展正朋 張琦琦

摘 要：該文總結(jié)了近些年日光溫室在增降溫技術(shù)方面的研究發(fā)展成果，指出了保溫蓄熱構(gòu)件和裝備在實(shí)際推廣和生產(chǎn)中存在的問題，并對日光溫室保溫蓄熱構(gòu)件和裝備及新型材料的研究發(fā)展方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：日光溫室；增降溫技術(shù)；現(xiàn)狀；展望

中圖分類號 S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）06- 71-03

日光溫室作為集中我國廣大農(nóng)民智慧結(jié)晶的特色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，具有充分利用太陽資源、不加溫或少加溫即可在冬季進(jìn)行正常生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，已成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)[1]，我國日光溫室面積達(dá)92.7萬hm2。但目前日光溫室仍然存在土地利用率低、耕層土壤破壞嚴(yán)重、光熱條件不均勻、太陽能利用率不高、保溫蓄熱能力有限、自動化程度低等問題。因此，基于現(xiàn)階段日光溫室保溫蓄熱構(gòu)件與性能的各個(gè)創(chuàng)新實(shí)踐，筆者認(rèn)為，亟需研發(fā)優(yōu)型日光溫室類型、保溫結(jié)構(gòu)、材料與設(shè)施設(shè)備，尤其是要高效地利用可再生的太陽能資源，研發(fā)農(nóng)民朋友可以用得起的日光溫室保溫蓄熱構(gòu)件與設(shè)備，這些問題將逐步成為日光溫室的主要研究方向。

1 日光溫室增溫和降溫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

日光溫室自從20世紀(jì)80年代發(fā)展以來，眾多科研院所和高校學(xué)者對日光溫室采光保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量創(chuàng)新研究，在日光溫室的整體結(jié)構(gòu)、建造方式、材料等方面都取得了重大進(jìn)展。其中一些日光溫室結(jié)構(gòu)和材料得到廣大農(nóng)戶的認(rèn)可，應(yīng)用較為廣泛。下文從我國北方地區(qū)日光溫室的冬季的增溫與夏季降溫2個(gè)方面對保溫蓄熱構(gòu)件與性能的研究發(fā)展成果進(jìn)行綜述：

1.1 增溫技術(shù) 太陽輻射可通過日光溫室前屋面的透明覆蓋材料進(jìn)入日光溫室，形成溫室效應(yīng)來增加日光溫室室內(nèi)氣溫。然而當(dāng)寒冷冬季來臨時(shí)，僅僅靠前屋面透明覆蓋材料的自然采光往往很難達(dá)到理想的增溫效果，這就需要改善保溫蓄熱構(gòu)件或增加設(shè)施設(shè)備進(jìn)行有效增溫，以確保室內(nèi)達(dá)到適宜的溫度供植物正常生長。

1.1.1 通過改良自身結(jié)構(gòu)增溫

1.1.1.1 開挖防寒溝 該方法是在南面挖一道與溫室等長，寬約30～40cm，深約50cm左右（可根據(jù)當(dāng)?shù)貎鐾翆釉O(shè)計(jì)）的防寒溝阻斷地中傳熱，在北墻后堆放1～6m厚的防寒土或粘貼10cm厚的聚苯泡沫板，增強(qiáng)后墻的保溫能力。

1.1.1.2 提高前屋面透明覆蓋材料的透光率，減少太陽光損失、增加總?cè)肷淞?在山東等灰塵天氣較多且或晝夜溫差大的地區(qū)普遍采用防塵無滴的多功能膜，增加棚膜透光率。此外，山東地區(qū)農(nóng)民開發(fā)了一種前屋面清潔方法。該方法是在棚膜上綁上若干條松緊合適的布條，布條間隔80cm左右。通過布條在自然風(fēng)的吹拂下來回?cái)[動即可清掃吸附在棚膜表面的灰塵。該方法除塵效果明顯，可有效減少棚膜灰塵累積而造成的的光損耗。

