優(yōu)化日光溫室熱環(huán)境與建構(gòu)的工程技術(shù)研究進展

張紀(jì)濤 史向遠 李永平 張曉晨 王保平 周靜 王秀紅

摘要：日光溫室是中國北方地區(qū)獨有的一種溫室類型，對提高農(nóng)民生產(chǎn)效益和改善人們生活水平起到了極大的作用。為了明確日光溫室工程技術(shù)的發(fā)展水平和方向，本文總結(jié)了近年來在日光溫室墻體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、創(chuàng)新型日光溫室類型、保溫蓄熱工程技術(shù)、光伏日光溫室等方面的相關(guān)研究報道，并探討了日光溫室在建構(gòu)和熱環(huán)境工程方面的發(fā)展方向。日光溫室工程發(fā)展趨勢：（1）日光溫室建構(gòu)向輕簡化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展；（2）日光溫室設(shè)施與裝備向高效與節(jié)能化發(fā)展；（3）日光溫室環(huán)境調(diào)控和管理向精準(zhǔn)化和智慧化方向發(fā)展。研究可為日光溫室優(yōu)化熱環(huán)境工程技術(shù)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：日光溫室；保溫蓄熱；熱環(huán)境；溫室工程；研究進展

中圖分類號：S626.5文獻標(biāo)志碼：A論文編號：cjas2020-0004

Engineering Technology for Optimizing the Thermal Environment and the Construction of Solar Greenhouse： Research Progress

Zhang Jitao， Shi Xiangyuan， Li Yongping， Zhang Xiaochen， Wang Baoping， Zhou Jing， Wang Xiuhong

（Research Center of Modern Agriculture， Shanxi Academy of Agricultural Science， Taiyuan 030031， Shanxi， China）

Abstract： Solar greenhouse， as an energy-saving agricultural production building， plays an important role in improving farmers’production efficiency and people’s living standard. In order to clarify the development level and direction of solar greenhouse engineering technology， this paper summarizes recent research on the wall structure optimization of solar greenhouse type， innovation-type solar greenhouse， heat preservation and storage engineering technology， photovoltaic solar greenhouse and so on， and discusses the development direction of solar greenhouse in construction and thermal environment engineering. The development trends of solar greenhouse are： （1） the construction of solar greenhouse is developing towards simplification and standardization； （2） solar greenhouse facilities and equipment are developing towards high efficiency and energy conservation； （3） the environmental regulation and management of solar greenhouse is developing towards precision and intelligence.

Keywords： Solar Greenhouse； Heat Insulation and Storage； Thermal Environment； Greenhouse Engineering； Research Progress

0引言

日光溫室作為中國北方地區(qū)獨有的一種溫室類型，是中國北方地區(qū)進行蔬菜越冬生產(chǎn)的最主要的農(nóng)業(yè)設(shè)施類型，對提高農(nóng)民生產(chǎn)效益和改善人們生活水平起到了極大的作用。隨著科研創(chuàng)新的不斷探索和總結(jié)，目前已形成了合理采光、合理保溫、合理蓄熱的日光溫室設(shè)計理論[1]，對于日光溫室整體節(jié)能設(shè)計及規(guī)范化起到了重要作用。

隨著工業(yè)裝備與材料科學(xué)的發(fā)展，日光溫室建構(gòu)與裝備水平得到極大的提高。但隨著工業(yè)4.0時代的到來，農(nóng)業(yè)數(shù)字化與智慧化也應(yīng)運而生，對設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提出了很高的要求。為了進一步適應(yīng)日光溫室工程技術(shù)的發(fā)展方向，本文總結(jié)了近年來在日光溫室墻體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、保溫蓄熱工程、光伏日光溫室等方面的研究成果，并探討了未來日光溫室發(fā)展方向，為日光溫室工程發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)以及數(shù)字化或智慧化實現(xiàn)等方面提供參考和依據(jù)。

