一种适用于高寒地区的“双膜双被双腔”高保温日光温室

周长吉 孙兆文 许喆

（1 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；2 牡丹江众恒科技有限公司，黑龙江牡丹江 157000）

日光温室是我国北方地区广泛应用的一种节能型越冬生产温室。正常设计的日光温室在北纬32°～42°地区，冬季最低温度在-30～-20 ℃期间使用基本不加温或只需要临时加温即可越冬生产喜温果菜，不仅为解决我国北方地区冬季蔬菜供应做出了杰出的贡献，而且有效开发利用了北方地区冬季闲置土地和劳动力，还大量节约了冬季温室生产的加温能耗，具有社会、经济和生态的多重效益。

就日光温室的保温性能而言，一般可保持室内外温差20～30 ℃，在室外最低温度-20～-10 ℃的地区可基本保证室内温度在10 ℃以上，正常光照条件下可保证果菜类蔬菜安全越冬生产。近年来，采用双膜双被的保温技术并辅以主动储放热技术，日光温室的室内外温差可达到接近40 ℃的水平（周长吉，2019），由此这种形式的温室可推广到室外最低温度在-30 ℃的地区。但我国北方地区地理纬度向北可延伸到北纬53°以北，冬季最低温度可达-50 ℃以下，如何突破日光温室推广应用的极限，解决高纬度地区高寒条件下冬季蔬菜生产的问题？牡丹江众恒科技有限公司创新研究设计了一种“双膜双被双腔”高效采光和保温的日光温室，结合主动储放热系统，2022-2023年冬季在北纬52.42°的黑龙江省塔河县十八站镇不加温条件下经受了-48 ℃的极寒天气条件考验，实现了蔬菜安全越冬生产，创造了目前国内日光温室室内外温差最大的运行记录。笔者总结梳理了这种日光温室的技术特点和技术创新，以供业内学习和借鉴。

1 日光温室建筑与采光

“双膜双被双腔”日光温室有效净跨度10 m、脊高6.9 m、总长度65 m（图1）。由于温室建设地地理纬度很高（北纬52.42°），冬季太阳光线的高度角很低（冬至日中午12：00 仅有14.13°），为最大限度提高日光温室冬季的采光量，温室前屋面的采光角应尽可能大。为最大限度提高温室的前屋面采光角，该温室采用了屋脊前移的做法，即增大后屋面投影宽度，减小前屋面投影宽度，使前后屋面水平投影比小于1∶1，前屋面采光角达到了53.82°，在提高温室后屋面保温的条件下，显著增大了温室采光面的采光角。

图1 “双膜双被双腔”日光温室

为了进一步提高温室前屋面的保温性能，温室设计采用了双膜结构，白天外层膜卷起，内层膜作温室围护和采光，由此，温室前屋面的实际采光角可按内层骨架计算，这样温室前屋面采光角可达61.81°，与传统日光温室前屋面采光角（30°左右）相比，采光角提高了1 倍多，由此在高纬度地区太阳高度角偏低的条件下保证了太阳光在温室透光覆盖材料上的入射角仍然在高透光率的范围内。此外，大坡度的采光面在冬季降雪期间还能使屋面积雪自动滑落，不仅延长了温室的采光时间，而且减轻了屋面积雪荷载。这是该温室适应高纬度地区运行的核心和关键，也是该温室建筑设计的最大创新。

温室后屋面仰角为35.51°，冬季温室后屋面可以全天接受阳光照射；夏至日中午太阳高度角为61.03°，温室地面走道边沿（后走道宽1.0 m）与屋脊连线的仰角为55.48°，除中午短时间外，全天绝大部分时间阳光可照射在温室作物种植地面，而且夏季由于日照时间长，基本不会影响温室作物的光合作用。

2 日光温室保温技术

由于地处高寒区域，除了最大限度采光获得能量外，加强温室保温，尽量减少温室向外散失热量是保证室内温度的重要途径。加强温室保温主要从2 条路径入手：一是在温室建筑设计中增大温室的保温比；二是加强温室各个散热面的热阻。

