苏北日光温室构型及其结构参数

王军伟 王 健 孙 锦 郭世荣

（南京农业大学园艺学院，农业部南方蔬菜遗传改良重点开放实验室，江苏南京 210095）

20世纪 80年代以来，日光温室在我国北方地区迅速发展，有效地解决了我国北方地区冬季蔬菜供应问题，大幅度增加了农民的收入，带动了农业结构的快速调整。截至2010年，我国日光温室面积达78.34万hm2，占设施园艺总面积的22.75%左右（吴凤芝，2012）。日光温室是我国特有的园艺设施，其建造和运行成本低，合乎我国国情，适合中国经济发展的需要，而且伴随着能源的短缺，日光温室将成为今后我国大面积设施园艺产业发展的必然选择（刘建和周长吉，2007）。

近几年苏北地区日光温室发展迅速，已成为促进农业增效、农民增收新的增长点（巫健华 等，2009）。但是在发展日光温室的过程中因未充分考虑日光温室与当地气象条件和土壤特征的适应性，导致温室内作物长期处于低温、高湿、寡照等亚适宜环境下。此外，简易型日光温室还存在结构安全性差，作业空间小，前室立柱多，不便于机械操作，土地利用率低等问题。因此，如何对现有日光温室进行构型优化，找到适合当地气候条件和土壤特征的日光温室构型是苏北发展日光温室亟待解决的关键问题。笔者就苏北现有日光温室基本构型进行调查和系统分类，目的在于了解当地现有日光温室构型，分析其结构特征和建材特性，在此基础上对其结构和建材进行优化，提出适合苏北气候条件和土壤特征、结构安全、造价适中、采光性能和保温性能好、土地利用率高的日光温室构型。

1 调研区域概况

苏北地区在行政区划上包括徐州市、连云港市、宿迁市、淮安市和盐城市，下辖5市19县15区，总面积5.42万km2，总人口3 212万。该地区纬度跨度为N32.72°～N34.97°，属暖温带半湿润季风气候，四季分明；常年气温约14 ℃，1月为最冷月，7月为最热月；年日照时数为2 100～2 500 h，太阳年辐射总量为459.8～501.6 kJ·cm-2；年均降水量900～1 300 mm，年均无霜期200～220 d。气候资源较为优越，有利于作物生长。

2 调研内容与方法

笔者调查了苏北地区现有日光温室的基本构型，调查项目包括日光温室的“五度”、“四比”和“三材”等结构和材料参数，对同一类型日光温室随机选取 3栋进行测量，平均值作为该类型日光温室的结构和材料参数。

3 调研结果

3.1 苏北日光温室基本构型

先后调查了15个乡镇共98栋日光温室，按前屋面形状、后墙材料、前室立柱以及前屋面拱架材料的不同对日光温室进行分类，共分为三大类19种不同的日光温室构型，见表1。在这些基本构型中，部分日光温室具有特殊结构，如在传统日光温室的北侧，增加了一个同长度但采光面朝北的单屋面温室，两者共用一堵后墙，称为“阴阳型”日光温室；日光温室室内地面下挖，称为下沉式日光温室。

表1 苏北日光温室基本构型

3.1.1 拱圆型红砖墙及空心砌块砖墙日光温室

① 前室无柱日光温室

a. SR-1型日光温室

该类型日光温室拱架结构包括镀锌钢管组合拱架结构（图 1-A）和焊接轻钢桁架结构（图1-B）。镀锌钢管组合拱架由上弦和下弦采用专用连接件相互联结，温室纵向设有通长联系杆件，拱架和联系杆件共同组成屋面承重体系，所有零件均经过镀锌防锈处理，结构由工厂生产，现场安装。焊接轻钢桁架结构拱架上弦为镀锌钢管，下弦为钢筋或镀锌钢管，腹杆为细钢筋，纵向联系杆件为焊接钢管。所有构件均刷防锈漆。