1日光溫室墻體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化創(chuàng)新

土墻和復(fù)合磚墻是生產(chǎn)中常見的兩種日光溫室墻體類型。墻體作為日光溫室的承載與保溫蓄熱的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，決定著日光溫室保溫與蓄熱性能以及建設(shè)成本。溫室土墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究與工程創(chuàng)新主要集中于墻體厚度優(yōu)化上，而磚墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化主要集中于合理的材料組合以及新型材料的應(yīng)用上。隨著日光溫室構(gòu)型的不斷創(chuàng)新與環(huán)境需求提高，新型的墻體結(jié)構(gòu)也不斷出現(xiàn)，如可移動后墻、秸稈后墻、中空蓄熱后墻等。

1.1土墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

土墻日光溫室是國內(nèi)建設(shè)面積最大、最節(jié)能的溫室類型。關(guān)于土墻日光溫室的優(yōu)化研究主要集中于墻體厚度的合理建構(gòu)和提高土地利用率方面。土墻體可以分為蓄熱層、過渡層、保溫層等3個部分[2-3]，關(guān)于合理土墻厚度尚缺少合理的設(shè)計方法。有研究報道，河南地區(qū)適建的土墻底部厚度4.0 m、頂部2.5 m[4]，楊凌地區(qū)合理厚度為2.30 m[5]，新疆塔城地區(qū)適宜的土墻厚度為2.2～2.5 m[6]，銀川地區(qū)墻體厚度2.5 m[7]，山東泰安最小厚度2.2 m[8]。土墻日光溫室的跨度一般在8～12 m之間，部分地區(qū)達15 m以上，甚至25 m，跨度的增加可有效提高土地利用率。關(guān)于土墻日光溫室的下挖深度，一方面考慮有利于砌筑取土，另一方面適當(dāng)下挖可提高室內(nèi)溫度，但下挖過深不利于栽培空間的通風(fēng)排濕。墻體防雨是保證土墻溫室安全性和使用年限的重要工程措施，現(xiàn)在一般做法是后墻鋪防雨布或毛氈等，尤其是在拱架與墻體連接處進行防雨處理。

1.2磚墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

磚墻日光溫室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中在墻體結(jié)構(gòu)與材料上。磚墻日光溫室墻體結(jié)構(gòu)分為承重層、填充層（或不填充，即中空墻體）、保溫層等。承重層一般使用的材料為紅磚、空心磚加氣混凝土、發(fā)泡水泥、空心磚等。墻體材料決定著溫室造價和安全性，對溫室熱環(huán)境也有重要影響。李明等[9]試驗表明采用發(fā)泡水泥加厚黏土磚墻不僅可減少墻體熱損失，還能增加墻體夜間散熱量。對于磚墻構(gòu)筑方式，羅偉等[10]試驗表明，采用不平整的凸式墻體或凹式墻體均可有效提高溫室的蓄熱能力。關(guān)于磚墻體合理厚度，佟國紅等[11]通過 CFD分析研究表明，在晴天條件下，靠近室內(nèi)側(cè)磚墻越?。?.12 m）時，不論該層后面的絕熱層厚度及墻體組成如何，夜間室內(nèi)空氣溫度高于室內(nèi)側(cè)較厚磚墻；復(fù)合墻體較厚的蓄熱材料層比同材料單一材料墻體同厚度處溫度衰減快，復(fù)合墻體蓄放熱層厚度的確定取決于隔熱層的位置[12]。磚墻溫室填充材料一般為爐渣、黏土、灰土、保溫板、生石灰、煤矸石、固化沙等，不同填充材料對日光溫室的保溫蓄熱有一定影響[13-15]。外墻保溫材料應(yīng)用是提高磚墻溫室保溫性能重要工程措施[16]，目前常見的外墻保溫材料有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚苯乙烯擠塑板（XPS）、酚醛酯板（酚醛樹脂）、聚氨酯（聚氨基甲酸酯）、巖棉板等。外保溫墻體可以比典型夾芯墻體的日光溫室空氣溫度高0.5～2.3℃[17]。關(guān)于保溫材料的覆蓋厚度，管勇等[18]建立了日光溫室動態(tài)熱性能分析模型，并計算了不同地區(qū)的采用擠塑聚苯乙烯、發(fā)泡聚苯乙烯、巖棉、和玻璃棉4種外墻保溫材料的厚度。對指導(dǎo)不同區(qū)域日光溫室外墻保溫設(shè)計具有重要意義。

