袁余，李鹏程，李铭，苏学德，吴奇峰

（1. 新疆农垦科学院林园研究所，新疆 石河子 832000；2. 新疆农垦科学院产业处，新疆 石河子 832000）

双层膜日光温室设计及其热性能测试分析

袁余1，李鹏程1，李铭1，苏学德1，吴奇峰2*

（1. 新疆农垦科学院林园研究所，新疆 石河子 832000；2. 新疆农垦科学院产业处，新疆 石河子 832000）

为了提高日光温室的保温性能，设计建造了一种适用于北方冬季生产的现代双层膜日光温室，其特点是有内外两层支撑骨架和覆盖系统，测试了该温室在冬季无保温被覆盖、通风口关闭条件下室内温度变化情况，并与普通单层膜日光温室进行了对比分析。试验结果表明，双层膜日光温室内空气平均温度、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度的最低值较单层膜日光温室分别提高了2.1 ℃、1.7 ℃、3.7 ℃和1.8 ℃，较室外分别提高了12.4 ℃、0.9 ℃、18.5 ℃和0.9 ℃。在雪天、晴天、阴天和雾霾天等典型天气，双层膜日光温室较单层膜日光温室白天和夜间平均气温分别提高了0.4 ℃和1.4 ℃，较室外白天和夜间平均气温提高了3.0 ℃和9.7 ℃。研究表明，与单层膜日光温室相比，双层膜日光温室的空气温度、土壤温度有明显提高，室内温度较稳定。该研究为双层膜日光温室建造提供了参考。

日光温室；双层膜；设计；气温；土壤温度

Abstract：This paper designed and constructed double-plastic of solar-greenhouse adjusted to winter production in northern China, in order to increase the insulation performance of solar-greenhouse. The double-plastic of solargreenhouse had inside-outside support frame and two cover system. It experiments and tests temperature changing in the double-plastic of solar-greenhouse compared to the normal single-plastic of solar-greenhouse, with the condition of insulated quilt has rolled up and the vents are closed. The experimental results show that the lowest of air average temperature, the lowest of soil average temperature, the minimum air temperature and the minimum soil temperature of the double-plastic of solar-greenhouse, had increased 2.1 ℃, 1.7 ℃, 3.7 ℃ and 1.8 ℃ compared with the normal single-plastic of solar-greenhouse, and increased 12.4 ℃, 0.9 ℃, 18.5 ℃ and 0.9 ℃ compared with outdoor. The diurnal and nocturnal air average temperature of the double-plastic of solar-greenhouse on snowy, sunny, cloudy and hazy days, had increased 0.4 ℃ and 1.4 ℃ compared with the normal single-plastic of solar-greenhouse, and increased 3.0 ℃ and 9.7 ℃ compared with outdoor. The result indicates air temperature and soil temperature in the double-plastic of solar-greenhouse improved obviously and relatively stable. It is expected that experiment results and analysis will support the improvement of the double-plastic of solar-greenhouse construct management.

Key words：solar-greenhouse; double-plastic; design; air temperature; soil temperature

日光温室是一种带有中国特色的温室形式，与其他温室类型相比，它具有低成本的良好越冬生产性能，在中国北方地区得到了大面积的推广[1-2]。截止2015年底，我国日光温室总面积已超过69万hm2，占我国所有温室总面积的32.7%，其中80%以上的日光温室分布在北方地区[3]，用以冬季生产。近年来，由于极端天气和雾霾天气频现，导致日光温室内温度过低，在不加温条件下甚至会出现低于0 ℃的现象。现有温室结构和设备难以保证室内环境满足植物正常生长，严重影响了日光温室安全越冬生产性能。

为了满足温室在寒冷地区冬季生产的温度要求、增强温室热性能，科研人员从温室结构[4-6]、墙体结构[7-8]、设施设备[9]等方面做了很多工作，这些研究对改善日光温室内的热环境起到了较好的作用。双层膜日光温室是在单层膜的基础上再附加一层薄膜，膜与膜相距一定间距，形成介质层（缓冲带）的一种日光温室类型[10]。目前，国内对双层膜日光温室的设计、性能测试研究还较少，仅有杨跃峰[10]从理论上运用被动式太阳房热工计算方法模拟分析了附加式双层膜的热量、热效率变化情况，得出双层膜比单层膜热量损失率低45%、获得的净热量低21.6%、保温提高28%。这为日光温室双层覆盖提供了初步的理论分析依据，但是关于双层膜日光温室的结构设计、性能测试方面没有涉及，还有待进一步的模拟分析和试验观测研究。基于以上的理论分析，本文设计建造了双层膜日光温室，该温室的结构特点是有内、外支撑骨架和两层薄膜覆盖，并与传统单层膜日光温室进行了对比试验，以期提高日光温室的保温性能。

