我国南北地区温室类型和节能措施的差异研究

谢思萌，张庐陵

（江西农业大学工学院，江西南昌 330045）

随着设施农业科学不断进步，我国温室占地面积从2006 年底仅8.1 万hm2发展到2019 年末37.3 万hm2[1]，我国温室大棚占地面积稳居世界第一，工厂化种植也呈现快速发展趋势。随着温室规模的不断扩大，温室内农业设施所消耗的能源不断增加，温室节能理念不断深化，节能手段日益丰富。我国温室种类多，根据温室覆盖材料的不同可以分为玻璃温室、PC 板温室、薄膜温室；根据屋架类型可以划分为单栋温室和连栋温室；根据温室外形可以分为单屋面温室和双屋面温室；根据加温条件的不同可以分为加温温室和不加温温室。因此，节能措施应该根据温室类型而有所变化，不应笼统地分析节能措施的优劣，而是要结合各地区气候环境、地形环境、资源状况、种植规模，因地制宜对节能措施进行研究。

目前，温室大棚的能源消耗集中于温室的保（降）温、温室内气体的调节、温室内监控设备的耗电、温室内灌溉系统的耗电等方面。因此，对温室进行节能控制成为研究热点。冬雨季节通过供暖方式对温室进行加温，夏热季节采用通风手段对温室进行降温。当前，我国致力于开发利用新能源来转变节能方式，通过改进温室结构的设计、提升覆盖材料的性能、使用清洁能源等手段减少煤炭的使用[2-3]。

图1 2015－2019 年中国温室大棚面积增长统计

1 国内外温室节能设计的研究现状

1.1 国外温室节能研究现状

国外温室节能设计技术主要应用于：温室围挡结构的设计、太阳辐射的利用、材料性能的优化和清洁能源的使用方面。Adnan Rasheed 等[4]通过建筑能源模拟平台对温室节能环境进行了优化处理，针对屋顶形状、方向、双层玻璃、通风效果等方面进行节能分析后，使各类因子处于最佳节能水平。Mohammad R A 等[5]对4个温室系统进行了可持续性评估，通过分析温室系统的节能指数，获得了更高的生产潜力，减少了不可再生性资源投入费用，从而提高系统可持续性。Mohammad Akrami 等[6]在研究中东和北非地区温室通风参数和水资源利用效率时，针对缺水现状和温室通风发展新趋势进行探讨，分析温室不同蒸发冷却系统的降温效果，结果表明，温室中采用加湿-除湿框架蒸发冷却系统可比常规蒸发冷却系统低5℃。Marouen Ghoulem 等[7]研究了温室混合冷却技术的效果，通过数值模型法确定了能使温室维持稳定的温度和湿度的结构模型设计方案。Philip A.Davies 等[8]提出自冷温室概念，利用太阳能驱动制冷系统保证内部气温低于外界气温，使理想模型可以应用到生产中，从而提高能源利用率。

太阳能利用技术是目前广泛推广的节能环保技术，可以对太阳能进行直接转化和利用，主要发展模式包括光伏技术和光热技术。太阳能利用技术在研发、生产、市场开拓方面都取得了很大进步，是世界快速、稳定发展的新兴能源产业之一。

近些年来，温室节能技术发展迅速，节能措施不断更新，地热能技术、风能技术、生物质能源技术等得到了快速发展。地表浅层温度受大气影响小，其温度常年维持在16～18℃（以地方实际为准），远高于冬季室外温度，又低于夏季室外气温，所以这种地源热泵系统不仅能突破传统空调系统的技术障碍，而且还大大提高了运行效率。全球的风能约为1300 亿kw，比地球上可开发利用的水能总量还要大10 倍，风能资源丰富，如果能有效利用风能对温室进行供能，将大大降低生产成本。同时生物质能源技术也有许多可研究的空间，因此高效利用能源节能生产成为科研人员的研究方向。

