双膜双被水墙装配结构日光温室，助你抵挡-30℃的严寒天气！
周博士考察拾零（九十）
双膜双被水墙装配结构日光温室
2019寒地区日光温室技术研讨会”的机年1月11~12日，借参加“北方高会，参观了内蒙古包头市农业科学研究院的科研温室和包头市固阳县的设施农业生产基地，看到了由内蒙古农业大学崔世茂教授为首席的团队，在包头高寒地区进行的以果菜越冬生产为目标的日光温室结构性能提升的研究成果，深受感动，也深切地敬佩崔教授长期坚持在高寒地区的默默奉献精神。撰写此文既是对崔教授科研成果的介绍，更是表达对崔教授扎根基层，锁定目标，坚持攻关的崇高敬意。
包头市地处北纬41º20'~42º40'，包头市农业科学研究院位于包头市九原区，固阳县位于包头市以北约80km，属于高寒、高纬度、高海拔地区。
固阳县常年温度较低且风大，冬季更冷，年均气温2~5℃，其中1月份气温最低，平均-15.4℃，极端最低-36.1℃，但太阳辐射强烈、光照资源丰富，太阳年总辐射量为144.44kcal/cm2，生理辐射为69.3kcal/cm2，年日照总时数3130h，日照百分率71%，是全国富光区之一。
在初步了解高寒地区的气候特点后，让我们来聚焦崔世茂教授在高寒地区对日光温室越冬生产方面的技术创新吧。
墙体的探索与创新
对机打土墙的改良
对日光温室墙体的研究是基于山东寿光机打土墙结构（图1）。这种结构土墙保温性能好、墙体建造材料就地取材、造价低廉，因此深受广大农户的欢迎，在北方地区有很大的推广面积，固阳县也引进建设了这种形式的温室。但这种结构地面下挖、室内多柱、通风不良、排水困难和机械作业不便等诸多问题近年来也不断受到种植者的诟病，而且这种温室由于前屋面保温性能差，在高寒地区进行果菜越冬生产存在很大风险。
针对山东寿光机打土墙结构日光温室存在的问题，崔教授的团队以土墙为基础推出了一种室内无立柱、地面不下挖的土墙结构日光温室（图2）。该结构的墙体底宽5.05m，顶宽1.85m，墙高3.2m，墙体外表面用砖和塑料薄膜等覆盖进行保护，墙体内表面则间隔内嵌钢筋混凝土立柱，柱顶设圈梁，圈梁下接立柱，上连屋面拱架，形成钢筋混凝土梁柱和屋面桁架结构的温室承力体系。虽然机打土墙仍然担负着重要的承重功能（和后墙立柱共同组成承力体），但立柱的存在却大大减轻了土墙的承载力，再通过外表面的保护，使温室后墙的设计使用寿命大大延长。此外，室内无立柱、地面不下挖也更便于机械化作业，温室建筑设计更符合未来发展方向。
对砖墙复合墙体的改良
传统的砖墙复合墙体多为三层复合墙体，即在双层砖墙内填土或其他保温材料。内层填土，填充材料可就地取材，造价低廉，是生产中最常用的一种填充材料，一般填土厚度为500~1000mm。早年间，笔者曾在内蒙古考察中发现有填土厚度达到2m以上的做法，主要是考虑到内蒙古地区冬季寒冷，为增强温室保温性能大都通过增加墙体厚度来提高热阻。这种做法虽然温室墙体的保温性能增强了，但建造墙体的用土量大，大量取土对土地的破坏严重，因此从保护耕地、保护生态的角度出发，近年来对土墙温室以及夹土砖墙温室的未来发展前景，业内提出了很多质疑的声音。
为了尽量减少或消除砖墙复合墙体中的填土，崔教授的团队研究开发了2种新型砖墙复合墙体结构（图3）。
一种是在双240mm厚砖墙内填900mm厚土层和100mm厚聚苯板，用阻热能力强的聚苯板部分替代阻热能力弱的土壤，形成总厚度为1.5m的四层砖墙复合墙（图3a）。从墙体的总热阻看，这种做法已经达到了2000mm厚土墙的热阻，但用土量不足机打土墙温室的1/3，墙体占地面积不足机打土墙温室的30%。在保证墙体保温和储热的条件下，不仅节约了建筑用土，还节省了大量建设用地。