1.1.1.3 采用彩鋼板保溫 彩鋼板保溫裝配式溫室，東西山墻采用可滑動開合的巖棉彩鋼板，北半邊山墻為固定山墻，南半邊山墻能通過滑道向后滑動開合：早晨，隨著太陽升起、氣溫升高至適宜溫度，可沿滑道推置于北邊，光線可以射到最北面一段底部，充分采光、提高室內(nèi)溫度，東側(cè)山墻沿滑道向后打開，以保證溫室東部采光集熱；下午，西側(cè)山墻打開，改善西側(cè)光溫條件；夜間可全部關(guān)閉保溫。

1.1.1.4 增加溫室墻體的白天儲熱量 最簡單的方法是將內(nèi)墻面涂黑，增強(qiáng)墻體吸熱量，待太陽下山后氣溫下降時(shí)緩慢釋放出來提高室內(nèi)溫度。另外，京鵬環(huán)球科技公司在溫室墻體方面也進(jìn)行了創(chuàng)新嘗試，通過用蜂窩狀墻面代替日光溫室后墻面的平面結(jié)構(gòu)，使后墻有效受光表面積增大，墻體蓄熱量可提高10%～15%。管勇等[2]發(fā)現(xiàn)在0.8m厚黏土磚墻內(nèi)側(cè)粘貼新型相變蓄熱墻體材料板可使后墻表面溫度平均提高2.1～4.3℃，室內(nèi)0～20cm耕作層土壤溫度平均提高0.5～1.4℃。李明等[3]提出在北墻采用200mm的發(fā)泡水泥加厚磚墻可有效提高墻體保溫性能，增加了白天蓄熱量減少了熱損失，使得墻體夜間釋放熱量增多，室內(nèi)溫度得到提升。

1.1.1.5 余熱再利用技術(shù) 將白天蓄存在土壤、蓄熱水池、墻體等蓄熱媒介中的熱能在夜間降溫時(shí)再釋放出來，提高室內(nèi)氣溫。該類余熱再利用技術(shù)，夜間能提高氣溫5.7℃，提高地溫2.9℃[4-6]。熱能可以在土壤中蓄存多天，以備在陰雨雪天等光照弱、日光溫室蓄熱不足的時(shí)期來維持較高室內(nèi)氣溫，促進(jìn)作物早熟、高產(chǎn)。

1.1.2 通過裝備輔助機(jī)械設(shè)施設(shè)備增溫 （1）土壤淺層地?zé)岬氖褂貌⑴浜习氲叵率綔厥?。在夜間利用可再生淺層地?zé)?，后墻布設(shè)空氣管道，白天將棚頂?shù)臒崃客ㄟ^地下傳送到室內(nèi)前部分，增加溫室前部溫度[7]。（2）張勇等提出了一種可跟隨不同季節(jié)的太陽高度角改變前屋面傾角的日光溫室[8]。該日光溫室的前屋面是一個(gè)活動面，傾角可以在電機(jī)的帶動下改變大小，以保證在不同季節(jié)最大限度的采光，充分利用太陽能，增大了白天的采光量。與對照溫室相比，可變前屋面傾角日光溫室在晴天和多云天氣的采光率和太陽輻射照度，最大可提高41.75%的和69.54W/m2，室內(nèi)溫度也提高了3℃左右。（3）孫周平等研發(fā)的彩鋼板保溫節(jié)能日光溫室[9]，該溫室整體呈半圓弧形，上部覆蓋面采用三段滑動式巖棉彩鋼板，東西兩側(cè)采用可移動開合的東西山墻，最大限度的的采光，提高了太陽能的利用率，室內(nèi)外溫差可高達(dá)39.1℃，保溫隔熱好，增溫效果明顯。采用彩鋼板來代替土墻和磚墻等保溫蓄熱墻體，以水為蓄放熱載體，配合空氣-地下土壤熱交換系統(tǒng)進(jìn)行增溫，保溫蓄熱效果好、增溫靈活。（4）方慧等設(shè)計(jì)建造了一套地源熱泵與地板散熱方式相結(jié)合的加熱系統(tǒng)[4]，室內(nèi)水平方向氣溫相對較均勻，作物生長整齊。（5）丁小明等設(shè)計(jì)了一套基于毛細(xì)管換熱器的加溫系統(tǒng)[10]，水平放置應(yīng)用于日光溫室中時(shí)散熱量最大，單位面積散熱量可達(dá)到307～381W。（6）利用太陽能發(fā)電加熱。戴巧利的主動式太陽能空氣集熱——土壤蓄熱溫室加溫系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為空氣的熱能，通過風(fēng)機(jī)導(dǎo)入地下蓄存。當(dāng)室內(nèi)氣溫降低到預(yù)定溫度時(shí)，智能控制系統(tǒng)自動利用白天蓄存在地下的熱能加熱溫室。由于土壤熱容量大，可以在白天蓄存的熱能，滿足夜間熱能的供應(yīng)，使室內(nèi)溫度保持在較適宜的水平。（7）眾多學(xué)者將研究方向定在了如何將白天的太陽輻射能在夜間供暖，以提高夜間溫室內(nèi)溫度。張義等將水幕簾應(yīng)用于日光溫室后墻上[6]，把熱量貯存在地下土壤和水池里；王宏麗等將建筑材料與相變材料有機(jī)混合，制成蓄熱磚塊[11]，建造相變蓄熱溫室，白天將熱空氣蓄存在墻體內(nèi)；張勇等[12]的無機(jī)相變材料，管勇等[2]的三重結(jié)構(gòu)蓄熱相變墻體，在白天吸收蓄存富余的太陽輻射以供夜間加溫。

