山西省日光温室结构问题的调查研究

（山西省农业科 学院现代农业研究中心，山西太原 030031）

日光温室是最具中国特色的设施农业形式，通过建设一定的围护结构充分利用太阳能，为植物生产提供相对适宜的温度条件，降低了环境条件对农业生产的限制。日光温室结构包括采光屋面、后屋面、墙体、栽培面等4个重要部分，科学合理的采光屋面和保温蓄热构造是节能日光温室应具备的最基本条件（谭海林 等，2008）。

采光屋面是日光温室截获太阳能的主要结构，采光屋面的角度与采光效果及承载力的关系等已有许多研究，其形状与结构决定着室内接受的太阳辐射量与室内阳光的分布情况（侯丽薇和卢锷，1999；张峰 等，2008；李清明 等，2011；李霞 等，2011；王朝栋 等，2011）。日光温室墙体具保温、储热的双重功能，后墙的厚度和材料直接影响日光温室的保温性能，也决定了日光温室的投资与土地利用情况（王军伟 等，2012）。目前，已有许多关于墙体的传热与构造关系方面的研究（王宏丽 等，2008；马承伟 等，2008；佟国红和Christopher，2009；韩云全 等，2012），也有比较成熟的分析与设计方法。栽培面对调整室内温度等环境状况起着重要的作用，下挖对温室通风产生不利影响，但可明显改善温室的保温性能（于军辉 等，2011）。日光温室结构影响着室内的环境状况，优化结构对于改善温室性能具有重要作用。

2011年上半年山西省蔬菜种植面积达24.4 万hm2，其中设施蔬菜面积达11.6 万hm2。温室蔬菜产业在设施蔬菜产业中占有很大比例，对农业经济的发展具有至关重要的作用。但日光温室蔬菜生产过程中普遍存在病害严重、蔬菜生产受低温或高温限制等问题，导致了生产成本增加、效益不高，进而影响种植者的积极性。一般来说，日光温室结构不合理会导致室内环境不佳，将严重影响温室蔬菜的生产。因此，寻找山西省适合不同区域的日光温室构型，也就成为山西省日光温室蔬菜产业发展亟需解决的主要问题。笔者于2011年12月～2012年1月对山西省11个不同县区的日光温室结构进行了调查，目的是为了发现已建日光温室构型存在的问题，进一步指导山西省日光温室构型优化和推进日光温室规范化建设方案的制定。

1 调查设计

2011年12月～2012年1月进行调查。调查地点：阳高县、朔州市朔城区、忻州市忻府区、临县、晋中市榆次区、阳泉市郊区、高平市、长子县、洪洞县、新绛县、运城市盐湖区等11个县（市或区）的主要日光温室蔬菜生产片区。选择有代表型的日光温室类型，包括73155（5 座）、84455（6 座）、寿光四代（9 座）、寿光五代（7 座）、复合 砖墙日光温室（6 座）等，共3 3 座；主要调查日光温室的采光屋面结构、墙体构造、下挖深度等3个基本结构的构型与参数。

2 调查结果

2.1 日光温室采光屋面的设计与评价

日光温室采光屋面作为热量来源与散失的主要途径，对日光温室的温度状况有极其重要的作用。关于日光温室采光屋面构造方面的研究已有很多（轩维艳，2007；王朝栋 等，2011），但就山西省日光温室建设现状来说，前屋面的设计与施工上缺少必要的规范。全省日光温室采光屋面结构主要为2种：一种是由钢拱架+竹竿组成的琴弦式结构，屋面多为立坡式，钢拱架间距为3.0 m，钢拱架间布置竹竿，竹竿间距一般为50～60 cm，用钢丝横向连接。该类型屋面投资较低，但拱架遮阴较多、承载力较低，室内一般需布置立柱支撑，竹竿一般4～6 a 更换1次，维护费用较高。另一种是拱圆形钢拱架，多为抛物线形的拱圆形屋面，拱架间距一般为1.0～1.2 m，屋面承载能力强，室内无须立柱支撑，便于机械操作，使用年限10～15 a，但一次性投资较大，山西省新建日光温室采光屋面多为钢拱架结构。

