山西省日光溫室結(jié)構(gòu)問題的調(diào)查研究

（山西省農(nóng)業(yè)科 學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原 030031）

日光溫室是最具中國特色的設(shè)施農(nóng)業(yè)形式，通過建設(shè)一定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)充分利用太陽能，為植物生產(chǎn)提供相對適宜的溫度條件，降低了環(huán)境條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制。日光溫室結(jié)構(gòu)包括采光屋面、后屋面、墻體、栽培面等4個重要部分，科學(xué)合理的采光屋面和保溫蓄熱構(gòu)造是節(jié)能日光溫室應(yīng)具備的最基本條件（譚海林 等，2008）。

采光屋面是日光溫室截獲太陽能的主要結(jié)構(gòu)，采光屋面的角度與采光效果及承載力的關(guān)系等已有許多研究，其形狀與結(jié)構(gòu)決定著室內(nèi)接受的太陽輻射量與室內(nèi)陽光的分布情況（侯麗薇和盧鍔，1999；張峰 等，2008；李清明 等，2011；李霞 等，2011；王朝棟 等，2011）。日光溫室墻體具保溫、儲熱的雙重功能，后墻的厚度和材料直接影響日光溫室的保溫性能，也決定了日光溫室的投資與土地利用情況（王軍偉 等，2012）。目前，已有許多關(guān)于墻體的傳熱與構(gòu)造關(guān)系方面的研究（王宏麗 等，2008；馬承偉 等，2008；佟國紅和Christopher，2009；韓云全 等，2012），也有比較成熟的分析與設(shè)計方法。栽培面對調(diào)整室內(nèi)溫度等環(huán)境狀況起著重要的作用，下挖對溫室通風(fēng)產(chǎn)生不利影響，但可明顯改善溫室的保溫性能（于軍輝 等，2011）。日光溫室結(jié)構(gòu)影響著室內(nèi)的環(huán)境狀況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)對于改善溫室性能具有重要作用。

2011年上半年山西省蔬菜種植面積達(dá)24.4 萬hm2，其中設(shè)施蔬菜面積達(dá)11.6 萬hm2。溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)在設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)中占有很大比例，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。但日光溫室蔬菜生產(chǎn)過程中普遍存在病害嚴(yán)重、蔬菜生產(chǎn)受低溫或高溫限制等問題，導(dǎo)致了生產(chǎn)成本增加、效益不高，進(jìn)而影響種植者的積極性。一般來說，日光溫室結(jié)構(gòu)不合理會導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境不佳，將嚴(yán)重影響溫室蔬菜的生產(chǎn)。因此，尋找山西省適合不同區(qū)域的日光溫室構(gòu)型，也就成為山西省日光溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟需解決的主要問題。筆者于2011年12月～2012年1月對山西省11個不同縣區(qū)的日光溫室結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)查，目的是為了發(fā)現(xiàn)已建日光溫室構(gòu)型存在的問題，進(jìn)一步指導(dǎo)山西省日光溫室構(gòu)型優(yōu)化和推進(jìn)日光溫室規(guī)范化建設(shè)方案的制定。

1 調(diào)查設(shè)計

2011年12月～2012年1月進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查地點(diǎn)：陽高縣、朔州市朔城區(qū)、忻州市忻府區(qū)、臨縣、晉中市榆次區(qū)、陽泉市郊區(qū)、高平市、長子縣、洪洞縣、新絳縣、運(yùn)城市鹽湖區(qū)等11個縣（市或區(qū)）的主要日光溫室蔬菜生產(chǎn)片區(qū)。選擇有代表型的日光溫室類型，包括73155（5 座）、84455（6 座）、壽光四代（9 座）、壽光五代（7 座）、復(fù)合 磚墻日光溫室（6 座）等，共3 3 座；主要調(diào)查日光溫室的采光屋面結(jié)構(gòu)、墻體構(gòu)造、下挖深度等3個基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)型與參數(shù)。

