中国日光温室结构的改良与创新（1） 基于被动储放热理论的墙体改良与创新.pdf

<p>日光温室墙体被动式储放热理论是在中国日光温室发展早期的主要理论基础。在这种理论的指导下，日光温室后墙多选择使用热惰性大、自承重的建筑材料。本文回顾和总结了我国日光温室研究和建设中的不同阶段在墙体被动储放热理论体系指导下墙体的材料（包括砖、石和土）、建筑构造（单质墙体、三层复合墙体和双层复合墙体）、建造方法和性能的变迁与改进和创新。中国日光温室结构的改良与创新（一）基于被动储放热理论的墙体改良与创新周长吉（农业部规划设计研究院，农业部农业设施结构工程重点实验室，北京100125）周长吉，男，研究员，专业方向：温室工程，E-mail：zhoucjfacaae.com收稿日期：2018-01-08；接受日期：2018-01-11我国日光温室从 20 世纪 80 年代开始起步，至今已经发展了30多年。日光温室的发展，首先解决了长期困扰我国北方地区冬季鲜菜生产和供应的问题，极大地丰富了城乡居民的“菜篮子”；其次，解决了北方地区冬季农业生产和农民就业的问题，使传统的农业生产由“冬闲”变成了“冬忙”，不仅提高了农民收入，也稳定了社会治安；第三，有效开发了北方地区冬季“沉睡”的土地资源，提高了土地的复种指数，促进了土地资源的高效开发利用；第四，大量节约了温室生产能耗，不仅减轻了我国能源供应的压力，而且对减少“温室气体”排放、保护生态环境做出了杰出的贡献。30 多年来，中国日光温室从实践到理论、从试验研究到大面积推广应用走出了一条具有中国特色的创新发展之路，其中民间的创新更是这条创新之路上不可或缺的骨干力量。科学界的贡献主要表现在方法创新和理论提升上，其中墙体的被动储放热和主动储放热理论是日光温室结构创新过程中两项重要的基础理论，在不同理论的指导下建设的温室从结构、建材以及建造方法和造价上都有显著差别，当然温室的性能也有差异。本文回顾和总结了 30 多年来日光温室墙体结构在被动储放热理论指导下的创新和发展之路，以期对未来的创新发展有所借鉴。中国最早的日光温室可追溯到 20 世纪 30 年代的鞍山型温室（亢树华，1990；张福墁，2001），但真正对中国日光温室发展起到带动和示范作用的是辽宁省大连市瓦房店的“琴弦式”日光温室和“感王式”日光温室（图1）。其共同特点是：用土墙做围护墙体，低矮的空间采用严密的保温来实现喜温果菜类蔬菜的越冬生产。这种温室之所以能够在辽南地区冬季 -20 以下的严寒气候条件下越冬生产喜温果菜类蔬菜，一方面是靠严密的保温（包括一层纸被和双层草苫），另一方面则主要靠后墙白天的储热和夜间的放热。这种利用墙体白天吸热储存热量、夜间放热补充温室热损失的日光温室墙体热物理过程称为墙体的被动式储放热。之所以称之为“被动式储放热”，是因为不论白天墙体吸收和储存多少热量，还是夜间释放多少热量均是一种无法人为控制的热物理过程。在这种理论指导下建设的日光温室要求墙体材料热惰性大，白天能吸收和储存更多的热量，同时夜间也就能释放出更多的热量。热惰性大、价格低廉且能承重的适合作为日光温室墙体的材料主要包括土壤、石块和实心砖。1新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 产业广角中 国 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES中国日光温室结构的改良与创新（一）基于被动储放热理论的墙体改良与创新 周长吉 （1）2018（2）：1-51 土/石单质材料墙体日光温室建造方法的改良与创新土/石是一种热惰性大、可就地取材的廉价材料，因此在日光温室研究和推广中一直备受重视，包括对土/石墙建造方法的研究和土/石墙厚度在不同室外环境条件下对室内温度影响的研究（马承伟 等，2010；魏晓明 等，2012；李明 等，2014，2015，2016；何芬和周长吉，2015）。1.1 干打垒墙体土墙最早的建造方法在西北地区多采用干打垒的方法（图2）。干打垒墙体强度高、耐久性好，而且墙体厚度薄（多控制在 50100 cm）、占地面积小，建造墙体用土量少，对土壤的破坏影响小，尤其适合黏度适中的黄土和轻质黏土。