王雪鹏 ， 谢思萌 ， 郑建鸿 ， 张庐陵

（1.江西农业大学软件学院，江西 南昌 330045；2.江西农业大学工程技术开发研究所，江西 南昌 330045）

近年来，日光温室秉承绿色、高产、富农的发展原则，建设面积逐渐扩大。日光温室是节能日光温室的简称，又称暖棚，由两侧的山墙和温室后墙、支撑结构以及覆盖材料组成。日光温室墙体既具有围护功能又具有保温功能，是日光温室不同于连栋温室和塑料温室的建筑特色之一。由于日光温室投资较少、围护成本较低、能源需求少且能够保证农作物安全过冬，因此被农户广泛应用。截至2018年，中国温室大棚总面积达到了18.94×105hm2，其中日光温室总面积为5.77×105hm2，日光温室大约占我国温室大棚总面积的30%。2008—2018年，中国温室大棚面积统计数据如图1所示。

图1 2008—2018年中国温室大棚面积增长统计数据图

1 我国日光温室结构选型的发展

在2 000多年前，我国就有了通过保护措施来种植蔬菜的温室设施，可以说中国是世界上最早实现温室栽培的国家之一[1]。日光温室的结构尺寸和形状的变迁，是科技、经济发展水平和社会需要的综合体现。

1.1 第一发展时期

第一个发展时期是20世纪30年代，魏晓明等[2]指出，日光温室在20世纪30年代采用的结构形式为“一坡一立式”，采用的透光材料为玻璃，受制于材料的物理属性，当时日光温室覆盖材料结构为折线形，同时用竹木结构作为骨架也决定了结构的跨度和高度相对较小，当时日光温室的跨度在6 m左右，高度在2 m左右，不利于操作员进行各项工作。该时期的日光温室后屋面较长，因此保温性能较好。

1.2 第二发展时期

第二个发展时期是20世纪70年代，由于塑料薄膜作为覆盖材料的应用，再加上钢架用于日光温室的普及，使得日光温室得到较大发展与升级。最大的改变是日光温室屋面由折线形改为了弧形，同时脊高提升到了2.2 m～2.6 m，跨度也提升至6 m～7 m，这种改变使日光温室的净空高度得到提升，室内空间变大。该时期的典型结构类型有“感王式”和“鞍山Ⅰ式”两种日光温室结构，这两种温室结构类型保温性能较好，造价也比较低，但是也存在一些缺点，比如后屋面过长导致采光不足、室内柱子太多不利于机械化作业等。

1.3 第三发展时期

第三个发展时期是20世纪80年代，随着钢结构逐渐取代了竹木结构成为温室骨架材料，日光温室开始进入了无柱、少柱时代，温室结构跨度和高度显著增大，长度也从原来的50 m～60 m发展到了100 m，甚至更长。该时期具有代表性的结构形式有“悬梁吊柱式”[2]、“琴弦式”[3]、“鞍山Ⅱ式”[4]。

2 日光温室墙体分类

日光温室墙体是区别于其他温室的一大显著特征，日光温室墙体东西走向，角度随着当地太阳辐射时间、强度的不同略有调整。墙体的材料和结构是影响日光温室蓄放热性能的重要因素之一[5]。

2.1 单质墙体

2.1.1 下挖式机打土墙

土的热惰性比较大，土墙建造成本低、容易就地取材、制作工艺简单，为农户广泛使用。机打土墙的特点是墙体下部宽、上部窄，地面下沉，用履带式推土机推土碾压，再用推土机切除多余土体形成宽大的墙体。下挖式机打土墙的墙体可以直接采用挖取的土壤作为墙体材料，降低了造价[6]。同时，由于温室底部下沉，室内的热量不容易向四周传递，很大程度上减少了后墙、山墙的传热，使蓄热系数和保温比增加，土壤水平方向热量损耗减小，提高了温室的热稳定性[7]。但是，由于下沉式日光温室在地面以下，可能会发生积水和采光面遮挡太阳光等问题。李清明等[8]指出，下沉式日光温室下挖深度在0～1 m区间时，室内气温和地温增温效果明显、保温效果更好，下挖深度过深反而会引起负面效果。下沉式温室保温效果要明显好于普通日光温室，但占地面积较大，土地利用率较低，仅为40%[9]。

2.1.2 机压大体积土坯墙

为了降低墙体的厚度，减少用土量，同时增加墙体的强度，研发了一种速土成型机，可以把松软的土壤和一些工业废渣加入固化材料和水中，通过压铸的形式把土壤（最佳含水量为11%～16%）在成型机里挤压成1.2 m×1.2 m×1.2 m的立方体土块。砌筑时不需要粘结剂，仅通过错缝垒筑就可以建造保温性能良好且可以做承重墙的温室墙体，墙体厚度与干打垒土墙相差无几，但相比于干打垒土墙，其施工的机械化程度更高，施工速度也更快（机打土墙的5倍）[10]，而且用土量也更少，极大地提高了土地的利用率。