2 調(diào)查結(jié)果

2.1 日光溫室采光屋面的設(shè)計與評價

日光溫室采光屋面作為熱量來源與散失的主要途徑，對日光溫室的溫度狀況有極其重要的作用。關(guān)于日光溫室采光屋面構(gòu)造方面的研究已有很多（軒維艷，2007；王朝棟 等，2011），但就山西省日光溫室建設(shè)現(xiàn)狀來說，前屋面的設(shè)計與施工上缺少必要的規(guī)范。全省日光溫室采光屋面結(jié)構(gòu)主要為2種：一種是由鋼拱架+竹竿組成的琴弦式結(jié)構(gòu)，屋面多為立坡式，鋼拱架間距為3.0 m，鋼拱架間布置竹竿，竹竿間距一般為50～60 cm，用鋼絲橫向連接。該類型屋面投資較低，但拱架遮陰較多、承載力較低，室內(nèi)一般需布置立柱支撐，竹竿一般4～6 a 更換1次，維護(hù)費(fèi)用較高。另一種是拱圓形鋼拱架，多為拋物線形的拱圓形屋面，拱架間距一般為1.0～1.2 m，屋面承載能力強(qiáng)，室內(nèi)無須立柱支撐，便于機(jī)械操作，使用年限10～15 a，但一次性投資較大，山西省新建日光溫室采光屋面多為鋼拱架結(jié)構(gòu)。

采光性能是評價采光屋面優(yōu)劣的重要因素，采光屋面優(yōu)化的目的也是為了增加溫室的采光性能。對全省不同地區(qū)日光溫室內(nèi)光照情況進(jìn)行測定（圖1），可以看出兩種屋面的室內(nèi)北側(cè)透光率均相對偏弱，拱圓形屋面透光率由南向北逐漸減弱，而立坡式屋面透光率變化較小。對比兩種屋面的透光率可以看出，在溫室內(nèi)的中北部，立坡式屋面透光率均優(yōu)于拱圓形，除去棚膜質(zhì)量與管理上的差異外，原因在于立坡式屋面頂角角度一般大于拱圓形屋面。因此，拱圓形屋面的設(shè)計應(yīng)根據(jù)溫室建設(shè)的地理位置適當(dāng)增加頂角角度，以利于溫室內(nèi)中北部的采光。另外，在滿足荷載要求的前提下，建議根據(jù)拱架材料適當(dāng)調(diào)整拱架間距（1.00～1.25 m），以減少拱架遮光。

2.2 日光溫室栽培面下挖深度的現(xiàn)狀與合理性分析

日光溫室栽培面適當(dāng)下挖可在很大程度上阻斷后墻、山墻的傳熱，使蓄熱系數(shù)和保溫比增加，縫隙放熱和土壤橫向傳熱的熱量損耗減少（劉桂芝 等，2004）。李清明等（2011）研究表明，日光溫室下挖深度在0～1.0 m時，下挖越深溫室氣溫和地溫增溫效果越顯著、保溫效果越好；下挖深度達(dá)1.5 m時增溫效果則顯著下降，最低地溫偏離度增大，且下挖越深溫室內(nèi)光照度越低、相對濕度越大。因此，要充分利用下挖設(shè)計來提高溫室性能，但需要避免下挖過深對日光溫室環(huán)境帶來的負(fù)面效應(yīng)。

圖1 山西省日光溫室內(nèi)光照情況

一般情況下，在溫室內(nèi)總陰影率不大于30%的條件下，可兼顧其采光與蓄熱保溫性能（李霞 等，2011）。溫室自身骨架材料和覆蓋材料等在室內(nèi)產(chǎn)生的陰影率約為15%，所以下挖產(chǎn)生的遮陰率不宜超過15%（張峰 等，2008）。為了最大程度地為溫室作物生長提供最佳溫光條件，一般以太陽高度角最小、光照最弱的冬至日為計算日，依據(jù)合理采光時段理論（張真和和李建偉，1996），日光溫室的合理采光時段應(yīng)保持在午間4 h以上，一般選在10：00～14：00。山西省日光溫室建設(shè)中，日光溫室朝向一般為南偏西3°～5°，即溫室方位角為-5°；因此，10：00時產(chǎn)生的陰影面積最大，筆者選擇該時間點(diǎn)作為考慮的限制條件，基于以上條件，根據(jù)李霞等（2011）的方法，計算得到全省不同地區(qū)代表型日光溫室下挖深度的理論最大值（表1）。

