高寒區(qū)現(xiàn)代日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造

張京社，柴文臣

（山西省農(nóng)業(yè)科學院蔬菜研究所，山西太原030032）

高寒區(qū)現(xiàn)代日光溫室設(shè)計是將新型的建筑材料（加氣混凝土砌塊及“幾”字型鋼骨架）和拉鏈式內(nèi)保溫覆蓋裝置應用到日光溫室建造上，并對日光溫室建造技術(shù)（下挖50 cm、異質(zhì)復合墻體）進行了集成創(chuàng)新，提高了日光溫室采光性、蓄熱性、保溫性、安全性和穩(wěn)定性，在寒冷季節(jié)的凌晨，棚溫平均能達到10 ℃，高出普通日光節(jié)能溫室5 ℃以上，室內(nèi)外溫差達到35 ℃以上，實現(xiàn)了太原以北高寒地區(qū)在不進行人工加溫條件下生產(chǎn)喜溫性蔬菜。

1 高寒區(qū)現(xiàn)代日光溫室設(shè)計的基本要求

1.1 采光性

建造溫室必須選好朝向和前屋面陽光入射角，朝向為正南偏西5°～10°，陽光入射角應在36°～45°。采光的角度要達到喜溫蔬菜生長所需要的光照。

在冬至晴天中午，溫室中部1 m 高處的水平光照強度應達到4.5 萬lx 以上。冬季晴天中午前后2 h 內(nèi)，溫室的直射光地面平均透光率不應該小于65%。冬季晴天一天內(nèi)室內(nèi)直射輻照度總量均勻度應大于80%；溫室骨架陰影面積率不大于8%。

1.2 保溫性

溫室圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計既要有足夠的熱阻，還要有一定的熱惰性，也就是要有足夠的儲熱能力。在最寒冷的季節(jié)，凌晨5：00—6：00 室溫不能低于8 ℃。冬季晴朗天氣，外界氣溫達-26 ℃以上，室內(nèi)最低氣溫應保持在8 ℃以上，地表10 cm 深處地溫保持在20 ℃以上。墻體中的保溫層厚度應均勻，不得發(fā)霉、變質(zhì)或釋放污染物質(zhì)。

墻體的內(nèi)表面用加氣混凝土砌塊做成蜂窩狀墻體。前透光屋面上設(shè)有活動式保溫覆蓋裝置（草簾或保溫被），覆蓋材料草簾厚度要達到5 cm（保溫被厚度要達到4 cm）。在前透光屋面下面20 cm 處設(shè)置拉鏈式塑料薄膜保溫裝置。

1.3 安全性

溫室結(jié)構(gòu)及其所有構(gòu)件均應符合JB/T 10286—2001 日光溫室結(jié)構(gòu)標準。溫室構(gòu)件應符合GB/T 18622—2002 溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載標準，能夠承載最大0.45 kN/m2的風速和0.35 kN/m2的積雪厚度。

溫室內(nèi)的電路電器、設(shè)施設(shè)備要采用具有防水性能符合國家標準的產(chǎn)品，以防止漏電、觸電（如遇特殊災害性天氣應及時防護）。

1.4 經(jīng)濟性

在滿足上述基本要求的前提下，應就地取材，最大限度地降低造價。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)類型

前屋面為無支柱、下挖0.5 m 深的半圓拱型溫室（圖1）。

2.2 溫室選址

溫室應建造在地形開闊，排水良好，東、南、西3 面30 m 內(nèi)無高大樹木及建筑物等遮陰地區(qū)。要避開風口，以免遭受大風的破壞，同時也提高了溫室的保溫效果。地下水位在3 m 以下，土層厚度80 cm 以上，土壤肥沃，且灌溉方便、水質(zhì)良好、礦化度低，并符合無公害農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量要求，周圍無“三廢”污染。交通便利，供電、供水方便。

