蘇北日光溫室構型及其結構參數

王軍偉 王 健 孫 錦 郭世榮

（南京農業(yè)大學園藝學院，農業(yè)部南方蔬菜遺傳改良重點開放實驗室，江蘇南京 210095）

20世紀 80年代以來，日光溫室在我國北方地區(qū)迅速發(fā)展，有效地解決了我國北方地區(qū)冬季蔬菜供應問題，大幅度增加了農民的收入，帶動了農業(yè)結構的快速調整。截至2010年，我國日光溫室面積達78.34萬hm2，占設施園藝總面積的22.75%左右（吳鳳芝，2012）。日光溫室是我國特有的園藝設施，其建造和運行成本低，合乎我國國情，適合中國經濟發(fā)展的需要，而且伴隨著能源的短缺，日光溫室將成為今后我國大面積設施園藝產業(yè)發(fā)展的必然選擇（劉建和周長吉，2007）。

近幾年蘇北地區(qū)日光溫室發(fā)展迅速，已成為促進農業(yè)增效、農民增收新的增長點（巫健華 等，2009）。但是在發(fā)展日光溫室的過程中因未充分考慮日光溫室與當地氣象條件和土壤特征的適應性，導致溫室內作物長期處于低溫、高濕、寡照等亞適宜環(huán)境下。此外，簡易型日光溫室還存在結構安全性差，作業(yè)空間小，前室立柱多，不便于機械操作，土地利用率低等問題。因此，如何對現有日光溫室進行構型優(yōu)化，找到適合當地氣候條件和土壤特征的日光溫室構型是蘇北發(fā)展日光溫室亟待解決的關鍵問題。筆者就蘇北現有日光溫室基本構型進行調查和系統(tǒng)分類，目的在于了解當地現有日光溫室構型，分析其結構特征和建材特性，在此基礎上對其結構和建材進行優(yōu)化，提出適合蘇北氣候條件和土壤特征、結構安全、造價適中、采光性能和保溫性能好、土地利用率高的日光溫室構型。

1 調研區(qū)域概況

蘇北地區(qū)在行政區(qū)劃上包括徐州市、連云港市、宿遷市、淮安市和鹽城市，下轄5市19縣15區(qū)，總面積5.42萬km2，總人口3 212萬。該地區(qū)緯度跨度為N32.72°～N34.97°，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明；常年氣溫約14 ℃，1月為最冷月，7月為最熱月；年日照時數為2 100～2 500 h，太陽年輻射總量為459.8～501.6 kJ·cm-2；年均降水量900～1 300 mm，年均無霜期200～220 d。氣候資源較為優(yōu)越，有利于作物生長。

2 調研內容與方法

筆者調查了蘇北地區(qū)現有日光溫室的基本構型，調查項目包括日光溫室的“五度”、“四比”和“三材”等結構和材料參數，對同一類型日光溫室隨機選取 3棟進行測量，平均值作為該類型日光溫室的結構和材料參數。

3 調研結果

3.1 蘇北日光溫室基本構型

先后調查了15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共98棟日光溫室，按前屋面形狀、后墻材料、前室立柱以及前屋面拱架材料的不同對日光溫室進行分類，共分為三大類19種不同的日光溫室構型，見表1。在這些基本構型中，部分日光溫室具有特殊結構，如在傳統(tǒng)日光溫室的北側，增加了一個同長度但采光面朝北的單屋面溫室，兩者共用一堵后墻，稱為“陰陽型”日光溫室；日光溫室室內地面下挖，稱為下沉式日光溫室。

表1 蘇北日光溫室基本構型

3.1.1 拱圓型紅磚墻及空心砌塊磚墻日光溫室

① 前室無柱日光溫室

a. SR-1型日光溫室

該類型日光溫室拱架結構包括鍍鋅鋼管組合拱架結構（圖 1-A）和焊接輕鋼桁架結構（圖1-B）。鍍鋅鋼管組合拱架由上弦和下弦采用專用連接件相互聯結，溫室縱向設有通長聯系桿件，拱架和聯系桿件共同組成屋面承重體系，所有零件均經過鍍鋅防銹處理，結構由工廠生產，現場安裝。焊接輕鋼桁架結構拱架上弦為鍍鋅鋼管，下弦為鋼筋或鍍鋅鋼管，腹桿為細鋼筋，縱向聯系桿件為焊接鋼管。所有構件均刷防銹漆。