采光性能是评价采光屋面优劣的重要因素，采光屋面优化的目的也是为了增加温室的采光性能。对全省不同地区日光温室内光照情况进行测定（图1），可以看出两种屋面的室内北侧透光率均相对偏弱，拱圆形屋面透光率由南向北逐渐减弱，而立坡式屋面透光率变化较小。对比两种屋面的透光率可以看出，在温室内的中北部，立坡式屋面透光率均优于拱圆形，除去棚膜质量与管理上的差异外，原因在于立坡式屋面顶角角度一般大于拱圆形屋面。因此，拱圆形屋面的设计应根据温室建设的地理位置适当增加顶角角度，以利于温室内中北部的采光。另外，在满足荷载要求的前提下，建议根据拱架材料适当调整拱架间距（1.00～1.25 m），以减少拱架遮光。

2.2 日光温室栽培面下挖深度的现状与合理性分析

日光温室栽培面适当下挖可在很大程度上阻断后墙、山墙的传热，使蓄热系数和保温比增加，缝隙放热和土壤横向传热的热量损耗减少（刘桂芝 等，2004）。李清明等（2011）研究表明，日光温室下挖深度在0～1.0 m时，下挖越深温室气温和地温增温效果越显著、保温效果越好；下挖深度达1.5 m时增温效果则显著下降，最低地温偏离度增大，且下挖越深温室内光照度越低、相对湿度越大。因此，要充分利用下挖设计来提高温室性能，但需要避免下挖过深对日光温室环境带来的负面效应。

图1 山西省日光温室内光照情况

一般情况下，在温室内总阴影率不大于30%的条件下，可兼顾其采光与蓄热保温性能（李霞 等，2011）。温室自身骨架材料和覆盖材料等在室内产生的阴影率约为15%，所以下挖产生的遮阴率不宜超过15%（张峰 等，2008）。为了最大程度地为温室作物生长提供最佳温光条件，一般以太阳高度角最小、光照最弱的冬至日为计算日，依据合理采光时段理论（张真和和李建伟，1996），日光温室的合理采光时段应保持在午间4 h以上，一般选在10：00～14：00。山西省日光温室建设中，日光温室朝向一般为南偏西3°～5°，即温室方位角为-5°；因此，10：00时产生的阴影面积最大，笔者选择该时间点作为考虑的限制条件，基于以上条件，根据李霞等（2011）的方法，计算得到全省不同地区代表型日光温室下挖深度的理论最大值（表1）。

根据计算结果与实际调查现状相比，可以看出阳高县、高平市、新绛县、朔城区、盐湖区的代表型日光温室下挖深度过大，对室内地面的采光面积有一定影响。

除了考虑对遮光的影响，下挖深度的确定还需要考虑土壤质地、地形与建造成本等因素，尤其是地下水埋深深度。参照《地下水月报，2011》数据，全省6 处盆地（重要的蔬菜产区）2011年的地下水埋深深度情况见表2。对比下挖深度理论最大值与地下水位情况，可以看出下挖深度理论最大值均在平均地下水位之上，但是盐湖区与新绛县（属运城盆地）、洪洞县（属临汾盆地）、榆次区（属太原盆地）的下挖深度理论最大值均在月最小值的范围内，即在某些月份里下挖深度理论最大值在地下水位最小值以下，日光温室栽培面以及墙体的安全性会受到地下水的影响。所以，下挖温室的建设一定要避开地下水位较浅的区域，以保证日光温室的安全性。

表1 山西省代表型日光温室下挖深度的现状及理论最大值

2.3 日光温室墙体厚度的现状与合理性评估

机筑土墙类型日光温室是山西省普遍存在的温室类型，其数量可占到日光温室总量的70%以上。据调查，该种类型日光温室土墙基部厚度一般在4.0～5.0 m，部分地区还存在8.0 m 厚的土墙。砖墙型日光温室一般为复合墙体构造，全省最常见的有3种复合墙体类型（表3）。