日光温室的保温比为温室地面面积、后墙面面积和后屋面面积之和与温室前屋面（采光面）面积的比值，该值越大温室的保温性能越好。在温室跨度和后墙高度一定的条件下，加大温室后屋面投影宽度是增大保温比的主要手段。

日光温室的散热面包括地面、墙面、后屋面和采光面，为此，温室的保温主要包括基础保温、墙体（后墙和山墙）保温、后屋面保温以及前屋面保温。

2.1 基础保温

日光温室由于跨度小，靠近温室基础地面的边际效应非常明显，主要表现为地温低。为了尽可能降低地面土壤通过基础散热，减小这种边际效应，通常的做法是在温室四周沿温室基础设置基础保温。冬季室外极端温度不低于-20 ℃或者冻土层深度不超过1 m 的地区，建设日光温室一般不做基础保温或仅在温室前部基础做保温（厚土墙温室因墙体占地面积大，外贴保温板的砖墙复合墙温室也可将外贴保温板延伸到基础放脚，再加上后走道的宽度，地面通过后墙的散热量较少，后墙基础可不做保温，但对于以保温板或保温被为围护墙体的温室，地面通过后墙基础传热的距离短、散热快，后墙基础应做保温，工程实践中可将保温被或保温板延伸到基础放脚实现对基础的保温）。但在寒冷地区，尤其是轻型保温墙体温室，为了最大限度减少温室散热，除了加强温室地面以上部分结构的保温外，减少基础散热是降低温室整体散热的重要途径。为此，在冻土层深度较深的地区建设日光温室，或者冻土层厚度并不深但为了降低温室靠近基础地面的边际效应，提高温室内环境的均匀性进而提高温室生产的效能，温室建设也会设置基础保温。本项目位于黑龙江省塔河县十八站镇，该地区冬季最低温度低于-45 ℃，土壤冻土深度达到3.5 m 以上，加强基础保温似乎是提高温室保温性能的一种必然选择。为此，本工程日光温室采用厚度为150 mm的发泡聚苯乙烯板沿温室四周基础做地面保温，保温板埋深2.0 m（图1-a、2-a），可基本保证室内土壤与室外冻土层隔离。

2.2 墙体与后屋面保温

传统的日光温室后墙和山墙多用土墙或砖墙（包括夹心砖墙和外贴保温板砖墙），墙体既是温室的承重结构，又是温室的保温结构，还是温室的被动储放热体，多功能一体化，经济实用。但这种温室结构占地面积大，对土壤破坏严重（尤其是机打土墙），砖墙温室施工速度慢、造价高，在国家严格耕地质量管理和温室建设向高效轻简化方向发展的时代背景下，传统的被动储放热砖、石或土墙结构越来越多地被主动储放热的轻型保温组装结构墙体所替代，柔性保温材料墙体日光温室由此应运而生（周长吉，2018a；周长吉 等，2022）。由于目前日光温室用柔性保温材料的防水、密封、保温和耐久性等使用性能还不能完全令人满意，为此，本工程日光温室的山墙、后墙和后屋面均采用性能稳定、使用寿命长的彩钢保温板做保温围护材料（保温板厚度200 mm），温室承力结构采用现场组装的钢结构体系（图2-b），顺应了现代日光温室的发展方向。施工中，将200 mm 厚围护保温板分为2层，错缝铺设，可避免单层保温板对接铺设形成的板与板之间的连接缝隙，完全消除了板缝间可能存在的漏风或冷桥。由于围护保温材料全部工厂化生产、商品化供应，产品标准统一、质量轻、保温好，现场施工速度快、施工质量易保证，材料使用寿命长且造价不高，非常适合轻简化组装结构日光温室的围护保温。

