日光溫室的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)

專家簡(jiǎn)介：魏曉明，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所高級(jí)工程師，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。從事溫室精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理論、溫室園藝技術(shù)效果評(píng)價(jià)及標(biāo)準(zhǔn)化、光伏溫室技術(shù)開發(fā)等方向的研究工作。主持及參與承擔(dān)國(guó)家“863”、“十二五”科技支撐、“國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定”等科研任務(wù)近20項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，其中SCI/EI檢索8篇，參編論著5部。開發(fā)日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，指導(dǎo)設(shè)計(jì)日光溫室2000余畝。

日光溫室是一種我國(guó)自主研發(fā)的設(shè)施類型，由于能夠充分利用太陽(yáng)能，在我國(guó)北方大部分地區(qū)一般不需要額外輔助加溫即可實(shí)現(xiàn)喜溫果菜安全越冬生產(chǎn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。截至2014年，全國(guó)日光溫室總面積已達(dá)101.3萬(wàn)公頃，約占園藝設(shè)施總面積的24.6%。日光溫室的發(fā)展，成功解決了我國(guó)北方地區(qū)冬季鮮食蔬菜的供給問(wèn)題；并且通過(guò)延長(zhǎng)農(nóng)民的勞動(dòng)生產(chǎn)時(shí)間，增加了經(jīng)濟(jì)收入。為了強(qiáng)化園藝生產(chǎn)者對(duì)這種溫室類型的理解，本文將從日光溫室的工作原理、主要類型、設(shè)計(jì)方法、建造流程等方面，進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

一、工作原理

日光溫室的能量來(lái)自于太陽(yáng)輻射，夜間也是靠白天室內(nèi)蓄積的太陽(yáng)輻射熱量來(lái)維持室內(nèi)的溫度。它之所以能夠不需要加溫實(shí)現(xiàn)冬季正常生產(chǎn)，主要是和它的結(jié)構(gòu)有關(guān)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的日光溫室是由保溫蓄熱的后墻、頂部北側(cè)的保溫后屋面、南向采光屋面晝開夜蓋的保溫被構(gòu)成。它的原理就是白天打開保溫被，讓太陽(yáng)輻射盡可能多地透進(jìn)溫室內(nèi)，使室內(nèi)氣溫迅速上升并將熱量蓄積在后墻和地面的土壤中；傍晚的時(shí)候，室外氣溫下降，日光溫室關(guān)閉保溫被減少室內(nèi)熱量的散失，并且靠墻體和地面土壤緩慢釋放的熱量，來(lái)維持室內(nèi)溫度在一個(gè)較高的水平。一般情況下，日光溫室能夠維持室內(nèi)外20～30℃的溫差，所以能夠保障在不額外加溫的情況下，實(shí)現(xiàn)果菜的正常生產(chǎn)。由于日光溫室克服了連棟玻璃溫室能耗大的問(wèn)題，目前像日本、加拿大等國(guó)家也在模仿、研究日光溫室，這也是我國(guó)勞動(dòng)人民對(duì)世界溫室產(chǎn)業(yè)做出的一個(gè)巨大貢獻(xiàn)。

二、種類沿革

日光溫室起源于上世紀(jì)30年代的遼寧海城地區(qū)，利用一面坡的玻璃屋面加立窗的簡(jiǎn)易形式來(lái)生產(chǎn)新鮮蔬菜。自上世紀(jì)70年代起，隨著塑料薄膜在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用，直接推進(jìn)了日光溫室結(jié)構(gòu)的發(fā)展和升級(jí)，溫室前屋面由折線形改為拱圓形。進(jìn)入新世紀(jì)，在需求帶動(dòng)、政策拉動(dòng)、投資驅(qū)動(dòng)下，日光溫室產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了一個(gè)快速發(fā)展期，各種結(jié)構(gòu)形式層出不窮。

