中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新（一）
——基于被動儲放熱理論的墻體改良與創(chuàng)新

周長吉

（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125）

我國日光溫室從20世紀(jì)80年代開始起步，至今已經(jīng)發(fā)展了30多年。日光溫室的發(fā)展，首先解決了長期困擾我國北方地區(qū)冬季鮮菜生產(chǎn)和供應(yīng)的問題，極大地豐富了城鄉(xiāng)居民的“菜籃子”；其次，解決了北方地區(qū)冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民就業(yè)的問題，使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由“冬閑”變成了“冬忙”，不僅提高了農(nóng)民收入，也穩(wěn)定了社會治安；第三，有效開發(fā)了北方地區(qū)冬季“沉睡”的土地資源，提高了土地的復(fù)種指數(shù)，促進(jìn)了土地資源的高效開發(fā)利用；第四，大量節(jié)約了溫室生產(chǎn)能耗，不僅減輕了我國能源供應(yīng)的壓力，而且對減少“溫室氣體”排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出了杰出的貢獻(xiàn)。30多年來，中國日光溫室從實(shí)踐到理論、從試驗(yàn)研究到大面積推廣應(yīng)用走出了一條具有中國特色的創(chuàng)新發(fā)展之路，其中民間的創(chuàng)新更是這條創(chuàng)新之路上不可或缺的骨干力量。科學(xué)界的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在方法創(chuàng)新和理論提升上，其中墻體的被動儲放熱和主動儲放熱理論是日光溫室結(jié)構(gòu)創(chuàng)新過程中兩項(xiàng)重要的基礎(chǔ)理論，在不同理論的指導(dǎo)下建設(shè)的溫室從結(jié)構(gòu)、建材以及建造方法和造價上都有顯著差別，當(dāng)然溫室的性能也有差異。本文回顧和總結(jié)了30多年來日光溫室墻體結(jié)構(gòu)在被動儲放熱理論指導(dǎo)下的創(chuàng)新和發(fā)展之路，以期對未來的創(chuàng)新發(fā)展有所借鑒。

中國最早的日光溫室可追溯到20世紀(jì)30年代的鞍山型溫室（亢樹華，1990；張福墁，2001），但真正對中國日光溫室發(fā)展起到帶動和示范作用的是遼寧省大連市瓦房店的“琴弦式”日光溫室和“感王式”日光溫室（圖1）。其共同特點(diǎn)是：用土墻做圍護(hù)墻體，低矮的空間采用嚴(yán)密的保溫來實(shí)現(xiàn)喜溫果菜類蔬菜的越冬生產(chǎn)。這種溫室之所以能夠在遼南地區(qū)冬季-20 ℃以下的嚴(yán)寒氣候條件下越冬生產(chǎn)喜溫果菜類蔬菜，一方面是靠嚴(yán)密的保溫（包括一層紙被和雙層草苫），另一方面則主要靠后墻白天的儲熱和夜間的放熱。這種利用墻體白天吸熱儲存熱量、夜間放熱補(bǔ)充溫室熱損失的日光溫室墻體熱物理過程稱為墻體的被動式儲放熱。之所以稱之為“被動式儲放熱”，是因?yàn)椴徽摪滋靿w吸收和儲存多少熱量，還是夜間釋放多少熱量均是一種無法人為控制的熱物理過程。在這種理論指導(dǎo)下建設(shè)的日光溫室要求墻體材料熱惰性大，白天能吸收和儲存更多的熱量，同時夜間也就能釋放出更多的熱量。熱惰性大、價格低廉且能承重的適合作為日光溫室墻體的材料主要包括土壤、石塊和實(shí)心磚。

圖1 中國早期的日光溫室

1 土/石單質(zhì)材料墻體日光溫室建造方法的改良與創(chuàng)新

土/石是一種熱惰性大、可就地取材的廉價材料，因此在日光溫室研究和推廣中一直備受重視，包括對土/石墻建造方法的研究和土/石墻厚度在不同室外環(huán)境條件下對室內(nèi)溫度影響的研究（馬承偉 等，2010；魏曉明 等，2012；李明 等，2014，2015，2016；何芬和周長吉，2015）。