但干打垒墙体建造时间长、劳动强度大，不论是人力夯杵打墙，图 1 中国早期的日光温室“琴弦式”日光温室 “感王式”日光温室外景 “感王式”日光温室内景外景内景图 2 干打垒土墙结构日光温室 图 3 机打土墙结构日光温室外景内景还是用蛙夯机筑墙，其建设速度都远跟不上日光温室发展的要求。1.2 机打土墙为了进一步提高温室墙体的建设速度，也为了使更多类型的土质能够用于日光温室墙体的建设，山东寿光的农民发明了机打土墙日光温室（丁小明 等，2011；周长吉，2013），即用挖掘机攫取地面土壤到墙体，用链轮拖拉机或压路机进行压实，之后再用挖掘机修理温室内墙面，可快速建造日光温室墙体，且建造成本低，彻底摆脱了干打垒墙体用人力夯实墙体的局面，提高了墙体建造的机械化水平。由于墙体厚（300700 cm），温室的保温性能好，墙体储放热能力强，很快在我国北方地区得到了大面积推广应用，成为当前我国日光温室墙体的主要形式（图3）。但这种墙体建造用土量大、墙体占地面积大、土地利用率低、对土壤破坏严2新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 产业广角中 国 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES重，而且由于链轮拖拉机的自身重量所限，压制墙体的密实度不够，墙体使用寿命短。虽然这种结构的温室因其造价低廉、保温性能好而在生产中得到大量推广应用，但由于其对土壤破坏严重，在学术界一直存在很大争议。随着近年来新技术的不断发展，要求改造和停止这种类型温室建设的呼声越来 越高。1.3 机压大体积土坯墙为了减少土墙建设的用土量，同时增强土墙结构强度，近年来推出了一种机压大体积土坯的土墙日光温室结构（图 4）（邹志荣 等，2017）。这种墙体采用压铸的方法将松散的土体挤压成体积为 1.2 m×1.2 m×1.2 m的立方体土坯，砌筑时不需要任何胶黏剂，通过错缝垒筑即成为承重和保温墙体，而且由于是压制成型，所以在土坯内部可以压铸出契口和通风通道，便于紧密砌筑和墙体内部储热。由于自身强度高，墙体不仅可以自承重，而且如同干打垒墙体或砖石墙体一样具有承载温室骨架荷载的能力，同时温室的使用寿命也大大延长。此外，由于墙体厚度只有机打土墙的 1/51/3，与干打垒墙体厚度接近，所以大大减少了墙体的占地面积，用土量也相应减少，对土壤的破坏影响亦减少。相比干打垒土墙，其建造的机械化水平更高，土坯自身的强度也更强，且可以人为控制土坯的体积大小和土坯的密实度，还可以在土体中添加草秸等骨料和胶黏剂，进一步提高土坯的强度。不论是干打垒墙体、机打土墙结构墙体，还是机压大体积土坯墙体，其共性优点都是采用土作为建筑材料，材料来源丰富、可就地取材、建造成本低、储放热能力强；但其共性缺点是用土壤作为建筑材料，对耕地土层破坏严重，给未来土壤恢复带来很大困难，就地取土还造成建设场地整体低洼，给场区排水造成困难，经常发生雨季场区积水、泡塌温室墙体的事件。随着国家对耕地质量保护要求的不断加强和人们对生态保护意识的不断加强，以及我国社会经济水平的不断提高，土墙结构日光温室迟早会退出历史舞台。1.4 石墙石墙是一种比土墙热惰性更大的温室墙体，最早采用的是砌筑的方法（图5-a）。由于砌筑石墙的厚度不能太薄，最小厚度不小于500 mm，所以砌筑石墙的厚度大多在1 000mm左右。用石块砌筑的温室墙体承载能力强、储放热性能好、墙体使用寿命长，但这种方法要求石块体积大，而且砌筑时间长、劳动强度大。为了解决这一问题，张勇和邹志荣（2015）采用了钢筋笼装石料筑墙的方法，包括先整体搭建墙体钢筋笼后填装石料一次成型筑墙法和先用小钢筋笼装石料后码垛砌筑墙体两种方法（图 5-b、c）；不仅提高了建设速度，而且对石块大小没有严格要求，极大地丰富了建材原料的来源，还省去了水泥、砂浆等胶粘剂。此外，由于石块之间的缝隙还可以将热量传递到墙体的更深位置，更有利于提高墙体储放热量的性能。但由于建造日光温室需要消耗大量的石料，而石料来源不像土壤那样来源丰富、造价低廉，因此在一定程度上限制了这种形式日光温室的发展。