蒙古國溫室設計與建造研究＊

何 芬，盛寶永（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設施結構設計與智能建造重點實驗室，北京 100125）

蒙古國地處亞洲中部，國土區(qū)域位于北緯41 °35 ′～52 °09 ′、東 經(jīng)88 °44 ′～119° 56′。東、南、西三邊同中國接壤，北面與俄羅斯的西伯利亞為鄰。農(nóng)牧業(yè)是蒙古國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟的基礎，也是加工業(yè)和生活必需品的主要原料來源[1]。但蒙古國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展水平低，生產(chǎn)技術落后，仍以粗放型農(nóng)牧業(yè)為主。蒙古國種植的主要農(nóng)作物分兩類，一種是糧食作物類，主要是小麥種植較普遍，產(chǎn)糧區(qū)分布在中央省、色楞格省、布爾干省等烏蘭巴托以北地區(qū)，還有少量油菜種植。另一種是蔬菜類，品種較多，以土豆為主，還有白菜、蘿卜、蔓菁、黃瓜、西紅柿、芹菜以及少量的西瓜等。蒙古國的糧食和蔬菜均依賴進口，小麥、土豆生產(chǎn)基本可滿足國內需求，但蔬菜生產(chǎn)只可滿足國內需求的60% 左右。主要原因是蒙古國山地沙漠和戈壁多，適合種植蔬菜水果的地方少，且蒙古國降雨少、干旱，蒙古國人生活習慣多為游牧民族習性且種植水平低、經(jīng)驗欠缺。為此亟需通過發(fā)展設施園藝創(chuàng)造適于作物種植的環(huán)境，改變靠天吃菜的現(xiàn)狀。

蒙古國氣候條件

蒙古國氣候為典型的溫帶大陸性氣候，終年干燥少雨，夏季炎熱，冬季酷寒，冬季最低氣溫可至-40 ℃，夏季最高氣溫可達38 ℃，晝夜溫差大，無霜期短。年平均日照時數(shù)為2600～3300 h，是全世界日照時間最長的國家之一，日照時數(shù)自北向南遞增。年平均降水量為230 mm，全年降水量大部分集中在暖季4～10月份，占全年降水量的85%～90%，僅7～8 月份降水量占全年降水量的50%～60%。冬季降水量占全年降水量的10%～15%?？傮w來說，蒙古國太陽輻射強烈、干旱缺水，適于發(fā)展溫室生產(chǎn)，但冬季最低氣溫過低，也給溫室越冬生產(chǎn)帶來一定的困難和挑戰(zhàn)。

蒙古國溫室概況

蒙古國擁有夏季生產(chǎn)溫室和越冬用生產(chǎn)溫室，在一定程度上滿足國內的蔬菜供應需求，這些溫室每年向蒙古國內市場供應5800 t 蔬菜，2019 年蒙古國共進口了1.55 萬t 蔬菜[2]。2020年因為新冠疫情，暫停了從中國入境的貨運業(yè)務，蒙古國內發(fā)生蔬菜短缺問題。如果想由蒙古國內自行滿足100% 的蔬菜供應需求，需再增加50 hm2的越冬用生產(chǎn)溫室，夏季生產(chǎn)用溫室的面積同樣也要大幅增加，而且必須要大力扶持溫室企業(yè)。目前蒙古國內由溫室種植的蔬菜，只滿足了國內蔬菜供應需求的25%。2020 年，蒙古國政府為提高種植業(yè)發(fā)展和國內蔬菜供應能力，向經(jīng)營種植業(yè)企業(yè)和個人發(fā)放年息3% 的1500億圖格里克貸款（約合3.8 億元人民幣），免費分發(fā)700 hm2面積種植種子，擴建20 hm2面積冬季蔬菜大棚并提供相應的技術支持，改善現(xiàn)有蔬菜儲藏地窖條件，擬將蔬菜進口稅提高至30%等。計劃將2020 年國內種植業(yè)提高40%，蔬菜進口下降60%～70%[3]。

