黃坤+張琦琦+晉楚佳+展正朋

摘 要：該文對(duì)日光溫室北墻結(jié)構(gòu)類(lèi)型的研究成果進(jìn)行了歸納整理，分析了日光溫室各類(lèi)北墻體的保溫蓄熱性能及其相關(guān)影響因素，討論了存在的問(wèn)題，展望了北墻的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：日光溫室；北墻；結(jié)構(gòu)；保溫蓄熱；成本；施工建造

中圖分類(lèi)號(hào) S625.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）09-0060-04

Abstract：This paper summarized the research results of north wall structure type of solar greenhouse，analyzed heat preservation and storage performance of the north wall of solar greenhouse and its' related influencing factors. The existing problems and the development direction were discussed.

Key words：Solar greenhouse；North wall；Structure；Thermal isolation and heat storage；Costing；Construction of building

日光溫室墻體，尤其是北墻（后面墻體均指北墻），兼具承重、維護(hù)、分隔的功能，是維護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，承擔(dān)著抵御風(fēng)雪、冷熱作用力和豎直方向的絕大部分荷載，是日光溫室的關(guān)鍵構(gòu)件[1]。在兼顧荷載的同時(shí)，墻體尤其是北墻，需要具備蓄熱和保溫雙重功能：一方面，能在白天吸蓄大量太陽(yáng)輻射能，同時(shí)傳熱系數(shù)要低，保溫隔熱能力較好，以減少室內(nèi)熱量散失，另一方面，要具有合理的熱惰性，在夜間作為熱源將蓄積在墻體內(nèi)的熱量緩慢地釋放到室內(nèi)，提高室內(nèi)夜間溫度，盡可能的使其獲得太陽(yáng)輻射能可以自給自足，創(chuàng)造作物生長(zhǎng)的適宜環(huán)境，減少額外人為加溫的成本投入，降低生產(chǎn)成本。因此，加深對(duì)日光溫室北墻結(jié)構(gòu)和性能的研究十分必要[2]。楊其長(zhǎng)、李天來(lái)等農(nóng)業(yè)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)日光溫室墻體進(jìn)行了深入的研究工作，取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[3-8]。本文將從不同墻體結(jié)構(gòu)材料的承重能力（密度）、傳熱系數(shù)、熱阻、熱惰性和對(duì)日光溫室內(nèi)的環(huán)境的影響及施工和成本方面進(jìn)行梳理，總結(jié)分析各類(lèi)墻體應(yīng)用的推廣價(jià)值，并展望了日光溫室北墻的發(fā)展方向。

1 日光溫室墻體類(lèi)型

日光溫室墻體按材料的組成種類(lèi)可分為單一材料的實(shí)體墻、多種材料組合的復(fù)合墻兩大類(lèi)[1]。單一材料實(shí)體墻是僅由一種材料組成的均質(zhì)實(shí)體墻體；多種材料組合的復(fù)合墻是使用2種或2種以上材料按一定組合規(guī)則組成的墻體。與單一材料實(shí)體墻相比，復(fù)合墻可以充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)良特性，具有保溫蓄熱性能好，墻體較薄、美觀，土地利用效率高的優(yōu)點(diǎn)[9-16]。

