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周博士考察拾零（八十一）
一种模块化内保温连栋塑料温室
温室设施在北方地区冬季运行，能耗是构成生产成本的重要因素，所以节能一直是各种温室设施设计和建设中重点关注的关键控制要素。笔者曾对中国创新的高效保温塑料大棚和日光温室进行过专题总结报道，对保温型连栋温室也曾报道过一种平卷被多层内保温温室 。2017 年笔者在走访调研中先后在河北、山东等地看到了艾森贝克农业设备（北京）有限公司建设的一种模块化的内保温连栋塑料温室，不仅保温性能好，而且夏季的降温性能也不错，其中的一些设计理念对我们很有启发，现介绍给大家，供业内同行们研究和借鉴。
温室建筑结构
从外观上看，这种温室和传统的连栋塑料温室没有太大区别，圆拱形屋面、屋顶安装外遮阳系统、侧墙安装手动或电动卷膜通风系统（图 1），但细看温室的侧墙，该温室摒弃了传统的直立侧墙结构，而采用了圆弧形的侧墙外形（实际上是在保留传统连栋塑料温室直立侧墙的基础上又附加了一层外形呈圆弧状的保温结构）。
这种改变一是可以在侧墙形成气流导流面，有利于提高结构的抗风能力；二是这种附加结构可以和温室侧墙直立面之间形成侧墙空气间层，有利于提高温室墙体的保温性能；三是采用弧面结构，这种结构较平面结构，构件承受侧面风荷载后的受力性能更好（更多的压力替代了弯矩）；四是改变了原侧墙立柱的承力方式（风荷载由布满立柱的线荷载变成了只作用在柱顶的点荷载，而且由于外弧结构的分担，使作用在柱顶的点荷载较作用在柱体的线荷载的总荷载效应大大减小）。
从图 1 还可以看到，温室的平面可以任意组合，在温室的跨度方向按温室跨数，可以是双连跨，也可以是三连跨或更多的跨数；在温室的开间方向，可以按照温室的开间模数（ 3 m）按照建设场地的地形条件，可长可短，形成了温室平面组合上的模块化设计。由于温室采用了完全自然通风方式通风和降温，生产中大都采用双连跨或三连跨结构，标准单元温室的跨度 10 m，开间 3 m，檐 高 2.668 m， 脊 高 5.165 m， 室 外 遮 阳 网 高 度5.872 m（图 2）。三连跨温室在跨度方向上温室自然通风的距离保持在 30 m 左右，是理想的自然通风温室。
从温室结构看，温室有 2 种结构形式：一种是屋面结构不设下弦杆（图 3a），室内空间大，作业无障碍；另一种是在柱顶设水平系杆，并用2 根立柱支撑系杆（图 3b），便于吊挂作物和安装水平内保温幕。可根据室内种植作物和温室建设地区的风雪荷载选择使用。对种植叶菜、草莓等低矮作物的生产温室可采用标准型无水平系杆的温室结构，对种植长季节吊蔓作物（如黄瓜、番茄、辣椒等）的生产温室可选择带水平系杆的温室结构，这样种植作物的选择基本不影响温室的标准化结构，从而实现了温室结构的模块化选型。针对不同种植品种、不同种植地区，可因地制宜选择经济适用、造价低廉的单元配置，提高了温室结构的通用性和温室配置的适应性。
温室通风系统
通风系统是每种类型温室必须首先考虑的设备配置。该温室选择配置了连栋塑料温室标准的侧墙和屋面卷膜通风系统（图 4），均采用电动卷膜器操控，可根据室内外温度实现自动控制。温室在选择配置电动卷膜器时，根据温室的连跨数和建设场地的常年风向和风力大小，可以仅配置侧墙卷膜器（主要针对双连跨温室），也可仅配置屋面卷膜器（主要针对寒冷地区），还可侧墙和屋面均配置卷膜通风系统，从而实现温室卷膜通风系统的模块化设计和选择性配置。
