中國日光溫室結構的改良與創新（三）
——溫室屋面結構的改良與創新

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）

從日光溫室前屋面和后屋面幾何尺寸的變遷中分析我國日光溫室屋面結構的改良與創新過程，在此基礎上就日光溫室前屋面和后屋面的一些革新技術，包括直立南墻結構日光溫室、可變屋面傾角日光溫室、活動保溫采光后屋面日光溫室等的特點進行了總結。

典型日光溫室的屋面分為前屋面（采光面）和后屋面兩個屋面。前者面南，表面覆蓋活動保溫被，白天打開保溫被溫室采光，夜間覆蓋保溫被溫室保溫；后者面北，周年固定保溫。為了增加日光溫室的采光量，許多學者對前屋面形狀和尺寸進行了深入的優化研究（亢樹華，1990；聶和民，1990；周長吉 等，1993；王朝棟 等，2010），也提出過不少前屋面幾何尺寸的設計方法，但對日光溫室后屋面的研究相對較少，設計和建設中對后屋面的幾何尺寸、材料、做法、保溫性能要求千差萬別。本文就日光溫室前屋面和后屋面的演變和發展進行系統梳理和總結，以期對未來日光溫室屋面的研究和設計有所啟迪。

1　日光溫室前屋面的改良與創新

1.1　日光溫室前屋面幾何形狀的變遷

1.1.1一坡一立式結構日光溫室前屋面幾何形狀的改良與創新是隨著建筑材料的革新和室內種植要求的變化而不斷發展和創新的。早期的日光溫室（20世紀80年代至90年代初）采用竹木結構，溫室屋面以平坡屋面為主（因為竹木結構彎曲加工的難度較大），典型的溫室形式為一坡一立式（圖1）。這種結構的屋面梁采用圓木或竹竿（圖1-a），用鋼筋混凝土立柱或圓木、鋼管等支撐屋面梁。為了固定塑料薄膜，早期的做法是在塑料薄膜的外部壓竹條，用細鐵絲將塑料薄膜上部的竹條緊壓在塑料薄膜下部的屋面梁上（圖1-b）。這種做法在扣壓竹條時必須要穿破塑料薄膜，不僅造成溫室屋面漏氣，降低溫室的保溫性能，而且在大風情況下容易將塑料薄膜撕裂。因此，后來改進使用繩索在兩根屋面梁之間采用外壓的方式固定塑料薄膜（圖1-c），徹底解決了上述問題。目前大都采用專用的壓膜線替代繩索，有的生產者甚至在溫室設計中直接采用卡槽卡簧固定塑料薄膜，固定更可靠。

一坡一立式日光溫室由于前部立面的存在，給保溫被的卷放造成了很大困難，尤其在卷簾機廣泛應用之后，在立墻上卷放保溫被不僅要求卷簾機的輸出功率大，而且保溫被展開后密封不嚴。為此，有的溫室設計者在立墻的部位增設一組斜立的支撐（圖2-a），從而將卷被的直立面改為了斜立面，使保溫被的卷放更輕便且展開后密封也更嚴密。但這種斜立桿需要另外附加桿件，增加了建設成本。為此，有人改進直接用壓膜繩繃緊傾斜固定在地基中，用壓膜繩充當斜支撐來支撐保溫被卷放（圖2-b），不僅解決了保溫被平穩卷放的問題，而且也省去了附加構件，價廉物美，具有更好的經濟效益。

1.1.2全弧面結構一坡一立式日光溫室屋面結構用材斷面大，構件遮光嚴重，而且隨著我國日光溫室面積的快速發展，大量的竹木建材供應也越來越困難，人們開始大量使用工業化生產的鋼材（主要是鋼筋和鋼管，后來發展到外卷邊C形鋼、橢圓管等）做屋面承重結構，不僅提高了溫室建設的工業化水平，而且由于鋼結構承載能力強、構件截面小，對室內的遮光陰影面積也大幅度減少。為了更好地發揮鋼結構的強度并適應固定塑料薄膜的需要，溫室屋面形狀也由早期的一坡一立式改變成一個整體的弧面結構。關于日光溫室采光面的弧面幾何形狀，國內學者做了大量研究，提出了包括圓弧面、橢圓面、拋物線面以及不同曲線組合的各種弧面形式（陳端生 等，1992；周長吉 等，1993；王朝棟 等，2010；張利華 等，2010），形成了當前日光溫室采光面的主流。

無論哪種采光弧面，為了保持溫室前屋面基部一定的操作高度（最早的要求是距離前屋面底腳0.5 m位置處溫室的屋面高度不應小于1.0 m），必然造成溫室屋脊位置處屋面的坡度不夠，一方面，保溫被卷放無法實現自由下落，展開保溫被必須帶動力運行，給卷簾機提出了更多的附加要求；另一方面，也造成了溫室屋面排水困難，經常產生屋脊部位兜水的現象（圖3-a）。水兜不僅加大了溫室結構的承重荷載，嚴重的可能會造成溫室倒塌，而且也容易造成塑料薄膜損傷、老化和撕裂。為了解決這一問題，生產中常在屋脊部位通風口處鋪設一層塑料網或鋼絲網，用以支撐塑料薄膜，并導流屋面積水，可有效避免水兜的形成（圖3-b）。另外，在屋面結構設計中，提出在屋脊部位屋面的坡度不應小于10°，可有效避免屋面積水和兜水。

