这栋温室如何玩转冬季保温问题？专家带你去了解！
平卷被多层内保温塑料温室
——中国农业机械化协会设施农业分会 2017 年设施农业装备创新成果评介
踏进建设温室的生产园区，远远望去，我们要考察的温室是几栋锯齿形连栋塑料温室（图1a），分散在园区的不同位置。据杨总经理介绍，标准温室为6连跨建筑，温室跨度7.0m，檐高3.5m，屋面脊高5.57m，锯齿通风口顶部高度为6.5m，温室开间3.0m，长度可按照开间的模数设计和建造，控制在60m以内。
走近细看，原来这栋温室除了外形为锯齿形外，实际上还是一栋温室内套温室的双层结构温室，双层屋面（以下分别称为外屋面和内屋面）在温室中部共用室内立柱（图1b、图2a），通过各自的天沟连接到温室立柱，而到了两侧则分别支撑在各自独立的侧墙立柱上（两侧墙立柱间距0.8m）。温室的山墙也同样是双层墙，从平面上看，温室的内外结构形成了一个完整的“回”字结构（图2b），在内外两层结构间形成了一定空间的空气间层，一方面，可以利用空气的隔热减少温室的热负荷，另一方面，也是为安装内层塑料薄膜和卷膜机构等操作以及设备维修提供了必要的空间。两侧山墙由于双层结构以及内保温，实际上每堵山墙的保温占据了一个3.0m的开间，温室的有效保温空间为（18×3m）×（6×7m）=2268m2，地面有效利用率为86.7%。当然，到了夏季可打开山墙的内保温层，可扩大温室的种植面积到2394m2，地面有效利用率可达到91.5%。温室不设外遮阳和湿帘风机降温系统。温室生产以多肉植物种植和育苗为主。
图2 温室平面图、剖面图
通风是温室夏季降温和春秋，乃至冬季换气的主要手段。由于温室没有配套传统温室使用的湿帘风机降温系统，为了增强温室夏季降温能力，温室从建筑形式上采用了锯齿形屋面结构，这是自然通风温室中通风能力最强的一种结构形式。为了避免室外主导风向正对屋面锯齿口从温室通风口倒灌冷风，同时也从结构承力的角度考虑减少温室屋面的局部荷载，温室在锯齿口朝向设置时，将最外侧两跨温室的屋面锯齿口都面向温室宽度方向开启，这样无论从侧墙哪个方风向吹来的风都不会直接面对锯齿口。中间跨屋面上的锯齿口方向则根据温室建设地区当地夏季主导风向的方向开启，以最大限度提高温室的夏季自然通风降温能力。当地夏季主导风向为西北风，该温室中间跨锯齿口全部朝东（图1a）。每个屋面锯齿口通长安装竖直方向启闭的电动卷膜开窗机构，根据室外天气条件和室内种植作物的生长要求以及室外风力大小，可自动控制卷膜器的启闭。
由于温室是双层结构，而且双层结构都用塑料薄膜覆盖，所以，温室的通风除了要打开外层屋面和墙面通风口的覆盖物外，同时还要打开内层结构在屋面和墙面上通风口的覆盖物才能形成有效的通风系统。
图3a是温室内层结构屋面通风口设置位置和开启方式，通风口设置在了内层结构的屋脊两侧，采用卷膜开窗的方式从内层屋面的两侧向屋脊卷起。由于内层屋面的通风口与外层屋面的锯齿通风口处在正对的垂直位置，两者形成了良好的“烟囱效应”，更有利于室内外气流的交换。
除了屋脊通风口外，温室的侧墙和山墙均设置了内外两层结构的通风口（图3b~3d），并且均采用电动卷膜方式控制启闭。为了节约成本，仅在温室的外层结构通风口上安装了适宜防护的防虫网，内层结构不设防虫网。当然，对于防护要求较高的种植作物，也可考虑在内外双层结构的通风口均安装防虫网。但由于防虫网对温室的通风具有一定的阻碍作用，在不影响温室作物防虫的情况下，还是尽量采用一层防虫网更好。
温室运行中屋脊通风口可以单独运行，也可以和侧墙、山墙通风口配合运行。冬季通风量需求较小时，仅打开屋脊通风口即可满足排湿和换气的要求，不需要大流量通风，而到了夏季则需要将山墙、侧墙和屋脊的通风口全部打开进行联合通风降温。春秋季节可根据室外温度和光照的变化，适时开启屋脊通风口和侧墙、山墙通风口进行通风降温或排湿。
