中国日光温室结构及性能的演变_魏晓明.pdf

江苏农业学报 Jiangsu J of Agr Sci 2012 28 4 855 860 魏晓明 周长吉 曹 楠 等 中国日光温室结构及性能的演变 J 江苏农业学报 2012 28 4 855 860 中国日光温室结构及性能的演变 魏晓明 1 2 周长吉 1 2 曹 楠 1 2 盛宝永 1 2 陈松云 1 2 鲁少尉 1 2 1 农业部规划设计研究院设施农业研究所 北京 100125 2 农业部农业设施结构工程重点实验室 北京 100125 收稿日期 2012 05 18 基金项目 公益性行业 农业 科研专项项目 200903009 公益性行 业 农业 科研专项项目 201203002 作者简介 魏晓明 1983 男 安徽涡阳人 博士 工程师 研究方向 为设施园艺工程 E mail weixiaoming836 163 com 通讯作者 周长吉 E mail zhoucj facaae com 摘要 日光温室作为具有典型中国特色 规模巨大的设施类型 一直是中国温室园艺装备升级的重点 在不 同时期 不同地域涌现出很多特征鲜明 结构迥异的日光温室类型 为保障中国城乡居民 菜篮子 的稳定供给 农 民增收发挥了重要作用 本文回顾了日光温室近 80 年的发展历程 将日光温室结构的演变划分为 雏形时期 改 良时期 发展时期 升级时期 4 个阶段 并选取各阶段具有代表性的 15 种日光温室结构进行建筑参数和性能的研 究 分析其优缺点 在此基础上 展望了未来日光温室结构的发展方向 为更加科学地指导中国日光温室产业的优 化升级提供参考和借鉴 关键词 日光温室 结构 性能 演变 中图分类号 S625 1 文献标识码 A 文章编号 1000 4440 2012 04 0855 06 Evolution of structure and performance of Chinese solar greenhouse WEI Xiao ming 1 2 ZHOU Chang ji 1 2 CAO Nan 1 2 SHENG Bao yong 1 2 CHEN Song yun 1 2 LU Shao wei 1 2 1 Institute of Facility Agriculture Chinese Academy of Agricultural Engineering Beijing 100125 China 2 Key Laboratory of Farm Building in Struc ture and Construction Ministry of Agriculture Beijing 100125 China Abstract In different time and regions varieties of solar greenhouses with distinctive features and structures were developed in China which have played important roles in ensuring stable vegetables supply and increasing farmers in come This paper reviewed nearly 80 year development course of Chinese solar greenhouse and divided the structure evolu tion process into four periods prototype period improving period developing period and upgrading period 15 typical Chi nese solar greenhouses in different periods were selected for studying the architecture parameters and performance The ad vantages and shortages for each kind of greenhouse were analyzed The future development direction of the Chinese solar greenhouse structure was prognosticated