图1 SR-1型日光温室

b. SR-2型日光温室

该类型日光温室前屋面拱架采用单一的镀锌钢管，骨架和连接件均采用镀锌处理，结构由工厂生产，现场安装。为了整体结构的牢固性，在温室前屋面拱架和后坡之间加设镀锌钢管斜撑（图2）。

c. SR-3型日光温室

该类型日光温室前屋面拱架包括桁架拱架和单管拱架，桁架拱架为主要屋面承重构件，两桁架拱架间均布1～3道单管拱架，沿温室纵向设有通长联系杆件。桁架拱架、单管拱架和联系杆件共同组成屋面承重体系，各构件均采用专用卡件相互联结，所有零件均经过镀锌防锈处理，结构由工厂生产，现场安装（图3）。

图2 SR-2型日光温室

图3 SR-3型日光温室

② 前室有柱日光温室

a. SR-4型日光温室

该类型日光温室是在传统日光温室的北侧，增加了一个同长度但采光面朝北的单屋面温室，两者共用一堵后墙（图 4）。习惯上将采光面向阳的温室称为阳棚，采光面背阳的温室称为阴棚。该类型的温室，其阴棚正好利用了传统日光温室留出的栋与栋之间的大部分空地，使建设日光温室的土地利用率得到大幅度提高。本次调研的“阴阳型”日光温室采用空心砌块墙、钢竹混合拱架，镀锌钢管与竹竿间布。为了整体结构的牢固性，分别在阳棚和阴棚前室布置了2～3排水泥立柱。为排水方便，阳棚采用高后墙无后坡结构，阴棚脊高较阳棚低约50 cm，并在顶端设楼板层作为人工上屋操作平台。

图4 SR-4型日光温室

b. SR-5型日光温室

该类型日光温室墙体材料采用空心砌块，前屋面拱架材料为镀锌钢管和竹竿。镀锌钢管是单管结构时，与竹竿间布；是桁架结构时，在相邻两桁架之间布置1～3道竹竿。在温室前室一般布置了2～3排水泥立柱。本次调研的该类型日光温室前屋面拱架直接搭接在后墙顶端，脊高与后墙同高，无后坡（图5）。

c. SR-6型日光温室

该类型日光温室前屋面拱架材料为钢筋混凝土。水泥拱架工厂生产，现场安装，为了便于制造和运输，其拱架均由可拆装的非对称的一对拱杆组成，现场安装时采用螺栓连接或套管连接，并在连接处下方和屋脊下方分别布置1排水泥立柱（图6）。

图5 SR-5型日光温室

图6 SR-6型日光温室

d. SR-7型日光温室

该类型日光温室前屋面拱架材料为泡沫混凝土。该拱架外层为钢筋混凝土，其内部填充聚苯乙烯泡沫。温室前室设置2排水泥立柱，后坡覆盖草苫保温，如图7。

e. SR-8型日光温室

该类型日光温室墙体材料采用空心砌块，前屋面拱架材料为单层竹竿。该类型日光温室一般在温室前室布置3～4排水泥立柱作为拱架支撑，后坡保温材料多为草苫，部分温室后坡有水泥板支撑结构，如图8。

图7 SR-7型日光温室

图8 SR-8型日光温室

3.1.2 拱圆型堆土墙及机打土墙日光温室

① 前室无柱日光温室

a. SR-9型日光温室

该类型日光温室后墙墙体为梯形机打夯实土墙，内表面垂直削平，外表面为坡状。前屋面拱架材料为镀锌钢管，采用桁架-单管混合拱架，相邻两桁架之间均布2道单管，前室无立柱，后坡采用草苫保温，如图9。

b. SR-10型日光温室

该类型日光温室后墙墙体为梯形机打夯实土墙，后墙外部用水泥砂浆抹灰或用塑料薄膜覆盖以减小雨水冲刷；前屋面拱架材料为镀锌钢管和竹竿，采用桁架-竹竿混合结构，相邻两桁架之间均布 3道竹竿；后屋面采用聚苯板保温，外表面做防水处理；前室无立柱，后墙处布置 1排镀锌钢管斜撑立柱，如图10。该类型日光温室中部分温室室内地面下沉。