圖1 SR-1型日光溫室

b. SR-2型日光溫室

該類型日光溫室前屋面拱架采用單一的鍍鋅鋼管，骨架和連接件均采用鍍鋅處理，結構由工廠生產，現場安裝。為了整體結構的牢固性，在溫室前屋面拱架和后坡之間加設鍍鋅鋼管斜撐（圖2）。

c. SR-3型日光溫室

該類型日光溫室前屋面拱架包括桁架拱架和單管拱架，桁架拱架為主要屋面承重構件，兩桁架拱架間均布1～3道單管拱架，沿溫室縱向設有通長聯系桿件。桁架拱架、單管拱架和聯系桿件共同組成屋面承重體系，各構件均采用專用卡件相互聯結，所有零件均經過鍍鋅防銹處理，結構由工廠生產，現場安裝（圖3）。

圖2 SR-2型日光溫室

圖3 SR-3型日光溫室

② 前室有柱日光溫室

a. SR-4型日光溫室

該類型日光溫室是在傳統(tǒng)日光溫室的北側，增加了一個同長度但采光面朝北的單屋面溫室，兩者共用一堵后墻（圖 4）。習慣上將采光面向陽的溫室稱為陽棚，采光面背陽的溫室稱為陰棚。該類型的溫室，其陰棚正好利用了傳統(tǒng)日光溫室留出的棟與棟之間的大部分空地，使建設日光溫室的土地利用率得到大幅度提高。本次調研的“陰陽型”日光溫室采用空心砌塊墻、鋼竹混合拱架，鍍鋅鋼管與竹竿間布。為了整體結構的牢固性，分別在陽棚和陰棚前室布置了2～3排水泥立柱。為排水方便，陽棚采用高后墻無后坡結構，陰棚脊高較陽棚低約50 cm，并在頂端設樓板層作為人工上屋操作平臺。

圖4 SR-4型日光溫室

b. SR-5型日光溫室

該類型日光溫室墻體材料采用空心砌塊，前屋面拱架材料為鍍鋅鋼管和竹竿。鍍鋅鋼管是單管結構時，與竹竿間布；是桁架結構時，在相鄰兩桁架之間布置1～3道竹竿。在溫室前室一般布置了2～3排水泥立柱。本次調研的該類型日光溫室前屋面拱架直接搭接在后墻頂端，脊高與后墻同高，無后坡（圖5）。

c. SR-6型日光溫室

該類型日光溫室前屋面拱架材料為鋼筋混凝土。水泥拱架工廠生產，現場安裝，為了便于制造和運輸，其拱架均由可拆裝的非對稱的一對拱桿組成，現場安裝時采用螺栓連接或套管連接，并在連接處下方和屋脊下方分別布置1排水泥立柱（圖6）。

圖5 SR-5型日光溫室

圖6 SR-6型日光溫室

d. SR-7型日光溫室

該類型日光溫室前屋面拱架材料為泡沫混凝土。該拱架外層為鋼筋混凝土，其內部填充聚苯乙烯泡沫。溫室前室設置2排水泥立柱，后坡覆蓋草苫保溫，如圖7。

e. SR-8型日光溫室

該類型日光溫室墻體材料采用空心砌塊，前屋面拱架材料為單層竹竿。該類型日光溫室一般在溫室前室布置3～4排水泥立柱作為拱架支撐，后坡保溫材料多為草苫，部分溫室后坡有水泥板支撐結構，如圖8。

圖7 SR-7型日光溫室

圖8 SR-8型日光溫室

3.1.2 拱圓型堆土墻及機打土墻日光溫室

① 前室無柱日光溫室

a. SR-9型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體為梯形機打夯實土墻，內表面垂直削平，外表面為坡狀。前屋面拱架材料為鍍鋅鋼管，采用桁架-單管混合拱架，相鄰兩桁架之間均布2道單管，前室無立柱，后坡采用草苫保溫，如圖9。

b. SR-10型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體為梯形機打夯實土墻，后墻外部用水泥砂漿抹灰或用塑料薄膜覆蓋以減小雨水沖刷；前屋面拱架材料為鍍鋅鋼管和竹竿，采用桁架-竹竿混合結構，相鄰兩桁架之間均布 3道竹竿；后屋面采用聚苯板保溫，外表面做防水處理；前室無立柱，后墻處布置 1排鍍鋅鋼管斜撐立柱，如圖10。該類型日光溫室中部分溫室室內地面下沉。