另一种做法是完全摒弃砖墙夹土的方案，直接用370mm厚砖墙外贴100mm厚聚苯板，用砖墙承重、储热，聚苯板保温隔热，形成双层复合墙体（图3b），进一步将墙体的建设用地压缩到0.5m之内，不足四层复合砖墙占地面积的1/3，而且建造速度快，建筑用材少，建设成本低。从墙体保温储热的理论分析，内层砖墙储放热量，外层聚苯板保温隔热，墙体各层功能明确，用材经济，是未来被动式日光温室墙体结构的发展方向。内层砖墙使用寿命长、承载能力强，不仅可用于承载温室屋面荷载，还可以用于承载作物荷载（可将作物水平吊蔓线直接固定在后墙表面），此外，墙体表面卫生、整洁，还有一定量的反光，可弥补部分后排作物光照的不足（图3c）。
对轻型组装结构墙体材料的探索
上述不论是机打土墙温室，还是砖墙复合墙体温室，其共同特点是墙体承重并兼具被动储放热的功能，是典型的被动式日光温室结构。这种结构的最大缺点是不能控制墙体的储放热时间和大小，因此在遇到极端天气时，自身调节和应对能力不足。此外，这种结构的土建工程建设周期长、墙体建设占地面积大、温室建设标准化程度低、施工质量参差不齐，尤其在烧结黏土砖被禁止后，蒸压灰砖的强度低，且建设的成本越来越高，而建设土墙对土壤的破坏严重，生态环境难恢复，业界对改造和更新土建墙体的呼声越来越高。
崔教授的团队顺应时代发展的要求，积极探索土墙结构日光温室的改进升级办法，基于主动储放热理论，先后试验提出了2种形式的轻型结构组装式墙体：一种是刚性彩钢板墙体日光温室（图4）；另一种是柔性保温被墙体日光温室（图5）。
这2种轻型材料墙体结构，完全摆脱了墙体承重和储放热的理念，温室的承重采用后墙立柱与温室屋面结构形成整体组装式框架结构，温室储放热采用主/被动储放热技术，使墙体的占地面积控制在200mm以内，而且所有建筑材料和温室结构全部实现工厂化生产、现场组装，不仅大大加快了温室的建设速度，也显著提高了建设的标准化程度，尤其是温室建设不再破坏土地，温室墙体的占地面积也大大减少。应该说这种墙体改造方案是当前业内普遍认同的一种未来日光温室发展方向。随着研究的不断深入，相信不久，将会有更多、更有效的建筑材料呈现在世人面前，为中国日光温室的改造升级提供更方便、快捷的解决方案。
在室外温度更低的高寒地区，为了进一步提高温室后墙的保温性能，还可将上述2种保温材料结合使用，即在刚性聚苯板保温层的外侧再增加一层柔性保温被保温，形成刚柔复合的双层保温墙体。对于这层柔性保温被的取舍以及保温被的厚度可完全根据建设地区的气候条件确定，安装方便、拆卸容易、管理灵活，可满足不同气候条件温室建设的需要，可以说找到了一种符合未来发展方向并适合不同气候条件的“万能”日光温室保温墙体。
屋面保温技术的探索与创新
日光温室是一种高保温建筑。屋面是日光温室最大的散热面，在做好墙体保温后，如何提高温室屋面的保温性能一直是日光温室结构研究的重点。
传统的日光温室屋面保温基本都采用单层或多层外保温被保温，白天打开保温被温室采光，夜间展开保温被温室保温，温室外保温被与围护屋面的透光塑料薄膜形成单膜单被的屋面保温结构。由于单层保温被材料厚度和保温能力的局限，多层保温被卷放又不方便，再加上固阳地区冬季严寒，室外最低气温常常突破-30℃，在不加温的条件下，不论采用什么样的保温被，单膜单被的保温结构都难以实现温室冬季果菜作物的安全越冬生产。
双膜双被保温结构
