周博士考察拾零（一百零三）一种适合于高寒多雪气候的双膜单被内保温装配结构日光温室——记哈尔滨鸿盛集团在日光温室上的创新

中国东北大部、新疆北部和内蒙古的东北部地区都属于冬季高寒多雪气候地区，冬季天寒地冻、白雪皑皑，不仅室外温度低，而且降雪频繁、降雪量大。在这些地区建设日光温室，除了要考虑传统的保温蓄热外，温室屋面的除雪也是设计中需要重点考虑的一项内容。

2019年5月中旬，哈尔滨鸿盛集团（以下简称“鸿盛集团”）总设计师林国海教授来笔者办公室详细介绍了他们团队开发的一种新型结构日光温室，笔者在提炼其创新要点后觉得这种温室是一种适合高寒多雪地区的日光温室结构形式。为全面了解这种温室的配置及其性能，2019年5月25～27日，笔者专程赴哈尔滨进行了实地考察，2019年6月8～9日，利用赴山东寿光出差的机会又再次考察了这种温室在寿光的建设和运行情况。现综合两地的考察情况，就鸿盛集团针对高寒多雪地区气候特点在日光温室保温储热和屋面除雪方面的技术创新做一介绍，供业界同仁们研究和借鉴。

屋面除雪的解决方案

增大屋面坡度

按照中国国家标准GB/T 51183-2016《农业温室结构荷载规范》[1]规定，当温室屋面坡度大于60°时，屋面的积雪分布系数最小为0（即屋面没有积雪荷载），而屋面坡度小于30°时，屋面的积雪分布系数最大为0.8（即屋面积雪荷载为基本雪压的80%），屋面坡度在30°～60°时，屋面积雪分布系数在0～0.8呈线性变化。由此可见，以60°为上限，最大限度增大温室屋面坡度，可显著降低温室屋面的积雪荷载。

基于上述理论依据，鸿盛集团开发的日光温室采用了大坡度屋面（图1a、图1b），温室前屋面和后屋面的坡度分别达到31°和80°。按照这样的屋面坡度，前屋面积雪分布系数刚刚越过最大值，基本没有削减温室屋面雪荷载，但后屋面却完全不存在屋面积雪的问题了。与典型的山东寿光五代温室（图1c）相比，虽然前屋面的积雪荷载从理论上讲两者应该是相同的，但很显然，加大屋面坡度将会使屋面积雪的清除更加方便和快捷。

从减小屋面积雪荷载的角度分析，在保持相同屋脊高度的条件下，如果将温室屋脊前移，使后屋面的坡度保持在60°左右，则可在保证后屋面积雪荷载为0的前提下，使前屋面的坡度进一步加大，从而可更大限度地减小前屋面的积雪荷载。由于前屋面坡度的加大，温室的采光量也将随之增大，对提高温室内的空气温度和增大作物的光合作用强度均将起到非常积极的作用。

改变传统日光温室前屋面外保温为内保温

传统的日光温室大都采用屋面外覆盖保温被的方式来解决温室前屋面的保温问题（有的温室后屋面也采用活动保温被保温）。但这种保温方式由于保温被的表面粗糙度较塑料薄膜大很多，降雪后保温被表面积雪难以自动滑落，经常需要人工清雪，不仅增加了温室管护的劳动强度和生产成本，而且由于清雪期间保温被遭受雪水浸湿后冻结等原因造成保温被无法打开，直接影响温室内作物的采光，进而影响温室生产的产量和效益（尤其在高纬度、短日照地区这种影响更显著）。为此，鸿盛集团将传统的前屋面外保温被内置，使覆盖前屋面的透光塑料薄膜全天候暴露在室外。下雪期间，天然降雪将直接降落在塑料薄膜的表面，由于塑料薄膜表面光滑，再加上前面叙及的温室屋面坡度较大等技术措施，所以，大部分积雪将会自动从温室屋面滑落（扫二维码1看温室自然除雪视频），不仅减少了人工清雪的成本，而且也最大限度解决了降雪对温室采光的影响，同时大大降低了温室屋面的积雪荷载，从而减少了温室结构用材，节约了温室建设成本。

