中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新（三）——溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新.pdf

<p>典型日光溫室的屋面分為前屋面（采光面）和 后屋面兩個屋面。前者面南，表面覆蓋活動保溫被， 白天打開保溫被溫室采光，夜間覆蓋保溫被溫室保 溫；后者面北，周年固定保溫。為了增加日光溫室 的采光量，許多學(xué)者對前屋面形狀和尺寸進(jìn)行了深 入的優(yōu)化研究（亢樹華，1990；聶和民，1990；周 長吉 等，1993；王朝棟 等，2010），也提出過不少 前屋面幾何尺寸的設(shè)計方法，但對日光溫室后屋面 的研究相對較少，設(shè)計和建設(shè)中對后屋面的幾何尺 寸、材料、做法、保溫性能要求千差萬別。本文就 日光溫室前屋面和后屋面的演變和發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)梳 理和總結(jié)，以期對未來日光溫室屋面的研究和設(shè)計 有所啟迪。 1 日光溫室前屋面的改良與創(chuàng)新 1.1 日光溫室前屋面幾何形狀的變遷 1.1.1 一坡一立式結(jié)構(gòu) 日光溫室前屋面幾何形狀 的改良與創(chuàng)新是隨著建筑材料的革新和室內(nèi)種植要 求的變化而不斷發(fā)展和創(chuàng)新的。早期的日光溫室 （20世紀(jì)80年代至90年代初）采用竹木結(jié)構(gòu)， 從日光溫室前屋面和后屋面幾何尺寸的變遷中分析我國日光溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新過程，在此 基礎(chǔ)上就日光溫室前屋面和后屋面的一些革新技術(shù)，包括直立南墻結(jié)構(gòu)日光溫室、可變屋面傾角日 光溫室、活動保溫采光后屋面日光溫室等的特點進(jìn)行了總結(jié)。 中國日光溫室結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新（三） 溫室屋面結(jié)構(gòu)的改良與創(chuàng)新 周長吉 （農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點實驗室，北京 100125） 周長吉，男，研究員，專業(yè)方向：溫室工程，E-mail：zhoucjfacaae. com &nbsp;收稿日期：2018-02-20 溫室屋面以平坡屋面為主（因為竹木結(jié)構(gòu)彎曲加工 的難度較大） ，典型的溫室形式為一坡一立式（圖 1）。這種結(jié)構(gòu)的屋面梁采用圓木或竹竿（圖1-a）， 用鋼筋混凝土立柱或圓木、鋼管等支撐屋面梁。 為了固定塑料薄膜，早期的做法是在塑料薄膜的外 部壓竹條，用細(xì)鐵絲將塑料薄膜上部的竹條緊壓在 塑料薄膜下部的屋面梁上（圖1-b） 。這種做法在 扣壓竹條時必須要穿破塑料薄膜，不僅造成溫室屋 面漏氣，降低溫室的保溫性能，而且在大風(fēng)情況下 容易將塑料薄膜撕裂。因此，后來改進(jìn)使用繩索在 兩根屋面梁之間采用外壓的方式固定塑料薄膜（圖 1-c） ，徹底解決了上述問題。目前大都采用專用的 壓膜線替代繩索，有的生產(chǎn)者甚至在溫室設(shè)計中直 接采用卡槽卡簧固定塑料薄膜，固定更可靠。 一坡一立式日光溫室由于前部立面的存在，給 保溫被的卷放造成了很大困難，尤其在卷簾機(jī)廣泛 應(yīng)用之后，在立墻上卷放保溫被不僅要求卷簾機(jī)的 輸出功率大，而且保溫被展開后密封不嚴(yán)。為此， 有的溫室設(shè)計者在立墻的部位增設(shè)一組斜立的支撐 （圖2-a） ，從而將卷被的直立面改為了斜立面， 使保溫被的卷放更輕便且展開后密封也更嚴(yán)密。但 這種斜立桿需要另外附加桿件，增加了建設(shè)成本。 為此，有人改進(jìn)直接用壓膜繩繃緊傾斜固定在地基 &nbsp;1 &nbsp; 新優(yōu)品種 栽培管理 本期視點 產(chǎn)業(yè)市場 病蟲防控 &nbsp;1 &nbsp; 產(chǎn)業(yè)廣角 中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES 2018（4）：1 - 5 中，用壓膜繩充當(dāng)斜支撐來支撐保溫被卷放（圖 2-b） ，不僅解決了保溫被平穩(wěn)卷放的問題，而且也 省去了附加構(gòu)件，價廉物美，具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。 1.1.2 全弧面結(jié)構(gòu) 一坡一立式日光溫室屋面結(jié)構(gòu) 用材斷面大，構(gòu)件遮光嚴(yán)重，而且隨著我國日光溫 室面積的快速發(fā)展，大量的竹木建材供應(yīng)也越來越 困難，人們開始大量使用工業(yè)化生產(chǎn)的鋼材（主要 是鋼筋和鋼管，后來發(fā)展到外卷邊C形鋼、橢圓管 等）做屋面承重結(jié)構(gòu)，不僅提高了溫室建設(shè)的工業(yè) 化水平，而且由于鋼結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)、構(gòu)件截面小， 對室內(nèi)的遮光陰影面積也大幅度減少。