李建明，孙国涛，李浩杰，李 睿，胡艺馨

（西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100）

发展设施农业是贯彻落实重要指示精神和中央决策部署的政治要求和必然选择。2020年我国设施农业总面积280万hm，产值超过1万亿元。通过新能源、新材料和新的温室设计提高温室采光与保温性能是提升温室生产能力的重要途径。传统温室生产存在诸多弊端，如传统温室采用煤炭、燃油等能源进行加温供热，产生大量二氧化气体，严重污染环境，而天然气、电能等能源又使温室运营成本提高；传统温室墙体蓄热材料多采用黏土、砖块等，消耗大且对土地资源造成严重破坏；传统的土墙日光温室土地利用效率仅为40%～50%，普通大棚蓄热保温能力差，在北方地区不能越冬生产喜温类蔬菜。因此，推进温室变革的核心，或者说基础研究在于温室设计、新材料和新能源研究开发。本文将围绕温室新能源的研究创新，对温室太阳能、生物质能、地热能、风能等新能源和温室新型透明覆盖材料、保温材料、墙体材料研究现状进行概述，分析新能源、新材料在新型大棚温室建造中的应用，展望其对未来温室发展变革中的作用。

温室新能源的研究创新

设施农业利用潜力最大的绿色新能源有太阳能、地热能以及生物质能，或者是多种新能源的综合利用，通过取长补短，实现能源高效使用。

太阳能

太阳能利用技术是一种低碳、高效和可持续的能源供给方式，是我国战略性新兴产业的重要组成，未来将成为我国能源结构转型升级的必然选择。从能源利用角度来说，温室本身就是一个太阳能利用的设施结构，通过温室效应，将太阳能集聚到室内，提高温室的温度，提供作物生长所需要的热量，且温室植物光合作用最主要的能量来源是阳光直射，这是对太阳能的直接利用。

太阳能光伏发电是基于光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术，这种技术的关键元件是太阳能电池，通过若干个太阳能电池板的串联或并联，实现太阳能照射在电池板阵列上时，半导体组件直接将太阳辐射能转化成为电能。太阳能光伏技术可以直接将光能转化为电能，通过蓄电池蓄电，夜间进行温室加温，但其成本高昂，制约了其进一步发展。笔者课题组开发了一种光伏石墨烯加热装置，由柔性光伏板、逆控一体机、蓄电池、石墨烯加热棒组成，根据种植行的长度埋设石墨烯加热棒于基质袋下，白天光伏板吸收太阳辐射发电储存于蓄电池中，夜间再将电量释放出来用于石墨烯加热棒，实测中采取17 ℃启动、19 ℃关闭的温控模式，夜间（20：00—第2天08：00）共运行8 h，加热单行植株能耗1.24 kW·h，夜间基质袋平均温度19.2 ℃，高出对照3.5～5.3 ℃。这种结合光伏发电的加热方式解决了温室冬季加热高能耗、高污染的问题。

太阳能光热转化是指通过使用光热转换材料所特制的太阳光采集面，将辐射到其上面的太阳能量尽可能多地采集吸收，并转化为热能，相对于太阳能光伏应用而言，太阳能光热应用增加了对近红外波段的吸收，因此其对太阳光的能量利用效率更高、成本更低且技术较为成熟，是太阳能利用形式中使用最广泛的方式。

我国光热转换利用技术中最为成熟的是太阳能集热器，太阳能集热器的核心部件是带有选择性吸收涂层的吸热板芯，吸热板芯可以将透过盖板的太阳辐射能转换为热能后传递给吸热工质。太阳能集热器根据集热器内是否有真空空间可以分为平板式太阳能集热器和真空管式太阳能集热器2大类，根据采光口的太阳辐射是否改变方向分为聚光式及非聚光式太阳能集热器，根据传热工质类型分为液体集热器和空气集热器。