2.3 前后排溫室間距

溫室前后排之間的距離，應以冬至前排背后的陰影剛好應在后排前沿腳下為最理想。其最合理的2 棟溫室南北之間距離應不小于公式（1）計算的數(shù)值。

式中，L 為溫室間距（m）；H 為溫室脊高（m）；α 為冬至當?shù)?0：00 太陽高度角；β 為冬至當?shù)?0：00 太陽方位角；L1為溫室后坡投影長度（m）；L2為溫室后墻寬度（m）。則L＝（3.8＋0.5）/tg 20×cos29－（1.8＋0.8）＝7.79 m（前后棚間距為8 m）。

2.4 建筑方位

溫室應采用坐北朝南、東西延長的方位，這樣有利于冬季接受較多的太陽輻射熱。在此基礎(chǔ)上，向南適當偏西，可增加下午的光照強度，有利于提高夜間的室內(nèi)溫度。溫室建筑方位應采用當?shù)卣掀?°。

2.5 結(jié)構(gòu)尺寸

一般每棟溫室長度60～100 m 為宜。溫室凈跨度8 m，脊高為3.8 m（不含下挖的0.5 m）。前屋面為半圓拱形“幾”字型鋼架，骨架間距為1 m，前屋面骨架長度為9.714 m。后坡仰角為43°，后墻內(nèi)側(cè)高2.6 m。墻體結(jié)構(gòu)為復合異質(zhì)墻體，從內(nèi)到外的順序為：240 mm 厚加氣混凝土砌塊、120 mm 厚磚墻、100 mm 厚聚苯乙烯泡沫塑料板、240 mm 厚磚墻。

2.6 作業(yè)間

每棟溫室靠東墻一端，宜建一座作業(yè)間，面積為4～6 m2。

3 建筑材料

3.1 溫室材料要求

溫室建造選用材料應符合國家相關(guān)標準。

3.2 溫室骨架材料

骨架材料為幾字鋼。骨架包括：前坡柱腳、前坡拱桿、后坡拱架、橫拉桿、后坡檁條、屋脊橫梁、屋脊壓板、屋脊內(nèi)包件、屋脊包件、連接件等。（1）前坡柱腳：方鋼管50 mm×25 mm×2.5 mm。（2）前坡拱桿：幾字鋼50 mm×30 mm×10 mm×1.5 mm。（3）后坡拱架：包括后坡拱桿，后坡羊角，肋板，連接板。后坡拱桿：方鋼管60 mm×40 mm×2.5 mm。后坡羊角：方鋼管50 mm×25 mm×2.5 mm。肋板：3 mm 鋼板制作。連接板：5 mm 長方形鋼板制作。（4）橫拉桿：方鋼管50 mm×25 mm×2.5 mm。（5）后坡檁條：方鋼管50 mm×30 mm×2 mm。（6）屋脊橫梁：方鋼管60 mm×40 mm×2.5 mm。（7）屋脊壓板：鋼板30 mm×6 m×3 mm。（8）屋脊內(nèi)包件：2 mm 鍍鋅板制作。（9）屋脊包件：1 mm鍍鋅板，具體尺寸在安裝完彩鋼板后定制。（10）連接件：縱拉桿固定件，屋脊橫梁固定件，后坡檁條固定件?？v拉桿固定件：2 mm 鍍鋅板；屋脊橫梁固定件：2 mm 鍍鋅板；后坡檁條固定件：2 mm鍍鋅板制作；卡槽采用30 型0.7 mm 厚鍍鋅板，卡簧采用65 mm、內(nèi)心直徑2 mm 的包塑卡簧。六角頭螺栓緊固件應符合GB/T 5782—2000 中的規(guī)定。六角頭螺母緊固件應符合GB 56—88中的規(guī)定。六角頭自攻釘緊固件應符合GB/T 5285—85 中的規(guī)定?？v拉桿為熱鍍鋅6 分管，厚度為2 mm。

3.3 維護結(jié)構(gòu)材料

墻體為異質(zhì)復合結(jié)構(gòu)，主要材料為加氣混凝土砌塊、燒結(jié)普通磚、水泥、砂、苯板等。加氣混凝土砌塊尺寸為：240 mm×240 mm×200 mm，保溫層采用100 mm 厚、容重為10～16 kg/m3的聚苯乙烯泡沫塑料板。

