日光溫室北墻結構研究現(xiàn)狀與趨勢

黃坤+張琦琦+晉楚佳+展正朋

摘 要：該文對日光溫室北墻結構類型的研究成果進行了歸納整理，分析了日光溫室各類北墻體的保溫蓄熱性能及其相關影響因素，討論了存在的問題，展望了北墻的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：日光溫室；北墻；結構；保溫蓄熱；成本；施工建造

中圖分類號 S625.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）09-0060-04

Abstract：This paper summarized the research results of north wall structure type of solar greenhouse，analyzed heat preservation and storage performance of the north wall of solar greenhouse and its' related influencing factors. The existing problems and the development direction were discussed.

Key words：Solar greenhouse；North wall；Structure；Thermal isolation and heat storage；Costing；Construction of building

日光溫室墻體，尤其是北墻（后面墻體均指北墻），兼具承重、維護、分隔的功能，是維護結構的主體，承擔著抵御風雪、冷熱作用力和豎直方向的絕大部分荷載，是日光溫室的關鍵構件[1]。在兼顧荷載的同時，墻體尤其是北墻，需要具備蓄熱和保溫雙重功能：一方面，能在白天吸蓄大量太陽輻射能，同時傳熱系數(shù)要低，保溫隔熱能力較好，以減少室內熱量散失，另一方面，要具有合理的熱惰性，在夜間作為熱源將蓄積在墻體內的熱量緩慢地釋放到室內，提高室內夜間溫度，盡可能的使其獲得太陽輻射能可以自給自足，創(chuàng)造作物生長的適宜環(huán)境，減少額外人為加溫的成本投入，降低生產成本。因此，加深對日光溫室北墻結構和性能的研究十分必要[2]。楊其長、李天來等農業(yè)專家學者對日光溫室墻體進行了深入的研究工作，取得了長足進步[3-8]。本文將從不同墻體結構材料的承重能力（密度）、傳熱系數(shù)、熱阻、熱惰性和對日光溫室內的環(huán)境的影響及施工和成本方面進行梳理，總結分析各類墻體應用的推廣價值，并展望了日光溫室北墻的發(fā)展方向。

1 日光溫室墻體類型

日光溫室墻體按材料的組成種類可分為單一材料的實體墻、多種材料組合的復合墻兩大類[1]。單一材料實體墻是僅由一種材料組成的均質實體墻體；多種材料組合的復合墻是使用2種或2種以上材料按一定組合規(guī)則組成的墻體。與單一材料實體墻相比，復合墻可以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)良特性，具有保溫蓄熱性能好，墻體較薄、美觀，土地利用效率高的優(yōu)點[9-16]。

1.1 實體墻 最常見的實體墻是實體土墻和磚墻，這類墻體同時承載著溫室的圍護、保溫蓄熱和承重的功能。土墻一般是使用挖掘機挖土堆推而成的寬厚墻體[17-18]，由于墻體材料易獲得、成本低、建設速度快，導熱系數(shù)僅0.600～1.000W·m-1·K-1[16，19]，熱阻4.08～4.3m·kW-1[16]，保溫蓄熱性能好，被廣大農民接納使用。不足的是這類墻體占地大，土地利用率低，而且對耕作層土層破壞嚴重[20-22]，墻體表面容易被雨水沖淋及凍脹侵蝕致使墻體老化脫落甚至崩塌，逐步被外形美觀、耐久性好的紅磚墻取代。其導熱系數(shù)：0.76～0.81W·m-1·℃-1，比熱容880～1050J·kg-1·℃-1[23]，與土壤相差無幾，即使是490mm的磚墻也不及3～9m厚的土墻的保溫性能。這2種實體墻的保溫蓄熱性能主要受其厚度影響[18]。對于土墻來說，墻體越厚保溫效果越好，其厚度必須達到1～1.4m[24]（西北地區(qū)試驗數(shù)據(jù)）才能達到較好的保溫蓄熱效果。厚度過薄的土墻在全天都吸熱，夜間提高室內溫度能力不足；當超過一定厚度時，墻體放熱量并不會隨厚度的增加增加[9，25]，反而增加了高昂的建造費用。因此，并非如人們想象的越厚越好。相比于土墻，磚墻R+D（熱阻值+熱惰性）較大，熱容量可達1680kJ·m-3·℃-1，具有更好的保溫蓄熱效果，一般厚度僅0.24～0.6m[26]即可滿足保溫需求。但由于磚墻施工建造費工，造價較高，約255萬/hm2[27]，大概需要5～10年才能回本，極大地限制了磚墻的推廣使用。

