周博士考察拾零（五十八）滑蓋式日光溫室

周長吉

2016年1月23日是北京入冬以來最冷的一天，室外最低溫度達到-17℃，北京南郊觀象臺的觀測資料顯示，這一天也是北京平原地區(qū)近30年來1月份最低氣溫的極值。

溫度雖然很低，但天開云散，陽光燦爛，持續(xù)了2個多月的陰霾終于告別了北京。早就聽說北京順義有個滑蓋式日光溫室，一直希望有機會去看看。為了實地觀察、學習這種溫室結(jié)構(gòu)，一大早我就約了北京臥龍農(nóng)林科技有限公司的總經(jīng)理李曉明，想在北京最冷的這一天著重探究一下滑蓋式溫室的保溫性能。

溫室建筑結(jié)構(gòu)

滑蓋式日光溫室發(fā)源于遼寧，發(fā)明的初衷是想顛覆傳統(tǒng)日光溫室土（磚、石）墻結(jié)構(gòu)被動式儲放熱：一是將溫室結(jié)構(gòu)改變?yōu)橥耆M裝式結(jié)構(gòu)，提高溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的標準化生產(chǎn)程度和溫室的建設(shè)速度；二是將日光溫室的柔性外保溫被改變?yōu)閯傂圆输摫匕澹瑥氐捉鉀Q柔性外保溫被防水性能差、密封性不好、不耐老化、使用壽命短、易結(jié)冰等問題，提高溫室的保溫性能；三是改變傳統(tǒng)日光溫室主要依靠墻體被動式儲放熱的思想，完全采用主動集熱、儲熱和放熱的理念，實現(xiàn)對溫室環(huán)境的人工自主控制，保證溫室的運行效果。

基于上述理念，滑蓋式日光溫室從形式上也采用了傳統(tǒng)日光溫室由南向采光面和北向保溫面組成的東西延長單跨溫室結(jié)構(gòu)（圖1）。但與傳統(tǒng)日光溫室不同的是該溫室結(jié)構(gòu)采用了落地式非對稱圓拱形大棚結(jié)構(gòu)，大棚的北屋面采用了永久覆蓋材料輕質(zhì)保溫彩鋼板（圖1b），從而替代傳統(tǒng)日光溫室后墻和后屋面。而南屋面為采光面，覆蓋透光塑料薄膜和夜間保溫板，其中保溫板采用了與北屋面相同的覆蓋材料，白天打開、夜間覆蓋，完全替代了傳統(tǒng)日光溫室活動保溫被（圖1a）。除此之外，溫室的兩側(cè)山墻也采用了與溫室屋面相同的輕質(zhì)保溫材料，并將南側(cè)半面設(shè)計為可推拉開啟的模式（圖1c），東側(cè)山墻上午打開采光，下午關(guān)閉保溫。同理，西側(cè)山墻上午關(guān)閉保溫，下午打開采光，可有效提高

溫室的進光量和室內(nèi)長度方向光照的均勻度。

由于溫室墻體材料、保溫材料以及溫室建筑形式的變化，溫室承重結(jié)構(gòu)也相應(yīng)發(fā)生了改變。一是采用了完全組裝式落地拱形式，徹底改變了傳統(tǒng)日光溫室墻體占地面積大、施工速度慢的局面，有效提高了日光溫室的土地利用率、溫室建造速度以及構(gòu)件工廠化制造標準化程度；二是采用保溫彩鋼板做溫室圍護結(jié)構(gòu)，大大提高了溫室的保溫性能和密封性，并且基本解決了圍護材料的防水問題，保溫材料的使用壽命也得到大幅度的延長。

這種溫室結(jié)構(gòu)采用了非對稱半拱形落地拱，而且新增的拉動保溫滑蓋的傳動機構(gòu)對結(jié)構(gòu)增加了額外壓力，所以該溫室結(jié)構(gòu)的用材也較傳統(tǒng)日光溫室桁架或單管屋面拱架有所改進。目前，這種結(jié)構(gòu)采用的拱架形式主要有兩種：一種是用和傳統(tǒng)日光溫室前屋面拱架相同的平面桁架結(jié)構(gòu)，間距1m（圖2b）；另一種是在傳統(tǒng)平面桁架間增設(shè)加強屋架（圖2a），兩榀屋架間設(shè)置3道平面桁架。顯然，后者的承載能力高于前者，但其用鋼量和造價也相應(yīng)提高。在實際推廣應(yīng)用中，我們應(yīng)結(jié)合建設(shè)地區(qū)的風雪荷載，精準分析其結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從而選擇經(jīng)濟有效的溫室結(jié)構(gòu)和用材。

