寒冷干旱地区日光温室结构的优化设计

肖林刚 邹志荣 吴乐天 邹平 史慧锋 曹新伟

摘要：以寒冷干旱地区的日光温室结构为研究对象，针对在日光温室结构优化设计方案所涉及到的相关问题展开了详细分析与探讨，从采光性、保温性、安全性3个方面入手，研究了寒冷干旱地区日光温室结构设计需要满足的几点基本要求，进而详细阐述了寒冷干旱地区在进行日光温室结构优化设计过程中应当采取的措施与方法，希望以上问题的分析能够使日光温室结构在极端恶劣环境下的使用性能得到提升。

关键词：寒冷干旱；日光温室；结构；优化设计

中图分类号：S26.1文献标志码：A论文编号：2013-0949

0引言

在气候变暖形成全球性环境问题的背景之下，日光温室作为一种温度可控、运行高效且稳定的农业生产生活，在应对恶劣、极端气候环境，保障农业生产持续开展的过程当中，有着重要的意义与价值[1]。特别是对于中国北方等寒冷干旱的地区而言，由于这部分区域内的极端气候常见，包括风灾、雪灾在内的各种气候灾害频频发生，对于此区域内日光温室的运行也产生了极为不良的影响。

有关温室宽度方面的研究，Sethi等[2]分别以改良拱型、圆拱型、对称跨、非对称跨等单跨温室太阳辐射总量为研究对象，建立各温室的数学模型，研究得出非对称跨型太阳辐射总量最大，圆拱型最小。国内在温室保温方面研究的较细致。在墙体高度方面，温祥珍等[3]对0.36、0.66、0.96和1.26 m 4种温室模型的夜间温度研究，得出墙体面积与温室总表面积的比值每增加0.1，温室夜间均温提高约0.5℃。在墙体厚度方面，杨建军等[4]分别以陕西杨凌、宁夏银川、甘肃白银和新疆塔城4省区日光温室不同厚度的土质墙体进行研究，结合保温、成本和土地利用率等因素，得出各地土质墙体的最佳厚度：陕西杨凌为1.0 m，甘肃白银为1.3 m，宁夏银川为1.5 m，新疆塔城为1.4 m。在温室栽培区下挖方面李清明分别对0、0.5、1.0、1.5 m 4座下挖日光温室光照辐射量的研究[5]，得出在泰安地区建造10 m跨度的日光温室，其栽培区的下挖深度不应超过1.0 m。

“一种高效的蓄热后墙日光温室”发明专利中的后墙结构包括：日光温室后墙内维护墙、日光温室后墙外维护墙、聚苯乙烯绝热板材、日光温室后墙内回填的素土或沙子、C20钢筋混凝土现浇板、空心砌块组成的后墙通风风道。按照日光温室后墙最佳厚度理论以及后墙传热的分析，申请人[6]计算了西北地区典型代表温室后墙的潜在蓄热能力，分别为：无限厚度原土后墙为1544.44 kJ/(m2·℃)；碾压土后墙为1029.6 kJ/(m2·℃)；异质复合夹土后墙为 815.04 kJ/(m2·℃)；普通夹心后墙为300 kJ/(m2·℃)。

与此同时，由于中国现阶段对于日光温室的研究将重点放在对日光温室环境适应性的研究层面中，对于日光温室结构的安全性以及使用寿命未引起足够的关注，导致大量的日光温室处于一定的运行隐患当中，潜在大量的质量问题。为此，针对当前在日光温室结构设计中存在的不足，需要通过一定的方式，对其设计方案进行优化与改良，以期促进日光温室结构使用效能的进一步发挥。本研究即围绕以上问题展开详细分析与探讨。

1寒冷干旱地区日光温室结构设计的基本要求

对于寒冷干旱地区所建造并使用的日光温室而言，要求在寒冷气候状态下的凌晨时分，日光温室室内的温度能够达到10.0℃及以上水平。日光温室正常运行状态下的室内、室外温度差异甚至可以达到35.0℃以上水平。即通过对日光温室的应用，使得中国寒冷干旱地区能够在不进行人工加温干预的前提条件下，达到生产喜温性蔬菜的种植与生产目的[7]。因此，对比常规区域下的日光温室结构而言，在寒冷干旱地区中，对于日光温室结构设计方案的选取要求要以对采光性、保温性、安全性要求的满足为前提。