2日光溫室整體構(gòu)型的創(chuàng)新

隨著生產(chǎn)發(fā)展需求以及創(chuàng)新的不斷深入，為了提高土地利用率、降低建設(shè)成本、提高蓄熱性能以及優(yōu)化采光，日光溫室整體結(jié)構(gòu)向“高、大、上”的方向發(fā)展。同時也出現(xiàn)了許多新構(gòu)型的日光溫室，如組裝式（或裝配式）日光溫室、傾轉(zhuǎn)屋面型日光溫室、滑蓋式日光溫室、大跨度非對稱水控釀熱保溫日光溫室等，對促進日光溫室工程進步以及整體產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

2.1組裝式（或裝配式）日光溫室

組裝式日光溫室主體結(jié)構(gòu)可以分為承載結(jié)構(gòu)、透光覆蓋結(jié)構(gòu)、保溫結(jié)構(gòu)、蓄熱結(jié)構(gòu)。不同于傳統(tǒng)日光溫室之處在于，采用鋼架立柱作為承重結(jié)構(gòu)，覆蓋棉被、保溫板、草簾、棚膜等或填充保溫蓄熱塊材等材料進行墻體保溫，以此代替?zhèn)鹘y(tǒng)磚墻或土墻[19]。組裝式日光溫室安裝便捷、施工周期短、建設(shè)成本低，但是由于組裝式日光溫室一般缺少足夠的蓄熱，室內(nèi)夜間溫度下降快，致使生產(chǎn)性能下降[20-22]。因此，提升熱環(huán)境性能成為該溫室類型的研究熱點。

2.1.1組裝式日光溫室的蓄熱增溫裝置組裝式日光溫室的墻體蓄熱能力不足，為了安全越冬生產(chǎn)，需要增加主被動蓄熱增溫裝置，如太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)或空氣—地中熱交換系統(tǒng)[23]、內(nèi)保溫和外保溫太陽能雙效增溫系統(tǒng)等[24]、與溫室骨架一體的主動蓄放熱系統(tǒng)[25]、砌筑磚蓄熱墻體和填充沙土墻體[26]等。在足夠的保溫與蓄熱性能下，組裝式日光溫室與傳統(tǒng)日光溫室無明顯差異[27]。因此，研發(fā)經(jīng)濟高效的蓄熱增溫裝置是促進組裝式日光溫室快速推廣的重要方面。

2.1.2秸稈塊組裝式日光溫室增加墻體保溫隔熱可以減少墻體貫流散熱，提升室內(nèi)溫度。農(nóng)作物秸稈來源豐富，具有良好的保溫隔熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)為0.03～ 0.13 W/（m·K）[21，28]，配合打捆機可以將秸稈成捆應(yīng)用于墻體砌筑，對增加溫室保溫性能、降低造價具有重要意義。武國峰等[29]報道，厚度為0.6 m的秸稈塊墻體的熱阻是平均厚度4.0 m土墻體熱阻的2.54倍。但是秸稈塊存在易吸濕腐爛的缺點，因此秸稈塊材在組裝式日光溫室使用上必須進行防潮處理，以保證足夠的熱阻。秸稈塊替代土壤、紅磚等常規(guī)建材構(gòu)建日光溫室保溫墻體具有可行性，有利于節(jié)約土地資源和實現(xiàn)秸稈綜合利用，是實現(xiàn)組裝式日光溫室就地取材和生態(tài)方式砌筑的重要措施。

