周博士考察拾零（一百零五）一种无后屋面活动保温后墙组装结构日光温室

引言

2019年7月23～26日应全国农业技术推广服务中心（以下简称“中心”）之邀，笔者赴河北省张家口市康保县参加中心对口扶贫援助的调研活动。25日下午我们来到了忠义乡马莲卜村的沃野种植专业合作社，调研这里的设施蔬菜种植情况。

进入合作社的生产基地，道路两侧形成明显对比的两列日光温室（图1）吸引了笔者的眼球。东侧是典型的传统日光温室（图2），墙体为砖墙，后屋面为保温彩钢板，前屋面采用针刺毡保温被中卷保温，温室屋面骨架采用焊接桁架（所不同的是桁架腹杆与上下弦杆不是倾斜焊接而是垂直焊接，而且腹杆布置的间距较大且不均匀，结构的整体承载能力应该比腹杆与弦杆倾斜连续焊接的桁架差）;而西侧温室则是一种全新结构，后墙透光、活动保温被覆盖保温，温室无后屋面，后墙立柱和屋面承力骨架一体化连接，单管承力、整体组装，从外表看是一种非常轻盈的结构形式（图3）。

不论是传统日光温室还是新型日光温室，温室两侧都没有配置门斗。要知道，这里地处北纬42°地区，冬季温度经常在-30℃以下，是日光温室发展的典型高寒地区，温室不设门斗，保温又如此简陋，种植果菜如何才能越冬生产？带着这些疑问，我们聆听了生产基地负责人的介绍，原来两种不同结构温室是不同时期建设的产物，温室主要利用当地的冷凉气候条件进行夏季果菜生产，冬季深冷时节由于加温成本高、生产风险大而休闲备耕。这里是全国的夏菜生产基地，其生产的蔬菜正好填补盛夏季节华北平原高温酷热不能进行蔬菜生产（或者在温室中勉强生产，但需要遮阳降温，运行成本高、产品市场竞争力差）的淡季，其生产的茬口安排也正好与华北平原日光温室冬季生产夏季休闲的模式完全错位。看来我们的温室设计不能抱着老脑筋一味强调和追求冬季生产，而应根据当地的气候条件和产品的市场供应情况，以最大经济效益为目标，因地制宜选型设计才是最实用、最科学，也最接地气的设计方案。

在知道了温室用途后，让我们跟随基地负责人的脚步来共同领略一下基地内這种无后屋面活动保温后墙结构日光温室的结构与性能特点吧。

无后屋面活动保温后墙温室结构

传统日光温室后墙和后屋面都是不透明的永久保温围护结构，被动储放热墙体除了承重和保温外还承载着白天储热夜间放热的功能。虽然近年来有的日光温室用塑料薄膜和柔性保温被覆盖后屋面将其设计为可活动屋面[1]，在冬季寒冷季节覆盖保温被如同永久保温后屋面一样满足温室的保温要求，到了春秋季节室外温度升高时，可如同前屋面保温被一样白天卷起保温被温室从后屋面采光、通风，夜间展开保温被温室保温。这种做法不仅可提高温室的采光性能，也更有利于温室的通风和降温。

温室取消后屋面，并将后墙做成活动保温被覆盖的保温和采光结构，似乎是前述活动保温后屋面的进一步发展（后墙和后屋面合二为一），又似乎是不对称结构外保温塑料大棚在日光温室结构上的一种变形（将塑料大棚的圆拱侧墙面变成了日光温室的斜立后墙），不管是从哪种设施形式演变而来，这种新型的无后屋面活动保温后墙结构日光温室不仅保留了传统日光温室后墙的保温特性（夜间覆盖保温被），同时也获得了塑料大棚全方位光照的采光优点，使温室内种植作物的采光量更大、更均匀，此外在晚春到早秋季节使用，温室的降温负荷减小（一是完全消除了后墙的储放热功能，消除了墙体向室内释放热量的热源;二是单层塑料薄膜的热阻很小更有利于散热;三是打开后墙塑料薄膜可进一步加强温室通风，提高温室的降温能力），可进一步延长温室的使用季节。这种温室在气候比较温暖的地区还是有很大推广应用空间的。

由于革新了温室后墙围护材料，与传统的土建结构日光温室相比，无后屋面活动保温后墙结构日光温室自身的建筑荷载大大减轻，这为温室结构的轻简化创造了条件。该温室后墙立柱和前屋面拱杆采用一体化的排架结构承力体系，承力构件统一采用DN50（外径60.3 mm，壁厚3.5 mm）热浸镀锌钢管，工厂加工，现场组装（图4a），大大提高了温室建设的标准化水平和建设速度，同时也大大降低了温室建设的工程造价。为了增强构件的承载能力，设计者还将后墙立柱和屋面拱杆的构件截面由圆管辊压成了椭圆管，有效增大了构件的截面模量，对提高构件的抗弯强度具有非常积极的作用。