1 双层膜日光温室设计

1.1 双层膜日光温室设计要求

双层膜日光温室的设计既需要满足室内植物生长对光照、温度等环境因子的种植要求[11-12]，同时也要满足温室结构在受到大雪、大风等荷载作用下的强度、稳定性使用要求[13]。

1.1.1 光照要求 双层膜日光温室采用双层膜覆盖系统，屋面的透光率与单层膜屋面相比较低，因此，设计首先要考虑的是最大限度获得采光。采光设计需满足植物正常生长的光照强度、光照时间要求，日光温室设计光指标为：大于光补偿点4 000 lx的6小时累计光照强度平均不低于20 000 lx[14]。为满足种植区作物的正常生长，最后一排作物的冠层全天能接受太阳辐射[2]。为强化后墙体吸蓄热能力，正午前后2小时内透过前屋面的直射光能够以较强的光照投射到后墙内表面上[15]。

1.1.2 温度要求 双层膜日光温室内温度主要是满足植物生长对温度的要求，包括昼夜气温和地温。以番茄生产为例，其在夜间生长发育的低限空气温度为5 ℃，夜间适宜空气温度为8-13 ℃[12]。

1.1.3 结构的使用要求 双层膜日光温室在受到雪荷载、风荷载等几种或多种荷载同时作用时，结构产生内力，当内力超过材料的某一极限值时，构件将会发生失稳或破坏现象[16]。因此，双层膜日光温室设计需根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[17]和《温室结构设计荷载》GB/T 18622—2002[18]等规范，分别对内、外支撑结构上可能出现的荷载进行组合，取最不利的荷载组合进行结构计算，对构件进行强度、稳定性校核，满足结构构件的使用要求[19]。

1.2 温室土建工程设计

温室土建工程包括地下基础和地上墙体部分。以新疆石河子垦区为例进行双层膜日光温室设计。

1.2.1 温室基础 温室基础对整个温室结构起到稳定和加固作用，同时也起到隔绝地温的作用，对温室的保温性能有很大的提高。温室用地的标高比室外地坪标高降低0.1 m，温室基础深为冻土层以下，地基承载力不小于120 kN/m2，温室基础采用条形砖基础。

1.2.2 温室墙体 温室墙体采用复合式墙体：温室北墙由内到外采用60 mm厚空心砖墙（孔向朝温室内）+370 mm厚非黏土砖墙+夯实土壤（下层宽2 m，上层宽1 m），在温室北侧设有室外台阶，方便人工上屋顶清雪、安置保温被等操作。温室南墙采用240 mm厚砖墙，外贴100 mm厚苯板，高出地表20 cm。南墙外侧设有防寒沟。温室东西山墙采用500 mm厚非黏土砖墙+夯实土壤（下层宽1.5 m，上层宽0.5 m）。在东西山墙处设立2个不同高度的弧面方便棚膜固定安装。温室后屋面由内到外采用100 mm编织草帘+100 mm厚保温彩钢板。

温室操作间建于温室东侧，长3 m、宽3 m、檐高2.7 m，墙体为370 mm非黏土砖墙，屋面采用彩色水泥瓦坡屋面。温室室外台阶采用非黏土砖作为台阶主体结构，并用水泥砂浆抹面。温室内人行道设在温室北侧，宽0.6 m，采用素土夯实上铺红机砖。

1.3 温室结构骨架设计

温室外层支撑骨架采用焊接式桁架结构，使用国标镀锌钢管，拱间距1 m，三道1/2″热镀锌钢管纵向拉杆。温室内层支撑骨架采用单拱50几字梁，拱间距2 m，两道1/2″热镀锌钢管纵向拉杆。温室拱架与预留在墙体的预埋件栓接固定，拱架与纵向拉杆用连接件栓接固定。