which would provide a reference for guiding the optimization and upgrading of solar greenhouse industry Key words Chinese solar greenhouse structure performance evolution 日光温室是一种中国自主研发的设施类型 由 于不需要额外辅助加温即可实现喜温果菜安全越冬 生产 在中国北方地区得到了广泛的应用 1 6 截至 2010 年 全国日光温室总面积已达 8 8 10 5 hm 2 约 占设施总面积的 25 日光温室的发展 成功解决 了中国北方地区冬季鲜食蔬菜的供给问题 并且增 加了农民经济收入 7 8 更为重要的是由于具有良 好的保温蓄热性能 日光温室较传统加温温室节煤 37 kg m 2 在化石能源濒临枯竭的背景下 日光温 室已成为中国设施园艺产业突破资源环境瓶颈制 约 保持菜篮子产品长期有效供给的重要手段 近年 来亦引起国际设施园艺研究人员的高度重视 自上世纪 30 年代辽宁海城地区在冬季利用不 进行人工加热的日光温室生产新鲜蔬菜以来 中国 558 日光温室的发展已近 80 载 期间随着覆盖材料 骨 架材料 施工艺等技术的进步以及全国各地的推 广应用 日光温室种类也不断增多 衍生出各具特 点 特色的结构类型 如 前屋面由早期的 一坡一 立式 到 一面坡 再到目前主流的弧形屋面 以及 衍生的双向双坡屋面和双层屋面 骨架结构由早期 的竹木结构到钢木结构 钢筋混凝土结构 再到目前 主流的钢架结构 钢管结构 后墙由早期的人工土筑 墙体到砖砌墙体 再到目前主流的机打土墙 异质复 合墙体 后屋面由早期的长后屋面到寿光型的短后 屋面 甚至取缔后屋面 以及最新发展的通风后屋面 等 不胜枚举 为了科学指导中国日光温室结构的优化升级 实现更加节能 高效生产 我们将对近 80 年来中国 日光温室结构的演变发展作一个系统梳理 将日光 温室的发展历程分为 4 个阶段 并对不同发展时期 代表性日光温室的结构特征和性能特点进行研究分 析 为日光温室产业未来的发展提供参考 1 雏形时期 20 世纪 30 年代 该时期由于透光覆盖材料为玻璃 日光温室的 结构基本是 一坡一立式 即一面坡加立窗 如图 1 所示 图 1 一坡一立式日光温室结构 Fig 1 One slope one stand type solar greenhouse structure 温室立窗高 0 6 m 前屋面采光角 18 20 前 屋面投影长 4 0 m 后屋面投影长 2 0 m 温室脊高 2 0 m 后墙高 1 5 m 9 后墙外夹防风障 夜间采 光屋面外侧覆盖草毡 温室覆盖材料为玻璃 该类 型温室脊高较矮 并且后屋面较长 占温室总跨度 的 30 以上 保温性能较好 但由于采光面倾角 后屋面坡角均过小 因此采光性能不佳 2 改良时期 20 世纪 50 年代 针对 一坡一立式 日光温室存在的缺点 上世 纪 50 年代 中国科研工作者对其进行了改进 如图 2 所示 一是采光面由原来的 一坡一立 改成 一 面坡 取消了前立窗 采光角增至 30 增加太阳光 透射率 二是将后墙高度降至 0 7 0 8 m 使后屋 面坡角增至 26 以上 基本可以保障北纬 40 以北地 区 冬至日正午时刻太阳光可照到后屋面 增加后墙 的蓄热量 提高夜间温度 三是增强外围防寒措施 墙外围秸秆 采光面夜间加盖纸被 挖防寒沟等 以 提高保温能力 经改造后的温室定名为 鞍山式日 光温室 室内外可保证 30 温差 10 缺点是由于 室内空间较小 劳动作业不方便 图 2 一面坡日光温室结构 Fig 2 One slope type solar greenhouse structure 该阶段温室的覆盖材料仍为玻璃 在温室结构 方面进行了部分改良 但仍未脱离前屋面 一面坡 的结构 3 发展时期 20 世纪 70 90 年代 自上世纪 70 年代起 由于塑料薄膜作为温室覆 盖材料的广泛应用 直接推进了日光温室结构的发 展和升级 一是将前屋面由折线形改为拱圆形 坡 度为多种倾角 其中最南部底脚附近 50 左右 中部 30 以上 顶部 10 左右 二是将脊高提高到 2 2 2 6 m 跨度加大到 6 0 7 0 m 增加了温室空 间 11 该时期的典型结构类型有 感王式 图 3 和 鞍山 型 图 4 两种温室结构类似 骨架为 竹木结构 由柁 檩 中柱 