中国日光温室结构的改良与创新（三）——温室屋面结构的改良与创新

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）

从日光温室前屋面和后屋面几何尺寸的变迁中分析我国日光温室屋面结构的改良与创新过程，在此基础上就日光温室前屋面和后屋面的一些革新技术，包括直立南墙结构日光温室、可变屋面倾角日光温室、活动保温采光后屋面日光温室等的特点进行了总结。

典型日光温室的屋面分为前屋面（采光面）和后屋面两个屋面。前者面南，表面覆盖活动保温被，白天打开保温被温室采光，夜间覆盖保温被温室保温；后者面北，周年固定保温。为了增加日光温室的采光量，许多学者对前屋面形状和尺寸进行了深入的优化研究（亢树华，1990；聂和民，1990；周长吉 等，1993；王朝栋 等，2010），也提出过不少前屋面几何尺寸的设计方法，但对日光温室后屋面的研究相对较少，设计和建设中对后屋面的几何尺寸、材料、做法、保温性能要求千差万别。本文就日光温室前屋面和后屋面的演变和发展进行系统梳理和总结，以期对未来日光温室屋面的研究和设计有所启迪。

1　日光温室前屋面的改良与创新

1.1　日光温室前屋面几何形状的变迁

1.1.1一坡一立式结构日光温室前屋面几何形状的改良与创新是随着建筑材料的革新和室内种植要求的变化而不断发展和创新的。早期的日光温室（20世纪80年代至90年代初）采用竹木结构，温室屋面以平坡屋面为主（因为竹木结构弯曲加工的难度较大），典型的温室形式为一坡一立式（图1）。这种结构的屋面梁采用圆木或竹竿（图1-a），用钢筋混凝土立柱或圆木、钢管等支撑屋面梁。为了固定塑料薄膜，早期的做法是在塑料薄膜的外部压竹条，用细铁丝将塑料薄膜上部的竹条紧压在塑料薄膜下部的屋面梁上（图1-b）。这种做法在扣压竹条时必须要穿破塑料薄膜，不仅造成温室屋面漏气，降低温室的保温性能，而且在大风情况下容易将塑料薄膜撕裂。因此，后来改进使用绳索在两根屋面梁之间采用外压的方式固定塑料薄膜（图1-c），彻底解决了上述问题。目前大都采用专用的压膜线替代绳索，有的生产者甚至在温室设计中直接采用卡槽卡簧固定塑料薄膜，固定更可靠。

一坡一立式日光温室由于前部立面的存在，给保温被的卷放造成了很大困难，尤其在卷帘机广泛应用之后，在立墙上卷放保温被不仅要求卷帘机的输出功率大，而且保温被展开后密封不严。为此，有的温室设计者在立墙的部位增设一组斜立的支撑（图2-a），从而将卷被的直立面改为了斜立面，使保温被的卷放更轻便且展开后密封也更严密。但这种斜立杆需要另外附加杆件，增加了建设成本。为此，有人改进直接用压膜绳绷紧倾斜固定在地基中，用压膜绳充当斜支撑来支撑保温被卷放（图2-b），不仅解决了保温被平稳卷放的问题，而且也省去了附加构件，价廉物美，具有更好的经济效益。

1.1.2全弧面结构一坡一立式日光温室屋面结构用材断面大，构件遮光严重，而且随着我国日光温室面积的快速发展，大量的竹木建材供应也越来越困难，人们开始大量使用工业化生产的钢材（主要是钢筋和钢管，后来发展到外卷边C形钢、椭圆管等）做屋面承重结构，不仅提高了温室建设的工业化水平，而且由于钢结构承载能力强、构件截面小，对室内的遮光阴影面积也大幅度减少。为了更好地发挥钢结构的强度并适应固定塑料薄膜的需要，温室屋面形状也由早期的一坡一立式改变成一个整体的弧面结构。关于日光温室采光面的弧面几何形状，国内学者做了大量研究，提出了包括圆弧面、椭圆面、抛物线面以及不同曲线组合的各种弧面形式（陈端生 等，1992；周长吉 等，1993；王朝栋 等，2010；张利华 等，2010），形成了当前日光温室采光面的主流。

无论哪种采光弧面，为了保持温室前屋面基部一定的操作高度（最早的要求是距离前屋面底脚0.5 m位置处温室的屋面高度不应小于1.0 m），必然造成温室屋脊位置处屋面的坡度不够，一方面，保温被卷放无法实现自由下落，展开保温被必须带动力运行，给卷帘机提出了更多的附加要求；另一方面，也造成了温室屋面排水困难，经常产生屋脊部位兜水的现象（图3-a）。水兜不仅加大了温室结构的承重荷载，严重的可能会造成温室倒塌，而且也容易造成塑料薄膜损伤、老化和撕裂。为了解决这一问题，生产中常在屋脊部位通风口处铺设一层塑料网或钢丝网，用以支撑塑料薄膜，并导流屋面积水，可有效避免水兜的形成（图3-b）。另外，在屋面结构设计中，提出在屋脊部位屋面的坡度不应小于10°，可有效避免屋面积水和兜水。