温室太阳能利用主要通过各类型太阳能集热器形式开展。摩洛哥伊本·佐尔大学开发了1套用于温室增温的主动式太阳能供暖系统（ASHS），可增加冬季番茄总产量 55%。中国农业大学设计开发了1套表冷器——风机集放系统，集热量达到了390.6～693.0 MJ，并提出了通过热泵将集热过程与储热过程分离的思路。意大利巴里大学开发了1种温室多联产加热系统，该系统由太阳能系统和空气—水热泵组成，可使气温增幅3.6%，土壤温度增幅92%。笔者课题组研发了一种为应用于日光温室的可变倾角主动式太阳能集热设备及配套的跨天时温室水体蓄热装置。可变倾角主动式太阳能集热技术突破了传统温室集热设备存在的集热能力有限、遮阴和占用耕地面积等局限性，利用日光温室的特殊温室结构，对温室的非种植空间加以充分利用，大大提高了温室空间利用效率，在典型晴天的工况条件下，可变倾角主动式太阳能集热系统集热量速率达1.9 MJ/（m·h），能量利用效率达85.1%，节能率为77.9%～84.0%。温室水体蓄热技术通过设置多相变储热结构，增加蓄热装置储热能力，实现装置的缓释放热，以实现温室太阳能集热设备所收集热量的高效使用。

生物质能源

生物质发酵产热装置与温室大棚相集合建造新型设施结构，将猪粪、菇渣、秸秆等生物质原料堆肥酿热，产生热能直接供给温室大棚。相较于无生物质发酵酿热槽的大棚，在冬季正常气候下，酿热温室能够有效提高温室内地温，维持土壤栽培作物根系的适宜温度。以17 m跨度、30 m长的单层非对称保温大棚为例，在室内发酵槽中添加8 m的农业废弃物（番茄秸秆和猪粪混合），采用不翻堆的方式进行自然发酵，可使冬季大棚的日平均气温提高4.2 ℃，日最低气温平均达到4.6 ℃。

生物质可控式发酵能源利用是一种利用器械设备控制发酵进程以实现快速获取并高效利用生物质热能与CO气肥的发酵方式，其中，通风和水分是调控生物质发酵酿热产气的关键因素。在通风条件下，发酵堆体中的好氧微生物利用氧气进行生命活动，产生的能量一部分用于自身生命活动，一部分则成为热能释放于环境中，有利于环境温度升高。而水分参与整个发酵进程，为微生物活动提供必要的可溶性养分，同时通过水分将堆体热量以水蒸气的形式进行释放，以此降低堆体温度，延长微生物寿命，增加堆体积温。在发酵池内装配秸秆淋洗装置，在冬季可提高室内气温3～5 ℃，加强植株光合作用，使番茄产量增加29.6%。

地热能

我国地热资源丰富，目前农业设施对地热能利用最普遍的方式是使用地源热泵，通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能向高品位热能转移。与传统温室加温措施不同，地源热泵加温在实现加温效果显著的同时兼具为温室降温的能力，同时可降低温室内湿度。地源热泵在房屋建筑领域的应用研究本对成熟，影响地源热泵制热、制冷能力最核心的部分为地下换热模块，类型主要有地埋管、地下水井等，怎样设计一个造价和效果相平衡的地下换热系统，一直是该部分的研究重点。同时地源热泵在应用中对地下土层温度的改变也影响着热泵系统的使用效果。夏季利用地源热泵为温室进行降温，将热能储存在土壤深层，可以缓解地下土层的温度下降，提高冬季地源热泵产热效率。

在目前对地源热泵性能和效率的研究中，通过实际试验数据以及TOUGH2、TRNSYS等软件建立数值模型，得出地源热泵的制热性能和制冷性能系数（COP）能够达到3.0～4.5，具有良好的制冷制热效果。且对于热泵系统运行策略的研究中，傅允准等发现，相比于负荷侧流量，地源侧流量对机组性能和地埋管换热性能的影响较大；在流量设定的条件下，采用开机运行2 h停机2 h运行方案机组的最大COP值可达到4.17；石惠娴等采取了一种水蓄能型降温系统的间歇运行摸式，在夏季高温时节，整个供能系统COP能达到3.80。