图2 温室基础、山墙、后墙与后屋面的保温与围护

2.3 前屋面保温

温室前屋面是日光温室白天的采光面，也是夜间的主要散热面。传统的日光温室采用柔性保温被夜间覆盖温室保温，白天卷起温室采光，这种屋面称为“单膜单被”保温屋面，其保温性能主要取决于保温被的保温、防水以及密封性能。就目前使用保温被的性能而言，“单膜单被”保温屋面温室依靠墙体被动储放热，大多只能在室外温度高于-20℃的地区运行生产，或者依靠主动储放热技术可在室外温度高于-30 ℃地区运行，而在冬季室外温度更低的地区，仅靠单层保温被日光温室越冬生产的难度将很大。为此，在室外温度低于-30 ℃的地区多采用双层保温技术，即“双膜单被”（周长吉，2020a）或“双膜双被”（周长吉，2019）保温屋面。

“双膜”指两层塑料薄膜，分外层膜和内层膜，外层膜是温室的围护结构，永久固定（通风口除外），内层膜根据需要可在白天卷起增大温室内作物采光，也可白天覆盖提高温室的保温性能。双层膜覆盖可形成二者之间的空气间层，干燥、静止的空气具有很强的隔热能力，该空气间层在夜间可形成较强的隔热层，是提高温室保温性能的关键。

“单被”为单层可卷放柔性保温被，可设置在外层塑料膜薄外表面，也可设置在内层塑料薄膜外表面（周长吉，2020a；孟伟玉 等，2023）。将保温被设置在外层塑料薄膜外表面，如同传统“单膜单被”屋面，保温被要求防风、防雨、抗紫外线老化，但如将其设置在内层塑料薄膜外表面，由于受外层塑料薄膜的保护，保温被对防风、防雨、抗紫外线老化的要求显著降低，一方面对保温被的一些性能参数要求降低，可降低保温被的制造成本，另一方面，保温被不受风吹雨淋，对保持其保温性能也具有非常积极的作用。由于单层塑料薄膜的厚度薄、热阻很小，内置保温被的“双膜单被”屋面往往在寒冷的夜间会在外层塑料膜上结霜或结冰，给翌日早晨温室的采光和升温带来很大影响。为增强温室的保温性以及同时解决单层保温被内置造成外层塑料薄膜夜间结霜的问题，在寒冷地区一般都采用“双膜双被”屋面，即在内外两层塑料薄膜的外表面均覆盖柔性保温被。

从提高温室保温性来讲，不论是“双膜单被”还是“双膜双被”结构屋面，除了保温被自身的保温性能外，双层膜（被）之间的空气间层是提高温室屋面保温性能的关键，塑料薄膜对提高温室屋面的保温性能几乎没有贡献。延伸这一理念，在“双膜单被”或“双膜双被”的基础上，保持原保温被性能不变再增加一层空气间层，可进一步增强温室屋面的保温性能，由此形成了“双膜双被双腔”的设计理念，这也是适应高寒地区对温室高保温要求的一种经济有效的解决方案。这里的“腔”即为“双膜双被”之间形成的空气间层，也称“空腔”。

在工程上筑造“空腔”的方法是采用增加骨架层数。“单腔”需要双层骨架，“双腔”则需要3 层骨架。理论上讲，3 层骨架可形成“三膜三被双腔”的最强保温结构，就是在每层骨架上覆盖塑料薄膜和保温被，调整和组合每层骨架上覆盖的塑料薄膜和保温被，可形成“三膜单被双腔”“三膜双被双腔”“双膜单被双腔”“双膜双被双腔”“双膜三被双腔”“单膜三被双腔”“单膜双被双腔”等多种保温屋面。其中“双膜双被双腔”还可进一步有“膜-被/膜-被”“膜-被-被/膜”“被/膜-膜-被”“被/膜-被-膜”等多种组合方式。对于日光温室，增加骨架层数，不仅增加温室建设成本，而且还压低了温室的种植空间、增加骨架遮光面积，因此，根据每层骨架的作用荷载，尽量减少骨架的截面和数量或者用托/压幕线（周长吉，2017）等措施替代骨架，可最大限度减少骨架对作物的遮光。

本温室采用了“膜-被/膜-被”的“双膜双被双腔”结构，既保留了“被/膜-被/膜-被”的最强保温增补措施（直接在外层塑料膜上增设外保温被即可实现），又将全部保温被内置，降低了对保温被防水、防风和抗老化的要求，应该说是一种优良的工程设计方案，唯一不足的是外层膜由于热阻小，寒冷夜晚可能会在表面结霜，给采光和卷膜通风带来不利影响（解决方案见4.2）。