采用轻简化组装结构后，除了温室后墙立柱和前屋面拱杆直接连接形成一体化构件外，构件与基础的连接也采用了一一对应的连接方式，山墙柱基础和后墙柱基础全部采用独立基础（图4b、图4c），温室整体结构形成完全的排架结构体系。按照排架结构的设计要求，使每个独立的排架构件形成整体的承力体系，设计者在温室结构的纵长方向共设置了7道纵向系杆，其中屋面拱杆上设置4道，后墙立柱上设置3道（图4a）。为了增强排架结构的整体稳定性，在靠近山墙的第一个开间屋脊部位还增设了空间斜撑（图5a），但从规范的要求看，这种斜撑设置的数量仍显不足，设置的位置也有待商榷。

排架拱杆与纵向系杆之间的连接采用了典型的椭圆管与圆管组装结构交叉连接方法（图5b），即在承力立柱或拱杆上用自攻自钻螺钉固定连接卡（该连接卡为热浸镀锌钢板冷压成型，工厂生产、现场组装，通用定型产品、批量生产、造价低廉）的开口端后将纵向系杆插入连接卡背部凹槽，用销钉在凹槽内卡紧纵向系杆即可牢固连接纵向系杆和承力构件（立柱或拱杆）。这种连接不仅安装方便，而且也容易拆卸。温室结构需要拆迁或结构构件需要更换时都可以很方便地将其拆卸并重新安装。

美中不足的是该结构山墙立柱与屋面拱杆的连接采用了现场焊接的连接方式（图5c）。由于焊接直接破坏了焊接节点处钢结构构件的表面镀锌防腐层，这将直接影响构件的使用寿命。这也可能是没有找到合适的标准化构件连接件，专门开发又会因为用量少导致成本高的缘故吧。

温室通风

传统的日光温室通风大都采用前屋面和屋脊通长开设通风口的方式进行自然通风。控制通风口开启的方式主要采用卷膜方式（包括手动卷膜和电动卷膜），屋脊通风口也大量采用卷绳拉膜的启闭方式，因为这种通风口开启方式启闭通风口大小一致、启闭时间同步，温室通风均匀。

基地中的无后屋面活动保温后墙温室保留了传统日光温室前屋面位置的通风口（图3a），没有设置屋脊通风口，但却在温室后墙的中下部位置开设了通风口（图6）。可能是考虑建造成本的因素，所有通风口都没有安装卷膜或拉膜开窗的通风设备，而是全部采用了最原始的手动扒缝通风的方式。

从通风口的设置位置看，前屋面通风口和后墙面通风口全部打开时能够在室内形成沿温室跨度方向的穿堂风，通风效率高。但由于前屋面和后墙面上通风口的设置位置都偏低，排除集聚在屋脊部位的高温空气有一定难度，会在作物冠层上部形成一个长期滞留的高温气团，对作物冠层形成辐射热源，不利于降低温室作物冠层的体感温度。如果能和传统的日光温室一样，在屋脊开设通风口，则能快速排除集聚在室内屋脊部位的高温气团，消除对作物冠层的炽热辐射，尤其到了室外温度较低的季节，当后墙面通风窗无法打开时（打开后墙面通风窗，通风量过大，会引起室内温度急剧下降）单独打开屋脊通风口可及时排除室内湿气，引进室外新鲜空气并降低室内温度。从更加合理或者优化控制温室内通风的角度看，除了前屋面和后墙面通风口之外，这种温室还应设置屋脊通风口。

从控制通风口启闭的手段看，该温室全部采用人工扒缝的启闭方式，没有配置任何机械或电动控制设备，应该说是一种落后的控制方法。一是人工启闭通风口需要花费的人力成本较大、劳动强度高;二是控制通风口的大小不一致，室内通风不均匀;三是控制通风口启闭的时效性差，不能及时根据室内外温度的变化快速反应控制通风口的启闭。为此建议尽早在前屋面和后墙面安装手动或电动卷膜开窗设备，在屋脊安装卷绳拉膜或卷膜开窗系统，以提高温室管理的机械化和自动化水平，减轻劳动强度，提高环境控制的精度和时效性。

