甘肅日光溫室的特色及改進建議

李 艷 周長吉富建魯

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100125）

甘肅日光溫室是全國日光溫室的一個縮影，基本代表了當前國內(nèi)日光溫室的發(fā)展潮流和特征。本文通過調(diào)研，梳理總結(jié)了甘肅日光溫室的墻體和骨架結(jié)構(gòu)特點，并針對溫室建設(shè)重后墻而輕保溫被、骨架銹蝕普遍、溫室保溫構(gòu)造和通風系統(tǒng)不完善等問題提出了改進措施和建議。

甘肅省地域狹長，氣候和土壤多樣。為適應當?shù)貧夂蚝屯寥捞攸c，甘肅各地堅持就地取材、因地制宜的原則，設(shè)計建造了很多富有地方特色的日光溫室。2020 年11 月26——29 日，筆者隨中國農(nóng)業(yè)工程學會設(shè)施園藝工程專業(yè)委員會專家團，赴甘肅省對平?jīng)鍪小足y市、武威市、張掖市、酒泉市的日光溫室建設(shè)和生產(chǎn)情況進行了調(diào)研。本次調(diào)研走訪了9 個日光溫室規(guī)模生產(chǎn)園區(qū)，見證了地域穿越黃土高原和沙漠戈壁、氣候橫跨溫帶到寒帶（年日照時數(shù)從2 000 h 到3 600 h，年降雨量從80 mm 到480 mm，采暖期平均溫度從-1.7 ℃到-4.4 ℃）的日光溫室建設(shè)的特征與變遷。甘肅日光溫室是全國日光溫室的一個縮影，基本代表了當前國內(nèi)日光溫室的發(fā)展潮流和特征。筆者根據(jù)本次調(diào)研總結(jié)了甘肅省日光溫室的結(jié)構(gòu)特征，并提出日光溫室建設(shè)中一些共性的問題和特殊的需要，以供業(yè)內(nèi)同仁共同研究和探討。

1 甘肅日光溫室現(xiàn)狀及特點

1.1 日光溫室墻體

甘肅各地的日光溫室通常是根據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)條件，因地制宜地采用當?shù)夭牧辖ㄔ烊展鉁厥覊w，主要墻體種類包括干打壘土墻、機打沙土墻、沙袋墻、混凝土槽磚墻、“磚包土”墻、漿砌石墻和護網(wǎng)擋板戈壁石墻等。

①干打壘土墻。平?jīng)鍪泻桶足y市地處黃土高原，土壤黏性較好，日光溫室墻體采用傳統(tǒng)的干打壘土墻（圖1），墻厚約2 m，墻體強度高、建造土方量小、建造成本低（每667 m27 萬～8 萬元）、保溫儲熱性好。針對這種墻體結(jié)構(gòu)，當?shù)剡€發(fā)明了干打壘土墻的機械施工方法，從而大大提高了溫室墻體建設(shè)的效率。

② 機打沙土墻。武威市古浪縣地處騰格里沙漠的邊緣，土質(zhì)為沙漠土，沙粒柔細、無粘性，不適合采用干打壘和機壓土墻，為此當?shù)販厥医ㄔO(shè)者創(chuàng)新發(fā)明了機打沙土墻：將表層沙土剝離，挖出深層黏土，再與表層沙土按比例拌和，形成一定黏性的混合土，再用山東壽光機打土墻的方法壘筑墻體，墻底厚4 m，墻頂厚1 m（圖2）。由于土墻加厚，溫室的保溫性能也相應增強，但施工取土的工程量較大，造價也相應提高，每667 m2造價約在10 萬元。

③沙袋墻。張掖市高臺縣地處荒漠戈壁，土質(zhì)為沙粒土，溫室建設(shè)者創(chuàng)新使用了沙袋墻體，其做法是將沙土盛裝在塑料編織袋中，采用類似“碼垛”的方式，逐層錯縫堆砌成墻體，碼垛成型后再在墻垛表面涂抹草泥漿或張掛無紡布，從而對沙土袋進行表面防護，并形成溫室的圍護墻體。墻體沙袋部分厚1.5 m，沙袋外堆沙土，沙土底部厚1.5 m，頂部厚0.7 m（圖3）。這種墻體結(jié)構(gòu)由于裝袋、“碼墻”以及墻后培土、表面防護需要的人力和材料成本較高，溫室的造價在15 萬～16 萬元·（667 m2）-1，但墻體保溫性能好，基本可以實現(xiàn)當?shù)毓税踩蕉a(chǎn)。