图9 SR-9型日光温室

图10 SR-10型日光温室

② 前室有柱日光温室a. SR-11型日光温室

该类型日光温室墙体为梯形机打夯实土墙，前屋面拱架材料为镀锌钢管和竹竿，后坡采用草苫或秸秆围护，前室布置3～4排水泥立柱，后墙处布置1排后坡支撑立柱（图11）。

b. SR-12型日光温室

该类型日光温室墙体为梯形机打夯实土墙，前屋面拱架材料为单层竹竿，后坡采用草苫或秸秆围护，前室布置3～4排钢筋混凝土立柱，后墙处布置1排后坡支撑立柱。该类型日光温室中部分温室为下沉式日光温室（图12）。

3.1.3 一立一坡式日光温室

① SR-13型日光温室

该类型日光温室后墙墙体材料为空心砌块，前屋面拱架材料为竹竿，后坡保温材料为草苫，前室布置3～4排水泥立柱，如图13。

② SR-14型日光温室

该类型日光温室后墙材料为玉米或高粱秸秆，秸秆部分埋入地下，部分立于地上，内外均覆盖塑料薄膜；温室前屋面拱架材料为竹竿，前墙、屋脊下方、温室中部以及后墙处各布置 1排水泥立柱；后坡用水泥椽子作支撑，并用铅丝东西方向加固，铅丝上面覆盖秸秆，秸秆外面再覆盖塑料薄膜，如图14。

图11 SR-11型日光温室

图12 SR-12型日光温室

图13 SR-13型日光温室

图14 SR-14型日光温室

③ SR-15型日光温室

该类型日光温室无固定后墙，在冬季使用时北面用草苫或秸秆围护，再覆盖薄膜减少冷风渗透，夏季使用时拆除草苫或秸秆增加通风面积。温室前屋面拱架材料为竹竿，前墙、后墙以及中部各布置1排水泥立柱，如图15。

图15 SR-15型日光温室

3.1.4 二折式日光温室

① SR-16型日光温室

该类型日光温室后墙墙体材料为空心砌块，前屋面拱架为镀锌钢管桁架结构，前室无柱，后屋面为弧形屋面，只覆盖塑料薄膜，无保温材料，如图16。

② SR-17型日光温室

该类型日光温室后墙墙体材料为空心砌块，前屋面拱架为钢竹混合结构，钢管与竹竿间布，前室有3～4排水泥立柱，后坡采用水泥板支撑，外覆盖草苫作保温材料，如图17。

图16 SR-16型日光温室

图17 SR-17型日光温室

③ SR-18型日光温室

该类型日光温室后墙墙体为机打夯实土墙，前屋面拱架为镀锌钢管桁架-单管结构，相邻两桁架间布2道单管，前室无柱，后墙处布置1排镀锌钢管斜撑立柱，后坡采用水泥椽子支撑，外覆盖草苫作保温材料。该类型日光温室部分温室室内地面下沉，如图18。

④ SR-19型日光温室

该类型日光温室后墙墙体为机打夯实土墙，前屋面拱架材料为竹竿和竹片，前室有3～4排钢筋混凝土立柱，后墙处布置1排镀锌钢管斜撑立柱，前柱柱顶和后墙柱柱顶之间用竹竿连接，前柱柱顶和温室前脚用竹片连接，形成两个倾角不同的采光面。后坡采用水泥椽子支撑，外覆盖草苫作保温材料，如图19。