蒙古國溫室類型以日光溫室和塑料大棚為主，種植作物有果菜、葉菜、草莓等。蒙古國溫室建造設計多依靠國外技術，設計建造水平較低，缺乏設計標準，溫室類型多樣。圖1 為三折式單坡屋面溫室，溫室骨架為鋼骨架，屋面覆蓋材料為塑料薄膜，墻體結構為異質復合墻體，兩邊為加氣混凝土砌塊，中間芯材為模塑聚苯板。圖2 為鋼管骨架塑料大棚，結構與中國的差異不大，主要用于葉菜生產(chǎn)。目前蒙古國溫室越冬生產(chǎn)主要依靠配套內保溫幕及熱風爐等采暖加溫設施，當室外在-40℃的寒冷條件下，室內部溫度可保持在15℃以上，保證蔬菜的正常生產(chǎn)。

圖1 三折式單坡屋面日光溫室

圖2 塑料大棚

蒙古國日光溫室設計

溫室設計以蒙古烏蘭巴托地區(qū)為例，通過對當?shù)氐臍夂颦h(huán)境進行分析，基于經(jīng)濟條件、能源消耗等情況，選擇日光溫室作為該地區(qū)蔬菜生產(chǎn)的主要設施。烏蘭巴托的緯度（北緯47.92°）與中國黑龍江省的齊齊哈爾（北緯47.38°）、海倫（北緯47.43°）、伊春（北緯47.72°）、富錦（北緯47.23°）等地接近，在日光溫室的建設上可進行一定的借鑒。

主體尺寸確定

日光溫室長度宜60～120 m，跨度6～12 m。考慮烏蘭巴托地區(qū)緯度≥45°，日光溫室跨度設計為6～9 m。依據(jù)NY/T3223-2018《日光溫室設計規(guī)范》，當日光溫室跨度L0 為6～9 m 時，計算出日光溫室的建筑參數(shù)，如表1 所示。

圍護結構設計

日光溫室墻體采用異質復合墻體或單一材質土墻。烏蘭巴托與伊春緯度最接近，在進行墻體設計時，圍護結構保溫設計室外計算溫度取值借鑒伊春地區(qū)，取值-34℃，采暖室外計算溫度-27.2℃。插值法計算出烏蘭巴托地區(qū)異質復合墻體低限熱阻為6.5（m2·℃）/W、單一材質土墻低限熱阻2.9（m2·℃）/W。墻體熱阻計算如公式（1）：

式中：

R——復合墻體總熱阻，（m2·℃）/W；

ho——墻體外表面空氣對流換熱系數(shù)，ho=23W/（m2·℃）；

δj——墻體第j層厚度，m；

λj——墻體第j層的導熱系數(shù)，W/（m·℃）；

hj——墻體內表面空氣對流換熱系數(shù)，hj=8.7W/（m2·℃）。

根據(jù)低限熱阻可選擇墻體結構及材料，當墻體為單一夯實黏土時，則墻體厚度為2.6～3.2 m；當墻體為礫石時，則墻體厚度為5.6 m。

日光溫室后屋面應由承重層、保溫層和防水層組成，其中保溫層低限熱阻應滿足公式（2）。

式中：

Rb——后屋面保溫層低限熱阻，m2·℃/W；

Ti——日光溫室保溫設計室內計算溫度，可按種植作物的生育低限溫度確定；喜溫果菜取值12℃，葉菜取值5℃。

To——日光溫室保溫設計室外計算溫度，取值-34℃。

α i——圍護結構內表面換熱系數(shù)，取值8.7 W/（m2·℃）；

αo——圍護結構外表面換熱系數(shù)，取值23 W/（m2·℃）。

計算出生產(chǎn)果菜的保溫層低限熱阻3.49（m2·℃）/W，生產(chǎn)葉菜的保溫層低限熱阻3.36（m2·℃）/W。

溫室環(huán)境性能模擬

確定好日光溫室總體參數(shù)及墻體組成后，采用中國農(nóng)業(yè)大學馬承偉研究團隊[4]開發(fā)的熱環(huán)境模擬軟件對不同日光溫室設計方案進行性能模擬及評價。在軟件中地理氣象參數(shù)直接選擇伊春地區(qū)，如圖3 所示。溫室一般性數(shù)據(jù)輸入設置中，設置溫室方位偏西5°，前屋面為薄膜覆蓋，草簾或保溫被的傳熱系數(shù)為0.5 W/（m2·℃），具體如圖4 所示。