從專業(yè)角度上來(lái)說(shuō)，日光溫室的種類還是按照受力骨架的類型和墻體材料的類型進(jìn)行區(qū)分。從受力骨架類型上，可以分成竹木結(jié)構(gòu)的日光溫室，就是用竹竿作為溫室前屋面骨架；鋼結(jié)構(gòu)的日光溫室，就是用鋼筋、鋼管焊接成桁架結(jié)構(gòu)或者用幾字鋼等薄壁型鋼冷彎成型作為溫室前屋面骨架；鋼木混合結(jié)構(gòu)的日光溫室，就是用鋼結(jié)構(gòu)和竹木結(jié)構(gòu)混合使用作為溫室前屋面骨架。從墻體材料上，可以分為土墻結(jié)構(gòu)的日光溫室，采用挖掘機(jī)或干打壘的方式，用土砌筑日光溫室的后墻；磚墻加外保溫結(jié)構(gòu)的日光溫室，采用復(fù)合砌筑的方式，砌筑磚墻外貼保溫板的形式作為溫室后墻；以及采用發(fā)泡混凝土、聚苯乙烯磚等新型保溫材料砌筑的日光溫室。近年來(lái)推廣面積較多是以大跨度、厚土墻、地面下沉為特征的“壽光型”日光溫室和采用蓄熱磚墻外加保溫板的遼沈型日光溫室為主。

三、日光溫室的設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)是確保日光溫室在白天能夠盡量多截獲、儲(chǔ)藏太陽(yáng)能、在夜間具有良好保溫效果的關(guān)鍵。日光溫室的設(shè)計(jì)主要是確定5類最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即溫室的跨度、高度、前后屋面角度、墻體的厚度、后屋面的水平投影長(zhǎng)度。這5類參數(shù)是相互影響的，共同決定了溫室的性能。

1. 跨度

指日光溫室南側(cè)底腳至北墻之間的寬度。目前我國(guó)北方地區(qū)，特別是北緯40°以北的寒冷地區(qū)，日光溫室的跨度大多在8～10米之間，可以保證作物有較為充裕的生長(zhǎng)空間和較為便利的作業(yè)條件。在北緯40°以南的冬季氣溫較高的地區(qū)，為了增加溫室的有效種植面積，可以將溫室的跨度適當(dāng)增加到10～12米。

2. 前后屋面角度

包含前屋面角度和后屋面角度兩個(gè)參數(shù)。前屋面角是指從日光溫室南側(cè)底腳至屋脊最高點(diǎn)的連線與地平面的夾角。前屋面角是否合理，對(duì)于溫室的采光具有重要作用。前屋面角的確定方法和建設(shè)地所在緯度有緊密關(guān)系的，一般在北緯40°以南地區(qū)，日光溫室前屋面角度取26°～29°、北緯40°地區(qū)，取30°；北緯40°以北地區(qū)，取31°～33°。后屋面角指的是溫室后屋面與水平面的夾角，它決定了屋脊與后墻的高差。后屋面角最好要大于當(dāng)?shù)囟寥仗?yáng)高度角7°～8°，后屋面角一般取40°～45°。

3. 高度

指日光溫室屋脊至地面的距離。當(dāng)日光溫室的跨度、前屋面角度確定了，溫室的高度基本也就確定了。以8米跨度的溫室為例，在北緯40°以南地區(qū)，日光溫室高度取3.5～4米之間、北緯40°地區(qū)，取4米；北緯40°以北地區(qū)，取4.1～4.5米之間。

4. 墻體厚度

日光溫室墻體不僅起承重、隔熱的功能，也起著蓄放熱量的功能，因此最好采用復(fù)合模式來(lái)砌筑日光溫室，即內(nèi)側(cè)選用蓄熱系數(shù)大的建筑材料，外層選用導(dǎo)熱小的保溫材料。墻體的厚度和冬季室外溫度有關(guān)，室外溫度越低，相應(yīng)的墻體厚度就越大。目前通常采用37磚墻或50磚墻外貼10厘米厚、密度為20千克/立方米的聚苯板的做法，這種墻體的優(yōu)勢(shì)是壽命長(zhǎng)、性能好，缺點(diǎn)是砌筑費(fèi)用高。所以有些地區(qū)的農(nóng)業(yè)種植者，選用土墻作為溫室的墻體，土墻的厚度也不是越厚越好，從蓄熱的角度來(lái)說(shuō)1米厚就足夠了，但從保溫的角度來(lái)說(shuō)，還要再增加到2～3米左右。土墻的優(yōu)勢(shì)是造價(jià)低、性能也不錯(cuò)，但缺點(diǎn)同樣很明顯，就是在降雨量比較大的、土質(zhì)黏結(jié)力不好的地區(qū)，土墻容易坍塌。