1.4 配套设施设计与安装

1.4.1 覆盖系统 覆盖系统应采用透光率高、抗老化能力强、力学性能良好的无滴薄膜。内外膜分别用0.1 mm和0.15 mm厚大棚专用膜。为了防止覆盖材料与支撑骨架直接接触对膜造成破损，在接触处使用软塑料胶带用于缓冲。塑料膜采用卡簧卡槽固定，并在外侧设有压膜线用以减少大风对棚膜的破损。

1.4.2 通风系统 考虑寒冷地区气候特点和植物生长对温度、湿度、气体等的要求，在温室前屋面顶部设通风口。内、外膜顶通风口通过电动卷膜器（可手自一体控制）控制卷动卷轴进行通风口的整体开闭。外膜通风口处安设40目防虫网，防止通风换气时虫鸟的侵入。

1.4.3 保温覆盖系统 为了防止夜间温室内的温度过低，在温室外层塑料膜外表面安放保温被。保温被选用防水、抗老化、轻质、高效保温的材料。保温被的安装通过与安设在北墙外侧底部的拉绳固定连接，这样既可以避免保温被在长期使用过程中因在前屋面上下滑动导致分布不均，同时也增强了后屋面的保温性能。保温被采用中卷式机械式卷放，卷轴为Φ50热镀锌钢管。

1.4.4 其他系统 电器控制系统：温室选用电动人工控制系统，对温室保温被电机、通风电动卷膜器等进行控制。温室内电源布线穿线管引至用电设备，电源插座均防水防潮。给排水系统、临时加温系统等其他系统根据温室实际使用情况配置。

综上所述，得到现代双层膜日光温室的平面布置图、E-E视图和三维示意图见图1。双层膜日光温室基本建设情况概况为：坐北朝南，偏西5°；温室东西长60 m，跨度8 m；前屋面角33°，脊高4.4 m；后屋面角40°，后屋面水平投影1.5 m；后墙高3.2 m，温室间距8 m。

图1 双层膜日光温室设计图Fig.1 The design drawing of double-plastic of solar-greenhouse

2 研究方法

2.1 试验地点

试验在新疆石河子垦区新疆农垦科学院设施农业基地进行。地理位置北纬44.27°，东经85.94°，海拔443 m，属典型的温带大陆性气候，年平均气温7.6 ℃，年度最低气温-29.5 ℃，冻土层深度1.2 m，无霜期181 d。试验温室是在原有旧温室基础上改造而成。

2.2 试验方案与设置

由于日光温室冬季生产主要集中在1-3月份，因此，试验选取2016年11月25日-2017年4月1日进行。在双层膜日光温室内中心处、单层膜日光温室内中心处和室外3个位置，分别在地面以上1.5 m处、土壤深度30 cm处放设MicroLite-U盘型温度记录仪，数据记录间隔时间为2小时，并人工记录逐日的天气情况。

对照温室为单层膜日光温室，其尺寸参数与双层膜日光温室基本相同，减少了内层支撑骨架和覆盖系统，温室内土壤类别为粘土。

本试验采用对照分析的方法，研究双层膜日光温室的保温性能和室内温度变化情况。分别观测双层膜日光温室、单层膜日光温室在冬季无保温被覆盖、通风口关闭条件下，室内外空气（地面以上1.5 m处）、土壤（土壤深度30 cm处）的温度变化。两个试验温室内种植樱桃，其中单层膜日光温室的樱桃用无纺布保温覆盖处理，双层膜日光温室的樱桃无处理。

3 结果与分析

3.1 温室内外温度冬季变化

从2016年11月25日至2017年4月1日，双层膜日光温室、单层膜日光温室和室外的空气、土壤深度30 cm处的平均温度、最低温度总体上都呈现先下降后上升的趋势（图2）。在气温降低阶段（2016年11月25日至2017年1月18日），双层膜日光温室内平均气温、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度均高于单层膜日光温室；在气温上升阶段（2017年1月19日至2017年4月1日），单层膜日光温室内平均气温基本与双层膜日光温室相等、最低气温低于双层膜日光温室，且随着气温的逐步升高（2017年2月24日后），单层膜日光温室内土壤平均温度、土壤最低温度逐渐高于双层膜日光温室。同时，在一段时间内（2017年1月13日至2017年2月10日），单层膜日光温室内土壤平均温度、土壤最低温度均低于室外，这可能是由于在冬季室外积雪层的存在对土壤有着保温效果，加上单层膜温室内空气湿度、最低气温高于室外，在极冷情况下不利于土壤保温、升温。