图18 SR-18型日光温室

图19 SR-19型日光温室

3.2 苏北日光温室基本参数

3.2.1 苏北不同构型日光温室“五度”参数 由表2可以看出，苏北不同构型日光温室的净跨度、脊高和后墙高度和厚度最大者均是SR-9型日光温室，净跨度最小者是SR-4型日光温室，脊高最小者是 SR-15型日光温室，后墙最矮者是SR-14型和SR-17型日光温室；SR-1型、SR-3型日光温室前屋面角较大，而 SR-5型、SR-15型日光温室前屋面角较小；SR-2型、SR-3型和SR-10型日光温室后屋面角较大，SR-14型日光温室后屋面角最小。SR-4型、SR-5型和SR-15型日光温室无后坡。各类型日光温室后墙厚度的变化范围较大，空心砌块墙后墙厚度多为40～80 cm，机打土墙后墙厚度达450～600 cm，SR-14型秸秆后墙日光温室的后墙厚度为60 cm，SR-15型日光温室无后墙。

表2 苏北不同构型日光温室“五度”参数

3.2.2 苏北不同构型日光温室“三材”参数 由表3可以看出，苏北日光温室后墙墙体材料多为空心砌块墙和机打土墙，部分为秸秆或无后墙；前屋面拱架材料多为镀锌钢管或竹竿，部分为钢筋混凝土和泡沫混凝土；除SR-11型日光温室覆盖棚膜材料为聚乙烯塑料薄膜外，其他类型日光温室均采用聚氯乙烯薄膜覆盖；除SR-1型日光温室夜间保温材料为保温被外，其他类型日光温室均覆盖草苫保温。

3.2.3 苏北不同构型日光温室“四比”参数 由表4可以看出，苏北不同构型日光温室的前后坡比最大者是SR-11型日光温室，最小者是SR-14型日光温室型，而SR-4、SR-5、SR-15型日光温室无后坡；高跨比最大者是SR-9型日光温室，最小者是SR-5型日光温室。日光温室的保温比是指日光温室内的贮热面积与放热面积的比例，而温室内的贮热面为温室内的地面，散热面为前屋面，故保温比等于温室内土地面积与前屋面面积之比（李式军和郭世荣，2011），除SR-14型日光温室保温比大于1之外，其他类型日光温室保温比均小于 1，其中最小者是SR-10型日光温室。遮阳比指冬至日正午时，日光温室总高与其水平投影的比例，表示建造多栋温室或在高大建筑物北侧建造温室时，前面建筑物或温室对后面温室的遮光影响（李式军和郭世荣，2011）。

表3 苏北不同构型日光温室“三材”参数

4 结论与讨论

在日光温室的设计建造和结构优化过程中，首先应该满足安全性准则，即温室结构能够承受正常施工、正常使用时可能出现的各种荷载，不发生在荷载作用下超过材料强度极限或结构丧失稳定性的情况。调研结果显示，苏北日光温室前屋面拱架材料有镀锌钢管、竹竿、钢筋混凝土和泡沫混凝土。全钢式日光温室结构安全性高，但造价较高；竹竿日光温室和泡沫混凝土日光温室造价较低，但结构安全性能差，且前室多立柱，不便于机械操作；钢管桁架-单管混合结构日光温室和钢管桁架-竹竿日光温室结构安全性较强，同时造价较钢管桁架日光温室低，且前室不必加设立柱，室内空间大，便于机械化操作。

表4 苏北不同构型日光温室“四比”参数

苏北地区地理纬度为N32.72°～N34.97°，根据魏晓明等（2010）前屋面角的计算公式推导得出苏北日光温室的适宜前屋面角为23.51°～25.70°；李式军和郭世荣（2011）研究指出日光温室后屋面角要达到 35°～40°，以确保后屋面对后墙采光不造成遮挡。根据苏北日光温室前屋面角和后屋面角适宜的变化范围，可以推导出脊高和后墙高度分别是3.0～4.0 m和2.5～3.0 m的日光温室净跨度范围是7.3～10.3 m。本次调查结果显示SR-1型、SR-3型日光温室前屋面角相对较大（27.9°、28.4°），前屋面采光较好，该类型温室可以适当增大净跨度至9.5～10.4 m和9.1～10.0 m，仍然可保证较充足的进光量；SR-5型、SR-10型、SR-19型日光温室前屋面角相对较小（14.0°、19.6°、17.9°），温室采光受限，可以适当减小日光温室的净跨度，而 SR-12型、SR-13型、SR-15型、SR-17型日光温室可以通过增加温室的脊高以增大前屋面角，从而保证温室较好的采光条件。