圖1　早期一坡一立式日光溫室及其前屋面塑料薄膜的固定方法

圖2　一坡一立式日光溫室方便保溫被卷放的措施

1.2　直立南墻結構日光溫室

圖3　日光溫室屋脊部位形成的水兜及其防范措施

日光溫室前屋面從一坡一立式發展到全弧面結構是建筑材料采用鋼結構的結果，也滿足了壓膜和卷放保溫被的需要，但前屋面前部空間低矮的問題一直沒有解決。由于溫室南部距離前基1 m范圍內屋面高度較低（尤其是大跨度日光溫室，圖4-a），一是高秧作物無法種植，有的只種植2穗果的果菜類蔬菜，有的直接種植葉菜類蔬菜，還有的荒廢不種，直接影響溫室作物生產的產量；二是作業空間小，人工作業不便，機械作業基本無法觸及。為解決實際生產需要，對溫室前屋面的改進朝著保留弧形形狀、抬高整體屋面的方向發展，形成了直立南墻+弧形屋面的溫室前屋面幾何形狀（圖4-b、c）。

在直立南墻+弧形屋面結構中有兩種特殊的結構。一種是半地下式結構（圖5-a），這種結構雖然南墻為直立面，溫室南部空間也基本不影響吊蔓作物的種植，但南墻不透光，而且半地下深度越大，溫室內的濕氣越難排除，只在一些冬季室外氣溫較低的地區且采用機打土墻需要大量取土的溫室建造時才采用這種結構；另一種是南立墻為完全采光立墻（圖5-b），立墻的高度可達到2 m左右，種植高秧吊蔓作物完全不受種植空間的影響，溫室采光量大，不論人工作業還是機械作業都有充足的空間，溫室內設二道保溫幕結合室外保溫被，具有良好的保溫性能，是未來日光溫室結構發展的一種趨勢（周長吉，2017）。當然，對南墻直立面的理解也不僅僅限于垂直地面的直立墻面，有的溫室采用了弧形墻面，有的溫室采用了傾斜墻面，但傾斜面的傾角大都在80°以上。

由于南立墻的存在，而且墻體較高，使傳統的日光溫室高度整體加高，雖然增加了溫室空間，有利于室內作物種植和機械化作業，但溫室的建造成本加大，溫室棟與棟之間的間距也相應增加。雖然這種改進不是十全十美，但是從日光溫室機械化作業、自動化控制等未來發展方向來看，這種改進還是具有廣闊的發展市場。

圖4　直立南墻+弧形屋面日光溫室結構的形成過程

圖5　兩種特殊形式直立南墻日光溫室結構

1.3　可變屋面傾角日光溫室

傳統日光溫室的屋面在設計建造完成后就是固定不變的了。由于受溫室高度的限制（過高的溫室一是增加建筑成本；二是增加溫室之間的間距，降低土地利用率；三是室內熱空氣向上運動，降低了作物生產區的溫度；四是太高的溫室空間不利于溫室保溫；五是作物生產也確實不需要太高的空間），增加溫室跨度后，溫室前屋面的采光角將會減小，尤其在光照較弱、太陽高度角較小的12月至翌年1月，進入溫室的太陽輻射將會顯著減少，影響溫室的采光和室內的溫度。

可變屋面傾角溫室即是基于這樣的生產實際需求，將溫室的采光面設計為可轉動屋面（張勇 等，2014；張勇和鄒志榮，2017），就是把溫室的整個采光前屋面當作一扇窗扇，像連棟溫室的屋面開窗一樣，用傳動機構控制整體屋面的啟閉。在太陽高度角比較低的季節，白天將溫室前屋面的后部抬起，加大屋面傾角，減小太陽光入射角，從而增加溫室的采光量（圖6-a）；到了傍晚溫室需要覆蓋保溫被時，將溫室前屋面再回位到溫室屋面骨架的位置（圖6-b）。

這種可變屋面傾角溫室，一可以增加白天溫室的采光，提高室內溫度；二可以在相同跨度、同等采光量的條件下降低溫室高度，進而降低溫室的土建費用、縮短前后溫室之間的間距，節約建設用地。雖然傳動機構增加了溫室部分造價，但從溫室的光熱性能和溫室建設的土地利用率角度分析，這種創新具有非常積極的實用價值。

操控溫室屋面啟閉方法有兩種：一是采用傳統的溫室齒輪齒條控制（圖7-a）；二是用液壓氣缸控制（圖7-b）。相對連棟溫室的開窗機構，開啟日光溫室屋面的負荷較大，因此對開啟屋面的支撐構件的強度要求也較高；相對而言，液壓氣缸的輸出動力更強，運行也更平穩，但造價也相對較高。

