周長吉

中國東北大部、新疆北部和內(nèi)蒙古的東北部地區(qū)都屬于冬季高寒多雪氣候地區(qū)，冬季天寒地凍、白雪皚皚，不僅室外溫度低，而且降雪頻繁、降雪量大。在這些地區(qū)建設(shè)日光溫室，除了要考慮傳統(tǒng)的保溫蓄熱外，溫室屋面的除雪也是設(shè)計中需要重點考慮的一項內(nèi)容。

2019年5月中旬，哈爾濱鴻盛集團（以下簡稱“鴻盛集團”）總設(shè)計師林國海教授來筆者辦公室詳細介紹了他們團隊開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)日光溫室，筆者在提煉其創(chuàng)新要點后覺得這種溫室是一種適合高寒多雪地區(qū)的日光溫室結(jié)構(gòu)形式。為全面了解這種溫室的配置及其性能，2019年5月25～27日，筆者專程赴哈爾濱進行了實地考察，2019年6月8～9日，利用赴山東壽光出差的機會又再次考察了這種溫室在壽光的建設(shè)和運行情況?，F(xiàn)綜合兩地的考察情況，就鴻盛集團針對高寒多雪地區(qū)氣候特點在日光溫室保溫儲熱和屋面除雪方面的技術(shù)創(chuàng)新做一介紹，供業(yè)界同仁們研究和借鑒。

屋面除雪的解決方案

增大屋面坡度

按照中國國家標準GB/T 51183-2016《農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]規(guī)定，當溫室屋面坡度大于60°時，屋面的積雪分布系數(shù)最小為0（即屋面沒有積雪荷載），而屋面坡度小于30°時，屋面的積雪分布系數(shù)最大為0.8（即屋面積雪荷載為基本雪壓的80%），屋面坡度在30°～60°時，屋面積雪分布系數(shù)在0～0.8呈線性變化。由此可見，以60°為上限，最大限度增大溫室屋面坡度，可顯著降低溫室屋面的積雪荷載。

基于上述理論依據(jù)，鴻盛集團開發(fā)的日光溫室采用了大坡度屋面（圖1a、圖1b），溫室前屋面和后屋面的坡度分別達到31°和80°。按照這樣的屋面坡度，前屋面積雪分布系數(shù)剛剛越過最大值，基本沒有削減溫室屋面雪荷載，但后屋面卻完全不存在屋面積雪的問題了。與典型的山東壽光五代溫室（圖1c）相比，雖然前屋面的積雪荷載從理論上講兩者應(yīng)該是相同的，但很顯然，加大屋面坡度將會使屋面積雪的清除更加方便和快捷。

從減小屋面積雪荷載的角度分析，在保持相同屋脊高度的條件下，如果將溫室屋脊前移，使后屋面的坡度保持在60°左右，則可在保證后屋面積雪荷載為0的前提下，使前屋面的坡度進一步加大，從而可更大限度地減小前屋面的積雪荷載。由于前屋面坡度的加大，溫室的采光量也將隨之增大，對提高溫室內(nèi)的空氣溫度和增大作物的光合作用強度均將起到非常積極的作用。

改變傳統(tǒng)日光溫室前屋面外保溫為內(nèi)保溫

傳統(tǒng)的日光溫室大都采用屋面外覆蓋保溫被的方式來解決溫室前屋面的保溫問題（有的溫室后屋面也采用活動保溫被保溫）。但這種保溫方式由于保溫被的表面粗糙度較塑料薄膜大很多，降雪后保溫被表面積雪難以自動滑落，經(jīng)常需要人工清雪，不僅增加了溫室管護的勞動強度和生產(chǎn)成本，而且由于清雪期間保溫被遭受雪水浸濕后凍結(jié)等原因造成保溫被無法打開，直接影響溫室內(nèi)作物的采光，進而影響溫室生產(chǎn)的產(chǎn)量和效益（尤其在高緯度、短日照地區(qū)這種影響更顯著）。為此，鴻盛集團將傳統(tǒng)的前屋面外保溫被內(nèi)置，使覆蓋前屋面的透光塑料薄膜全天候暴露在室外。下雪期間，天然降雪將直接降落在塑料薄膜的表面，由于塑料薄膜表面光滑，再加上前面敘及的溫室屋面坡度較大等技術(shù)措施，所以，大部分積雪將會自動從溫室屋面滑落（掃二維碼1看溫室自然除雪視頻），不僅減少了人工清雪的成本，而且也最大限度解決了降雪對溫室采光的影響，同時大大降低了溫室屋面的積雪荷載，從而減少了溫室結(jié)構(gòu)用材，節(jié)約了溫室建設(shè)成本。

