[科普中国]-日光温室的设计与建造技术

日光温室是一种我国自主研发的设施类型，由于能够充分利用太阳能，在我国北方大部分地区一般不需要额外辅助加温即可实现喜温果菜安全越冬生产，具有较高的经济和社会效益，近年来得到了广泛的应用。截至2014 年，全国日光温室总面积已达101.3 万公顷，约占园艺设施总面积的24.6%。日光温室的发展，成功解决了我国北方地区冬季鲜食蔬菜的供给问题；并且通过延长农民的劳动生产时间，增加了经济收入。为了强化园艺生产者对这种温室类型的理解，本文将从日光温室的工作原理、主要类型、设计方法、建造流程等方面，进行简要介绍。

一、工作原理

日光温室的能量来自于太阳辐射，夜间也是靠白天室内蓄积的太阳辐射热量来维持室内的温度。它之所以能够不需要加温实现冬季正常生产，主要是和它的结构有关。一个标准的日光温室是由保温蓄热的后墙、顶部北侧的保温后屋面、南向采光屋面昼开夜盖的保温被构成。它的原理就是白天打开保温被，让太阳辐射尽可能多地透进温室内，使室内气温迅速上升并将热量蓄积在后墙和地面的土壤中；傍晚的时候，室外气温下降，日光温室关闭保温被减少室内热量的散失，并且靠墙体和地面土壤缓慢释放的热量，来维持室内温度在一个较高的水平。一般情况下，日光温室能够维持室内外20～30℃的温差，所以能够保障在不额外加温的情况下，实现果菜的正常生产。由于日光温室克服了连栋玻璃温室能耗大的问题，目前像日本、加拿大等国家也在模仿、研究日光温室，这也是我国劳动人民对世界温室产业做出的一个巨大贡献。

二、种类沿革

日光温室起源于上世纪30 年代的辽宁海城地区，利用一面坡的玻璃屋面加立窗的简易形式来生产新鲜蔬菜。自上世纪70 年代起，随着塑料薄膜在农业上的广泛应用， 直接推进了日光温室结构的发展和升级，温室前屋面由折线形改为拱圆形。进入新世纪，在需求带动、政策拉动、投资驱动下，日光温室产业迎来了一个快速发展期，各种结构形式层出不穷。从专业角度上来说，日光温室的种类还是按照受力骨架的类型和墙体材料的类型进行区分。从受力骨架类型上，可以分成竹木结构的日光温室，就是用竹竿作为温室前屋面骨架；钢结构的日光温室，就是用钢筋、钢管焊接成桁架结构或者用几字钢等薄壁型钢冷弯成型作为温室前屋面骨架；钢木混合结构的日光温室，就是用钢结构和竹木结构混合使用作为温室前屋面骨架。从墙体材料上，可以分为土墙结构的日光温室，采用挖掘机或干打垒的方式，用土砌筑日光温室的后墙；砖墙加外保温结构的日光温室，采用复合砌筑的方式，砌筑砖墙外贴保温板的形式作为温室后墙；以及采用发泡混凝土、聚苯乙烯砖等新型保温材料砌筑的日光温室。近年来推广面积较多是以大跨度、厚土墙、地面下沉为特征的“寿光型”日光温室和采用蓄热砖墙外加保温板的辽沈型日光温室为主。

三、日光温室的设计

合理的设计是确保日光温室在白天能够尽量多截获、储藏太阳能、在夜间具有良好保温效果的关键。日光温室的设计主要是确定5 类最重要的结构参数，即温室的跨度、高度、前后屋面角度、墙体的厚度、后屋面的水平投影长度。这5 类参数是相互影响的，共同决定了温室的性能。

1.跨度

指日光温室南侧底脚至北墙之间的宽度。目前我国北方地区，特别是北纬40°以北的寒冷地区，日光温室的跨度大多在8~10 米之间，可以保证作物有较为充裕的生长空间和较为便利的作业条件。在北纬40°以南的冬季气温较高的地区，为了增加温室的有效种植面积，可以将温室的跨度适当增加到10～12 米。