竹片等组成 在后屋面每 隔 1 6 1 7m 设 1 根柁 柁下设中柱和二柱 鞍山 型仅有中柱 柁上有 4 根檩 每根间距 0 7 m 前屋面每隔 0 8 m 在前梁和中梁上绑竹片构成前屋 658 江 苏 农 业 学 报 2012 年 第 28 卷 第 4 期 面骨架系统 每 5 6 根竹片在梁下设一根支柱 如 支撑不牢 可在前屋面前端再加一排梁和支柱 前屋 面骨架上覆盖塑料薄膜 12 图 3 感王式日光温室结构 Fig 3 Ganwang type solar greenhouse structure 图 4 鞍山 型日光温室结构 Fig 4 Anshan type solar greenhouse structure 这两种类型温室保温性较好 建设成本低 但 也存在着后屋面过长影响采光 室内多柱不利于机 械化作业等问题 到了 20 世纪 80 年代 日光温室结构向少柱 提 高后墙高度 缩短后屋面投影长度的方向发展 去掉 室内的立柱结构 改为悬索结构 悬梁吊柱结构 或 焊成拱架结构 代表性的日光温室结构有 悬梁吊 柱式 琴弦式 鞍山 型 悬梁吊柱式日光温室采用竹木结构骨架 跨度 6 0 m 脊高 2 1 m 后墙高 1 5 m 左右 如图 5 所 示 前屋面拱架采用直径 3 0 4 0 cm 的竹架或 4 0 5 0 cm 宽厚竹片制成 长度约 5 0 6 0 m 间 隔 0 8 1 0 m 温室前屋面下设两排前柱 第一排 支柱高 1 2 m 为了减少遮光不是每个拱架下边都 设支柱 而是每隔 3 6 4 0 m 间距设一个支柱 并 且支在拱杆下设的横梁上 在横梁与每个拱杆之间 设约 15 0 cm 长的小支柱把拱杆支起来固定 这种 结构称为悬梁吊柱 13 横梁选 8 0 cm 粗的硬杂木 即可 第二排支柱高 1 9 m 支撑方法与第一排相 同 该类型温室的优点是减少室内支柱的布置数 量 缺点是施工 维护较为复杂 图 5 悬梁吊柱式日光温室结构 Fig 5 Suspending beam and hanging pillar type solar green house structure 琴弦式日光温室外形与传统早期的 一坡一立 式 温室类似 前屋面均为两折式 跨度 7 0 8 0 m 左右 脊高 3 0 3 3 m 后屋面长约 1 5 m 投影 1 2 m 左右 前立面高 80 0 cm 后墙高 1 5 2 0 m 前屋面每隔 3 0 m 设一桁架 桁架用木杆或钢管做 成 桁架上端固定在中脊的脊檩上 下端固定在前底 脚木桩上 在桁架上东西横拉 8 号钢丝 钢丝间距 30 0 40 0 cm 两端固定在东西山墙外的地锚上 使前屋面呈琴弦状 图 6 在钢丝上每 60 0 75 0 cm 间距 用 2 5 cm 直径的细竹竿作前屋面支撑薄 膜的拱杆 上面盖塑料膜 在薄膜外面用细竹竿压在 拱杆上 用细铁丝把上下细竹竿拧紧 不用压膜线 琴弦式日光温室的优点是取消了前屋面下的支 柱 建材截面小 桁架数量不多 遮阳面小 采光效果 好 作业方便 14 缺点是固定薄膜要穿透很多孔 洞 不但增加了缝隙损失热量 薄膜也容易从穿孔处 破损 20 世纪 80 年代中期 通过对日光温室采光设 计理论的研究 确定了不同纬度地区优化采光屋面 角度和采光面形状 提出了相应的高 中脊高 跨 跨度 比 在此基础上确定温室的建筑参数 其中 具有代表性的为 鞍山 型 图 7 温室脊高为 2 4 2 5 m 后屋面投影长度约 1 2 m 后墙高 1 6 m 温室结构采用全钢架结构 室内无柱 该类型 温室不仅结构稳定 透光性能也得到大大提高 九五 期间 沈阳农业大学承担国家科技部重 大产业工程项目 工厂化高效农业示范工程项 758魏晓明等 中国日光温室结构及性能的演变 图 6 琴弦式日光温室结构 Fig 6 Musical string type solar greenhouse structure 图 7 鞍山 型塑料日光温室结构 Fig 7 Anshan type solar greenhouse structure 目 研制出辽沈 型日光温室 15 如图 8 所示 该 类型日光温室室内无柱 跨度 7 0 9 0 m 脊高 3 5 4 5 m 后墙高 2 2 2 4 m 后屋面水平投影 1 5 1 7 m 温室承重骨架为两铰拱式钢平面桁 架 上弦为钢管 下弦 腹杆为钢筋 骨架间距为 0 8 1 0 m 温室后墙采用多层异质复合墙体 通 常为双层黏土砖 