节能日光温室设计建造原理与技术

节能日光温室设计建造原理与技术石河子大学农学院史为民引言日光温室一般是指以日光为主要能量来源的单屋面温室，很多地方又称之为暖棚。

一般由透光前坡（前屋面）、外保温帘(被)、后屋面、后墙、山墙和操作间组成，坐北朝南，东西向延伸。

前屋面具有很高的太阳光透过率，围护墙体具有保温和蓄热的双重功能，适合于冬季寒冷，但光照充足的地区反季节种植蔬菜、花卉和瓜果。

冬季能够生产喜温蔬菜的日光温室称为节能型日光温室，其原理主要通过改进采光屋面的角度和形状以及保温墙体的结构和材料，白天尽可能多地吸纳、积蓄太阳能，夜间严密保温，来维持温室内的温度。

这种温室最突出的特点就是利用我国北方地区冬季晴天多，光能资源丰富，实现基本上不需要加热，进行反季节、超时令园艺生产。

与大型连栋温室相比，每亩节能型日光温室可节约煤炭50t左右，节约了大量能源，也减少了温室加温对环境造成的破坏。

节能型日光温室生产有较强的地域性，不同的区域气候决定了不同的日光温室结构形式、栽培方式、品种选育及茬口安排。

根据当地的气候特点安排日光温室生产可以充分利用其气候资源，最大限度避免气象灾害带来的损失，在能源、劳力、资金耗费最少的情况下达到高产、高效、优质的产出。

因此依据地区自然气候条件和资源合理设计温室结构和布局温室生产显得十分重要。

各地在发展温室时需要考虑的气候因子包括：年极端最低气温(℃)、12月和1月平均气温(℃)、冬季晴天日数(d)、12月和1月晴天日数(d)、12月和1月日照时数、12月和1月太阳辐射(MJ／m2)等。

表1 新疆各地区气象要素值第一章节能日光温室的结构、类型及性能第一节节能日光温室的发展历史早在1985年，辽宁省海城、瓦房店地区农民发明了节能日光温室进行冬春茬蔬菜生产，取得了在室外-20℃的严冬完全不加温的情况下，生产喜温类果菜的历史突破。

因此这一指标被专家认定为评判第一代节能日光温室性能的重要标准。

随后第一代节能日光温室向着有利于采光、增温、作业方便、结构稳定和经济实用的方向发展，在结构采用了拱形前屋面，增大脊高、跨度，减少立柱，缩短后屋面长度。

其中代表性的有：海城-永年式日光温室，瓦房店日光温室，鞍山Ⅱ型日光温室等。

第二代节能日光温室在前屋面设计时应用了张真和等人提出的“日光温室合理采光时段及屋面角度”的理论，这是第二代节能日光温室最为显著的特征。

另外其在墙体材料、保温被材料的选择和组合，卷帘机的改进上也取得了重大突破。

其中有代表性的有辽沈Ⅰ、Ⅱ型日光温室，改进冀优Ⅱ型节能日光温室。

包括国家“十五”科技攻关项目“西部地区日光温室高效应用技术研究与产业化示范”课题的成果——西北型日光温室的设计皆属此类。

以后出现的第三代、第四代乃至第五、六代节能日光温室的提法，多是各地根据在结构、建材、配套设备的改进方面，按照出现年代早晚自行提出的划分方法，只能作为评判日光温室先进与否的参考。

第二节日光温室的建筑构造、结构类型及性能一、日光温室的建筑构造如下图1所示，日光温室的基本结构由后墙、山墙、前屋面（采光面）、后屋面（后坡）、立柱、缓冲间（辅助间，耳房）等部分组成。