④ 混凝土槽磚墻和磚墻夾沙石墻（“磚包土”墻）。在甘肅張掖和酒泉地區(qū)，由于黏土少、戈壁沙石多，且顆粒大小不一，溫室建設(shè)者發(fā)明了用鋼筋混凝土板槽盛裝沙石和磚墻夾沙石（“磚包土”）的墻體筑造方法。鋼筋混凝土板槽磚墻的做法：事先預制1 面（上底面）開口、其他5 面封閉的開口鋼筋混凝土板槽（簡稱“混凝土槽磚”）?；炷敛鄞u通常長1.0 m，高0.5 m，寬與墻體厚度一致（一般為1.0～1.2 m）。施工時，將混凝土槽磚像砌筑黏土磚墻一樣錯縫砌筑，每砌筑一層混凝土槽磚，即刻向槽磚內(nèi)腔中灌注戈壁沙石，墻頂最后一層砌筑完成后，在槽磚頂面做水泥抹面或在其上澆筑鋼筋混凝土圈梁封口，并預埋埋件做好與屋面拱架連接的準備（圖4）。這種墻體結(jié)構(gòu)由于預制鋼筋混凝土板槽的成本較高，而且施工必須使用吊車作業(yè)，增加了溫室的建設(shè)成本，一般造價在20 萬元·（667 m2）-1以上，而且由于鋼筋混凝土槽及內(nèi)部填充沙石的導熱性能比黏土強，所以與同厚度的土墻溫室相比，其保溫性能略差。

磚墻夾沙石墻實際上就是“磚包土”的復合墻體（圖5），即在兩側(cè)圍護磚墻內(nèi)填筑戈壁沙石。由于沙石的側(cè)壓力較大，為減少兩側(cè)磚墻的厚度（一般磚墻按240 mm 厚砌筑），在磚墻內(nèi)設(shè)置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱或承力柱，并在相鄰立柱之間設(shè)置水平拉梁（包括墻體表面和縱深兩個方向），使所有立柱形成框架承力體系。這種墻體由于需要現(xiàn)澆墻內(nèi)鋼筋混凝土立柱及連系梁，砌筑磚墻也費時費力，所以施工速度慢，建設(shè)成本同樣較高，一般在20 萬元·（667 m2）-1左右。其保溫性能與墻體厚度有關(guān)，同等厚度條件下，其保溫性能一般比上述混凝土槽磚墻體好。

⑤ 漿砌石墻和護網(wǎng)擋板戈壁石墻。酒泉市地處河灘戈壁，卵石多、沙粒大，針對這個特點，溫室建設(shè)者設(shè)計了兩種墻體。一種為漿砌石墻，即用水泥砂漿砌筑卵石作為溫室承重墻體，石墻厚1.2 m，石墻外堆卵石，卵石堆底寬3.0 m，頂寬1.5 m（圖6）。這種墻體結(jié)構(gòu)強度高、保溫性好，但施工勞動強度大、建設(shè)效率低，建設(shè)成本也相應較高，多在25 萬元·（667 m2）-1左右。另一種是護網(wǎng)擋板戈壁石墻，包括雙側(cè)擋板的“三明治”石墻和單側(cè)擋板的“堆石擋板”石墻（圖7）。所謂“三明治”石墻就是在雙層護網(wǎng)擋板墻中間填充戈壁石形成的三層結(jié)構(gòu)墻體，類似“磚包土”墻的做法，只是將磚墻換成了護網(wǎng)擋板，墻體厚度多在1.5 m?！岸咽瘬醢濉笔瘔κ窃趬w的內(nèi)側(cè)設(shè)保護擋板，外側(cè)堆砌戈壁石而形成的墻體，結(jié)構(gòu)類似漿砌石墻，用護網(wǎng)擋板替代了漿砌石墻，墻體底寬約3.0 m，頂寬約1.5 m，大大減小了墻體建設(shè)用地，加快了墻體的建設(shè)速度。與“三明治”石墻相比，“堆石擋板”石墻節(jié)省了一面護板，從而也節(jié)省了溫室建設(shè)造價，一般建設(shè)成本在20 萬元·（667 m2）-1以內(nèi)。從節(jié)約成本、提高溫室保溫性能和增加溫室美觀性方面考慮，可將上述兩種墻體結(jié)合在一棟溫室中，溫室山墻建造采用“三明治”石墻，溫室后墻建造采用“堆石擋板”石墻。

