优化日光温室热环境与建构的工程技术研究进展

张纪涛 史向远 李永平 张晓晨 王保平 周静 王秀红

摘要：日光温室是中国北方地区独有的一种温室类型，对提高农民生产效益和改善人们生活水平起到了极大的作用。为了明确日光温室工程技术的发展水平和方向，本文总结了近年来在日光温室墙体结构优化、创新型日光温室类型、保温蓄热工程技术、光伏日光温室等方面的相关研究报道，并探讨了日光温室在建构和热环境工程方面的发展方向。日光温室工程发展趋势：（1）日光温室建构向轻简化、标准化方向发展；（2）日光温室设施与装备向高效与节能化发展；（3）日光温室环境调控和管理向精准化和智慧化方向发展。研究可为日光温室优化热环境工程技术的发展提供参考。

关键词：日光温室；保温蓄热；热环境；温室工程；研究进展

中图分类号：S626.5文献标志码：A论文编号：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

日光溫室作为中国北方地区独有的一种温室类型，是中国北方地区进行蔬菜越冬生产的最主要的农业设施类型，对提高农民生产效益和改善人们生活水平起到了极大的作用。随着科研创新的不断探索和总结，目前已形成了合理采光、合理保温、合理蓄热的日光温室设计理论[1]，对于日光温室整体节能设计及规范化起到了重要作用。

随着工业装备与材料科学的发展，日光温室建构与装备水平得到极大的提高。但随着工业4.0时代的到来，农业数字化与智慧化也应运而生，对设施农业生产提出了很高的要求。为了进一步适应日光温室工程技术的发展方向，本文总结了近年来在日光温室墙体结构创新、保温蓄热工程、光伏日光温室等方面的研究成果，并探讨了未来日光温室发展方向，为日光温室工程发展和标准建设以及数字化或智慧化实现等方面提供参考和依据。

1日光温室墙体结构的优化创新

土墙和复合砖墙是生产中常见的两种日光温室墙体类型。墙体作为日光温室的承载与保温蓄热的关键结构，决定着日光温室保温与蓄热性能以及建设成本。温室土墙结构的优化研究与工程创新主要集中于墙体厚度优化上，而砖墙结构的优化主要集中于合理的材料组合以及新型材料的应用上。随着日光温室构型的不断创新与环境需求提高，新型的墙体结构也不断出现，如可移动后墙、秸秆后墙、中空蓄热后墙等。

1.1土墙结构的优化

土墙日光温室是国内建设面积最大、最节能的温室类型。关于土墙日光温室的优化研究主要集中于墙体厚度的合理建构和提高土地利用率方面。土墙体可以分为蓄热层、过渡层、保温层等3个部分[2-3]，关于合理土墙厚度尚缺少合理的设计方法。有研究报道，河南地区适建的土墙底部厚度4.0 m、顶部2.5 m[4]，杨凌地区合理厚度为2.30 m[5]，新疆塔城地区适宜的土墙厚度为2.2～2.5 m[6]，银川地区墙体厚度2.5 m[7]，山东泰安最小厚度2.2 m[8]。土墙日光温室的跨度一般在8～12 m之间，部分地区达15 m以上，甚至25 m，跨度的增加可有效提高土地利用率。关于土墙日光温室的下挖深度，一方面考虑有利于砌筑取土，另一方面适当下挖可提高室内温度，但下挖过深不利于栽培空间的通风排湿。墙体防雨是保证土墙温室安全性和使用年限的重要工程措施，现在一般做法是后墙铺防雨布或毛毡等，尤其是在拱架与墙体连接处进行防雨处理。