根據(jù)計算結(jié)果與實(shí)際調(diào)查現(xiàn)狀相比，可以看出陽高縣、高平市、新絳縣、朔城區(qū)、鹽湖區(qū)的代表型日光溫室下挖深度過大，對室內(nèi)地面的采光面積有一定影響。

除了考慮對遮光的影響，下挖深度的確定還需要考慮土壤質(zhì)地、地形與建造成本等因素，尤其是地下水埋深深度。參照《地下水月報，2011》數(shù)據(jù)，全省6 處盆地（重要的蔬菜產(chǎn)區(qū)）2011年的地下水埋深深度情況見表2。對比下挖深度理論最大值與地下水位情況，可以看出下挖深度理論最大值均在平均地下水位之上，但是鹽湖區(qū)與新絳縣（屬運(yùn)城盆地）、洪洞縣（屬臨汾盆地）、榆次區(qū)（屬太原盆地）的下挖深度理論最大值均在月最小值的范圍內(nèi)，即在某些月份里下挖深度理論最大值在地下水位最小值以下，日光溫室栽培面以及墻體的安全性會受到地下水的影響。所以，下挖溫室的建設(shè)一定要避開地下水位較淺的區(qū)域，以保證日光溫室的安全性。

表1 山西省代表型日光溫室下挖深度的現(xiàn)狀及理論最大值

2.3 日光溫室墻體厚度的現(xiàn)狀與合理性評估

機(jī)筑土墻類型日光溫室是山西省普遍存在的溫室類型，其數(shù)量可占到日光溫室總量的70%以上。據(jù)調(diào)查，該種類型日光溫室土墻基部厚度一般在4.0～5.0 m，部分地區(qū)還存在8.0 m 厚的土墻。磚墻型日光溫室一般為復(fù)合墻體構(gòu)造，全省最常見的有3種復(fù)合墻體類型（表3）。

表2 山西省不同盆地海拔高度及地下水埋深深度（2011年）

表3 山西省代表型日光溫室墻體結(jié)構(gòu)的建設(shè)厚度及計算厚度

表4 不同地區(qū)溫室室外設(shè)計溫度及低限熱阻值

日光溫室墻體厚度的確定是在滿足承載能力的前提下，達(dá)到設(shè)計要求的保溫蓄熱能力?！睹裼媒ㄖ峁ぴO(shè)計規(guī)范》（GB50176-93）中針對不同類型的建筑，從節(jié)能的角度提出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的低限熱阻的要求，R設(shè)計≥R0（R設(shè)計，熱阻設(shè)計值；R0，低限熱阻值），調(diào)查地點(diǎn)的溫室外設(shè)計溫度及所要求的低限熱阻R0值見表4。依據(jù)該方法，計算不同地區(qū)日光溫室墻體厚度（表3）。單從傳熱的角度來看，山西省機(jī)筑土墻厚度在1.2～1.4 m 之間；而復(fù)合墻體的總體厚度也超出了計算值，長子縣所需聚苯板的厚度僅為2.4 cm；陽高縣、洪洞縣的復(fù)合墻體聚苯板厚度最小值為3.43、2.83 cm；高平市的復(fù)合墻體，則可將爐渣厚度降低為18.76 cm，或調(diào)整為24 磚墻+23.41 cm 爐渣+24 磚墻的構(gòu)造。從以上結(jié)果可以看出，單從傳熱角度分析，山西省不同地區(qū)代表型日光溫室的墻體厚度均高于規(guī)范要求的最小值，尤其是機(jī)筑土墻體。