将传统的外保温被内置，除了有利于排除温室屋面积雪外，对延长保温被的使用寿命和降低其制造成本等还具有更多延伸的利益。传统的外保温方式，保温被在其使用期间始终暴露在室外环境中，受室外风霜雨雪以及太阳辐射和极端低温等恶劣气象环境的影响，一是要求保温被应具有良好的保温性能，保证温室的保温（这是对保温被的基本要求）；二是要求保温材料自身或是保护保温材料的面层应具有良好的防水和密封性能，以保证保温被不会因为天气降水或表面结露（霜）而造成保温被吸水使其保温性能下降甚至失效，也不会增大保温被自身重量，进而加大温室屋面结构的荷载（目前的草苫、针刺毡保温被等材料这个问题比较严重）；三是要求保温被材料（尤其是面层材料）具有较强的抗老化能力，能够在长期循环的低温、冰冻和紫外线条件下不致快速老化，从而延长保温材料的使用寿命，降低保温被的运行成本和频繁更换保温被的安装成本；四是要求保温被具有较强的抗风性能，或者在安装保温被后应附加保温被抗风措施（由于传统的保温被都比较轻质，一般都要求保温被展开后附加压被带或压被绳）。保温被内置后，由于保温被置身外膜内，消除了酸雨、大风、极端温度以及紫外线照射对保温被的直接破坏，可显著降低对保温被耐老化、抗紫外等性能的要求，进而降低原材料成本，同时延长保温被的使用寿命；由于室内无风，覆盖保温被后也不需要附加固被设施，不仅降低了设备的投资，而且也节约了固定保温被的人工成本，由此传统外置保温被的很多难题也就迎刃而解了。

保温被内置后，温室结构必须采用双层骨架（图2），外层骨架支撑与室外空间接触的塑料薄膜，承担室外风雪荷载；内层骨架则主要支撑保温被（含卷帘机），也可以将作物吊挂设备附着在内层骨架上，承担温室作物荷载。虽然这种结构的改变增加了一层内层骨架，相应增大了温室的建设投资，也加大了室内阴影面积，但由于外层骨架减少了保温被荷载和作物荷载（这些荷载都相应转移到了内层骨架上），相应地外层骨架截面可适当减小；内层骨架由于不承担风雪荷载，骨架截面也不会太大，骨架间距还可适当拉大。因此，温室骨架的成本不会成倍增加，结合保温被内置后的成本降低和效能提升，总体来讲，在多雪地区这种改变应该说是一种因地制宜的现实需求，具有良好的区域适应性。

保温被内置后，同时也取消了传统日光温室的保温后屋面，压缩了温室夜间的保温空间（限于保温被所包围的室内空间），在内层保温被和外层塑料薄膜之间还形成了一个附加隔热空间层，不仅节约了后屋面建造成本，而且也大大提高了温室的整体保温性能。此外，由于温室结构的改变，传统的屋脊通风口也从温室前屋面转移到了温室的后屋面，这种通风口设置方式在保证通风口位置处于温室最高位（保证热压通风的通风量最大）的同时，也避免了传统前屋面屋脊通风口兜水的问题（因为后屋面坡度更大，基本不会出现雨水滞留的问题）。将温室屋面通风口放置在温室后屋面，到了春夏季节，当室外温度较高时，打开后屋面通风口还可以很方便地在温室内形成“穿堂风”，更有利于温室在高温期间的降温。

保温被内置后，内层骨架可以覆盖塑料薄膜，也可以不覆盖塑料薄膜。内层骨架不覆盖塑料薄膜的温室称之为“单膜单被内保温温室”（外膜内被）；内层骨架覆盖塑料薄膜的温室称之为“双膜单被内保温温室”（内外双层薄膜+内保温被）。不论是单膜单被内保温还是双膜单被内保温，在高寒地区，由于室外夜间温度很低，温室室内空气湿度又基本饱和，没有了外保温被保护的外层塑料薄膜因自身热阻很小，夜间温度基本都处在0℃以下，因此，在外层塑料薄膜的内表面会出现结露、结霜或结冰[2]，直接影响第二天温室内作物的采光（融化冰霜期间薄膜的透光率较低），而且冰霜融化期间还会有大量水滴直接从塑料薄膜表面滴落形成散点水滴或从塑料薄膜表面滑流到骨架纵向系杆，并在纵向系杆下形成线状水滴，最终滴落到温室地面或作物表面上。由于结露在屋面塑料薄膜上的水滴中可能含有各种病原菌，这些含有病菌的水滴如果直接滴落到作物叶面上，尤其滴落到花蕊或果实上，将会直接引起作物病害的传播，这是保温被内置后最直接的问题。