1.2砖墙结构的优化

砖墙日光温室的结构优化主要集中在墙体结构与材料上。砖墙日光温室墙体结构分为承重层、填充层（或不填充，即中空墙体）、保温层等。承重层一般使用的材料为红砖、空心砖加气混凝土、发泡水泥、空心砖等。墙体材料决定着温室造价和安全性，对温室热环境也有重要影响。李明等[9]试验表明采用发泡水泥加厚黏土砖墙不仅可减少墙体热损失，还能增加墙体夜间散热量。对于砖墙构筑方式，罗伟等[10]试验表明，采用不平整的凸式墙体或凹式墙体均可有效提高温室的蓄热能力。关于砖墙体合理厚度，佟国红等[11]通过 CFD分析研究表明，在晴天条件下，靠近室内侧砖墙越薄（0.12 m）时，不论该层后面的绝热层厚度及墙体组成如何，夜间室内空气温度高于室内侧较厚砖墙；复合墙体较厚的蓄热材料层比同材料单一材料墙体同厚度处温度衰减快，复合墙体蓄放热层厚度的确定取决于隔热层的位置[12]。砖墙温室填充材料一般为炉渣、黏土、灰土、保温板、生石灰、煤矸石、固化沙等，不同填充材料对日光温室的保温蓄热有一定影响[13-15]。外墙保温材料应用是提高砖墙温室保温性能重要工程措施[16]，目前常见的外墙保温材料有聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚苯乙烯挤塑板（XPS）、酚醛酯板（酚醛树脂）、聚氨酯（聚氨基甲酸酯）、岩棉板等。外保温墙体可以比典型夹芯墙体的日光温室空气温度高0.5～2.3℃[17]。关于保温材料的覆盖厚度，管勇等[18]建立了日光温室动态热性能分析模型，并计算了不同地区的采用挤塑聚苯乙烯、发泡聚苯乙烯、岩棉、和玻璃棉4种外墙保温材料的厚度。对指导不同区域日光温室外墙保温设计具有重要意义。

2日光温室整体构型的创新

随着生产发展需求以及创新的不断深入，为了提高土地利用率、降低建设成本、提高蓄热性能以及优化采光，日光温室整体结构向“高、大、上”的方向发展。同时也出现了许多新构型的日光温室，如组装式（或装配式）日光温室、倾转屋面型日光温室、滑盖式日光温室、大跨度非对称水控酿热保温日光温室等，对促进日光温室工程进步以及整体产业发展具有重要意义。

2.1组裝式（或装配式）日光温室

组装式日光温室主体结构可以分为承载结构、透光覆盖结构、保温结构、蓄热结构。不同于传统日光温室之处在于，采用钢架立柱作为承重结构，覆盖棉被、保温板、草帘、棚膜等或填充保温蓄热块材等材料进行墙体保温，以此代替传统砖墙或土墙[19]。组装式日光温室安装便捷、施工周期短、建设成本低，但是由于组装式日光温室一般缺少足够的蓄热，室内夜间温度下降快，致使生产性能下降[20-22]。因此，提升热环境性能成为该温室类型的研究热点。

2.1.1组装式日光温室的蓄热增温装置组装式日光温室的墙体蓄热能力不足，为了安全越冬生产，需要增加主被动蓄热增温装置，如太阳能热水循环系统或空气—地中热交换系统[23]、内保温和外保温太阳能双效增温系统等[24]、与温室骨架一体的主动蓄放热系统[25]、砌筑砖蓄热墙体和填充沙土墙体[26]等。在足够的保温与蓄热性能下，组装式日光温室与传统日光温室无明显差异[27]。因此，研发经济高效的蓄热增温装置是促进组装式日光温室快速推广的重要方面。

2.1.2秸秆块组装式日光温室增加墙体保温隔热可以减少墙体贯流散热，提升室内温度。农作物秸秆来源丰富，具有良好的保温隔热性能，导热系数为0.03～ 0.13 W/（m·K）[21，28]，配合打捆机可以将秸秆成捆应用于墙体砌筑，对增加温室保温性能、降低造价具有重要意义。武国峰等[29]报道，厚度为0.6 m的秸秆块墙体的热阻是平均厚度4.0 m土墙体热阻的2.54倍。但是秸秆块存在易吸湿腐烂的缺点，因此秸秆块材在组装式日光温室使用上必须进行防潮处理，以保证足够的热阻。秸秆块替代土壤、红砖等常规建材构建日光温室保温墙体具有可行性，有利于节约土地资源和实现秸秆综合利用，是实现组装式日光温室就地取材和生态方式砌筑的重要措施。

2.2创新的日光温室类型

2.2.1倾转屋面型日光温室适当增大倾角有利于增加室内采光积累和作物生长[30-31]。为了实现了日光温室对太阳能的高效利用，张勇等[32-34]提出了一种适用于高性能采光的倾转屋面日光温室，与普通固定屋面温室相比可变采光倾角温室内的平均光照度和平均温度均明显提高，典型晴天条件下，平均光照度提高了29%，平均温度提高了4.3℃。

2.2.2滑盖式日光温室孙周平等[35]报道了彩钢板保温装配式节能日光温室（滑盖式日光温室），集成了大型连体温室温光分布均匀和传统日光温室蓄热保温好的优点，提高了太阳能的利用效率。其基本结构为：骨架为半圆弧形钢结构，采用岩棉彩钢板滑动保温覆盖形式和可移动保温山墙，采用水循环系统和空气—地中热交换系统进行蓄热。该类型温室栽培空间大、采光好、升温快，室内横向和纵向光照和温度分布均匀，为中国日光温室创新建构和现代化提供了新方向。