双层膜日光温室最高气温与最低气温的差值低于单层膜日光温室、低于室外（图3），这说明双层膜日光温室内温度的变化速率较单层膜日光温室和室外慢，一天内的温度较稳定。

冬季日光温室内外空气和土壤的平均温度、最低温度的最低值，室外＜单层膜日光温室＜双层膜日光温室（表1）。同时也可以看出双层膜日光温室平均气温和最低气温的最低值出现的时间与单层膜日光温室一致，土壤平均气温和最低温度的最低值出现的时间滞后于单层膜日光温室。

图2 冬季双层膜与单层膜日光温室室内外温度曲线Fig.2 Indoor and outdoor temperature on date curves of double-plastic of solar-greenhouse and types with single-plastic

图3 逐日内最高气温与最低气温的差值变化曲线Fig.3 The curves of the temperature difference between air Maximum and minimum temperature

综合分析在冬季无保温被覆盖下温室室内外温度变化情况，双层膜日光温室的空气平均温度、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度基本高于单层膜日光温室和室外，且室内温度较稳定。在整个冬季生产中，双层膜日光温室的空气平均温度、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度的最低值分别为-5.5 ℃、0.5℃、-7.4 ℃和0.5 ℃，较单层膜日光温室和室外分别高2.1 ℃和12.4 ℃，1.7 ℃和0.9 ℃，3.7 ℃和18.5 ℃，1.8 ℃和0.9 ℃。

3.2 温室内外温度的日变化

本试验以温室作物越冬生产的主要月份为例进行分析，分别以2016年12月19日（大雪）、2016年12月28日（晴）、2017年1月2日（阴）和2017年1月5日（雾霾）的试验测试数据为依据，分析双层膜日光温室与单层膜日光温室、室外的空气温度变化。

典型天气双层膜日光温室内空气温度较单层膜日光温室有较明显的提高（图4）。只有在晴天、阴天和雾霾天正午时段（14:00-16:00）内，单层膜日光温室内温度略高于双层膜日光温室，这是由于在光照条件较好的环境下，单层膜日光温室升温速度较双层膜日光温室快，这与杨跃峰[10]分析的在外围护结构设施相同时单层膜日光温室获得净热量比双层膜高一致。

表1 冬季温室内外平均温度、最低温度的最低值及其出现的时间分析列表Table 1 The list of analysis of the minimum value and time of the average and minimum temperature over outer and inner greenhouse in winter

图4 典型天气双层膜与单层膜日光温室室内外空气温度曲线Fig.4 Indoor and outdoor air temperature on time curves of double-plastic of solar-greenhouse and types with single-plastic

在日光温室安全越冬生产中，温度是保证作物能否正常生长的主要环境因素之一。因此，本研究根据当地已有温室保温被的卷放时间（即卷起采光时段11:00-18:00，铺放保温时段19:00-10:00），分析各典型天气室内外温度平均值（表2）。

综合分析图4和表2，可以得出在典型天气条件下双层膜日光温室较单层膜日光温室，白天和夜间平均气温分别提高了0.4 ℃和1.4 ℃。双层膜日光温室较室外白天和夜间平均气温提高了3.0 ℃和9.7 ℃。

表2 典型代表天气平均温度增加值表Table 2 Calculation table of temperature increments

4 讨论

双层膜日光温室在结构设计上，采用内、外支撑骨架。其中外骨架为桁架结构，主要承受风荷载、雪荷载、施工荷载、部分作物荷载、保温被重力和卷被机重力等，材料选用上下弦为1寸国标钢管、腹杆Φ8圆钢，拱间距1 m，三道1/2″热镀锌钢管纵向拉杆。内骨架为钢梁支撑结构，主要承受卷膜系统自重、部分作物荷载等，由于其承载较小，经计算后选用单拱50几字钢，拱间距2 m，两道1/2″热镀锌钢管纵向拉杆。在进行结构计算时是根据内、外骨架各自单独受力情况，而实际使用中内、外骨架是一个整体结构，这有利于提高骨架的平面外和平面内稳定性，可适当降低对构件材料的选用要求。