为了突破严寒地区温室冬季安全生产的技术瓶颈，崔世茂教授的团队采用了内外双层保温的结构形式，一方面通过双层保温材料的双重热阻来提高温室的保温性能，另一方面则通过双层保温材料之间的空气间层绝热进一步增大温室屋面的热阻。
对双层保温结构的探索，起步于双膜单被模式，就是在传统日光温室单膜单被保温结构的基础上，在室内再增加一层透光塑料薄膜（称为“内膜”）。增加内膜后，可在夜间与屋面外层塑料薄膜之间形成空气间层，提高温室屋面的保温性能，而到了白天卷起内膜可不影响温室的采光。在室外光照强、室内外温差大时，也可以卷起保温被而保留双层透光膜，在满足温室采光的条件下可显著降低白天温室屋面的散热，提升室内温度。这种设计方案投资不大，管理灵活，较单膜单被保温结构保温性能有显著提升。
双膜单被结构的做法有2种形式：一种是保温被覆盖在外膜上，这是传统日光温室保温被的覆盖方式，不多赘述；另一种是保温被覆盖在内膜上，也就是将传统的外保温被从温室室外转移到温室室内形成内保温被。内置保温被的优点是保温被不再受室外环境的影响，下雨或降雪不会淋湿保温被，从而保证保温被的保温性能，也不会额外增加温室屋面荷载；刮风时不会掀起保温被（尤其适合冬季多风的包头固阳地区）；早晨保温被不会出现底脚冻结影响起被，可保证温室的有效采光和及早升温；保温被安装在室内也不受室外强烈紫外线和极端气候的影响，可有效延长保温被的使用寿命。但内置保温被后发现，由于室外温度较低，外膜受冷后在内表面出现结冰，早晨太阳升起后需要较长时间消冰，这反而影响了温室的实际采光时间。通过实践证明，虽然这种技术方案有诸多优点，但在特别寒冷的固阳地区，影响采光这一致命的弱点直接导致了该技术方案在推广中被否决。
此外，不论是保温被外置还是内置，由于塑料薄膜薄，自身的热阻太小，仅用双膜单被保温结构还难以抵御固阳室外-20℃以下的低温。为此，后面的改进将上述的双膜单被改为了单膜双被模式（图6a），也就是将室内单层塑料薄膜更换为专用轻质防水保温被。这种形式的保温结构，实现了双重保温被加空气间层的复合保温模式，极大地提高了温室的保温性能。但在生产中发现，由于固阳地区冬季特别寒冷，即使外膜外覆盖保温被，夜间外保温被下塑料薄膜也经常处于0℃以下的环境中，仍然会发生双膜单被内置保温被方案中覆盖温室的外层透光塑料薄膜的内表面早上结冰的情况（图7），即使外保温被卷起接受室外太阳辐射，由于塑料薄膜表面结冰，阻挡了大量室外光照进入温室，一方面严重影响温室内的光照强度，另一方面在塑料薄膜表面结冰溶化的过程中形成大量水滴滴落到温室作物冠层（采用流滴膜会减轻直接滴落作物冠层的水滴量），增加了作物发生病害的风险。究其原因，主要是室内夜间湿度太高，内层保温被密封性能不够，无法完全隔绝室内湿气向双层保温被之间空气间层的运动。
为了减轻或消除外层塑料薄膜夜间结冰的问题，一是增加外层保温被的热阻，提高外层塑料薄膜的表面温度（这会大大增加保温被的成本，给保温被卷放也带来困难）；二是在内层保温被下再增设一层塑料薄膜，形成双膜双被的保温结构（图6b、6c），用塑料薄膜隔断室内湿气向双层保温被之间空气间层的运动（这种方法，投资不多且密封性好、隔气效果更好）；三是在温室地面铺设稻草（图8），一方面降低地面蒸发，从而降低温室内空气湿度，另一方面也能增加地面保温，提高土壤温度，此外，稻草秸秆有机质分解还能补充室内CO2。为此，在推广应用中采用了后两者的结合，通过降低外层塑料薄膜内侧的空气湿度来减少或消除夜间表面结冰。应该说这也是一种在实践中发现问题、解决问题的科学研究方法。