温室土壤深层蓄热技术

温室土壤深层蓄热也称温室“蓄热银行”。冬季冷害和夏季高温是温室生产的主要障碍。笔者课题组利用深层土壤蓄热能力强的特点，研究设计了一种温室地下深层蓄热装置。该装置为在温室地下 1.5～2.5 m深度处埋入双层并联式传热管道，在温室顶部设置进气口，在地面设置出气口。在温室温度高时，利用风机强制将室内空气抽入地下，实现蓄热降温。在温室温度低时，从土壤中抽出热量，为温室增温。生产应用结果证明，该装置冬季夜间可以提高温室温度2.3 ℃，夏季白天可降低室内温度2.6 ℃，番茄种植可667 m增加产量1 500 kg。该装置充分利用地下深层土壤“冬暖夏凉”“温度恒定”的特点，为温室提供了“能量存取银行”，持续完成温室降温和加温辅助功能。

多种能源配合

采用两种或者多种能源类型配合为温室加温，可以有效弥补单一能源类型使用的弊端，发挥出“一加一大于二”的叠加效果。地热能与太阳能的互补配合，是近年来农业生产中新能源利用的研究热点。Emmi等研究了一种多源能源系统（图1），该系统配备了光伏热混合太阳能集热器，与普通的空气—水热泵系统相比，多能源系统的能源效率提高了16%～25%。Zheng等研制了一种新型的太阳能与地源热泵耦合蓄热系统。太阳能集热器系统可以实现高质量的供暖季节性储存，即冬季高质量供暖，夏季高质量制冷，埋管式换热器和间歇式蓄热罐在该系统中均能较好地运行，系统的COP值可达6.96。

图1 多源能源热泵系统

电能与太阳能相结合，旨在减少市电消耗的前提下，增强温室太阳能供电的稳定性。万娅等提出了一种联合太阳能发电与市电结合为温室供暖的新智能控制技术方案，可以做到有光时利用光伏电，无光时转为市电供能，大大降低了负载缺电率，且不使用蓄电池，降低了经济成本。

太阳能、生物质能与电能为温室联合供暖，也能够取得较高的供暖效率。张良锐等将太阳能真空管集热与谷电蓄热水箱相结合，该温室供暖系统具有良好的热舒适性，系统平均供热效率为68.70%。谷电蓄热水箱部分是增加了电加温的生物质加温蓄水装置，设定供暖端进水最低温度，根据太阳能集热部分和生物质蓄热部分的蓄水温度来确定系统的运行策略，以达到供暖末端供暖温度稳定，最大限度节约电能与生物质能源物料。

温室新材料的创新研究与应用

随着温室面积的扩大，砖块、土壤等传统温室材料的应用弊端日益显露；因此，为进一步提高温室热性能，满足现代化温室的发展需要，现在出现了许多针对新型透明覆盖材料、保温材料、墙体材料的研究与应用。

新型透明覆盖材料的研究与应用

温室透明覆盖材料类型主要包括塑料薄膜、玻璃、阳光板及光伏板，其中塑料薄膜应用面积最大。传统的温室PE薄膜存在使用寿命短、不可降解、功能单一的缺陷。目前在利用添加功能性试剂或涂层的方法，开发出多种新型功能性薄膜。

转光膜：转光膜是利用稀土、纳米材料等转光剂，改变了薄膜的光学性质，可以将紫外光区转为植物光合作用所需要的红橙光和蓝紫光，实现作物增产的同时，也可降低紫外线对塑棚温室内作物及棚膜的损害。如添加VTR-660转光剂的宽谱带紫转红棚膜，在温室中应用时发现该棚膜能显著提高红外线透过率，且与对照温室相比，番茄每公顷产量、维C和番茄红素含量分别显著提高了25.71%、11.11%、33.04%。但是，目前新型转光膜的使用寿命、可降解性、使用成本尚需研究。

散射玻璃：温室散射玻璃是通过玻璃表面特殊的花型和减反射工艺，能够最大限度将太阳光变成散射光进入温室，提高农作物光合作用效率，增加农作物产量。而散射玻璃通过特殊的花纹把进入温室的光照，变成散射光，而散射光能够更加均匀地照射到温室内部，消除骨架为温室带来的阴影影响。相比于普通浮法玻璃和超白浮法玻璃，散射玻璃的透光率标准是91.5%，普通浮法玻璃的透光率是88%。温室内部每增加1%的透光率，可以增加产量3%左右，果蔬内可溶性糖、维生素C等均有增加。温室散射玻璃采用先镀膜后钢化的工艺，自爆率高于国标，达到2‰。