图1　早期一坡一立式日光温室及其前屋面塑料薄膜的固定方法

图2　一坡一立式日光温室方便保温被卷放的措施

1.2　直立南墙结构日光温室

图3　日光温室屋脊部位形成的水兜及其防范措施

日光温室前屋面从一坡一立式发展到全弧面结构是建筑材料采用钢结构的结果，也满足了压膜和卷放保温被的需要，但前屋面前部空间低矮的问题一直没有解决。由于温室南部距离前基1 m范围内屋面高度较低（尤其是大跨度日光温室，图4-a），一是高秧作物无法种植，有的只种植2穗果的果菜类蔬菜，有的直接种植叶菜类蔬菜，还有的荒废不种，直接影响温室作物生产的产量；二是作业空间小，人工作业不便，机械作业基本无法触及。为解决实际生产需要，对温室前屋面的改进朝着保留弧形形状、抬高整体屋面的方向发展，形成了直立南墙+弧形屋面的温室前屋面几何形状（图4-b、c）。

在直立南墙+弧形屋面结构中有两种特殊的结构。一种是半地下式结构（图5-a），这种结构虽然南墙为直立面，温室南部空间也基本不影响吊蔓作物的种植，但南墙不透光，而且半地下深度越大，温室内的湿气越难排除，只在一些冬季室外气温较低的地区且采用机打土墙需要大量取土的温室建造时才采用这种结构；另一种是南立墙为完全采光立墙（图5-b），立墙的高度可达到2 m左右，种植高秧吊蔓作物完全不受种植空间的影响，温室采光量大，不论人工作业还是机械作业都有充足的空间，温室内设二道保温幕结合室外保温被，具有良好的保温性能，是未来日光温室结构发展的一种趋势（周长吉，2017）。当然，对南墙直立面的理解也不仅仅限于垂直地面的直立墙面，有的温室采用了弧形墙面，有的温室采用了倾斜墙面，但倾斜面的倾角大都在80°以上。

由于南立墙的存在，而且墙体较高，使传统的日光温室高度整体加高，虽然增加了温室空间，有利于室内作物种植和机械化作业，但温室的建造成本加大，温室栋与栋之间的间距也相应增加。虽然这种改进不是十全十美，但是从日光温室机械化作业、自动化控制等未来发展方向来看，这种改进还是具有广阔的发展市场。

图4　直立南墙+弧形屋面日光温室结构的形成过程

图5　两种特殊形式直立南墙日光温室结构

1.3　可变屋面倾角日光温室

传统日光温室的屋面在设计建造完成后就是固定不变的了。由于受温室高度的限制（过高的温室一是增加建筑成本；二是增加温室之间的间距，降低土地利用率；三是室内热空气向上运动，降低了作物生产区的温度；四是太高的温室空间不利于温室保温；五是作物生产也确实不需要太高的空间），增加温室跨度后，温室前屋面的采光角将会减小，尤其在光照较弱、太阳高度角较小的12月至翌年1月，进入温室的太阳辐射将会显著减少，影响温室的采光和室内的温度。

可变屋面倾角温室即是基于这样的生产实际需求，将温室的采光面设计为可转动屋面（张勇 等，2014；张勇和邹志荣，2017），就是把温室的整个采光前屋面当作一扇窗扇，像连栋温室的屋面开窗一样，用传动机构控制整体屋面的启闭。在太阳高度角比较低的季节，白天将温室前屋面的后部抬起，加大屋面倾角，减小太阳光入射角，从而增加温室的采光量（图6-a）；到了傍晚温室需要覆盖保温被时，将温室前屋面再回位到温室屋面骨架的位置（图6-b）。

这种可变屋面倾角温室，一可以增加白天温室的采光，提高室内温度；二可以在相同跨度、同等采光量的条件下降低温室高度，进而降低温室的土建费用、缩短前后温室之间的间距，节约建设用地。虽然传动机构增加了温室部分造价，但从温室的光热性能和温室建设的土地利用率角度分析，这种创新具有非常积极的实用价值。