2.2創(chuàng)新的日光溫室類型

2.2.1傾轉(zhuǎn)屋面型日光溫室適當(dāng)增大傾角有利于增加室內(nèi)采光積累和作物生長[30-31]。為了實現(xiàn)了日光溫室對太陽能的高效利用，張勇等[32-34]提出了一種適用于高性能采光的傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室，與普通固定屋面溫室相比可變采光傾角溫室內(nèi)的平均光照度和平均溫度均明顯提高，典型晴天條件下，平均光照度提高了29%，平均溫度提高了4.3℃。

2.2.2滑蓋式日光溫室孫周平等[35]報道了彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室（滑蓋式日光溫室），集成了大型連體溫室溫光分布均勻和傳統(tǒng)日光溫室蓄熱保溫好的優(yōu)點，提高了太陽能的利用效率。其基本結(jié)構(gòu)為：骨架為半圓弧形鋼結(jié)構(gòu)，采用巖棉彩鋼板滑動保溫覆蓋形式和可移動保溫山墻，采用水循環(huán)系統(tǒng)和空氣—地中熱交換系統(tǒng)進行蓄熱。該類型溫室栽培空間大、采光好、升溫快，室內(nèi)橫向和縱向光照和溫度分布均勻，為中國日光溫室創(chuàng)新建構(gòu)和現(xiàn)代化提供了新方向。

2.2.3大跨度非對稱水控釀熱保溫日光溫室大跨度非對稱水控釀熱保溫節(jié)能日光溫室利用了南部采光、北部蓄熱，配套地下防寒隔熱等措施，提高了溫室保溫蓄熱性能。同時利用釀熱槽，采用補水的方式控制釀熱物發(fā)酵放熱，實現(xiàn)了對溫室按需補熱的功能。大跨度日光溫室的夜間平均溫度能滿足冬季作物的要求，比磚墻溫室建造成本降低了39.6%，土地利用率提高了30%以上[36-37]。

3日光溫室保溫蓄熱工程技術(shù)與裝置的創(chuàng)新

3.1內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)提高溫室越冬

內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)是指在日光溫室內(nèi)部增加的保溫裝置，內(nèi)保溫一般為開閉式的，以降低對采光的影響。一般選用輕質(zhì)的保溫被或棚膜等配合拉幕或卷膜系統(tǒng)，實現(xiàn)保溫被白天收起、夜間展開。張京社等[38]試驗表明，內(nèi)膜保溫可使室內(nèi)氣溫提高2～3℃。高艷明等[39]試驗表明，內(nèi)置保溫被可提高空氣溫度2.48℃、提高土壤溫度2.03℃。內(nèi)保溫系統(tǒng)可降低栽培空間熱量通過前屋面的流失，提升日光溫室越冬生產(chǎn)性能，適合在高緯度寒冷地區(qū)或保溫性差的溫室上使用。

3.2日光溫室主被動蓄熱工程

日光溫室墻體通過接受太陽輻射進行熱量蓄積，夜晚通過墻體內(nèi)導(dǎo)熱過程以及墻體表面與室內(nèi)空氣的對流換熱過程不斷向室內(nèi)釋放熱量。組裝式和磚墻日光溫室受墻體材料熱特性的影響，北墻的蓄熱能力有限，在高緯度地區(qū)的冬季室內(nèi)夜溫往往較低，影響作物的高效生產(chǎn)。針對該問題，眾多學(xué)者在溫室墻體蓄熱保溫性能提升、工程集熱等方面進行了不懈的探索。