1.2 国内温室节能研究现状

1.2.1 南北地区温室类型差异。我国南北气候和地形差异显著，温室类型也有所不同。北方地区因冬季供暖需求大，在温室结构设计中为了满足冬季农作物的正常生长，需要采取有效的保温措施。北方地区主要应用的生产型温室是日光温室，通过吸收太阳能并利用自身保温性能，减少夜间能量损失，使用自动卷帘机、排风扇、热风扇、恒温系统控制箱等设施，保证温度可控可调。其次，使用较多的是玻璃智能温室大棚，其占地面积广、主体结构庞大，多为钢架结构，采用中空钢化玻璃或多层PC 阳光板作为覆盖材料，能确保保温性能。我国南方地区，冬季最低温度也可低于0℃，早春时节更需要加强保温，春季进行农作物播种后需要预防霜降和倒春寒造成作物减产的现象发生。因此，南方地区多采用薄膜连栋温室大棚，土地利用率高、保温效果好、造价相对较低，可以适应南方多山陵地区土地不平整的地域性特点。但其缺点也较明显，容易出现通风死角，植物病虫害容易传播。玻璃智能温室大棚在南方地区也很常见，但是相较于北方同类型温室，在覆盖材料的选择上有所不同，南方地区多采用单层钢化玻璃或两层PC 阳光板。

现阶段，我国温室的节能设计方法主要有4 种：一是优化结构设计，充分利用太阳能资源来对温室进行供暖；二是进行通风设计，保证空气流通达到降温效果；三是引进供暖设备提供热（冷）源，辅助升（降）温；四是采用新材料进行保（降）温，改进覆盖材料的透光性和耐久性，提高遮阳系统的功能系数。

表1 我国南北地区主要温室类型比较

1.2.2 南北地区温室保温措施差异。北方地区的温室节能措施主要应用在冬季升温环节。由于北方地区冬季气温低，平均气温在-6～-8℃，气候条件寒冷干燥，为保证日光温室内环境温度和土壤温度，需对温室进行增温调节。北方地区夏季最热月温度如表2，温度适宜，但由于光照时间长、热辐射强，热量在温室内储存，难以散发出去，会导致室内气温升高。因此，仍需采取适当的降温措施对温室进行降温处理，保证作物正常生长。

表2 中国各地区极端天气月平均气温和年平均气温

我国南方地区夏季炎热，降水量充沛，植物蒸腾作用明显，高温高湿环境对农作物生长会造成不良影响，因此夏季需对温室进行降温调节。目前可采用喷淋、风机、湿帘、遮阳网、天窗等方式对温室进行降温处理，不仅要保证温室的通风和降温，还需要调节温室的湿度，力求温湿度平衡。冬季南方亚热带季风气候地区最冷月平均气温在0～15℃，为了维持农作物正常生长的温度条件，也要采取相应保温措施。

正是由于我国南北地区地理气候条件的差异，导致我国南北温室采取的节能措施有所不同，主要设备投入也有区别。温室类型的不同，也导致同一地区节能措施的差异，因此需根据各温室的类型特点采取恰当的节能手段。

2 北方地区节能措施

2.1 优化结构设计

我国北方地区幅员辽阔，东北地区、华北地区、西北地区的冬季最冷月温度也存在巨大差异，虽然北方地区冬季白天光照充足，但是温度在15：00 左右迅速下降[9]。在结构设计上，通过合理设计温室的跨度、屋面角、脊高、后坡和防寒沟来保证温室的保温性能，可以最大程度利用太阳能来保证温室内的供暖需求。在普通日光温室的基础上，改进温室高跨比，采用最佳屋面角，可以增加透光性能；调整后坡仰角，可以避免出现过度遮阴现象；合理设计后坡内部宽度，可以保证温室墙面的储热和散热能力处于最佳水平；增设防寒沟，可以减少土壤热量的横向热传导，防止温室外冻土寒气向温室内传导，起到保温、隔热作用，提高土壤温度。吕福虎等[10]研究发现，合理的外墙结构可以显著提升保温性能，同时增加外保温被的温室保温性能，明显优于内保温温室。阎世江等[9]利用具有自动覆膜和收卷功能的日光温室内置保温提效自动装置进行试验时发现，在日光温室中加装一道塑料薄膜[11]，可以有效提高保温效果，增温3℃以上。