遮阳是温室夏季降温的主要手段。该温室由于没有设置外遮阳系统，设置内遮阳系统就是夏季遮阳降温的唯一选择。为了增强温室的遮阳降温能力以及不同遮阳水平的调节，该温室设计了2种形式的内遮阳系统，一种是利用温室的内屋面拱架，在其外表面铺设遮阳网，可以是固定的，也可以是用卷膜方式开启的（以下简称拱形遮阳，图4a）；另一种是采用传统连栋温室的平拉幕内遮阳系统（以下简称水平遮阳，图4b）。
拱形遮阳系统可直接利用温室内层骨架，除了配置卷膜器和必要的卡槽/卡簧固定遮阳网外，不需要配套其他设备，安装简单、设备用量少。夏季遮阳降温期间可拆除内层屋面塑料薄膜，将遮阳网永久固定在内层骨架上，也可以铺放在塑料薄膜上，独立配置一套手动或电动卷膜系统，根据室外光照条件随时调节遮阳网的启闭，操作更灵活，而且室内空间大，作物种植层温度低，作业人员没有空间压抑感。
水平遮阳完全采用了室内平拉幕系统的机构和设备，在温室跨度方向开启，收拢后集中在温室天沟下，基本不影响温室的采光。由于在温室跨度方向拉幕，传统的齿轮齿条拉幕系统齿条的长度不够，为此该系统采用了钢缆驱动系统，并安装减速电动驱动，可实现自动控制。由于该温室内种植多肉植物和用于多肉植物的育苗，所以，在设计中还采用了双层水平遮阳幕，使光照的控制能力进一步增强，调节也更灵活。
实际运行中可根据种植作物对光照的要求和室外光照水平，采用其中任何一层的单层遮阳，也可以将多层遮阳网同时使用或不同遮阴率遮阳网相互配合使用，以适应种植作物对光照的不同要求，这种系统尤其适用于室外光照强烈、室内种植耐阴作物的温室。
严密的保温是该温室的最大特点。除了双层结构形成的温室隔热保温体外，该温室用高保温热阻的保温被替代传统连栋温室的保温幕进行室内保温，显著地提高了温室的保温性能。使用保温被保温，不仅对温室的屋面进行了保温，而且还对温室的四周墙面进行了保温，这种完全“内胆”式的严密保温结构，是该温室保温降耗的创新亮点。
该温室的侧墙保温借用了温室的内层结构，在内层结构塑料薄膜的外侧安装保温被，如同日光温室的外保温一样，夜间塑料薄膜封闭，保温被展开，温室的保温从内到外依次是内层塑料薄膜-保温被-空气间层-外层塑料薄膜，形成“双膜单被一空间”的隔热保温结构（图5a）。保温被和通风口的启闭分别采用了相互独立的卷膜（被）电机，白天保温被卷起，温室采光，同时根据温室通风降温需要启闭卷膜通风口；夜间温室需要保温时，将卷膜通风口闭合，同时展开保温被形成严密的保温结构。春秋季节温室不需要严密保温时，可将保温被永久卷起，控制温室内层和外层结构的通风口启闭来实现温室保温和换气的要求。
温室的山墙保温没有采用与侧墙保温相同的保温结构，而是将保温被进一步退进室内单独形成保温层（图5b），使温室的保温结构从内到外依次为保温被－空气间层－内层塑料薄膜－空气间层－外层塑料薄膜，形成了“双膜单被两空间”的隔热保温结构，进一步提高了温室的保温隔热性能。保温被和温室内外两层结构通风口塑料薄膜的卷放和控制与侧墙基本相同。保温被与内层塑料薄膜之间的空间可以作为操作空间利用，夏季也可以作为种植空间利用，不会因为增加了空气间层而浪费温室土地面积。
对温室屋面的保温，该设计没有借用温室的屋面结构（不论是内层结构还是外层结构），而是采用了与水平遮阳网平行的水平覆盖/驱动保温幕形式。由于传统的连栋温室水平拉幕系统要求保温幕的厚度不能太厚，否则保温幕收拢后的体积很大，将在室内形成较大的固定阴影带，不利于温室作物的生长，此外，传统的连栋温室水平拉幕系统大多是沿温室开间方向往复运动，两幅保温幕之间的接缝较多，而且基本都是采用对接方式密封，往往是密封不严密，保温性能差。本设计采用了日光温室保温用的厚保温被，而且为了避免保温被开间方向运动造成密封不严的问题，设计采用了保温被在温室跨度方向运动的模式，保温被收拢后放置在温室天沟下，与天沟在温室中形成的阴影带重叠，可最大限度减少保温被收拢后在温室中形成的阴影，而且在天沟下设计了一幅水平永久固定的密封带，当保温被展开后可平铺在该密封带上，这种搭接式的密封方式，极大地提高了保温系统的密封性。