3.2.1主動增溫或蓄放熱系統(tǒng)生產(chǎn)中常用的日光溫室主動增溫裝置有燃煤鍋爐、燃油熱風(fēng)爐、水暖加溫、太陽能熱水加溫、空氣源熱泵等，這些加溫方式運行成本較高。為了降低運行成本，實現(xiàn)節(jié)能與良好熱環(huán)境的協(xié)調(diào)，許多學(xué)者做了創(chuàng)新研究。白義奎等[40]建立了日光溫室燃池—地中熱交換系統(tǒng)。徐剛毅等[41]采用配套了土壤溫度自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的新型電鍋爐供暖方式對土壤進行加溫，大大降低了系統(tǒng)耗電量。丁小明等[42]測試分析了“秸稈塊燃料+毛細管換熱器”低溫供暖系統(tǒng)，比相同類型溫室空氣和土壤溫度均顯著提高。于威等[43]采用日光溫室地中熱水管加溫，可以顯著提高土壤、空氣溫度的方法。王強等[44]采用空氣源熱泵配合管道通風(fēng)的方式對日光溫室進行加溫處理，以提高溫室溫度。主動加熱能源消耗大，不利于節(jié)能減排。通過主動蓄放熱措施解決日光溫室蓄熱的不足是現(xiàn)階段的研究熱點。日光溫室內(nèi)的土壤和墻體是其主要的蓄熱結(jié)構(gòu)，二者有效蓄熱層一般為10～25 cm內(nèi)，為了有效利用內(nèi)部結(jié)構(gòu)蓄熱，進而改善日光溫室冬季夜間溫度低的問題，戴巧利等[45]試驗研究了一套太陽能溫室增溫系統(tǒng)，白天利用太陽能空氣集熱器加熱空氣，由風(fēng)機把熱空氣抽入地下，將熱量傳給土壤儲存，夜間熱量緩慢上升至地表，實現(xiàn)增溫。張勇等[46]采用同樣的原理將熱空氣循環(huán)至后墻中，增加墻體蓄熱。關(guān)于墻體主動蓄熱研究與創(chuàng)新的報道很多。墻體主動蓄熱技術(shù)可以顯著提升后墻蓄熱量，采用墻體主動蓄熱技術(shù)的溫室較普通結(jié)構(gòu)日光溫室熱環(huán)境優(yōu)良，保溫效果顯著[47-48]。其基本原理和方法是采用風(fēng)機將溫室白天得到的熱量儲存到后墻墻體中，通過墻體的輻射或者有風(fēng)機驅(qū)動實現(xiàn)夜間放熱[49]。任曉萌等[50]、趙淑梅等[51]設(shè)計并測試了空氣對流循環(huán)蓄熱墻體，該系統(tǒng)可有效調(diào)動墻體深處材料參與蓄熱放熱過程，顯著增加墻體的總蓄熱放熱面積。鮑恩財?shù)萚52-53]設(shè)計了傳統(tǒng)主動蓄熱墻體、回填裝配式主動蓄熱墻體、模塊裝配式主動蓄熱墻體等蓄熱墻體類型，并對不同主動蓄熱氣流方式[54]、主動蓄熱墻體運行參數(shù)[55]進行了深入研究。

除增加墻體和土壤的主動蓄熱的措施外，外設(shè)主動蓄熱裝置也可顯著改善日光溫室內(nèi)的熱環(huán)境。楊其長團隊[56-62]設(shè)計了日光溫室主動蓄放熱簾增溫系統(tǒng)，白天利用置于后墻的集放熱板吸收太陽輻射熱，并通過水介質(zhì)將熱量儲存于蓄熱水池中；夜晚通過水循環(huán)將蓄積的熱量釋放到溫室中，提高夜晚室內(nèi)氣溫。該系統(tǒng)結(jié)合加熱基質(zhì)的循環(huán)增溫系統(tǒng)，可以有效提高番茄產(chǎn)量[61]；該系統(tǒng)通過冠層增溫系統(tǒng)釋放熱量，可以明顯提高番茄冠層氣溫，促進番茄提早上市[62]。除此之外，王志偉等[63]創(chuàng)新研發(fā)出了日光溫室表冷器主動蓄放熱系統(tǒng)，李明等[64]日光溫室基于毛細管網(wǎng)的主動式集放熱系統(tǒng)，均可以顯著改善日光溫室內(nèi)的熱環(huán)境。而陳紫光等[65]、陳超等[66]創(chuàng)新性的將多曲面槽式太陽能空氣集熱器外置與日光溫室后墻上，通風(fēng)風(fēng)機驅(qū)動將太陽能加熱后的空氣送入溫室墻體中，來增加墻體蓄熱，同樣可以顯著改善溫室熱環(huán)境。