除了温室侧墙和屋面卷膜通风系统外，该温室还在屋顶安装了无动力自然排风机（图 5），每跨屋面上相隔一个开间安装 1 台排风机（间距6 m），依靠室内外温度差形成的热压作用，形成温室的自然通风。这种通风系统日常运行无能源消耗，设备安装也不需要电力负荷和电路布线，节省了温室的运行能耗和运行成本。无动力风机有多种规格，表 1 是各种规格的主要技术参数，可供设计选择应用。
对屋顶无动力自然排风机的设计也应根据温室建设地区的风力条件结合温室的侧墙和屋面卷膜通风系统综合分析后选择使用。对于夏季室外温度高且风力小的地区，无动力自然排风机能够充分发挥其排风作用，而对于室外风速较大的地区，温室依靠屋面和侧墙的卷膜通风，在风压和热压的共同作用下即可达到理想的温室通风，这种情况下，温室则无需设计安装屋顶无动力排风机。从这个角度讲，温室通风系统又形成了 2 种自然通风系统的模块化选择和设计。
温室降温系统
自然通风是温室降温中最经济的方式。但完全依靠自然通风，在夏季炎热的季节，当室外风力较小或无风时刻，难以达到温室内理想的控制温度，因此，配套其他的降温设施是连栋温室周年生产的必要条件。
外遮阳降温系统是温室常用的夏季降温的廉价设施。在温室屋脊 500 mm 以上位置安装室外遮阳网，可直接将室外强光阻挡在温室之外，从源头上消除或减弱温室的降温负荷，是一种最经济有效的降温方式。只要选择适宜室内作物要求光照条件的具有一定透光率的室外遮阳网，可使温室的降温性能达到理想的经济有效的效果。为了能适应不同季节天气条件下的遮阳降温需要，一般室外遮阳网均设计为自动控制的可启闭遮阳网系统，在需要阳光进入温室时能够收拢遮阳网，保证温室的采光。
该温室在配置标准的室外遮阳网的同时，还配置了屋面喷淋系统（图 6a），一方面可通过在屋面外喷淋形成水雾降低温室屋面周围的空气温度，增大室内外温差，提高温室屋面通风口气流传输的速度，加大室内热量对外交换的速度；另一方面，喷淋水滴可直接降低温室屋面塑料薄膜的表面温度，使温室内通过塑料薄膜的热量传导速度也大大加快，从而显著提高温室降温的效率。此外，由于在室外喷淋降温，不会造成温室内空气湿度增大，而且喷淋水还可以通过温室天沟回收后循环利用，不浪费水资源，具有节水和生态环保的作用。这种屋面喷淋降温系统在国内大部分的连栋温室中均没有采用，实践中，温室设计和生产者可借鉴这种技术，形成廉价、高效的降温设施。该喷雾降温系统除了夏季温室降温外，在尘土较重的北方地区还可以用于清洗温室屋面塑料薄膜上的灰尘，定期清洗屋面积灰，可以有效提高温室屋面的透光率，尤其在光照不足的冬季，提高温室屋面的透光率不仅可以提高温室作物的光合强度，增加作物产量、提高作物品质，而且还可以提高温室内温度，更有利于作物生长和减少温室的加温负荷，具有一举多得的效果。
除了室外的吊挂式喷雾降温系统外，该温室还在室内配套了一套喷雾降温风机（图 3、图6b）。在温室内每跨配套 2 组风机，分别安装在以屋脊为对称的两根屋面纵向系杆上。风机在温室长度方向上的间距为 20 m，对 60 m 长温室，每跨安装 6 台风机（双列，每列 3 台）。该风机是在传统循环风机的基础上，在风机的排风侧附加安装了一套供水系统（图 6b 中蓝色管为供水管）和一个布水盘，供水水管中的水流在动力作用下射入布水盘，在排风机风力的作用下，布水盘中的水流在风机的排风端被风力切割、冲击形成细雾，伴随风机的气流扩散到温室中，与室内高温空气混合。