在墻體內和溫室內循環，溫室內的空氣基本處在高溫高濕狀態，而墻體材料又具有較強的吸濕性，所以在空氣交換的過程中還可有效降低溫室內的空氣濕度，這對控制溫室種植作物的病蟲害、提高產品品質起到了間接的作用。

1.4 循環空氣地面儲熱法

循環空氣地面儲熱法的原理和墻面儲熱法的原理基本相同，所不同的是儲熱體由墻面變為了地面。由于地面土體體積大、熱容量大，所以能夠儲存更多的熱量。采用地面儲熱后可完全釋放墻體的儲熱功能，溫室墻體可以擺脫厚重墻體，更適于完全組裝式結構的溫室。和墻面儲熱一樣，根據氣流在溫室地面中的流動方向不同，地面儲熱法也分為縱向氣流法和橫向氣流法。

1.4.1 橫向氣流法 橫向氣流法就是氣流在地面土壤中沿溫室跨度方向流動。一般在溫室內屋脊位置沿溫室長度方向通長設一根或多根（根據溫室長度確定，一般每根長度控制在50 m左右）進風管，進風管兩端封閉，管壁上均勻打孔形成進風孔。進風管的中部沿溫室墻體高度方向垂直進風管安裝集風管，集風管上安裝風機，通過三通將進風管收集的熱空氣匯集到集風管中。集風管的下端通過三通安裝沿溫室長度方向布置的熱風分配管（埋置在地下），將集風管匯集的熱風再均勻分配到熱風分配管。與熱風分配管垂直，間隔50～80 cm通過三通安裝換熱管，換熱管埋置在地表下30～50 cm位置，沿溫室跨度方向布置，換熱管的末端通過彎頭在溫室的南側伸出地面20～30 cm。上述進風管、集風管、分配管、換熱管和風機等形成一套完整的換熱系統（圖7），白天風機運行將室內高溫空氣導入地下土壤，提升土壤溫度儲存熱量；夜間當室內溫度降低到設定溫度時，開啟風機將地下土壤中儲存的熱量再導流到溫室內，補充溫室熱量損失，保證溫室適宜的溫度。這種方法不僅可以提高溫室內空氣溫度，而且還提高了溫室土壤溫度，更有利于作物根系的發育和對養分的吸收。同樣，利用埋設在土壤中管道表面的結露，也能在一定程度上控制溫室內的空氣濕度。

1.4.2 縱向氣流法 縱向氣流法就是氣流在溫室土壤中沿溫室長度方向流動。一般在溫室地表下30～50 cm沿溫室跨度方向布置3～5列沿溫室長度方向的散熱管，散熱管的兩端在靠近山墻（或在溫室中部）的位置伸出地面，并在其中一端的管道上安裝風機，一端為進風口，另一端為出風口（圖8）。對于長度較長的溫室，也可以將散熱管沿溫室長度方向分為兩段，分別設置進風口和出風口。

相比橫向氣流法，縱向氣流法使用的管道少，安裝散熱管需要的開溝工程量也小，相應工程造價也低；但由于散熱管的表面積總量小，總體而言其儲存和釋放的熱量也相應較少。

2 主動蓄熱溫室墻體的改良與創新

主動儲熱技術的出現，徹底解除了溫室后墻儲放熱的功能，同時也釋放了墻體的承重功能，使溫室后墻的功能只局限在保溫圍護的范疇內，完全工業化的組裝式結構可直接應用在日光溫室的結構中，由此引起了日光溫室結構的一次新的重大的革命，更多新型保溫材料的輕型組裝式日光溫室應運而生。

2.1 草墻溫室

所謂草墻溫室，就是用稻草、麥秸或玉米秸等農業種植的副產品做溫室的墻體圍護材料。這種材料保溫隔熱性能好、可就地取材、成本低廉，而且還為解決農作物秸稈難處理的問題開辟了一條新途徑。

草墻建設的方法有兩種：一種是先將草秸打成方捆，像砌筑磚墻一樣，將草捆碼垛形成30～50 cm厚的溫室墻體；另一種是先將草秸編制成厚度為10～20 cm的草苫或者稱草磚，草苫幅寬1～2 m，長度可按照溫室的墻體高度和后屋面坡長確定，施工時直接將草苫一端固定在溫室屋脊，另一端順溫室后屋面和后墻平鋪后端部固定在溫室的墻基，草苫一般采用雙層錯縫平鋪，使溫室墻體和后屋面的厚度達到30～50 cm，草墻與溫室骨架的連接多采用鍍鋅鋼絲扣接，在溫室后屋面梁和后墻立柱上每隔30～50 cm固定1次（周長吉，2011）。