新型保温材料的研究与应用

温室中的传统保温材料主要有草苫、纸被、针刺毡保温被等，主要应用于屋面内外保温隔热、墙体隔热及一些蓄热、集热装置的保温，大都存在长期使用后会因内部受潮而失去保温性能的缺陷。因此，现在出现了许多新型高保温材料的应用研究, 其中新型保温被及蓄热、集热装置保温更是研究重点。

新型保温材料通常是由编织膜、淋膜毡等表层防水、耐老化材料与喷胶棉、杂羊绒、珍珠棉等蓬松保温材料加工复合而成。东北地区试验了一种编织膜喷胶棉型保温被，发现添加500 g喷胶棉相当于市场4 500 g黑毛毡保温被的保温性能，添加700 g喷胶棉同等条件下比添加500 g的喷胶棉保温被保温性能提高1～2 ℃。同时，其他研究也发现，与市面常用保温被对比发现，喷胶棉、杂羊绒保温被的保温效果较好，保温率分别为84.0%和83.3%，当室外温度最冷为-24.4 ℃时，室内温度分别可达5.4、4.2 ℃。同单一的草苫保温被相比，新型复合保温被质轻、保温率高、防水及耐老化能力强，可作为日光温室的新型高效保温材料来推广应用。

同时，针对温室集热、蓄热装置保温材料的研究也发现，厚度相同时，多层复合保温材料要比单一材料保温性能更好。西北农林科技大学李建明教授团队对真空板、气凝胶、橡胶棉等22种温室水体储热装置隔热材料进行设计筛选和热性能测定，结果发现： 80 mm隔热涂料+气凝胶+橡塑保温棉复合保温材料，单位时间内可比80 mm橡塑棉减少散热 0.367 MJ，当该隔热组合厚度为 100 mm时，其传热系数为 0.283 W/（m·k）。

相变蓄热材料是温室材料研究的热点之一。西北农林科技大学研发了2种相变材料储备装置：其一是利用黑色聚乙烯材料的储备箱，其尺寸为50 cm×30 cm×14 cm（长×高×厚），且内部装有相变材料，可实现储放热功能；其二是研制了一种新型相变墙板，相变墙板由相变材料、铝板、铝塑板和铝合金4部分构成，其中相变材料位于墙板最中心位置，规格为200 mm×200 mm×50 mm，在相变前后均呈粉末状固体，无融化、流动等现象，且相变材料四壁分别为铝板和铝塑板，该装置能实现白天主要储热、晚上主要放热的功能。

因此，单一保温材料应用时往往存在保温效率低、热散失量大、储热时间短等问题，故采用复合保温材料作为储热装置保温层、室内外保温覆盖层，能有效提高温室隔热性能，减少温室热量散失，从而达到节约能源的效果。

新型墙体的研究与应用

墙体作为一种围护结构，是温室防寒保温的重要屏障。根据墙体材料和结构，温室北墙的发展可分为3种：主要为土壤、砖块等单层墙体及利用粘土砖、砌块砖、聚苯板等建造的内层蓄热、外层隔热型分层北墙，而这些墙体建造时大都费时费工；因此，近几年出现了许多便于建造、适宜快速组装的新型墙体。

新型组装式墙体的出现，推动着装配式温室的迅速发展，包括具有外部防雨防老化表层材料和毛毡、珍珠棉、太空棉、玻璃棉或回收棉作隔热层等材料组装成的新型复合墙体，如新疆地区的喷胶棉柔性组装墙体。此外，其他研究也报告了带有蓄热层的装配式温室北墙，如新疆的砖填充小麦壳砂浆砌块，在相同外界环境下，室外最低温-20.8 ℃时，麦壳砂浆砌块复合墙体日光温室内温度为7.5 ℃，而砖混墙体日光温室内温度为3.2 ℃，砌块温室番茄收获期可提早16 d，单棚产量提高18.4%。

西北农林科技大学设施团队从墙体设计轻简化、便于取材的角度出发，提出将秸秆、土、水、石、相变材料制备成保温蓄热模块的设计理念，推动了模块化组装墙体的应用研究。例如，铅丝网笼装填石块形成的石块墙体温室，与普通砖墙日光温室相比，该温室内平均气温在典型晴天高4.0 ℃；相变材料（PCM）与水泥混制的3种无机相变水泥模块，其单位体积蓄热量分别为74.5、88.0、95.1 MJ/m，放热量为59.8、67.8、84.2 MJ/m，具有白天“削峰”、夜间“填谷”，夏天吸热、冬天放热的作用。

