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日光温室墙体发展现状及趋势  日光温室是中国北方一种常见且特有的温室形式，是重要的园艺设施，主要由围护墙体、后屋面和前屋面三大部分构成，在冬季生产中扮演重要角色。文章概述中国日光温室墙体结构的发展历程，着重介绍日光温室新型墙体材料的研究进展，并对新型墙体结构在日光温室中的应用发展前景进行趋势分析。   日光温室墙体和材料的不断优化是提升中国设施蔬菜生产的重要途径。在20世纪80年代，学者们对日光温室前屋面形状和覆盖材料进行升级改造后，发现日光温室保温蓄热性能的提高，不光受到前屋面结构的影响，后墙、东西山墙、后屋面也是有非常重要的结构。 温室墙体结构可分为三个时期： 第一个时期的温室（图1）是单一材料墙体阶段，主要是干打垒、堆土、砖。该时期墙体作用是结构承重和隔热，如最早的“一坡一立”式日光温室后墙高1.5m，墙体材料为土墙，外夹防风障，“一面坡”式土墙温室外围秸秆，以增强保温，20世纪70~90年代，改良的“感王式”（图2）和“鞍山Ⅰ型”温室后墙高1.5~2.0m，后填培土以增强保温，后墙底总宽厚度1.5m。陈瑞生指出土墙厚度江淮平原、华北南部土墙1.0~0.8m为宜；华北平原北部、辽宁南部以1.0~1.5m为宜，砖墙图1第一时期温室结构示意图/mm以50~60cm为宜，中间有隔层更佳。 第二时期是20世纪90年代起，学者们的研究由单一材料墙体转向异质复合墙体。该时期墙体结构的侧重在保温蓄热性能，如“鞍山Ⅱ型”日光温室（图3）后墙高度提升1.6m，墙体材料由土墙变成中空墙体，墙高1.6m，下埋地下0.6m，厚0.5m。“辽沈Ⅰ型”首次采用多层异质复合墙体，即双层黏土砖，中间夹100~200mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板，大大增强了保温效果。东北地区的“辽沈Ⅳ型”温室，在结构上改良了“寿光5代”厚土墙、土地利用率低的缺点，墙体采用“砖墙+聚苯板+砂浆”的结构，高3.5m，厚0.6m。 陈端生、周长吉、亢树华、徐刚毅等人开始对墙体热贡献分析研究，认为土墙厚度为1m为宜，全天是“吸热体”，不利于夜间的放热；较理想的墙体内侧应该由吸热、蓄热能力强的材料作为蓄热层，中间为隔热层，外侧则由导热、放热能力较差的材料作为保温层；中间隔热材料的性能以珍珠岩最佳，其次是煤渣、锯末、中空；亢树华首次使用加气混凝土砖应用于墙体外侧，增大夜间墙体对温室的热贡献，在当时属于突破。张立芸等对日光温室的后墙结构和传热特性比较得出，任何一种单一材料墙体都难以同墙体中填充保温层的多层异质复合墙体相比较，后者热阻大，蓄热、隔热、保温效果好，厚度小，节约材料。佟国红从墙体传热角度对复合异质墙体和单一墙体采用频率响应法进行了理论分析，认为具有隔热层的墙体比纯砖墙节能显著，且用聚苯板作为墙体隔热材料比砖做墙体蓄热材料合理。2005年，佟国红应用多目标模糊优选法对不同围护结构材料日光温室进行比较，指出使用聚苯板作为中间保温层的砖墙高效节能日光温室综合性能优于土墙结构温室。至此，以聚苯板为隔热材料的复合异质墙体已成为日光温室墙体的研究主流方向。进入21世纪后，墙体结构研究更加丰富。李小芳等利用热反应系数法和日光温室的热环境数学模型模拟的研究表明，以聚苯板为砖墙蓄热材料的厚度以0.1m为宜，隔热材料厚度相同情况下的砖墙厚度较薄的保温效果更好。 第三时期是新型材料应用的初期阶段。2005年国家禁止黏土实心砖用于日光温室建造，张立芸等对新型建材进行研究，用加气混凝土砌块作为替代实心黏土砖的材料并证明其具有节能环保的效益。随后，国内一些学者对隔热材料——聚苯板内置于墙体中间的做法提出质疑，认为这样使用隔热材料外侧的墙体将失去蓄热作用，毫无意义。李成芳、佟国红、徐刚毅等对日光温室墙体绝热层的位置进行了分析，表明外贴聚苯保温板的经济性能和热工性能较中间夹保温板的复合墙体要好，结构设计主要以室内光照、气温及湿度等性能进行了观测及分析。 陈端生指出墙体外层用加气砖要比用普通砖保温效果高，室内气温平均可以提高0.5~0.8℃。马承伟对复合构造墙体材料分析得出内侧材料注重蓄热性，应为导热良好的材料，而不应选择保温性好或是蓄热性好的材料。李明等对日光温室新型墙体材料进行梳理。外侧注重保温性，要选用保温性能好的材料。北京京鹏环球科技股份有限公司曾调研过北京周边日光温室墙体材料、构造的使用情况，调研情况如表1所示。  