高寒区现代日光温室结构设计与建造

张京社，柴文臣

（山西省农业科学院蔬菜研究所，山西太原030032）

高寒区现代日光温室设计是将新型的建筑材料（加气混凝土砌块及“几”字型钢骨架）和拉链式内保温覆盖装置应用到日光温室建造上，并对日光温室建造技术（下挖50 cm、异质复合墙体）进行了集成创新，提高了日光温室采光性、蓄热性、保温性、安全性和稳定性，在寒冷季节的凌晨，棚温平均能达到10 ℃，高出普通日光节能温室5 ℃以上，室内外温差达到35 ℃以上，实现了太原以北高寒地区在不进行人工加温条件下生产喜温性蔬菜。

1 高寒区现代日光温室设计的基本要求

1.1 采光性

建造温室必须选好朝向和前屋面阳光入射角，朝向为正南偏西5°～10°，阳光入射角应在36°～45°。采光的角度要达到喜温蔬菜生长所需要的光照。

在冬至晴天中午，温室中部1 m 高处的水平光照强度应达到4.5 万lx 以上。冬季晴天中午前后2 h 内，温室的直射光地面平均透光率不应该小于65%。冬季晴天一天内室内直射辐照度总量均匀度应大于80%；温室骨架阴影面积率不大于8%。

1.2 保温性

温室围护结构设计既要有足够的热阻，还要有一定的热惰性，也就是要有足够的储热能力。在最寒冷的季节，凌晨5：00—6：00 室温不能低于8 ℃。冬季晴朗天气，外界气温达-26 ℃以上，室内最低气温应保持在8 ℃以上，地表10 cm 深处地温保持在20 ℃以上。墙体中的保温层厚度应均匀，不得发霉、变质或释放污染物质。

墙体的内表面用加气混凝土砌块做成蜂窝状墙体。前透光屋面上设有活动式保温覆盖装置（草帘或保温被），覆盖材料草帘厚度要达到5 cm（保温被厚度要达到4 cm）。在前透光屋面下面20 cm 处设置拉链式塑料薄膜保温装置。

1.3 安全性

温室结构及其所有构件均应符合JB/T 10286—2001 日光温室结构标准。温室构件应符合GB/T 18622—2002 温室结构设计荷载标准，能够承载最大0.45 kN/m2的风速和0.35 kN/m2的积雪厚度。

温室内的电路电器、设施设备要采用具有防水性能符合国家标准的产品，以防止漏电、触电（如遇特殊灾害性天气应及时防护）。

1.4 经济性

在满足上述基本要求的前提下，应就地取材，最大限度地降低造价。

2 结构设计

2.1 结构类型

前屋面为无支柱、下挖0.5 m 深的半圆拱型温室（图1）。

2.2 温室选址

温室应建造在地形开阔，排水良好，东、南、西3 面30 m 内无高大树木及建筑物等遮阴地区。要避开风口，以免遭受大风的破坏，同时也提高了温室的保温效果。地下水位在3 m 以下，土层厚度80 cm 以上，土壤肥沃，且灌溉方便、水质良好、矿化度低，并符合无公害农产品产地环境质量要求，周围无“三废”污染。交通便利，供电、供水方便。

2.3 前后排温室间距

温室前后排之间的距离，应以冬至前排背后的阴影刚好应在后排前沿脚下为最理想。其最合理的2 栋温室南北之间距离应不小于公式（1）计算的数值。

式中，L 为温室间距（m）；H 为温室脊高（m）；α 为冬至当地10：00 太阳高度角；β 为冬至当地10：00 太阳方位角；L1为温室后坡投影长度（m）；L2为温室后墙宽度（m）。则L＝（3.8＋0.5）/tg 20×cos29－（1.8＋0.8）＝7.79 m（前后棚间距为8 m）。

2.4 建筑方位

温室应采用坐北朝南、东西延长的方位，这样有利于冬季接受较多的太阳辐射热。在此基础上，向南适当偏西，可增加下午的光照强度，有利于提高夜间的室内温度。温室建筑方位应采用当地正南偏西5°。