① 外层骨架与薄膜结构。外层骨架采用单管拱架支撑单层塑料薄膜，形成日光温室前屋面外表面围护。塑料薄膜采用传统的日光温室用塑料薄膜，沿温室屋面高度设3 层摆臂式侧卷膜（孟伟玉等，2023），控制屋面通风（图3-a），夜间关闭所有通风口，与中间的保温被和塑料薄膜形成温室的外层空腔，实现夜间保温；白天温度适宜时可将外层屋面薄膜全部卷起，从而在保留内层塑料薄膜围护的条件下实现温室最大限度的采光（图3-b），也可根据室内外温光条件变化部分或全部关闭通风口，实现温室的适时保温，使温室的温光环境管理更具操作的灵活性和便利性。

图3 外层骨架支撑外层膜，并与内层膜形成外层“腔”

② 内层骨架与膜/被结构。这里的“内层骨架”实际上是“双膜双被双腔”结构中的中层骨架，由于第3 层骨架并未形成完整的承力体系，由此中层骨架实际上就成为了内层骨架（图1-a）。与外层骨架相同，内层骨架也是前后端分别固定在温室前基础和后屋面梁上的拱杆，两者均采用相同截面材料的椭圆管单管。由于内层骨架上安装保温被对设备运行空间的要求，内外两层骨架不能做成完全平行的双层拱架（完全平行将大幅压缩温室前部生产空间），而是适应保温被卷放过程中被卷直径变化的要求，将2 层骨架的间距设置为前部小、后部大，由此可最大限度增大温室室内地面种植面积。

内层骨架上覆盖塑料薄膜与外层骨架相同。为满足温室通风的需要，对内层骨架覆盖的塑料薄膜在其下部也设置了侧摆臂卷膜通风系统（图4-a）。不同于传统的双层保温日光温室结构，为提高温室地面利用率，该温室没有在温室内设置内山墙，由此使内层塑料薄膜卷膜通风的摆臂杆及卷膜器失去了安装的支撑。为此，本设计将内层膜的底脚通风卷膜摆杆和卷膜器如同外层卷膜器一样安装在了温室的山墙外，由于内层骨架及其上覆盖薄膜在山墙弧面的内侧，为满足卷膜轴安装的需要，在温室山墙内层膜卷膜通风的运行轨迹上开设了键槽（图4-b），形成摆臂杆的运行轨道。冬季寒冷季节温室运行基本不打开底脚通风口，因此山墙上键槽孔处于密封状态（图4-c），待室外气温上升后再打开键槽孔，启动底脚通风口运行。

图4 内层膜底脚通风系统

内层骨架上保温被采用传统的针刺毡保温被。由于受外层骨架和外层塑料薄膜的空间限制，传统的二连杆卷帘机、行车卷帘机、滚筒式卷帘机等外保温被卷帘机因操作空间受限而无法应用，摆臂式卷帘机因需要在室内设置内山墙占用生产空间，设计中也没有采用。虽然也有企业开发出适应内保温的卷帘机（周长吉，2020b），但该温室设计者还是采用了最传统的屋顶卷轴拉绳卷被系统（图5）。在温室屋脊处内外两层骨架间间隔设置立杆，连接两层骨架的同时也为固定卷帘机的卷轴提供了支撑。在卷轴上缠绕卷绳，卷绳铺设在保温被下，电机减速机驱动卷轴转动同时缠绕并拉动卷绳可卷起保温被（图5-b）。铺放保温被时，反向转动卷轴放松卷被绳，在保温被自重的作用下可自动打开保温被，实现保温被的覆盖（孟伟玉 等，2023）。

