中国日光温室结构的改良与创新（二）——基于主动储放热理论的墙体改良与创新

周长吉

（农业部规划设计研究院，农业部农业设施结构工程重点实验室，北京 100125）

日光温室主动储放热理论是我国日光温室发展中一项重要的理论创新。在此理论的指导下，中国日光温室建设彻底摆脱了厚重墙体结构，开始走向构件工厂化生产、现场组装式安装的工业化发展道路。一方面大大提高了温室建设的工业化、标准化水平，使温室建设的规范性和建设速度大大提升；另一方面也显著减小了温室墙体建设的占地面积，减少了墙体建设对土地的破坏，进而引领日光温室建设向生态化方向发展。此外，采用主动储放热技术还彻底摆脱了被动储放热日光温室靠天生产的被动局面，在保证室内适宜温度的同时，有的技术还可调控温室内的空气湿度，降低作物病害，提高产品品质，从而显著提高温室越冬生产的安全性。应用日光温室主动储放热技术研究和开发各种形式的新型日光温室结构，应该是我国当前和未来设施农业工程科研和推广的主战场。本文在阐述日光温室主动储放热基本原理的基础上，系统总结了以墙体、骨架和地面为吸热体，以空气、水、土壤为储放热载体的主动储放热方法，并全面总结了应用主动储放热技术的组装式日光温室在墙体结构上的创新和变迁，以期对未来的创新发展有所借鉴。

基于日光温室主动储放热原理和各种主动储放热技术与方法，分析和总结了可采用主动储放热技术的组装式日光温室在墙体材料和建设方法中的改进与创新。

1 主动储放热的原理与方法

主动储放热就是以最大限度吸收和储存白天温室内富裕热量并在夜间根据需要高效利用和释放白天储存热量为目标，人为控制温室墙体、地面储存和释放热量的时间和多寡的技术与方法。

目前在科研和生产中应用的主动吸热和储热的方法有后墙表面吸热介质储热法、骨架表面吸热介质储热法、循环空气墙体储热法、循环空气地面储热法等。

1.1 后墙表面吸热介质储热法

后墙表面吸热介质储热法根据后墙表面吸热方法和吸热器吸热面积的不同可分为管道吸热法、墙板吸热法和夹层墙面吸热法。

1.1.1 管道吸热法 管道吸热法是将黑色塑料管或表面涂黑钢管密集排列在温室的后墙内表面，依靠室内高温和直接照射在管道表面的直射和散射辐射将管道表面加热，通过管道内介质的强制流动将管道表面吸收的热量传入流动介质使介质温度提高而储存热量（吸收的热量存储在流动的介质中）。管道中经济的介质可以是空气，也可以是水，由于水的热惰性较大，所以工程中大多使用水作介质储存热量。根据管道在后墙表面的布置方向不同，管道吸热可分为横向和竖向两种布置方式（图1）；布置面积可以是全后墙完全布置，也可以只在后墙的局部面积（如上部1/2部位）布置。对于种植如黄瓜、番茄、辣椒、茄子等高秧作物的温室，由于后墙的下部受到植株的遮挡，直接接受的阳光不多，所以从经济的角度设计，一般集热管多布置在温室后墙距离地面1/3墙体高度（1 m）以上，同时考虑后屋面也可能会形成遮光，所以集热管也不一定布置到墙体的顶面。

图1 后墙表面管道吸热

1.1.2 墙板吸热法 墙板吸热法的原理和管道吸热法的原理基本相同，所不同的是将后墙表面线条式分布的管道改变成了具有一定面积的吸热板，顺序排列贴挂在温室的后墙内表面（图2）。吸热板可以采用中空PC板，在PC板的中空孔中注水吸收表面热量（佟雪姣 等，2016）；也可以采用特制的外表面为黑色塑料薄膜、背板为保温板、中间流水的封闭组件吸收热量（张义 等，2012；梁浩 等，2013；方慧 等，2015）。相比管道吸热法，采用吸热板的方法吸热表面面积显然增加了很多，吸收的热量也更多。