双层膜日光温室是由内、外两层膜覆盖，在一定程度上改变了太阳光线的折射、反射路径，这可能会影响室内光质、光照强度分布，须在屋面采光特别是内层屋面形状的采光设计做进一步研究。同时，我们在双层膜日光温室使用中发现，在1-2月份内外层膜之间容易产生大量水雾或水珠，分析其原因可能是由于双层膜之间是外界与室内热量交换缓冲区，也是温度、湿度易变化区域，容易结成冷凝水，降低屋面采光性能，这是在双层膜日光温室设计时不容忽视的问题。

通过试验分析，双层膜日光温室对防止气温白昼过高、夜间过低的效果较单层膜日光温室明显，有起到稳定温室内小气候环境的作用。同时，双层膜日光温室在冬季生产过程中，在无保温被覆盖、通风口关闭条件下，室内土壤深度30 cm处的温度最低为0.45 ℃，比单层膜日光温室高1.78 ℃，这对解决日光温室冬季地温低具有很好的效果，是今后探索如何提高温室内土壤温度特别是植物根际温度的一种途径。

本试验研究了双层膜日光温室在无保温措施下的冬季温度变化，没有分析其采光性能以及在有保温被覆盖下室内环境变化。在后续的研究中需扩大试验范围，并对后墙的蓄热设计加以结合研究，以期得到可应用于实际生产的现代化双层膜日光温室。

5 结论

本文设计建造了一种双层膜日光温室，其结构特点是采用内、外支撑骨架，外骨架为桁架结构，内骨架为钢梁支撑结构，并设置内、外双层覆盖系统，以期能适用于北方寒冷地区冬季生产。通过测试双层膜温室在冬季无保温被覆盖、通风口关闭条件下室内温度变化情况，与普通单层膜日光温室进行了对比分析，得出双层膜日光温室冬季空气平均温度、土壤平均温度、最低气温和最低土壤温度的最低值较单层膜日光温室分别提高了2.1 ℃、1.7℃、3.7 ℃和1.8 ℃，较室外分别提高了12.4 ℃、0.9 ℃、18.5 ℃和0.9 ℃。与单层膜日光温室相比，双层膜日光温室的空气温度、土壤温度有明显提高，室内温度较稳定。表明双层膜日光温室对提高温室内的温度，特别是夜间最低温度有很好的效果，对促进解决目前在寒冷地区因温室内温度低而不能进行安全越冬生产的问题具有重要意义。

此外，在雪天、晴天、阴天和雾霾天等典型天气，双层膜日光温室较单层膜日光温室，白天和夜间平均气温分别提高了0.4 ℃和1.4 ℃，较室外白天和夜间平均气温提高了3.0 ℃和9.7 ℃。这有助于降低因极端天气频现给设施农业生产带来的影响，推广应用前景广阔。

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The design and test analysis of thermal performance of double-plastic of solar-greenhouse

YUAN Yu1, LI Peng-cheng1, LI Ming1, SU Xue-de1, WU Qi-feng2
（1. Institute of Horticulture, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi, Xinjiang 832000, China; 2. Industrial development office, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Shihezi, Xinjiang 832000, China）

S625.1

A

1000-0275（2017）05-0900-07

新疆兵团重大科技项目（2016JB01）；新疆兵团科技攻关与成果转化计划项目（2015AC012）。

袁余（1987-），男，湖南娄底人，助理研究员，主要从事设施农业工程设计与应用研究，E-mail: yuanyu_0530@163.com；

吴奇峰（1978-），男，新疆石河子人，副研究员，主要从事设施农业研究，E-mail: wqf-2005@163.com。

2017-06-08，接受日期：2017-08-23

Foundation item:The Major Science and Technology Project of XJBT (2016JB01); The Science and Technology Research and Development Project of XJBT (2015AC012).

Corresponding author:WU Qi-feng, E-mail: wqf-2005@163.com.

Received8 June, 2017;Accepted23 August, 2017

10.13872/j.1000-0275.2017.0083

袁余, 李鹏程, 李铭, 苏学德, 吴奇峰. 双层膜日光温室设计及其热性能测试分析[J]. 农业现代化研究, 2017,38(5): 900-906.

Yuan Y, Li P C, Li M, Su X D, Wu Q F. The design and test analysis of thermal performance of doubleplastic of solar-greenhouse[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(5): 900-906.