图5 内层骨架支撑保温被及其驱动系统

③ 内层保温被及其支撑结构与传动设备。这里的“内层保温被”区别于安装在内层骨架上的“外层保温被”，实际上是“双膜双被双腔”结构最内侧的保温被。由于该层保温被下没有覆盖塑料薄膜，虽有的企业采用了平卷被的方式启闭保温被（周长吉，2018b），但这里为简化支撑骨架，内层保温被及其支撑和驱动系统采用了2 段式结构：前部为直立拉绳卷被结构（简称“卷被结构”），后部为水平吊挂拉被结构（简称“吊被结构”）。2 段结构分别采用不同的保温被、支撑结构和驱动系统，两者的支撑结构和驱动系统完全独立，但保温被却整体连接，从外形上看，整体形成一套严密的二折式保温层（图6）。

图6 内层保温被及支撑结构

前部卷被结构段使用的保温被与外层保温被相同，为针刺毡保温被，厚度20 mm，但支撑保温被的骨架采用了一种悬臂曲杆（图7-a），下端固结连接到基础，并与内层骨架形成连接（图7-b），上端自由悬空并通过组装卡件用1 根沿温室长度方向通长的纵向系杆将所有曲杆端部连接成一个整体（图7-c）。曲杆采用椭圆管，间距3 m，系杆采用圆管。这种支撑结构挡光少，基本也不影响温室内生产作业，是一种经济有效的工程措施。

图7 内层保温前部卷被支撑结构

控制保温被的启闭采用了与外层保温被相同的卷轴拉绳卷帘机原理，电机减速机置于温室中部双向输出动力，通过齿轮和链条传递动力带动卷轴转动（图8-a）。与传统的卷轴拉绳卷帘机不同的是该卷被系统用宽幅、轻薄、柔韧的编织膜替代了卷被绳（图8-b），将编织膜一端固定到后部吊被结构段的活动边，另一边从保温被下部兜出后缠绕在卷轴上。电机正转，卷起编织膜从而带动保温被卷起（图8-c）；电机反转，卷开编织膜，依靠保温被卷的自重自动铺展在悬臂曲杆外表面，实现温室保温。从卷轴卷放编制膜的效果看，类似通风口卷膜的卷膜轴，卷轴上缠绕的编织膜薄，卷起编织膜后卷轴的直径小，为后续的吊被结构节约了空间。

图8 内层保温前部卷膜卷被及驱动系统

卷被系统的电机、电机减速机以及转轴作为一个整体固定在后部吊被结构段的活动边横梁上。当前部保温被卷过曲杆的顶端后即和后部的吊挂结构形成一个整体，卷被电机停机，整个卷被系统成为后部吊挂结构的前置部分，随吊挂保温被的运动而运动。

后部吊挂结构的支撑结构为一组沿温室跨度方向通长设置的水平桁架（图9-a），前部与温室的内层骨架相连（图9-b），后部与温室后屋面骨架或后墙立柱相连（图9-c），桁架的下弦杆安装通长的齿条，形成保温被启闭的动力传输机构，这是本项目的重大创新之一。

图9 内层保温吊挂平拉被支撑结构

吊挂部分的保温被采用了自主研发的8 层结构保温被，内外两侧缀铝箔发泡聚乙烯，整体粘合为一张，厚度20～25 mm，热节省率80%，具有保温性能好、密封严密、防水并反射红外线的功能。

在保温被的下部，沿温室跨度方向间隔设置沿温室长度方向通长的压条（可以是铝合金条或镀锌钢板条，图10-a），自攻自钻螺栓通过压条将保温被固定在其上表面与压条对应位置设置的吊杆上，吊杆再吊挂到水平桁架的下弦杆上，由此将保温被整体吊挂在了温室桁架上（图10-b、c）。吊杆与桁架下弦杆吊挂连接时采用了U 形夹板，夹板的下端固定焊接到吊杆上，上端则连接滚轮，通过滚轮将吊杆吊挂在桁架上（图10-b）。当保温被沿温室跨度方向展开或收拢时，滚轮在桁架下弦杆上表面往复滚动，由此保证了保温被的平稳运行。