2 复合墙体温室的改良与创新为了解决土/石墙结构日光温室墙体占地面积大、对土壤破坏严重的问题，在被动式墙体储放热理论指导下，日光温室研究和建设早期对墙体结构的改造基本都是采用异质复合墙体，包括三层结构复合墙体和双层结构复合墙体，其中三层结构复合墙体在日光温室发展的早期应用最为广泛，后来随图 4 机压大体积土坯墙日光温室大体积土坯制作设备温室实景3新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 产业广角中 国 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES着对墙体传热理论的不断深入研究，近年来更倾向于采用双层结构复合墙体。2.1 三层结构复合墙体由于材质不同，三层结构复合墙体的做法也各异，大体可分为 3 类：砖墙 + 空心 + 砖墙、砖墙 +松散保温材料+砖墙、砖墙+保温板+砖墙 （图6）。其中，砖墙既是温室的承重结构，又是中间保温层的围护结构，内墙是温室被动储放热的墙体，外墙是温室隔热和围护的墙体，不论是内墙还是外墙，其厚度要求遵从砖墙的建筑模数，多为 240 mm 或360mm，高寒地区的外墙厚度有的为 500mm。2.1.1 空心复合墙体 &nbsp;空心复合墙体是利用干燥、静止空气的绝热性能来隔断室内热量向室外传递，从而起到保温隔热的效果。其中空心的厚度基本控制在 300 mm 以内，多为 240 mm（与砖墙的建筑模数相一致）。这种结构用材省、建造速度快；但在实际生产中发现，由于温室砖墙建造的密封性差（有的是由于砂浆强度不够风化后造成，有的则是砌筑时砂浆不饱满造成，很多温室甚至不做勾缝处理），室外冷风可直接渗透到温室中。此外，由于空气间层的空间较大，事实上在两层砖墙之间根本不可能形成静止空气层，砖墙内部的空气对流也大大削弱了墙体的保温性能。因此，这种墙体结构的日光温室在实际应用中保温性能并不理想，在近 10 年来的应用越来越少。2.1.2 保温材料填充墙 用松散材料填充两层砖墙的夹层，墙体厚度因材料的保温性能不同而有差异。常用的松散保温材料有陶粒、珍珠岩、蛭石、土等无机建筑材料，也有用稻壳、秸秆等有机材料的。松散材料的导热系数越小，墙体厚度也越薄，除了填充土层的厚度为 5001 000mm 外，其他松散保温材料的厚度多为 200300 mm。用松散保温材料填充两层墙体之间的夹层，解决了墙体夹层内的空气对流；而且由于保温层的热阻较大，温室墙体的保温性能得到大大提升。但由于松散保温材料容易吸潮，吸潮后保温性能显著下降，而且随着温室使用年限的增加，松散材料在墙体内不断下沉，使墙体内下部松散材料密度增大，上部出现空气间层，总体上温室墙体的保温性能在不断降低。为此，改进的复合墙体用保温板（主要是聚苯板）代替了松散材料，一方面可以解决松散材料吸潮或下沉造成保温性能下降的问题；另一方面还可以进一步减薄墙体的厚度（因为聚苯板的导热系数更小，保温板厚度多在 100 mm 左右），节约土地面积。但由于在施工中往往是先施工两侧墙体，之后再将保温板塞进夹层中，难以将聚苯板与两侧墙体紧密贴合，而且保温板相互之间的对接和密封也不严密，实际运行中温室墙体的保温性能并没有达到理想的图 6 三层结构复合墙体日光温室内层夹土的复合墙体内层加聚苯板的复合墙体图 5 石墙结构日光温室a 砌筑石墙 b 整体钢筋笼内填石料墙体 c 小钢筋笼石料码垛墙体4新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 产业广角中 国 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES状态。2.2 双层结构复合墙体从理论上分析，三层结构复合墙体的内层砖墙是被动式储放热层，中间空心层或保温层是隔热层，而外层砖墙实际上就是中间保温层的保护层，自身的保温性能在整个温室墙体中的贡献很小。为此，近年来新的复合墙体改进方法是将三层复合结构改变为双层结构，即取消外层砖墙，将中间保温板直接外贴在内墙上。这种做法不仅墙体各层功能明确，而且减少了墙体占地面积、降低了温室造价、提高了温室建设速度，成为目前复合墙体结构的主流模式。