1.1日光温室结构设计应体现其采光性

在对日光温室进行建造的过程当中，要求做好对日光温室建筑朝向以及前屋面对应阳光入射角角度的选取工作。一般来说，针对寒冷干旱区域而言，合理的建筑朝向应当为正南向偏西，偏离角度在5.0—10.0°范围之内。同时，要求将前屋面对应的阳光入射角角度控制在35.0—45.0°范围之内。为了确保室内蔬菜对于太阳辐射的需求得到充分的满足，还要求在对采光角度进行考量的过程中，将植物生长所需的光照作为重点考量因素。

1.2日光温室结构设计应当体现其保温性

要求寒冷干旱地区所建造的日光温室维护结构设计在满足热阻需求的基础之上，还需要体现一定的热惰性性能，确保对热能进行储存的有效性。在寒冷气候状态下，日光温室室内温度应当控制在8.0℃以上（晨起状态下[8]）。同时，针对地表土壤结构而言，10.0 cm深度范围内的日光温室地表温度也应当保持在20.0℃以上。

1.3日光温室结构设计应当体现其安全性

在对日光温室进行结构设计的过程当中，所涉及到的相关构件以及结构组成元素都应当满足中国现行的《日光温室结构》[9]标准中的相关要求与规范。针对寒冷干旱气候条件下的日光温室而言，要求其结构能够承受0.45 kN/m2以上的风速，以及0.35 kN/m2以上积雪厚度。

2寒冷干旱地区日光温室结构设计的优化措施

2.1对结构采光性能的优化

阳光是日光温室在实际运行过程当中，最主要的热源之一。由于日光温室生产大多在低温、弱光且日光照射时间相对较短的冬季至来年春季进行。因此，为了能够最大限度地确保日光温室当中，作物生产发育的质量水平，就需要在设计过程当中，充分关注日光温室采光性能对其所产生的影响[10]。针对寒冷干旱的地区而言，由于冬季气候状态下，晨起时的环境温度相当低，日光温室运行过程当中为了能够使午后的光照时间得到充足的保障，同时确保温室夜间状态下保温性能的可靠性，就需要按照偏西10°左右的方式，对日光温室的所处方位进行控制。与此同时，除地理纬度会对日光温室接受光照的时间长度以及强度产生影响以外，建筑结构也是影响该指标的关键因素之一。结合相关的实践研究结果表明：日光温室前屋面所对应的夹角角度与投入日光温室室内的光线强度两者之间呈现出正比例关系[11]，即为了保障渗透入日光温室当中的太阳光充足，就需要尽量的扩大日光温室前屋面所对应的夹角角度。同时，还可以通过对日光温室所对应跨度数值进行提升，对日光温室所对应脊高数值进行控制的方式，达到对日光温室室内采光量进行优化调整的重要目的。

2.2对日光温室后屋面角的优化

为了能够在日光温室结构设计的过程当中体现日光温室运行的节能型优势，大多认为：参照日光温室所处环境趋于内的冬至日太阳高度角，在此基础之上，上调10.0°—15.0°后所得到的数值应当作为日光温室后屋面角的首选数值。以此种方式不仅能够使整个日光温室所对应的后部光照得到充足的保障，同时还能够避免夏季气候状态下出现日光温室过度遮阴的问题。更加关键的是，由于对日光温室后屋面角参数进行了合理的优化，因而使得后屋面对应产生的日光辐射热始终处于较高水平，这对于夜间状态下日光温室的保温性能发挥有显著的价值。结构桁架对应的水平推力也得到了明显的提升，以确保在寒冷干旱的气候条件状态下，日光温室结构对于风灾以及雪灾等恶劣、极端气候有良好的适应性。为此，结合寒冷干旱的气候特点，可以将日光温室结构设计中所对应的后屋面角数值控制在35.0°—45.0°范围之内。有关研究人员通过有限元分析[12]的方式发现，由于对日光温室的后屋面角数值进行了优化，使得日光温室上弦杆对应的弧度得到了优化，提高了整体弧度水平，在出现日光温室顶面积雪等不良问题的状态下，能够促使积雪自上半坡采光面区域滑落，避免因顶面大量覆雪而导致的采光面压力、应力水平过大，而对日光温室结构稳固性产生的不良影响。