1.1.3 夹层墙面吸热法 不论是管道吸热、还是墙板吸热，都无法将照射到整个后墙表面的热量全部吸收，而夹层墙面吸热法是在温室的后墙内表面安装一个铺满整个后墙表面的夹层水袋，通过均匀输水管道（在输水管道上均匀开孔）将循环水从夹层内喷射到夹层水袋的外表面（朝向温室室内的表面），从而吸收水袋外表面获得的室内太阳辐射和室内空气对流换热量（图3）。由此可见，夹层墙面吸热法吸收的热量应该最大，但由于夹层水袋内部空腔较大，在喷水过程中水的蒸发同时要消耗空腔内空气中一部分热量（这些热量最终还是来自于水袋表面吸收的热量），所以总的热效率不一定比墙板吸热法高。但从造价来讲，夹层墙面应该是最便宜的，而且完全解决了管道和墙板局部漏水的问题（夹层墙面吸热是在夹层水袋的底部设置集水槽，集水槽可以兼作储水池，也可以作为输水渠道将热水导流到温室内的储水池中）。

图2 后墙表面墙板吸热

图3 后墙表面夹层墙面吸热

从墙面吸收的热量通过提升介质温度而储存在介质中，一般在温室内应设计一个储水池，大多设置在温室内地面下，一方面不影响温室地面的种植面积，另一方面地下土壤的温度比较稳定，在做好储水池外保温的前提下对储存热量的损失也较少。

1.2 骨架表面吸热介质储热法

骨架表面吸热法就是利用上下弦杆为圆管或方管的桁架结构形成一个闭环的水循环系统（马承伟 等，2016）。由于桁架的上弦杆外表面在塑料薄膜的覆盖下直接对外，不受室内种植作物的影响，可接受更多的室外太阳辐射，桁架的下弦杆也可同时接受室内太阳辐射并吸收室内空气对流换热，事实上形成了桁架上下弦杆白天同时为吸热体的一种吸热体系。每根桁架是一个独立的微循环系统，将温室内所有的桁架通过主管并联在一起即形成一个大的储放热循环系统，可以将所有骨架表面吸收的热量集中回收到储热池中（图4）。到了夜间，随着室内温度的降低，温室的所有桁架又是散热器，将白天储存在储热池中的热量通过水泵回流到骨架中，由于钢管的散热能力强，而且骨架在温室中分布均匀，所以在温室中释放热量也更均匀。为了增强管道表面的吸热能力，一般在管道表面涂刷黑色涂料，涂料应无毒、无味，对钢材和塑料薄膜没有腐蚀作用。

这种系统省去了专门配置在墙面吸热的设备，大大减少了温室建设投资，也不会有更多的设备占用温室空间。但由于该系统温室桁架是承重结构，在温室运行过程中桁架会随着风雪荷载、作物荷载等作用的变化发生变形，因此对水循环系统连接处的密封性要求较高。此外，在桁架的上下弦杆上安装水循环回路连接件，需要在钢管上开口，会对结构的强度产生影响，在结构强度设计中应给予高度的重视，不应顾此失彼，得不偿失。

图4 骨架表面吸热介质储热

1.3 循环空气墙体储热法

循环空气墙体储热法就是白天将温室中的高温空气通过风机和管道导入温室的后墙内，通过提高温室后墙内部的温度将热量储存在温室后墙内的一种储热方法（张勇 等，2015）。夜间，当室内温度降低到设定温度时，开启风机将白天储存在墙体内部的热量再释放到温室中补充温室的热量损失，保证温室生产需要的适宜温度。

根据气流在墙体内的运动方向不同，空气循环分为水平气流法和垂直气流法。

1.3.1 水平气流法 亦称为纵向气流法，即导入墙体内部的气流是沿着温室的长度方向在墙体内同一高度位置流动（图5）。由于温室长度方向的气流在墙体内的流道较长，为了减小气流在墙体内管道中的空气阻力和空气进出口的温差，使导入温室墙体内的热量分布更均匀，一般沿温室长度方向每组通风管道的长度控制在30～40 m，且沿温室墙体的高度方向设置3～5组。在墙体内管道中的气流一般采用负压送风，即在通风管的出口安装排风风机即可。

白天当温室内温度超过25 ℃后即可打开风机，将室内高温空气抽进设置在墙体内的通风管中，提高墙体内部温度，并将热量储存在墙体内；到了夜间，当室内温度下降到设定温度后，再打开风机，将白天储存在墙体内的热量回送到温室内，补充温室夜间散失的热量，保证温室内适宜的温度。

墙体内部的通风管可以是塑料管，也可以是在墙体砌筑过程中直接砌筑而成的砖通道，最新开发的机压大体积土坯墙体日光温室，可将通风通道直接预制在土坯块上，码砌土坯后自然形成墙体内的通风通道（邹志荣 等，2017）。