溫室后坡覆蓋材料為960 型復合彩鋼板，上板0.4 mm 厚（緋紅色），下板0.3 mm 厚（白灰色），聚苯板厚度100 mm。其上再設(shè)防水層。

3.4 采光覆蓋材料

宜采用耐低溫、抗老化、無滴、透光好的多功能農(nóng)用聚氯乙烯、醋酸乙烯薄膜等作采光覆蓋材料，但應符合相關(guān)國家標準。使用的覆蓋材料宜選用符合GB/T 2472 規(guī)定的要求。

3.5 夜間保溫覆蓋材料

溫室外保溫應使用棉被，一般棉被長宜超出溫室屋面長度0.8 m，寬2～3 m，單被每平方米用棉不少于2 kg 為宜。

4 建筑施工方法

4.1 施工程序

第1 步平整場地，插木橛，放線，挖基槽。第2 步土建，應先砌主體墻，后砌前沿暗墻。第3 步骨架施工。先安裝溫室骨架，然后安裝后坡復合彩鋼板，再溫室后坡覆蓋。第4 步扣棚膜，先溫室前坡覆蓋，后內(nèi)置覆蓋。如安裝卷被機，宜在鋼架與預埋件交叉連接整體焊接完工后，再焊卷被機的立柱。

4.2 溫室土建施工方法

4.2.1 平整場地 按繪好的施工圖，測定方位后，就可以平整場地，插木橛，放線，開始挖基槽。地基用夯打?qū)?，現(xiàn)澆100 mm 厚C15 素混凝土墻基墊層。

4.2.2 砌墻基 溫室基礎(chǔ)用MU10 紅磚，M7.5水泥砂漿砌筑?；A(chǔ)外側(cè)加100 mm 厚聚苯板保溫層，阻斷室內(nèi)土層-磚基礎(chǔ)-室外土層的傳熱橋，能夠有效保持室內(nèi)地溫，防止熱量由基礎(chǔ)散失。

4.2.3 砌墻體 溫室墻體主要是東、西、北墻，用加氣混凝土砌塊、MU10 紅磚及M7.5 水泥砂漿砌筑成750 mm 厚的夾心墻。外墻240 mm 磚為維護保溫墻，外墻面用20 mm 厚1∶3 水泥砂漿抹面，增強外墻的保溫性能；內(nèi)墻為240 mm厚加氣混凝土砌塊+120 mm 磚為蓄熱受力墻；夾心層為蓄熱保溫層，寬12 cm，填充100 mm厚聚苯板，蓄熱保溫，且阻斷內(nèi)外墻的熱傳遞，大大提高墻體的蓄熱保溫能力。溫室北墻不設(shè)通風口。溫室北墻墻頂內(nèi)側(cè)澆筑240 mm 厚鋼筋混凝土梁，加強墻體的牢固性和支撐力。東西墻應待骨架安裝好后沿拱架砌筑，其墻頂用紅磚搭接封頂，再澆筑50 mm 厚素混凝土層并向外找坡5%。