2.2.3大跨度非对称水控酿热保温日光温室大跨度非对称水控酿热保温节能日光温室利用了南部采光、北部蓄热，配套地下防寒隔热等措施，提高了温室保温蓄热性能。同时利用酿热槽，采用补水的方式控制酿热物发酵放热，实现了对温室按需补热的功能。大跨度日光温室的夜间平均温度能满足冬季作物的要求，比砖墙温室建造成本降低了39.6%，土地利用率提高了30%以上[36-37]。

3日光温室保温蓄热工程技术与装置的创新

3.1内保温结构提高温室越冬

内保温结构是指在日光温室内部增加的保温装置，内保温一般为开闭式的，以降低对采光的影响。一般选用轻质的保温被或棚膜等配合拉幕或卷膜系统，实现保温被白天收起、夜间展开。张京社等[38]试验表明，内膜保温可使室内气温提高2～3℃。高艳明等[39]试验表明，内置保温被可提高空气温度2.48℃、提高土壤温度2.03℃。内保温系统可降低栽培空间热量通过前屋面的流失，提升日光温室越冬生产性能，适合在高纬度寒冷地区或保温性差的温室上使用。

3.2日光温室主被动蓄热工程

日光温室墙体通过接受太阳辐射进行热量蓄积，夜晚通过墙体内导热过程以及墙体表面与室内空气的对流换热过程不断向室内释放热量。组装式和砖墙日光温室受墙体材料热特性的影响，北墙的蓄热能力有限，在高纬度地区的冬季室内夜温往往较低，影响作物的高效生产。针对该问题，众多学者在温室墙体蓄热保温性能提升、工程集热等方面进行了不懈的探索。

3.2.1主动增温或蓄放热系统生产中常用的日光温室主动增温装置有燃煤锅炉、燃油热风炉、水暖加温、太阳能热水加温、空气源热泵等，这些加温方式运行成本较高。为了降低运行成本，实现节能与良好热环境的协调，许多学者做了创新研究。白义奎等[40]建立了日光温室燃池—地中热交换系统。徐刚毅等[41]采用配套了土壤温度自动监测与控制系统的新型电锅炉供暖方式对土壤进行加温，大大降低了系统耗电量。丁小明等[42]测试分析了“秸秆块燃料+毛细管换热器”低温供暖系统，比相同类型温室空气和土壤温度均显著提高。于威等[43]采用日光温室地中热水管加温，可以显著提高土壤、空气温度的方法。王强等[44]采用空气源热泵配合管道通风的方式对日光温室进行加温处理，以提高温室温度。主动加热能源消耗大，不利于节能减排。通过主动蓄放热措施解决日光温室蓄热的不足是现阶段的研究热点。日光温室内的土壤和墙体是其主要的蓄热结构，二者有效蓄热层一般为10～25 cm内，为了有效利用内部结构蓄热，进而改善日光温室冬季夜间温度低的问题，戴巧利等[45]试验研究了一套太阳能温室增温系统，白天利用太阳能空气集热器加热空气，由风机把热空气抽入地下，将热量传给土壤储存，夜间热量缓慢上升至地表，实现增温。张勇等[46]采用同样的原理将热空气循环至后墙中，增加墙体蓄热。关于墙体主动蓄热研究与创新的报道很多。墙体主动蓄热技术可以显著提升后墙蓄热量，采用墙体主动蓄热技术的温室较普通结构日光温室热环境优良，保温效果显著[47-48]。其基本原理和方法是采用风机将温室白天得到的热量储存到后墙墙体中，通过墙体的辐射或者有风机驱动实现夜间放热[49]。任晓萌等[50]、赵淑梅等[51]设计并测试了空气对流循环蓄热墙体，该系统可有效调动墙体深处材料参与蓄热放热过程，显著增加墙体的总蓄热放热面积。鲍恩财等[52-53]设计了传统主动蓄热墙体、回填装配式主动蓄热墙体、模块装配式主动蓄热墙体等蓄热墙体类型，并对不同主动蓄热气流方式[54]、主动蓄热墙体运行参数[55]进行了深入研究。