1.1 實(shí)體墻 最常見(jiàn)的實(shí)體墻是實(shí)體土墻和磚墻，這類(lèi)墻體同時(shí)承載著溫室的圍護(hù)、保溫蓄熱和承重的功能。土墻一般是使用挖掘機(jī)挖土堆推而成的寬厚墻體[17-18]，由于墻體材料易獲得、成本低、建設(shè)速度快，導(dǎo)熱系數(shù)僅0.600～1.000W·m-1·K-1[16，19]，熱阻4.08～4.3m·kW-1[16]，保溫蓄熱性能好，被廣大農(nóng)民接納使用。不足的是這類(lèi)墻體占地大，土地利用率低，而且對(duì)耕作層土層破壞嚴(yán)重[20-22]，墻體表面容易被雨水沖淋及凍脹侵蝕致使墻體老化脫落甚至崩塌，逐步被外形美觀、耐久性好的紅磚墻取代。其導(dǎo)熱系數(shù)：0.76～0.81W·m-1·℃-1，比熱容880～1050J·kg-1·℃-1[23]，與土壤相差無(wú)幾，即使是490mm的磚墻也不及3～9m厚的土墻的保溫性能。這2種實(shí)體墻的保溫蓄熱性能主要受其厚度影響[18]。對(duì)于土墻來(lái)說(shuō)，墻體越厚保溫效果越好，其厚度必須達(dá)到1～1.4m[24]（西北地區(qū)試驗(yàn)數(shù)據(jù)）才能達(dá)到較好的保溫蓄熱效果。厚度過(guò)薄的土墻在全天都吸熱，夜間提高室內(nèi)溫度能力不足；當(dāng)超過(guò)一定厚度時(shí)，墻體放熱量并不會(huì)隨厚度的增加增加[9，25]，反而增加了高昂的建造費(fèi)用。因此，并非如人們想象的越厚越好。相比于土墻，磚墻R+D（熱阻值+熱惰性）較大，熱容量可達(dá)1680kJ·m-3·℃-1，具有更好的保溫蓄熱效果，一般厚度僅0.24～0.6m[26]即可滿(mǎn)足保溫需求。但由于磚墻施工建造費(fèi)工，造價(jià)較高，約255萬(wàn)/hm2[27]，大概需要5～10年才能回本，極大地限制了磚墻的推廣使用。

1.2 復(fù)合墻 據(jù)三重墻體理論[28]，復(fù)合墻由潛熱吸熱能力強(qiáng)、顯熱蓄熱性能與保溫隔熱性能良好的承重材料由里到外分層復(fù)合而成，墻體分為吸熱層、隔熱層和保溫層。鑒于部分材料同時(shí)承擔(dān)2項(xiàng)功能，本文根據(jù)復(fù)合墻體墻層材料承擔(dān)的功能，劃分為蓄放熱層和保溫隔熱層兩大層，并以此為分類(lèi)，進(jìn)一步說(shuō)明：

1.2.1 蓄放熱層 蓄放熱層根據(jù)不同材料的蓄放熱方式，又可將墻體分為固體吸熱墻體和液體吸熱墻體。

1.2.1.1 固體吸熱墻體 固體吸熱墻體由固體材料通過(guò)顯熱吸熱的方式在白天吸收太陽(yáng)輻射能，京鵬環(huán)球科技公司通過(guò)用蜂窩狀墻面代替日光溫室后墻面的平面結(jié)構(gòu)，增大后墻的有效受光表面積。據(jù)測(cè)算，蜂窩墻面增大了4～7倍[48]，墻體蓄熱量提高10%～15%[49]，其室內(nèi)溫度比普通平面墻體室內(nèi)溫度提高了3～5℃。盧志權(quán)等[29]研究對(duì)比了不同凹式墻體對(duì)溫室蓄熱性能的影響發(fā)現(xiàn)：凹面墻體的吸熱效果比平面墻體好，比表面積為1.684，15個(gè)凹口數(shù)/m2，凹口形狀（深×寬×長(zhǎng)）為6cm×12cm×24cm的墻體吸放熱量最好。蜂窩型墻面又有凹口型和凸出型兩種類(lèi)型：相比凹口型，由于凸出型墻體吸收的太陽(yáng)輻射較多，與室內(nèi)空氣熱交換面積也較大，其蓄放熱能力也較凹口型強(qiáng)。但因凸出型磚塊伸出墻體，給操作者帶來(lái)極大的不便。使用時(shí)，應(yīng)做適當(dāng)?shù)哪ソ翘幚砘驅(qū)⑦^(guò)道拓寬抑或加設(shè)欄桿，無(wú)形中又增加建設(shè)成本。在砌筑方式還有波浪形，由于施工速度較慢，人工成本較高，相應(yīng)的增加了墻體的建設(shè)成本，因而沒(méi)有得到大面積推廣。相變儲(chǔ)熱墻體通過(guò)材料相變吸收和釋放大量潛熱，是近年來(lái)研究熱點(diǎn)[47]：王宏麗等以稻殼為載體，吸附質(zhì)量比為5∶5的石蠟與硬脂酸正丁酯制成復(fù)合相變蓄熱砌塊[30]，熔解潛熱為116.2kJ/kg，凝固潛熱為118.5kJ/kg，制作成標(biāo)準(zhǔn)空心蓄熱保溫砌塊，施工建造較燒制紅磚墻簡(jiǎn)單，具有良好的吸熱性能；楊小龍等[31]制備了十二水磷酸氫二鈉（NaHPO4·12H2O）相變蓄熱墻板，吸熱性能較好，夜間累計(jì)放熱量增加0.16mJ/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%，但造價(jià)較高：125元/m2，未能大面積推廣；李凱等[32]以粉煤灰為材料載體、以自制的NaHPO4·12H2O蓄熱體系為相變材料制備的相變墻體，吸熱性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平總體上優(yōu)于復(fù)合磚墻和土墻；CaCl2·6H2O與NaHPO4·12H2O有相似的特性，Jaffrin等[33]將其應(yīng)用于溫室中，與同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)溫室相比，要使相變溫室室內(nèi)達(dá)到同一溫度，可比傳統(tǒng)溫室節(jié)約80%的丙烷；管勇等[34]將石蠟、高密度聚乙烯和水泥砂漿混合制成的相變材料，導(dǎo)熱系數(shù)0.40W·m-1·℃-1，比熱容達(dá)16.24kJ·kg-1·℃-1，蓄、放熱性能較好，縮小了溫度波動(dòng)幅度。