圖3 地理位置與氣象條件參數(shù)設置

圖4 一般性數(shù)據(jù)輸入設置

設置溫室長度80 m，跨度選擇6、7、8、9 m，墻體截面為矩形，材料為夯實黏土，厚度為3.2 m時，溫室下沉0.5 m，模擬結果如表2 所示。

表2 矩形墻體模擬結果

設置溫室長度80 m，跨度選擇6、7、8、9 m，墻體截面為梯形，材料為夯實黏土，上部厚度為1.5 m，下部為4.9 m 時，溫室下沉0.5 m，模擬結果如表3 所示。

表3 梯形墻體模擬結果

通過模擬結果可以看出，表2 和表3 中的各類指標值均隨著溫室跨度的增大而增大，梯形截面墻體的溫室性能較矩形截面溫室更好。當跨度為9 m、墻體為梯形截面時，溫室整體性能最好，此時室內夜間日最低氣溫最低值為-5.49℃，夜間平均氣溫僅為-0.31℃。從結果可以看出，在無加溫的條件下，無論采用哪種設計方案，在蒙古國要想實現(xiàn)日光溫室越冬生產(chǎn)，僅依靠溫室本身圍護結構和土壤的蓄熱保溫作用無法達到正常生產(chǎn)蔬菜的目的，必須通過輔助加溫等技術手段提升室內溫度環(huán)境。

發(fā)展建議

基于蒙古國氣候、經(jīng)濟、資源等條件，研究提出了日光溫室是適于蒙古國進行設施蔬菜生產(chǎn)的主要設施類型。通過借鑒中國日光溫室設計及建設經(jīng)驗，給出了適于蒙古國烏蘭巴托地區(qū)的日光溫室建筑和圍護結構的設計參數(shù)，并采用溫室環(huán)境性能模擬軟件對不同設計方案進行了比較分析，結果表明在該地區(qū)僅依靠日光溫室本身結構的保溫蓄熱性無法進行越冬生產(chǎn)，提出提升室內溫度環(huán)境的建議。

提高溫室保溫覆蓋能力

日光溫室熱量散失主要包括通過覆蓋材料的透射傳熱、通過縫隙的換氣傳熱和地中傳熱，分別占比為70%～80%、10%～20% 和10%?？梢姳仨氁岣邷厥仪拔菝娴谋馗采w能力?？梢圆捎脗鳠嵯禂?shù)小、保溫性能好的保溫被，或者采用多層覆蓋，雙層薄膜較單層室內可提高3～5℃，三層可提高5～6℃。也可借鑒內蒙古農(nóng)業(yè)大學崔世茂教授團隊[5]開發(fā)的雙膜雙被結構，一方面通過雙層保溫材料的雙重熱阻提高溫室保溫性能，另一方面通過雙層保溫材料之間的空氣間層絕熱進一步增大溫室屋面的熱阻。

配套被動儲熱和主動加溫設備

因蒙古國冬季最低溫度達到-40℃，白天太陽輻射強，除了依靠溫室墻體、土壤的蓄熱，還需要盡可能提升對白天太陽能的利用。早期主要利用水等媒介吸收的太陽能量，構建地中熱交換系統(tǒng)對室內土壤進行加熱，但因其工程量較大，蓄、放熱效果有限，沒有獲得大量應用[6]。較多研究者通過內部或外部集熱裝置將太陽熱能收集、貯存于水體中，夜間使之釋放到溫室內，提高室內的氣溫，或將熱水通入室內地下，提高室內地溫[7-10]；同時，相變潛熱貯熱的方法也被應用于日光溫室中，與水體貯熱相比，這種方法能夠大大降低貯熱設施的體積[11-12]。加溫設備方面，可以采用熱風爐、熱風機等加溫設備直接進行加溫，升溫效果顯著。