日光温室北墙结构研究现状与趋势

黄坤+张琦琦+晋楚佳+展正朋

摘 要：該文对日光温室北墙结构类型的研究成果进行了归纳整理，分析了日光温室各类北墙体的保温蓄热性能及其相关影响因素，讨论了存在的问题，展望了北墙的发展趋势。

关键词：日光温室；北墙；结构；保温蓄热；成本；施工建造

中图分类号 S625.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）09-0060-04

Abstract：This paper summarized the research results of north wall structure type of solar greenhouse，analyzed heat preservation and storage performance of the north wall of solar greenhouse and its' related influencing factors. The existing problems and the development direction were discussed.

Key words：Solar greenhouse；North wall；Structure；Thermal isolation and heat storage；Costing；Construction of building

日光温室墙体，尤其是北墙（后面墙体均指北墙），兼具承重、维护、分隔的功能，是维护结构的主体，承担着抵御风雪、冷热作用力和竖直方向的绝大部分荷载，是日光温室的关键构件[1]。在兼顾荷载的同时，墙体尤其是北墙，需要具备蓄热和保温双重功能：一方面，能在白天吸蓄大量太阳辐射能，同时传热系数要低，保温隔热能力较好，以减少室内热量散失，另一方面，要具有合理的热惰性，在夜间作为热源将蓄积在墙体内的热量缓慢地释放到室内，提高室内夜间温度，尽可能的使其获得太阳辐射能可以自给自足，创造作物生长的适宜环境，减少额外人为加温的成本投入，降低生产成本。因此，加深对日光温室北墙结构和性能的研究十分必要[2]。杨其长、李天来等农业专家学者对日光温室墙体进行了深入的研究工作，取得了长足进步[3-8]。本文将从不同墙体结构材料的承重能力（密度）、传热系数、热阻、热惰性和对日光温室内的环境的影响及施工和成本方面进行梳理，总结分析各类墙体应用的推广价值，并展望了日光温室北墙的发展方向。

1 日光温室墙体类型

日光温室墙体按材料的组成种类可分为单一材料的实体墙、多种材料组合的复合墙两大类[1]。单一材料实体墙是仅由一种材料组成的均质实体墙体；多种材料组合的复合墙是使用2种或2种以上材料按一定组合规则组成的墙体。与单一材料实体墙相比，复合墙可以充分发挥各种材料的优良特性，具有保温蓄热性能好，墙体较薄、美观，土地利用效率高的优点[9-16]。

1.1 实体墙 最常见的实体墙是实体土墙和砖墙，这类墙体同时承载着温室的围护、保温蓄热和承重的功能。土墙一般是使用挖掘机挖土堆推而成的宽厚墙体[17-18]，由于墙体材料易获得、成本低、建设速度快，导热系数仅0.600～1.000W·m-1·K-1[16，19]，热阻4.08～4.3m·kW-1[16]，保温蓄热性能好，被广大农民接纳使用。不足的是这类墙体占地大，土地利用率低，而且对耕作层土层破坏严重[20-22]，墙体表面容易被雨水冲淋及冻胀侵蚀致使墙体老化脱落甚至崩塌，逐步被外形美观、耐久性好的红砖墙取代。其导热系数：0.76～0.81W·m-1·℃-1，比热容880～1050J·kg-1·℃-1[23]，与土壤相差无几，即使是490mm的砖墙也不及3～9m厚的土墙的保温性能。这2种实体墙的保温蓄热性能主要受其厚度影响[18]。对于土墙来说，墙体越厚保温效果越好，其厚度必须达到1～1.4m[24]（西北地区试验数据）才能达到较好的保温蓄热效果。厚度过薄的土墙在全天都吸热，夜间提高室内温度能力不足；当超过一定厚度时，墙体放热量并不会随厚度的增加增加[9，25]，反而增加了高昂的建造费用。因此，并非如人们想象的越厚越好。相比于土墙，砖墙R+D（热阻值+热惰性）较大，热容量可达1680kJ·m-3·℃-1，具有更好的保温蓄热效果，一般厚度仅0.24～0.6m[26]即可满足保温需求。但由于砖墙施工建造费工，造价较高，约255万/hm2[27]，大概需要5～10年才能回本，极大地限制了砖墙的推广使用。

1.2 复合墙 据三重墙体理论[28]，复合墙由潜热吸热能力强、显热蓄热性能与保温隔热性能良好的承重材料由里到外分层复合而成，墙体分为吸热层、隔热层和保温层。鉴于部分材料同时承担2项功能，本文根据复合墙体墙层材料承担的功能，划分为蓄放热层和保温隔热层两大层，并以此为分类，进一步说明：

