西北非耕地日光溫室環(huán)境溫度保障技術(shù)研究現(xiàn)狀＊

駱乾亮，程杰宇，王平智，趙淑梅（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

中國(guó)人口眾多，可利用的土地資源較少，85% 以上的土地資源為非耕地資源，且主要集中在中國(guó)的西北地區(qū)[1]。2022 年中央一號(hào)文件指出，應(yīng)加快發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，探索利用可開(kāi)發(fā)的空閑地、廢棄地發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)[2]。中國(guó)西北地區(qū)有著豐富的沙漠、戈壁和荒地等非耕地資源和自然光熱資源，適合設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展[3]，因此，開(kāi)發(fā)利用非耕地資源發(fā)展非耕地溫室，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全、緩解用地矛盾等問(wèn)題具有重大的戰(zhàn)略意義。

非耕地日光溫室目前是非耕地高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要形式。在中國(guó)的西北部地區(qū)，晝夜溫差大、冬季夜間氣溫較低，往往會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)最低氣溫低于作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需溫度的現(xiàn)象。而溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的重要環(huán)境因子之一，過(guò)低的溫度會(huì)使作物生理生化反應(yīng)變慢，生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，當(dāng)溫度低于作物所能承受生長(zhǎng)的極限時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致凍害[4]，因此，保障作物正常生長(zhǎng)發(fā)育所需的溫度顯得尤為重要。要維持日光溫室的適宜溫度，不是單一的措施就能解決的，需要從溫室設(shè)計(jì)、建造、選材、調(diào)控及日常管理等多個(gè)方面加以保障。因此，本文將從溫室設(shè)計(jì)與建造、保溫增溫措施以及環(huán)境管理等方面總結(jié)近些年來(lái)中國(guó)非耕地溫室在溫度調(diào)控方面的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展，以期為非耕地溫室合理的設(shè)計(jì)和管理提供系統(tǒng)的參考。

溫室構(gòu)造與材料

日光溫室的熱環(huán)境主要取決于溫室對(duì)太陽(yáng)輻射的透射、攔截和存儲(chǔ)能力，這與溫室的朝向、透光面的形狀與材料、墻體和后屋面的構(gòu)造及材料、基礎(chǔ)保溫、溫室尺寸以及前屋面的夜間保溫方式與材料等方面的合理設(shè)計(jì)相關(guān)，同時(shí)也涉及到溫室的施工與建造過(guò)程能否確保設(shè)計(jì)要求的有效實(shí)現(xiàn)。

前屋面透光能力

溫室內(nèi)的主要能量來(lái)源于太陽(yáng)，增加前屋面的透光能力，有利于溫室獲得更多的熱量，也是確保溫室冬季溫度環(huán)境的重要基礎(chǔ)。目前增加溫室前屋面透光能力和接受光照時(shí)間的方法主要有以下3 種。

設(shè)計(jì)合理的溫室朝向及方位角

溫室朝向影響溫室的采光性能，對(duì)溫室的蓄熱能力影響很大，因此為了使溫室獲得更多的蓄熱量，中國(guó)西北地區(qū)的非耕地溫室的朝向都采用坐北朝南。對(duì)于溫室的具體方位角，當(dāng)選擇南偏東時(shí)，利于“搶陽(yáng)”，室內(nèi)上午升溫快；當(dāng)選擇南偏西時(shí)，則有利于溫室利用下午的光照。正南方向?yàn)樯鲜鰞煞N情況的折中[5]。根據(jù)地球物理學(xué)的知識(shí)，地球在一天內(nèi)自轉(zhuǎn)一周為360°，太陽(yáng)的方位角則約每4 min 移動(dòng)1°，因此，溫室的方位角每相差1°，太陽(yáng)直射出現(xiàn)時(shí)間就會(huì)相差約4 min，即溫室方位角影響著溫室早晚見(jiàn)光的時(shí)間。

當(dāng)上午和下午的光照時(shí)間相等時(shí)，偏東或偏西相同角度時(shí)，溫室會(huì)獲得相同的光照時(shí)間。但是，對(duì)于北緯37°以北地區(qū)，早上的氣溫較低，揭被的時(shí)間較晚，而下午傍晚時(shí)刻氣溫相對(duì)較高，可以適當(dāng)延遲關(guān)閉保溫被的時(shí)間，因此這些地區(qū)宜選擇南偏西，充分利用下午的光照。對(duì)于北緯30°～35°地區(qū)，因?yàn)樵缟瞎庹諚l件較好，保溫被揭被時(shí)間也可以提早，因此這些地區(qū)宜選擇南偏東方向，為溫室爭(zhēng)取更多上午的太陽(yáng)輻射。而在北緯35°～37°地區(qū)，上下午太陽(yáng)輻射差別不大，則宜選擇正南方向。不管是南偏東還是南偏西，偏的角度一般為5°～8°，最大不得超過(guò)10°。中國(guó)西北地區(qū)處于北緯37°～50°范圍，所以溫室方位角一般采用南偏西[5-10]。鑒于此，張京社等[11]在太原地區(qū)設(shè)計(jì)的日光溫室，選擇了南偏西5°的方位，常梅梅等[12]在河西走廊戈壁地區(qū)建造的“口”字形磚墻體日光溫室，采用了南偏西5°～10°的方位，馬志貴等[8]在新疆北疆地區(qū)建造的戈壁灘日光溫室采用了南偏西8°的方位。