中间夹 100 200 mm 厚的聚苯乙 烯泡沫塑料板 保温效果较好 该类型温室透光率较鞍山 型温室提高 7 10 增温快 保温好 冬季可保持室内外温差 25 30 空间大 便于空间利用和机械化作业 温室结 构参数得到广泛应用 但也存在投资较大的问题 为降低投资成本 在沿袭辽沈 型日光温室建 筑参数的基础上 开发出了辽沈 型日光温室 图 9 采用一体式落地骨架 在每榀骨架下设置混凝 土独立基础 后墙采用了轻质墙体 采用 100 mm 聚 苯板保温 内砌 120 mm 砖墙蓄热 建筑造价较辽沈 型日光温室降低了约 25 图 8 辽沈 型日光温室结构 Fig 8 Liaoshen type solar greenhouse structure 图 9 辽沈 型日光温室结构 Fig 9 Liaoshen type solar greenhouse structure 4 升级时期 21 世纪初至今 21 世纪前 10 年 是中国日光温室产业发展的 黄金十年 全国日光温室面积由 2000 年的 4 0 10 6 hm 2 增长到 2010 年的超过 8 7 10 6 hm 2 发展速度 空前 特别是在华北 华东 西北等区域 日光温室 规模迅速扩大 各地结合区域 资源特点 因地制宜 地对日光温室结构进行优化升级 开发出一系列具 有鲜明特征的结构类型 如 以大跨度 厚土墙 地面 下沉为特征的 寿光 5 代 温室 采用外保温墙体 大跨度的 辽沈 型 温室 以提高土地利用率为特 征的 阴阳型 连栋型 日光温室 日光温室 塑 料大棚组合型 温室 双层屋面结构的 蓟春型 日 光温室等 为中国日光温室产业的快速发展提供了 强有力的支撑保障 寿光 5 代 温室是目前推广较为广泛的日光 温室类型 图 10 温室跨度 10 0 m 左右 脊高 4 2 4 3 m 后屋面水平投影 0 8 m 地面下沉 0 3 0 5 m 后墙采用厚土墙结构 墙 体 底 宽 858 江 苏 农 业 学 报 2012 年 第 28 卷 第 4 期 3 5 4 5 m 顶宽 1 0 1 5 m 16 早期土墙结构温 室多采用人工干打垒的方法施工建造 目前以 寿 光 5 代 为代表均使用挖掘机进行建造 从而加快 了施工速度 该类型温室的优点是建设投资低 蓄 热保温性能好 室内空间大 缺点是土墙过厚 土地 利用率低 后屋面短 夜间保温性差 土壤破坏大 复 耕困难 室内下沉影响温室前端采光 不适宜在地下 水位较高 土地资源稀缺的地区进行建设 图 10 寿光 5 代日光温室结构 Fig 10 Shouguang generation 5 type solar greenhouse struc ture 与此同时 东北地区推出了辽沈 型日光温室 在跨度 土地利用率及空间上实现了较大的突破 如图 11 所示 辽沈 型日光温室跨度达到 10 0 12 0 m 高 5 0 5 5 m 温室空间较辽沈 型日光温 室增加了 37 8 17 图 11 辽沈 型日光温室结构 Fig 11 Liaoshen IV type solar greenhouse structure 考虑采光效果 日光温室前后栋之间需预留充 足的空间 这亦是导致日光温室土地利用率低的主 要原因 因此 合理利用前后栋的空间 是提高土地 利用率的关键 阴阳型日光温室是在传统日光温室的北侧 增 加一个采光面朝北的单屋面温室 两温室共用一堵 后墙 采光面向阳的温室称为阳棚 采光面背阳的 温室称为阴棚 18 阳棚跨度 8 0 10 0 m 阴棚跨 度 6 0 8 0 m 图 12 该类型温室的优点是阴棚 正好利用了传统日光温室栋与栋间的空地进行生 产 提高土地利用率 阴棚覆盖外保温材料后 减小 了阳棚后墙的传热温差 起到保温作用 缺点是在 寒冷地区 阴棚内温度过低 无法进行生产 图 12 阴阳型日光温室结构 Fig 12 Solar greenhouse with a cool shed on the back 连栋日光温室 从温室的单跨结构形式来看与 传统日光温室结构基本相同 但从温室建设的整体 来看 具有连栋温室的特征 如图 13 所示 温室一 般 3 6 跨 跨数少的温室一般要求后跨温室的脊 高高于前跨以增大采光 但对于连跨数较多的温室 一般每跨的跨度和脊高全部保持一致 该类型温室 优点是室内空间大 作业方便 可以装配一定的环控 设备 缺点是温室只能采用内保温 并且摒弃了传统 日光温室墙体蓄放热的优势 图 13 连栋日光温室结构 