1.2 復合墻 據(jù)三重墻體理論[28]，復合墻由潛熱吸熱能力強、顯熱蓄熱性能與保溫隔熱性能良好的承重材料由里到外分層復合而成，墻體分為吸熱層、隔熱層和保溫層。鑒于部分材料同時承擔2項功能，本文根據(jù)復合墻體墻層材料承擔的功能，劃分為蓄放熱層和保溫隔熱層兩大層，并以此為分類，進一步說明：

1.2.1 蓄放熱層 蓄放熱層根據(jù)不同材料的蓄放熱方式，又可將墻體分為固體吸熱墻體和液體吸熱墻體。

1.2.1.1 固體吸熱墻體 固體吸熱墻體由固體材料通過顯熱吸熱的方式在白天吸收太陽輻射能，京鵬環(huán)球科技公司通過用蜂窩狀墻面代替日光溫室后墻面的平面結構，增大后墻的有效受光表面積。據(jù)測算，蜂窩墻面增大了4～7倍[48]，墻體蓄熱量提高10%～15%[49]，其室內溫度比普通平面墻體室內溫度提高了3～5℃。盧志權等[29]研究對比了不同凹式墻體對溫室蓄熱性能的影響發(fā)現(xiàn)：凹面墻體的吸熱效果比平面墻體好，比表面積為1.684，15個凹口數(shù)/m2，凹口形狀（深×寬×長）為6cm×12cm×24cm的墻體吸放熱量最好。蜂窩型墻面又有凹口型和凸出型兩種類型：相比凹口型，由于凸出型墻體吸收的太陽輻射較多，與室內空氣熱交換面積也較大，其蓄放熱能力也較凹口型強。但因凸出型磚塊伸出墻體，給操作者帶來極大的不便。使用時，應做適當?shù)哪ソ翘幚砘驅⑦^道拓寬抑或加設欄桿，無形中又增加建設成本。在砌筑方式還有波浪形，由于施工速度較慢，人工成本較高，相應的增加了墻體的建設成本，因而沒有得到大面積推廣。相變儲熱墻體通過材料相變吸收和釋放大量潛熱，是近年來研究熱點[47]：王宏麗等以稻殼為載體，吸附質量比為5∶5的石蠟與硬脂酸正丁酯制成復合相變蓄熱砌塊[30]，熔解潛熱為116.2kJ/kg，凝固潛熱為118.5kJ/kg，制作成標準空心蓄熱保溫砌塊，施工建造較燒制紅磚墻簡單，具有良好的吸熱性能；楊小龍等[31]制備了十二水磷酸氫二鈉（NaHPO4·12H2O）相變蓄熱墻板，吸熱性能較好，夜間累計放熱量增加0.16mJ/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%，但造價較高：125元/m2，未能大面積推廣；李凱等[32]以粉煤灰為材料載體、以自制的NaHPO4·12H2O蓄熱體系為相變材料制備的相變墻體，吸熱性能和技術經(jīng)濟水平總體上優(yōu)于復合磚墻和土墻；CaCl2·6H2O與NaHPO4·12H2O有相似的特性，Jaffrin等[33]將其應用于溫室中，與同結構的傳統(tǒng)溫室相比，要使相變溫室室內達到同一溫度，可比傳統(tǒng)溫室節(jié)約80%的丙烷；管勇等[34]將石蠟、高密度聚乙烯和水泥砂漿混合制成的相變材料，導熱系數(shù)0.40W·m-1·℃-1，比熱容達16.24kJ·kg-1·℃-1，蓄、放熱性能較好，縮小了溫度波動幅度。