1.2.1.2 液體吸熱墻體 與固體吸熱材料不同，液體吸熱墻體由液體材料通過(guò)潛熱吸熱的方式吸收太陽(yáng)輻射能，液體材料主要指水[3-5，35]。這種液體吸熱材料以水幕簾的形式掛置在墻體的內(nèi)表面，在室內(nèi)地下設(shè)置水池，使水幕簾中的水和水池中的水循環(huán)流動(dòng)：水幕簾中的水在毛細(xì)管內(nèi)緩慢流下，帶著吸收的太陽(yáng)輻射流入地下水池，水池中的水經(jīng)電機(jī)抽送到幕簾上方補(bǔ)充，這種循環(huán)流動(dòng)的水可以增加墻體在白天的蓄熱量，提高其在夜間的放熱能力，使氣溫維持在較高的適宜作物生長(zhǎng)的水平[1]。張義等[3]設(shè)計(jì)了一種水幕簾蓄放熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)夜間通過(guò)水幕簾的放熱量達(dá)到4.9～5.6MJ/m2，可將溫室內(nèi)夜間溫度提高5.4℃以上，滿(mǎn)足了喜溫作物的安全越冬生產(chǎn)；方慧等[4]設(shè)計(jì)了一種雙黑膜主動(dòng)集放熱裝置，白天吸收太陽(yáng)輻射能和溫室內(nèi)的富余熱量，夜間將熱量釋放到出來(lái)，增加溫室內(nèi)夜間溫度。但由于透光膜與黑膜均為軟質(zhì)材料，在溫室生產(chǎn)中易破損，該課題組又對(duì)原裝置進(jìn)一步改進(jìn)，用金屬膜替換原有雙黑膜吸熱面，吸收系數(shù)達(dá)到0.81，導(dǎo)熱系數(shù)為14.6W/（m·℃），集熱效率可達(dá)到86%，比雙黑膜蓄放熱裝置有極大提高，效果更加顯著；丁小明等[35]設(shè)計(jì)了一套基于毛細(xì)管換熱器，采用生物質(zhì)固體成型燃料供熱的日光溫室低溫供暖系統(tǒng)，水平放置時(shí)散熱量達(dá)到307～381W/m2。