图10 内层保温吊挂平拉保温被安装

驱动保温被启闭的动力系统是一套齿轮齿条机构。电机减速机置于温室长度方向的中部，双侧输出动力（图11-a）。电机减速机输出动力轴连接沿温室长度方向通长的传动轴，传动轴上连接齿轮，齿轮的位置与桁架下弦杆上齿条位置一一对应（图11-b）。由于齿条固定在桁架上不动，传动轴转动将带动齿轮运动，实际上传动轴就形成了保温被水平运动系统的活动边，传动轴所在位置基本也就是水平运动保温被的边界位置。

图11 内层保温吊挂平拉保温被驱动系统

由于齿轮在齿条的下方（图11-b），而电机减速机又只能安装在桁架的上弦杆上，由此从电机减速机输出的动力输出轴与连接齿轮的传动轴之间不在一个平面内（图11-a）。为实现电机减速机动力向齿轮传动轴的传递，设计采用了两端带万向节的过渡传动轴，一端连接电机减速机的输出轴，另一端连接齿轮的传动轴（图11-b），由此解决了动力传输的问题。

实际上，前部的卷被在卷过悬臂曲杆后就通过缠绕在卷轴上的编织膜吊挂在卷轴上，卷轴支撑在轴承座上，轴承座固定在水平吊挂拉被系统的驱动边上（图11-c），由此在水平吊挂拉被系统运动时将直接带动卷被系统同步运动。值得注意的是，卷被系统的卷轴与拉被系统的齿条应留出足够的间隙（图11-c），以免拉被系统水平运动过程中齿条摩擦或碰撞卷被系统的卷轴。

3 日光温室主被动储放热

该温室包括2 套主被动储放热系统：后墙水柱被动储放热系统和气水热交换土壤主动储热系统。

3.1 后墙水柱被动储放热系统

以水为工质，利用日光温室后墙，接受照射到后墙面的太阳辐射和室内高温对流换热热量提升工质温度储存热量是日光温室最经济有效的一种主被动储放热方式，其中布设工质的方法有水管、水板、水带（周长吉，2018c）、水桶（周长吉，2019）等多种方式。

该温室采用了水柱储水的方法（图12），靠近温室后墙密布水柱，每根水柱的直径为190 mm，高度为2 m，总储水量为18 m3。水柱的承力和外围护为钢管，表面涂黑便于吸热，同时也起到防锈的作用，钢管内衬焊合的筒状塑料薄膜，塑料薄膜筒内装水。这种做法，内层塑料薄膜保证了水柱内热工工质不会泄漏，外层钢管保证了水柱的强度并具有良好的导热性能，是一种经济有效的被动储热方式。

图12 后墙被动储放热水柱

3.2 气水热交换土壤主动储热系统

气水热交换土壤主动储热系统由气水热交换机、主供回水管路、地中换热盘管、动力水泵以及控制系统等组成（孙兆文 等，2022a）（图13）。其中气水热交换机安装在温室室内靠近屋脊部位，白天运行将温室内高温空气通过风机吸入机体，机体内安装有冷水盘管，当高温空气经过冷水盘管时两者发生热交换，将高温空气中的热量交换到冷水盘管的水中，从而降低空气温度同时提高盘管中水的温度。经过热交换的高温空气降温后从交换机的出风口排出，返回到温室降低温室内空气温度，同时在风机动力的作用下，还可以在温室内形成空气扰流，使温室内空气温度更均匀（图14-a）。冷水盘管与热空气发生热交换后，提高盘管中水温形成高温热水，并通过安装在交换机上的供回水主管将热水导入埋设在温室地面土壤中的毛细管中（图14-b，可微信扫描图13 中的二维码查看视频3），使毛细管中热水与土壤再进行二次热量交换，从而将温室内空气热量传输到地面土壤中，通过提升地面土壤温度并将空气热量储存在土壤中，达到提高土壤温度的目的（周长吉，2012）。

图13 气水热交换系统原理图

图14 气水热交换土壤主动储热系统

从温室内空气热交换的角度讲，气水热交换机是一台空气降温机兼空气扰流的循环风机。从供回水主管及地面土壤毛管中循环水热交换的角度讲，气水热交换机又是一台地面土壤的加温机。