護網(wǎng)擋板石墻的結(jié)構(gòu)是鋼骨架立柱及縱向系桿構(gòu)成的1.5 m × 1.5 m 橢圓管方格網(wǎng)，其內(nèi)側(cè)再焊接0.2 m × 0.2 m 鋼筋方格網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)內(nèi)貼10 mm ×10 mm 鋼絲網(wǎng)并固定無紡布，防止戈壁沙石灑漏。對于“三明治”石墻，兩側(cè)擋板墻立柱之間要設(shè)置拉桿，以保證擋板柱能夠承擔內(nèi)部填充石料的側(cè)壓力；對于單側(cè)擋板墻，提高擋板柱對外側(cè)石料側(cè)壓力承壓能力的方法一般是在外側(cè)拉斜桿，并將其錨固到地基。溫室的保溫性能主要取決于墻體的厚度，“堆石擋板”石墻溫室由于后墻為下大上小的結(jié)構(gòu)，最薄處厚度在1.5 m 左右，所以其保溫性能要優(yōu)于雙側(cè)護板墻體厚度一致的“三明治”石墻，而“三明治”石墻由于厚度與內(nèi)填沙石的混凝土槽磚墻基本相同，所以二者保溫性能也相差無幾，但要比同厚度的磚墻夾沙石的“磚包土”墻溫室的保溫性能略差。

本次調(diào)研的9 個規(guī)模園區(qū)合計日光溫室29 538棟（不包括保溫被圍護裝配結(jié)構(gòu)墻溫室），其中干打壘土墻溫室1 855 棟，占比為6.28%；機打土墻溫室24 057棟，占比為81.44%；沙袋墻溫室136棟，占比為0.40%；漿砌石墻及戈壁沙石填充墻（包括混凝土槽磚墻、“磚包土”墻和護網(wǎng)擋板石墻）溫室2 790 棟，占比為9.45%（表1）。雖然這些溫室中的97.17%都是被動儲放熱結(jié)構(gòu)的厚重墻體，但也不乏當前國內(nèi)超前研究的組裝式日光溫室，尤其針對河西走廊的沙漠戈壁條件創(chuàng)新性地設(shè)計建造了戈壁沙石材料墻體溫室，為當?shù)厝展鉁厥医ㄔO(shè)開辟了獨特的發(fā)展道路。

表1 甘肅省部分地區(qū)日光溫室調(diào)研基本情況

1.2 日光溫室骨架

長期以來我國日光溫室骨架以琴弦結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)為主流承力結(jié)構(gòu)。近年來，隨著日光溫室結(jié)構(gòu)向輕簡化、組裝式方向發(fā)展，單管結(jié)構(gòu)逐步開始發(fā)展，并有替代琴弦結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)的趨勢（周長吉，2018a，2020a）。橢圓管骨架是近年來推廣面積較大的一種日光溫室輕簡化單管骨架結(jié)構(gòu)類型（周長吉，2020b），其構(gòu)件截面積小，與鋼桁架相比骨架擋光少；室內(nèi)無立柱，便于機械化作業(yè)和種植布局；閉口截面，截面模量大，平面外穩(wěn)定性好，桿件承載能力強，因此各地日光溫室都有應用。本次調(diào)研的日光溫室骨架幾乎均為橢圓管材料，但其所用的結(jié)構(gòu)形式卻各有不同。

傳統(tǒng)的日光溫室結(jié)構(gòu)包括前屋面、后屋面和后墻，其中前屋面和后屋面各自為一個獨立的弧面或坡面，二者通過屋脊連接為一個整體。日光溫室骨架按照承力的范圍可分為屋面承力骨架和一體化承力骨架兩類。

屋面承力骨架只承載前屋面和后屋面的荷載（統(tǒng)稱為屋面荷載），并將屋面荷載傳遞到后墻和骨架基礎(chǔ)。這種結(jié)構(gòu)主要用于后墻為承重墻的溫室結(jié)構(gòu)體系，如干打壘土墻、機打沙土墻、混凝土槽磚墻、“磚包土”墻和漿砌石墻日光溫室（圖1～2、4～6）。