設(shè)計(jì)合理的前屋面形狀和傾角

前屋面的形狀和傾角決定著太陽(yáng)光線入射角的大小，入射角越小，透射率越大。孫炬仁[5,13]認(rèn)為前屋面的形狀主要由主采光面和后坡長(zhǎng)短的比例決定，長(zhǎng)前坡、短后坡利于前屋面的采光和保溫。陳維鉛等[14]認(rèn)為在戈壁地區(qū)使用的日光溫室主采光屋面采用半徑為4.5 m 的圓弧，能有效的抵御寒冷。張京社等[11]則認(rèn)為在高寒和高緯度地區(qū)的溫室前屋面采用半圓拱形更為適宜。對(duì)于前屋面的傾角，根據(jù)塑料薄膜透光的特點(diǎn)，當(dāng)入射角為0～40°時(shí)，前屋面對(duì)太陽(yáng)光線的反射率較小，超過(guò)40°時(shí)，反射率顯著增加，因此以40°作為最大入射角來(lái)計(jì)算前屋面的傾角，這樣即使是在冬至日，也能保證太陽(yáng)輻射最大限度的進(jìn)入到溫室內(nèi)[5]。因此，何斌等[15]在設(shè)計(jì)適用于內(nèi)蒙古烏海非耕地地區(qū)的日光溫室時(shí)，以入射角為40°來(lái)計(jì)算前屋面的傾角，認(rèn)為只要大于30°，便可滿足溫室采光和保溫的要求；而張彩虹等[13]認(rèn)為在新疆非耕地地區(qū)建造溫室時(shí)，南疆地區(qū)溫室的前屋面傾角為31°較合適，北疆地區(qū)則為32°～33.5°為宜。

選用合適的透光覆蓋材料

除了室外太陽(yáng)輻射條件的影響，溫室薄膜的材質(zhì)和透光特性，也是影響溫室光熱環(huán)境的重要因素。目前所采用的PE、PVC、EVA 以及PO 等塑料薄膜，因材質(zhì)和薄膜厚度不同，其透光率也不同，總體而言，對(duì)于使用1～3 年的薄膜，其透光率總體上可以保證在88% 以上，具體應(yīng)根據(jù)作物對(duì)光照和溫度的需求進(jìn)行選擇[16]。另外，除了溫室的透光量之外，溫室的光照環(huán)境分布性也是人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的因素，因此，近年來(lái)散射光增強(qiáng)型的透光覆蓋材料得到了產(chǎn)業(yè)高度認(rèn)可，特別是在西北強(qiáng)太陽(yáng)輻射地區(qū)，使用散射光增強(qiáng)型薄膜，減少了作物冠層上下的遮陰影響，增加了作物冠層中下部的光量，提升了作物整體的光合特性，表現(xiàn)出了較好的促進(jìn)增長(zhǎng)和增產(chǎn)效果[17-19]。

合理設(shè)計(jì)溫室尺寸

溫室長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都影響室內(nèi)溫度的調(diào)控，當(dāng)溫室的長(zhǎng)度過(guò)短時(shí)，日出和日落前，東西山墻遮蔭的面積較大，不利于溫室的增溫，并且由于容積較小，會(huì)影響室內(nèi)土壤和墻體對(duì)熱量的吸收和釋放。當(dāng)長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，室內(nèi)溫度調(diào)控比較困難，并且會(huì)影響溫室結(jié)構(gòu)的牢固性和保溫被卷放機(jī)構(gòu)的配置[14-15]。溫室的高度和跨度則直接影響前屋面的采光性、溫室空間的大小和保溫比。當(dāng)溫室的跨度和長(zhǎng)度一定時(shí)，增加溫室的高度，從光環(huán)境的角度而言，可以增加前屋面的采光角，利于透光；從熱環(huán)境的角度而言，墻體增高，后墻蓄熱面積增加，利于后墻蓄熱和放熱，且空間大，熱容率也大，溫室的熱環(huán)境穩(wěn)定性更好。當(dāng)然，增加溫室高度，會(huì)增加溫室造價(jià)，需要綜合考慮。所以在設(shè)計(jì)溫室時(shí)，要因地制宜地選擇合理的長(zhǎng)度、跨度和高度[6,13,20-22]。比如張彩虹等[13]認(rèn)為在新疆北疆地區(qū)，日照時(shí)間較長(zhǎng)，溫室宜選擇為長(zhǎng)度50～80 m，跨度7 m，溫室高度3.9 m，而在南疆地區(qū)，溫室尺寸宜選擇為長(zhǎng)度50～80 m，跨度8 m，溫室高度3.6～4.0 m；同樣是在新疆，鄒平等[20]在吐魯番沙漠地區(qū)建造的日光溫室時(shí)，也認(rèn)為溫室的跨度不宜小于7 m，且當(dāng)跨度為8 m 時(shí)，保溫效果最好。另外，陳維鉛等[14]認(rèn)為在甘肅酒泉戈壁地區(qū)建造日光溫室時(shí)，溫室的長(zhǎng)度、跨度和高度宜分別選擇為80 m、8～10 m、3.8～4.2 m。