在对日光温室后屋面角数值进行优化的同时，对于其所对应的拱架而言，相邻拱架之间对应的间隔距离大多表现为1.00 m。在该数值的作用之下，使得畦子与相邻拱架结构的间隔距离处于已知状态，畦埂所处位置也能够与日光温室对应的压膜线保持一致性状态。若对该数值进行优化设计，将其调大(1.50 m)或者是调小(0.5 m)，在可操作性方面都明显不如调整前的数值。因此，在对后屋面角数值进行优化的基础之上，对于拱架间隔距离则维持恒定状态，取值为1.00 m，以最大限度的保障后期日光温室结构建造的安全性与有效性。

综合以上分析，对于高纬度寒冷干旱地区而言，针对不同的跨度取值，所对应的脊高数值、后墙高数值、后屋面水平投影数值均存在一定的差异，具体的参考取值数据如表1所示。

2.3对墙体结构材料的优化

对于日光温室而言，墙体结构不仅需要发挥其在重力作用力承载方面的职能，更需要凸显其在温度控制方面的优势，对热能进行有效的隔离、吸收、储存、以及释放。基于对以上环节需求的分析，认为，对于寒冷干旱地区的日光温室而言，墙体结构需要确保热惰性的合理与可靠[13]。在白天，作为蓄热体，对热能进行持续的蓄积，而在夜间，则作为放热体，对热能进行持续的释放。从这一角度来说，在对日光温室墙体材料进行选择的过程当中，应当满足以下3个方面的基本原则：（1）墙体材料需要具有良好的吸热性能；（2）墙体材料需要具有良好的蓄热性能；（3）墙体材料需要具有导热性能较差的材料。

日光温室的墙体在整个温室中起到围护、蓄热、保温的作用，墙体的厚度及组成材料是影响保温性能的重要参数，常用的墙体有干打垒土墙和异质复合墙体，异质复合墙体一般的组合是：砖+苯板（珍珠岩或炉渣）+砖。这些墙体材料的热性能，见表2[14]。

由表2可知，异质复合墙体最经济、优化的组合为：砖+苯板+砖。将干打垒土墙1.5 m厚与异质复合墙体双240砖+120苯板总厚度60 cm的热性能进行比较。

其热阻见公式(1)。

R=∑(δ/λ)…(1)

式(1)中：R—热阻；δ—材料厚度；λ—导热系数。

土墙：R=∑(δ/λ)=1.5/1.16=1.293 m2·℃/W。

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

可见，单一材料墙体厚度再大，热阻的增加是有限的，而采用多层异质复合墙体，不仅显著增加了热阻，也有效地减小了墙体厚度，从而也减少基础宽度，节省了材料。

在现阶段的技术条件支持下，日光温室结构设计过程当中，所涉及到的墙体材料大多以土夯方式形成，土体结构下墙体材料对应的热能储存能力较低于传统意义上的砖体结构材料，但其放热的速度相对较慢，因而能够以一种比较稳定的方式，持续面向外界进行长时间的热能释放作业[15]。在此基础上，为了能够确保日光温室运行过程当中，墙体所对应的热阻水平得到持续的提升，避免热量借助于墙体以及墙体下部土壤结构向室外进行散失，则需要对墙体的厚度水平进行合理的控制。一般来说，应当参照日光温室所建设区域对应的冻土层厚度，按照1.2~1.5倍于冻土层厚度的方式，对日光温室墙体厚度进行控制。

3结论

在对日光温室结构进行优化设计的过程当中，所需要关注的问题主要表现在2个方面。（1）需要最大限度地控制日光温室在运行期间产生的热损失问题。相关的实践研究结果证实：在双层薄膜覆盖状态下，日光温室的环境温度较常规温度高出3.0~4.0℃，能够通过对室内温度的升高，达到控制贯流放热的目的。与此同时，还可以通过在日光温室建造区域地下挖设防寒沟的方式，使地层土壤结构的热传递渠道得到阻断，避免日光温室室内的热量通过以上渠道向外界释放。（2）需要最大限度地确保日光温室所对应蓄热保温效果达到最佳水平。由于太阳光辐射是日光温室热量的最主要来源，因而需要通过对采光角度进行合理优化的方式，使前屋面的透光率得到显著的提高，增强日光温室对于太阳辐射的接受水平。以上措施配合对日光温室的结构优化设计措施，能够使寒冷干旱区域的日光温室运行质量得到更加可靠的保障，促使其综合效应更高水平的体现与发挥出来。