一體化承力骨架是在上述屋面承力骨架的基礎(chǔ)上結(jié)合后墻立柱，形成溫室屋面承力骨架和后墻柱一體化的承力體系，溫室后墻不再參與結(jié)構(gòu)承力。這種結(jié)構(gòu)主要用于后墻非承重的溫室結(jié)構(gòu)體系，如沙袋墻（圖3）、護網(wǎng)擋板石墻（圖7）和裝配結(jié)構(gòu)日光溫室。

在考察中還發(fā)現(xiàn)了一種后屋面為雙折面的溫室（圖8），后屋面與屋脊連接部分保留了傳統(tǒng)后屋面的形式，呈坡面（圖8-a）或弧面（圖8-b），但與后墻相連接的部分則采用了坡面或平面，以便于操作人員在后屋面上行走和作業(yè)。在溫室骨架結(jié)構(gòu)上，雙折面后屋面溫室前屋面、后屋面的上半部分以及溫室立柱形成與上述一體化骨架相同的承力體系，但溫室后屋面連接后墻的部位前部連接在一體化溫室骨架上，而后部則直接支撐在后墻上或后墻立柱上。這種結(jié)構(gòu)主要用于完全組裝結(jié)構(gòu)和機打沙土墻結(jié)構(gòu)的日光溫室。機打沙土墻結(jié)構(gòu)日光溫室的后墻雖具有一定的承載力，但不足以承擔全部屋面荷載，因此其采用了后墻鋼柱和后墻共同承擔屋面荷載的承力方式（圖8-c）。

2 甘肅日光溫室存在的問題

2.1 溫室建設(shè)重后墻而輕保溫被

平?jīng)鍪泻桶足y市干打壘土墻平均厚度為2.0 m，武威市機打沙土墻平均厚度為2.5 m，張掖市沙袋墻平均厚度為2.6 m，酒泉市漿砌石墻體平均厚度為3.7 m、“三明治”石墻平均厚度為2.2 m。酒泉市冬季溫度最低，“三明治”石墻的保溫效果已經(jīng)足夠當?shù)胤训认矞厍压愂卟嗽蕉a(chǎn)。與之相比，武威市機打沙土墻、張掖市沙袋墻和酒泉市漿砌石墻日光溫室的后墻則過厚（大于2.2 m），易造成溫室地面下沉。甘肅河西走廊地區(qū)雖氣候干旱，但仍有暴雨災害，地面下沉的溫室易被淹。張掖市高臺縣曾發(fā)生過溫室被淹1 周的案例，導致前屋面矮墻塌陷，鋼骨架前移（圖9）。

以長度為60 m，跨度分別為10 m 和15 m 的日光溫室建筑參數(shù)計算，二者前屋面散熱面分別是山墻、后墻和后坡面積之和的2.5 倍和1.7 倍，因此前屋面保溫被的保溫性至關(guān)重要。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分日光溫室保溫被仍為傳統(tǒng)的針刺氈保溫被（圖10），并且較薄，不能防濕，一旦下雨雪保溫被吸濕后會顯著降低其保溫性，從而影響溫室的保溫性能。

2.2 溫室骨架銹蝕普遍

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，甘肅省部分新建2 年的日光溫室鋼骨架表面已經(jīng)局部銹蝕，說明部分鋼管鍍鋅層厚度不達標，或者加工安裝過程中熱鍍鋅層表面被破壞。骨架桿件之間的連接方式有焊接和抱箍兩種，其中焊接易破壞熱鍍鋅層，所以焊接處需要做防銹處理。在調(diào)研現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，部分溫室內(nèi)沒有經(jīng)過防銹處理的鋼骨架焊接點已經(jīng)銹蝕，另外，日光溫室前屋面底部和后坡底部的易積水位置骨架銹蝕也比較嚴重。

2.3 溫室保溫構(gòu)造不完善

甘肅省日光溫室保溫構(gòu)造不完善，導致局部冷風滲透或形成“冷橋”，影響溫室的保溫性，主要體現(xiàn)在以下三方面：①干打壘土墻日光溫室墻體在施工過程中受模具長度限制，長度方向有垂直縫隙，需要用柔性材料密封封堵，但調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)部分溫室并沒有進行封堵（圖11-a）；② 沙袋墻日光溫室后坡底與后墻頂連接處也有較大縫隙，封堵不嚴（圖11-b）；③調(diào)研中發(fā)現(xiàn)多個基地均在日光溫室鋼骨架屋脊處焊接豎直鋼管，以防止保溫被及卷軸后翻至后坡滑落，但豎直鋼管穿出后坡面處的縫隙未封堵，而鋼管為中空結(jié)構(gòu)，本身也會形成“冷橋”，出現(xiàn)冷風滲透現(xiàn)象（圖11-c）。