由于保温被材料和保温被运动方向的改变，传统的连栋温室拉幕系统将不能适用于该系统，为此，设计者创新性地设计了一种双机驱动的保温被水平运动卷被系统（图5c），这是该温室的最大创新。采用卷被系统后能够在保温被卷起时被卷卷得更紧，卷起后被卷的直径也更小，对温室白天遮阴的影响也降低到了最小程度。
由于在水平方向上保温被采用卷被方式启闭时，缺少了保温被自重作用力参与平衡保温被驱动系统的内力，仅靠单一的卷被电机反转无法打开保温被，为此，专门增设了一台驱动电机与保温被的卷被电机（分别称为展被电机和卷被电机）共同组成一套保温被卷放的双机驱动系统，保温被卷起和展开时分别采用不同的减速电机驱动，其中一台减速电机工作执行卷/放被动作（称为主动电机）时，另一台减速电机则断电形成从动电机，跟随保温被转动。卷起保温被时，卷被电机为主动电机，展被电机为从动电机，卷被电机驱动卷被轴卷起保温被，且卷被电机跟随保温被运动，将保温被卷起到温室保温被固定边所在的天沟旁；展开保温被时展被电机为主动电机，卷被电机为从动电机，展被电机及其驱动轴固定安装在保温被展开时活动边所在的温室天沟下（同幅保温被固定边和活动边分别在温室同跨的两侧立柱天沟下），展被采用绳索拉开保温被（如同日光温室的卷绳式顶卷被机一样，所不一样的是展被绳是从被卷内部拉出），展被绳一端固定在展被电机驱动轴上（该驱动轴沿温室天沟方向安装），另一端固定在卷被机的驱动轴上。卷被绳沿驱动轴方向的设置间距为3m。保温被卷起时将展被绳卷入保温被内，展开保温被时展被电机工作，带动其驱动轴转动，并将展被绳缠绕在驱动轴上，同时拉动保温被将其打开。由于保温被收放时被卷的直径在不断变化，而减速机转速是恒定的，卷放保温被时如果卷被机和展被机两台电机同步转动，由于展被绳和卷被轴的线速度不同，必将造成两者转速的不同，由此，可能会造成展被绳被拉断或减速电机过载。对此设计者专门设计了一种离合器，使减速机与卷轴之间可以实现接合和分离，卷被时展被减速机与其驱动轴分离，展被绳压在保温被中随保温被运动的同时带动展被机驱动轴转动；展被时，卷被电机与卷被轴分离，展被电机带动其驱动轴转动，缠绕展被绳将保温被展开。电机减速机与驱动轴的离合及其控制是该系统的关键创新。
密封是保温系统的关键控制点。该温室以保温被为核心的内层保温系统，在屋面水平保温被与山墙立面保温被之间的密封未附加任何设备，只将水平保温被探出山墙立面（图5b）即可实现两个面之间保温被的严格密封；水平保温被与侧墙保温被以及跨间水平保温被与水平保温被之间则通过水平固定的密封带与活动保温被的活动边相互叠压实现密封。侧墙和山墙立面上保温被的上部为固定边，不存在密封的问题，侧墙的下部活动边密封是通过与侧墙通风口下沿固定塑料薄膜之间的搭接来实现，山墙的下部活动边则是依靠卷被机尽量将保温被落地形成自身密封。只有在山墙和侧墙转角处保温被的密封需要在转角部位侧墙和山墙的两个方向分别固定密封带（图6），与保温被垂直卷放的活动边形成搭接，实现密封。通过上述的密封措施，可形成非常严密的内保温系统，而且由于保温被自身的保温性能强，所以，温室的整体保温性能由此得到了很大提高。