提高墻體蓄熱和保溫能力

在白天期間，墻體通過(guò)吸收照射到墻面的太陽(yáng)輻射和部分室內(nèi)空氣的熱量而蓄熱升溫，在夜間，當(dāng)室內(nèi)氣溫低于墻體溫度時(shí)，墻體就會(huì)被動(dòng)地釋放熱量對(duì)溫室加溫。墻體作為溫室的主要蓄熱體，提升其蓄熱能力，可以顯著地改善室內(nèi)的夜間溫度環(huán)境。同時(shí)，墻體的保溫作用，是溫室熱環(huán)境穩(wěn)定的基礎(chǔ)。目前提升墻體蓄熱和保溫能力的方法主要有以下幾種。

設(shè)計(jì)合理的墻體構(gòu)造

墻體的作用主要包括蓄熱和保溫，同時(shí)大部分溫室的墻體還兼做支撐屋架的承重構(gòu)件。從獲得良好的熱環(huán)境的角度，合理的墻體構(gòu)造應(yīng)該是內(nèi)側(cè)具有足夠的蓄熱能力，外側(cè)具有足夠的保溫能力，同時(shí)減少不必要的冷橋。在墻體蓄熱和保溫的研究方面，鮑恩財(cái)?shù)萚23]在內(nèi)蒙古烏海沙漠地區(qū)設(shè)計(jì)的固化沙被動(dòng)蓄熱墻體，外側(cè)采用多孔磚作為保溫層，內(nèi)部用固化沙作為蓄熱層，試驗(yàn)表明，晴天條件下室內(nèi)氣溫可達(dá)13.7℃；馬月虹等[24]在新疆北疆地區(qū)設(shè)計(jì)的一種麥殼砂漿砌塊復(fù)合墻體，將生石灰填充在砂漿砌塊內(nèi)作為蓄熱層，用爐渣包作為保溫層堆疊在室外；趙鵬等[25-26]在甘肅戈壁地區(qū)設(shè)計(jì)的空心砌塊墻體，外側(cè)采用100 mm 厚的苯板作為保溫層，內(nèi)側(cè)采用砂石和空心砌塊磚作為蓄熱層，試驗(yàn)表明，冬季夜間平均氣溫為10℃以上，柴再生等[4]也在甘肅戈壁地區(qū)將砂石作為墻體的保溫層和蓄熱層。在減少冷橋方面，閆俊月等[27]設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)化裝配式后墻，通過(guò)在后墻外側(cè)貼聚苯板，不僅提高了墻體的熱阻，還提高了墻體的封閉性；吳樂(lè)天等[28]在溫室墻體的基礎(chǔ)上方設(shè)置鋼筋混凝土圈梁，圈梁正上方使用梯形磚跺，用于后屋面的支撐，解決了新疆和田地區(qū)溫室容易出現(xiàn)裂縫和地基下沉，從而影響溫室保溫性的問(wèn)題。