墻體不僅要達(dá)到保溫要求，還要滿足足夠的承載能力。復(fù)合墻體構(gòu)造為保溫結(jié)構(gòu)+承重結(jié)構(gòu)，在滿足承載力與保溫性能的前提下，可通過降低承重結(jié)構(gòu)或保溫結(jié)構(gòu)的厚度來降低墻體總厚度。而機(jī)筑土墻則為直接承重，其承載能力決定于土質(zhì)、土壤物理性質(zhì)以及壓實(shí)程度等多方面因素，因此，土墻厚度的合理設(shè)計還需要進(jìn)行土質(zhì)與承載能力方面的研究與分析。

3 日光溫室規(guī)范化建設(shè)的意義與建議

日光溫室的規(guī)范化建設(shè)具有重要的意義。從經(jīng)濟(jì)角度上說，區(qū)域建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施有利于建設(shè)單位或個人的合理選型，可以避免盲目增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來的資金投入，減少使用過程中的維護(hù)費(fèi)用。結(jié)構(gòu)的合理性也有利于溫室內(nèi)環(huán)境條件的優(yōu)化，進(jìn)而減少溫室內(nèi)環(huán)境不佳帶來的作物病害的防治費(fèi)用。從生態(tài)角度來講，可以減少結(jié)構(gòu)不合理對土地資源的浪費(fèi)。從社會角度講，可以促進(jìn)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、增加農(nóng)民收入。日光溫室的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，保障了日光溫室的應(yīng)用性能的充分發(fā)揮，避免了日光溫室在安全性、管理上的問題對經(jīng)營者的 不利影響，有利于設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

日光溫室作為冬季蔬菜生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)設(shè)施，其保溫性能是建設(shè)過程中首先要考慮的因素，為了滿足寒冷季節(jié)的蔬菜生產(chǎn)，溫室內(nèi)白天溫度需要維持在10℃以上，夜間溫度則要保持在5℃以上。不同地區(qū)的溫度特征不同，要求日光溫室的保溫性能也應(yīng)不同，溫室的建設(shè)要依據(jù)各地的氣候特征，才能保證溫室在寒冷期的充分利用和蔬菜生產(chǎn)效益的最大化。

前屋面、墻體和栽培面是日光溫室最重要的結(jié)構(gòu)部分，各結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)相互影響，共同決定著溫室的性能，因此在日光溫室建設(shè)中應(yīng)協(xié)調(diào)好各結(jié)構(gòu)部分的功能。單獨(dú)來說，采光屋面角要協(xié)調(diào)好其采光與夜間散熱的關(guān)系；墻體要充分發(fā)揮其蓄熱保溫性能；而栽培面部分，要考慮下挖深度對作物生長的影響，同時盡量發(fā)揮下挖帶來的升溫效應(yīng)。總之，氣溫低的區(qū)域應(yīng)增加溫室墻體的蓄熱保溫性、適當(dāng)增加下挖深度（在合理范圍內(nèi)），以提高溫室的蓄熱性能；同時增大前屋面的角度，提高溫室太陽光的有效截獲。

日光溫室的保溫能力主要決定于不同結(jié)構(gòu)的組合，而結(jié)構(gòu)也決定了投資、土地利用、使用年限、安全性等方面。因此，依據(jù)區(qū)域氣候特征設(shè)計日光溫室類型，并且需要提高土地利用率、延長使用年限、增強(qiáng)安全性、節(jié)約投資等方面優(yōu)化日光溫室結(jié)構(gòu)，最終制定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。日光溫室標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)內(nèi)容的另一重要方面就是嚴(yán)格把控施工過程與材料選擇，應(yīng)該選擇有資質(zhì)的施工單位，嚴(yán)格依照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)施工，這樣才能真正的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。

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