日光温室的后墙具保温、贮热的双重功能，后墙的厚度和材质直接影响日光温室的保温性能。本次调查结果显示苏北日光温室后墙墙体材料主要是空心砌块和机打夯土，空心砌块墙墙体厚度变化范围是40～80 cm，而机打土墙墙体厚度达4.5～6.0 m。厚土墙造成日光温室土地利用率较低，在实际建造中应尽量打薄墙体，较优的方案是在空心砌块墙中间填充导热系数较小的聚苯板、珍珠岩、稻壳等。苏北地区部分用户引进了下沉式日光温室以提高温室的保温性能，下挖深度50～100 cm，但从实际使用效果来看，该类型日光温室与苏北地区土壤特征不相适应。苏北地区地下水位较高，下沉式日光温室室内空气湿度较大，易诱发病害，不利于作物的生长发育，且7～9月雨季排水困难，易造成倒塌。

保温比是指日光温室内的贮热面积与放热面积的比例，等于日光温室土地面积和前屋面面积之比。保温比反映了日光温室的保温性能，保温比越大反映出日光温室的保温性能越好，反之，则越差。本次调查结果显示，除SR-14型日光温室保温比大于1之外，其他各类型日光温室保温比均小于1，这可能是日光温室的前后坡比过大造成的。此外，日光温室高跨比的大小也会影响保温比，高跨比越大，日光温室的前屋面面积越大，造成保温比变小；反之，保温比则增大，但高跨比的降低会导致前屋面角变小，影响温室的采光。因此，在日光温室的设计建造过程中，要统筹前后坡比、高跨比、保温比三者的关系，使其均处于较优的变化范围。

因此，充分考虑日光温室的结构安全性能、采光性能和保温性能，结合苏北地区的气候条件和土壤特征，笔者提出了两种适合苏北地区的日光温室构型SRY-1型和SRY-2型，如图20。优化Ⅰ型（SRY-1）日光温室后墙墙体为填充聚苯板的空心砌块异质墙体，前屋面拱架采用镀锌钢管桁架-单管混合结构，相邻两桁架间均布2道单管，间距1 m，前室无立柱；后坡采用石棉水泥板作支撑结构，聚苯板为内填充保温材料；覆盖材料为聚氯乙烯无滴薄膜，保温材料为1.5 cm厚的保温被，具体结构及材料参数见表5、6、7。优化Ⅱ型（SRY-2）日光温室后墙墙体为土坯和空心砌块混合墙体，前屋面拱架采用镀锌钢管桁架-竹竿混合结构，相邻两桁架间均布2道竹竿，间距0.8 m，前室无立柱；后坡采用纵向铅丝支撑，上面覆盖草苫，草苫内外均用薄膜包裹；覆盖材料为聚氯乙烯无滴薄膜，保温材料为单层草苫，具体结构及材料参数见表5、6、7。该两类日光温室结构安全性能强，采光效果好，保温性能强，室内操作空间大，可以实现机械化操作，后墙较薄，土地利用率高。但前者较后者造价偏高，适合农业观光、示范园区内部建造，后者造价适中，适合农户建造使用。

图20 苏北地区优化型日光温室

表5 苏北优化型日光温室“五度”参数

表6 苏北优化型日光温室“三材”参数

表7 苏北优化型日光温室“四比”参数

吴凤芝．2012．园艺设施工程学．北京：科学出版社：9-10．

刘建，周长吉．2007．日光温室结构优化的研究进展与发展方向．内蒙古农业大学学报，28（3）：264-268．

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魏晓明，周长吉，曹楠，丁小明．2010．基于光照的日光温室总体尺寸确定方法研究．北方园艺，（15）：1-5．

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