1.2.1 蓄放热层 蓄放热层根据不同材料的蓄放热方式，又可将墙体分为固体吸热墙体和液体吸热墙体。

1.2.1.1 固体吸热墙体 固体吸热墙体由固体材料通过显热吸热的方式在白天吸收太阳辐射能，京鹏环球科技公司通过用蜂窝状墙面代替日光温室后墙面的平面结构，增大后墙的有效受光表面积。据测算，蜂窝墙面增大了4～7倍[48]，墙体蓄热量提高10%～15%[49]，其室内温度比普通平面墙体室内温度提高了3～5℃。卢志权等[29]研究对比了不同凹式墙体对温室蓄热性能的影响发现：凹面墙体的吸热效果比平面墙体好，比表面积为1.684，15个凹口数/m2，凹口形状（深×宽×长）为6cm×12cm×24cm的墙体吸放热量最好。蜂窝型墙面又有凹口型和凸出型两种类型：相比凹口型，由于凸出型墙体吸收的太阳辐射较多，与室内空气热交换面积也较大，其蓄放热能力也较凹口型强。但因凸出型砖块伸出墙体，给操作者带来极大的不便。使用时，应做适当的磨角处理或将过道拓宽抑或加设栏杆，无形中又增加建设成本。在砌筑方式还有波浪形，由于施工速度较慢，人工成本较高，相应的增加了墙体的建设成本，因而没有得到大面积推广。相变储热墙体通过材料相变吸收和释放大量潜热，是近年来研究热点[47]：王宏丽等以稻壳为载体，吸附质量比为5∶5的石蜡与硬脂酸正丁酯制成复合相变蓄热砌块[30]，熔解潜热为116.2kJ/kg，凝固潜热为118.5kJ/kg，制作成标准空心蓄热保温砌块，施工建造较烧制红砖墙简单，具有良好的吸热性能；杨小龙等[31]制备了十二水磷酸氢二钠（NaHPO4·12H2O）相变蓄热墙板，吸热性能较好，夜间累计放热量增加0.16mJ/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%，但造价较高：125元/m2，未能大面积推广；李凯等[32]以粉煤灰为材料载体、以自制的NaHPO4·12H2O蓄热体系为相变材料制备的相变墙体，吸热性能和技术经济水平总体上优于复合砖墙和土墙；CaCl2·6H2O与NaHPO4·12H2O有相似的特性，Jaffrin等[33]将其应用于温室中，与同结构的传统温室相比，要使相变温室室内达到同一温度，可比传统温室节约80%的丙烷；管勇等[34]将石蜡、高密度聚乙烯和水泥砂浆混合制成的相变材料，导热系数0.40W·m-1·℃-1，比热容达16.24kJ·kg-1·℃-1，蓄、放热性能较好，缩小了温度波动幅度。

1.2.1.2 液体吸热墙体 与固体吸热材料不同，液体吸热墙体由液体材料通过潜热吸热的方式吸收太阳辐射能，液体材料主要指水[3-5，35]。这种液体吸热材料以水幕帘的形式挂置在墙体的内表面，在室内地下设置水池，使水幕帘中的水和水池中的水循环流动：水幕帘中的水在毛细管内缓慢流下，带着吸收的太阳辐射流入地下水池，水池中的水经电机抽送到幕帘上方补充，这种循环流动的水可以增加墙体在白天的蓄热量，提高其在夜间的放热能力，使气温维持在较高的适宜作物生长的水平[1]。张义等[3]设计了一种水幕帘蓄放热系统，该系统夜间通过水幕帘的放热量达到4.9～5.6MJ/m2，可将温室内夜间温度提高5.4℃以上，满足了喜温作物的安全越冬生产；方慧等[4]设计了一种双黑膜主动集放热装置，白天吸收太阳辐射能和温室内的富余热量，夜间将热量释放到出来，增加温室内夜间温度。但由于透光膜与黑膜均为软质材料，在温室生产中易破损，该课题组又对原装置进一步改进，用金属膜替换原有双黑膜吸热面，吸收系数达到0.81，导热系数为14.6W/（m·℃），集热效率可达到86%，比双黑膜蓄放热装置有极大提高，效果更加显著；丁小明等[35]设计了一套基于毛细管换热器，采用生物质固体成型燃料供热的日光温室低温供暖系统，水平放置时散热量达到307～381W/m2。

1.2.2 保温隔热层 根据保温隔热材料的特性[36]，一般按照内层蓄热层、中间隔热夹心层，外层保温层的方式组合，即夹芯复合墙；有些学着提出质疑，如果将隔热性能好的材料（如聚苯板）置于墙体中间，则外侧墙体失去蓄热功能，为此做了新的变形试验研究，将保温材料层放在由墙体外侧[6-7，10，32，36-37]，即外保温复合墙。

1.2.2.1 夹芯保温复合墙 夹芯保温复合墙的保温层设置在墙体中间，在实际中有较多应用[38]。常用的保温层材料有空气[7]和作物秸秆、炉渣、膨胀珍珠岩、锯末、生石灰等松散保温材料或聚苯乙烯泡沫板[19]。与外保温复合墙相比，保温层可以用传热系数小的空气，能很好的防止热量散失，白义奎等[7]在墙体内设置一道20～100mm的空气夹层，相当于490mm厚的砖墙。不足的是该墙体必须保证密闭，以免热量通过缝隙散失；墙体中间填充传热系数小的松散保温材料，可避免空腔密封不严导致的空气流动和热量散失，有利于提高墙体的整体保温蓄热性能。根据调查发现，填充松散保温材料的复合墙体，室内气温显著高于同等厚度的砖墙，且松散材料的传热系数越小，保温效果越好[9]。但随着使用时间的延长，松散保温材料因自身重力下沉，造成墙体中层上部出现空腔，加之雨水的渗漏加快墙内材料的霉变腐烂，导致墙体保温性能下降[39]。