選用適宜的蓄熱保溫材料

墻體的蓄熱和保溫效果如何，首先在于材料的選擇。在西北沙漠、戈壁和砂石地等地區(qū)，研究人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，就地取材，大膽嘗試，設(shè)計(jì)了很多不同種類的日光溫室后墻。比如張國(guó)森等[29]在甘肅砂石地建造溫室時(shí)，采用砂石作為墻體的蓄熱保溫層；趙鵬等[26]針對(duì)西北戈壁和荒漠的特點(diǎn)，用砂石和空心砌塊為材料，設(shè)計(jì)了一種空心砌塊墻體，試驗(yàn)表明，室內(nèi)夜間平均氣溫為10℃以上。針對(duì)西北戈壁地區(qū)磚和黏土等建筑材料稀缺的問(wèn)題，周長(zhǎng)吉等[30]在新疆克孜勒蘇柯?tīng)柨俗沃莞瓯诘貐^(qū)的日光溫室調(diào)研時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)亟ㄔ斓臏厥?，通常利用卵石作為墻體材料；鑒于卵石的熱工性能和力學(xué)強(qiáng)度，利用卵石所建造的溫室，無(wú)論是在保溫、蓄熱和承重方面，都具有較好的性能。同樣，張勇等[31]也用卵石作為墻體的主體材料，在陜西等地設(shè)計(jì)了一種自主蓄熱卵石后墻，測(cè)試顯示蓄熱效果良好。Zhang 等[32]根據(jù)西北戈壁地區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種砂石墻體，該墻體可將室內(nèi)氣溫提升2.5 ℃。另外，馬月虹等[33]在新疆和田地區(qū)對(duì)砌塊填充沙土墻體、砌塊墻體和磚墻體的蓄熱能力進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，砌塊填充沙土墻體的蓄熱能力最大。此外，為提升墻體的蓄熱性能，研究人員積極開(kāi)發(fā)新的蓄熱材料和技術(shù)，比如鮑恩財(cái)?shù)萚3]提出了一種相變固化劑材料，可用于提升西北非耕地地區(qū)日光溫室后墻的蓄熱能力。作為就地取材的探索，草垛、爐渣、苯板和稻草等也被用于墻體材料[9,11,31,33-40]，但這些材料通常只起保溫作用，并無(wú)蓄熱能力?？傮w而言，卵石以及砌塊填充砂石的墻體，蓄熱及保溫能力良好。

適當(dāng)增加墻體厚度

熱阻通常是衡量墻體保溫性能的重要指標(biāo)，而影響熱阻的因素，除了材料的導(dǎo)熱性能之外，就是材料層的厚度，因此，在選擇適當(dāng)保溫材料的基礎(chǔ)上，再適當(dāng)增加墻體厚度，可以增大墻體整體的熱阻，減少通過(guò)墻體的熱量損失，從而增加墻體及整個(gè)溫室的保溫和蓄熱能力[41-42]。比如在甘肅等地區(qū)，張掖市沙袋墻的平均厚度為2.6 m，酒泉市漿砌石墻體厚度則達(dá)到了3.7 m，墻體越厚，其保溫能力和蓄熱能力通常越大[43]。但是過(guò)厚的墻體會(huì)增加占地和溫室建造成本，所以從提升保溫能力的角度，也應(yīng)優(yōu)先考慮選擇導(dǎo)熱系數(shù)較小的高保溫材料，比如聚苯、聚氨酯等材料，然后再適當(dāng)增加厚度。

合理設(shè)計(jì)后屋面

對(duì)于后屋面的設(shè)計(jì)，主要是考慮不能導(dǎo)致遮陽(yáng)影響和提升保溫能力。為了減少后屋面遮陽(yáng)影響，其傾角的設(shè)置依據(jù)，主要是在進(jìn)行作物種植生產(chǎn)時(shí)，后屋面在白天期間能接受到太陽(yáng)光的直射，因此一般選擇后屋面的仰角最好大于當(dāng)?shù)囟撂?yáng)高度角7°～8°[6,41]。比如張彩虹等[13]認(rèn)為在新疆戈壁和鹽堿地地區(qū)建造日光溫室時(shí)，后屋面的投影長(zhǎng)度為1.6 m 較合適，因此南疆地區(qū)后屋面的傾角為40°，北疆地區(qū)為45°為宜；陳維鉛等[14]認(rèn)為酒泉戈壁地區(qū)的日光溫室，其后屋面宜采用40°的傾角。對(duì)于后屋面的保溫，主要應(yīng)在保溫材料的選擇、必要的厚度設(shè)計(jì)以及建造時(shí)保溫材料的合理搭接等方面確保保溫能力。

降低土壤熱損失

在冬季夜間期間，由于室內(nèi)土壤的溫度高于室外土壤，所以室內(nèi)土壤的熱量會(huì)以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到室外，引起溫室熱量的損失。降低土壤熱損失的方法有以下幾種。

土壤保溫

地面適當(dāng)下沉，避開(kāi)凍土層，利用土壤進(jìn)行保溫。比如柴再生等[44]在河西走廊地區(qū)研發(fā)的非耕地“1448 三材一體型”日光溫室采用了下挖1 m 的方式進(jìn)行建造，有效避開(kāi)了凍土層；王華民等[45]根據(jù)吐魯番地區(qū)凍土的深度為0.8 m，溫室建造時(shí)，建議下挖0.8 m，提升溫室的保溫能力；張國(guó)森等[46]在建造非耕地雙拱雙膜下挖型日光溫室的后墻時(shí)，下挖深度為1 m，試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)二代日光溫室相比，夜間最低溫度提高2～3℃。