將傳統(tǒng)的外保溫被內(nèi)置，除了有利于排除溫室屋面積雪外，對延長保溫被的使用壽命和降低其制造成本等還具有更多延伸的利益。傳統(tǒng)的外保溫方式，保溫被在其使用期間始終暴露在室外環(huán)境中，受室外風霜雨雪以及太陽輻射和極端低溫等惡劣氣象環(huán)境的影響，一是要求保溫被應(yīng)具有良好的保溫性能，保證溫室的保溫（這是對保溫被的基本要求）;二是要求保溫材料自身或是保護保溫材料的面層應(yīng)具有良好的防水和密封性能，以保證保溫被不會因為天氣降水或表面結(jié)露（霜）而造成保溫被吸水使其保溫性能下降甚至失效，也不會增大保溫被自身重量，進而加大溫室屋面結(jié)構(gòu)的荷載（目前的草苫、針刺氈保溫被等材料這個問題比較嚴重）;三是要求保溫被材料（尤其是面層材料）具有較強的抗老化能力，能夠在長期循環(huán)的低溫、冰凍和紫外線條件下不致快速老化，從而延長保溫材料的使用壽命，降低保溫被的運行成本和頻繁更換保溫被的安裝成本;四是要求保溫被具有較強的抗風性能，或者在安裝保溫被后應(yīng)附加保溫被抗風措施（由于傳統(tǒng)的保溫被都比較輕質(zhì)，一般都要求保溫被展開后附加壓被帶或壓被繩）。保溫被內(nèi)置后，由于保溫被置身外膜內(nèi)，消除了酸雨、大風、極端溫度以及紫外線照射對保溫被的直接破壞，可顯著降低對保溫被耐老化、抗紫外等性能的要求，進而降低原材料成本，同時延長保溫被的使用壽命;由于室內(nèi)無風，覆蓋保溫被后也不需要附加固被設(shè)施，不僅降低了設(shè)備的投資，而且也節(jié)約了固定保溫被的人工成本，由此傳統(tǒng)外置保溫被的很多難題也就迎刃而解了。

保溫被內(nèi)置后，溫室結(jié)構(gòu)必須采用雙層骨架（圖2），外層骨架支撐與室外空間接觸的塑料薄膜，承擔室外風雪荷載;內(nèi)層骨架則主要支撐保溫被（含卷簾機），也可以將作物吊掛設(shè)備附著在內(nèi)層骨架上，承擔溫室作物荷載。雖然這種結(jié)構(gòu)的改變增加了一層內(nèi)層骨架，相應(yīng)增大了溫室的建設(shè)投資，也加大了室內(nèi)陰影面積，但由于外層骨架減少了保溫被荷載和作物荷載（這些荷載都相應(yīng)轉(zhuǎn)移到了內(nèi)層骨架上），相應(yīng)地外層骨架截面可適當減小;內(nèi)層骨架由于不承擔風雪荷載，骨架截面也不會太大，骨架間距還可適當拉大。因此，溫室骨架的成本不會成倍增加，結(jié)合保溫被內(nèi)置后的成本降低和效能提升，總體來講，在多雪地區(qū)這種改變應(yīng)該說是一種因地制宜的現(xiàn)實需求，具有良好的區(qū)域適應(yīng)性。

保溫被內(nèi)置后，同時也取消了傳統(tǒng)日光溫室的保溫后屋面，壓縮了溫室夜間的保溫空間（限于保溫被所包圍的室內(nèi)空間），在內(nèi)層保溫被和外層塑料薄膜之間還形成了一個附加隔熱空間層，不僅節(jié)約了后屋面建造成本，而且也大大提高了溫室的整體保溫性能。此外，由于溫室結(jié)構(gòu)的改變，傳統(tǒng)的屋脊通風口也從溫室前屋面轉(zhuǎn)移到了溫室的后屋面，這種通風口設(shè)置方式在保證通風口位置處于溫室最高位（保證熱壓通風的通風量最大）的同時，也避免了傳統(tǒng)前屋面屋脊通風口兜水的問題（因為后屋面坡度更大，基本不會出現(xiàn)雨水滯留的問題）。將溫室屋面通風口放置在溫室后屋面，到了春夏季節(jié)，當室外溫度較高時，打開后屋面通風口還可以很方便地在溫室內(nèi)形成“穿堂風”，更有利于溫室在高溫期間的降溫。