4讨论

（1）在日光温室墙体设计中，还应注意材料层的排列次序问题，多种墙体材料的不同组合，尽管墙体的热阻和热惰性指标均相同，但其热工性能却不同。分析表明，当蓄热系数大的材料层（即重质材料层）设置在内侧时，围护结构内表面对于室外空气温度波和室内空气温度波传热衰减倍数和吸热衰减倍数均较大，就日光温室墙体而言，最好由3层材料组成，两侧为重质材料，中间为导热系数小的轻质材料。在冬季的白天，当阳光照射到北墙时，由于重质内层墙的蓄热系数大，能在白天蓄存较多的热量，而当夜间室温较低时，北墙又能向室内放出较多的热量使室温不致降得太快，外层的重质墙既要有一定的蓄热能力，又要有一定的保温能力，而中间的轻质隔热层则有效地减少了内部热量向外传递及外部冷量向室内传递。因此，墙体材料层的排列次序对温室保温的影响还有待更深入的研究。

（2）温室墙体的保温方面，很多研究人员只考虑到墙体水平方向的蓄放热，而忽略了墙体顶部的保温蓄热设计，因此温室墙体顶部保温对温室整体保温的影响还有待于进一步的研究。

参考文献

[1] 丁敏,施旭栋,李密密.薄膜承载力及其对日光温室结构稳定性能的影响[J].农业工程学报,2013,12(12):194-202.

[2] Sethi V P. On the selection of shape and orientation of a greenhouse: Thermal modeling and experimental validation[J].Solar Energy,2009,83(1):21-38.

[3] 温祥珍,梁海燕,李亚灵,等.墙体高度对日光温室内夜间气温的影响[J].中国生态农业学报,2009,8(10):22-29.

[4] 杨建军,邹志荣,张智,等.西北地区日光温室土墙厚度及其保温性的优化[J].农业工程学报,2009,25(8):180-185.

[5] 李清明,艾希珍,于贤昌,等.下挖深度对节能日光温室环境因子日变化及空间分布的影响[J].应用生态学报,2011,22(8):2061-2068.

[6] 张勇,邹志荣.一种高效的蓄热后墙日光温室[P].中国专利, 201210096154.6,2012-4-1.

[7] 王思倩,张志录,侯伟娜,等.下沉式日光温室南侧边际区域土壤温度变化特征[J].农业工程学报,2012,28(8):235-240.

[8] 梁浩,方慧,杨其长,等.日光温室后墙蓄放热帘增温效果的性能测试[J].农业工程学报,2013(12):187-193.

[9] 中国农业机械化科学研究院环境工程设备研究开发中心,杨凌秦川节水灌溉设备工程有限公司.JB/T 10286—2001[S].北京:中国机械工业联合会,2001:10.

[10] 佟国红,David M Christopher.墙体材料对日光温室温度环境影响的CFD模拟[J].农业工程学报,2009,25(3):153-157.

[11] 张利华,刘杰,徐为根,等.日光温室前屋面角的设计研究[J].江西农业学报,2010,1(15):18-25.

[12] 兰星.寒冷干旱地区日光温室结构的优化设计[D].内蒙古:内蒙古农业大学,2012:23-25.

[13] 商放泽,杨培岭,任树梅,等.施肥模式对日光温室土壤铵态氮和硝态氮的影响[J].农业机械学报,2012,43(7):49,73-78.

[14] 张福墁.设施园艺学[M].北京:中国农业大学出版社,2000:28-35.

[15] 温祥珍,李亚灵.日光温室墙体内部温度状况分析[A].//设施园艺研究新进展——2009中国·寿光国际设施园艺高层学术论坛论文集[C].2009:106-112.