2.5 结构尺寸

一般每栋温室长度60～100 m 为宜。温室净跨度8 m，脊高为3.8 m（不含下挖的0.5 m）。前屋面为半圆拱形“几”字型钢架，骨架间距为1 m，前屋面骨架长度为9.714 m。后坡仰角为43°，后墙内侧高2.6 m。墙体结构为复合异质墙体，从内到外的顺序为：240 mm 厚加气混凝土砌块、120 mm 厚砖墙、100 mm 厚聚苯乙烯泡沫塑料板、240 mm 厚砖墙。

2.6 作业间

每栋温室靠东墙一端，宜建一座作业间，面积为4～6 m2。

3 建筑材料

3.1 温室材料要求

温室建造选用材料应符合国家相关标准。

3.2 温室骨架材料

骨架材料为几字钢。骨架包括：前坡柱脚、前坡拱杆、后坡拱架、横拉杆、后坡檩条、屋脊横梁、屋脊压板、屋脊内包件、屋脊包件、连接件等。（1）前坡柱脚：方钢管50 mm×25 mm×2.5 mm。（2）前坡拱杆：几字钢50 mm×30 mm×10 mm×1.5 mm。（3）后坡拱架：包括后坡拱杆，后坡羊角，肋板，连接板。后坡拱杆：方钢管60 mm×40 mm×2.5 mm。后坡羊角：方钢管50 mm×25 mm×2.5 mm。肋板：3 mm 钢板制作。连接板：5 mm 长方形钢板制作。（4）横拉杆：方钢管50 mm×25 mm×2.5 mm。（5）后坡檩条：方钢管50 mm×30 mm×2 mm。（6）屋脊横梁：方钢管60 mm×40 mm×2.5 mm。（7）屋脊压板：钢板30 mm×6 m×3 mm。（8）屋脊内包件：2 mm 镀锌板制作。（9）屋脊包件：1 mm镀锌板，具体尺寸在安装完彩钢板后定制。（10）连接件：纵拉杆固定件，屋脊横梁固定件，后坡檩条固定件。纵拉杆固定件：2 mm 镀锌板；屋脊横梁固定件：2 mm 镀锌板；后坡檩条固定件：2 mm镀锌板制作；卡槽采用30 型0.7 mm 厚镀锌板，卡簧采用65 mm、内心直径2 mm 的包塑卡簧。六角头螺栓紧固件应符合GB/T 5782—2000 中的规定。六角头螺母紧固件应符合GB 56—88中的规定。六角头自攻钉紧固件应符合GB/T 5285—85 中的规定。纵拉杆为热镀锌6 分管，厚度为2 mm。

3.3 维护结构材料

墙体为异质复合结构，主要材料为加气混凝土砌块、烧结普通砖、水泥、砂、苯板等。加气混凝土砌块尺寸为：240 mm×240 mm×200 mm，保温层采用100 mm 厚、容重为10～16 kg/m3的聚苯乙烯泡沫塑料板。

温室后坡覆盖材料为960 型复合彩钢板，上板0.4 mm 厚（绯红色），下板0.3 mm 厚（白灰色），聚苯板厚度100 mm。其上再设防水层。

3.4 采光覆盖材料

宜采用耐低温、抗老化、无滴、透光好的多功能农用聚氯乙烯、醋酸乙烯薄膜等作采光覆盖材料，但应符合相关国家标准。使用的覆盖材料宜选用符合GB/T 2472 规定的要求。

3.5 夜间保温覆盖材料

温室外保温应使用棉被，一般棉被长宜超出温室屋面长度0.8 m，宽2～3 m，单被每平方米用棉不少于2 kg 为宜。

4 建筑施工方法

4.1 施工程序

第1 步平整场地，插木橛，放线，挖基槽。第2 步土建，应先砌主体墙，后砌前沿暗墙。第3 步骨架施工。先安装温室骨架，然后安装后坡复合彩钢板，再温室后坡覆盖。第4 步扣棚膜，先温室前坡覆盖，后内置覆盖。如安装卷被机，宜在钢架与预埋件交叉连接整体焊接完工后，再焊卷被机的立柱。

4.2 温室土建施工方法

4.2.1 平整场地 按绘好的施工图，测定方位后，就可以平整场地，插木橛，放线，开始挖基槽。地基用夯打实，现浇100 mm 厚C15 素混凝土墙基垫层。

4.2.2 砌墙基 温室基础用MU10 红砖，M7.5水泥砂浆砌筑。基础外侧加100 mm 厚聚苯板保温层，阻断室内土层-砖基础-室外土层的传热桥，能够有效保持室内地温，防止热量由基础散失。