采用双膜双被保温结构后，不仅增强了温室的保温性能，而且使温室内环境控制的手段更多变、更灵活。双层保温被以及内层保温膜均可以独立控制启闭，早晨太阳升起后，室外气温很低，可打开外层保温被，使外层塑料薄膜尽快消冰（如果出现结冰情况时），同时提高双层保温被空气间层的温度，避免内层保温被打开后温室内温度出现剧烈波动；白天当室内外温差较大时，也可不打开内层塑料薄膜，形成双层膜保温结构，既不影响温室采光，也能有效提高温室内的温度。
当室内温度超过作物适宜生长温度后，打开内层保温膜，同时根据室外温度条件适时打开外层保温膜的通风系统（包括屋脊通风口和前屋面通风口，图9a、9b），由于温室外层塑料薄膜的通风控制系统设置在外层保温被的下部，所以当外层保温被展开时，温室的通风系统将自动处于关闭状态（图9c、9d）。应该说双膜双被保温结构是一种非常适合严寒地区日光温室的保温系统。
温室承力结构的探索与创新
对温室承力结构的创新探索主要是基于上述双膜双被保温结构展开的。虽然在早期的单膜单被传统日光温室承力结构的探索中也曾尝试过目前比较流行的单管（椭圆管）骨架（图10a），但由于单膜单被结构的保温性能难以满足高寒地区温室越冬保温的需要，所以，后来的研究主要集中在选择适合双膜双被保温结构的双层承力骨架上。
在双层承力结构的探索中，为保证结构的承力安全，起先采用了双层桁架结构，包括双层焊接桁架（图10b）和双层组装桁架（图10c）。其中选择采用组装桁架，主要是考虑焊接桁架的焊接工作量大，桁架焊接后无法表面镀锌，在温室高温高湿的环境中构件将很快锈蚀，结构的使用寿命受到很大影响，而组装式桁架可直接采用镀锌钢管做上下弦杆，用工厂化生产的热浸镀锌连接卡具现场连接上下弦杆，完全摆脱了结构的焊接作业，避免了焊接作业对构件表面镀锌层的破坏，可大大延长结构的使用寿命，而且构件和连接卡具全部采用工厂化生产，加工流程化、产品标准化，现场安装速度快，符合现代建筑工业化的发展方向。
从温室结构的承力条件分析，外层桁架除了承受外层保温被的作用外，还承受室外风雪荷载以及安装检修荷载等，而内层桁架则只承受内层保温被荷载，根据种植作物的情况，有的温室内层桁架可能还承载作物吊挂荷载的作用。从理论上讲，两层桁架结构承受的荷载不同，其构件截面尺寸理应不同，而且双层桁架结构室内遮光也比较严重。基于这样的理论基础，在精准分析双层结构承力的基础上，研究团队提出了外层桁架、内层单管（椭圆管）的双层承力结构（图10d），进一步优化了温室结构，不仅降低了温室造价，而且也减少了骨架在室内的阴影。应该说，外层桁架、内层单管是目前比较合理的结构形式。当然，在分析建设地区室外风雪荷载的基础上能否将外层桁架进一步简化为椭圆管单管结构，也可以因地制宜地选择和研究确定。此外，对单管材料的选择，目前市场上也很流行一种用镀锌钢带辊压成型的外卷边C形钢，可利用C形钢的开口直接固定塑料薄膜，更可形成三膜双被保温结构，对极端严寒的地区也可能是一种更有效的保温解决方案。
温室储放热技术的探索与创新
严密保温和被动储热是传统日光温室在严寒地区能够越冬生产的两大法宝。前面已对崔教授团队在墙体和屋面保温方面的创新进行了阐述，下面我们再来看看他们在墙体储放热方面的创新探索。
土墙和砖墙是传统日光温室的被动储热墙体，这一理论已经得到了业界的共识，在生产实践中也得到了广泛应用。但采用轻型组装结构温室形式后，由于温室后墙材料采用了轻质保温材料（图4~5），传统的土墙和砖墙储热体已不复存在，如何在轻质保温墙体材料的基础上保留土墙和砖墙的储热功能，是当前轻型组装结构日光温室面临的重大课题。