1.2 降溫技術(shù) 日光溫室由后墻和后坡面及東西側(cè)山墻，各種骨架材料支撐的不規(guī)則前屋曲面和透明及不透明保溫覆蓋材料組成，散熱少、保溫蓄熱性能好。當(dāng)高溫夏季來臨時(shí)，由于透明棚膜可吸收透過短波輻射，阻擋長波輻射散出，室內(nèi)熱量不斷累積增溫，有時(shí)可達(dá)40℃以上，因此，僅僅靠溫室自然通風(fēng)往往達(dá)不到理想的降溫效果，還需要具備相應(yīng)的放風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，吸蓄熱載體甚至機(jī)械設(shè)備，以減少太陽輻射、增加蒸發(fā)潛熱放熱或蓄存地下以及增加通風(fēng)換氣進(jìn)行有效降溫。

1.2.1 通過改良自身結(jié)構(gòu)降溫 在日光溫室前屋面頂部和底部分塊覆膜或在頂部開放風(fēng)孔的方式，在溫室前屋面近地面處和溫室頂部自然放風(fēng)降溫。在日光溫室外部架設(shè)遮陽網(wǎng)（幕），減少陽光入射量，降低室內(nèi)的溫度。

1.2.2 通過配備機(jī)械設(shè)施降溫 其一，使用濕簾—風(fēng)機(jī)通風(fēng)降溫：即利用風(fēng)機(jī)使日光溫室內(nèi)形成正壓或負(fù)壓，帶走室內(nèi)高溫?zé)峥諝?，外部空氣?jīng)過水簾降溫補(bǔ)充室內(nèi)，既能通風(fēng)換氣，又可以降低溫度、增加濕度。其二，部分溫室通過在室內(nèi)安裝噴霧設(shè)備進(jìn)行潮汐式噴霧，蒸發(fā)降溫。