本工程中，毛管为直径20 mm 的塑料软管，在地面土壤中埋深30 cm，毛管之间间距350 mm。水气交换机风机的功率为180 W，循环水动力水泵功率为370 W，每台气水交换机工作的温室长度为30 m，带动温室面积250～300 m2。具体工程设计中可根据实际条件进行设备各管路的选配。

4 其他配套技术

4.1 温室通风除湿技术

温室的通风，除了外层骨架覆盖塑料薄膜的3个卷膜通风口及内层骨架覆盖薄膜的底脚卷膜通风口外，在温室的后屋面靠近屋脊处还设置了通长的通风口，称为后屋面通风窗。后屋面通风窗宽度1.0 m，窗扇采用与后屋面相同的彩钢保温板，在温室内配套齿轮齿条开窗机构以上悬窗形式开窗（图15）。夏季温室需要通风量大时，可打开前屋面全部通风口和后屋面通风窗，在温室中形成沿跨度方向的穿堂风；冬季寒冷季节，白天可打开外层骨架覆盖塑料薄膜的通风口，关闭内层骨架覆盖塑料薄膜通风口，温室以采光和保温为主，需要通风时，可短时间打开后屋面通风窗进行通风换气，大部分时间所有通风窗关闭实现保温。其他季节可视室内外温度和光照的变化，在打开外层骨架覆盖塑料薄膜通风口的条件下，适时开启前屋面内层骨架覆盖塑料薄膜底脚通风口，并与后屋面通风窗结合，灵活控制温室通风。

图15 温室后屋面通风窗

为解决冬季温室为保温减少通风带来温室内湿度过高的问题，设计在温室的两侧山墙安装了通风除湿设备（图16-a）。该除湿机具有除湿、通风和热量回收的多重功能（孙兆文 等，2022b），在排除室内高温高湿空气、引进室外低温低湿空气进行通风、除湿以及引进室外CO2的基础上还能将室内高温空气携带的热量传递给室外低温空气返回到室内，从而实现能量的回收。通风除湿机内设有热交换器，配置了2 台风机分别抽送室内和室外空气（图16-b），2 台风机分别将室内湿热空气和室外干冷空气抽送到热交换器的内外表面，通过热交换器进行2 路空气热交换，经过热交换的室内高温空气放热后排出室外，同时将空气中水汽析出或排除，室外干冷空气升温后引进室内，实现温室内外空气交换，引进室外CO2。在通风除湿机的进出风口设置了通风风量调节阀，可根据通风量需要调节通风量的大小。这种设备有效减少了温室通风过程中的热量损失，具有显著的节能效果，非常适用于寒冷地区冬季低通风量要求的日光温室通风换气。

图16 温室通风除湿设备

4.2 温室外层薄膜消霜技术与设备

为了解决外层膜不覆盖保温被时，冬季寒冷地区夜间塑料薄膜易结霜或结冰、影响翌日温室采光的问题，设计者研究开发了一套用于消霜的可收放反光幕（图17）。该反光幕采用柔性黑白幕布，沿温室长度方向通长设置。其上部固定边固定在内层骨架下屋脊处（图17-a），下部活动边可运动到吊挂内层保温被桁架上弦与内层骨架的连接点。反光幕展开后形成一张从内层骨架屋脊到吊挂保温被展开位置的倾斜面（图17-b），朝采光面一侧为黑色，阳光透过采光面照射到黑膜表面进行光热转化，使采光面和黑膜中间的空腔快速升温，融化采光面棚膜上的霜。由于反光幕位于吊挂保温被的上部，在日出后保温被未打开之前，展开反光幕可对外层塑料薄膜表面进行提前消霜，尽量缩短对温室内作物采光的影响，待外层塑料薄膜上冰霜融化后可收起反光幕，完全不影响温室内作物的采光。事实上，夜间展开反光幕，相当于在内层骨架与吊挂保温被之间又增加了一层隔热空腔，在一定程度上还能增加温室的保温性能。为了尽量减少反光幕支撑骨架对温室的遮光，反光幕的支撑采用了透明的聚酯线，两端分别固定在温室后屋面骨架和内层骨架的纵向系杆上（图17-c）。