除增加墙体和土壤的主动蓄热的措施外，外设主动蓄热装置也可显著改善日光温室内的热环境。杨其长团队[56-62]设计了日光温室主动蓄放热帘增温系统，白天利用置于后墙的集放热板吸收太阳辐射热，并通过水介质将热量储存于蓄热水池中；夜晚通过水循环将蓄积的热量释放到温室中，提高夜晚室内气温。该系统结合加热基质的循环增温系统，可以有效提高番茄产量[61]；该系统通过冠层增温系统释放热量，可以明显提高番茄冠层气温，促进番茄提早上市[62]。除此之外，王志伟等[63]创新研发出了日光温室表冷器主动蓄放热系统，李明等[64]日光温室基于毛细管网的主动式集放热系统，均可以显著改善日光温室内的热环境。而陈紫光等[65]、陈超等[66]创新性的将多曲面槽式太阳能空气集热器外置与日光温室后墙上，通风风机驱动将太阳能加热后的空气送入温室墙体中，来增加墙体蓄热，同样可以显著改善温室热环境。

3.2.2应用相变材料增加被动蓄热日光温室的被动蓄热一般是指被动依靠接受太阳辐射或温度传导实现土壤或墙体结构蓄热。目前，增加被动蓄热的研究主要集中于相变材料的应用上。相变储热是近年来建筑与能源界非常重视的研究热点，将其应用于温室节能有重要意义。北京工业大学陈超团队[67-70]发明了GH-20相变材料，应用该相变蓄热墙体可提高日光温室冬季夜间温度环境，促进蔬菜提前采收上市。王宏丽及其团队[71-72]先后开发了硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定形相变材料、磷酸氢二钠蓄热体系、月桂酸—肉豆蔻酸—癸酸/膨胀石墨定形相变材料、Na2SO4·10H2O和Na2CO3·10H2O相变材料[73]等，均具有增加日光温室冬季夜间气温的效果。李鹏等[74]将石蜡为主的固—液复合相变材料喷涂到日光温室梯形北墙体内表面，提高了温室蓄热量和室內夜间温度。时盼盼等[75]运用EnergyPlus软件，从日光温室墙体动态传热特性角度出发，确定了日光温室复合相变墙体蓄热层与保温层的最佳厚度。

从上述内容可以看出，日光温室内主被动蓄热系统可分为空气循环蓄热、水循环蓄热、热泵蓄热、相变蓄热、采光优化蓄热等[76]。单一的蓄热方式蓄热效率较低或成本较高，多工程措施的协同应用有利于提升总体蓄热性能。凌浩恕等[70]、管勇等[77]提出“太阳能主动集热+墙体内部蓄热+相变被动蓄热”的主被动结合的日光温室蓄热建构体系，为日光温室整体热环境优化工程提供了新方式。日光温室有效蓄热作为保证夜间温度的最重要措施，节能性和经济性是限制其在生产中推广应用的2个主要因素。主动蓄放热系统需要设施设备的投入，投入与运行成本决定着其在生产上的推广应用。而采用相变材料增加被动蓄热，可以降低设备投入和运行成本，但目前日光温室用相变墙体成本非常高，也难以在常规生产中推广使用。因此，研究开发低投入的主被动蓄热装置仍是目前重要的研究方向。

3.3其他措施改善日光温室环境

在生产实践中，一些农艺措施等方式对日光温室室内热环境的调控也具有重要的作用。如秸秆反应堆技术、堆肥热利用型日光温室等。徐全辉等[78]研究表明，内置式（覆土20～30 cm）秸秆反应堆可以秸秆生物反应堆使10 cm地温提高1.13～1.52℃，20 cm地温提高1.71～2.01℃，棚内温度平均提高1.5～2.3℃。刘冰[79]报道指出，秸秆反应堆技术的应用使室内气温平均增加了2.01℃。张清梅等[80]研究了内置式秸秆生物反应堆在不同秸秆使用量条件下，比对照温室内气温和地温分别提高了1.35～1.92℃。