为了破解轻型组装结构日光温室后墙储热的难题，国内的学者提出过很多方法，包括相变材料储热法、水体被动/主动储热法、空气被动/主动储热法等，储热的部位也从墙体表面扩大到墙体内部和温室地面土壤。在众多的方法中，崔教授团队选择了水体储热的方法。水，来源丰富、造价低廉、控制方便、储放热容量大，是一种比较经济实用的储热材料。在选择水体储热载体的过程中，他们先后试验了水管、幕式吸热帘、水袋以及水箱等储水载体。
水管储热
在水管储热方式的研究中，他们先后选择使用了不同材质的水管（包括透明管和黑色管，图11），也对水管的不同管径（φ100mm、φ50mm）、不同布置间距（400、200、50mm）进行了试验。但总体而言，采用水管储热的方式总储水量不足，以φ100mm@400mm为例，每根长度（高度）约2.0m，单根水管的储水量约0.0157m3，100m长温室满布水管后的总储水量约4m3。
如果水管中的水不另设水池循环加热，4m3的热水，即使水温达到40℃，放热到15℃，总放热量仅（4.184×106）kcal，按1h的散热时间计算，相当于每平方米地面积补充了26kcal/h热量。对严寒地区的日光温室，这点热量似乎微不足道。如果要设置储水池，就需要配套动力水泵对管道中水体进行强制循环，不仅建设投资高，而且运行费用也不低，建设水池还需要占用温室种植面积（将储水池建设在地下不占用温室种植面积，但建设周期和建设费用较高）。这种方式的主要问题还是管道表面积小，总的吸热量少，而且管道连接容易漏水需要经常检修，因此，在最终的应用中没有继续推广。
幕式吸热帘
幕式吸热帘（图12）是一种高效吸热橡胶材料，表面黑色吸热能力强，材料本身导热速度也快。每条带宽200mm，其上压制9根直径10mm储水管。吸热帘满铺温室后墙，帘下地面上安装宽250~300mm、高300mm、长与温室后墙同长的储水槽，采用动力泵循环的方法进行强制循环吸热。
按2.0m高度幕帘计算，100m长温室后墙吸热帘储水管道的总储水量约为0.7m3，再加上吸热帘下部的储水槽容量7.5~9m3，总储水量8~10m3。应该说总储水量比水管储水量有了很大提高，而且这种材料的吸热能力强，吸热帘管内水温比单纯的水管吸热的水管中水温高，总储放热量至少应能达到水管储放热的2~3倍。但由于吸热帘是一种新型材料，目前价格较高，而且夏季吸热帘下部的水槽受热后容易变形而出现漏水等问题，这种储热技术在生产中也没有得到推广应用。
水袋
鉴于上述水管和吸热帘的总储水量有限，研究曾尝试采用柔性材料的水袋储水（图13）。这种储水方式储水量大，应该说是日光温室墙体储热的一种有效方法。但水袋无形、不易固定，对支撑水袋结构的构件布置密度和构件强度要求也高，在试验研究中最终放弃了这种方案。但受此启发，采用硬质塑料制成的水箱替代柔性材料的水袋，不仅增大了储水量，而且安装更方便。
水箱
受水袋储水量大的启发，研究团队专门开发了一种表面黑色的高分子高密度聚乙烯材料的储水水箱（图14）。为增强箱体自身的强度，在箱体设计时对箱体表面设计了压槽，在箱体内还设计了加强肋，可保证箱体在盛满水后能够自承重且不变形。该水箱的外形尺寸为900mm×1400mm×200mm（宽×高×厚），单体水箱理论储水量0.2m3，实际储水量为0.18m3。在整个温室后墙上分上下两层布设，100m长温室可布设100组，总储水量达36m3。由此可见，不论是水管储水还是幕式吸热帘储水，其储水量都远远达不到水箱的储水容量，这种水箱储水的方法大大增加了后墙的储水量，相应地温室储热和放热量也将随之增大。这种水箱储水的方法是目前国内日光温室后墙被动储放热的首次创新，从应用效果看具有良好的推广应用前景。
