高效節(jié)能日光溫室墻體結構及保溫性能的研究現狀

羅旋　蔡忠杰　孫英玲　那桂秋

摘要：高效節(jié)能日光溫室是北方寒地冬春季進行蔬菜栽培的理想場所。概述當前高效節(jié)能日光溫室的墻體結構及其保溫性能的發(fā)展情況，簡要探討不同墻體結構對溫室保溫性能的影響，為高效節(jié)能日光溫室的優(yōu)化設計提供參考。

關鍵詞：日光溫室；墻體結構；保溫性能；溫度；現狀

中圖分類號：S214.3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）03-0025-02

高效節(jié)能日光溫室以充分利用太陽輻射熱為基礎，綜合各種配套設施，能夠有效提高溫室的透光性能和保溫性能，克服溫室冬季生產的不利因索，是一種可以實現高產、高效、優(yōu)質栽培的農業(yè)生產模式。高效節(jié)能日光溫室能夠有效提高土地及其他相關資源的利用率，是北方寒地冬春季進行蔬菜栽培的理想場所。

1 日光溫室圍護墻體結構研究

在傳統(tǒng)的溫室設計理論中，墻體和后屋面的主要作用是承重和隔熱。而高效節(jié)能日光溫室的墻體和后屋面則要求既能承重、隔熱，又能載熱，即白天蓄熱，夜間放熱。與普通日光溫室相比，高效節(jié)能日光溫室在提高溫室前屋面采光性能的同時，加強了墻體和后屋面的保溫蓄熱性能，白天得到的熱量只有一小部分透過墻體和后屋面散失到室外，大部分熱量蓄積在土壤、墻體和后屋面，夜間再傳遞到室內。所以，高效節(jié)能日光溫室的墻體和后屋面與地面一樣，白天是蓄熱體，夜間是放熱體，即熱源。

日光溫室墻體應牢固、支持力強、不易損壞。早期的墻體結構多是厚度較大的夯實土墻或草泥墻，造價低，占地面積大，防水能力差，經常出現坍塌現象。后來，墻體結構發(fā)展為紅磚墻，造價高，且單薄的磚墻保溫能力有限。此后，人們試著在磚墻中間夾隔熱材料，關于日光溫室組合墻體的研究就此展開。

董仁杰等在建立求解驗證日光溫室熱環(huán)境理論模型時提出，溫室后墻對保證溫室熱環(huán)境具有重要作用，而且其夜間的作用大于白天。翟國勛的研究表明，溫室后墻內側200 mm以內的溫度波動較大，證明日光溫室后墻能貯積太陽能。趙東等認為晴天時墻體白天積蓄的一部分太陽輻射能，在夜間釋放到空氣中；陰天時的主要熱源是墻體散熱。圍護結構是一個大的蓄熱體，其白天吸收大量太陽能，夜間釋放出熱量，在溫室中起著積極作用。

為增加墻體的保溫蓄熱能力，一是設計異質復合墻體，內層選擇蓄熱系數大的建筑材料，外層選擇導熱率小的建筑材料；二是加大厚度。

目前，常用的墻體有單一材料墻體（如垛土墻、磚墻等）和復合墻體（如紅磚+苯板+紅磚、紅磚+珍珠巖+紅磚、粉煤灰磚+苯板+紅磚等）。郭慧卿、李振海等的研究表明，從穩(wěn)態(tài)傳熱的角度看，熱阻作為墻體熱工性能評價指標具有局限性，還應綜合考慮墻體材料的其它熱物理特性，如材料蓄熱系數。蓄熱系數較大的墻體，無論其厚度如何，地溫及氣溫均難以優(yōu)于由膨脹珍珠巖一類高效保溫材料參與復合的墻體。建筑物的保溫性能用圍護結構的總熱阻R來評價，RR越大，其傳熱量越?。籇值是圍護結構的熱惰性指標，表征結構的熱穩(wěn)定性，結構的D值大，室內溫度波動小。對于日光溫室的保溫性能，目前還沒有統(tǒng)一的評價指標，白義奎，王鐵良參照國家行業(yè)標準《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》，以D（或R+D）值作為評價指標，要求外墻D≥3.0（K≤15 W/（m2·K）），日光溫室應盡量采用較大的R及D。

雖然紅磚是我國絕大多數地區(qū)的主要墻體建筑材料，但燒制實心黏土磚除開采大量的土地資源外，還會產生大量的有毒氣體。紅磚的替代產品——加氣混凝土砌塊被越來越廣泛的應用。與紅磚比較，加氣混凝土砌塊具有容重輕、保溫隔熱性能好、防火性能強、幾何尺寸大、施工效率高等優(yōu)點。張立蕓等通過對加氣混凝土墻體的結構性能進行分析，認為加氣混凝土是一種適宜的替代紅磚的新型建筑材料，其與聚苯板構筑的異質復合墻體具有相對優(yōu)越的熱特性，能增強溫室北墻的蓄熱體作用。