为了解决外层薄膜内表面夜间凝结冰霜后造成白天融化时室内滴水的问题，鸿盛集团的应对措施：一是要求温室覆盖流滴薄膜，尽量消除无规则的散点水滴；二是在外层骨架纵向系杆下安装凝结水收集槽和导水膜（图3），将外膜内侧集结在纵向系杆上的水滴统一导流收集后排到温室两侧的集水桶或集水池中，从而基本消除了外膜滴水给作物造成病害的问题，集中收集处理屋面滴水也减少了温室内空气的含水量，更有利于降低温室内的空气湿度（扫二维码2看流滴薄膜视频；扫二维码3看截水槽视频）。

为了加快外层塑料薄膜上凝结冰霜融化的速度，使室内作物能及早采光，鸿盛集团也提出了一些有效措施：一是将保温被的外表面（展开后朝向室外面）做成反光面，使早晨射入温室的阳光更多地反射到外层塑料薄膜，提高其表面温度，进而加速其表面冰霜融化；二是在管理上间歇开闭室内保温被，打开保温被后室内热空气上升，向外层塑料薄膜供热，加速其表面冰霜融化，但由于外层塑料薄膜凝结冰霜后表面温度较低，长时间打开保温被将会使室内温度快速下降，影响作物的健康生长，为此，在具体管理中，提出了快速开合保温被，而且避免大开大合的管理措施，在短时间打开保温被使室内热空气上升后快速闭合保温被，这样既不会引起室内温度的剧烈波动，在保温被闭合后保温被与外层塑料薄膜之间还能形成一个较小的加热空间，接受室外光照后能快速提升小空间的温度，从而加快外层薄膜表面的冰霜融化（扫二维码4看除霜视频）。

为了避免室内温度的剧烈波动，鸿盛集团采用了双膜单被结构温室，并在内膜设置上也进行了改进和创新，将传统的整幅单膜改变成了双幅内膜（图4，两幅薄膜在温室跨中搭接，分别称为前部内膜和后部内膜），并分别用两套卷膜器控制启闭（图6a）。早晨外膜冰霜融化期间，前部内膜保持覆盖，可避免室外冷辐射直射室内前部作物；控制后部内膜的开启位置掌控内膜的通风口大小，配合内保温被的开启，从而可控制内外膜之间热量的交换（事实上前述保温被的快速开合主要也就是控制两幅内膜之间的开口，在保温被开合期间前部塑料薄膜一直处于覆盖状态，既保证了温室作物的采光，又避免了室内温度的剧烈波动）。待到外层薄膜表面冰霜完全融化后，可根据室内作物区温度的高低打开或闭合内层保温膜。当室内作物区温度超过作物的适宜生长温度后可完全打开内层塑料薄膜，与外层塑料薄膜的通风口（图5）结合进行温室通风和降温，进入传统日光温室的正常管理模式。

由于温室外保温只有一层塑料薄膜，如果内保温被密封不严，将有可能引起温室保温系统的整体失效，其后果将不堪设想，因此严密密封是对内保温被安装和运行的基本要求。为了保证内保温被卷运行平直、铺设严密，鸿盛集团开发了一套双电机两端同步运行的摆臂式卷帘机及其控制系统，又称为“双侧同步摆臂卷帘机”（图6）。保温被的固定边固定在后墙上（与后墙形成严密密封），东西两侧活动边在专门设置的内山墙上运行（内山墙端部铺设1 m宽固定塑料薄膜，可实现与保温被双侧活动边的严密密封），保温被两端分别安装电机减速机，同步摆臂运行保温被。保温被卷被轴侧活动边，在保温被展开时正好放置在温室前沿内外层骨架之间的基础顶面，由于基础顶面铺设有柔性的保温被垫毯，当保温被被卷展开后保温被卷轴正好卷放到基础顶面的垫毯上，能够与下部垫毯形成良好的密封（图7）。按照这样的设计，因为室内无风，理论上讲，保温被展开后四周的密封应该是严密和可靠的。