2.4 日光溫室通風系統(tǒng)不完善

大部分日光溫室采光面只有屋脊通風口，而無底部通風口。正午時分，日光溫室內(nèi)光照強度最強，溫度最高，也是作物光合作用最強的時候，如果只有脊部通風口，不設(shè)底部通風口，則不能形成有效熱壓通風，溫室內(nèi)CO2濃度會迅速降低，作物光合作用強度明顯下降從而影響其生長。大部分日光溫室屋脊通風口采用手動卷膜或手動扒縫，通風系統(tǒng)的機械化、自動化水平較低，有的屋脊通風口甚至不設(shè)開窗控制設(shè)備，而是將保溫被壓在通風口上，通過調(diào)整保溫被的卷起位置來調(diào)控屋脊開口大小。與電動卷膜器相比，用保溫被位置調(diào)控通風口大小時，由于控制卷簾機的動力輸出大，易造成保溫被卷軸彎曲，從而使通風口開啟程度大小不一，甚至有的地方完全不能打開，直接影響溫室的通風效果。

3 建議

3.1 繼續(xù)探索適宜戈壁地區(qū)的日光溫室墻體做法

甘肅戈壁灘上因地制宜建造出的沙袋墻、漿砌石墻和戈壁石填充墻（混凝土槽磚墻、“磚包土”墻、護網(wǎng)擋板墻）等新型墻體，冬季保溫效果好，基本可以實現(xiàn)果菜越冬生產(chǎn)。但從保溫要求看，這些墻體厚度都偏大，不僅影響建設(shè)造價，而且也影響建設(shè)速度。應針對各地氣候條件，提出適合各地的墻體厚度，避免墻體過厚而增加非必要施工難度及施工成本。

不斷嘗試日光溫室新型墻體做法，例如機壓大體積土坯墻、整體鋼筋籠內(nèi)填石料墻體和小鋼筋籠石料碼垛墻體等被動儲放熱墻體（周長吉，2018b）。對完全組裝結(jié)構(gòu)日光溫室，為增強溫室的儲放熱能力、保證作物正常生長溫度，建議配套如后墻水箱等主被動儲放熱系統(tǒng)設(shè)備（周長吉，2019），也符合日光溫室輕簡化發(fā)展方向。

3.2 加強溫室標準化設(shè)計和規(guī)范化建設(shè)

針對不同地區(qū)氣候特點和建材供應條件，研究設(shè)計標準化定型溫室及環(huán)境調(diào)控設(shè)備標準化配置方案，尤其要重視溫室構(gòu)件的加工和工程施工過程中的標準化，避免由于加工和施工不規(guī)范而引起溫室出現(xiàn)“冷橋”或不合理構(gòu)造，影響溫室的整體性能。溫室的整體設(shè)計尺寸及溫室整體保溫性能設(shè)計參數(shù)應根據(jù)各地的地理緯度和冬季室外溫度，按照農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 3223——2018《日光溫室設(shè)計規(guī)范》要求進行合理選取。

3.3 提高保溫被性能

戈壁地區(qū)冬季溫度較低，日照較強，應選擇保溫性能好、抗輻射、耐老化的保溫被。建議采用自防水保溫被，其保溫性能與針刺氈保溫被相比有顯著提高，尤其抵抗風雨的能力更強（謝欣，2020）。在冬季比較寒冷的河西地區(qū)也可以采用雙層棉被或內(nèi)保溫溫室的做法。保溫被幅與幅之間的連接盡量采用粘接的方式，避免兩幅保溫被的接縫處漏風或漏雨。探索溫室保溫被自動控制方法和設(shè)備，有效降低勞動強度，實現(xiàn)溫室環(huán)境的精準控制。

3.4 提升日光溫室通風設(shè)施建設(shè)水平

為形成有效的自然通風，日光溫室應增設(shè)底部通風口。頂部和底部通風口均由卷膜電機替代手動扒縫，通過環(huán)境自動控制形成智能通風設(shè)施，不僅可以節(jié)省人工管理成本，并且可以提供更適合作物生長的溫度、濕度及CO2濃度（張明陽，2020）。采用后屋面活動通風窗結(jié)合前部通風可充分利用后屋面的采光，提高溫室內(nèi)光照的均勻度，而且徹底解決了屋脊通風窗兜水的問題。