保溫被內(nèi)置后，內(nèi)層骨架可以覆蓋塑料薄膜，也可以不覆蓋塑料薄膜。內(nèi)層骨架不覆蓋塑料薄膜的溫室稱之為“單膜單被內(nèi)保溫溫室”（外膜內(nèi)被）;內(nèi)層骨架覆蓋塑料薄膜的溫室稱之為“雙膜單被內(nèi)保溫溫室”（內(nèi)外雙層薄膜+內(nèi)保溫被）。不論是單膜單被內(nèi)保溫還是雙膜單被內(nèi)保溫，在高寒地區(qū)，由于室外夜間溫度很低，溫室室內(nèi)空氣濕度又基本飽和，沒有了外保溫被保護的外層塑料薄膜因自身熱阻很小，夜間溫度基本都處在0℃以下，因此，在外層塑料薄膜的內(nèi)表面會出現(xiàn)結(jié)露、結(jié)霜或結(jié)冰[2]，直接影響第二天溫室內(nèi)作物的采光（融化冰霜期間薄膜的透光率較低），而且冰霜融化期間還會有大量水滴直接從塑料薄膜表面滴落形成散點水滴或從塑料薄膜表面滑流到骨架縱向系桿，并在縱向系桿下形成線狀水滴，最終滴落到溫室地面或作物表面上。由于結(jié)露在屋面塑料薄膜上的水滴中可能含有各種病原菌，這些含有病菌的水滴如果直接滴落到作物葉面上，尤其滴落到花蕊或果實上，將會直接引起作物病害的傳播，這是保溫被內(nèi)置后最直接的問題。

為了解決外層薄膜內(nèi)表面夜間凝結(jié)冰霜后造成白天融化時室內(nèi)滴水的問題，鴻盛集團的應(yīng)對措施：一是要求溫室覆蓋流滴薄膜，盡量消除無規(guī)則的散點水滴;二是在外層骨架縱向系桿下安裝凝結(jié)水收集槽和導水膜（圖3），將外膜內(nèi)側(cè)集結(jié)在縱向系桿上的水滴統(tǒng)一導流收集后排到溫室兩側(cè)的集水桶或集水池中，從而基本消除了外膜滴水給作物造成病害的問題，集中收集處理屋面滴水也減少了溫室內(nèi)空氣的含水量，更有利于降低溫室內(nèi)的空氣濕度（掃二維碼2看流滴薄膜視頻;掃二維碼3看截水槽視頻）。

為了加快外層塑料薄膜上凝結(jié)冰霜融化的速度，使室內(nèi)作物能及早采光，鴻盛集團也提出了一些有效措施：一是將保溫被的外表面（展開后朝向室外面）做成反光面，使早晨射入溫室的陽光更多地反射到外層塑料薄膜，提高其表面溫度，進而加速其表面冰霜融化;二是在管理上間歇開閉室內(nèi)保溫被，打開保溫被后室內(nèi)熱空氣上升，向外層塑料薄膜供熱，加速其表面冰霜融化，但由于外層塑料薄膜凝結(jié)冰霜后表面溫度較低，長時間打開保溫被將會使室內(nèi)溫度快速下降，影響作物的健康生長，為此，在具體管理中，提出了快速開合保溫被，而且避免大開大合的管理措施，在短時間打開保溫被使室內(nèi)熱空氣上升后快速閉合保溫被，這樣既不會引起室內(nèi)溫度的劇烈波動，在保溫被閉合后保溫被與外層塑料薄膜之間還能形成一個較小的加熱空間，接受室外光照后能快速提升小空間的溫度，從而加快外層薄膜表面的冰霜融化（掃二維碼4看除霜視頻）。

為了避免室內(nèi)溫度的劇烈波動，鴻盛集團采用了雙膜單被結(jié)構(gòu)溫室，并在內(nèi)膜設(shè)置上也進行了改進和創(chuàng)新，將傳統(tǒng)的整幅單膜改變成了雙幅內(nèi)膜（圖4，兩幅薄膜在溫室跨中搭接，分別稱為前部內(nèi)膜和后部內(nèi)膜），并分別用兩套卷膜器控制啟閉（圖6a）。早晨外膜冰霜融化期間，前部內(nèi)膜保持覆蓋，可避免室外冷輻射直射室內(nèi)前部作物;控制后部內(nèi)膜的開啟位置掌控內(nèi)膜的通風口大小，配合內(nèi)保溫被的開啟，從而可控制內(nèi)外膜之間熱量的交換（事實上前述保溫被的快速開合主要也就是控制兩幅內(nèi)膜之間的開口，在保溫被開合期間前部塑料薄膜一直處于覆蓋狀態(tài)，既保證了溫室作物的采光，又避免了室內(nèi)溫度的劇烈波動）。待到外層薄膜表面冰霜完全融化后，可根據(jù)室內(nèi)作物區(qū)溫度的高低打開或閉合內(nèi)層保溫膜。當室內(nèi)作物區(qū)溫度超過作物的適宜生長溫度后可完全打開內(nèi)層塑料薄膜，與外層塑料薄膜的通風口（圖5）結(jié)合進行溫室通風和降溫，進入傳統(tǒng)日光溫室的正常管理模式。