事实上，卷被轴任何部位的弯曲或变形，都将直接影响保温被展开后卷帘机卷被轴与温室前沿基础表面垫毯之间的密封性。单侧摆臂式卷帘机，由于卷轴刚度不足，不仅不能使用在长度较长的温室上（一般不超过60 m），而且经常发生卷轴弯曲变形的问题，难以保证卷轴与垫毯的密封性，传统的中卷式二连杆卷帘机在内保温温室中又没有安装和运行的空间。鸿盛集团创新开发的双侧同步摆臂卷帘机，能够从保温被的两端同步带动保温被平稳卷放，从而满足了保温被展开后四周严密密封的要求。当然，这一创新技术在建设成本允许的条件下也同样适用于保温被外置日光温室中保温被的卷放。

增加振动除雪装置

减少温室屋面积雪的第三项措施是在温室骨架上安装振动器（图8）。在温室前屋面骨架的上部纵向系杆旁间距20～30 cm并行布置1道纵向系杆（为节约成本，附加系杆不一定要求与骨架纵向系杆同长，只在安装振动器的相邻两榀骨架之间安装即可，但这样可能会影响整个棚面的振动效果），沿温室长度方向间隔20～30 m以两个系杆为依托安装一台电动振动器。下雪期间开启振动器，残存在温室屋面的积雪通过振动器的振动，使积雪脱离屋面塑料薄膜，在上部积雪的推压和积雪自身的重力作用下，在具有一定坡度的屋面上积雪将会自动滑落。采用这种方法，设备简单、运行能耗小，除雪效果好，可大大减少除雪的劳动强度，增加温室作物的采光时间，不仅可以应用在该类双膜单被或单膜单被内保温温室上，也可使用在塑料大棚和连栋塑料薄膜温室上，对前屋面坡度较大的日光温室上覆盖表面比较光滑的保温被时也将具有同样的除雪效果（扫二维码5看振动器视频）。

温室保温储热的解决方案

温室围护墙体保温的解决方案

该温室由于前屋面和后屋面均采用透光塑料薄膜外覆盖，室内采用保温被保温，温室的整个屋面系统是一套统一的双膜单被保温结构，提高其保温性能主要通过增加保温被的热阻和增强保温被的密封性来实现（前已叙及），由此，温室围护结构的保温将重点聚焦在温室墙体的保温上。

传统的土墙结构日光温室，墙体占地面积大，温室建设对土地的破坏严重，未来土地恢复的成本高、周期长，虽然其保温蓄热性能好、建筑材料来源丰富、温室建设投资低，非常适合投资能力较低的广大农户建设生产，但随着人们对保护生态环境意识的不断提高以及国家和地方政府部门对保护耕地政策的不断强化，淘汰和替代传统土墙结构（尤其是机打土墙结构）温室的呼声在行业内越来越高，墙体轻型化已经成为了当前和未来日光温室技术发展的潮流和方向。

目前日光温室墙体轻型化材料的选择主要从两个方向入手：一是用高保温性能的柔性材料，包括草苫、各类保温被等[3-5]；二是用高保温性能的刚性材料，如彩钢板、发泡水泥、空心砖、聚苯板（EPS）等[6-9]。其中以聚苯板为墙体保温材料的做法有两种：一种是实心聚苯板（包括彩钢板或挤塑板），另一种是空心的模块砖（图9），前者一般外贴在承重墙面（立柱）上，而后者则可以通过在内部空腔中设置钢管或钢筋混凝土立柱后形成独立的保温墙体，不仅占地面积小，而且完全消除了承重结构的“冷桥”，使温室的整体保温性能大大提高，由此，EPS模块砖似乎也成为了当前日光温室墙体轻型化中的新宠儿。