4光伏日光温室的发展与存在问题

农光互补形式是设施农业发展创新的重要内容。北方地区，种植业上的农光互补一般是指光伏发电与日光温室生产的结合。光伏温室不仅可为电网提供电力，同时可以带动设施农业的发展[81]。依据光伏与日光温室的结合方式，可以分为相对独立型和嵌入式等2种形式。（1）相对独立型。一般布置形式为：光伏板置于日光温室后墙上部或温室之间，充分利用空闲土地进行日光温室生产，如河北怀来光伏日光温室园区等。该类型以发电为主，发电量远高于日光温室生产及设备用电量。该类型日光温室要求足够的温室后墙宽度和承载力；同时要求更大的温室间距，以不影响温室采光。（2）嵌入式。是指光伏板镶嵌于日光温室采光屋面上，可以实现对温室设备供电，不影响后排日光温室的采光。该构筑方式影响了室内采光，可以降低夏天室内温度[82]，但不利于越冬生产温室内热环境。张勇等[83]报道，采用47%和58%光伏组件覆盖率的温室，其对本身内部植物和后排温室内部作物生长均不造成不利影响。祁娟霞等[84]监测研究了不同类型的光伏日光温室，对光伏日光温室的总体设计优化提供了参考。赵雪等[85]试验证明2 kW光伏发电系统可为面积为500 m2的日光温室环境调控提供电力保证。光伏日光温室既具有发电能力，又能进行种植生产，但应用局限性很大。外置式光伏日光温室应加强温室墙体承重、更大的屋面角、提高总体土地利用率、协调优化温室与光伏采光等[86]，同时应探索更合适的光伏温室用透光覆盖材料的探索研究[87]。魏晓明[88]建议优化结构受力与环境影响，制定相关标准。笔者认为，对于发展光伏日光温室，如果以发电为主，应以相对独立式的构筑方式，而对于单纯满足于生产系统所需，嵌入式的光伏日光温室有利于园区日光温室紧凑布局，增加温室生产面积。

5讨论

土墙日光温室建设成本低、保温性能好，仍是北方地区的主要类型，建设的跨度越来越大，土地利用率也显著提高。其他类型的温室因建设成本高或热环境不佳等劣势，限制着大面积的推广应用。总体来说，现阶段在日光温室的耕种、采收等方法均能机械化，在温室管理上也基本实现了自动化或半自动化。但随着社会对高品质农产品需求的增加，对温室环境调控能力的要求也越来越高，因而会促使温室工程朝着更高效化、精准化、标准化、轻简化等方向发展。依据产业发展需求与工业化水平，笔者认为日光温室工程技术的发展趋势有以下几个方面。

5.1日光温室建构向标准化、轻简化方向发展

现阶段日光温室工程距离标准化和规范化还有很大差距。其主要原因在于日光温室作为农业生产性建筑，其结构简单、承载要求小、建筑技术较低。不同结构温室区域普适性高，致使人们对标准化建设的认识性降低。但日光温室的标准化的实现，对促进整体发展有重要意义。有利于整体区域的信息化技术服务，即环境预警、宏观指导等；有利于农业保险类在温室工程与生产上的普及。在实现标准化的前提下实现轻简化。从工程角度来讲，即在保证足够要求的前提下，实现快速建造、降低施工难度和成本，如组装式、模块化建构技术等。

5.2日光温室设施与装备向高效节能化方向发展

保温蓄热仍是日光温室工程的重中之重，保温蓄热性能决定着日光温室的节能性，而经济性与高效性是决定日光温室推广的2个因素，因此需要协调成本与保温蓄热之间的关系。选择如接秸秆块、草砖、多层保温被、保温板等轻简易构筑的材料，可以显著降低建造成本。对于组装式日光温室，在实现最大保温的前提下协调设计蓄热结构，来提升温室热环境性能。另外，以水循环蓄热等的低成本主动蓄热设备与系统的研发与应用推广，仍是今后重要的发展方向。

5.3日光温室环境调控和管理向精准化和智慧化方向发展

智慧化的管理不仅可以减少在棚室和栽培管理上的投入，而且提高温室生产品控能力。智慧化管理的基础在于对日光温室环境变化规律、室内作物资源需求规律和环境调控装备的调控能力的了解。首先，继续深入进行对日光温室的空气环境要素与温室结构、外界环境条件、调控设备、种植管理之间关系的了解，及其之间相互关系。这需要积累大量监测数据，以及通过大数据分析技术建立精准模型，以保证不同地域、不同类型、不同种植管理下的模型的适用性，这是日光溫室向智慧化发展的基础，对促进日光温室整体水平提升具有重要作用。其次，深入开展配套装备与智慧管理系统的开发。如远程终端设备、预警与风险提示、设备故障与自动安全控制等。

6总结

日光温室作为独具中国特色的设施类型，对中国设施园艺发展起着举足轻重的作用。中国日光温室的发展必将经过“出现—增长—快速发展—饱和”的过程，在面积逐渐饱和的现阶段，提升装备水平和生产性能是日光温室工程发展的重要方向。目前，随着工程技术的发展与相关建设优化理论等的逐步完善，研究热点已从日光温室的结构参数优化转换到主被动环境调控技术与装备研发、智慧管理技术等方向。现阶段是日光温室工程技术发展的“拐点”，日光温室所创造的环境会越来越优化与可控，更好地服务于设施农业生产。

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