5. 后屋面水平投影長(zhǎng)度

主要是反映后屋面的長(zhǎng)短，在寒冷區(qū)域，后屋面水平投影長(zhǎng)度一般取溫室跨度的20%；在氣溫較高的地區(qū)后屋面水平投影就適當(dāng)短一些，控制在1米左右，有時(shí)甚至可以取消后屋面。

四、日光溫室的建造

日光溫室的建設(shè)主要包含：選址、布局，放線、建造地基、砌筑墻體、安裝骨架、建造后屋面、鋪設(shè)薄膜、安裝保溫被和卷簾機(jī)等工序。

1. 選址

主要遵循四個(gè)原則，一是地形開闊，東、西、南三面無(wú)遮陽(yáng)；二是地下水位要低，土質(zhì)要疏松肥沃，沒(méi)有鹽漬化和其他污染；三是要避開風(fēng)口、風(fēng)道；四是供電供水便利，道路暢通。

2. 布局

場(chǎng)地選擇好后，要進(jìn)行合理的規(guī)劃布局，包括確定日光溫室的方位、間距。溫室的方位要求坐北朝南，一般以正南比較多，在寒冷的地區(qū)可以適當(dāng)南偏西5°～10°，這樣比較有利于下午溫室內(nèi)溫度的積累。溫室的前后排間距以冬至日上午10點(diǎn)，前排溫室不對(duì)后排溫室構(gòu)成明顯遮光為準(zhǔn)，通常按照脊高的1.5～2倍來(lái)設(shè)置，在北緯40°以北地區(qū)，由于冬至日的太陽(yáng)高度角比較低，前后棟溫室的間隔要按照脊高的2.5倍來(lái)設(shè)置。

3. 放線

首先要定好一根正南方向的線，再在這根直線上拉一條東西向的垂線，這就是溫室的后墻線。然后根據(jù)設(shè)計(jì)溫室的大小定出溫室四角的角樁位置，并釘上木樁，作為標(biāo)記。拉線并用白灰撒出后墻、兩側(cè)山墻及整個(gè)溫室的線位。然后對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整，用水準(zhǔn)儀找平每棟溫室，確定正負(fù)零位，然后就可以砌墻。

4. 墻體砌筑

磚墻砌筑，用體積比為2︰8的灰土夯實(shí)墻基墊層，溫室基礎(chǔ)用毛石或普通磚建造，用水泥砂漿砌成，基礎(chǔ)做完后就可以砌墻。在墻體砌筑過(guò)程中每隔1米砌一道橫向拉墻，使內(nèi)外兩層連成一個(gè)整體，在墻的頂部作一層圈梁，按照骨架安裝的位置，埋上預(yù)埋件。墻體砌筑時(shí)要砂漿飽滿，勾好磚縫，山墻按照溫室前屋面的形狀砌成半拱圓形。磚墻砌好后，在外側(cè)貼10厘米的聚苯板，密度要求在20千克/立方米以上，最外面加一層鋼絲網(wǎng)砂漿面層作為保護(hù)。

土墻砌筑，以前干打壘的施工工藝比較多，現(xiàn)在用的最多的是機(jī)打土墻的方式，就是用挖掘機(jī)、鏈軌式推土機(jī)進(jìn)行機(jī)械化建造。首先把溫室20～30厘米處耕作層的熟土取出來(lái)，堆放到溫室南側(cè)，待墻體建完后回填。然后用挖掘機(jī)取土筑墻，每增加30厘米用推土機(jī)反復(fù)碾壓幾遍，壓緊夯實(shí)，一直建設(shè)到預(yù)定的高度，再用挖掘機(jī)切削成上窄下寬的形狀，最后在墻頂作一層圈梁。山墻和后墻連接處采用山墻包后墻的方式。為了保護(hù)土墻不受雨水的侵蝕，通常會(huì)在土墻外側(cè)包裹一層舊棚膜或保溫被，有時(shí)也會(huì)外砌一層磚墻進(jìn)行保護(hù)。