保溫滑蓋板驅(qū)動系統(tǒng)

保溫滑蓋板驅(qū)動系統(tǒng)是該溫室的核心技術(shù)。為了驅(qū)動前屋面保溫滑蓋板，該設(shè)計采用了鋼纜驅(qū)動系統(tǒng)（圖3）。系統(tǒng)由電機減速機、鋼纜驅(qū)動軸、驅(qū)動鋼纜、保溫滑蓋板、滑軌及換向/導(dǎo)向輪等組成。電機減速機安裝在沿溫室長度方向中部的屋架上，在溫室跨度方向的位置基本在接近屋脊的南側(cè)位置，1棟60m長的溫室安裝1臺電機減速機。電機減速機采用雙軸動力輸出方式，以電機減速機為中心，沿溫室長度方向雙向設(shè)計動力輸出軸。電機減速機的雙軸輸出軸分別連接沿溫室長度方向布置的鋼纜驅(qū)動軸，每2榀或3榀拱架（桁架/屋架）布置1組驅(qū)動鋼纜，驅(qū)動鋼纜的兩端都固定在驅(qū)動軸上（兩個端點緊鄰，但不在同一個位置，圖3b）。驅(qū)動鋼纜的一端繞過驅(qū)動軸伸向溫室的后屋面，到達溫室后屋面的下部（滑蓋外邊緣在后屋面可能到達最低位置以下、溫室基礎(chǔ)頂面標高以上位置）后通過導(dǎo)向輪變向后穿過后屋面固定保溫板（圖4a），在后屋面的外部再通過換向輪變向（圖4b）后連接到滑蓋（活動式前屋面保溫板）的下邊沿（后緣）；驅(qū)動鋼纜的另一端反向繞過驅(qū)動軸伸向溫室的前屋面，到達前屋面的基部后通過導(dǎo)向輪變向后穿過前屋面（圖5），在前屋面外部再通過換向輪變向后連接到滑蓋的前緣。滑蓋和前后兩根驅(qū)動鋼纜形成一個閉合傳動系統(tǒng)。通過電機減速機的正反向轉(zhuǎn)動，帶動鋼纜驅(qū)動軸正反向運行，從而拉動保溫滑蓋在溫室屋面上的運動，實現(xiàn)滑蓋的開啟和關(guān)閉。

為保證密封，鋼纜穿過溫室后屋面和前屋面時，應(yīng)用現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯密封孔洞（圖4、圖5）。

鋼纜在室內(nèi)的走向基本沿骨架的方向布置，在溫室骨架上安裝導(dǎo)向輪，以適應(yīng)骨架的弧形變化，保證驅(qū)動鋼纜線不影響室內(nèi)作業(yè)。室內(nèi)導(dǎo)向輪有2種：一種是常規(guī)的支撐滾輪式導(dǎo)向輪（圖6a），主要安裝在溫室較高位置，鋼纜線無須精確導(dǎo)向到設(shè)定的方向和位置；另一種是長筒形導(dǎo)向輪（圖6b），可以將鋼纜精確導(dǎo)向到指定的位置和方向，主要安裝在溫室內(nèi)鋼纜可能影響溫室作業(yè)的下部位置以及鋼纜穿越溫室前后屋面的位置（圖4a?圖5a）。

鋼纜在室外的走向則是內(nèi)嵌在滑蓋滑軌內(nèi)（圖1a、圖5b）。滑軌為C形鋼，滑蓋下部沿滑軌方向安裝若干滾輪，滾輪在滑道內(nèi)運動。隨著滑蓋的上下運動，鋼纜也在滑軌內(nèi)往復(fù)運動。

對屋面滑蓋的設(shè)計有的采用1塊整體板，有的采用了2塊板。后者的靈活性更大，如圖7所示（圖中N為固定不動保溫板，W、Z為可活動滑蓋板），當W、Z兩塊滑蓋板全打開時（此時，W、Z、N3塊保溫板全部疊落在一起（圖7a），溫室的采光面面積加大，后屋面在溫室中基本不會形成陰影。而在早晚時段，室外溫度較低，可將2塊滑蓋板中的其中1塊滑動到保溫位置，使前屋面部分采光，既減少了溫室的散熱，也延長了溫室的采光。

為節(jié)約建造成本，兩側(cè)山墻的滑板采用人工推拉的方法啟閉（圖1c）。

溫室通風系統(tǒng)