圖9 SR-9型日光溫室

圖10 SR-10型日光溫室

② 前室有柱日光溫室a. SR-11型日光溫室

該類型日光溫室墻體為梯形機打夯實土墻，前屋面拱架材料為鍍鋅鋼管和竹竿，后坡采用草苫或秸稈圍護，前室布置3～4排水泥立柱，后墻處布置1排后坡支撐立柱（圖11）。

b. SR-12型日光溫室

該類型日光溫室墻體為梯形機打夯實土墻，前屋面拱架材料為單層竹竿，后坡采用草苫或秸稈圍護，前室布置3～4排鋼筋混凝土立柱，后墻處布置1排后坡支撐立柱。該類型日光溫室中部分溫室為下沉式日光溫室（圖12）。

3.1.3 一立一坡式日光溫室

① SR-13型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體材料為空心砌塊，前屋面拱架材料為竹竿，后坡保溫材料為草苫，前室布置3～4排水泥立柱，如圖13。

② SR-14型日光溫室

該類型日光溫室后墻材料為玉米或高粱秸稈，秸稈部分埋入地下，部分立于地上，內外均覆蓋塑料薄膜；溫室前屋面拱架材料為竹竿，前墻、屋脊下方、溫室中部以及后墻處各布置 1排水泥立柱；后坡用水泥椽子作支撐，并用鉛絲東西方向加固，鉛絲上面覆蓋秸稈，秸稈外面再覆蓋塑料薄膜，如圖14。

圖11 SR-11型日光溫室

圖12 SR-12型日光溫室

圖13 SR-13型日光溫室

圖14 SR-14型日光溫室

③ SR-15型日光溫室

該類型日光溫室無固定后墻，在冬季使用時北面用草苫或秸稈圍護，再覆蓋薄膜減少冷風滲透，夏季使用時拆除草苫或秸稈增加通風面積。溫室前屋面拱架材料為竹竿，前墻、后墻以及中部各布置1排水泥立柱，如圖15。

圖15 SR-15型日光溫室

3.1.4 二折式日光溫室

① SR-16型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體材料為空心砌塊，前屋面拱架為鍍鋅鋼管桁架結構，前室無柱，后屋面為弧形屋面，只覆蓋塑料薄膜，無保溫材料，如圖16。

② SR-17型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體材料為空心砌塊，前屋面拱架為鋼竹混合結構，鋼管與竹竿間布，前室有3～4排水泥立柱，后坡采用水泥板支撐，外覆蓋草苫作保溫材料，如圖17。

圖16 SR-16型日光溫室

圖17 SR-17型日光溫室

③ SR-18型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體為機打夯實土墻，前屋面拱架為鍍鋅鋼管桁架-單管結構，相鄰兩桁架間布2道單管，前室無柱，后墻處布置1排鍍鋅鋼管斜撐立柱，后坡采用水泥椽子支撐，外覆蓋草苫作保溫材料。該類型日光溫室部分溫室室內地面下沉，如圖18。

④ SR-19型日光溫室

該類型日光溫室后墻墻體為機打夯實土墻，前屋面拱架材料為竹竿和竹片，前室有3～4排鋼筋混凝土立柱，后墻處布置1排鍍鋅鋼管斜撐立柱，前柱柱頂和后墻柱柱頂之間用竹竿連接，前柱柱頂和溫室前腳用竹片連接，形成兩個傾角不同的采光面。后坡采用水泥椽子支撐，外覆蓋草苫作保溫材料，如圖19。

圖18 SR-18型日光溫室

圖19 SR-19型日光溫室

3.2 蘇北日光溫室基本參數

3.2.1 蘇北不同構型日光溫室“五度”參數 由表2可以看出，蘇北不同構型日光溫室的凈跨度、脊高和后墻高度和厚度最大者均是SR-9型日光溫室，凈跨度最小者是SR-4型日光溫室，脊高最小者是 SR-15型日光溫室，后墻最矮者是SR-14型和SR-17型日光溫室；SR-1型、SR-3型日光溫室前屋面角較大，而 SR-5型、SR-15型日光溫室前屋面角較?。籗R-2型、SR-3型和SR-10型日光溫室后屋面角較大，SR-14型日光溫室后屋面角最小。SR-4型、SR-5型和SR-15型日光溫室無后坡。各類型日光溫室后墻厚度的變化范圍較大，空心砌塊墻后墻厚度多為40～80 cm，機打土墻后墻厚度達450～600 cm，SR-14型秸稈后墻日光溫室的后墻厚度為60 cm，SR-15型日光溫室無后墻。