3.2.2應(yīng)用相變材料增加被動蓄熱日光溫室的被動蓄熱一般是指被動依靠接受太陽輻射或溫度傳導(dǎo)實現(xiàn)土壤或墻體結(jié)構(gòu)蓄熱。目前，增加被動蓄熱的研究主要集中于相變材料的應(yīng)用上。相變儲熱是近年來建筑與能源界非常重視的研究熱點，將其應(yīng)用于溫室節(jié)能有重要意義。北京工業(yè)大學(xué)陳超團隊[67-70]發(fā)明了GH-20相變材料，應(yīng)用該相變蓄熱墻體可提高日光溫室冬季夜間溫度環(huán)境，促進蔬菜提前采收上市。王宏麗及其團隊[71-72]先后開發(fā)了硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定形相變材料、磷酸氫二鈉蓄熱體系、月桂酸—肉豆蔻酸—癸酸/膨脹石墨定形相變材料、Na2SO4·10H2O和Na2CO3·10H2O相變材料[73]等，均具有增加日光溫室冬季夜間氣溫的效果。李鵬等[74]將石蠟為主的固—液復(fù)合相變材料噴涂到日光溫室梯形北墻體內(nèi)表面，提高了溫室蓄熱量和室內(nèi)夜間溫度。時盼盼等[75]運用EnergyPlus軟件，從日光溫室墻體動態(tài)傳熱特性角度出發(fā)，確定了日光溫室復(fù)合相變墻體蓄熱層與保溫層的最佳厚度。

從上述內(nèi)容可以看出，日光溫室內(nèi)主被動蓄熱系統(tǒng)可分為空氣循環(huán)蓄熱、水循環(huán)蓄熱、熱泵蓄熱、相變蓄熱、采光優(yōu)化蓄熱等[76]。單一的蓄熱方式蓄熱效率較低或成本較高，多工程措施的協(xié)同應(yīng)用有利于提升總體蓄熱性能。凌浩恕等[70]、管勇等[77]提出“太陽能主動集熱+墻體內(nèi)部蓄熱+相變被動蓄熱”的主被動結(jié)合的日光溫室蓄熱建構(gòu)體系，為日光溫室整體熱環(huán)境優(yōu)化工程提供了新方式。日光溫室有效蓄熱作為保證夜間溫度的最重要措施，節(jié)能性和經(jīng)濟性是限制其在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的2個主要因素。主動蓄放熱系統(tǒng)需要設(shè)施設(shè)備的投入，投入與運行成本決定著其在生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用。而采用相變材料增加被動蓄熱，可以降低設(shè)備投入和運行成本，但目前日光溫室用相變墻體成本非常高，也難以在常規(guī)生產(chǎn)中推廣使用。因此，研究開發(fā)低投入的主被動蓄熱裝置仍是目前重要的研究方向。

3.3其他措施改善日光溫室環(huán)境

在生產(chǎn)實踐中，一些農(nóng)藝措施等方式對日光溫室室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)控也具有重要的作用。如秸稈反應(yīng)堆技術(shù)、堆肥熱利用型日光溫室等。徐全輝等[78]研究表明，內(nèi)置式（覆土20～30 cm）秸稈反應(yīng)堆可以秸稈生物反應(yīng)堆使10 cm地溫提高1.13～1.52℃，20 cm地溫提高1.71～2.01℃，棚內(nèi)溫度平均提高1.5～2.3℃。劉冰[79]報道指出，秸稈反應(yīng)堆技術(shù)的應(yīng)用使室內(nèi)氣溫平均增加了2.01℃。張清梅等[80]研究了內(nèi)置式秸稈生物反應(yīng)堆在不同秸稈使用量條件下，比對照溫室內(nèi)氣溫和地溫分別提高了1.35～1.92℃。