基礎(chǔ)防寒

主要做法是沿前屋面基礎(chǔ)部分挖一道防寒溝，內(nèi)填保溫材料，或者沿基礎(chǔ)墻部分在地下連續(xù)埋設(shè)保溫材料，目的都是降低溫室邊界部分通過(guò)土壤傳熱導(dǎo)致的熱損失。所采用的保溫材料主要是根據(jù)西北地區(qū)當(dāng)?shù)氐臈l件，可就地取材，比如干草、爐渣、巖棉[16]、聚苯板[25,47]，玉米秸稈[48]，馬糞、落葉、碎草[6]，鋸末，雜草、秸稈[49]等。

覆蓋地膜

通過(guò)覆蓋地膜，在白天太陽(yáng)光可透過(guò)地膜到達(dá)土壤，土壤吸收太陽(yáng)的熱量而升溫，并且地膜能夠阻礙土壤反射的長(zhǎng)波輻射，從而減少土壤的輻射損失，增加土壤的蓄熱量。在夜間，地膜能夠阻礙土壤與室內(nèi)空氣的對(duì)流換熱，從而減少土壤的熱損失。同時(shí)，地膜還能降低因土壤水分蒸發(fā)所引起的潛熱損失。魏文祥[50]在青海高原地區(qū)的日光溫室內(nèi)覆蓋地膜，試驗(yàn)表明，可將地溫提升1℃左右。

加強(qiáng)前屋面保溫性能

溫室前屋面是主要的散熱面，散失熱量約占溫室總熱損失的75% 以上[51]，所以加強(qiáng)溫室前屋面保溫能力，可以有效的降低通過(guò)前屋面的損失[29,52]，改善溫室的冬季溫度環(huán)境。目前提升前屋面保溫能力的措施主要有以下3 種。

采用多層透光覆蓋

從構(gòu)造上，采用雙層薄膜或者三層薄膜作為溫室的透光面，可以有效提升溫室的保溫性能，比如張國(guó)森等[29]在酒泉市戈壁地區(qū)設(shè)計(jì)了雙拱雙膜下挖型日光溫室，該溫室的前屋面外側(cè)采用EVA 膜，內(nèi)側(cè)采用PVC 無(wú)滴防老化膜，試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的二代日光溫室相比，保溫效果突出，夜間最低溫度平均升高2～3℃；同樣張京社等[11]針對(duì)高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的氣候特點(diǎn)，也設(shè)計(jì)了一種雙膜覆蓋的日光溫室，顯著的提高了溫室的保溫性，與對(duì)照溫室相比，夜間溫度提高了3℃。另外，吳樂(lè)天等[28]在新疆和田沙漠地區(qū)設(shè)計(jì)的日光溫室，前屋面則嘗試采用三層0.1 mm 厚的EVA 膜。多層薄膜可以有效減少前屋面的熱損失，但是因?yàn)閱螌颖∧さ耐腹饴驶驹?0% 左右，多層薄膜自然會(huì)導(dǎo)致透光性能的衰減，因此選用多層透光覆蓋時(shí)，還需要適當(dāng)兼顧光照條件和溫室的采光需求，進(jìn)行綜合考慮。

強(qiáng)化前屋面夜間保溫

前屋面采用塑料薄膜增加白天透光率，夜晚就成了溫室整個(gè)溫室保溫最薄弱的地方，因此前屋面外表面覆蓋厚型復(fù)合材料保溫被是日光溫室必備的保溫措施。比如在青海高寒地區(qū)，劉延杰等[53]使用草簾和牛皮紙作為保溫被進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果顯示溫室夜間室內(nèi)最低氣溫能達(dá)到7.7℃以上；進(jìn)一步，魏文祥[50]認(rèn)為在該地區(qū)采用雙層草簾或草簾外面加牛皮紙作保溫覆蓋，可使溫室的熱損失減少90%以上。另外，鄒平等[54]在新疆戈壁地區(qū)的日光溫室中采用了再生纖維針刺氈保溫被，常梅梅等[12]在河西走廊戈壁地區(qū)的日光溫室中采用保溫夾芯棉保溫被。目前，日光溫室用保溫被種類繁多，但基本都是采用以針刺氈、噴膠棉、珍珠棉等作為保溫芯材，兩側(cè)加防水或防老化面層的構(gòu)造。根據(jù)保溫被保溫機(jī)理，要提高其保溫性能，就應(yīng)該從提高其熱阻、降低其傳熱系數(shù)入手，而主要措施就是降低材料導(dǎo)熱系數(shù)、增加材料層厚度或增加材料層數(shù)等，因此，目前高保溫性能的保溫被，芯材往往采用多層復(fù)合材料構(gòu)成。根據(jù)測(cè)試，目前保溫性能較高的保溫被，傳熱系數(shù)可以達(dá)到0.5 W/(m2.℃)，為寒冷地區(qū)的冬季溫室保溫提供了更好的保障。當(dāng)然，西北地區(qū)風(fēng)沙大、紫外輻射強(qiáng)，保溫被面層應(yīng)具有良好的抗老化性能[55]。