表2 蘇北不同構型日光溫室“五度”參數

3.2.2 蘇北不同構型日光溫室“三材”參數 由表3可以看出，蘇北日光溫室后墻墻體材料多為空心砌塊墻和機打土墻，部分為秸稈或無后墻；前屋面拱架材料多為鍍鋅鋼管或竹竿，部分為鋼筋混凝土和泡沫混凝土；除SR-11型日光溫室覆蓋棚膜材料為聚乙烯塑料薄膜外，其他類型日光溫室均采用聚氯乙烯薄膜覆蓋；除SR-1型日光溫室夜間保溫材料為保溫被外，其他類型日光溫室均覆蓋草苫保溫。

3.2.3 蘇北不同構型日光溫室“四比”參數 由表4可以看出，蘇北不同構型日光溫室的前后坡比最大者是SR-11型日光溫室，最小者是SR-14型日光溫室型，而SR-4、SR-5、SR-15型日光溫室無后坡；高跨比最大者是SR-9型日光溫室，最小者是SR-5型日光溫室。日光溫室的保溫比是指日光溫室內的貯熱面積與放熱面積的比例，而溫室內的貯熱面為溫室內的地面，散熱面為前屋面，故保溫比等于溫室內土地面積與前屋面面積之比（李式軍和郭世榮，2011），除SR-14型日光溫室保溫比大于1之外，其他類型日光溫室保溫比均小于 1，其中最小者是SR-10型日光溫室。遮陽比指冬至日正午時，日光溫室總高與其水平投影的比例，表示建造多棟溫室或在高大建筑物北側建造溫室時，前面建筑物或溫室對后面溫室的遮光影響（李式軍和郭世榮，2011）。

表3 蘇北不同構型日光溫室“三材”參數

4 結論與討論

在日光溫室的設計建造和結構優(yōu)化過程中，首先應該滿足安全性準則，即溫室結構能夠承受正常施工、正常使用時可能出現的各種荷載，不發(fā)生在荷載作用下超過材料強度極限或結構喪失穩(wěn)定性的情況。調研結果顯示，蘇北日光溫室前屋面拱架材料有鍍鋅鋼管、竹竿、鋼筋混凝土和泡沫混凝土。全鋼式日光溫室結構安全性高，但造價較高；竹竿日光溫室和泡沫混凝土日光溫室造價較低，但結構安全性能差，且前室多立柱，不便于機械操作；鋼管桁架-單管混合結構日光溫室和鋼管桁架-竹竿日光溫室結構安全性較強，同時造價較鋼管桁架日光溫室低，且前室不必加設立柱，室內空間大，便于機械化操作。

表4 蘇北不同構型日光溫室“四比”參數

蘇北地區(qū)地理緯度為N32.72°～N34.97°，根據魏曉明等（2010）前屋面角的計算公式推導得出蘇北日光溫室的適宜前屋面角為23.51°～25.70°；李式軍和郭世榮（2011）研究指出日光溫室后屋面角要達到 35°～40°，以確保后屋面對后墻采光不造成遮擋。根據蘇北日光溫室前屋面角和后屋面角適宜的變化范圍，可以推導出脊高和后墻高度分別是3.0～4.0 m和2.5～3.0 m的日光溫室凈跨度范圍是7.3～10.3 m。本次調查結果顯示SR-1型、SR-3型日光溫室前屋面角相對較大（27.9°、28.4°），前屋面采光較好，該類型溫室可以適當增大凈跨度至9.5～10.4 m和9.1～10.0 m，仍然可保證較充足的進光量；SR-5型、SR-10型、SR-19型日光溫室前屋面角相對較?。?4.0°、19.6°、17.9°），溫室采光受限，可以適當減小日光溫室的凈跨度，而 SR-12型、SR-13型、SR-15型、SR-17型日光溫室可以通過增加溫室的脊高以增大前屋面角，從而保證溫室較好的采光條件。