前文已概述中国日光温室墙体结构的发展历程，根据中国能源匮乏、经济水平不高的特点，日光温室设计应采取“低投入、低能耗”的原则，实现节能减排。同时从简便施工的角度出发，坚持发展低成本节能日光温室将是中国设施园艺产业突破资源环境瓶颈制约的主要途径，这就确定研究重点在于日光温室向组装方向的发展。 这种使用可现场装配材料建造的外保温复合墙和单一保温墙体有助于改变使用砌块或粘土建造墙体施工效率低下、质量不高、土地利用率低下等问题，是未来日光温室墙体演化的重要趋势。同时可以预见，装配温室的蓄热和保温材料的选择将是下一步日光温室升级的核心研究内容。 近年来许多学者将目光聚焦到新型温室墙体的开发研究上，目的就是研究如何利用白天过剩的太阳能辐射能量，将其储存起来在夜间释放，从而实现削峰填谷，增加室内温度，进而减少建筑的损耗，日光温室墙体相变蓄热技术应运而生。中国关于相变材料应用于建筑领域以实现节能减排的相关研究时间较短，成果较少而且多停留在理论研究，在实际工程中应用还不够广泛。 张寅平最早开始从事此项工作的研究，包括相变材料的定义和分类方法、不同相变材料的物性参数和相变性能、相变过程中的传热理论分析以及如何设计相变蓄热装置等。林坤平通过对由相变材料组成墙体的相变房间建立数学模型，运用理论分析和实验研究的方法探讨其在夏季夜间通风的条件下的传热特点，分析了夏季型相变墙体全国的适用性，并对将相变蓄热地板应用到清华大学新建的低能耗实验楼中进行了详细的理论分析和实验研究。冯国会为解决北方寒冷地区温室的“过冬”问题，对利用脂肪酸作为相变材料制成的相变墙板进行了研究，针对应用对象的特点对其相变性能进行改善。方贵银研制了一种应用于建筑结构的新型相变材料并对其进行了示差扫描量热法测试，同时利用实验的方法对该复合相变材料的主要性能进行研究，结果表明该材料的相变潜热高，蓄热性能好，结构稳定性强，适合用于建筑结构中。美国的科学家Neeper研究了相变材料在太阳房中的蓄放热特性和相变材料对太阳房热环境的影响，指出选择相变材料应充分考虑使用对象的光照特性和传热特性，为评价相变材料对建筑物的使用性方面提供了参考意见。Takeshi和Tadahiko等将含有PCM墙板的实验房和普通石膏板实验房进行对比实验，其中相变材料由5%的十六烷与95%的十八烷混合组成，PCM墙板则是将含有两种烷烃的交联聚乙烯与石膏板混合制成。结论指出使用PCM墙板实验房的热负荷平缓，削峰填谷，电量消耗下降。NAJJARA等模拟了温室含有相变材料的热环境，得到的结果和实测数据相一致，表明在夏季相变材料的使用能够减小室内温差，使室内最高温度降低5℃左右。综合以上的研究发现，相变材料的选择和应用应该“因地制宜”，新型材料的研制和结构构筑形式对于相变墙体性能的发挥至关重要。 除了相变材料的研究外，许多学者也在讨论如何选择适于装配式日光温室墙体的蓄热和保温材料，中国农农业科学院农业环境与可持续发展研究所，张义等人设计了一种轻简装配式主动蓄能型日光温室，在保持日光温室自身优点的基础上，将墙体的功能分为两个部分，一部分为蓄放热功能，基于水媒介质的主动蓄放热系统来实现，一部分为保温隔热功能，由轻简结构可装配式保温墙体完成。北京京鹏润和农业科技股份有限公司设计开发的一种以喷胶棉质保温材料为墙体和后屋面的组装式日光温室，已在科技部中-罗援建项目上落地实施。该项目日光温室将柔性墙体材料与水体主动蓄热组合，为柔性墙体材料与多种蓄热方式搭配提供了一种新的思路。 设施农业的快速发展为中国北方地区冬季新鲜蔬菜的供应提供了便利，在中国各种园艺设施形式中，日光温室以其设备简单、造价低等优点得到了广泛的应用。因此，日光温室现代化是温室发展的必然结果，也是农业现代化的必然要求。本文概述中国日光温室墙体结构的发展历程，着重介绍日光温室新型墙体材料的研究进展，并对新型墙体结构在日光温室中的应用发展前景进行趋势分析，希望为今后日光温室墙体的发展提供参考。 作者：赵静，周增产（北京市农业机械研究所有限公司现代农业创新中心，北京市植物工厂工程技术研究中心） 余连海，李宝安，兰立波，陈立振（北京京鹏环球科技股份有限公司，北京市植物工厂工程技术研究中心） 本公众号欢迎分享，凡转载文章，除了为作者署名外，还请在文章最前或者最后注明：本文转载自：温室园艺农业工程技术公众号。 |
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