增設(shè)內(nèi)保溫幕

日光溫室的前屋面雖然在夜間覆蓋了外保溫被，但是就整個(gè)溫室其他構(gòu)造而言，前屋面仍然是整個(gè)溫室夜間保溫較為薄弱的地方，因此“西北非耕地溫室結(jié)構(gòu)與建造技術(shù)”項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易內(nèi)保溫鋪卷系統(tǒng)（圖1），其構(gòu)造包括前底腳處固定內(nèi)保溫幕部分和上部空間活動(dòng)內(nèi)保溫幕組成。上部活動(dòng)保溫幕白天打開(kāi)收攏在溫室后墻處，不影響溫室采光；底部固定保溫被則是起到夜間密封作用。該內(nèi)保溫設(shè)計(jì)鋪卷整齊、操作方便，在夏季還可起到遮陽(yáng)降溫的作用[52]。

圖1 內(nèi)保溫鋪卷系統(tǒng)剖面圖[52]

主動(dòng)增溫技術(shù)

由于西北地區(qū)冬季的氣溫較低，若僅靠溫室的保溫和蓄熱，在一些寒潮天氣，仍無(wú)法保證作物越冬生產(chǎn)的要求，因此一些主動(dòng)增溫措施也被關(guān)注。

太陽(yáng)能蓄放熱系統(tǒng)

溫室墻體承擔(dān)保溫、蓄熱和承重等功能，是導(dǎo)致日光溫室建造成本偏高、土地利用率很低的一種重要原因，因此日光溫室的輕簡(jiǎn)化、裝配化，必然是未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。這其中，簡(jiǎn)化墻體的功能，是將墻體的蓄放熱功能釋放出來(lái)，讓后墻只承擔(dān)保溫作用，是輕簡(jiǎn)化發(fā)展的一個(gè)有效途徑。比如方慧等[56]在甘肅、寧夏和新疆等非耕地地區(qū)推廣使用的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)（圖2），其集熱裝置懸掛于北墻，白天期間，通過(guò)蓄熱介質(zhì)的循環(huán)，將集熱裝置收集的熱量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)熱體內(nèi)，夜晚再通過(guò)蓄熱介質(zhì)的循環(huán)，將熱量釋放出來(lái)進(jìn)行加溫，實(shí)現(xiàn)了熱量在時(shí)間和空間上的轉(zhuǎn)移，試驗(yàn)表明，采用該設(shè)備可將溫室內(nèi)最低氣溫提升3～5℃。王志偉等[57]提出了一種適用于南疆沙漠地區(qū)的日光溫室水幕集熱地暖加溫系統(tǒng)，夜間能為溫室增溫2.1℃。

圖2 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)集放熱機(jī)理示意圖[61]

另外，鮑恩財(cái)?shù)萚58-59]設(shè)計(jì)了一種北墻主動(dòng)蓄熱循環(huán)系統(tǒng)，白天期間通過(guò)軸流風(fēng)機(jī)的循環(huán)，使室內(nèi)熱空氣流經(jīng)埋設(shè)在北墻內(nèi)部的傳熱風(fēng)道，傳熱風(fēng)道與墻體內(nèi)部的蓄熱層進(jìn)行熱交換，顯著的提升了墻體的蓄熱能力。此外，閆彥濤等[60]設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)，白天期間，通過(guò)太陽(yáng)能集熱板將熱量?jī)?chǔ)存在相變材料內(nèi)，夜間再通過(guò)空氣的循環(huán)，將熱量散失到室內(nèi)空氣中，可將夜間期間的平均氣溫提高2.0℃。以上太陽(yáng)能利用技術(shù)及設(shè)備，具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、低碳等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化和完善，在西北太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，應(yīng)該具有良好的應(yīng)用前景。

其他輔助加溫技術(shù)

生物質(zhì)能加溫

將墊料、稻草、秸稈、牛糞、羊糞和禽類糞等與生物菌混合在一起，埋于溫室內(nèi)的土壤中，通過(guò)發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生大量的熱量，并且在發(fā)酵過(guò)程中生成大量的有益菌株、有機(jī)質(zhì)和CO2。有益菌株對(duì)多種病菌有抑制和殺滅作用，可以減少溫室病蟲害的發(fā)生；有機(jī)質(zhì)能夠成為作物的肥料；生成的CO2能夠增強(qiáng)作物的光合作用[4,42,50,62]。如魏文祥[50]在青海高原地區(qū)的日光溫室內(nèi)，將馬糞、牛糞和羊糞等熱性有機(jī)肥埋入室內(nèi)土壤內(nèi)，有效提升了地溫。周志龍[42]在甘肅沙漠地區(qū)的日光溫室內(nèi)，利用秸稈、有機(jī)肥料在作物行間進(jìn)行發(fā)酵，測(cè)試表明，可將溫室的溫度提升2～3℃。