日光溫室的后墻具保溫、貯熱的雙重功能，后墻的厚度和材質直接影響日光溫室的保溫性能。本次調查結果顯示蘇北日光溫室后墻墻體材料主要是空心砌塊和機打夯土，空心砌塊墻墻體厚度變化范圍是40～80 cm，而機打土墻墻體厚度達4.5～6.0 m。厚土墻造成日光溫室土地利用率較低，在實際建造中應盡量打薄墻體，較優(yōu)的方案是在空心砌塊墻中間填充導熱系數較小的聚苯板、珍珠巖、稻殼等。蘇北地區(qū)部分用戶引進了下沉式日光溫室以提高溫室的保溫性能，下挖深度50～100 cm，但從實際使用效果來看，該類型日光溫室與蘇北地區(qū)土壤特征不相適應。蘇北地區(qū)地下水位較高，下沉式日光溫室室內空氣濕度較大，易誘發(fā)病害，不利于作物的生長發(fā)育，且7～9月雨季排水困難，易造成倒塌。

保溫比是指日光溫室內的貯熱面積與放熱面積的比例，等于日光溫室土地面積和前屋面面積之比。保溫比反映了日光溫室的保溫性能，保溫比越大反映出日光溫室的保溫性能越好，反之，則越差。本次調查結果顯示，除SR-14型日光溫室保溫比大于1之外，其他各類型日光溫室保溫比均小于1，這可能是日光溫室的前后坡比過大造成的。此外，日光溫室高跨比的大小也會影響保溫比，高跨比越大，日光溫室的前屋面面積越大，造成保溫比變?。环粗?，保溫比則增大，但高跨比的降低會導致前屋面角變小，影響溫室的采光。因此，在日光溫室的設計建造過程中，要統(tǒng)籌前后坡比、高跨比、保溫比三者的關系，使其均處于較優(yōu)的變化范圍。

因此，充分考慮日光溫室的結構安全性能、采光性能和保溫性能，結合蘇北地區(qū)的氣候條件和土壤特征，筆者提出了兩種適合蘇北地區(qū)的日光溫室構型SRY-1型和SRY-2型，如圖20。優(yōu)化Ⅰ型（SRY-1）日光溫室后墻墻體為填充聚苯板的空心砌塊異質墻體，前屋面拱架采用鍍鋅鋼管桁架-單管混合結構，相鄰兩桁架間均布2道單管，間距1 m，前室無立柱；后坡采用石棉水泥板作支撐結構，聚苯板為內填充保溫材料；覆蓋材料為聚氯乙烯無滴薄膜，保溫材料為1.5 cm厚的保溫被，具體結構及材料參數見表5、6、7。優(yōu)化Ⅱ型（SRY-2）日光溫室后墻墻體為土坯和空心砌塊混合墻體，前屋面拱架采用鍍鋅鋼管桁架-竹竿混合結構，相鄰兩桁架間均布2道竹竿，間距0.8 m，前室無立柱；后坡采用縱向鉛絲支撐，上面覆蓋草苫，草苫內外均用薄膜包裹；覆蓋材料為聚氯乙烯無滴薄膜，保溫材料為單層草苫，具體結構及材料參數見表5、6、7。該兩類日光溫室結構安全性能強，采光效果好，保溫性能強，室內操作空間大，可以實現機械化操作，后墻較薄，土地利用率高。但前者較后者造價偏高，適合農業(yè)觀光、示范園區(qū)內部建造，后者造價適中，適合農戶建造使用。

圖20 蘇北地區(qū)優(yōu)化型日光溫室

表5 蘇北優(yōu)化型日光溫室“五度”參數

表6 蘇北優(yōu)化型日光溫室“三材”參數

表7 蘇北優(yōu)化型日光溫室“四比”參數

吳鳳芝．2012．園藝設施工程學．北京：科學出版社：9-10．

劉建，周長吉．2007．日光溫室結構優(yōu)化的研究進展與發(fā)展方向．內蒙古農業(yè)大學學報，28（3）：264-268．

巫健華，王寶海，楊意成，周軍，陸愛華．2009．江蘇省設施園藝發(fā)展現狀與對策．農業(yè)工程技術（溫室園藝），（9）：36-38．

魏曉明，周長吉，曹楠，丁小明．2010．基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究．北方園藝，（15）：1-5．

李式軍，郭世榮．2011．設施園藝學．2版．北京：中國農業(yè)出版社：68-69．