草墻的表面吸水性能較強，在日光溫室上應用可以將草墻的內表面直接裸露在溫室內（圖9-a），能有效降低溫室內空氣的相對濕度，減少溫室作物病害。但為了增強對草墻的防護，生產中對草墻內表面大多采用無紡布防護（圖9-b），不僅保護了草墻，而且無紡布也能夠吸收和釋放室內空氣濕度，使溫室墻體成為一種“會呼吸的墻體”。也有用水泥瓦楞板等不吸水的材料做防護的，如圖9-c。

草墻由于自身的防火性能和防水性能較差，因此在建造草墻溫室時對草墻外表面的防護非常重要。目前在生產中應用的草墻外表面保護方法有塑料薄膜包裹、不織布包裹、水泥或鋼板瓦楞板保護、草泥保護、空心磚保護、外掛水泥砂漿保護等方法（圖10）。這些方法的防水效果較好，但防火效果都難以達到建筑防火的要求，因此建造草墻溫室一定要加強溫室內及溫室生產區的防火。

草是一種有機材料，在長期的運行中容易腐爛，而且草墻內經常有老鼠做窩，這些都直接影響溫室的使用壽命。但從目前的使用情況來看，部分草墻溫室已經使用了10年以上，且保溫性能仍然不減，足見這種材料的溫室使用壽命也不會太短。

圖9 草墻溫室內表面及其防護

2.2 保溫被墻體溫室

和草墻溫室一樣，用工業化的柔性保溫毯或保溫被做日光溫室的圍護墻體（包括后墻和山墻）和后屋面即形成保溫被墻體日光溫室（周長吉，2017）。目前在日光溫室上使用的保溫被材料有噴膠棉保溫被（圖11）和針刺氈保溫被（圖12）等。為了防潮、防雨、延長保溫材料的使用壽命，包裹保溫芯的面層材料都是具有防水、防紫外線等抗老化材料。

保溫被墻體的保溫材料材質輕、保溫性能好、可實現工業化生產，產品的標準化水平高，建造溫室的規范性好，尤其建材對溫室結構產生的荷載很小，在一定程度上能顯著減小溫室結構構件的截面尺寸，從而減少溫室用材，降低溫室工程造價。

圖10 草墻溫室的外墻防護

圖11 噴膠棉保溫被溫室

圖12 針刺氈保溫被溫室

2.3 泡沫磚墻溫室

泡沫磚墻溫室是以發泡聚苯乙烯為原料，將其發泡成型為空心并帶契口的各種型材，按照溫室基礎轉角、墻體轉角、屋檐以及標準墻體等不同部位的形狀要求發泡成型為不同形狀和規格的“成型磚”。施工建設中直接將不同部位的成型磚通過契口裝配在一起即形成溫室的基礎、墻體以及屋檐（圖13-a）。由于成型磚內部為空心，而且自身質量輕、強度很低，作為溫室墻體無法承載外界風雪荷載和溫室骨架施加在墻體上的荷載。為此，這種溫室建造時在成型磚的空心內現澆鋼筋混凝土立柱和鋼筋混凝土立柱的連系梁（圖13-b），立柱的間距一般為3、4 m或6 m，柱頂用圈梁連接，溫室屋面骨架通過柱頂圈梁將荷載傳遞到后墻立柱。為了增強立柱的整體性，沿立柱的高度方向每隔1.5～2.0 m設置1道沿溫室長度方向通長的縱向連系梁，通過地梁、圈梁和中間連系梁將所有立柱形成一個平面網架。由于立柱、圈梁、地梁和連系梁均暗藏在空心成型泡沫磚的內部，這些導熱系數很大的鋼筋混凝土構件完全被保溫隔熱性能良好的泡沫磚所包圍，因此這種墻體結構基本不存在結構件引起的傳熱“冷橋”（周長吉，2015）。