2 保溫蓄熱研究發(fā)展遇到的問題

2.1 前期建造溫室時(shí)缺乏合理設(shè)計(jì) 日光溫室保溫蓄熱構(gòu)件設(shè)計(jì)參差不齊，在實(shí)際生產(chǎn)中，農(nóng)戶主要以模仿現(xiàn)有日光溫室類型和保溫蓄熱構(gòu)件的方式，并結(jié)合自己的多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷，在有限的資金基礎(chǔ)上，采用簡易廉價(jià)材料代替高品質(zhì)材料進(jìn)行建造。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過程中保溫蓄熱效果有限。后期雖然吸納了優(yōu)秀的保溫蓄熱設(shè)計(jì)，不斷投資設(shè)計(jì)改進(jìn)，但由于前期的規(guī)劃設(shè)計(jì)不當(dāng)，且沒能做到根據(jù)自身地域特點(diǎn)、現(xiàn)有溫室本身的設(shè)計(jì)方式和生產(chǎn)管理技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，移花接木，往往無法發(fā)揮應(yīng)有的保溫蓄熱效果，反而增加了建造和能耗成本，甚至造成減產(chǎn)減收，得不償失。

2.2 日光溫室結(jié)構(gòu)及現(xiàn)有裝備的不足 盡管目前研發(fā)的保溫蓄熱構(gòu)件和設(shè)施設(shè)備各有其相應(yīng)的效果，但由于技術(shù)本身的保溫蓄熱效果不理想、投資成本和使用費(fèi)用過高、經(jīng)濟(jì)可行性不強(qiáng)等不足以至于的推廣率不高。因此，還需要學(xué)者和技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步的研究，在保溫蓄熱效果、生產(chǎn)操作便利度、投資運(yùn)營成本上進(jìn)行優(yōu)化完善，研發(fā)農(nóng)民朋友會用、好用、用的起的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。

2.3 保溫蓄熱構(gòu)件和設(shè)備推廣的局限性 合理的日光溫室結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的設(shè)施裝備主要集中在科研院所和高校，由于前期投資成本相對較高，農(nóng)民對新事物的接受需要一個(gè)過程，這些結(jié)構(gòu)和裝備推廣有限。廣大農(nóng)戶的日光溫室依然是以簡易節(jié)能溫室為主，建造大多簡陋，幾乎沒有或很少有新保溫蓄熱構(gòu)件和設(shè)施設(shè)備的引進(jìn)。

3 發(fā)展趨勢展望

（1）打破建筑設(shè)施界限，從先進(jìn)的連棟溫室甚至其他建筑中吸納優(yōu)秀的保溫蓄熱設(shè)計(jì)理念為我所用，綜合運(yùn)用熱力學(xué)與傳熱學(xué)、作物栽培生理學(xué)、自動化控制等多個(gè)學(xué)科，研發(fā)具有中國特色的增溫集熱、保溫蓄熱材料及智能化、自動化設(shè)施設(shè)備，堅(jiān)持走低成本、低能耗的發(fā)展路線，更好的為農(nóng)民朋友謀利。

（2）隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和新型材料的出現(xiàn)，日光溫室的保溫蓄熱構(gòu)件設(shè)計(jì)將愈加完善、科學(xué)、合理，自動化智能控制系統(tǒng)也會隨著計(jì)算機(jī)和云技術(shù)的日趨進(jìn)步成熟，根據(jù)作物生產(chǎn)和環(huán)境控制專家系統(tǒng)制定的管理程序，實(shí)現(xiàn)控制的專家化、自動化、精準(zhǔn)化，從（下轉(zhuǎn)75頁）（上接72頁）而使室內(nèi)溫度保持在相對穩(wěn)定的范圍。另外，新型可再生能源的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，譬如當(dāng)下較熱的太陽能光伏技術(shù)，也將會逐步替代那些成本高、即將枯竭的、不可再生的化石燃料，給室內(nèi)增降溫技術(shù)多加一種選擇。