鸿盛集团下属的鸿盛建材公司就是一家专门生产空腔聚苯模块的企业，进入温室领域后，针对温室特点，专门开发设计了一套适用于温室墙体的聚苯模块，包括通用平面模块砖和转角模块砖等（图9），每个模块四面端口都设计有对接阴阳契口。温室墙体施工时，各模块通过阴阳契口组装连接，不需要任何胶黏剂即可形成牢固、密封的墙体平面。在墙体平面组装完成后，向模块空心中安插钢筋，最后再向模块空心中浇灌水泥砂浆（图10），即可构成钢筋混凝土承重立柱和墙体，而且由于空腔模块的保护，钢筋混凝土浇筑还省去了施工模板，不仅施工速度快，而且节约成本，也不需要拆卸模板。此外，由于聚苯模块的保温性能好，施工中又没有任何的冷桥，因此温室的整体保温性能良好，尤其适合于高寒地区使用。通过加厚墙体或调整模块砖材料的密度还可为不同气候区建设的温室提供不同保温要求的设计和材料供应方案。

温室储放热的解决方案

采用轻型化墙体后，传统日光温室被动储放热的功能也将随之消失。没有夜间的补充热源，仅靠严密的保温在高寒地区实现喜温果菜的越冬生产似乎是难以实现的目标。为此，鸿盛集团相应配套了墙面储热和地面储热两套主被动储放热系统。

◆后墙立体栽培槽被动储放热系统

后墙是日光温室被动和主动储放热的主要部位，也是各类储放热技术研究的聚焦位置。围绕后墙的被动储热包括采用土墙、石墙、水墙等厚重墙体；围绕后墙的主动储热包括表面水循环、墙内空气循环等。为了节约用地、减小运行成本、提高经济效益，鸿盛集团采用了紧贴后墙内表面安装立体种植槽的被动储放热方法（图11a）。该方法是将单体的种植槽沿温室后墙长度方向通长布置、沿温室后墙高度方向设置6层，槽内填装栽培基质并种植叶菜，利用栽培基质的热惰性（基质浇水湿润后的热惰性更大）白天储热夜间放热，在完成储放热功能的同时还扩大了温室种植面积，可谓是一种一举多能、高效开发利用温室后墙的综合技术措施。到了夏天，当温室不需要储放热量时，可拆除栽培槽消除墙体储热体（图11b），也减轻了温室的降温负荷。

◆土壤空气介质主动储放热

除了温室后墙外，温室地面实际上更是一个大的储热体。开发利用地面土壤储热不仅不占用温室种植面积，而且还能提高温室地温，对改善作物根区生长环境起到非常积极的作用。

地面土壤空气循环储热的方法已经在生产中得到广泛应用，但不同的企业也有不同的做法。鸿盛集团的做法是在温室后墙的上部进风（图12a，按照热空气上升的原理这里的气温应该最高），通过附着在后墙的主风道将热风导流到沿温室长度方向均匀布置、沿温室跨度方向通长布置的传热导管中，经过与地面土壤热量交换后的空气从温室前端的出风口排出再重新进入温室并与温室热空气混合，一方面将室内热量交换储存在地面土壤中，另一方面降温后的冷空气重新返回温室可起到温室空气降温的作用，此外，在热空气与地面土壤进行热交换的过程中，由于空气温度的降低将伴随空气中水分的析出，同时也起到了降低温室中空气湿度的作用（扫二维码6看地道风视频）。

传热导管的直径、埋深以及埋设间距目前还没有规范的设计方法。一般而言，传热导管的直径多在100 mm以内，埋深应在作物耕作层以下（多为300～500 mm，最深不应超过1 m），布置间距与作物的种植垄距相对应最好（图12b）。但由于埋设传热导管需要土建开沟和回填，管材用量也较大，为了节约成本，有的设计者经常采用宽间距布置（2～3 m），有的甚至采用东西向布置，沿跨度方向布置2～3根，显然导热管的多少将直接影响温室地面土壤的储热量和风机配套动力大小及其运行成本的高低。