1.2.1.2 液體吸熱墻體 與固體吸熱材料不同，液體吸熱墻體由液體材料通過潛熱吸熱的方式吸收太陽輻射能，液體材料主要指水[3-5，35]。這種液體吸熱材料以水幕簾的形式掛置在墻體的內表面，在室內地下設置水池，使水幕簾中的水和水池中的水循環(huán)流動：水幕簾中的水在毛細管內緩慢流下，帶著吸收的太陽輻射流入地下水池，水池中的水經(jīng)電機抽送到幕簾上方補充，這種循環(huán)流動的水可以增加墻體在白天的蓄熱量，提高其在夜間的放熱能力，使氣溫維持在較高的適宜作物生長的水平[1]。張義等[3]設計了一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)夜間通過水幕簾的放熱量達到4.9～5.6MJ/m2，可將溫室內夜間溫度提高5.4℃以上，滿足了喜溫作物的安全越冬生產；方慧等[4]設計了一種雙黑膜主動集放熱裝置，白天吸收太陽輻射能和溫室內的富余熱量，夜間將熱量釋放到出來，增加溫室內夜間溫度。但由于透光膜與黑膜均為軟質材料，在溫室生產中易破損，該課題組又對原裝置進一步改進，用金屬膜替換原有雙黑膜吸熱面，吸收系數(shù)達到0.81，導熱系數(shù)為14.6W/（m·℃），集熱效率可達到86%，比雙黑膜蓄放熱裝置有極大提高，效果更加顯著；丁小明等[35]設計了一套基于毛細管換熱器，采用生物質固體成型燃料供熱的日光溫室低溫供暖系統(tǒng)，水平放置時散熱量達到307～381W/m2。

1.2.2 保溫隔熱層 根據(jù)保溫隔熱材料的特性[36]，一般按照內層蓄熱層、中間隔熱夾心層，外層保溫層的方式組合，即夾芯復合墻；有些學著提出質疑，如果將隔熱性能好的材料（如聚苯板）置于墻體中間，則外側墻體失去蓄熱功能，為此做了新的變形試驗研究，將保溫材料層放在由墻體外側[6-7，10，32，36-37]，即外保溫復合墻。

1.2.2.1 夾芯保溫復合墻 夾芯保溫復合墻的保溫層設置在墻體中間，在實際中有較多應用[38]。常用的保溫層材料有空氣[7]和作物秸稈、爐渣、膨脹珍珠巖、鋸末、生石灰等松散保溫材料或聚苯乙烯泡沫板[19]。與外保溫復合墻相比，保溫層可以用傳熱系數(shù)小的空氣，能很好的防止熱量散失，白義奎等[7]在墻體內設置一道20～100mm的空氣夾層，相當于490mm厚的磚墻。不足的是該墻體必須保證密閉，以免熱量通過縫隙散失；墻體中間填充傳熱系數(shù)小的松散保溫材料，可避免空腔密封不嚴導致的空氣流動和熱量散失，有利于提高墻體的整體保溫蓄熱性能。根據(jù)調查發(fā)現(xiàn)，填充松散保溫材料的復合墻體，室內氣溫顯著高于同等厚度的磚墻，且松散材料的傳熱系數(shù)越小，保溫效果越好[9]。但隨著使用時間的延長，松散保溫材料因自身重力下沉，造成墻體中層上部出現(xiàn)空腔，加之雨水的滲漏加快墻內材料的霉變腐爛，導致墻體保溫性能下降[39]。

1.2.2.2 外保溫復合墻 該類墻體承擔保溫功能的材料層位于墻體外側，常見的外保溫材料由聚乙烯[34]、（綴鋁箔）聚苯板[6-7，9-11，36]、彩鋼板[8，32]、發(fā)泡水泥[37]等。首先，外保溫層能改善和增強墻體的密封性，減少室內熱量的散失[6-7，11，36-37]，更有利于提高墻體保溫性能，使室內氣溫保持在較高水平[12-13]；另外，外層方便維修和更換，極大的增強了墻體抵抗外界環(huán)境破壞的能力，削弱了破壞作用對室內環(huán)境造成的不良影響，延長建筑壽命[40]；同時，保溫層外置，施工較簡單，工期相對縮短。目前，以下日光溫室中均采用了外保溫復合墻結構：聚苯板外置復合磚墻[6，11，13-16]，聚乙烯外置保溫墻體[34]，黏土磚墻外側加厚發(fā)泡水泥外保溫改良墻[37]，輕質加氣混凝土板材墻體[46]，彩鋼板日光溫室墻體[8，32]等。

