蒙古国温室设计与建造研究＊

何 芬，盛宝永（农业农村部规划设计研究院/农业农村部农业设施结构设计与智能建造重点实验室，北京 100125）

蒙古国地处亚洲中部，国土区域位于北纬41 °35 ′～52 °09 ′、东 经88 °44 ′～119° 56′。东、南、西三边同中国接壤，北面与俄罗斯的西伯利亚为邻。农牧业是蒙古国的传统产业，是国民经济的基础，也是加工业和生活必需品的主要原料来源[1]。但蒙古国农牧业发展水平低，生产技术落后，仍以粗放型农牧业为主。蒙古国种植的主要农作物分两类，一种是粮食作物类，主要是小麦种植较普遍，产粮区分布在中央省、色楞格省、布尔干省等乌兰巴托以北地区，还有少量油菜种植。另一种是蔬菜类，品种较多，以土豆为主，还有白菜、萝卜、蔓菁、黄瓜、西红柿、芹菜以及少量的西瓜等。蒙古国的粮食和蔬菜均依赖进口，小麦、土豆生产基本可满足国内需求，但蔬菜生产只可满足国内需求的60% 左右。主要原因是蒙古国山地沙漠和戈壁多，适合种植蔬菜水果的地方少，且蒙古国降雨少、干旱，蒙古国人生活习惯多为游牧民族习性且种植水平低、经验欠缺。为此亟需通过发展设施园艺创造适于作物种植的环境，改变靠天吃菜的现状。

蒙古国气候条件

蒙古国气候为典型的温带大陆性气候，终年干燥少雨，夏季炎热，冬季酷寒，冬季最低气温可至-40 ℃，夏季最高气温可达38 ℃，昼夜温差大，无霜期短。年平均日照时数为2600～3300 h，是全世界日照时间最长的国家之一，日照时数自北向南递增。年平均降水量为230 mm，全年降水量大部分集中在暖季4～10月份，占全年降水量的85%～90%，仅7～8 月份降水量占全年降水量的50%～60%。冬季降水量占全年降水量的10%～15%。总体来说，蒙古国太阳辐射强烈、干旱缺水，适于发展温室生产，但冬季最低气温过低，也给温室越冬生产带来一定的困难和挑战。

蒙古国温室概况

蒙古国拥有夏季生产温室和越冬用生产温室，在一定程度上满足国内的蔬菜供应需求，这些温室每年向蒙古国内市场供应5800 t 蔬菜，2019 年蒙古国共进口了1.55 万t 蔬菜[2]。2020年因为新冠疫情，暂停了从中国入境的货运业务，蒙古国内发生蔬菜短缺问题。如果想由蒙古国内自行满足100% 的蔬菜供应需求，需再增加50 hm2的越冬用生产温室，夏季生产用温室的面积同样也要大幅增加，而且必须要大力扶持温室企业。目前蒙古国内由温室种植的蔬菜，只满足了国内蔬菜供应需求的25%。2020 年，蒙古国政府为提高种植业发展和国内蔬菜供应能力，向经营种植业企业和个人发放年息3% 的1500亿图格里克贷款（约合3.8 亿元人民币），免费分发700 hm2面积种植种子，扩建20 hm2面积冬季蔬菜大棚并提供相应的技术支持，改善现有蔬菜储藏地窖条件，拟将蔬菜进口税提高至30%等。计划将2020 年国内种植业提高40%，蔬菜进口下降60%～70%[3]。

蒙古国温室类型以日光温室和塑料大棚为主，种植作物有果菜、叶菜、草莓等。蒙古国温室建造设计多依靠国外技术，设计建造水平较低，缺乏设计标准，温室类型多样。图1 为三折式单坡屋面温室，温室骨架为钢骨架，屋面覆盖材料为塑料薄膜，墙体结构为异质复合墙体，两边为加气混凝土砌块，中间芯材为模塑聚苯板。图2 为钢管骨架塑料大棚，结构与中国的差异不大，主要用于叶菜生产。目前蒙古国温室越冬生产主要依靠配套内保温幕及热风炉等采暖加温设施，当室外在-40℃的寒冷条件下，室内部温度可保持在15℃以上，保证蔬菜的正常生产。

图1 三折式单坡屋面日光温室

图2 塑料大棚

蒙古国日光温室设计

温室设计以蒙古乌兰巴托地区为例，通过对当地的气候环境进行分析，基于经济条件、能源消耗等情况，选择日光温室作为该地区蔬菜生产的主要设施。乌兰巴托的纬度（北纬47.92°）与中国黑龙江省的齐齐哈尔（北纬47.38°）、海伦（北纬47.43°）、伊春（北纬47.72°）、富锦（北纬47.23°）等地接近，在日光温室的建设上可进行一定的借鉴。

主体尺寸确定

日光温室长度宜60～120 m，跨度6～12 m。考虑乌兰巴托地区纬度≥45°，日光温室跨度设计为6～9 m。依据NY/T3223-2018《日光温室设计规范》，当日光温室跨度L0 为6～9 m 时，计算出日光温室的建筑参数，如表1 所示。