1.2.2 保溫隔熱層 根據(jù)保溫隔熱材料的特性[36]，一般按照內(nèi)層蓄熱層、中間隔熱夾心層，外層保溫層的方式組合，即夾芯復(fù)合墻；有些學(xué)著提出質(zhì)疑，如果將隔熱性能好的材料（如聚苯板）置于墻體中間，則外側(cè)墻體失去蓄熱功能，為此做了新的變形試驗(yàn)研究，將保溫材料層放在由墻體外側(cè)[6-7，10，32，36-37]，即外保溫復(fù)合墻。

1.2.2.1 夾芯保溫復(fù)合墻 夾芯保溫復(fù)合墻的保溫層設(shè)置在墻體中間，在實(shí)際中有較多應(yīng)用[38]。常用的保溫層材料有空氣[7]和作物秸稈、爐渣、膨脹珍珠巖、鋸末、生石灰等松散保溫材料或聚苯乙烯泡沫板[19]。與外保溫復(fù)合墻相比，保溫層可以用傳熱系數(shù)小的空氣，能很好的防止熱量散失，白義奎等[7]在墻體內(nèi)設(shè)置一道20～100mm的空氣夾層，相當(dāng)于490mm厚的磚墻。不足的是該墻體必須保證密閉，以免熱量通過(guò)縫隙散失；墻體中間填充傳熱系數(shù)小的松散保溫材料，可避免空腔密封不嚴(yán)導(dǎo)致的空氣流動(dòng)和熱量散失，有利于提高墻體的整體保溫蓄熱性能。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，填充松散保溫材料的復(fù)合墻體，室內(nèi)氣溫顯著高于同等厚度的磚墻，且松散材料的傳熱系數(shù)越小，保溫效果越好[9]。但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，松散保溫材料因自身重力下沉，造成墻體中層上部出現(xiàn)空腔，加之雨水的滲漏加快墻內(nèi)材料的霉變腐爛，導(dǎo)致墻體保溫性能下降[39]。

1.2.2.2 外保溫復(fù)合墻 該類(lèi)墻體承擔(dān)保溫功能的材料層位于墻體外側(cè)，常見(jiàn)的外保溫材料由聚乙烯[34]、（綴鋁箔）聚苯板[6-7，9-11，36]、彩鋼板[8，32]、發(fā)泡水泥[37]等。首先，外保溫層能改善和增強(qiáng)墻體的密封性，減少室內(nèi)熱量的散失[6-7，11，36-37]，更有利于提高墻體保溫性能，使室內(nèi)氣溫保持在較高水平[12-13]；另外，外層方便維修和更換，極大的增強(qiáng)了墻體抵抗外界環(huán)境破壞的能力，削弱了破壞作用對(duì)室內(nèi)環(huán)境造成的不良影響，延長(zhǎng)建筑壽命[40]；同時(shí)，保溫層外置，施工較簡(jiǎn)單，工期相對(duì)縮短。目前，以下日光溫室中均采用了外保溫復(fù)合墻結(jié)構(gòu)：聚苯板外置復(fù)合磚墻[6，11，13-16]，聚乙烯外置保溫墻體[34]，黏土磚墻外側(cè)加厚發(fā)泡水泥外保溫改良?jí)37]，輕質(zhì)加氣混凝土板材墻體[46]，彩鋼板日光溫室墻體[8，32]等。

苯板導(dǎo)熱系數(shù)只有0.0327W/（m·℃），密度低至8kg/m3，價(jià)格較低廉，是優(yōu)選的隔熱保溫材料，李小芳、陳青云[13]利用熱反應(yīng)系數(shù)法和日光溫室熱環(huán)境的數(shù)學(xué)模型模擬分析比較發(fā)現(xiàn)：外保溫層并不是越厚越好，當(dāng)內(nèi)側(cè)蓄熱保溫墻較薄時(shí)，隔熱越厚越有利于墻體的保溫，但是當(dāng)隔熱板超過(guò)一定厚度后，保溫性能不再提高。因此，綜合保溫和成本考慮，10cm厚聚苯板較佳。