图5 循环空气水平流动墙体储热

1.3.2 垂直气流法 也称为竖向气流法，即在温室后墙的上部设置进风口（因为温室白天上部的空气温度高），在墙体的下部设置出风口，墙体内气流沿墙体高度方向自上而下流动，将温室内热量储存在后墙内的一种方法（图6）。采用垂直气流法的储放热墙体多采用空心墙，将两层墙之间的空间作为气流通道，可以大大降低气流的阻力，而且墙体建造速度快，也不需要其他的附加管道，相应建设造价也低，温度在墙体内的分布也更均匀。

图6 循环空气垂直流动墙体储热

不论是水平气流法，还是垂直气流法，由于以墙体为储热体，所以要求墙体建造材料的热惰性大，而且建造墙体的厚度不能过薄，所以砖墙、石墙和土墙是使用这种系统比较理想的墙体。

采用墙体储放热，除了能够白天储热、夜间放热提高温室夜间空气温度外，由于气流在墙体内和温室内循环，温室内的空气基本处在高温高湿状态，而墙体材料又具有较强的吸湿性，所以在空气交换的过程中还可有效降低温室内的空气湿度，这对控制温室种植作物的病虫害、提高产品品质起到了间接的作用。

1.4 循环空气地面储热法

循环空气地面储热法的原理和墙面储热法的原理基本相同，所不同的是储热体由墙面变为了地面。由于地面土体体积大、热容量大，所以能够储存更多的热量。采用地面储热后可完全释放墙体的储热功能，温室墙体可以摆脱厚重墙体，更适于完全组装式结构的温室。和墙面储热一样，根据气流在温室地面中的流动方向不同，地面储热法也分为纵向气流法和横向气流法。

1.4.1 横向气流法 横向气流法就是气流在地面土壤中沿温室跨度方向流动。一般在温室内屋脊位置沿温室长度方向通长设一根或多根（根据温室长度确定，一般每根长度控制在50 m左右）进风管，进风管两端封闭，管壁上均匀打孔形成进风孔。进风管的中部沿温室墙体高度方向垂直进风管安装集风管，集风管上安装风机，通过三通将进风管收集的热空气汇集到集风管中。集风管的下端通过三通安装沿温室长度方向布置的热风分配管（埋置在地下），将集风管汇集的热风再均匀分配到热风分配管。与热风分配管垂直，间隔50～80 cm通过三通安装换热管，换热管埋置在地表下30～50 cm位置，沿温室跨度方向布置，换热管的末端通过弯头在温室的南侧伸出地面20～30 cm。上述进风管、集风管、分配管、换热管和风机等形成一套完整的换热系统（图7），白天风机运行将室内高温空气导入地下土壤，提升土壤温度储存热量；夜间当室内温度降低到设定温度时，开启风机将地下土壤中储存的热量再导流到温室内，补充温室热量损失，保证温室适宜的温度。这种方法不仅可以提高温室内空气温度，而且还提高了温室土壤温度，更有利于作物根系的发育和对养分的吸收。同样，利用埋设在土壤中管道表面的结露，也能在一定程度上控制温室内的空气湿度。

1.4.2 纵向气流法 纵向气流法就是气流在温室土壤中沿温室长度方向流动。一般在温室地表下30～50 cm沿温室跨度方向布置3～5列沿温室长度方向的散热管，散热管的两端在靠近山墙（或在温室中部）的位置伸出地面，并在其中一端的管道上安装风机，一端为进风口，另一端为出风口（图8）。对于长度较长的温室，也可以将散热管沿温室长度方向分为两段，分别设置进风口和出风口。

相比横向气流法，纵向气流法使用的管道少，安装散热管需要的开沟工程量也小，相应工程造价也低；但由于散热管的表面积总量小，总体而言其储存和释放的热量也相应较少。

2 主动蓄热温室墙体的改良与创新

主动储热技术的出现，彻底解除了温室后墙储放热的功能，同时也释放了墙体的承重功能，使温室后墙的功能只局限在保温围护的范畴内，完全工业化的组装式结构可直接应用在日光温室的结构中，由此引起了日光温室结构的一次新的重大的革命，更多新型保温材料的轻型组装式日光温室应运而生。

2.1 草墙温室

所谓草墙温室，就是用稻草、麦秸或玉米秸等农业种植的副产品做温室的墙体围护材料。这种材料保温隔热性能好、可就地取材、成本低廉，而且还为解决农作物秸秆难处理的问题开辟了一条新途径。