温室保温

保温是日光温室赖以在北方大部分地区不加温越冬生产的关键技术之一。但基地内无后屋面活动保温后墙结构日光温室对保温的设计并没有像传统日光温室那样给以足够的重视。

温室的山墙采用中空PC板围护（图7a）;温室的前屋面和后墙面均采用透光塑料薄膜外覆盖活动保温被保温的做法，且保温被材料采用保温性能较差的针刺毡保温被（图3a、图7c）;为了方便安装和检修塑料薄膜以及保温被，温室的屋脊处覆盖了一层铁皮瓦楞板（图5a、图7b），基本不具备任何的保温隔热能力;温室山墙侧门口没有设置缓冲门斗，只用一幅门帘遮盖;温室墙体和地面上也没有设置主动或被动储放热设备。总体而言，温室的保温性能应该不高，甚至都不如基地内东侧早期的日光温室。这种设计或许也正是因为温室不越冬生产的缘故吧。

严密保温是日光温室设计和管理中的主控要素。该温室虽然前屋面的保温和传统日光温室完全相同，但取消后屋面并将传统的固定保温后墙改为活动保温后，温室围护结构的整体保温性能明显下降。各地在学习引进这种温室结构时一定要根据当地的气候条件和种植季节加强或调整温室的保温性能，需要时还应配置主动或被动储放热设备，使这种温室冬季运行的日光温室特性能得到基本保证，同时又能使其夏季运行的塑料大棚特性得到充分体现。

无后屋面活动保温后墙结构日光温室的发展前景与设计方法探讨

历史沿革与推广前景

对日光温室后屋面的研究，包括后屋面的功能、几何尺寸和热阻及材料选择等，目前还没有一套完整的科学理论体系指导工程设计。从长期的理论研究和工程实践看，日光温室建设从强调保温的长后屋面，到山东寿光机打土墙结构日光温室的短后屋面，再到今天的无后屋面结构，是人们对温室保温、采光以及结构强度几个主要设计要素相互关系不断认识和优化的结果。

在日光温室发展的初期，温室设计注重保温（主要是日光温室的发源地辽宁冬季比较寒冷），设计中更强调增大温室的保温比，由于后墙低矮，增大保温比的办法只有加大温室的后屋面投影宽度，一般温室后屋面投影宽度均在1.0 m以上，长的甚至超过2.0 m。这种温室结构，由于后屋面投影宽度大，虽然温室的保温性能良好，但屋面遮光也造成温室地面北部区域从晚春到早秋光照不足，室内光照不均匀，严重影响室内种植作物的采光。此外，由于后屋面大都是固定的保溫结构，屋面结构荷载较大，从结构安全的角度考虑室内立柱难以取消，这给温室日常管理和操作带来很大不方便。

山东寿光机打土墙结构日光温室，由于后墙加高，而且厚度较大，同时也为了减轻后屋面的荷载，后屋面的投影宽度多在0.5～0.8 m。由于后屋面投影宽度缩短，使温室的屋面采光面积大大增加，一方面提高了温室白天的室内温度，保证了温室作物足够的采光，另一方面也大大延长了后墙上接受光照的时间和光照强度（尤其在春夏秋季），通过墙体的储热从另一种途径弥补了温室保温比的不足。此外，日光温室技术从辽宁传播到山东，由于山东冬季的气温要远远高于辽宁，对日光温室的保温要求也相应降低，缩短日光温室后屋面投影宽度，减小温室保温比似乎也是日光温室发展适应不同气候条件的结果。

无后屋面温室则是将温室后屋面设计推向了极端。从无后屋面结构日光温室的建筑形式看，主要有直立后墙、斜立后墙和弧面后墙3种形式（图8）;从后墙的用材看，有柔性保温材料（保温被、保温帘）、刚性保温材料（砖墙、聚苯乙烯空心板、彩钢板）;从柔性保温材料的固定形式看，有永久固定式和活动卷被式。

取消温室后屋面，完全消除了传统日光温室后屋面对温室室内采光的遮挡，温室结构上后屋面的固定荷载也完全消失，温室结构更倾向于向组装式、轻简化方向发展。由于取消温室后屋面，在相同跨度和后墙高度的条件下温室的保温比将会最小。根据温室的实际保温性能，这种类型的日光温室也将更适合在冬季或生产季节室外温度更高的地区推广应用。笔者曾在山东青岛、烟台和河北唐山看到过类似完全无后面的日光温室结构[2-3]。事实上，该生产基地的无后屋面温室就是河北唐山的温室企业建造的。从建设这种类型温室的分布地域看也正好说明了这种温室更适合在冬季或生产季节室外温度高于-10℃左右的地区推广。