Fig 13 Multi span type solar greenhouse 日光温室 塑料大棚组合型温室 图 14 是依 托日光温室的后墙修筑了一个塑料大棚 优点也是 提高了土地利用率 缺点是增加总体高度 并且塑料 大棚内空间高度不同 不易生产操作 蓟春型 日光温室是采用双层屋面结构 即在 传统日光温室内部 又增加了一套前屋面结构 图 15 该类型温室的核心优点是将温室的保温层由 传统的 2 层增加至 4 层 增强了保温效果 缺点是增 加了骨架的投资 19 958魏晓明等 中国日光温室结构及性能的演变 图 14 日光温室 塑料大棚组合结构 Fig 14 Solar greenhouse with a tunnel on the back 图 15 蓟春型日光温室结构 Fig 15 Gichun type solar greenhouse structure 5 展望与结语 日光温室作为具有典型中国特色 并保有量巨 大的温室设施类型 在未来很长一段时间 将是中国 温室园艺装备优化升级的重点 随着新的生产要 求 新建筑材料的出现 日光温室结构亦会不断升级 优化 适合非耕地生产的日光温室结构 中国西北 地区地域广阔 光照资源丰富但耕地资源贫瘠 拥有 大量的戈壁 沙漠等非耕地 开发适宜非耕地生产的 日光温室结构类型 以及基于当地资源特征的墙体 结构 将是日光温室发展的热点 与可再生能源生产相结合的日光温室结构 能源消耗量大是制约温室产业可持续发展的重要因 素 将日光温室生产与太阳能 风能发电结合起来 也将是日光温室未来的发展选择 装配式日光温室结构 日光温室的标准化 快速化建设将是未来的主流 因此开发装配式的日 光温室骨架结构 具有较好的应用前景 储热型日光温室结构 土壤和墙体的蓄热功 能是日光温室节能效果的关键 随着相变储热材 料 热泵 水罐储热 地下空间储热等技术的运用 会 对日光温室的结构提出新的要求 参考文献 1 陈端生 中国节能型日光温室的理论和实践 J 农业工程学 报 2001 17 1 22 26 2 张真和 我国设施园艺产业发展对策研究 J 长江蔬菜 2010 3 1 5 3 陈翠竹 灌溉方式对日光温室切花百合生长发育及品质的影 响 J 江苏农业科学 2011 39 4 191 192 4 徐 刚 张爱民 张雪荣 等 新型节能日光温室的温光效果及 对辣椒生长的影响 J 江苏农业科学 2010 6 210 212 5 吴华兵 季国军 黄少华 苏南地区冬季日光温室内温度和相 对湿度的研究 J 江苏农业科学 2010 4 424 425 6 国淑梅 牛贞福 冀永杰 塑料日光温室双孢蘑菇双膜覆盖高 效栽培技术 J 江苏农业科学 2010 2 263 264 7 魏晓明 齐 飞 丁小明 等 我国设施园艺取得的主要成就 J 农机化研究 2010 12 227 231 8 齐 飞 魏晓明 鲍顺淑 等 我国设施园艺发展的机遇与挑战 J 农机化研究 2010 12 222 226 9 聂和民 日光温室的结构与发展问题探讨 J 农业工程学 报 1990 6 2 100 101 10 亢树华 鞍山日光温室的沿革与改进 J 农业工程学报 1990 6 2 101 102 11 陈端生 中国节能型日光温室建筑与环境研究进展 J 农业 工程学报 1994 10 1 123 129 12 宗 素 庭院日光温室的结构 J 新农业 1987 Z1 94 95 13 赵义平 辽宁优型日光温室结构简介 J 农业工程技术 温 室园艺 1990 1 6 14 周长吉 现代温室工程 M 北京 化学工业出版社 2010 58 62 15 王铁良 白义奎 辽沈系列日光温室类型与应用 J 新农业 2011 2 29 30 16 丁小明 周长吉 魏晓明 下沉式机打土墙结构的日光温室性 能与适应性分析 C 杨其长 KOZAI T BOT J P A 设施园 艺创新与进展 2011 第二届中国 寿光国际设施园艺高层 学术论坛论文集 北京 中国农业科学技术出版社 2011 100 107 17 周长吉 中国设施园艺 全国设施园艺生产调研报告 M 北 京 中国农业出版社 2011 141 151 18 周长吉 阴阳型日光温室 J 农业工程技术 温室园艺 2011 4 48 49 19 李春生 蓟春型高效节能日光温室的基本结构与性能 J 中 国蔬菜 2008 4 49 50 责任编辑 孙 宁 068 江 苏 农 业 学 报 2012 年 第 28 卷 第 4 期