草墙建设的方法有两种：一种是先将草秸打成方捆，像砌筑砖墙一样，将草捆码垛形成30～50 cm厚的温室墙体；另一种是先将草秸编制成厚度为10～20 cm的草苫或者称草砖，草苫幅宽1～2 m，长度可按照温室的墙体高度和后屋面坡长确定，施工时直接将草苫一端固定在温室屋脊，另一端顺温室后屋面和后墙平铺后端部固定在温室的墙基，草苫一般采用双层错缝平铺，使温室墙体和后屋面的厚度达到30～50 cm，草墙与温室骨架的连接多采用镀锌钢丝扣接，在温室后屋面梁和后墙立柱上每隔30～50 cm固定1次（周长吉，2011）。

草墙的表面吸水性能较强，在日光温室上应用可以将草墙的内表面直接裸露在温室内（图9-a），能有效降低温室内空气的相对湿度，减少温室作物病害。但为了增强对草墙的防护，生产中对草墙内表面大多采用无纺布防护（图9-b），不仅保护了草墙，而且无纺布也能够吸收和释放室内空气湿度，使温室墙体成为一种“会呼吸的墙体”。也有用水泥瓦楞板等不吸水的材料做防护的，如图9-c。

草墙由于自身的防火性能和防水性能较差，因此在建造草墙温室时对草墙外表面的防护非常重要。目前在生产中应用的草墙外表面保护方法有塑料薄膜包裹、不织布包裹、水泥或钢板瓦楞板保护、草泥保护、空心砖保护、外挂水泥砂浆保护等方法（图10）。这些方法的防水效果较好，但防火效果都难以达到建筑防火的要求，因此建造草墙温室一定要加强温室内及温室生产区的防火。

草是一种有机材料，在长期的运行中容易腐烂，而且草墙内经常有老鼠做窝，这些都直接影响温室的使用寿命。但从目前的使用情况来看，部分草墙温室已经使用了10年以上，且保温性能仍然不减，足见这种材料的温室使用寿命也不会太短。

图9 草墙温室内表面及其防护

2.2 保温被墙体温室

和草墙温室一样，用工业化的柔性保温毯或保温被做日光温室的围护墙体（包括后墙和山墙）和后屋面即形成保温被墙体日光温室（周长吉，2017）。目前在日光温室上使用的保温被材料有喷胶棉保温被（图11）和针刺毡保温被（图12）等。为了防潮、防雨、延长保温材料的使用寿命，包裹保温芯的面层材料都是具有防水、防紫外线等抗老化材料。

保温被墙体的保温材料材质轻、保温性能好、可实现工业化生产，产品的标准化水平高，建造温室的规范性好，尤其建材对温室结构产生的荷载很小，在一定程度上能显著减小温室结构构件的截面尺寸，从而减少温室用材，降低温室工程造价。

图10 草墙温室的外墙防护

图11 喷胶棉保温被温室

图12 针刺毡保温被温室

2.3 泡沫砖墙温室

泡沫砖墙温室是以发泡聚苯乙烯为原料，将其发泡成型为空心并带契口的各种型材，按照温室基础转角、墙体转角、屋檐以及标准墙体等不同部位的形状要求发泡成型为不同形状和规格的“成型砖”。施工建设中直接将不同部位的成型砖通过契口装配在一起即形成温室的基础、墙体以及屋檐（图13-a）。由于成型砖内部为空心，而且自身质量轻、强度很低，作为温室墙体无法承载外界风雪荷载和温室骨架施加在墙体上的荷载。为此，这种温室建造时在成型砖的空心内现浇钢筋混凝土立柱和钢筋混凝土立柱的连系梁（图13-b），立柱的间距一般为3、4 m或6 m，柱顶用圈梁连接，温室屋面骨架通过柱顶圈梁将荷载传递到后墙立柱。为了增强立柱的整体性，沿立柱的高度方向每隔1.5～2.0 m设置1道沿温室长度方向通长的纵向连系梁，通过地梁、圈梁和中间连系梁将所有立柱形成一个平面网架。由于立柱、圈梁、地梁和连系梁均暗藏在空心成型泡沫砖的内部，这些导热系数很大的钢筋混凝土构件完全被保温隔热性能良好的泡沫砖所包围，因此这种墙体结构基本不存在结构件引起的传热“冷桥”（周长吉，2015）。