2.1.3 沙袋土墙

在甘肃张掖市高台县地区，土质多为砂砾土，不适用干打垒土墙，也不适合机打土墙，当地温室建造者创新了一种沙袋墙体。该墙体是先将砂砾土装进具有良好的抗风化性能的编织袋中，错缝将沙袋垒成墙体，在墙体表面张挂保护网或者涂抹泥浆，该墙体保温性能良好，可以在不加温情况下保证果蔬安全过冬。但由于施工只能通过人工进行，因此人工成本较高（造价15万元/亩～16万元/亩），且劳动强度大[11]。

2.1.4 浆砌石墙

对于一些石料来源比较方便的地区也有不少采用石料作为温室结构墙体的，石料是一种热惰性比土墙更大的材料，因此储热能力更强。传统的石墙采用砌筑的方式，墙体承载力强、储放热性能较好、墙体耐久性较好，在一些河堤、护坡等工程中也常用到浆砌石墙。但是这种砌筑石墙采用的石块较大，劳动强度也大，只能依靠人工作业，无法进行机械化生产，而且施工周期长，造价也较高，一般在25万元/亩左右，因此也极大地限制了浆砌石墙的发展[12]。

2.1.5 “石笼”墙体

张勇等[13]结合我国耕地分布情况，利用当地自然条件开发了一种适合我国非耕地区域的新型鹅卵石后墙温室结构，通过合理的粒料集配将鹅卵石封装在钢筋网箱中，降低了土建造价，提高了施工速度，增强了后墙稳定性；所利用的石料为鹅卵石、碎石，甚至建筑垃圾都可以作为后墙储能材料，尤其适合在戈壁、多砾石地区进行大面积推广。

2.2 复合结构墙体

2.2.1 复合砖墙

采用砖墙作为温室的墙体可以极大地提高温室的耐久性，同时也可以减小占地面积，提高土地利用率。施展[14]认为相比于夯实土墙，砖结构墙体在蓄热效率上要高16.5%，而制约砖结构墙体推广最大的阻碍是建造成本太高。此外，考虑到烧结普通砖对耕地的破坏，因此要尽量避免使用烧结普通砖作为温室墙体。佟国红等[15]认为在相同厚度下，异质复合墙体比单质砖墙夜间温度高3 ℃。材料相同、不同排列方式的异质复合墙体在蓄热和传热方面也存在差异，内部是砖墙、外部是聚苯板的异质复合墙体好于砖墙内部夹聚苯板的异质复合墙体[11]。

2.2.2 相变材料

相变材料（Phase Change Material, PCM）在建筑行业的研究已经有了一定的基础，目前相变材料技术在日光温室墙体中的应用还处于研究阶段。王宏丽等[16]选用石蜡和硬脂酸正丁酯按照1∶1的质量比，以稻壳为载体制成复合相变材料，并将其用于日光温室的墙体中。试验发现用相变材料制成墙体的日光温室相比于普通砖墙温室放热更加均匀，室内平均温度相较于普通砖墙温室高2 ℃～5 ℃，温室内的农作物长势情况也优于普通温室。相变材料作为日光温室的墙体要满足以下要求：1）相变材料的相变温度要在农作物适宜的温度附近；2）比热容大，体积稳定；3）相变材料要能长期循环使用，要与其他建材相容；4）可逆相变，不发生过冷现象；5）具有良好的化学稳定性和低降解性质；6）不腐蚀、不可燃、不爆炸；7）经济性好[17]。

2.2.3 加气混凝土

黏土砖的烧制破坏了大量耕地，同时国家也发布了烧结普通砖的禁令，日光温室的建造中不少墙体使用的是烧结普通砖和其他隔热材料组成的复合墙体。砖墙作为墙体具有较好的蓄热保温性能，但是砖墙造价比较高，加上其破坏耕地严重，所以必须用其他建筑材料替代烧结普通砖。加气混凝土容重是烧结普通砖的1/3，抗压强度为4.0 MPa～5.0 MPa，加气混凝土的导热系数为0.16，小于烧结普通砖（0.81），在相同厚度下加气混凝土的保温隔热性能优于烧结普通砖，而且可以减少墙体占地面积，提高土地利用率[18]。