從溫室墻體結構講，這種墻體仍然是一種只有保溫隔熱單一功能的圍護墻體，自身沒有儲放熱能力。為了彌補墻體的儲放熱，除了采用主動儲放熱技術外，在溫室的后墻內側通過鋼筋混凝土護板增設一層500 mm厚土層，高度距離地面2 m，即可實現被動儲放熱墻體的功能（圖13-c）。生產中在500 mm厚的土層上也可以種植葉菜類蔬菜或盆栽植物，不會造成溫室種植面積的浪費（李明 等，2016）。生產實踐證明，這種類型的溫室也具有良好的儲放熱和保溫隔熱性能，在華北、新疆等地應用可以實現喜溫果菜類蔬菜的安全越冬生產，而且使用壽命較長。

圖13 泡沫磚墻日光溫室

圖14 發泡水泥墻溫室

2.4 發泡水泥墻溫室

發泡水泥墻溫室，就是用發泡水泥通過自發泡形成墻體的一種溫室形式，如圖8-a、c。發泡水泥自身質量輕、導熱系數小、熱阻大、保溫性能好，而且是現場發泡成型，墻體無接縫、密封性能好。這種溫室墻體可深入地基形成溫室四周的絕熱層，可完全隔絕室內熱量向室外的傳導。因此是一種保溫性能非常高的日光溫室形式。

但這種溫室墻體施工需要大型建筑模板（圖14-a），施工時先支好墻體模板，然后將配置好的發泡水泥灌注進墻體模板中，隨著發泡水泥的不斷凝固和膨脹，將自行填充建筑模板的空間，拆除模板即形成溫室墻體。由于發泡水泥在凝固的過程中需要養護，而且墻體養護都是在現場作業，相對而言，溫室墻體的建設周期長，建設現場需要的大型建筑模板用量大，對建設溫室數量較少的生產園區相對建設成本較高。

此外，這種墻體材料不能自承重，溫室后墻內側需要立柱，柱頂設圈梁，溫室承力體系實際上是一種梁柱結構，墻體只起保溫和圍護的作用。

這種墻體建造技術不僅可以獨立使用建造新的溫室，而且還可以用來改造舊的溫室。當前我國各地老舊溫室存量很大，對那些墻體風化嚴重、開裂或漏風的溫室，只要在原有墻體的外側建造一層發泡水泥墻（圖14-b），不僅可以大大提高溫室的保溫性能，而且溫室墻體的密封性能也得到大大加強。因此，這項技術也成為了溫室改造工程中的新寵兒。

圖15 松散保溫材料墻體溫室

2.5 松散保溫材料墻體溫室

松散保溫材料墻體溫室，如同我國早期的雙層磚墻中間夾松散保溫材料的被動儲放熱墻體一樣（周長吉，2018），所不同的是雙層磚墻被透光的塑料片材或薄膜所替代，如圖15。具體設計中可按照經濟適用、就地取材的原則采用不同材質的材料來替代磚墻。這種結構的墻體保溫性能好，尤其到了夏季或者溫室不需要保溫的季節，還可以將夾層中的松散保溫材料用風機吸出，或直接從外層的護板下開洞使松散保溫材料從墻體中流出并集中存放，這樣日光溫室的墻體將變為一種由雙層透光圍護材料形成的保溫墻體，可完全克服后墻對溫室的遮光，大大提高了溫室內光照的均勻性，從而提高溫室生產產品的品質和商品性。

2.6 滑蓋溫室

滑蓋溫室從外形上徹底顛覆了日光溫室直立后墻和坡面后屋面的外形，將溫室的前屋面、后屋面和后墻光滑地過渡連接成為一個圓拱形不等屋面大棚的形狀（圖16）。從溫室前屋面保溫覆蓋材料的角度看，滑蓋溫室將柔性的保溫被改變成為剛性的弧形蓋板，通過滑動蓋板覆蓋或揭開溫室的采光面，實現溫室的白天采光和夜間保溫。

圖16 滑蓋溫室

這種溫室結構除了屋面的保溫蓋板能夠滑動實現采光屋面的覆蓋和揭開外，溫室的山墻也能部分地打開，上午提早打開東側山墻、下午延后關閉西側山墻，可有效延長溫室的采光時間，增加溫室有效光照，尤其對提高溫室兩側山墻附近地面光照水平和光照均勻度都具有非常積極的作用（周長吉，2016）。但由于這種溫室驅動保溫蓋板和滑動兩側山墻均需要機械傳動，溫室的傳動設備、溫室主動儲放熱設備以及溫室的保溫板等設備和材料的成本較高（據測算，每667 m2溫室造價50萬元左右），在很大程度上造成了推廣應用比較困難。

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