从温室墙体结构讲，这种墙体仍然是一种只有保温隔热单一功能的围护墙体，自身没有储放热能力。为了弥补墙体的储放热，除了采用主动储放热技术外，在温室的后墙内侧通过钢筋混凝土护板增设一层500 mm厚土层，高度距离地面2 m，即可实现被动储放热墙体的功能（图13-c）。生产中在500 mm厚的土层上也可以种植叶菜类蔬菜或盆栽植物，不会造成温室种植面积的浪费（李明 等，2016）。生产实践证明，这种类型的温室也具有良好的储放热和保温隔热性能，在华北、新疆等地应用可以实现喜温果菜类蔬菜的安全越冬生产，而且使用寿命较长。

图13 泡沫砖墙日光温室

图14 发泡水泥墙温室

2.4 发泡水泥墙温室

发泡水泥墙温室，就是用发泡水泥通过自发泡形成墙体的一种温室形式，如图8-a、c。发泡水泥自身质量轻、导热系数小、热阻大、保温性能好，而且是现场发泡成型，墙体无接缝、密封性能好。这种温室墙体可深入地基形成温室四周的绝热层，可完全隔绝室内热量向室外的传导。因此是一种保温性能非常高的日光温室形式。

但这种温室墙体施工需要大型建筑模板（图14-a），施工时先支好墙体模板，然后将配置好的发泡水泥灌注进墙体模板中，随着发泡水泥的不断凝固和膨胀，将自行填充建筑模板的空间，拆除模板即形成温室墙体。由于发泡水泥在凝固的过程中需要养护，而且墙体养护都是在现场作业，相对而言，温室墙体的建设周期长，建设现场需要的大型建筑模板用量大，对建设温室数量较少的生产园区相对建设成本较高。

此外，这种墙体材料不能自承重，温室后墙内侧需要立柱，柱顶设圈梁，温室承力体系实际上是一种梁柱结构，墙体只起保温和围护的作用。

这种墙体建造技术不仅可以独立使用建造新的温室，而且还可以用来改造旧的温室。当前我国各地老旧温室存量很大，对那些墙体风化严重、开裂或漏风的温室，只要在原有墙体的外侧建造一层发泡水泥墙（图14-b），不仅可以大大提高温室的保温性能，而且温室墙体的密封性能也得到大大加强。因此，这项技术也成为了温室改造工程中的新宠儿。

图15 松散保温材料墙体温室

2.5 松散保温材料墙体温室

松散保温材料墙体温室，如同我国早期的双层砖墙中间夹松散保温材料的被动储放热墙体一样（周长吉，2018），所不同的是双层砖墙被透光的塑料片材或薄膜所替代，如图15。具体设计中可按照经济适用、就地取材的原则采用不同材质的材料来替代砖墙。这种结构的墙体保温性能好，尤其到了夏季或者温室不需要保温的季节，还可以将夹层中的松散保温材料用风机吸出，或直接从外层的护板下开洞使松散保温材料从墙体中流出并集中存放，这样日光温室的墙体将变为一种由双层透光围护材料形成的保温墙体，可完全克服后墙对温室的遮光，大大提高了温室内光照的均匀性，从而提高温室生产产品的品质和商品性。

2.6 滑盖温室

滑盖温室从外形上彻底颠覆了日光温室直立后墙和坡面后屋面的外形，将温室的前屋面、后屋面和后墙光滑地过渡连接成为一个圆拱形不等屋面大棚的形状（图16）。从温室前屋面保温覆盖材料的角度看，滑盖温室将柔性的保温被改变成为刚性的弧形盖板，通过滑动盖板覆盖或揭开温室的采光面，实现温室的白天采光和夜间保温。

图16 滑盖温室

这种温室结构除了屋面的保温盖板能够滑动实现采光屋面的覆盖和揭开外，温室的山墙也能部分地打开，上午提早打开东侧山墙、下午延后关闭西侧山墙，可有效延长温室的采光时间，增加温室有效光照，尤其对提高温室两侧山墙附近地面光照水平和光照均匀度都具有非常积极的作用（周长吉，2016）。但由于这种温室驱动保温盖板和滑动两侧山墙均需要机械传动，温室的传动设备、温室主动储放热设备以及温室的保温板等设备和材料的成本较高（据测算，每667 m2温室造价50万元左右），在很大程度上造成了推广应用比较困难。

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