（3）新型日光溫室、保溫蓄熱構(gòu)件和設(shè)施設(shè)備被研發(fā)出來并逐步完善。筆者借彩鋼板保溫節(jié)能日光溫室采光保溫蓄熱的設(shè)計(jì)與廣大朋友交流討論：①通過溫室自身結(jié)構(gòu)的滑動開合來減少白天結(jié)構(gòu)材料和墻體的遮光、增加太陽光入射量，夜間全閉合多層覆蓋，實(shí)現(xiàn)最大程度的采光、提高太陽光的利用率，增加室內(nèi)溫度，從而達(dá)到理想的增溫效果。②采用保溫和蓄熱性能好的材料并輔助其他設(shè)備，尤其是以水為蓄放熱載體的系統(tǒng)，分別承擔(dān)相應(yīng)的功能，發(fā)揮材料自身的優(yōu)勢特性，將是未來日光溫室在滿足保溫、蓄熱和增降溫需求的研究方向。③采用這種3塊覆蓋面的半圓形日光溫室，通過增大半圓形半徑增大溫室空間，采光角度幾乎不受影響，溫室的熱容量變大，溫度變化更穩(wěn)定，保溫蓄熱效果更顯著，也將是日光溫室提高土地利用率和大型化的重要參考研究方向。④該溫室裝配式構(gòu)件可實(shí)現(xiàn)工廠化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，逐步推動行業(yè)規(guī)范的建立。標(biāo)準(zhǔn)化的建立，有利于進(jìn)行行業(yè)交流，促進(jìn)日光溫室增降溫技術(shù)的高速發(fā)展進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]中國市場報(bào)告網(wǎng).2015年版中國日光溫室市場現(xiàn)狀調(diào)研與發(fā)展趨勢分析報(bào)告[R].2015.

[2]管勇，陳超，李琢，等.相變蓄熱墻體對日光溫室熱環(huán)境的改善[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（10）.

[3]李明，魏曉明，周長吉，等.發(fā)泡水泥對日光溫室黏土磚墻保溫蓄熱性能的改善效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（24）.

[4]方慧，楊其長，孫驥.地源熱泵一地板散熱系統(tǒng)在溫室冬季供暖的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（12）.

[5]方慧，楊其長，張義.基于熱泵日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱裝置實(shí)驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（20）.

[6]張義，楊其長，方慧.日光溫室水幕簾蓄放熱系統(tǒng)增溫效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012（04）.

[7]戴巧利.主動式太陽能空氣集熱-土壤蓄熱溫室增溫系統(tǒng)的研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[8]張勇，鄒志榮，李建明.傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室的采光及蓄熱性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（1）.

[9]孫周平，黃文永，李天來，等.彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室的溫光性能[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（19）.

[10]丁小明，何芬，段靜，等.基于毛細(xì)管換熱器的日光溫室低溫供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（19）.

[11]王宏麗，李曉野，鄒志榮.相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（5）.

[12]張勇，鄒志榮，李建明，等.日光溫室相變空心砌塊的制備及功效[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（2）.

[13]王宏麗，鄒志榮，陳紅武，等.溫室中應(yīng)用相變儲熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)校，2008，24（6）：304-307.

[14]方慧，張義，楊其長，等.日光溫室金屬膜集放熱裝置增溫效果的性能測試[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015.31（15）.

[15]孫維拓，張義，楊其長，等.溫室主動蓄放熱-熱泵聯(lián)合加溫系統(tǒng)熱力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（14）.

[16]牛潤萍，徐小龍.主動式太陽房相變蓄熱地板供暖實(shí)測研究[J].建筑科學(xué)，2013，29（8）.

[17]曹曉波，王雙喜.北方地區(qū)連棟溫室采光保溫結(jié)構(gòu)與性能發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014，23.

[18]仉國棟，楊青順，景明霞，等.高寒地區(qū)日光溫室后墻采光保溫結(jié)構(gòu)與性能研究與應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，12.

[19]楊其長.荷蘭溫室節(jié)能工程研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝，2007（1）.

[20]楊其長.中國設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2002（1）.

[21]張書謙，劉衛(wèi)明.論溫室節(jié)能設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)·溫室園藝，2010（9）.

[22]高文波，張勇，鄒志榮，等.主動采光蓄熱型日光溫室性能初探[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015，7.

[23]周志龍.西北寒冷地區(qū)日光溫室冬季節(jié)能增溫技術(shù)[J].中國蔬菜，2012，23.

（責(zé)編：張宏民）