围护结构设计

日光温室墙体采用异质复合墙体或单一材质土墙。乌兰巴托与伊春纬度最接近，在进行墙体设计时，围护结构保温设计室外计算温度取值借鉴伊春地区，取值-34℃，采暖室外计算温度-27.2℃。插值法计算出乌兰巴托地区异质复合墙体低限热阻为6.5（m2·℃）/W、单一材质土墙低限热阻2.9（m2·℃）/W。墙体热阻计算如公式（1）：

式中：

R——复合墙体总热阻，（m2·℃）/W；

ho——墙体外表面空气对流换热系数，ho=23W/（m2·℃）；

δj——墙体第j层厚度，m；

λj——墙体第j层的导热系数，W/（m·℃）；

hj——墙体内表面空气对流换热系数，hj=8.7W/（m2·℃）。

根据低限热阻可选择墙体结构及材料，当墙体为单一夯实黏土时，则墙体厚度为2.6～3.2 m；当墙体为砾石时，则墙体厚度为5.6 m。

日光温室后屋面应由承重层、保温层和防水层组成，其中保温层低限热阻应满足公式（2）。

式中：

Rb——后屋面保温层低限热阻，m2·℃/W；

Ti——日光温室保温设计室内计算温度，可按种植作物的生育低限温度确定；喜温果菜取值12℃，叶菜取值5℃。

To——日光温室保温设计室外计算温度，取值-34℃。

α i——围护结构内表面换热系数，取值8.7 W/（m2·℃）；

αo——围护结构外表面换热系数，取值23 W/（m2·℃）。

计算出生产果菜的保温层低限热阻3.49（m2·℃）/W，生产叶菜的保温层低限热阻3.36（m2·℃）/W。

温室环境性能模拟

确定好日光温室总体参数及墙体组成后，采用中国农业大学马承伟研究团队[4]开发的热环境模拟软件对不同日光温室设计方案进行性能模拟及评价。在软件中地理气象参数直接选择伊春地区，如图3 所示。温室一般性数据输入设置中，设置温室方位偏西5°，前屋面为薄膜覆盖，草帘或保温被的传热系数为0.5 W/（m2·℃），具体如图4 所示。

图3 地理位置与气象条件参数设置

图4 一般性数据输入设置

设置温室长度80 m，跨度选择6、7、8、9 m，墙体截面为矩形，材料为夯实黏土，厚度为3.2 m时，温室下沉0.5 m，模拟结果如表2 所示。

表2 矩形墙体模拟结果

设置温室长度80 m，跨度选择6、7、8、9 m，墙体截面为梯形，材料为夯实黏土，上部厚度为1.5 m，下部为4.9 m 时，温室下沉0.5 m，模拟结果如表3 所示。

表3 梯形墙体模拟结果

通过模拟结果可以看出，表2 和表3 中的各类指标值均随着温室跨度的增大而增大，梯形截面墙体的温室性能较矩形截面温室更好。当跨度为9 m、墙体为梯形截面时，温室整体性能最好，此时室内夜间日最低气温最低值为-5.49℃，夜间平均气温仅为-0.31℃。从结果可以看出，在无加温的条件下，无论采用哪种设计方案，在蒙古国要想实现日光温室越冬生产，仅依靠温室本身围护结构和土壤的蓄热保温作用无法达到正常生产蔬菜的目的，必须通过辅助加温等技术手段提升室内温度环境。

发展建议

基于蒙古国气候、经济、资源等条件，研究提出了日光温室是适于蒙古国进行设施蔬菜生产的主要设施类型。通过借鉴中国日光温室设计及建设经验，给出了适于蒙古国乌兰巴托地区的日光温室建筑和围护结构的设计参数，并采用温室环境性能模拟软件对不同设计方案进行了比较分析，结果表明在该地区仅依靠日光温室本身结构的保温蓄热性无法进行越冬生产，提出提升室内温度环境的建议。

提高温室保温覆盖能力

日光温室热量散失主要包括通过覆盖材料的透射传热、通过缝隙的换气传热和地中传热，分别占比为70%～80%、10%～20% 和10%。可见必须要提高温室前屋面的保温覆盖能力。可以采用传热系数小、保温性能好的保温被，或者采用多层覆盖，双层薄膜较单层室内可提高3～5℃，三层可提高5～6℃。也可借鉴内蒙古农业大学崔世茂教授团队[5]开发的双膜双被结构，一方面通过双层保温材料的双重热阻提高温室保温性能，另一方面通过双层保温材料之间的空气间层绝热进一步增大温室屋面的热阻。

配套被动储热和主动加温设备

因蒙古国冬季最低温度达到-40℃，白天太阳辐射强，除了依靠温室墙体、土壤的蓄热，还需要尽可能提升对白天太阳能的利用。早期主要利用水等媒介吸收的太阳能量，构建地中热交换系统对室内土壤进行加热，但因其工程量较大，蓄、放热效果有限，没有获得大量应用[6]。较多研究者通过内部或外部集热装置将太阳热能收集、贮存于水体中，夜间使之释放到温室内，提高室内的气温，或将热水通入室内地下，提高室内地温[7-10]；同时，相变潜热贮热的方法也被应用于日光温室中，与水体贮热相比，这种方法能够大大降低贮热设施的体积[11-12]。加温设备方面，可以采用热风炉、热风机等加温设备直接进行加温，升温效果显著。