該溫室的通風系統(tǒng)采用了日光溫室常用的自然通風

系統(tǒng)，由屋脊通風口和前屋面通風口組成。屋脊通風口沿溫室屋脊方向通長設(shè)置，采用齒輪齒條開窗機構(gòu)，由電機減速機驅(qū)動，可自動控制（圖2a）。溫室前屋面通風口有兩種形式：一種是間隔設(shè)置在前屋面中下部的內(nèi)翻窗（圖8a、圖8b）。這種通風窗采用齒輪齒條和電機減速機驅(qū)動，能自動控制。通風窗口外設(shè)置固定的防蟲網(wǎng)，可有效防止害蟲進入溫室。但這種開窗通風方式的通風口面積小，并且由于窗扇為下旋開啟，雨雪天氣開窗時雨水容易通過窗口進入溫室。這種開窗方式適合冬季室外溫度較低的地區(qū)。另一種是安裝在前屋面底腳沿溫室長度方向通長開啟的手動通風窗（圖8c）。這種通風窗增大了溫室通風口面積，通風時進風均勻，但需要人工手動啟閉，操作費時費力，容易導(dǎo)致通風不及時。而且該方式的溫室進風口在前屋面最低處，進入溫室的冷風直接吹襲作物，容易引起溫室前部的作物受凍。此外，開窗齒條在窗戶關(guān)閉后會伸進溫室內(nèi)，在一定范圍內(nèi)影響溫室作業(yè)。這種開窗方式也可以加裝電機減速機電動控制，實現(xiàn)自動控制，適合在溫室運行期間室外溫度較高的地區(qū)使用。

溫室保溫與采暖系統(tǒng)

由于沒有傳統(tǒng)日光溫室被動儲放熱系統(tǒng)，該溫室在注重保溫的基礎(chǔ)上采用了太陽能集熱器集熱熱水供暖和室內(nèi)熱空氣地中熱交換提升地溫等加溫方式。在極端低溫情況下，還使用了生物炭臨時加溫技術(shù)。

溫室保溫系統(tǒng)

該溫室的保溫系統(tǒng)包括采光面的滑蓋保溫和保溫面的固定保溫兩部分。采光面滑蓋保溫就是用聚苯板保溫彩鋼板材料，按照溫室采光面的弧形制作成弧形板，替代傳統(tǒng)日光溫室的保溫被。這種材料強度高、保溫性能穩(wěn)定、熱阻大、防水防潮、使用壽命長，其綜合性能優(yōu)于柔性保溫被（包括草苫、閉孔發(fā)泡聚乙烯、針刺氈保溫被等），而且不使用卷簾機，節(jié)約了溫室室外空間。

保溫面固定保溫是在使用聚苯板保溫彩鋼板材料的基礎(chǔ)上，室內(nèi)再增加一道附加保溫措施，進一步提高溫室的保溫性能。后屋面室內(nèi)附加保溫的措施有2種形式：一種是在固定彩鋼板的內(nèi)側(cè)粘貼柔性巖棉等保溫材料，并在柔性保溫材料的外側(cè)張掛反光鋁箔（圖9a）。這種保溫方法可根據(jù)溫室建設(shè)地區(qū)冬季室外溫度的高低來增加或減少柔性保溫層的厚度。室內(nèi)鋁箔反光幕不僅保護了柔性保溫材料，提高了溫室保溫層的密封性，還有效改善了溫室后部的光照環(huán)境，因此溫室的綜合光溫環(huán)境變好，但總體建設(shè)成本也相對提高。另一種是用塑料薄膜完全遮蓋固定保溫彩鋼板，避免彩鋼板接縫處的冷風滲透。在此基礎(chǔ)上，再安裝一套完全脫離固定保溫彩鋼板的手動卷膜二道幕保溫系統(tǒng)（圖9b）。這種方法建設(shè)成本低，溫室保溫密封性能高，在二道幕和溫室固定保溫板之間還能形成一個空氣間層，利用空氣的隔熱能力來提高溫室的保溫性能，也是一種不錯的選擇。

太陽能集熱器集熱熱水采暖系統(tǒng)

該系統(tǒng)在日光溫室北側(cè)沿溫室長度方向獨立設(shè)置了2排太陽能集熱器（圖10a），白天太陽能集熱器接受太陽能，并通過水媒介質(zhì)，把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能保存在熱水中，并將熱水循環(huán)儲存在日光溫室西側(cè)的熱力房（圖10b）中的儲熱罐中（圖10c）；夜間關(guān)閉太陽能集熱器和熱水儲存罐之間的循環(huán)回路，開啟熱水儲存罐和溫室內(nèi)散熱器（圖11）之間的循環(huán)回路，將儲熱罐中的熱量通過散熱器釋放到溫室中，實現(xiàn)對溫室的加溫。