1.1 干打壘墻體

土墻最早的建造方法在西北地區(qū)多采用干打壘的方法（圖2）。干打壘墻體強(qiáng)度高、耐久性好，而且墻體厚度?。ǘ嗫刂圃?0～100 cm）、占地面積小，建造墻體用土量少，對土壤的破壞影響小，尤其適合黏度適中的黃土和輕質(zhì)黏土。但干打壘墻體建造時間長、勞動強(qiáng)度大，不論是人力夯杵打墻，還是用蛙夯機(jī)筑墻，其建設(shè)速度都遠(yuǎn)跟不上日光溫室發(fā)展的要求。

圖2 干打壘土墻結(jié)構(gòu)日光溫室

1.2 機(jī)打土墻

為了進(jìn)一步提高溫室墻體的建設(shè)速度，也為了使更多類型的土質(zhì)能夠用于日光溫室墻體的建設(shè)，山東壽光的農(nóng)民發(fā)明了機(jī)打土墻日光溫室（丁小明 等，2011；周長吉，2013），即用挖掘機(jī)攫取地面土壤到墻體，用鏈輪拖拉機(jī)或壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，之后再用挖掘機(jī)修理溫室內(nèi)墻面，可快速建造日光溫室墻體，且建造成本低，徹底擺脫了干打壘墻體用人力夯實(shí)墻體的局面，提高了墻體建造的機(jī)械化水平。由于墻體厚（300～700 cm），溫室的保溫性能好，墻體儲放熱能力強(qiáng)，很快在我國北方地區(qū)得到了大面積推廣應(yīng)用，成為當(dāng)前我國日光溫室墻體的主要形式（圖3）。但這種墻體建造用土量大、墻體占地面積大、土地利用率低、對土壤破壞嚴(yán)重，而且由于鏈輪拖拉機(jī)的自身重量所限，壓制墻體的密實(shí)度不夠，墻體使用壽命短。雖然這種結(jié)構(gòu)的溫室因其造價低廉、保溫性能好而在生產(chǎn)中得到大量推廣應(yīng)用，但由于其對土壤破壞嚴(yán)重，在學(xué)術(shù)界一直存在很大爭議。隨著近年來新技術(shù)的不斷發(fā)展，要求改造和停止這種類型溫室建設(shè)的呼聲越來越高。

圖3 機(jī)打土墻結(jié)構(gòu)日光溫室

1.3 機(jī)壓大體積土坯墻

為了減少土墻建設(shè)的用土量，同時增強(qiáng)土墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，近年來推出了一種機(jī)壓大體積土坯的土墻日光溫室結(jié)構(gòu)（圖4）（鄒志榮 等，2017）。這種墻體采用壓鑄的方法將松散的土體擠壓成體積為1.2 m×1.2 m×1.2 m的立方體土坯，砌筑時不需要任何膠黏劑，通過錯縫壘筑即成為承重和保溫墻體，而且由于是壓制成型，所以在土坯內(nèi)部可以壓鑄出契口和通風(fēng)通道，便于緊密砌筑和墻體內(nèi)部儲熱。由于自身強(qiáng)度高，墻體不僅可以自承重，而且如同干打壘墻體或磚石墻體一樣具有承載溫室骨架荷載的能力，同時溫室的使用壽命也大大延長。此外，由于墻體厚度只有機(jī)打土墻的1/5～1/3，與干打壘墻體厚度接近，所以大大減少了墻體的占地面積，用土量也相應(yīng)減少，對土壤的破壞影響亦減少。相比干打壘土墻，其建造的機(jī)械化水平更高，土坯自身的強(qiáng)度也更強(qiáng)，且可以人為控制土坯的體積大小和土坯的密實(shí)度，還可以在土體中添加草秸等骨料和膠黏劑，進(jìn)一步提高土坯的強(qiáng)度。

圖4 機(jī)壓大體積土坯墻日光溫室

不論是干打壘墻體、機(jī)打土墻結(jié)構(gòu)墻體，還是機(jī)壓大體積土坯墻體，其共性優(yōu)點(diǎn)都是采用土作為建筑材料，材料來源豐富、可就地取材、建造成本低、儲放熱能力強(qiáng)；但其共性缺點(diǎn)是用土壤作為建筑材料，對耕地土層破壞嚴(yán)重，給未來土壤恢復(fù)帶來很大困難，就地取土還造成建設(shè)場地整體低洼，給場區(qū)排水造成困難，經(jīng)常發(fā)生雨季場區(qū)積水、泡塌溫室墻體的事件。隨著國家對耕地質(zhì)量保護(hù)要求的不斷加強(qiáng)和人們對生態(tài)保護(hù)意識的不斷加強(qiáng)，以及我國社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，土墻結(jié)構(gòu)日光溫室遲早會退出歷史舞臺。