尽管温室做了多重严密的保温，但为了保证温室冬季安全越冬生产，温室设计中还是配套了采暖系统。该采暖系统采用热风机散热，由锅炉房供暖。锅炉房采用燃煤锅炉，将循环水加热后供入风机内的热水盘管，通过风机将热水盘管中的热量以热风的形式释放到温室中（图7），补充温室热量的不足。热风采暖具有升温速度快、室内空气相对湿度低、散热设备不占用温室种植空间等优点，尤其适合于短时间临时补温。温室在两侧边跨的内侧立柱上各安装了7台热风机，整栋温室共安装14台热风机。单台热风机的额定功率为27kW，温室供暖总负荷为378kW，按有效保温面积（2268m2）计算单位面积的供暖热负荷为167W/m2。
据介绍，2016~2017年度冬季园区2栋温室供暖，有效种植面积合计4536m2，一个冬天采暖耗煤量为39t，相当于每667m2耗煤量5.73t。标煤的热值为7000kcal/kg，考虑锅炉效率和外线损失，从锅炉到温室的有效供热效率按80%取值，则两栋温室的实际供热量为39t×1000kg/t×7000kcal/kg×0.8=218400000kcal，一个采暖季按4个月计算，每天供热10h，单位面积供热量为218400000kcal/[4536m2×（4月×30天/月×10h/天）]=40.1kcal/（m2·h），折合46.63W/m2。由此可以算出，温室的实际能耗仅为设计供暖负荷（167W/m2）的28%。虽然理论计算或许与实际运行有些许的差别，但从总耗能看，该温室的高效节能效果是显而易见的，这正是这种温室多重保温效果的体现。
连栋温室的屋面排水一般采用自由落水和组织排水2种方式，也有内排水和外排水之分（温室长度过长时经常采用内排水的方式）。国内大部分的连栋温室基本都使用管道有组织外排水方式，而且外排水的落水管大都采用PE或铁皮材料圆管。这种排水系统在北方地区冬季使用容易在排水管内结冰而冻裂排水管，所以，北方地区连栋温室采用有组织管道排水时冬季至少要将温室北侧的落水管卸除，到第2年开春后再安装使用。
为了解决每年拆装及保管落水管的问题（每次拆装不仅消耗劳动力，而且都有可能造成落水管的损伤），该温室设计者采用了一种开口式C形外排水槽（图8a）。该排水槽采用钢板一次卷曲而成。为了保证其强度和不发生变形，在排水槽的开口面每隔一定距离（1~1.5m）焊接1根拉筋（可以是钢筋，也可以是钢板条）。排水槽根据集中排水的排水沟位置，可以是直立安装（图8a），也可以是倾斜安装（图8b）。排水槽直立安装时，为了避免雨水从天沟端口直接飞落地面，在天沟与排水槽的连接处特别安装了一个挡水板（图8a），将天沟端口流出的雨水通过挡板导入排水槽，从而实现有组织排水。排水槽倾斜安装时可根据雨水排放或收集的位置设计排水槽的倾斜度，可以是从天沟端口到排水沟之间直接倾斜安装（图8b），也可以采用将天沟水平延长一定长度后再倾斜或竖直安装排水槽。
由于该温室采用了双层结构，除了温室屋面的外排水（主要是室外雨水或雪水）外，在外层天沟下表面冬天还会经常发生结露（温室内湿度大，天沟表面温度低造成的）。为解决天沟下表面滴水问题，北方地区传统的连栋温室天沟下大都安装有结露槽，以导流天沟内表面的结露水滴。该温室由于采用了双层结构，在外天沟下本身就设计有一道内天沟，内天沟除了作为结构件支撑内层屋面结构外，还同时起到了收集和导流外天沟内表面结露水的作用。由于内天沟在温室内，不存在像外天沟一样冬季结露水结冰的问题，所以，本设计在内天沟结露水排放时采用了传统连栋温室使用的PE材料圆管，由排水管收集的结露水通过室内的结露水导流槽导入地面排水沟，统一收集后集中使用或排放（图8c）。
（作者单位：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）
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