2.2 采用供暖设备

为了弥补冬季太阳光照时间不足、散热快而导致夜间温度降低的问题，需采用供暖设备对温室进行增温。由于燃烧煤炭污染大，违背节能环保理念，因此我国正不断推进清洁能源在温室中的应用研究。常见的增温方式有电热加温、水暖加温、暖风加温、太阳能储存系统加温、地源热泵供暖。其中地源热泵（GSHP）供暖技术是提取浅层地能后利用热泵机组转化，提供高于能耗数倍的能量为建筑供暖的空调技术，兼具保温和降温功能，有广泛的应用前景。柴立龙等[12]在北京地区一栋480m2的日光温室中采用了多井回灌地下水式GSHPs 供暖，试验表明GSHPs 系统的COP（热泵性能系数）可达到2.16～3.83，相比于燃煤锅炉，可节能约30%。赵丽平等[13]研究寒冷地区利用太阳能-地源热泵联合技术对温室进行保温的效果，发现热泵机组的热转化效率最高，但能耗明显高于柴油锅炉，因此，有效提高能源利用率成为广泛关注的话题。石惠娴等[14]对蓄能型地源热泵系统的供热系统进行优化后，不仅节约成本而且节能效果显著。周成松等[15]研究发现，在新疆吐鲁番地区利用热风机进行供暖的形式，可以达到很好的增温效果。朱新宇等[16]设计研发了一种板式CPC 复合抛物面集热器，采集太阳能对温室进行供暖，并结合地热线、热风炉和水暖等措施联合加温。现代农业生产中，供暖设施的投入使用让农业生产不间断，并且蓄热供暖技术的供暖成本低，比常规电锅炉供暖节约60%的费用。其中“相变储热清洁供暖”技术具有从生产、制造、材料的选取、使用等全过程的绿色环保清洁技术优势，具有零污染零碳排能力。

2.3 运用新型材料

新型材料的运用，如墙体材料、玻璃材料、棚膜材料、酿热加温，对温室保温有显著提高效果。通过对温室玻璃和大棚棚膜的处理和技术工艺改进，可以提高温室透光性能并阻止夜间热量的散失，部分温室采用土埋法进行覆膜处理，可以减少土壤中的能量散失。李银芳等[17]、赵丽平等[13]在各自的实验中都发现架空式双层覆膜寒冷期保温性好,有利于抵御寒冷，转暖期温室效应小，可预防烧苗抽条，最低温度大于土埋的补偿温度最多。周凯等[18]探讨了日光温室墙体的保温性能，通过对比新型复合材料墙体与单一材料的土墙和砖墙的保温隔热效果，展望未来日光墙体可能会采用的新型材料。许红军等[19]构建了日光温室的太阳辐射模型，并对墙体蓄热层厚度进行了研究。穆龙飞[20]进行了U型陶粒砌块及其围护墙体热工设计，采用新算法验证陶粒混凝土U 型砌块的热学性能优于普通混凝土空心砌块。Hui Xu 等[21]通过研究5 种墙体配置情况对室内温度和RH 环境的影响，找到了最能满足温室建筑保温要求的墙体类型为普通粘土砖墙外加泡沫聚苯乙烯墙。尤军等[22]在辽西地区进行葡萄的整地、作畦时发现，在土壤中填充酿热物后再填埋菜园土，利用酿热物发酵释放的热量，可以有效提高土壤和空气的温度。李云波[23]发现，在日光温室中悬挂反光幕，可以达到很好的增温补光作用，采用铝聚酯膜反光幕对温室进行保温，可以使蔬菜增收。