苯板導熱系數(shù)只有0.0327W/（m·℃），密度低至8kg/m3，價格較低廉，是優(yōu)選的隔熱保溫材料，李小芳、陳青云[13]利用熱反應系數(shù)法和日光溫室熱環(huán)境的數(shù)學模型模擬分析比較發(fā)現(xiàn)：外保溫層并不是越厚越好，當內側蓄熱保溫墻較薄時，隔熱越厚越有利于墻體的保溫，但是當隔熱板超過一定厚度后，保溫性能不再提高。因此，綜合保溫和成本考慮，10cm厚聚苯板較佳。

2 存在的問題

2.1 占地空間大，土地利用率低 傳統(tǒng)的黏土墻占地較多，盲目擴大墻體厚度的現(xiàn)象嚴重，有的甚至高達9m[18]，需要大量的土方，不僅對土壤耕作層破壞嚴重，而且導致土地利用率極低，僅達到40.63%[41]，甚至更低。

2.2 標準化程度低、施工建造效率低 目前的黏土墻、磚墻等材料雖然需要人工或機械砌筑，無法在工廠預制，以至于施工建造效率低下，而且難以保證結構的緊密牢固性，標準化水平落后。

2.3 墻體建造成本較高，保溫蓄熱成本居高不下 磚墻、水泥澆筑墻、相變材料墻體建造成本較傳統(tǒng)的黏土墻成本高，尤其是相變材料的造價，很難向普通農民用戶推廣使用；另外，日光溫室對墻體的蓄放熱性能要求較高，附加設備或結構的保溫蓄熱成本居高不下，成本問題亟待解決。

3 發(fā)展趨勢展望

3.1 結構越來越輕簡化 同磚墻取代寬厚的土墻一樣，磚墻也將被更輕、更薄，承重能力更強的墻體逐步取代。輕簡化無立柱全鋼架裝配式日光溫室逐步推廣，墻體內加入鋼架，分擔墻體的承重壓力。新型日光溫室也逐步被研發(fā)出來：楊其長[5]研究團隊設計了一種輕簡裝配式主動蓄能型日光溫室墻體：該墻體由分別承擔蓄放熱功能和保溫隔熱功能的兩部分組成，即，由以水為蓄放熱媒介的主動蓄放熱系統(tǒng)（AHS）：以聚苯板為主要保溫隔熱材料的系統(tǒng)。李天來[8]研究團隊設計了彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室墻體：以水循環(huán)系統(tǒng)和空氣-地中熱交換系統(tǒng)作為蓄放熱體，巖棉彩鋼板作為保溫隔熱覆蓋件。

3.2 功能越來越專門化 墻體被分為2個部分或3個部分，分別承擔相應的功能，分工更明確、更加專門化。隨著墻體材料的深入研究，相應的材料也將被逐步開發(fā)出來承擔對應的功能，發(fā)揮該材料優(yōu)勢性能[42]。如上述輕簡裝配式主動蓄能型日光溫室墻體，彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室墻體。

3.3 形式越來越多樣化 隨著對日光溫室的不斷深入研究，新的材料也被逐步研發(fā)出來并運用到墻體中，各種形式的墻體類型逐漸涌現(xiàn)。如此，水泥與氣泡混合硬化后形成的發(fā)泡水泥，具有密度小、承重能力強、傳熱系數(shù)小等優(yōu)良性能，且機械化施工程度高，壓縮程度高于苯板，墻體的密閉性能、保溫性能好，無苯和烴烯等有毒氣體釋放等優(yōu)點。

3.4 建造越來越標準化 隨著設施農業(yè)和工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展，材料工廠化水平越來越高，加之黨中央對農業(yè)的支持力度和現(xiàn)代新型農業(yè)的發(fā)展需求，農業(yè)行業(yè)相關標準和規(guī)范將逐步建立形成，標準化水平提高。在建造前，預制日光溫室墻體材料，標準化生產，現(xiàn)場直接裝配安裝，建造、施工效率將得到極大的提高。

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