为了支撑和安装这种水箱，研究团队专门设计了一种水箱支撑架，一是对水箱进行限位；二是支撑上部水箱（图14b），下部水箱则直接支撑在地面基础上（图14c）。为了尽量减少水箱向外的传热，设计还在水箱与墙体之间夹设了一层隔热板（图14中水箱背面的蓝色材料），可最大限度减少储热箱体内热量通过后墙的损失。
为了进一步增加水箱的储热容量，笔者建议可以将水箱中的淡水更换为盐水，将盐水浓度控制在10%或更高的水平，水箱的储热量至少还可以提高20%以上。
双膜双被水墙装配式日光温室的性能
通过上述研究提出的双膜双被水墙装配式日光温室的性能究竟如何呢？让我们首先走进包头市固阳县两个相距不足10km的园区看看温室中的种植情况吧。
一个园区是内蒙古包头市现代农业固阳示范基地，其中的轻型装配式结构日光温室基本采用双膜双被水墙技术（图4~5，以下简称双膜双被温室），种植作物包括草莓、番茄等低温和喜温果菜。另一个园区是完全按照山东寿光技术建造的下挖式机打土墙结构琴弦式日光温室（图1，以下简称寿光型土墙温室），室内种植番茄并配有加热炉（图15a）。
2019年1月11日，这一天正处在农历小寒与大寒之间，当地室外最低温度在-20℃以下。一大早我们来到2个园区参观，看到了两重完全不同的景象。寿光型土墙温室内种植的番茄全部受冻（图15b，据介绍温室内作物是12月底的第1次寒流中由于没有及时开启加温系统而受冻的），而双膜双被温室中种植的草莓（图14a）、番茄（图8）等果菜却是果实累累、生机盎然。作物的长势已经说明了温室的性能。双膜双被温室在-20℃以下的室外温度条件下室内作物能正常生产，说明其保温和储热的性能至少可以抵御30℃以上的室内外温差环境。
有了直观的感受，再来让我们看看温室的具体测试性能。试验温室采用双膜双被保温的轻型组装式结构，后墙采用100mm厚彩钢板外包保温被的做法。对照温室采用双膜单被机打土墙结构，这种温室由于室内增加了一层塑料薄膜，其保温性能应该比图15所示的寿光型机打土墙温室的保温性能更好。
图16是2018年12月27~28日连续2天试验温室和对照温室以及试验温室水箱内的温度变化。由图可见，在室外最低气温接近-30℃的条件下，试验温室内的最低空气温度接近10℃，而对照温室内的最低空气温度则接近0℃。从气温的绝对值可以看出，试验温室完全可以安全生产果菜类作物，而对照温室则只能生产耐低温的叶菜类作物。两者将近10℃的温差不仅是双膜双被的贡献，更有蓄热水箱的贡献。由图16还可以看出，从14:00~15:00之后，水箱内水温始终高于室内空气温度，直到次日9:00以后，两者的温差在10℃左右，说明整个夜间水箱都在向室内放热，放热时间长达18h，而且放热量还不小。
从以上实际种植效果和温室性能试验数据可以做出基本判断：双膜双被水箱墙体组装结构日光温室在室外光照充足的条件下，能够抵御室外接近-30℃的严寒天气安全生产喜温果菜。应该说这是中国日光温室结构性能研究方面的一个重大突破，也是高寒地区日光温室喜温果菜生产中的一项创举。希望崔教授的团队能进一步熟化技术，针对不同的气候特点研究提出温室保温和储热设计的理论方法，将这一技术尽快推广应用到其他地区，为我国日光温室结构的轻简化发展和提高日光温室建设的土地利用率、减少或避免对农田土壤的破坏做出更大的贡献。
作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院）
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