4光伏日光溫室的發(fā)展與存在問題

農(nóng)光互補形式是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新的重要內(nèi)容。北方地區(qū)，種植業(yè)上的農(nóng)光互補一般是指光伏發(fā)電與日光溫室生產(chǎn)的結(jié)合。光伏溫室不僅可為電網(wǎng)提供電力，同時可以帶動設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展[81]。依據(jù)光伏與日光溫室的結(jié)合方式，可以分為相對獨立型和嵌入式等2種形式。（1）相對獨立型。一般布置形式為：光伏板置于日光溫室后墻上部或溫室之間，充分利用空閑土地進行日光溫室生產(chǎn)，如河北懷來光伏日光溫室園區(qū)等。該類型以發(fā)電為主，發(fā)電量遠高于日光溫室生產(chǎn)及設(shè)備用電量。該類型日光溫室要求足夠的溫室后墻寬度和承載力；同時要求更大的溫室間距，以不影響溫室采光。（2）嵌入式。是指光伏板鑲嵌于日光溫室采光屋面上，可以實現(xiàn)對溫室設(shè)備供電，不影響后排日光溫室的采光。該構(gòu)筑方式影響了室內(nèi)采光，可以降低夏天室內(nèi)溫度[82]，但不利于越冬生產(chǎn)溫室內(nèi)熱環(huán)境。張勇等[83]報道，采用47%和58%光伏組件覆蓋率的溫室，其對本身內(nèi)部植物和后排溫室內(nèi)部作物生長均不造成不利影響。祁娟霞等[84]監(jiān)測研究了不同類型的光伏日光溫室，對光伏日光溫室的總體設(shè)計優(yōu)化提供了參考。趙雪等[85]試驗證明2 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)可為面積為500 m2的日光溫室環(huán)境調(diào)控提供電力保證。光伏日光溫室既具有發(fā)電能力，又能進行種植生產(chǎn)，但應(yīng)用局限性很大。外置式光伏日光溫室應(yīng)加強溫室墻體承重、更大的屋面角、提高總體土地利用率、協(xié)調(diào)優(yōu)化溫室與光伏采光等[86]，同時應(yīng)探索更合適的光伏溫室用透光覆蓋材料的探索研究[87]。魏曉明[88]建議優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力與環(huán)境影響，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。筆者認為，對于發(fā)展光伏日光溫室，如果以發(fā)電為主，應(yīng)以相對獨立式的構(gòu)筑方式，而對于單純滿足于生產(chǎn)系統(tǒng)所需，嵌入式的光伏日光溫室有利于園區(qū)日光溫室緊湊布局，增加溫室生產(chǎn)面積。

5討論

土墻日光溫室建設(shè)成本低、保溫性能好，仍是北方地區(qū)的主要類型，建設(shè)的跨度越來越大，土地利用率也顯著提高。其他類型的溫室因建設(shè)成本高或熱環(huán)境不佳等劣勢，限制著大面積的推廣應(yīng)用?？傮w來說，現(xiàn)階段在日光溫室的耕種、采收等方法均能機械化，在溫室管理上也基本實現(xiàn)了自動化或半自動化。但隨著社會對高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品需求的增加，對溫室環(huán)境調(diào)控能力的要求也越來越高，因而會促使溫室工程朝著更高效化、精準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化、輕簡化等方向發(fā)展。依據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求與工業(yè)化水平，筆者認為日光溫室工程技術(shù)的發(fā)展趨勢有以下幾個方面。