空氣循環(huán)地中熱交換地溫提升系統(tǒng)

太陽能集熱系統(tǒng)主要是提升溫室的空氣溫度。為了進一步提升溫室的地溫，該溫室配置了一套空氣循環(huán)地中熱交換系統(tǒng)（圖12）。在靠近溫室屋脊的后部位置按照一定的間隔設(shè)置收集熱風的送風管（圖12a），送風管的進風口安裝送風風機（圖12b），將室內(nèi)高空熱空氣送入送風管，送風管沿著溫室后墻豎直布置，將熱空氣導(dǎo)流到埋設(shè)在沿溫室長度方向布置的后走道下的垂直氣流分配主管中。垂直氣流分配主管按照一定間隔沿溫室跨度方向設(shè)置氣流分配支管，將熱空氣均勻?qū)Я鞯綔厥彝寥乐?，通過支管和土壤之間的對流換熱將空氣中的熱量傳導(dǎo)到土壤中，從而提高溫室的土壤溫度。氣流分配支管的末端安裝彎頭將支管內(nèi)的氣流從地下導(dǎo)出地面，再通過末端三通（圖12c）將尾氣擴散到溫室的前底腳，最終釋放到溫室中，從而形成完整的氣流回路。

白天，當室內(nèi)空氣溫度達到設(shè)定上限溫度后啟動系統(tǒng)運行，將室內(nèi)空氣中的多余熱量儲存到溫室地面土壤中，提高溫室地溫；到夜間，當室內(nèi)溫度降低到設(shè)定下限溫度后，啟動系統(tǒng)運行，也可將溫室地中熱量回抽到溫室中，起到提高室內(nèi)空氣溫度的作用。實際管理中，可視地溫和空氣溫度的高低合理開啟風機，從而使溫室達到理想的空氣溫度和地溫。

生物質(zhì)型煤應(yīng)急加溫系統(tǒng)

溫室雖然配備了太陽能熱水加溫系統(tǒng)和空氣循環(huán)地中熱交換系統(tǒng)，但在遇到連續(xù)陰天等沒有太陽光或太陽能不足以滿足溫室熱損失時，為保障溫室的正常運行，該溫室還配備了應(yīng)急加溫系統(tǒng)，就是在溫室的走道上，每隔15～20 m，用磚鋪地，在其上放置2塊生物質(zhì)型煤（圖11），每組型煤可持續(xù)燃燒達4 h左右，只要在半夜更換1次型煤即可獲得溫室一夜的供熱。100 m長的溫室，按照20 m間距布置，共需要布置5組，每夜需要燃燒型煤20塊。這種措施，可以用在任何形式的日光溫室中進行臨時應(yīng)急加溫。但由于生物質(zhì)型煤內(nèi)含有較多的蠟質(zhì)，燃燒后室內(nèi)石蠟氣味很濃，白天應(yīng)及時通風換氣，否則會影響操作人員和植物的健康。

作物栽培系統(tǒng)

據(jù)種植者介紹，2015年底到2016年初的霧霾嚴重影響了溫室的生產(chǎn)，當前溫室內(nèi)種植的作物是在上一茬作物受凍后重新定植后移栽的。

溫室內(nèi)種植方式采用了基質(zhì)盒栽的方式（圖13a），并采用滴箭滴灌的灌溉方式，即每個盒內(nèi)插2支滴箭，供水主管沿溫室長度方向布置，支管沿溫室跨度方向布置，滴箭安插在支管上。

為了避免作物直接吊掛在溫室骨架上引起骨架變形，進而影響溫室滑蓋系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，溫室作物支撐系統(tǒng)單獨設(shè)立了一套支架系統(tǒng)，在支架上安裝縱橫兩級吊線，吊掛作物（圖13b）。

滑蓋式日光溫室在兩套采暖系統(tǒng)（太陽能集熱器供暖和生物炭臨時供暖）與空氣循環(huán)地中熱交換系統(tǒng)聯(lián)合運行的情況下，溫室內(nèi)的蔬菜長勢良好。該結(jié)果表明，只要室外陽光充足，即使室外最低溫度為-17℃，這種形式的溫室仍然能夠安全生產(chǎn)喜溫果菜。但在沒有生物炭供暖的情況下，僅靠太陽能集熱器供暖系統(tǒng)和空氣循環(huán)地中熱交換系統(tǒng)，滑蓋式日光溫室的正常生產(chǎn)尚難以保證。