4.2.3 砌墙体 温室墙体主要是东、西、北墙，用加气混凝土砌块、MU10 红砖及M7.5 水泥砂浆砌筑成750 mm 厚的夹心墙。外墙240 mm 砖为维护保温墙，外墙面用20 mm 厚1∶3 水泥砂浆抹面，增强外墙的保温性能；内墙为240 mm厚加气混凝土砌块+120 mm 砖为蓄热受力墙；夹心层为蓄热保温层，宽12 cm，填充100 mm厚聚苯板，蓄热保温，且阻断内外墙的热传递，大大提高墙体的蓄热保温能力。温室北墙不设通风口。温室北墙墙顶内侧浇筑240 mm 厚钢筋混凝土梁，加强墙体的牢固性和支撑力。东西墙应待骨架安装好后沿拱架砌筑，其墙顶用红砖搭接封顶，再浇筑50 mm 厚素混凝土层并向外找坡5%。

4.3 骨架施工方法

4.3.1 安装温室骨架 温室骨架分为前后坡柱脚、拱架、前坡纵拉杆和后坡檩条等主要部件。在浇筑前后坡240 mm 厚钢筋混凝土梁时，按施工图要求预埋铁件及挂钩，预埋铁件中心位置偏差应控制在5 mm 以内，标高偏差应控制在3 mm以内。待钢筋混凝土梁养护好后，放线确定前后坡拱架柱脚焊接位置。前后坡拱架柱脚左右偏差不得超过4 mm，前后偏差不得超过3 mm。焊接应符合下列要求：不得有虚焊、脱焊、漏焊、烧伤和裂纹现象，焊缝应均匀、牢固、满焊；焊渣全部清除干净，不得残留；焊口表面要平整光洁。温室拱架包括前坡拱架、后坡拱架、拱架连接件、斜拉杆。拱架应在宽敞平地上预先组装好，再往温室砖墙上安装。在组装拱架时，螺丝不要拧紧，应留少许空间，以备安装拱架时可以进行调整。前后坡拱架由镀锌板冷压成型的50 mm 几字钢制成。组装好拱架后，将拱架往温室砖墙上安装，对应固定到前后坡柱脚上，并同时调整屋脊线与基准地面平行度≤20 mm。在调整好后，将前后坡拱架连接及斜拉杆的螺丝拧紧，但仍保证前坡柱脚处与后坡柱脚处有一定的调节量。然后安装后坡檩条。在安装后坡檩条的同时再次调整拱架屋脊线与基准地面平行度≤20 mm。调整好后，拧紧檩条的螺丝。之后再次调整骨架，控制拱架间距偏差为±10 mm。调整好后，将前后坡柱脚处的螺丝拧紧。按照施工方案安装纵拉杆，安装过程中保证各连接处螺丝拧紧。

4.3.2 后坡覆盖 温室后坡覆盖材料为960 型复合彩钢板，上板0.4 mm 厚（绯红色），下板0.3 mm 厚（白灰色），中间为100 mm 厚聚苯板。先将屋脊内扣板用钻尾钉固定到拱架上，再安装彩钢板，用六角头钻尾钉固定到骨架上，固定牢固。彩钢板搭接处打自攻钉密封。待安装完前坡薄膜、压膜线及保温被后，用屋脊外包件将彩钢板上端头进行密封。