1.4 石墻

石墻是一種比土墻熱惰性更大的溫室墻體，最早采用的是砌筑的方法（圖5-a）。由于砌筑石墻的厚度不能太薄，最小厚度不小于500 mm，所以砌筑石墻的厚度大多在1 000 mm左右。用石塊砌筑的溫室墻體承載能力強(qiáng)、儲放熱性能好、墻體使用壽命長，但這種方法要求石塊體積大，而且砌筑時間長、勞動強(qiáng)度大。為了解決這一問題，張勇和鄒志榮（2015）采用了鋼筋籠裝石料筑墻的方法，包括先整體搭建墻體鋼筋籠后填裝石料一次成型筑墻法和先用小鋼筋籠裝石料后碼垛砌筑墻體兩種方法（圖5-b、c）；不僅提高了建設(shè)速度，而且對石塊大小沒有嚴(yán)格要求，極大地豐富了建材原料的來源，還省去了水泥、砂漿等膠粘劑。此外，由于石塊之間的縫隙還可以將熱量傳遞到墻體的更深位置，更有利于提高墻體儲放熱量的性能。但由于建造日光溫室需要消耗大量的石料，而石料來源不像土壤那樣來源豐富、造價低廉，因此在一定程度上限制了這種形式日光溫室的發(fā)展。

2 復(fù)合墻體溫室的改良與創(chuàng)新

為了解決土/石墻結(jié)構(gòu)日光溫室墻體占地面積大、對土壤破壞嚴(yán)重的問題，在被動式墻體儲放熱理論指導(dǎo)下，日光溫室研究和建設(shè)早期對墻體結(jié)構(gòu)的改造基本都是采用異質(zhì)復(fù)合墻體，包括三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體和雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體，其中三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體在日光溫室發(fā)展的早期應(yīng)用最為廣泛，后來隨著對墻體傳熱理論的不斷深入研究，近年來更傾向于采用雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體。

圖5 石墻結(jié)構(gòu)日光溫室

2.1 三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體

由于材質(zhì)不同，三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的做法也各異，大體可分為3類：磚墻+空心+磚墻、磚墻+松散保溫材料+磚墻、磚墻+保溫板+磚墻 （圖6）。其中，磚墻既是溫室的承重結(jié)構(gòu)，又是中間保溫層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)墻是溫室被動儲放熱的墻體，外墻是溫室隔熱和圍護(hù)的墻體，不論是內(nèi)墻還是外墻，其厚度要求遵從磚墻的建筑模數(shù)，多為240 mm或360 mm，高寒地區(qū)的外墻厚度有的為500 mm。

圖6 三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體日光溫室

2.1.1 空心復(fù)合墻體 空心復(fù)合墻體是利用干燥、靜止空氣的絕熱性能來隔斷室內(nèi)熱量向室外傳遞，從而起到保溫隔熱的效果。其中空心的厚度基本控制在300 mm以內(nèi)，多為240 mm（與磚墻的建筑模數(shù)相一致）。這種結(jié)構(gòu)用材省、建造速度快；但在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，由于溫室磚墻建造的密封性差（有的是由于砂漿強(qiáng)度不夠風(fēng)化后造成，有的則是砌筑時砂漿不飽滿造成，很多溫室甚至不做勾縫處理），室外冷風(fēng)可直接滲透到溫室中。此外，由于空氣間層的空間較大，事實(shí)上在兩層磚墻之間根本不可能形成靜止空氣層，磚墻內(nèi)部的空氣對流也大大削弱了墻體的保溫性能。因此，這種墻體結(jié)構(gòu)的日光溫室在實(shí)際應(yīng)用中保溫性能并不理想，在近10年來的應(yīng)用越來越少。