1.2.2.2 外保温复合墙 该类墙体承担保温功能的材料层位于墙体外侧，常见的外保温材料由聚乙烯[34]、（缀铝箔）聚苯板[6-7，9-11，36]、彩钢板[8，32]、发泡水泥[37]等。首先，外保温层能改善和增强墙体的密封性，减少室内热量的散失[6-7，11，36-37]，更有利于提高墙体保温性能，使室内气温保持在较高水平[12-13]；另外，外层方便维修和更换，极大的增强了墙体抵抗外界环境破坏的能力，削弱了破坏作用对室内环境造成的不良影响，延长建筑寿命[40]；同时，保温层外置，施工较简单，工期相对缩短。目前，以下日光温室中均采用了外保温复合墙结构：聚苯板外置复合砖墙[6，11，13-16]，聚乙烯外置保温墙体[34]，黏土砖墙外侧加厚发泡水泥外保温改良墙[37]，轻质加气混凝土板材墙体[46]，彩钢板日光温室墙体[8，32]等。

苯板导热系数只有0.0327W/（m·℃），密度低至8kg/m3，价格较低廉，是优选的隔热保温材料，李小芳、陈青云[13]利用热反应系数法和日光温室热环境的数学模型模擬分析比较发现：外保温层并不是越厚越好，当内侧蓄热保温墙较薄时，隔热越厚越有利于墙体的保温，但是当隔热板超过一定厚度后，保温性能不再提高。因此，综合保温和成本考虑，10cm厚聚苯板较佳。

2 存在的问题

2.1 占地空间大，土地利用率低 传统的黏土墙占地较多，盲目扩大墙体厚度的现象严重，有的甚至高达9m[18]，需要大量的土方，不仅对土壤耕作层破坏严重，而且导致土地利用率极低，仅达到40.63%[41]，甚至更低。

2.2 标准化程度低、施工建造效率低 目前的黏土墙、砖墙等材料虽然需要人工或机械砌筑，无法在工厂预制，以至于施工建造效率低下，而且难以保证结构的紧密牢固性，标准化水平落后。

2.3 墙体建造成本较高，保温蓄热成本居高不下 砖墙、水泥浇筑墙、相变材料墙体建造成本较传统的黏土墙成本高，尤其是相变材料的造价，很难向普通农民用户推广使用；另外，日光温室对墙体的蓄放热性能要求较高，附加设备或结构的保温蓄热成本居高不下，成本问题亟待解决。

3 发展趋势展望

3.1 结构越来越轻简化 同砖墙取代宽厚的土墙一样，砖墙也将被更轻、更薄，承重能力更强的墙体逐步取代。轻简化无立柱全钢架装配式日光温室逐步推广，墙体内加入钢架，分担墙体的承重压力。新型日光温室也逐步被研发出来：杨其长[5]研究团队设计了一种轻简装配式主动蓄能型日光温室墙体：该墙体由分别承担蓄放热功能和保温隔热功能的两部分组成，即，由以水为蓄放热媒介的主动蓄放热系统（AHS）：以聚苯板为主要保温隔热材料的系统。李天来[8]研究团队设计了彩钢板保温装配式节能日光温室墙体：以水循环系统和空气-地中热交换系统作为蓄放热体，岩棉彩钢板作为保温隔热覆盖件。

3.2 功能越来越专门化 墙体被分为2个部分或3个部分，分别承担相应的功能，分工更明确、更加专门化。随着墙体材料的深入研究，相应的材料也将被逐步开发出来承担对应的功能，发挥该材料优势性能[42]。如上述轻简装配式主动蓄能型日光温室墙体，彩钢板保温装配式节能日光温室墙体。

3.3 形式越来越多样化 随着对日光温室的不断深入研究，新的材料也被逐步研发出来并运用到墙体中，各种形式的墙体类型逐渐涌现。如此，水泥与气泡混合硬化后形成的发泡水泥，具有密度小、承重能力强、传热系数小等优良性能，且机械化施工程度高，压缩程度高于苯板，墙体的密闭性能、保温性能好，无苯和烃烯等有毒气体释放等优点。

3.4 建造越来越标准化 随着设施农业和工业制造业的发展，材料工厂化水平越来越高，加之党中央对农业的支持力度和现代新型农业的发展需求，农业行业相关标准和规范将逐步建立形成，标准化水平提高。在建造前，预制日光温室墙体材料，标准化生产，现场直接装配安装，建造、施工效率将得到极大的提高。

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