4.3 骨架施工方法

4.3.1 安裝溫室骨架 溫室骨架分為前后坡柱腳、拱架、前坡縱拉桿和后坡檁條等主要部件。在澆筑前后坡240 mm 厚鋼筋混凝土梁時，按施工圖要求預埋鐵件及掛鉤，預埋鐵件中心位置偏差應控制在5 mm 以內(nèi)，標高偏差應控制在3 mm以內(nèi)。待鋼筋混凝土梁養(yǎng)護好后，放線確定前后坡拱架柱腳焊接位置。前后坡拱架柱腳左右偏差不得超過4 mm，前后偏差不得超過3 mm。焊接應符合下列要求：不得有虛焊、脫焊、漏焊、燒傷和裂紋現(xiàn)象，焊縫應均勻、牢固、滿焊；焊渣全部清除干凈，不得殘留；焊口表面要平整光潔。溫室拱架包括前坡拱架、后坡拱架、拱架連接件、斜拉桿。拱架應在寬敞平地上預先組裝好，再往溫室磚墻上安裝。在組裝拱架時，螺絲不要擰緊，應留少許空間，以備安裝拱架時可以進行調(diào)整。前后坡拱架由鍍鋅板冷壓成型的50 mm 幾字鋼制成。組裝好拱架后，將拱架往溫室磚墻上安裝，對應固定到前后坡柱腳上，并同時調(diào)整屋脊線與基準地面平行度≤20 mm。在調(diào)整好后，將前后坡拱架連接及斜拉桿的螺絲擰緊，但仍保證前坡柱腳處與后坡柱腳處有一定的調(diào)節(jié)量。然后安裝后坡檁條。在安裝后坡檁條的同時再次調(diào)整拱架屋脊線與基準地面平行度≤20 mm。調(diào)整好后，擰緊檁條的螺絲。之后再次調(diào)整骨架，控制拱架間距偏差為±10 mm。調(diào)整好后，將前后坡柱腳處的螺絲擰緊。按照施工方案安裝縱拉桿，安裝過程中保證各連接處螺絲擰緊。

4.3.2 后坡覆蓋 溫室后坡覆蓋材料為960 型復合彩鋼板，上板0.4 mm 厚（緋紅色），下板0.3 mm 厚（白灰色），中間為100 mm 厚聚苯板。先將屋脊內(nèi)扣板用鉆尾釘固定到拱架上，再安裝彩鋼板，用六角頭鉆尾釘固定到骨架上，固定牢固。彩鋼板搭接處打自攻釘密封。待安裝完前坡薄膜、壓膜線及保溫被后，用屋脊外包件將彩鋼板上端頭進行密封。

4.3.3 前坡覆蓋 溫室前坡分薄膜、保溫被內(nèi)外2 層覆蓋。薄膜一般采用0.15 mm 厚長壽無滴膜。保溫被為自防水保溫被，由保溫性、防水性極好的閉孔發(fā)泡材料作里料、化纖布作面料縫制而成。沿屋脊內(nèi)口板前沿、東西端頭拱架前坡最下沿，用鉆尾釘固定一圈熱鍍鋅卡槽。確定前坡通風口位置及寬度，固定上下2 道卡槽。安裝防蟲網(wǎng)及前坡下沿小塊固定膜。前坡下沿小塊固定膜可以增強前坡活動卷膜的密封性。安裝溫室前坡整體大塊薄膜時，選無風的晴天進行扣膜，應有4 人以上一起抬膜、鋪膜，以防薄膜在拖拽過程中被刮破。薄膜的寬度宜超過屋面1.2 m，長度宜超過東西墻各1 m，四周應固定，每空壓一線。前坡卷膜軸為熱鍍鋅6 分管，用固膜卡箍把薄膜最下端圈固到卷膜軸上。固膜卡箍布置間距以0.5 m為宜。卷膜器及伸縮桿裝在東墻外側(cè)，離開東外墻0.4 m 為宜。彈簧雙掛鉤卡在屋脊卡槽及最下沿卡槽內(nèi)，間距2.0 m，上下錯開布置。斜拉壓膜線，固定在彈簧雙掛鉤上，這樣可以避免薄膜向里產(chǎn)生明顯勒痕出現(xiàn)大水滴結(jié)露線。用扁鋼壓板及螺絲把保溫被上沿固定到屋脊內(nèi)扣板上，用壓板及鉆尾釘把保溫被下沿固定到卷被軸上。一般溫室長小于60 m 時，卷被電機安裝在溫室東側(cè)，大于60 m 時，卷被電機安裝在溫室前坡中部，離開前沿1.5～2.0 m 處。安裝好前坡薄膜、壓膜線及保溫被后，用屋脊外包件將彩鋼板上端頭進行密封。