操控温室屋面启闭方法有两种：一是采用传统的温室齿轮齿条控制（图7-a）；二是用液压气缸控制（图7-b）。相对连栋温室的开窗机构，开启日光温室屋面的负荷较大，因此对开启屋面的支撑构件的强度要求也较高；相对而言，液压气缸的输出动力更强，运行也更平稳，但造价也相对较高。

图6　可变屋面倾角日光温室

图7　可变屋面倾角日光温室屋面启闭方法

2　日光温室后屋面的改良与创新

2.1　日光温室后屋面几何尺寸的变迁

日光温室后屋面的特征参数主要包括后屋面长度（或者用后屋面的水平投影宽度表示）、后屋面仰角和后屋面热阻。学术界对温室后屋面的功能一直没有定论，所以民间对后屋面的做法也多种多样。总结温室后屋面的功能，从结构几何特征上后屋面可降低温室后墙高度；从温室保温性能上后屋面可提高温室的保温比（温室透光面面积与不透光面，包括地面、保温墙体和后屋面面积之比）。在早期的日光温室建设中由于更强调温室上述的两项功能，日光温室大都采用长后屋面结构（后屋面的长短指温室剖面上后屋面长度），一般后屋面长度在1.5 m以上，寒冷地区甚至在2.5 m以上。

长后屋面温室虽然对温室的保温具有非常积极的作用，但由于后屋面加长后温室在春秋季节，乃至夏季运行时由于太阳高度角升高，温室靠近后墙部位的阴影将增大，从而影响温室种植作物的采光。此外，由于后屋面是保温屋面，结构自身负荷重，支撑屋面结构的荷载也相应大。为此，温室骨架的截面面积就需要增大或者必须在温室内设立立柱支撑后屋面，这将增加温室的建设投资。综上，目前日光温室后屋面的长度有向短后屋面方向发展的趋势。典型的代表是山东寿光五代机打土墙日光温室（周长吉，2013），后屋面的长度大都控制在0.5～0.8 m范围内，其他的温室后屋面长度也都控制在1.2～1.5 m范围内，极端的做法是完全取消温室后屋面，形成无后屋面日光温室（图8）。

对日光温室后屋面仰角的研究主要集中在后屋面冬季不在温室后墙形成阴影以及夏季运行不影响室内种植作物采光两个方面（魏晓明 等，2010；曹晏飞 等，2017）。根据温室建设地区的地理纬度可以准确地用数学的方法计算出来，但在生产实践中温室后屋面仰角大多控制在40～45°。

日光温室后屋面的保温设计目前还没有精确的理论计算方法，生产中大都采用轻质保温材料（包括松散保温材料、保温板材等），一般后屋面的保温热阻应接近或高于温室后墙的保温热阻（罗建华 等，2012），但也有温室采用完全不保温的温室后屋面（图9），通过温室内二道保温幕来保证夜间的室内温度。冬季夜间也可以用保温被覆盖后屋面，降低温室夜间屋面的散热。

2.2　活动保温采光后屋面日光温室

对于日光温室后屋面的保温，传统的设计理念是热阻尽量接近温室后墙热阻，这一设计理念已经贯彻了30多年。但近年来的设计理念改变为后屋面的热阻趋同于前屋面热阻（周长吉，2015）。在这一设计理念的指导下，日光温室的后屋面不再是永久固定的厚重保温屋面了，而是采用与前屋面相同的保温被材料覆盖，并将日光温室的后屋面覆盖塑料薄膜后形成可透光、可通风、可保温的多功能屋面（图10）。

图9　不保温后屋面日光温室

图10　活动保温采光后屋面日光温室

和前屋面一样，后屋面也用透光塑料薄膜覆盖，并在塑料薄膜上安装手动或电动卷膜器，需要通风时将塑料薄膜卷起，与前屋面的通风口形成“穿堂风”的对流通风窗，较屋脊通风窗通风效率更高；不需要通风时，白天当室外温度适宜时可卷起保温被，后屋面采光可补充室内作物的光照，使温室内光照更均匀，尤其可提高传统日光温室靠后墙部位区域的光照强度；夜间需要保温时，用保温被覆盖后屋面，与传统的日光温室后屋面一样，完成后屋面的保温功能。

这种创新设计不仅从理论上拓展了传统日光温室后屋面的功能，而且从结构设计上大大减轻了温室后屋面的荷载，可以将日光温室结构向着轻盈化、组装式方向发展，更符合现代温室的发展方向和潮流。这种创新尤其增加了温室内的光照强度和光照均匀性，增强了温室的通风能力，温室内的温光环境得到大大改善，使温室的运行管理更灵活，也更有针对性。实践证明，这种温室配套室内二道保温幕，其冬季的保温效果甚至超过传统后屋面日光温室，在未来的日光温室发展中将具有非常广阔的推广前景。

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