图17 消霜反光幕及其支撑

控制反光幕启闭采用了摆臂式卷膜器（图18）。由于反光幕反光对其与温室覆盖物之间的密封性要求不高，为此，摆臂式卷膜器安装在了温室山墙的内侧，一是省去了为固定和支撑卷膜器而需要建设的内山墙，节约了建设投资；二是避免了如内层骨架覆盖塑料薄膜底脚通风口启闭卷膜器安装在山墙外时需要在山墙上开槽而造成对温室山墙强度和保温性的影响。

图18 反光幕驱动系统

5 日光温室性能

2022年底温室建成后立即投入到生产。为了更精准分析和评价温室性能，2022年12月至2023年2月在温室内外分别设置了温度传感器，测定相应部位的温度。温度传感器布置位置如图19，分别测定温室种植区温度（设置在温室中部距离地面1 m 高度）、温室内地面土壤温度（分别设置在温室沿跨度方向的中前部和中后部，距离地表下15 cm）、2 层保温被之间温度和被动储热水体温度。

图19 传感器布置位置

测试期间遇到了当地50年一遇的极端寒冷天气，室外最低温度达到-43 ℃，但温室内最低温度在保温被覆盖保温期间始终保持在了9 ℃以上，室内外最大温差达到50 ℃以上，创造了国内日光温室保温的最高记录。从典型天气的测试结果看（图20），晴天天气条件下，即使室外温度夜间降低到-40℃，室内最低温度也保持在9 ℃以上，只在早晨揭帘的短时间最低温度达到7 ℃，但白天的最高气温可达到25～30 ℃；阴天温室内温度变化幅度不大，最高温度接近15 ℃，但最低温度仍在9 ℃以上，说明温室具有良好的保温性能，其中地面和后墙面水柱的储热也发挥着一定作用。

图20 冬季最冷月典型天气条件下温室内外温度

从室内空气温度看，基本达到了果菜类蔬菜越冬生产的条件。只要在早上保温被打开的短时间内做一点临时补温，温室可安全越冬生产果菜类蔬菜。

从内保温的保温效果看（图21），附加内层保温被提高了室内空气温度7～8 ℃（保温被覆盖期间室内空气温度与保温被间温度之差），说明内层保温具有良好的保温隔热效果；从被动储放热的水体温度看，白天最高水温可达30 ℃左右，夜间放热后水温降低到20 ℃以下，一般有10 ℃以上的温差放热量，被动储放热对补充温室的夜间散热具有一定的贡献；从温室土壤温度看，地表以下15 cm深度地温基本稳定在15～20 ℃的范围内，昼夜变化幅度不大，说明温室基础四周的保温是有效的，地面土壤热交换系统也具有一定的作用，土壤温度基本能满足喜温果菜生产要求。

图21 温室内各部位温度变化

从揭被前温室内热成像图（图22）看，后墙的被动储放热水柱揭被前温度最高，仍然处于向温室放热的状态，说明后墙储热水柱对温室补能具有非常积极的作用。同时也看出，屋面保温被和地面温度分布均匀，只有前屋面底脚处有显著的冷条带，或许是保温被底脚密封不严的结果，在运行管理中应注意观察和调整卷帘机的展停限位。

图22 揭被前温室内热成像

总体看，“双膜双被双腔”日光温室具有良好的保温性能，在北纬52°地区室外最低温度达到-40 ℃的条件下具有安全越冬生产果菜类蔬菜的能力。由于测试还不够精细，对每种设施设备在温室保温和增温方面的贡献尚无法给出精准的答案，后续的研究将进一步精准分析，尤其要研究在不同气候区推广应用中配置什么样的设施设备以及如何取舍该温室的现有配置，以期能根据不同气候条件和不同种植要求提出规范化温室设施设备配置方案，为这种日光温室的大面积推广应用打下基础。同时从造价的角度考虑，减少设备配置也可相应降低日光温室造价（该日光温室的建设投资约800 元·m-2）。