这些新型墙体现场组装、施工周期短、使用寿命长，为轻简化、可快速组装的装配式温室建造创造了条件，可极大地推动温室结构变革；但是，这类墙体也存在一定的缺陷，如喷胶棉保温被墙体保温性能优良，但缺乏蓄热能力，而相变建筑材料又存在使用成本较高的问题，未来要加强组装式墙体的应用研究。

新能源、新材料、新设计助力温室结构变革

新能源与新材料的研究创新，为温室大棚设计创新提供了基础。节能日光温室和拱棚是我国农业生产应用面积最大的棚体结构，在农业生产中发挥着重要的作用，但是随着我国社会经济的发展，2种设施结构的缺点日益呈现，一是设施结构空间小，机械化程度低；二是节能日光温室保温性好，但是土地利用低，相当于以土地置换了温室能量。普通拱棚不仅空间小，而且保温性差。连栋温室尽管空间大，但是保温性差，能耗大。所以，研究开发适宜于我国现阶段社会经济水平的温室结构势在必行，而新能源、新材料的研发将助力温室结构变革，产生多种创新温室模式或结构。

大跨度非对称水控酿热大棚的创新研究

大跨度非对称水控酿热大棚（专利号：ZL 201220391214.2）是依据日光温室采光保温原理，改变普通塑料大棚对称性结构，增大南部跨度，提高南屋面采光面积，缩小北部跨度，减少散热面积，跨度18～24 m，脊高6～7 m。通过设计创新，空间结构显著增大。同时，利用生物质酿热和保温新材料技术，解决了温室冬季热量不足以及普通保温材料保温性差的问题。生产使用与研究结果表明，大跨度非对称水控酿热大棚，晴天夜间的平均温度为11.7 ℃，阴天为10.8 ℃，能满足冬季作物生长的需求，且该温室比苯板砖墙温室建造成本降低了39.6%，土地利用率提高了30%以上，适合在我国黄淮河流域进一步推广和应用。

装配式日光温室

装配式日光温室以立柱和屋面骨架作为承力结构，其墙体材料以隔热围护为主，不再以承重和被动储放热为主要功能。主要有：（1）以外覆薄膜或彩钢板、秸秆块、柔性保温被、砂浆砌块等多种材料组合，形成新型组装墙体；（2）以预制水泥板—聚苯板—水泥板的复合墙板墙体；（3）隔热材料配主动蓄放热系统和除湿系统的轻简装配式，例如塑料方块水桶蓄热、管道蓄热等。利用不同新型隔热材料和蓄热材料，替代传统土墙体建造的日光温室空间大，土建工程小。试验结果表明，该温室冬季夜晚温度比传统砖墙温室提高4.5 ℃，后墙厚度为166 mm，与600 mm厚的砖墙温室相比，墙体占地面积减少72%，且每平方米造价为334.5元，比砖墙温室减少了157.2元，建筑成本下降显著。由此可见，装配式温室有着破坏耕地少、节约用地、建设速度快、使用寿命长的优点，是当前和今后日光温室创新和发展的一个重点方向。

滑盖式日光温室

沈阳农业大学研发的滑板装配式节能日光温室利用日光温室后墙组成水循环墙体蓄热系统蓄热提温，主要由水池（32 m）、采光板（360 m）、水泵、水管和控制器等组成。顶部采用新型轻质岩棉彩钢板材料替换柔性保温被。研究显示，该设计有效解决了山墙挡光问题，增加了温室进光面积；温室采光角为41.5°，比对照温室增加将近16°，提高了采光率。室内温度分布均匀程度高，植株长势整齐。该温室具有可以提高土地利用效率，灵活设计温室尺寸，缩短施工周期的优点，对保护耕地资源和环境有重大意义。