燃煤加溫

有人工生爐、節(jié)能熱水爐和暖氣等方式。如魏文祥[50]在青海高原地區(qū)調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)刂饕捎萌斯ど鸂t的方式進(jìn)行加溫，這種加溫方式的優(yōu)點(diǎn)是升溫較快，加溫效果明顯。但在燃燒煤的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生SO2、CO 和H2S 等有害氣體，因此需要做好排放有害氣體的工作。

電加熱

用電熱絲在溫室的前屋面進(jìn)行加熱，或采用電暖風(fēng)機(jī)。加溫效果顯著，使用安全，在溫室內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生污染物，并且加熱設(shè)備易于調(diào)控。陳維鉛等[14]認(rèn)為在酒泉地區(qū)冬季凍害問(wèn)題阻礙了當(dāng)?shù)馗瓯谵r(nóng)業(yè)的發(fā)展，可以采用電加熱元件對(duì)溫室進(jìn)行加溫。但由于使用的是高品質(zhì)的電能資源，所以耗能大，成本較高，建議在極端寒潮天氣下，作為應(yīng)急加溫的臨時(shí)手段。

環(huán)境管理措施

溫室在生產(chǎn)使用過(guò)程中，并不是設(shè)備齊全和正常運(yùn)轉(zhuǎn)就能有效保證其熱環(huán)境滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)際上，設(shè)備的使用及管理方式，往往對(duì)熱環(huán)境的形成和維持起到關(guān)鍵作用，其中最主要的就是保溫被和通風(fēng)口的日常管理。

保溫被的管理

保溫被是前屋面夜間保溫的關(guān)鍵所在，因此細(xì)化其日常管理和維護(hù)極為重要，特別是要注意以下問(wèn)題：①選擇合適的保溫被開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間。保溫被開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間既影響溫室的采光時(shí)間，同時(shí)也影響溫室內(nèi)的升溫過(guò)程，過(guò)早或過(guò)晚的開(kāi)啟和關(guān)閉保溫被，都不利于熱量的收集。早上，如果揭被時(shí)間過(guò)早，由于室外氣溫較低，并且光照較弱，會(huì)造成室內(nèi)氣溫下降過(guò)大；反之，如果揭被時(shí)間過(guò)晚，則會(huì)使溫室內(nèi)接受光照的時(shí)間縮短，室內(nèi)溫升時(shí)間推遲。在下午，如果關(guān)閉保溫被的時(shí)間過(guò)早，會(huì)使室內(nèi)接受光照的時(shí)間變短，降低了室內(nèi)土壤和墻體等的蓄熱量；反之，如果關(guān)閉保溫被過(guò)晚，由于此時(shí)室外氣溫較低，并且光照較弱，會(huì)加大溫室的散熱。因此，一般來(lái)說(shuō)，早上開(kāi)啟保溫被時(shí)，溫度下降1～2℃后開(kāi)始回升為宜，而關(guān)閉保溫被后，溫度回升1～2℃后開(kāi)始下降為宜。②關(guān)閉保溫被時(shí)，要注意觀察，保溫被是否將前屋面全部密實(shí)覆蓋，若出現(xiàn)縫隙要及時(shí)調(diào)整。③在保溫被完全放下后，要檢查下部是否已經(jīng)壓實(shí)，以防止夜間被風(fēng)掀起，影響保溫效果。④及時(shí)進(jìn)行保溫被的檢查與維護(hù)，特別是當(dāng)保溫被損壞時(shí)，要及時(shí)修補(bǔ)或更換。⑤及時(shí)關(guān)注天氣情況，當(dāng)發(fā)生雨雪天氣時(shí)，要及時(shí)蓋好保溫被，并及時(shí)進(jìn)行除雪[14,16,63,64]。

通風(fēng)口的管理

冬季通風(fēng)的目的，一是調(diào)節(jié)空氣溫度，避免中午前后溫度過(guò)高；二是排除室內(nèi)濕氣，降低溫室內(nèi)空氣濕度，控制病蟲害；三是增加室內(nèi)CO2濃度，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。但通風(fēng)和保溫是矛盾的，如果通風(fēng)管理不當(dāng)，很可能會(huì)導(dǎo)致低溫問(wèn)題，因此，何時(shí)開(kāi)啟通風(fēng)口，開(kāi)啟多長(zhǎng)時(shí)間，需要隨時(shí)根據(jù)溫室的環(huán)境狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在西北非耕地地區(qū)，溫室通風(fēng)口的管理主要分為人工手動(dòng)操作和簡(jiǎn)單機(jī)械輔助通風(fēng)兩種方式，但是通風(fēng)口開(kāi)啟時(shí)刻和通風(fēng)時(shí)間，還主要是以人的主觀判斷為主，因此也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)啟通風(fēng)口過(guò)早或過(guò)晚情況。針對(duì)以上問(wèn)題，尹義蕾等[65]設(shè)計(jì)了一種屋脊智能通風(fēng)裝置，該裝置可以根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的變化，確定通風(fēng)口開(kāi)啟的時(shí)間和通風(fēng)孔開(kāi)合的尺寸。隨著對(duì)環(huán)境變化規(guī)律和作物需求研究的不斷深入，以及環(huán)境感知、信息采集分析、控制等技術(shù)和設(shè)備的不斷普及與進(jìn)步，日光溫室通風(fēng)管理的自動(dòng)化應(yīng)該是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