其中，内层砖墙承担储放热和结构承重的功能，厚度多为 240 mm 或 360 mm；外层保温层承载隔热功能，厚度多为 100150 mm，可以用聚苯板外挂水泥砂浆，也可以直接用彩钢板（图7），将隔热、防水和外观集于一体。温室墙体总厚度基本控制在 500 mm 以内，大大节约了墙体占地 面积。合材料通过配比来实现这一目标。由于相变材料每天从固态变为液态，又从液态变为固态，这种频繁的固、液态变化要求材料不能从墙体中渗漏，也不能对墙体的强度造成影响，所以盛装和密封相变材料成了工程中的一大难题。此外，在对相变材料的配方研究中一直也没有找到一种既能满足温室对相变温度要求，又价廉物美的材料，所以相变材料墙体一直还在试验研究阶段，大面积的推广应用尚待 时日。参考文献丁小明，周长吉，魏晓明2011下沉式机打土墙结构日光温室的性能与适应性分析/杨其长，古在丰树，Bot GPA设施园艺创新与进展北京：中国农业科技出版社：100- 107管勇，陈超，李琢，韩云全，凌浩恕2012相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善农业工程学报，28（10）：194-201管勇，陈超，凌浩恕，韩云全，闫全英2013日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析农业工程学报，29（21）： 66-173何芬，周长吉2015日光温室土质墙体温度与吸放热量测试分 析北方园艺，（10）：58-61亢树华1990鞍山日光温室的沿革与改进农业工程学报，6 （2）：101-102李明，魏晓明，齐飞，周长吉2014日光温室墙体研究进展新疆农业科学，51（6）：1162-1170，1176李明，周长吉，魏晓明2015日光温室墙体蓄热层厚度确定方 法农业工程学报，31（2）：177-183李明，周长吉，周涛，尹义蕾，富建鲁，王志强，齐长红2016日光温室土墙传热特性及轻简化路径的理论分析农业工程学报，32（3）：175-181马承伟，陆海，李睿，曲梅2010日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟农业工程学报，26（6）：231-237王宏丽，邹志荣，陈红武，张勇2008温室中应用相变储热技术研究进展农业工程学报，24（6）：304-307王宏丽，李晓野，邹志荣2011相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果农业工程学报，27（5）：253-257魏晓明，周长吉，曹楠，盛宝永，陈松云，鲁少尉2012中国日光温室结构及性能的演变江苏农业科学，28（4）：855-860张福墁2001设施园艺学北京：中国农业大学出版社：30张勇，邹志荣2015非耕地自主蓄热卵石后墙日光温室创新结 构农业工程技术：温室园艺，35（19）：28-30周长吉2013不断创新的山东寿光日光温室追析寿光“五代”日光温室农业工程技术：温室园艺，33（12）：16-22邹志荣，鲍恩财，申婷婷2017模块化组装式日光温室结构设计与实践农业工程技术：温室园艺，37（31）：55-60图 7 双层结构复合墙体日光温室外贴聚苯板结构 外挂彩钢板结构2.3 相变材料墙体相变材料是日光温室复合墙体的研究热点（王宏丽 等，2008，2011；管勇 等，2012，2013）。无论是三层结构复合墙体还是双层结构复合墙体，将相变材料置于温室内墙，利用材料相变储放热的功能可以大幅度提高温室内墙储放热量的性能。针对日光温室内种植作物的要求和墙体的储放热特点，对墙体相变材料要求：白天室内温度超过 25 后开始吸收温室内热量，材料从固态相变为液态储存热量；而当温室内温度下降到1618 时，材料开始从液态相变为固态向温室内释放热量。由于日光温室对相变材料的这种特殊要求，单一材质的相变材料难以满足要求，所以在科研中大都采用复5新优品种栽培管理本期视点产业市场病虫防控 产业广角中 国 蔬 菜 &nbsp; 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