2 日光溫室圍護墻體保溫性研究

日光溫室特殊的圍護結構及保溫措施，在不加溫或少加溫的條件下即可越冬生產。墻體作為溫室的圍護結構之一，對溫室內的熱環(huán)境有直接的影響。陳端生對幾種溫室墻體的溫度分布進行測試，但對溫室墻體的傳熱特性缺乏理論研究。國外學者對溫室墻體的傳熱及能耗進行理論分析及實驗測試，但由于其所研究的溫室結構與我國的日光溫室結構不同，故無法直接照搬國外的研究模式。理想的日光溫室墻體不但向外放熱量小，而且熱穩(wěn)定性好，能有效提高日光溫室的節(jié)能效果，因此有必要對墻體的傳熱特性進行分析研究，以期對溫室的建造起指導作用。

佟國紅等對結構相同、墻體材料不同的溫室進行溫度測試，結果表明：在同一溫室內，復合異質墻體夜間內表面溫度比純磚墻內表面溫度高3.7 ℃；室外溫度相同時，復合異質墻體溫室的夜間空氣溫度比夯實土墻溫室高3.0 ℃。理論分析結果顯示：復合異質墻體對室外溫度擾量的衰減倍數是聚苯乙烯泡沫塑料板墻體的123倍、是純磚墻的9.5倍；單位面積復合異質墻體全天向室外傳送的熱量是純磚墻的1/17。

光照是節(jié)能日光溫室獲取能量的最主要來源，而保溫設計是保證日光溫室冬季正常生產的關鍵環(huán)節(jié)。提高溫室的保溫性能、降低能耗，是提高溫室生產效益的最直接手段。節(jié)能日光溫室主要由圍護墻體、后屋面和前屋面三部分組成，前屋面是溫室的全部采光面。一般情況下，應盡量加大前屋面采光面的面積，并采取合理的采光角度，以獲得最大的太陽輻射；夜間一般用保溫被覆蓋或在內部設置二道幕。受日光溫室采光面的限制，前屋面改變的空間很小，因而在加強溫室前屋面保溫設計的基礎上，加強和改進圍護墻體的保溫性能至關重要。白義奎對幾種常用單一材料墻體及復合墻體的保溫性能進行分析，結果表明，多層異質復合墻體具有熱阻大、蓄熱、隔熱、保溫性能好的優(yōu)點，但存在自重大、造價高、受周圍環(huán)境尤其是濕度影響大等缺點。白義奎等在分析鋁箔絕熱熱工性能的基礎上，提出一種綴鋁箔聚苯板空心墻體設計，理論分析結果表明，這種墻體具有較好的保溫隔熱性能。

對于如何提高圍護結構的保溫性能，國內外很多專家進行了理論和試驗研究，為日光溫室的設計提供了理論依據。這些研究大多采用傳熱學理論，通過溫度分析的方法，計算分析各種圍護結構的保溫性能及熱環(huán)境。但由于日光溫室內是一個高溫、高濕環(huán)境，其傳濕過程對墻體傳熱特性、熱損失的影響很大，因此理論計算的傳熱系數值偏小。

白義奎等對聚苯板夾芯墻體及綴鋁箔聚苯板空心墻體的保溫性能進行測定，測試墻體的傳熱系數并分析影響保溫性能的因素。趙東等得出溫室墻體表面溫度與室內外溫度的關系和熱流量及墻體表面蓄放熱的變化規(guī)律：墻體的溫度分布規(guī)律與室內溫度變化一致，隨著墻體高度的增加，溫度降低；放熱量為蓄熱量的10.5%左右，大部分以熱傳導的形式散失。

溫室散熱包括圍護結構傳熱、換氣傳熱、地中傳熱3種，其中圍護結構傳熱占總散熱的70%～80%。因此，除選用較好的夜間保溫覆蓋材料外，增加墻體的蓄熱、隔熱性能也是非常有效的節(jié)能措施。

3 結語

高效節(jié)能日光溫室充分利用太陽能，并最大限度地保存室內熱量，其保溫性能是影響設施內溫度的重要因素之一。日光溫室受自然氣候影響較大，因此北方寒地發(fā)展節(jié)能日光溫室時，應把溫室保溫性放在首位，盡量提高溫室的保溫性能、降低能耗。通過不斷優(yōu)化日光溫室圍護墻體結構，可以逐步提高其保溫性能，進而使室內溫度維持在理想水平。

參考文獻

[1] 李天群.加氣混凝土砌塊墻體裂縫原因及控制措施[J].重慶電力高等科學校學報，2006，11（2）：35-37.

[2] 張立蕓，徐剛毅.日光溫室新型墻體結構性能分析[J].沈陽農業(yè)大學學報，2006，37（3）：459-462.

[3] 白義奎，劉文合，王鐵良，等.綴鋁箔聚苯板空心墻體保溫性能的測試與分析[J].新型建筑材料，2006（1）：43-45.

Abstract：High efficiency and energy saving sunlight greenhouse is an ideal place for vegetable cultivation in cold region in winter and spring. The article expounds the development status of wall structure and insulation performance of high efficiency and energy saving sunlight greenhouse， and simply discusses the influence of different wall structure on the insulation performance， and provides a reference for optimizing the design of high efficiency and energy saving sunlight greenhouse.

Key words： sunlight greenhouse； wall structure； insulation performance； temperature； status