表2 山西省不同盆地海拔高度及地下水埋深深度（2011年）

表3 山西省代表型日光温室墙体结构的建设厚度及计算厚度

表4 不同地区温室室外设计温度及低限热阻值

日光温室墙体厚度的确定是在满足承载能力的前提下，达到设计要求的保温蓄热能力。《民用建筑热工设计规范》（GB50176-93）中针对不同类型的建筑，从节能的角度提出了围护结构的低限热阻的要求，R设计≥R0（R设计，热阻设计值；R0，低限热阻值），调查地点的温室外设计温度及所要求的低限热阻R0值见表4。依据该方法，计算不同地区日光温室墙体厚度（表3）。单从传热的角度来看，山西省机筑土墙厚度在1.2～1.4 m 之间；而复合墙体的总体厚度也超出了计算值，长子县所需聚苯板的厚度仅为2.4 cm；阳高县、洪洞县的复合墙体聚苯板厚度最小值为3.43、2.83 cm；高平市的复合墙体，则可将炉渣厚度降低为18.76 cm，或调整为24 砖墙+23.41 cm 炉渣+24 砖墙的构造。从以上结果可以看出，单从传热角度分析，山西省不同地区代表型日光温室的墙体厚度均高于规范要求的最小值，尤其是机筑土墙体。

墙体不仅要达到保温要求，还要满足足够的承载能力。复合墙体构造为保温结构+承重结构，在满足承载力与保温性能的前提下，可通过降低承重结构或保温结构的厚度来降低墙体总厚度。而机筑土墙则为直接承重，其承载能力决定于土质、土壤物理性质以及压实程度等多方面因素，因此，土墙厚度的合理设计还需要进行土质与承载能力方面的研究与分析。

3 日光温室规范化建设的意义与建议

日光温室的规范化建设具有重要的意义。从经济角度上说，区域建设标准的制定与实施有利于建设单位或个人的合理选型，可以避免盲目增加结构强度带来的资金投入，减少使用过程中的维护费用。结构的合理性也有利于温室内环境条件的优化，进而减少温室内环境不佳带来的作物病害的防治费用。从生态角度来讲，可以减少结构不合理对土地资源的浪费。从社会角度讲，可以促进蔬菜产业的发展、增加农民收入。日光温室的标准化建设，保障了日光温室的应用性能的充分发挥，避免了日光温室在安全性、管理上的问题对经营者的 不利影响，有利于设施蔬菜产业的发展。

日光温室作为冬季蔬菜生产的农业设施，其保温性能是建设过程中首先要考虑的因素，为了满足寒冷季节的蔬菜生产，温室内白天温度需要维持在10℃以上，夜间温度则要保持在5℃以上。不同地区的温度特征不同，要求日光温室的保温性能也应不同，温室的建设要依据各地的气候特征，才能保证温室在寒冷期的充分利用和蔬菜生产效益的最大化。

前屋面、墙体和栽培面是日光温室最重要的结构部分，各结构部分的参数相互影响，共同决定着温室的性能，因此在日光温室建设中应协调好各结构部分的功能。单独来说，采光屋面角要协调好其采光与夜间散热的关系；墙体要充分发挥其蓄热保温性能；而栽培面部分，要考虑下挖深度对作物生长的影响，同时尽量发挥下挖带来的升温效应。总之，气温低的区域应增加温室墙体的蓄热保温性、适当增加下挖深度（在合理范围内），以提高温室的蓄热性能；同时增大前屋面的角度，提高温室太阳光的有效截获。

日光温室的保温能力主要决定于不同结构的组合，而结构也决定了投资、土地利用、使用年限、安全性等方面。因此，依据区域气候特征设计日光温室类型，并且需要提高土地利用率、延长使用年限、增强安全性、节约投资等方面优化日光温室结构，最终制定建设标准。日光温室标准化建设内容的另一重要方面就是严格把控施工过程与材料选择，应该选择有资质的施工单位，严格依照设计标准施工，这样才能真正的实现标准化建设。

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