光伏农业温室

光伏农业温室是集太阳能光伏发电、智能温控、现代高科技种植为一体的温室。它采用钢制骨架，上覆太阳能光伏组件，以保证光伏发电组件的光照要求和整个温室的采光要求。太阳能光伏发出的直流电，直接为农业温室进行补光，并直接支持温室设备的正常运行，驱动水资源灌溉，同时提高温室温度，促进作物快速增长。这种方式中的光伏组件会影响温室屋面的采光效率，进而影响温室蔬菜的正常生长。所以，合理布置温室屋面的光伏板成为应用的关键点。农业光伏温室是观光农业与设施园艺有机结合的产物，是集光伏发电、农业观光、农业作物、农业技术、园林景观及文化发展于一体的创新型农业产业。

不同类型温室间能量互作的温室群创新设计

北京市农林科学院郭文忠研究员利用温室间能量传递的加热方法，在一个或多个温室内收集剩余的热能来加热另一个或多个温室，这种加热方法实现了温室能量在时间和空间上的转移，提高了剩余温室热能的能源利用效率，降低了采暖总能耗。2种类型的温室可以是不同的温室类型也可以是种植各种作物的相同温室类型，如生菜和番茄温室。热量收集方法主要包括提取室内空气热量和直接拦截入射辐射。通过太阳能收集、热交换器强制对流、热泵强制提取，为采暖温室提取了高能量温室中的剩余热量。

小结

这些新型日光温室都具有便于快速组装、缩短施工周期、提高土地利用率的优点；因此，要进一步探究这些新型温室在不同地区的使用性能，为新型温室的大面积推广应用提供可能性。同时，要不断的加强新能源、新材料在温室中的应用，为温室结构变革提供动力。

未来展望及思考

传统温室往往存在耗能大、土地利用率较低、费时费工、使用性能差等应用弊端，已经无法满足现代农业的生产需求，势必要被逐渐淘汰；因此，利用太阳能、生物质能、地热能、风能等新型能源、新型温室应用材料及新设计推动温室结构变革已是发展趋势。首先，对于新能源与新材料推动下产生的新型温室，既要满足机械化作业的需要，又必须节能省地，降低成本。其次，要不断探究新型温室大棚在不同地区的使用性能，为温室大面积推广提供条件。未来要进一步寻找适宜温室应用的新能源与新材料，寻找新能源、新材料与温室的最佳结合方式，为建造低成本、工期短、低能耗、使用性能优良的新型温室提供可能，助力温室结构变革，推动我国温室的现代化发展。

尽管新能源、新材料和新设计在温室建造中的应用是必然的趋势，但是仍然存在许多问题需要研究和克服：（1）建造成本增大。新能源、新材料的应用，与传统的煤炭、天然气或燃油加温相比，尽管环保无污染，但是建造成本显著提高，为生产经营投资回收造成一定影响。新材料成本与能源利用相比较，成本也会显著提升。（2）热能利用不稳定。新能源利用的最大优点是运营成本低、二氧化碳释放低，但是能源热量供应不稳定，太阳能利用中阴天就成为最大限制因素。生物质发酵产热中，发酵热能小、管理控制难度大、原材料运输堆放空间大等问题限制了该能源的有效利用。（3）技术成熟度问题。这些新能源与新材料利用的技术为先进研究技术成果，应用面积和应用范围还相当有限，没有通过多次、多位点、大规模的实践验证，应用中不免还有一定的不足和需要完善的技术内容，而使用者也往往会因为较小的不足而否定技术的先进性。（4）技术普及率低。一项科技成果的广泛应用，需要有一定的普及性。现在，新能源、新技术、新型温室设计技术均掌握在有一定创新能力的高校科研单位的团队内，大部分技术需求者或者设计人员还不了解；同时，由于新技术核心设备都有专利，技术的普及与应用还相当有限。（5）新能源、新材料与温室结构设计的融合性有待进一步加强。由于能源、材料和温室结构设计属于3个不同学科知识，具有温室设计经验的人才往往对温室相关能源及材料的研究不足，反之亦然；因此，能源与材料研究的相关研究人员需要加强对温室产业发展实际需求的调研与了解，结构设计人员也要研究新材料、新能源，促进三者关系的深度融合，从而实现温室研究技术实用、建造成本低、使用效果好的目标。依据以上问题，建议国家、地方政府及科研单位加大技术研究力度，深入开展联合攻关，加强科技成果宣传，提高成果普及程度，快速实现新能源、新材料助力温室产业新发展的目标。