5.1日光溫室建構(gòu)向標(biāo)準(zhǔn)化、輕簡化方向發(fā)展

現(xiàn)階段日光溫室工程距離標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化還有很大差距。其主要原因在于日光溫室作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑，其結(jié)構(gòu)簡單、承載要求小、建筑技術(shù)較低。不同結(jié)構(gòu)溫室區(qū)域普適性高，致使人們對標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的認識性降低。但日光溫室的標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)，對促進整體發(fā)展有重要意義。有利于整體區(qū)域的信息化技術(shù)服務(wù)，即環(huán)境預(yù)警、宏觀指導(dǎo)等；有利于農(nóng)業(yè)保險類在溫室工程與生產(chǎn)上的普及。在實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的前提下實現(xiàn)輕簡化。從工程角度來講，即在保證足夠要求的前提下，實現(xiàn)快速建造、降低施工難度和成本，如組裝式、模塊化建構(gòu)技術(shù)等。

5.2日光溫室設(shè)施與裝備向高效節(jié)能化方向發(fā)展

保溫蓄熱仍是日光溫室工程的重中之重，保溫蓄熱性能決定著日光溫室的節(jié)能性，而經(jīng)濟性與高效性是決定日光溫室推廣的2個因素，因此需要協(xié)調(diào)成本與保溫蓄熱之間的關(guān)系。選擇如接秸稈塊、草磚、多層保溫被、保溫板等輕簡易構(gòu)筑的材料，可以顯著降低建造成本。對于組裝式日光溫室，在實現(xiàn)最大保溫的前提下協(xié)調(diào)設(shè)計蓄熱結(jié)構(gòu)，來提升溫室熱環(huán)境性能。另外，以水循環(huán)蓄熱等的低成本主動蓄熱設(shè)備與系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用推廣，仍是今后重要的發(fā)展方向。

5.3日光溫室環(huán)境調(diào)控和管理向精準(zhǔn)化和智慧化方向發(fā)展

智慧化的管理不僅可以減少在棚室和栽培管理上的投入，而且提高溫室生產(chǎn)品控能力。智慧化管理的基礎(chǔ)在于對日光溫室環(huán)境變化規(guī)律、室內(nèi)作物資源需求規(guī)律和環(huán)境調(diào)控裝備的調(diào)控能力的了解。首先，繼續(xù)深入進行對日光溫室的空氣環(huán)境要素與溫室結(jié)構(gòu)、外界環(huán)境條件、調(diào)控設(shè)備、種植管理之間關(guān)系的了解，及其之間相互關(guān)系。這需要積累大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)建立精準(zhǔn)模型，以保證不同地域、不同類型、不同種植管理下的模型的適用性，這是日光溫室向智慧化發(fā)展的基礎(chǔ)，對促進日光溫室整體水平提升具有重要作用。其次，深入開展配套裝備與智慧管理系統(tǒng)的開發(fā)。如遠程終端設(shè)備、預(yù)警與風(fēng)險提示、設(shè)備故障與自動安全控制等。

6總結(jié)

日光溫室作為獨具中國特色的設(shè)施類型，對中國設(shè)施園藝發(fā)展起著舉足輕重的作用。中國日光溫室的發(fā)展必將經(jīng)過“出現(xiàn)—增長—快速發(fā)展—飽和”的過程，在面積逐漸飽和的現(xiàn)階段，提升裝備水平和生產(chǎn)性能是日光溫室工程發(fā)展的重要方向。目前，隨著工程技術(shù)的發(fā)展與相關(guān)建設(shè)優(yōu)化理論等的逐步完善，研究熱點已從日光溫室的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化轉(zhuǎn)換到主被動環(huán)境調(diào)控技術(shù)與裝備研發(fā)、智慧管理技術(shù)等方向?，F(xiàn)階段是日光溫室工程技術(shù)發(fā)展的“拐點”，日光溫室所創(chuàng)造的環(huán)境會越來越優(yōu)化與可控，更好地服務(wù)于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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