2.前后屋面角度

包含前屋面角度和后屋面角度两个参数。前屋面角是指从日光温室南侧底脚至屋脊最高点的连线与地平面的夹角。前屋面角是否合理，对于温室的采光具有重要作用。前屋面角的确定方法和建设地所在纬度有紧密关系的，一般在北纬 40°以南地区，日光温室前屋面角度取 26°～29°、北纬40°地区，取30°；北纬40°以北地区，取31°～33°。后屋面角指的是温室后屋面与水平面的夹角，它决定了屋脊与后墙的高差。后屋面角最好要大于当地冬至日太阳高度角7°～8°，后屋面角一般取40°～ 45°。

3.高度

指日光温室屋脊至地面的距离。当日光温室的跨度、前屋面角度确定了，温室的高度基本也就确定了。以8 米跨度的温室为例，在北纬40°以南地区，日光温室高度取 3.5～4 米之间、北纬40°地区，取4 米；北纬40°以北地区，取4.1～4.5 米之间。

4.墙体厚度

日光温室墙体不仅起承重、隔热的功能，也起着蓄放热量的功能，因此最好采用复合模式来砌筑日光温室，即内侧选用蓄热系数大的建筑材料，外层选用导热小的保温材料。墙体的厚度和冬季室外温度有关，室外温度越低， 相应的墙体厚度就越大。目前通常采用37 砖墙或50 砖墙外贴10 厘米厚、密度为20 千克/立方米的聚苯板的做法， 这种墙体的优势是寿命长、性能好，缺点是砌筑费用高。所以有些地区的农业种植者，选用土墙作为温室的墙体， 土墙的厚度也不是越厚越好，从蓄热的角度来说1 米厚就足够了，但从保温的角度来说，还要再增加到 2～3 米左右。土墙的优势是造价低、性能也不错，但缺点同样很明显，就是在降雨量比较大的、土质黏结力不好的地区，土墙容易坍塌。

5.后屋面水平投影长度

主要是反映后屋面的长短，在寒冷区域，后屋面水平投影长度一般取温室跨度的20%；在气温较高的地区后屋面水平投影就适当短一些，控制在1 米左右，有时甚至可以取消后屋面。

四、日光温室的建造

日光温室的建设主要包含：选址、布局，放线、建造地基、砌筑墙体、安装骨架、建造后屋面、铺设薄膜、安装保温被和卷帘机等工序。

1.选址

主要遵循四个原则，一是地形开阔，东、西、南三面无遮阳；二是地下水位要低，土质要疏松肥沃，没有盐渍化和其他污染；三是要避开风口、风道；四是供电供水便利，道路畅通。

2.布局

场地选择好后，要进行合理的规划布局，包括确定日光温室的方位、间距。温室的方位要求坐北朝南，一般以正南比较多，在寒冷的地区可以适当南偏西5°～10°，这样比较有利于下午温室内温度的积累。温室的前后排间距以冬至日上午10 点，前排温室不对后排温室构成明显遮光为准，通常按照脊高的1.5～2 倍来设置，在北纬40°以北地区，由于冬至日的太阳高度角比较低，前后栋温室的间隔要按照脊高的2.5 倍来设置。

3.放线

首先要定好一根正南方向的线，再在这根直线上拉一条东西向的垂线，这就是温室的后墙线。然后根据设计温室的大小定出温室四角的角桩位置，并钉上木桩，作为标记。拉线并用白灰撒出后墙、两侧山墙及整个温室的线位。然后对场地进行平整，用水准仪找平每栋温室，确定正负零位，然后就可以砌墙。

4.墙体砌筑

砖墙砌筑，用体积比为2︰8 的灰土夯实墙基垫层，温室基础用毛石或普通砖建造，用水泥砂浆砌成，基础做完后就可以砌墙。在墙体砌筑过程中每隔1 米砌一道横向拉墙，使内外两层连成一个整体，在墙的顶部作一层圈梁，按照骨架安装的位置，埋上预埋件。墙体砌筑时要砂浆饱满，勾好砖缝，山墙按照温室前屋面的形状砌成半拱圆形。砖墙砌好后，在外侧贴10 厘米的聚苯板，密度要求在20 千克/立方米以上，最外面加一层钢丝网砂浆面层作为保护。