随着水分的蒸发吸热，而降低温室中的空气温度。当供水管中停止供水后，该风机可直接用作室内水平环流风机，开机运行可有效扰动空气，提高作物冠层和叶面周围空气的流动速度，夜间可减少病害，白天可增加作物的光合作用。所以，该风机具有降温和扰流的双重功能。但室内喷雾风机运行可能会增大温室室内的空气湿度，运行中应同时检测温室空气的温度和湿度，在保证降温的同时应尽量减小温室空气湿度，避免空气湿度过高引起作物病害。
由于温室配置了以上室内外多种通风和降温设备，完全省去了传统连栋温室常规配套的湿帘风机降温系统，不仅降低了温室建设的投资，而且也大大降低了温室的运行费用（湿帘风机降温系统在夏季风机和水泵运行的能耗一般占生产成本的 10%~20%），所以，是一种高效的温室降温系统。多种降温设备也为温室的夏季降温提供了多种模块化的选择方案。
温室保温系统
保温系统也是该温室的一个非常独特的配置。不像双层结构内保温塑料大棚 ，该温室没有用双层结构却形成了事实上的双层保温结构。首先在侧墙外侧，通过增加弧形侧墙附加杆件（图7a）在温室的直立侧墙与弧面侧墙之间形成了能够保温隔热的空气间层，外层用塑料薄膜围护，白天用卷膜通风机打开通风，夜间关闭通风口覆盖保温（为了保证有效防虫，在塑料薄膜的内侧安装了固定的防虫网，防虫网的目数可根据室内种植作物的要求进行选择）。在直立侧墙的内侧同样采用电动卷膜器控制内保温幕（图 7b），实现直立侧墙与弧面侧墙的封闭，从而形成侧墙的双层隔热空间，降低温室通过侧墙的传热。白天温度升高后，可卷起内侧保温幕实现温室采光；当需要通风时，可同时卷起内层保温幕和外层塑料薄膜形成侧墙通风口进行通风换气。
在温室内檐口高度安装室内水平移动的内保温幕，采用钢缆拉幕系统操控保温幕的启闭（驱动轴及驱动电机减速机安装在侧墙直立柱外侧，如图 7a），同时将水平保温幕的两端伸出，并自由下垂到地面，与温室两端的山墙之间形成隔热间层，随着水平保温幕的启闭而启闭（图 7c）。从总体上看，在温室内形成了一个封闭的夹套保温空间，屋面、山墙和弧面侧墙上的塑料薄膜形成外层围护，室内水平保温幕（含两端的山墙侧垂直保温幕）与两侧直立侧墙的保温幕形成内层保温，完全隔离的双层空间，形成保温的“瓶胆”效应，使温室冬季的夜间保温性能得到大大提高。白天所有内层保温幕卷起或收拢，基本不影响温室的采光。到了夏季当室外太阳辐射强烈的时刻，也可将室内水平保温幕展开，在很大程度上也能起到温室遮阳降温的作用。
保温效果实测结果
2018 年 1 月，笔者选择了位于山东临沂一个园区内一栋双连跨的保温温室（图 1a），对其保温性能进行了测试。测试分别在室外、侧墙、屋面和室内水平保温幕之间的空气间层以及温室内种植区布置温度测点（图 8）。
图 9 为 2018 年 1 月份整月的室内外温度变化（其中室内温度以图 8 中测点 2 为代表）。由图可见，在室外温度 -6℃左右时，室内温度基本保持在了 0℃以上，也就是说这种温室基本可以保证 6℃的室内外温差，在冬季室外温度 -5℃以上的地区越冬生产叶菜应该没有问题；在室外温度在 0℃以上地区，可保持室内温度在 5℃以上，种植如草莓等耐低温的水果将能够安全生产。
作者：周长吉 （农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业设施结构工程重点实验室）