4.3.3 前坡覆盖 温室前坡分薄膜、保温被内外2 层覆盖。薄膜一般采用0.15 mm 厚长寿无滴膜。保温被为自防水保温被，由保温性、防水性极好的闭孔发泡材料作里料、化纤布作面料缝制而成。沿屋脊内口板前沿、东西端头拱架前坡最下沿，用钻尾钉固定一圈热镀锌卡槽。确定前坡通风口位置及宽度，固定上下2 道卡槽。安装防虫网及前坡下沿小块固定膜。前坡下沿小块固定膜可以增强前坡活动卷膜的密封性。安装温室前坡整体大块薄膜时，选无风的晴天进行扣膜，应有4 人以上一起抬膜、铺膜，以防薄膜在拖拽过程中被刮破。薄膜的宽度宜超过屋面1.2 m，长度宜超过东西墙各1 m，四周应固定，每空压一线。前坡卷膜轴为热镀锌6 分管，用固膜卡箍把薄膜最下端圈固到卷膜轴上。固膜卡箍布置间距以0.5 m为宜。卷膜器及伸缩杆装在东墙外侧，离开东外墙0.4 m 为宜。弹簧双挂钩卡在屋脊卡槽及最下沿卡槽内，间距2.0 m，上下错开布置。斜拉压膜线，固定在弹簧双挂钩上，这样可以避免薄膜向里产生明显勒痕出现大水滴结露线。用扁钢压板及螺丝把保温被上沿固定到屋脊内扣板上，用压板及钻尾钉把保温被下沿固定到卷被轴上。一般温室长小于60 m 时，卷被电机安装在温室东侧，大于60 m 时，卷被电机安装在温室前坡中部，离开前沿1.5～2.0 m 处。安装好前坡薄膜、压膜线及保温被后，用屋脊外包件将彩钢板上端头进行密封。

4.3.4 2 次浇筑 待温室覆盖安装完成后，用C20 素混凝土对预埋件以上部分进行2 次浇筑，并向外找坡。北墙外沿的浇筑厚度为100 mm，并从彩钢板向墙外沿找坡10%。然后用10 mm 厚1∶2 水泥砂浆掺3%的防水粉抹面。最后，在2次浇筑的混凝土外层，从彩钢板至墙外沿铺设一层沥青防水卷材层。

4.3.5 内置覆盖 温室内置覆盖由钢丝绳支撑架和手动卷膜系统组成。钢丝绳支撑架是用5 mm直径的钢丝绳一端固定在北墙内侧的挂钩上，绕过中道纵拉杆，另一端固定在前坡圈梁内侧挂钩上，沿温室东西方向间距1.5 m 布置而成。手动卷膜包括0.15 mm 长寿无滴膜、卡槽卡簧、热镀锌6 分管卷膜轴和手链式卷膜器。钢丝绳支撑架托住的手动卷膜分前侧卷膜和上部卷膜2 系统。前侧卷膜和上部卷膜展开后形成一道覆盖层，把温室内部空间分成上、下2 层。

5 结论与讨论

日光温室结构的优化设计应从提高前屋面透光率、增加北墙太阳辐射接收量、前屋面与墙体的优良保温性及墙体和地面的蓄热保温等方面进行研究。王研[1]研究表明，日光温室结构要从材料和管理水平方面提升，建造高标准的日光温室。张桂云等[2]研究发现，日光温室结构要从建棚材料、建棚场地、后墙体、防寒沟、两边山墙、后坡屋面等方面优化设计，从而提高温室结构性能。创新优化设施结构，使其更充分有效地利用太阳能，增加采光量，提高温室储热保温能力[3-6]。因地制宜，确定合理的温室结构尺寸和本地区的合理结构形式，以获得更多的太阳辐射总量[7-9]。温室结构是影响内部环境性能的重要因素，对其进行研究是改变影响作物生产的环境因子有效且经济的方式，对提高温室生产率和资源利用率、降低成本、保障安全稳定生产具有重要的意义[10-11]。

日光温室结构的优化之一是要减少热损失问题[12-13]。预备试验表明，双层薄膜覆盖温室的温度要比普通温室高3℃，能有效降低贯流放热；通过在温室地面下挖50 cm 和设防寒沟能阻隔地中传热，解决了这2 个问题，就能有效减少日光温室的热量散出。

日光温室结构的优化之二是如何保证日光温室蓄热保温达到最佳效果。由于日光温室的热源主要来自太阳的辐射，采取优化温室的采光角度和使用良好的薄膜来提高前屋面透光率，从而增加太阳辐射量；在北墙使用混凝土砌块（表面积大）来增加太阳辐射接收量，同时在墙体中间增加聚苯板材料来阻止热量的传递，这样的异质复合墙结构就能保证温室具有优良的蓄热保温性能。

日光温室结构的优化之三是采用的骨架材料要保证温室的荷载安全性和耐久性。几字型钢骨架的特点是同等承载能力下单栋温室钢材使用量较传统钢管减少60%左右，骨架的散热效果最好（日光温室透光覆盖材料大多采用塑料薄膜，骨架构件受日光照射后，若散热不好容易烫伤塑料薄膜，降低薄膜的使用寿命）。

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