2.1.2 保溫材料填充墻 用松散材料填充兩層磚墻的夾層，墻體厚度因材料的保溫性能不同而有差異。常用的松散保溫材料有陶粒、珍珠巖、蛭石、土等無機(jī)建筑材料，也有用稻殼、秸稈等有機(jī)材料的。松散材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，墻體厚度也越薄，除了填充土層的厚度為500～1 000 mm外，其他松散保溫材料的厚度多為200～300 mm。用松散保溫材料填充兩層墻體之間的夾層，解決了墻體夾層內(nèi)的空氣對流；而且由于保溫層的熱阻較大，溫室墻體的保溫性能得到大大提升。但由于松散保溫材料容易吸潮，吸潮后保溫性能顯著下降，而且隨著溫室使用年限的增加，松散材料在墻體內(nèi)不斷下沉，使墻體內(nèi)下部松散材料密度增大，上部出現(xiàn)空氣間層，總體上溫室墻體的保溫性能在不斷降低。為此，改進(jìn)的復(fù)合墻體用保溫板（主要是聚苯板）代替了松散材料，一方面可以解決松散材料吸潮或下沉造成保溫性能下降的問題；另一方面還可以進(jìn)一步減薄墻體的厚度（因?yàn)榫郾桨宓膶?dǎo)熱系數(shù)更小，保溫板厚度多在100 mm左右），節(jié)約土地面積。但由于在施工中往往是先施工兩側(cè)墻體，之后再將保溫板塞進(jìn)夾層中，難以將聚苯板與兩側(cè)墻體緊密貼合，而且保溫板相互之間的對接和密封也不嚴(yán)密，實(shí)際運(yùn)行中溫室墻體的保溫性能并沒有達(dá)到理想的狀態(tài)。

2.2 雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體

從理論上分析，三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體的內(nèi)層磚墻是被動式儲放熱層，中間空心層或保溫層是隔熱層，而外層磚墻實(shí)際上就是中間保溫層的保護(hù)層，自身的保溫性能在整個溫室墻體中的貢獻(xiàn)很小。為此，近年來新的復(fù)合墻體改進(jìn)方法是將三層復(fù)合結(jié)構(gòu)改變?yōu)殡p層結(jié)構(gòu)，即取消外層磚墻，將中間保溫板直接外貼在內(nèi)墻上。這種做法不僅墻體各層功能明確，而且減少了墻體占地面積、降低了溫室造價、提高了溫室建設(shè)速度，成為目前復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的主流模式。其中，內(nèi)層磚墻承擔(dān)儲放熱和結(jié)構(gòu)承重的功能，厚度多為240 mm或360 mm；外層保溫層承載隔熱功能，厚度多為100～150 mm，可以用聚苯板外掛水泥砂漿，也可以直接用彩鋼板（圖7），將隔熱、防水和外觀集于一體。溫室墻體總厚度基本控制在500 mm以內(nèi)，大大節(jié)約了墻體占地面積。

圖7 雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體日光溫室

2.3 相變材料墻體

相變材料是日光溫室復(fù)合墻體的研究熱點(diǎn)（王宏麗 等，2008，2011；管勇 等，2012，2013）。無論是三層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體還是雙層結(jié)構(gòu)復(fù)合墻體，將相變材料置于溫室內(nèi)墻，利用材料相變儲放熱的功能可以大幅度提高溫室內(nèi)墻儲放熱量的性能。針對日光溫室內(nèi)種植作物的要求和墻體的儲放熱特點(diǎn)，對墻體相變材料要求：白天室內(nèi)溫度超過25 ℃后開始吸收溫室內(nèi)熱量，材料從固態(tài)相變?yōu)橐簯B(tài)儲存熱量；而當(dāng)溫室內(nèi)溫度下降到16～18 ℃時，材料開始從液態(tài)相變?yōu)楣虘B(tài)向溫室內(nèi)釋放熱量。由于日光溫室對相變材料的這種特殊要求，單一材質(zhì)的相變材料難以滿足要求，所以在科研中大都采用復(fù)合材料通過配比來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。由于相變材料每天從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，又從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這種頻繁的固、液態(tài)變化要求材料不能從墻體中滲漏，也不能對墻體的強(qiáng)度造成影響，所以盛裝和密封相變材料成了工程中的一大難題。此外，在對相變材料的配方研究中一直也沒有找到一種既能滿足溫室對相變溫度要求，又價廉物美的材料，所以相變材料墻體一直還在試驗(yàn)研究階段，大面積的推廣應(yīng)用尚待時日。

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