5. 骨架安裝

如果采用鋼結(jié)構(gòu)骨架，除了部分薄壁型鋼骨架可以預(yù)制外，大部分還是需要自行焊接的。一般骨架的上弦選用φ（直徑）32或φ35鍍鋅鋼管，下弦為φ12鋼筋，中間用φ8或10鋼筋作為腹桿拉花。骨架加工好后就可以安裝，將骨架的前端和溫室前底腳位置上的預(yù)埋件相焊結(jié)，后端和后墻圈梁上的預(yù)埋件焊結(jié)，骨架間距可以設(shè)為1或1.2米一榀，骨架中間用3～4道鍍鋅鋼管縱向通長(zhǎng)連接，在屋脊處用50毫米×50毫米的角鐵焊接縱向相聯(lián)，角鐵缺口朝向后屋面，在后屋面的東西方向上，也要焊2～3道角鐵作為支撐。安裝時(shí)要保證所有骨架的高度、角度應(yīng)一致，焊接要牢固。

如果采用鋼木混合結(jié)構(gòu)的骨架，其中的鋼骨架一般用鋼管彎制而成，安裝間距通常為3～4米，中間每0.5米用竹竿作為骨架。東西方向上，從骨架前端一直到后屋面，每30～40厘米拉一道鐵絲，這樣增加骨架的整體穩(wěn)定性，鐵絲在山墻上匯集，連上地錨埋到土里。同時(shí)為了加強(qiáng)骨架的承載力，在鋼骨架下設(shè)2～3排柱子作為支撐。這種骨架的優(yōu)勢(shì)就是造價(jià)便宜，缺點(diǎn)就是竹竿每2～3年需要更換，需要經(jīng)常維修。

6. 后屋面建造

后屋面主要是起保溫作用。后屋面通常做法是采用多層結(jié)構(gòu)，從室內(nèi)向室外，設(shè)有承重層、保溫層和防水層?，F(xiàn)在新的做法是選用15厘米的輕質(zhì)復(fù)合保溫板直接鋪設(shè)在后屋面上，板上用水泥砂漿抹面及防水卷材處理。這種保溫性也比較好，而且施工簡(jiǎn)單。后屋面施工的總體要求是，要保證整個(gè)后屋面頂部呈南高北低平緩的斜坡，坡面平整無(wú)縫，注意不能讓雨、雪滲入后屋面。

7. 塑料薄膜安裝

選用透光性好，抗老化的無(wú)滴膜作為溫室前屋面的棚膜。在安裝時(shí)，采用3塊薄膜覆蓋的方式，在前屋面骨架的頂部和前底腳，覆蓋2塊小薄膜，中間覆蓋1塊大薄膜，兩塊膜的連接處可扒縫通風(fēng)。膜東西向長(zhǎng)度要比溫室長(zhǎng)2米，南北向?qū)挾纫凑涨拔菝婀羌艿幕￠L(zhǎng)多60～80厘米，就是在兩塊膜的搭接處，留30～40厘米的重疊。

安裝時(shí)應(yīng)該選擇無(wú)風(fēng)晴天的上午，從骨架前底角處，先覆蓋1.5米的薄膜，下部留30厘米寬，以備埋入土中固定，東、西方向拉緊膜后，用卡簧卡在山墻的卡槽內(nèi)固定，將下部埋在土中。然后用同樣的方法，將中間的那塊大膜東西向拉緊，下方壓在下面的薄膜上，重疊30厘米，將2塊薄膜的活動(dòng)側(cè)每隔3～4米用細(xì)鐵絲固定在骨架上。最后覆蓋最上面幅寬1.5米膜，使其下邊與中間薄膜重疊30厘米。鋪設(shè)薄膜后用專用壓膜線在各骨架間進(jìn)行壓膜、固定。

8. 卷簾機(jī)及保溫被安裝

保溫被起著阻止溫室夜間向外散熱的作用，應(yīng)選用保溫效果好、防水性能好、耐用的保溫被。保溫被一般是從溫室前底角處開始安裝，重量在1千克/平方米的保溫被，建議中間的卷軸用DN50的鋼管，重量在2千克/平方米以上的保溫被，卷軸的直徑也要相應(yīng)的增加。在卷簾機(jī)方面，現(xiàn)有后置上拉式、前置卷軸上推式、側(cè)置卷軸上推式和軌道式四種類型，其安裝方式各不相同。要根據(jù)溫室的長(zhǎng)、寬、高和保溫被的重量，選擇適宜卷簾機(jī)的類型和功率。建議選用正規(guī)廠家生產(chǎn)的卷簾機(jī)，一方面質(zhì)量有保障，另一方面有比較詳細(xì)的安裝、使用說(shuō)明，可以直接根據(jù)安裝說(shuō)明，一步一步的組裝卷簾機(jī)。