外保温覆盖物图1 日光温室建筑结构横剖面示意图1、后墙：根据建墙材料不同，后墙有土墙、砖墙和砖+苯板复合墙等类型。

其主要作用是承重、蓄热、保温。

2、山墙：东西山墙分别位于温室的东侧和西侧。

山墙南北呈不等形，南端最低，北端较高．最高点位于北半部，与屋脊等高。

山墙的作用是保温、蓄热。

3、前（采光）屋面：前屋面主要由拱架、塑料薄膜、压膜线和外保温覆盖物组成。

前屋面主要起着采光、升温、散热作用。

拱架是前屋面的骨架部分，起屋面造型、支撑薄膜和保温覆盖物等作用。

拱架一般使用竹木或钢管、圆钢等材料。

拱架形状常用弧形及斜平面两种。

塑料薄膜覆盖在拱架上，白天阳光透射进温室，通过温室效应使室内升温。

另外通过在塑料薄膜上开设放风口，使温室内外的空气交换流动，降低室内温度。

压膜线压在塑料膜上，起固定和绷紧薄膜的作用。

可用8号铁丝及专用压膜线。

外保温覆盖物主要用于保温防寒。

根据所用材料分为稻草帘、棉被、复合保温被等。

4、后屋面（后坡）：后屋面由骨架、保温层和保护层三部分组成。

主要作用是保温蓄热、抬高屋脊、白天放置草苫等。

由室外向室内排布顺序为：保护层（防水层）、保温层。

保护层起保护保温材料不受雨淋、风吹等作用。

保温层是后屋面的主要组成部分，多用导热系数小于0.05W.m-2.k-1的质轻、疏松保温材料。

一般温室采用作物秸秆作保温层，厚度30cm左右，有些高档温室采用聚苯乙烯泡沫塑料板作保温层。

若用秸秆作保温材料需用塑料薄膜将其与外界隔离，避免受潮霉烂。

5、立柱：立柱位于温室内。

主要起支撑和固定屋面的作用。

竹木骨架的日光温室一般有3～4排立柱，依其在温室中的位置，分别叫前、中、后排立柱。

立柱主要采用混凝土预制柱。

钢骨架结构日光温室—般取消立柱，以便于室内农艺操作。

6、缓冲间：设置在温室一侧山墙外面积10～20m2的民房，起到缓冲室内外温度、储存农资具及住宿的作用。

一般为砖木结构或砖混结构。

二、日光温室的建筑结构参数1、日光温室总体建筑尺寸设计建造日光温室，其中温室的长度、跨度、脊高、后墙高、后屋面仰角是首先需要确定下来的总体建筑尺寸，如图1所示。

根据行业及各地方制定的日光温室建设标准，给出如下定义：长度：日光温室东、西两端山墙外墙面之间的水平距离。

跨度：日光温室后墙内侧至前屋面骨架桁架上弦几何中心线与前地锚上平面交点的水平距离。

脊高：日光温室室内设计地坪平面至骨架脊部顶端的垂直距离。

后墙高：日光温室后屋面内表面与后墙内表面的交线至水平面与室内设计标高之间的距离。

后屋面仰角：后屋面内表面与水平面的夹角。

焉耆地区日光温室总体建筑尺寸的取值：焉耆地区地理纬度在北纬41°至43°之间。

根据作者的研究，日光温室总体尺寸取值见表2、3。

表2 焉耆垦区日光温室跨度与脊高的取值温室跨度温室脊高北纬41°N 北纬42°N 北纬43°N8.97 4.73 - -8.94 - 4.63 -8.92 - - 4.72表3 焉耆垦区日光温室的后墙高和后屋面仰角温室跨度/脊高41°N 42°N 43°N后墙高度(m) 后屋面仰角后墙高度(m)后屋面仰角后墙高度(m)后屋面仰角8.97/4.73 2.44 48.6°8.94/4.63 2.53 47.6°8.92/4.72 2.53 46.5°2、其他建筑结构参数在总体建筑尺寸的基础上，可以推导出一些其他建筑结构参数，包括人们通常所说的“五度、四比、三材”“五度”是指：跨度，同上所述。

高度，包含脊高和温室矢高。

角度，包含后屋面仰角和前屋面倾角。

长度，同上所述。

厚度，指墙体和后屋面的厚度。

“四比”是指：保温比，节能日光温室的保温比以室内蓄热面积比散热面积较为合理。

一般该值大于1。

高跨比，指脊高与跨度之比。

遮阴比，指前屋面骨架材料的遮阳面积与整个采光面积之比。

前后屋面水平投影比，前屋面在水平面上的投影长度与后屋面在水平面上的投影长度之比。

“三材”是指：建筑材料、覆盖材料、保温材料。

上述建筑结构参数中，影响日光温室采光性能的有：跨度、高度、高跨比、角度、遮阴比、前后屋面水平投影比；影响日光温室保温性能的有：跨度、高度、厚度、保温比、前后屋面水平投影比。