为了能够调节传热导管内空气的流量，鸿盛集团还在导管的出口安装了调节阀（图12c），可根据室内空气温度的高低人工控制调节通风量的大小。但由于调节通风的工作量较大，而且人工调节也不精准、不及时，给实际生产管理带来一定困难。如果能够开发出一套自动控制系统，以室内空气温度和土壤温度为输入参数，以储放热量为控制目标进行自动精准调控将是这一技术未来推广一种更现实的需要。

对储热系统进风口位置的设置，一般要求设置在温室内最高处，这里白天温度最高，进行储热交换的效率也最高。基于这样的设计原理，有些设计者将系统的进风口伸出内层骨架，设置在了临近外层骨架屋脊的部位（图13）。这种设计对白天地面土壤的储热应该是合理和高效的，但到了夜间系统运行土壤放热时，由于进风口处于内保温被的外部，虽然外层塑料薄膜也具有一定的保温性能，但与位于内层保温被下的室内空气温度相比有很大的温差。这种冷凉的空气进入地面土壤，将很快把地面土壤中的热量置换出来，使地面土壤温度快速下降，直接影响温室地温的稳定性。另外，从节能的角度讲，尽量采用在保温被下室内的高温空气与地面土壤进行热量交换，整个系统损失的热量将最小，为此，在系统进风口设置时将其设置在内保温被之下（图12a）应该是比较合理的，或者在内保温空间进风主管上设置阀门，切断与外保温空间的气流交换，形成内保温空间内的气流循环。

持续的改进方案

在经过2018～2019年度整个冬季运行后，这种温室在黑龙江省哈尔滨市和山东省寿光市均取得了良好的效果，种植喜温果菜成功越冬，应该说初战告捷。出师成功的战果也鼓舞着鸿盛集团研究团队继续进行技术改进和性能提升的信心。在分析温室性能的基础上，鸿盛集团在提升温室保温性能方面又进一步提出了新的措施：一是加强温室后屋面的保温；二是加强温室前沿基础表面的密封和保温。

加强后屋面保温

针对温室后屋面只有单层塑料薄膜保温性能不足的问题，鸿盛集团又回归到传统日光温室固定保温后屋面的做法，并设计建造了第三代试验样棚（图14），期望在2019～2020年的试验中取得更好的结果。

从改进的温室结构看，温室屋脊前移并使后屋面的坡度适当减小，这主要是考虑：①原设计的温室后屋面坡度达到80°，远远超过屋面积雪分布系数为0的60°屋面坡度要求，适当减小后屋面坡度实际上也不会出现屋面积雪的问题，但减小后屋面坡度可在保持屋脊高度不变的条件下增大前屋面的整体坡度，或者在保持前屋面坡度不变的条件下降低温室屋脊高度，从增强前屋面除雪能力和降低温室建设成本两方面都有收益；②安装屋面振动器后可以通过主动振动强制清除较缓坡度屋面上的积雪，而且减缓屋面坡度也能进一步降低温室高度，节约温室建造成本，此外，降低了温室脊高，相应还可缩短前后两栋温室之间的间距，起到了节约土地资源的作用。

加强温室前部基础顶面密封和保温

温室前沿基础表面是保温被展开后放置的地方。前已叙及，保温被密封的严密程度将直接影响温室整体保温性能的好坏。鸿盛集团专门开发的双侧同步摆臂卷帘机能够保证保温被卷轴平直，但如果放置保温被卷轴的温室前沿基础表面不平整，温室的整体密封性将仍然存在缺陷。为此，鸿盛集团在技术改进中将表面平整的高密度聚苯模块通过插接组装水平铺设在基础表面（图15），既保证了温室前沿基础表面的平整度，又增强了前沿基础的保温性，同时由于外层骨架架空前探，事实上也减小了温室前沿基础的宽度，节约了基础建设的投资，也避免了温室屋面水流对基础表面的破坏（在寒冷地区基础表面沾水可能会引起基础面层冻裂），实际上还增加了温室地面的种植面积。

鸿盛集团创新团队的技术创新还在继续，让我们共同期待他们更多、更具推广价值的实用创新技术展现到我们面前、应用在生产实践，为我国设施农业的大花园增添更多、更艳丽的色泽（扫二维码7看装配式低能耗非补温日光温室建造技术视频）。