圖6　可變屋面傾角日光溫室

圖7　可變屋面傾角日光溫室屋面啟閉方法

2　日光溫室后屋面的改良與創新

2.1　日光溫室后屋面幾何尺寸的變遷

日光溫室后屋面的特征參數主要包括后屋面長度（或者用后屋面的水平投影寬度表示）、后屋面仰角和后屋面熱阻。學術界對溫室后屋面的功能一直沒有定論，所以民間對后屋面的做法也多種多樣。總結溫室后屋面的功能，從結構幾何特征上后屋面可降低溫室后墻高度；從溫室保溫性能上后屋面可提高溫室的保溫比（溫室透光面面積與不透光面，包括地面、保溫墻體和后屋面面積之比）。在早期的日光溫室建設中由于更強調溫室上述的兩項功能，日光溫室大都采用長后屋面結構（后屋面的長短指溫室剖面上后屋面長度），一般后屋面長度在1.5 m以上，寒冷地區甚至在2.5 m以上。

長后屋面溫室雖然對溫室的保溫具有非常積極的作用，但由于后屋面加長后溫室在春秋季節，乃至夏季運行時由于太陽高度角升高，溫室靠近后墻部位的陰影將增大，從而影響溫室種植作物的采光。此外，由于后屋面是保溫屋面，結構自身負荷重，支撐屋面結構的荷載也相應大。為此，溫室骨架的截面面積就需要增大或者必須在溫室內設立立柱支撐后屋面，這將增加溫室的建設投資。綜上，目前日光溫室后屋面的長度有向短后屋面方向發展的趨勢。典型的代表是山東壽光五代機打土墻日光溫室（周長吉，2013），后屋面的長度大都控制在0.5～0.8 m范圍內，其他的溫室后屋面長度也都控制在1.2～1.5 m范圍內，極端的做法是完全取消溫室后屋面，形成無后屋面日光溫室（圖8）。

對日光溫室后屋面仰角的研究主要集中在后屋面冬季不在溫室后墻形成陰影以及夏季運行不影響室內種植作物采光兩個方面（魏曉明 等，2010；曹晏飛 等，2017）。根據溫室建設地區的地理緯度可以準確地用數學的方法計算出來，但在生產實踐中溫室后屋面仰角大多控制在40～45°。

日光溫室后屋面的保溫設計目前還沒有精確的理論計算方法，生產中大都采用輕質保溫材料（包括松散保溫材料、保溫板材等），一般后屋面的保溫熱阻應接近或高于溫室后墻的保溫熱阻（羅建華 等，2012），但也有溫室采用完全不保溫的溫室后屋面（圖9），通過溫室內二道保溫幕來保證夜間的室內溫度。冬季夜間也可以用保溫被覆蓋后屋面，降低溫室夜間屋面的散熱。

2.2　活動保溫采光后屋面日光溫室

對于日光溫室后屋面的保溫，傳統的設計理念是熱阻盡量接近溫室后墻熱阻，這一設計理念已經貫徹了30多年。但近年來的設計理念改變為后屋面的熱阻趨同于前屋面熱阻（周長吉，2015）。在這一設計理念的指導下，日光溫室的后屋面不再是永久固定的厚重保溫屋面了，而是采用與前屋面相同的保溫被材料覆蓋，并將日光溫室的后屋面覆蓋塑料薄膜后形成可透光、可通風、可保溫的多功能屋面（圖10）。

圖9　不保溫后屋面日光溫室

圖10　活動保溫采光后屋面日光溫室

和前屋面一樣，后屋面也用透光塑料薄膜覆蓋，并在塑料薄膜上安裝手動或電動卷膜器，需要通風時將塑料薄膜卷起，與前屋面的通風口形成“穿堂風”的對流通風窗，較屋脊通風窗通風效率更高；不需要通風時，白天當室外溫度適宜時可卷起保溫被，后屋面采光可補充室內作物的光照，使溫室內光照更均勻，尤其可提高傳統日光溫室靠后墻部位區域的光照強度；夜間需要保溫時，用保溫被覆蓋后屋面，與傳統的日光溫室后屋面一樣，完成后屋面的保溫功能。

這種創新設計不僅從理論上拓展了傳統日光溫室后屋面的功能，而且從結構設計上大大減輕了溫室后屋面的荷載，可以將日光溫室結構向著輕盈化、組裝式方向發展，更符合現代溫室的發展方向和潮流。這種創新尤其增加了溫室內的光照強度和光照均勻性，增強了溫室的通風能力，溫室內的溫光環境得到大大改善，使溫室的運行管理更靈活，也更有針對性。實踐證明，這種溫室配套室內二道保溫幕，其冬季的保溫效果甚至超過傳統后屋面日光溫室，在未來的日光溫室發展中將具有非常廣闊的推廣前景。

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