三、日光温室的结构类型1、按照建筑外形（后屋面长短、后墙高度、前屋面形状等）分为：长后坡短后墙日光温室，短后坡高后墙日光温室，一坡一立式日光温室，拱园形日光温室，琴弦式日光温室等。

2、按骨架和墙体的建筑材料分为：竹木土墙结构日光温室，钢架土墙结构日光温室，钢架砖混结构日光温室，钢竹混合骨架结构日光温室，镀锌钢管装配式骨架日光温室等。

3、按骨架的构造形式分为：有柱或无柱式日光温室，平面拱形桁架式钢骨架日光温室。

近年来日光温室形式和结构出现了一些新的趋势。

为提高温室的采光、蓄热、保温能力，增加后墙厚度（墙底厚4~8m ，墙顶厚1.5~3m ）、提高后墙高度，室内地面下挖0.3~1.2m 。

为提高土地利用率，而增加跨度到14m 。

四、节能日光温室的性能1、室内白昼光照条件好，在 (北纬40度)地区冬季，晴天室内光照强度一般可达400mmol/(m 2∙s)（25,000lx ）以上，高于普通连栋温室。

2、白昼升温快，与不加温时的普通连栋温室相比，升温快1小时左右；夜间保温能力强。

昼夜室内气温均远高于室外。

图2a 晴天室内气温的变化情况:白天室内最高气温高于室外最高气温25~30℃；夜间室内最低气温高于室外最低气温18~20℃图2b 阴天室内气温变化情况：白天室内最高气温高于室外最高气温18~22℃夜间室内最低气温高于室外最低气温15~18℃3、在我国北方北纬32°～41°甚至43°地区，可在无加温条件下进行喜温蔬菜℃℃的越冬生产。

4、建设费用相对较低(普通连栋温室的1/10～1/3。

5、运行费用很低，无加温费用。

五、存在的问题1、日光温室多数由农户自行建造，建设很不规范。

建造方案不合理、性能差的日光温室还较多。

2、日光温室夜间室内温度仍普遍偏低，尤其在寒潮、连续阴天等不利天气情况下，一些日光温室室内气温降低到5℃以下，使作物受到冻害。

3、室内夜间湿度偏高。

4、缺少针对日光温室的专用环境调控技术与设备。

5、生产管理作业效率低，劳动强度高（例如人工卷放草帘，费时、费力）。

6、土地利用率低，一般<50%。

日光温室北侧阴影部分的土地不能有效利用7、墙体材料耗用大量耕地土壤。

8、对日光温室工程相关基础理论研究不深入，设计与建造缺少科学理论和方法的指导。

第二章节能日光温室的设计理论与方法第一节日光温室的升温原理一、温室效应图3 温室效应示意图塑料薄膜对长、短波的选择性透过，透过室外太阳短波辐射，阻挡室内长波辐射射出，使得热量聚集在室内。

塑料薄膜与围护结构组成一个相对密封空间，阻断室内外空气流动传热，减少室内热量的损失。

二、温室的热量平衡方程图3a 节能温室白天传热及热平衡示意图 图3b 节能日光温室夜间传热及热平衡示意图白天：ΔQ=透射进入温室内的太阳辐射能-（墙体传热＋土壤传热＋室内土壤作物蒸发蒸腾+通过围护结构表面散热＋通风散热） 夜间：ΔQ=（墙体向室内传热＋土壤传热）-（通过围护结构表面散热＋冷风渗透散热） 当ΔQ>0时，温室升温； 当ΔQ<0时，温室降温；当ΔQ=0时，温室达到热量平衡，温度不变； 第二节 日光温室的采光原理一、太阳直射光线在塑料薄膜表面上的入射角与薄膜透光率的关系太阳光入射角指太阳光线与被照表面法线所成的角度。

太阳直射光线在塑料薄膜表面上的入射角与薄膜透光率的关系见图4所示。