组装式、轻简化是当前日光温室结构发展的新趋势，无后屋面活动保温后墙结构日光温室由于荷载减轻，温室结构更适合走向组装式和轻简化。节约能源、周年生产，提高土地利用率是未来我国温室设施发展的必然要求，无后屋面活动保温后墙结构日光温室冬季寒冷季节按照日光温室管理运行，保温节能;炎热夏季按照塑料大棚管理运行，降温负荷小，运行能耗低;温室周年使用，土地利用率高。从这个角度看，这类温室也引领了未来日光温室发展的一种方向。

结构特征与设计方法探讨

无后屋面温室的出现是给我国传统的日光温室大家族又增添了一种新的结构形式。这种温室由于取消了传统日光温室的后屋面，与传统日光温室相比，优点的地方主要表现在：①前屋面采光面积加大，室内地面、墙面均不会出现由于后屋面结构遮光而产生的阴影带;②传统的屋面荷载消失，结构的永久荷载（恒载）减轻，更便于温室结构向轻简化方向发展。但取消后屋面后，与同样脊高的传统日光温室相比：①温室的后墙高度加高了，相应对温室后墙结构的强度要求提高了;②温室屋脊后移，会直接影响后栋温室的采光，或者说前后温室之间的间距加大了;③温室的保温比减小了，虽然白天前屋面的采光量有所增大，但夜间的散热面也同样增加，对温室的保温性能提出了更高的要求。

为了减少后墙直立造成前后栋温室之间的间距增大的影响，具体实践中可以将温室后墙斜立（图8b）或做成弧面（图8c），将屋脊前移，这样做还可以减少前屋面骨架对后墙立柱的推力，减小温室墙体结构承受的弯矩，从而提高结构的承载能力或减小构件的截面面积，降低温室建设成本。将温室屋脊前移，应以不影响温室室内地面和墙面采光为前提，可将温室后墙的倾斜角度取为当地夏至日中午的太阳高度角，但考虑到温室内靠后墙走道的存在以及温室内不同种植作物冠层的高度，实际设计中还可将屋脊进一步前移，使屋脊与室内种植作物最靠近后墙一株植物冠层位置连线的倾斜角度与当地夏至日中午的太阳高度角一致即完全不会影响温室作物生产周年的光照。进一步考虑如果当地夏至日中午的散射光强度也能达到种植作物的光合作用饱和点（甚至到补偿点），遮挡作物冠层的直射光还有利于降低温室内的温度，这种情况下温室的屋脊位置还可以再进一步前移。

将温室后墙面做成活动保温后墙后，由于温室可以从后墙面采光，温室的脊位控制似乎没有不透光固定后墙温室的那些限制了。对这种温室脊位的控制应以能够打开后墙面采光时节当地中午的太阳高度角为依据按照上述不透光固定后墙温室脊位的方法确定。

温室屋脊前移，不仅可缩短温室前后栋之间的间距，而且墙体立柱承受前屋面拱架的推力也将进一步减小，立柱构件的内力分布也均匀，如果将斜立后墙立柱进一步改进为弧形拱杆，与前屋面拱杆形成非对称拱面结构，其构件的内力分布将会更加合理，弯矩减小、压力增大，构件截面将会进一步减小，只是需要对直杆进行弯曲加工，不仅多了一道加工程序，而且需要专门的加工设备和平台，给温室构件的加工增加了生产成本。

對温室后墙的保温，除了选择高保温性能的保温被材料、增加保温被厚度外，还可考虑采用双层保温被，在墙体基部1.0 m左右的高度范围内设置永久固定的保温墙体[2]也不会影响这种温室的采光和通风，但对提高温室的保温性能，尤其对限制地面土壤的散热，将具有非常积极的作用。

上述温室屋脊前移的设计方法只是笔者的一种理论设想，没有经过实践检验，仅供读者在具体应用和设计中参考，大家如有更好的设计方法欢迎交流。

参考文献

[1] 周长吉. 周博士考察拾零（四十五）一种活动保温被覆盖透光后屋面的日光温室[J].农业工程技术（温室园艺），2015，35（16）：24-26.

[2] 周长吉. 周博士考察拾零（九十一）河北唐山“3.26日光温室蔬菜基地火灾”带给我们的思考[J].农业工程技术（温室园艺），2019，39（10）：46-56.

[3] 周长吉. 周博士考察拾零（九十八）以EPS空腔模块为围护墙体的钢骨架装配式日光温室[J].农业工程技术（温室园艺），2019，39（31）：26-34.

[引用信息]周长吉.周博士考察拾零（一百零五）一种无后屋面活动保温后墙组装结构日光温室[J].农业工程技术，2020，40（16）：44-49.