2.4 综合保温技术

综合使用墙体保温和电暖水暖增温的方式在温室管理中也得到了广泛运用。范奥华等[24]根据热能方程提出电热膜和轴流风机相结合的短时定向增温处理方式，是一种有效的临时增温措施。柯行林等[25]对比主动蓄放热加热基质系统与主动蓄放热加热空气系统时发现，主动蓄放热加热基质系统更具优势。刘森[26]发现，水循环增温蓄热技术、后墙体热风循环技术以及智能化通风地温加热3 种温室增温技术可以有效缓解温室内空气污染，有效推进节能环保新理念。陈乐涵[27]利用双拱三膜地下式阴阳棚日光温室的设计，将阴棚种植菌类等农作物产生的CO2等传送到阳棚，可以加快阳棚内农作物的呼吸作用，能为阳棚增温促进植物生长，改善内环境系统。

3 南方地区节能措施

3.1 自然通风设计

南方地区温室规模小且分布不均匀，受到地形条件的限制，难以实现规模化种植，多采用薄膜连栋温室大棚种植农作物。因此，采用自然通风设计时，需要合理规划通风窗的高度和宽度，使之处于最适宜的通风位置；通常情况下，打开顶窗或侧窗进行自然通风，外加遮阳网阻挡部分太阳光，再利用湿帘和遮阳板等降温。张日新等[30]针对温室湿帘外翻窗在结构上进风量少和开窗角度受到限制，设计了一种90°开启的侧旋窗解决上述问题，有良好的通风效果。李模其等[31]针对我国南方地区夏季高温高湿的环境，设计了一种新型顶部全开式通风塑料薄膜温室，在一定程度上解决了通风效果不佳、CO2含量升高等问题。

3.2 遮阳降温技术

另外，采用遮罩遮阳幕布也能起到一定的降温效果，且成本低、施工难度小。研究人员发现，采用外遮阳效果明显优于内遮阳，可以将热量阻挡在外。周长吉等[32]在对日光温室遮阳形式的研究中，总结了2 种遮阳系统，固定式遮阳系统主要采用遮阳网遮阳和表面喷涂遮阳2 种模式，活动式遮阳系统主要采用手动拉幕和电动控制2 种模式，活动式遮阳系统可以更好地调节温室内环境。应樱[33]在对种植红掌的温室进行试验时，比较了不同类型幕布的优缺点，发现选择高透光型保温幕外加一层闭孔散射型遮阳幕布降温效果明显。

3.3 机械通风设备

采用机械通风设备可以更好地达到降温效果，但其成本也会相应提高。黄翔等[34]发明了一种温室湿帘风机降温系统，将降温和加湿功能分开运行，满足不同环境下的降温处理要求，减少不必要功能的能源消耗。刘德志[35]在3 个地区对地热交换系统进行了研究，通过比较管道埋深处地温与对照土壤温度，发现使用该套系统晴天降温幅度大于阴雨天。目前针对温室季节性通风效果的差异，还提出了多元通风系统，即不同季节不同时间，利用自然通风和机械通风的不同特性相结合的二元系统。其基本原理是通过在机械通风和自然通风之间切换，以维持良好的室内环境，避免建筑全年运行空调系统带来的成本，节约能耗。喷雾降温是一种高压系统，将液体以极细微的水粒喷射出来，形成雾状后可以悬浮在空中，吸收空气中的热量，也是一种节能环保的降温措施。

3.4 综合降温系统

南方地区单一使用一种降温措施，已经不能满足温室排热散热要求。因此，需要综合利用多种降温措施。刘雪丽等[36]对比了“通风降温+遮阳降温”的组合降温系统在华南地区的广东和广西部分地区及海南地区的运行效果，这些地区夏季高温天气持续时间长，空气湿度大，如果采用普通的降温技术自然通风或遮阳降温，很难达到理想的降温效果，采用“通风降温+遮阳降温+蒸发降温”等综合降温系统或配备新型降温系统，可以解决以上问题。但为了避免滋生虫害，需要酌情选择喷淋时间和时长，保证果蔬作物的生长。根据温室内种植植物耐高温性能的不同，按室温划分了各类温室对湿度的要求，如表3 所示。