2 存在的問(wèn)題

2.1 占地空間大，土地利用率低 傳統(tǒng)的黏土墻占地較多，盲目擴(kuò)大墻體厚度的現(xiàn)象嚴(yán)重，有的甚至高達(dá)9m[18]，需要大量的土方，不僅對(duì)土壤耕作層破壞嚴(yán)重，而且導(dǎo)致土地利用率極低，僅達(dá)到40.63%[41]，甚至更低。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化程度低、施工建造效率低 目前的黏土墻、磚墻等材料雖然需要人工或機(jī)械砌筑，無(wú)法在工廠預(yù)制，以至于施工建造效率低下，而且難以保證結(jié)構(gòu)的緊密牢固性，標(biāo)準(zhǔn)化水平落后。

2.3 墻體建造成本較高，保溫蓄熱成本居高不下 磚墻、水泥澆筑墻、相變材料墻體建造成本較傳統(tǒng)的黏土墻成本高，尤其是相變材料的造價(jià)，很難向普通農(nóng)民用戶(hù)推廣使用；另外，日光溫室對(duì)墻體的蓄放熱性能要求較高，附加設(shè)備或結(jié)構(gòu)的保溫蓄熱成本居高不下，成本問(wèn)題亟待解決。

3 發(fā)展趨勢(shì)展望

3.1 結(jié)構(gòu)越來(lái)越輕簡(jiǎn)化 同磚墻取代寬厚的土墻一樣，磚墻也將被更輕、更薄，承重能力更強(qiáng)的墻體逐步取代。輕簡(jiǎn)化無(wú)立柱全鋼架裝配式日光溫室逐步推廣，墻體內(nèi)加入鋼架，分擔(dān)墻體的承重壓力。新型日光溫室也逐步被研發(fā)出來(lái)：楊其長(zhǎng)[5]研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種輕簡(jiǎn)裝配式主動(dòng)蓄能型日光溫室墻體：該墻體由分別承擔(dān)蓄放熱功能和保溫隔熱功能的兩部分組成，即，由以水為蓄放熱媒介的主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)（AHS）：以聚苯板為主要保溫隔熱材料的系統(tǒng)。李天來(lái)[8]研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室墻體：以水循環(huán)系統(tǒng)和空氣-地中熱交換系統(tǒng)作為蓄放熱體，巖棉彩鋼板作為保溫隔熱覆蓋件。

3.2 功能越來(lái)越專(zhuān)門(mén)化 墻體被分為2個(gè)部分或3個(gè)部分，分別承擔(dān)相應(yīng)的功能，分工更明確、更加專(zhuān)門(mén)化。隨著墻體材料的深入研究，相應(yīng)的材料也將被逐步開(kāi)發(fā)出來(lái)承擔(dān)對(duì)應(yīng)的功能，發(fā)揮該材料優(yōu)勢(shì)性能[42]。如上述輕簡(jiǎn)裝配式主動(dòng)蓄能型日光溫室墻體，彩鋼板保溫裝配式節(jié)能日光溫室墻體。

3.3 形式越來(lái)越多樣化 隨著對(duì)日光溫室的不斷深入研究，新的材料也被逐步研發(fā)出來(lái)并運(yùn)用到墻體中，各種形式的墻體類(lèi)型逐漸涌現(xiàn)。如此，水泥與氣泡混合硬化后形成的發(fā)泡水泥，具有密度小、承重能力強(qiáng)、傳熱系數(shù)小等優(yōu)良性能，且機(jī)械化施工程度高，壓縮程度高于苯板，墻體的密閉性能、保溫性能好，無(wú)苯和烴烯等有毒氣體釋放等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 建造越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化 隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)和工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展，材料工廠化水平越來(lái)越高，加之黨中央對(duì)農(nóng)業(yè)的支持力度和現(xiàn)代新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，農(nóng)業(yè)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范將逐步建立形成，標(biāo)準(zhǔn)化水平提高。在建造前，預(yù)制日光溫室墻體材料，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)直接裝配安裝，建造、施工效率將得到極大的提高。

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