4.3.4 2 次澆筑 待溫室覆蓋安裝完成后，用C20 素混凝土對預埋件以上部分進行2 次澆筑，并向外找坡。北墻外沿的澆筑厚度為100 mm，并從彩鋼板向墻外沿找坡10%。然后用10 mm 厚1∶2 水泥砂漿摻3%的防水粉抹面。最后，在2次澆筑的混凝土外層，從彩鋼板至墻外沿鋪設(shè)一層瀝青防水卷材層。

4.3.5 內(nèi)置覆蓋 溫室內(nèi)置覆蓋由鋼絲繩支撐架和手動卷膜系統(tǒng)組成。鋼絲繩支撐架是用5 mm直徑的鋼絲繩一端固定在北墻內(nèi)側(cè)的掛鉤上，繞過中道縱拉桿，另一端固定在前坡圈梁內(nèi)側(cè)掛鉤上，沿溫室東西方向間距1.5 m 布置而成。手動卷膜包括0.15 mm 長壽無滴膜、卡槽卡簧、熱鍍鋅6 分管卷膜軸和手鏈式卷膜器。鋼絲繩支撐架托住的手動卷膜分前側(cè)卷膜和上部卷膜2 系統(tǒng)。前側(cè)卷膜和上部卷膜展開后形成一道覆蓋層，把溫室內(nèi)部空間分成上、下2 層。

5 結(jié)論與討論

日光溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應從提高前屋面透光率、增加北墻太陽輻射接收量、前屋面與墻體的優(yōu)良保溫性及墻體和地面的蓄熱保溫等方面進行研究。王研[1]研究表明，日光溫室結(jié)構(gòu)要從材料和管理水平方面提升，建造高標準的日光溫室。張桂云等[2]研究發(fā)現(xiàn)，日光溫室結(jié)構(gòu)要從建棚材料、建棚場地、后墻體、防寒溝、兩邊山墻、后坡屋面等方面優(yōu)化設(shè)計，從而提高溫室結(jié)構(gòu)性能。創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)施結(jié)構(gòu)，使其更充分有效地利用太陽能，增加采光量，提高溫室儲熱保溫能力[3-6]。因地制宜，確定合理的溫室結(jié)構(gòu)尺寸和本地區(qū)的合理結(jié)構(gòu)形式，以獲得更多的太陽輻射總量[7-9]。溫室結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部環(huán)境性能的重要因素，對其進行研究是改變影響作物生產(chǎn)的環(huán)境因子有效且經(jīng)濟的方式，對提高溫室生產(chǎn)率和資源利用率、降低成本、保障安全穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要的意義[10-11]。

日光溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之一是要減少熱損失問題[12-13]。預備試驗表明，雙層薄膜覆蓋溫室的溫度要比普通溫室高3℃，能有效降低貫流放熱；通過在溫室地面下挖50 cm 和設(shè)防寒溝能阻隔地中傳熱，解決了這2 個問題，就能有效減少日光溫室的熱量散出。

日光溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之二是如何保證日光溫室蓄熱保溫達到最佳效果。由于日光溫室的熱源主要來自太陽的輻射，采取優(yōu)化溫室的采光角度和使用良好的薄膜來提高前屋面透光率，從而增加太陽輻射量；在北墻使用混凝土砌塊（表面積大）來增加太陽輻射接收量，同時在墻體中間增加聚苯板材料來阻止熱量的傳遞，這樣的異質(zhì)復合墻結(jié)構(gòu)就能保證溫室具有優(yōu)良的蓄熱保溫性能。

日光溫室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之三是采用的骨架材料要保證溫室的荷載安全性和耐久性。幾字型鋼骨架的特點是同等承載能力下單棟溫室鋼材使用量較傳統(tǒng)鋼管減少60%左右，骨架的散熱效果最好（日光溫室透光覆蓋材料大多采用塑料薄膜，骨架構(gòu)件受日光照射后，若散熱不好容易燙傷塑料薄膜，降低薄膜的使用壽命）。

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