土墙砌筑，以前干打垒的施工工艺比较多，现在用的最多的是机打土墙的方式，就是用挖掘机、链轨式推土机进行机械化建造。首先把温室20～30 厘米处耕作层的熟土取出来，堆放到温室南侧，待墙体建完后回填。然后用挖掘机取土筑墙，每增加30 厘米用推土机反复碾压几遍， 压紧夯实，一直建设到预定的高度，再用挖掘机切削成上窄下宽的形状，最后在墙顶作一层圈梁。山墙和后墙连接处采用山墙包后墙的方式。为了保护土墙不受雨水的侵蚀，通常会在土墙外侧包裹一层旧棚膜或保温被，有时也会外砌一层砖墙进行保护。

5.骨架安装

如果采用钢结构骨架，除了部分薄壁型钢骨架可以预制外，大部分还是需要自行焊接的。一般骨架的上弦选用φ（直径）32 或φ35 镀锌钢管，下弦为φ12 钢筋，中间用φ8 或10 钢筋作为腹杆拉花。骨架加工好后就可以安装，将骨架的前端和温室前底脚位置上的预埋件相焊结，后端和后墙圈梁上的预埋件焊结，骨架间距可以设为1 或1.2 米一榀，骨架中间用3～4 道镀锌钢管纵向通长连接，在屋脊处用50 毫米×50 毫米的角铁焊接纵向相联，角铁缺口朝向后屋面，在后屋面的东西方向上，也要焊2~3 道角铁作为支撑。安装时要保证所有骨架的高度、角度应一致，焊接要牢固。如果采用钢木混合结构的骨架，其中的钢骨架一般用钢管弯制而成，安装间距通常为3～4 米，中间每0.5 米用竹竿作为骨架。东西方向上，从骨架前端一直到后屋面，每30～40 厘米拉一道铁丝，这样增加骨架的整体稳定性，铁丝在山墙上汇集，连上地锚埋到土里。同时为了加强骨架的承载力，在钢骨架下设2～3 排柱子作为支撑。这种骨架的优势就是造价便宜，缺点就是竹竿每2～3 年需要更换， 需要经常维修。

6.后屋面建造

后屋面主要是起保温作用。后屋面通常做法是采用多层结构，从室内向室外，设有承重层、保温层和防水层。现在新的做法是选用15 厘米的轻质复合保温板直接铺设在后屋面上，板上用水泥砂浆抹面及防水卷材处理。这种保温性也比较好，而且施工简单。后屋面施工的总体要求是，要保证整个后屋面顶部呈南高北低平缓的斜坡，坡面平整无缝，注意不能让雨、雪渗入后屋面。

7.塑料薄膜安装

选用透光性好，抗老化的无滴膜作为温室前屋面的棚膜。在安装时，采用3 块薄膜覆盖的方式，在前屋面骨架的顶部和前底脚，覆盖2 块小薄膜，中间覆盖1 块大薄膜，两块膜的连接处可扒缝通风。膜东西向长度要比温室长2 米，南北向宽度要按照前屋面骨架的弧长多60～80 厘米， 就是在两块膜的搭接处，留30～40 厘米的重叠。

安装时应该选择无风晴天的上午，从骨架前底角处，先覆盖1.5 米的薄膜，下部留30 厘米宽，以备埋入土中固定， 东、西方向拉紧膜后，用卡簧卡在山墙的卡槽内固定，将下部埋在土中。然后用同样的方法，将中间的那块大膜东西向拉紧，下方压在下面的薄膜上，重叠30 厘米，将2 块薄膜的活动侧每隔3～4 米用细铁丝固定在骨架上。最后覆盖最上面幅宽1.5 米膜，使其下边与中间薄膜重叠30 厘米。铺设薄膜后用专用压膜线在各骨架间进行压膜、固定。

8.卷帘机及保温被安装

保温被起着阻止温室夜间向外散热的作用，应选用保温效果好、防水性能好、耐用的保温被。保温被一般是从温室前底角处开始安装，重量在1 千克/平方米的保温被， 建议中间的卷轴用DN50 的钢管，重量在2 千克/平方米以上的保温被，卷轴的直径也要相应的增加。在卷帘机方面，现有后置上拉式、前置卷轴上推式、侧置卷轴上推式和轨道式四种类型，其安装方式各不相同。要根据温室的长、宽、高和保温被的重量，选择适宜卷帘机的类型和功率。建议选用正规厂家生产的卷帘机，一方面质量有保障，另一方面有比较详细的安装、使用说明，可以直接根据安装说明，一步一步的组装卷帘机。

作者：魏晓明