表3 各类温室对湿度的要求 单位：%

4 结论与讨论

根据以上调查结果表明，我国南北地区温室类型各异，在温室工程工艺、墙体材料、温室结构类型、施工工艺、冷热源、保温覆盖材料等方面存在较大差异，因而节能性能也存在显著差异。为此，南北地区因地制宜采取了不同的节能措施。常用的节能方式有主动式节能和被动式节能，主动式节能是指通过机械设备干预手段，为建筑提供采暖空调通风等舒适环境控制的建筑设备工程技术；被动式节能是指以非机械电气设备干预手段，实现建筑能耗降低的节能技术。南方地区由于地理气候环境因素，主要采用主动式节能技术，结合小型农业技术设施，不仅可以节省建筑成本，还能减少能源消耗量。北方地区采用主动和被动结合式节能技术效果显著，利用墙体、屋面作为集热面进行储热，再用太阳能集热器、管道、风机或泵、储热装置辅助升温。

随着节能、环保、绿色农业发展理念的贯彻落实，我国不断推进绿色节能措施代替传统燃烧化学燃料加温的方式，防止污染空气，同时采用新型可降解薄膜，以防止污染土地导致土壤肥力下降。为了节约能源，尽量使用清洁能源和环保材料进行节能处理，避免对环境造成二次污染。越来越多的温室大棚开始利用集中性空调系统进行节能控制，主要依靠热（冷）源系统作为运行主机，控制温室的能耗。现阶段热（冷）源设备使用的方案主要有自备锅炉+水冷冷水机组、集中供热+水冷冷水机组、地源热泵系统、地热+水冷冷水机组，利用太阳能或电能等清洁能源对机组供能，采取冷热机组不仅可减少设备数量，提高土地利用率，而且从长远看来，采用冷暖一体机可以节约生产成本，检修也更方便。通过对比南北地区温室在节能措施的差异，可以更好地设定冷暖两用机组的供热和供冷功效，避免不必要的能源浪费，节约成本。

研究人员在对温室节能性能的研究过程中，也在不断探讨如何减少温室的使用成本。造成温室使用成本高的原因归结如下：①连栋温室作为能控制或部分控制植物生长环境的生产性建筑物本身投入的费用较高，且多地出现了温室闲置，浪费土地的现象，闲置情况主要分为长期闲置和短期闲置。长期闲置的主要原因在于前期盲目投资，但由于农产品品质和销售渠道的不稳定，对后期的生产造成了很大影响，温室大棚因农户生产亏损经营不善而荒废；短期闲置的主要原因在于栽培技术问题，如何合理规划温室作物栽培的时间有待相关人员进一步研究。②塑料大棚在发展的同时，不可避免地出现质量问题，出现倒塌和局部损坏现象，造成以上问题的原因在于大棚建造时缺少相关规范和设计依据，对温室大棚安全性和耐久性的规定少。③温室全年总负荷高、运行能耗大，节能措施尚未形成标准，没有充分依据证明其措施的实用性。温室投入成本高，生产效益没有达到预期水平，温室大棚的使用率会降低，造成冬季农产品的减产、价格上升，导致民生问题。因此，有效解决温室的能耗和使用成本问题是研究人员未来的研究方向。

国内外针对温室节能进行了更深入的研究，设计了更清洁高效的节能系统。其中地源热泵系统和空气能系统是目前普遍被大众认可的节能技术，其优点是可再生性、高效节能性、显著的环境和经济效益、一机多用、应用范围广、智能化运行。地源热泵系统的安装费用略高于普通中央空调，但其使用费用较低，运行年限较长，长期使用可以节能并降低成本。目前，温室覆盖材料已经向多功能、系统化方向发展，温室规模也呈现大型化、集约化、规模化、产业化，在不断改进结构技术的同时，充分考虑节能措施的优化，有利于智慧农业温室系统的不断发展。