由于溫室外保溫只有一層塑料薄膜，如果內(nèi)保溫被密封不嚴，將有可能引起溫室保溫系統(tǒng)的整體失效，其后果將不堪設(shè)想，因此嚴密密封是對內(nèi)保溫被安裝和運行的基本要求。為了保證內(nèi)保溫被卷運行平直、鋪設(shè)嚴密，鴻盛集團開發(fā)了一套雙電機兩端同步運行的擺臂式卷簾機及其控制系統(tǒng)，又稱為“雙側(cè)同步擺臂卷簾機”（圖6）。保溫被的固定邊固定在后墻上（與后墻形成嚴密密封），東西兩側(cè)活動邊在專門設(shè)置的內(nèi)山墻上運行（內(nèi)山墻端部鋪設(shè)1 m寬固定塑料薄膜，可實現(xiàn)與保溫被雙側(cè)活動邊的嚴密密封），保溫被兩端分別安裝電機減速機，同步擺臂運行保溫被。保溫被卷被軸側(cè)活動邊，在保溫被展開時正好放置在溫室前沿內(nèi)外層骨架之間的基礎(chǔ)頂面，由于基礎(chǔ)頂面鋪設(shè)有柔性的保溫被墊毯，當保溫被被卷展開后保溫被卷軸正好卷放到基礎(chǔ)頂面的墊毯上，能夠與下部墊毯形成良好的密封（圖7）。按照這樣的設(shè)計，因為室內(nèi)無風，理論上講，保溫被展開后四周的密封應(yīng)該是嚴密和可靠的。

事實上，卷被軸任何部位的彎曲或變形，都將直接影響保溫被展開后卷簾機卷被軸與溫室前沿基礎(chǔ)表面墊毯之間的密封性。單側(cè)擺臂式卷簾機，由于卷軸剛度不足，不僅不能使用在長度較長的溫室上（一般不超過60 m），而且經(jīng)常發(fā)生卷軸彎曲變形的問題，難以保證卷軸與墊毯的密封性，傳統(tǒng)的中卷式二連桿卷簾機在內(nèi)保溫溫室中又沒有安裝和運行的空間。鴻盛集團創(chuàng)新開發(fā)的雙側(cè)同步擺臂卷簾機，能夠從保溫被的兩端同步帶動保溫被平穩(wěn)卷放，從而滿足了保溫被展開后四周嚴密密封的要求。當然，這一創(chuàng)新技術(shù)在建設(shè)成本允許的條件下也同樣適用于保溫被外置日光溫室中保溫被的卷放。

增加振動除雪裝置

減少溫室屋面積雪的第三項措施是在溫室骨架上安裝振動器（圖8）。在溫室前屋面骨架的上部縱向系桿旁間距20～30 cm并行布置1道縱向系桿（為節(jié)約成本，附加系桿不一定要求與骨架縱向系桿同長，只在安裝振動器的相鄰兩榀骨架之間安裝即可，但這樣可能會影響整個棚面的振動效果），沿溫室長度方向間隔20～30 m以兩個系桿為依托安裝一臺電動振動器。下雪期間開啟振動器，殘存在溫室屋面的積雪通過振動器的振動，使積雪脫離屋面塑料薄膜，在上部積雪的推壓和積雪自身的重力作用下，在具有一定坡度的屋面上積雪將會自動滑落。采用這種方法，設(shè)備簡單、運行能耗小，除雪效果好，可大大減少除雪的勞動強度，增加溫室作物的采光時間，不僅可以應(yīng)用在該類雙膜單被或單膜單被內(nèi)保溫溫室上，也可使用在塑料大棚和連棟塑料薄膜溫室上，對前屋面坡度較大的日光溫室上覆蓋表面比較光滑的保溫被時也將具有同樣的除雪效果（掃二維碼5看振動器視頻）。