2.3 装配式结构墙体

装配式日光温室墙体相较于传统的砖墙、土墙、石墙结构的日光温室墙体，最大的优点就是建造速度快、土地利用率高、破坏耕地很少、建筑材料标准化等。装配式日光温室结构墙体材料大多可以工厂化生产，极大地减少了建造时间，装配式日光温室墙体一般不再以承重和被动储放热为主要功能，而是以保温和围护为己任。周长吉[19]介绍了一种以聚苯板（模塑聚苯乙烯泡沫塑料）为保温隔热材料的墙体，该材料是由聚苯乙烯颗粒经过加热发泡，然后在磨具中成型的一种有闭合气孔的聚苯板材。作者用镀锌轻型方钢作为骨架承受屋架传递过来的荷载，屋面结构采用的是目前较为流行的C型钢，在烟台海阳县进行了实验（2019年1月），实验表明在没有采用任何加温措施情况下室内外温差维持在20 ℃以上，说明温室具有良好的保温性能。

3 日光温室结构选型和发展趋势分析

日光温室的透光覆盖材料一开始采用玻璃，受制于材料属性，形状为折线形；随着材料科学的发展，透光覆盖材料采用聚氯乙烯塑料薄膜，覆盖材料结构形式变为弧线形，增大了室内空间。随着支撑材料结构由竹木结构到钢结构，温室室内的柱子也逐渐减少，柱子的减少有利于实现机械化生产。另外，由于温室的骨架材料强度的增强，温室的跨度也逐步变大。

无论是干打垒土墙、机打土墙还是机压大体积土坯墙，都是以土壤作为主要材料，其优点是容易就地取材、建造的成本相对较低、有较好的储放热能力，但是其缺点也不言而喻，用土壤作为主要材料，对耕地破坏较大，现场取土会造成场地整体下沉、容易积水等。随着国家对于耕地保护的要求不断提高，人们的生态保护意识也不断增强，单质土墙逐渐被其他材料所取代。

浆砌石墙具有较好的强度和耐久性，河道和堤坝常用此方法砌筑，但浆砌石墙也有很大的弊端，比如劳动强度大、施工周期长、造价偏高、材料获取受制于自然条件等。张勇等[13]结合我国耕地分布情况，利用当地自然条件开发了一种适合我国非耕地区域的“石笼”墙体结构，很大程度上解决了施工周期长等问题，但其发展只限于部分石料获取比较方便的地区。

复合材料墙体要考虑选用合适的材料，陈瑞生等[20]认为理想的日光温室墙体结构是：最内侧由吸热、蓄热能力较强的材料组成蓄热层，最外部由导热系数低、放热能力差的材料组成保温层，中间由绝热系数较大的材料组成隔热层。不同的材料组合以及相同的材料不同的厚度和放置位置都会有不同的效果。

为了加强日光温室的保温性能，在复合材料墙体的建造中，较多采用一种聚苯板为夹层，因为其导热系数较小，隔热性能较好，价格也比较适中。部分学者的研究也表明了采用聚苯板作为日光温室墙体的夹层，可以取得不错的效果[21-23]。同时，国内一些学者质疑，他们认为隔热材料置于墙体中间将失去日光温室的意义，并且对聚苯板位于墙体不同位置对保温性能的影响进行了分析，对外贴聚苯板墙体与中间夹层设置聚苯板的复合墙体在经济上、保温性能上还有施工便捷性上进行综合分析，得出墙体外部贴聚苯板相比于内置聚苯板更好[24-26]。

前文已经概述了我国日光温室墙体材料及其结构，我国日光温室秉承节能、绿色、高产、高效的原则。同时，从建造方便快捷的角度出发，使用装配式结构建造的保温墙体有利于改进黏土、石块、砌块建造速度慢、土地利用率低等问题，其也是日光温室墙体发展的重要趋势之一[27]。可以预见，装配式日光温室墙体材料的选择接下来会是日光温室升级的核心研究对象之一。

近年来，很多研究员和学者对于日光温室墙体保温蓄热的研究，主要目的就是研究如何把白天多余的热能储存起来，在夜间温度较低时释放出来，从而实现削峰填谷，使室内温度较为适宜，把热能的利用率提高，因此日光温室墙体相变蓄热技术是研究的重点之一。

4 结束语

设施农业的快速发展，解决了新鲜果蔬季节性生产带来的不便，使一部分新鲜果蔬的生产供应不再受制于气候条件，同时设施农业也极大地提高了农产品的产出。日光温室因具有结构简单、造价低廉、节能减排等优点在我国北方地区得到了广泛应用，其作为一种具有中国特色且保有量巨大的温室设施，在未来很长一段时间内，将成为中国温室设施优化升级的重点。随着新型建筑材料的发展以及产业的发展，日光温室结构会不断优化升级。日光温室的发展同样受制于当地的自然资源条件，因此要因地制宜地发展符合当地实际情况的环境友好型日光温室。