其他管理措施

在各種棚膜使用的過(guò)程中，其透光能力會(huì)逐漸減弱，其減弱的速度既與其自身的物理性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也與周圍環(huán)境及使用過(guò)程中的管理有關(guān)。在使用過(guò)程中，導(dǎo)致透光性能下降的最主要的因素就是薄膜表面的污染，因此，在條件允許的條件下，進(jìn)行定期清掃和清洗極為重要[4]。此外，還應(yīng)定期檢查溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)墻體和前屋面等出現(xiàn)漏縫時(shí)，要及時(shí)修補(bǔ)，避免溫室受冷風(fēng)滲透影響[42]。

存在問(wèn)題及發(fā)展方向

研究人員對(duì)西北非耕地地區(qū)溫室的保溫蓄熱技術(shù)、管理技術(shù)和增溫方式進(jìn)行了多年的探索和研究，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜的越冬生產(chǎn)，使溫室抵御低溫冷害的能力得到了極大的提升，基本實(shí)現(xiàn)了蔬菜的越冬生產(chǎn)。為緩解國(guó)內(nèi)糧菜爭(zhēng)地的矛盾作出了歷史性的貢獻(xiàn)。但目前在西北地區(qū)溫度保障技術(shù)方面還存在以下的問(wèn)題。

溫室類型有待升級(jí)

目前的溫室類型，仍以20 世紀(jì)后期和本世紀(jì)初期建成的普通類型為主，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)不盡合理，維持溫室熱環(huán)境及抵御自然災(zāi)害的能力較差，缺少標(biāo)準(zhǔn)化。因此，未來(lái)的溫室設(shè)計(jì)應(yīng)該充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐乩砭暥群蜌夂蛱攸c(diǎn)，對(duì)前屋面的形狀與傾角、溫室方位角、后墻高度、溫室下沉深度等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)；同時(shí)，盡量做到一個(gè)溫室只種植一種作物，這樣便可根據(jù)種植作物對(duì)光照和溫度的需求，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化溫室配套。

溫室規(guī)模相對(duì)較小

溫室規(guī)模過(guò)小會(huì)影響溫室熱環(huán)境的穩(wěn)定性，也會(huì)影響機(jī)械化發(fā)展。隨著人工勞動(dòng)力成本的逐漸提高，機(jī)械化發(fā)展是未來(lái)的重要方向。因此今后應(yīng)該立足當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展水平，兼顧機(jī)械化發(fā)展的需求，合理設(shè)計(jì)溫室內(nèi)部空間和布局，加快研發(fā)適用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)裝備，提升溫室生產(chǎn)的機(jī)械化率。同時(shí)，根據(jù)作物及栽培模式的需求，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)配套，推進(jìn)通風(fēng)、降濕、保溫、加溫等設(shè)備的一體化研發(fā)、創(chuàng)新和推廣。

砂石和空心砌塊等墻體的厚度仍然較厚

墻體過(guò)厚，雖然保溫效果較好，但是會(huì)降低土壤的利用率，增加成本和建設(shè)的難度。因此，未來(lái)發(fā)展，一方面可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，科學(xué)優(yōu)化墻體厚度；另一方面，應(yīng)推進(jìn)后墻輕簡(jiǎn)化發(fā)展，讓溫室后墻只保留保溫的功能，用太陽(yáng)能集熱器等設(shè)備替代墻體的蓄放熱作用。太陽(yáng)能集熱器具有集熱效率高、集熱能力強(qiáng)，節(jié)能、低碳等特點(diǎn)，且大部分可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)控，能夠根據(jù)溫室夜間環(huán)境需求進(jìn)行針對(duì)性放熱加溫，熱能利用效率更高。

專用型保溫被有待于研發(fā)

前屋面是溫室散熱的主體，保溫被的保溫性能直接影響室內(nèi)的熱環(huán)境。目前有些地區(qū)溫室溫度環(huán)境不佳，一部分原因在于保溫被過(guò)薄、材料保溫性能不足，同時(shí)保溫被還存在防雨滑雪能力較差、表面及芯材容易老化等問(wèn)題。因此今后應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和需求科學(xué)篩選適宜的保溫材料，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適合當(dāng)?shù)厥褂猛茝V的專用型保溫被產(chǎn)品。