為了更好地 發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并適應(yīng)固定塑料薄膜的需要，溫 室屋面形狀也由早期的一坡一立式改變成一個整 體的弧面結(jié)構(gòu)。關(guān)于日光溫室采光面的弧面幾何形 狀，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究，提出了包括圓弧面、 橢圓面、拋物線面以及不同曲線組合的各種弧面形 式（陳端生 等，1992；周長吉 等，1993；王朝棟 等， 2010；張利華 等，2010） ，形成了當(dāng)前日光溫室采 光面的主流。 無論哪種采光弧面，為了保持溫室前屋面基 部一定的操作高度（最早的要求是距離前屋面底腳 0.5 m位置處溫室的屋面高度不應(yīng)小于1.0 m） ，必 然造成溫室屋脊位置處屋面的坡度不夠，一方面， 保溫被卷放無法實現(xiàn)自由下落，展開保溫被必須帶 動力運行，給卷簾機(jī)提出了更多的附加要求；另一 方面，也造成了溫室屋面排水困難，經(jīng)常產(chǎn)生屋脊 部位兜水的現(xiàn)象（圖3-a） 。水兜不僅加大了溫室 結(jié)構(gòu)的承重荷載，嚴(yán)重的可能會造成溫室倒塌，而 且也容易造成塑料薄膜損傷、老化和撕裂。為了解 決這一問題，生產(chǎn)中常在屋脊部位通風(fēng)口處鋪設(shè)一 層塑料網(wǎng)或鋼絲網(wǎng)，用以支撐塑料薄膜，并導(dǎo)流屋 面積水，可有效避免水兜的形成（圖3-b） 。另外， 在屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提出在屋脊部位屋面的坡度不 應(yīng)小于10° ，可有效避免屋面積水和兜水。 1.2 直立南墻結(jié)構(gòu)日光溫室 日光溫室前屋面從一坡一立式發(fā)展到全弧面結(jié) 構(gòu)是建筑材料采用鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)果，也滿足了壓膜和 卷放保溫被的需要，但前屋面前部空間低矮的問題 一直沒有解決。由于溫室南部距離前基1 m范圍內(nèi) 屋面高度較低（尤其是大跨度日光溫室，圖4-a）， 圖1 早期一坡一立式日光溫室及其前屋面塑料薄膜的固定方法 a 一坡一立式溫室內(nèi)景 b 竹條外壓塑料薄膜 c 繩索外壓塑料薄膜 圖2 一坡一立式日光溫室方便保溫被卷放的措施 a 采用斜支撐 b 采用斜拉索 圖3 日光溫室屋脊部位形成的水兜及其防范措施 a 屋脊部位水兜 b 避免水兜的支撐網(wǎng) &nbsp;2 &nbsp; 新優(yōu)品種 栽培管理 本期視點 產(chǎn)業(yè)市場 病蟲防控 &nbsp;2 &nbsp; 產(chǎn)業(yè)廣角 中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES 一是高秧作物無法種植，有的只種植2穗果的果菜 類蔬菜，有的直接種植葉菜類蔬菜，還有的荒廢不 種，直接影響溫室作物生產(chǎn)的產(chǎn)量；二是作業(yè)空間 小，人工作業(yè)不便，機(jī)械作業(yè)基本無法觸及。為解 決實際生產(chǎn)需要，對溫室前屋面的改進(jìn)朝著保留弧 形形狀、抬高整體屋面的方向發(fā)展，形成了直立南 墻+弧形屋面的溫室前屋面幾何形狀（圖4-b、c）。 在直立南墻+弧形屋面結(jié)構(gòu)中有兩種特殊的 結(jié)構(gòu)。一種是半地下式結(jié)構(gòu)（圖5-a） ，這種結(jié)構(gòu) 雖然南墻為直立面，溫室南部空間也基本不影響吊 蔓作物的種植，但南墻不透光，而且半地下深度越 大，溫室內(nèi)的濕氣越難排除，只在一些冬季室外氣 溫較低的地區(qū)且采用機(jī)打土墻需要大量取土的溫室 建造時才采用這種結(jié)構(gòu)；另一種是南立墻為完全采 光立墻（圖5-b） ，立墻的高度可達(dá)到2 m左右， 種植高秧吊蔓作物完全不受種植空間的影響，溫室 采光量大，不論人工作業(yè)還是機(jī)械作業(yè)都有充足的 空間，溫室內(nèi)設(shè)二道保溫幕結(jié)合室外保溫被，具有 良好的保溫性能，是未來日光溫室結(jié)構(gòu)發(fā)展的一種 趨勢（周長吉，2017） 。當(dāng)然，對南墻直立面的理 解也不僅僅限于垂直地面的直立墻面，有的溫室采 用了弧形墻面，有的溫室采用了傾斜墻面，但傾斜 面的傾角大都在80° 以上。 由于南立墻的存在，而且墻體較高，使傳統(tǒng)的 日光溫室高度整體加高，雖然增加了溫室空間，有 利于室內(nèi)作物種植和機(jī)械化作業(yè)，但溫室的建造成 本加大，溫室棟與棟之間的間距也相應(yīng)增加。雖然 這種改進(jìn)不是十全十美，但是從日光溫室機(jī)械化作 業(yè)、自動化控制等未來發(fā)展方向來看，這種改進(jìn)還 是具有廣闊的發(fā)展市場。 圖4 直立南墻+弧形屋面日光溫室結(jié)構(gòu)的形成過程 a 無直立面的溫室屋面 b 帶有明顯直立面的過渡屋面 c 豎直立面+弧面的溫室屋面 圖5 兩種特殊形式直立南墻日光溫室結(jié)構(gòu) a 半地下式直立南墻 b 全采光直立南墻 1.3 可變屋面傾角日光溫室 傳統(tǒng)日光溫室的屋面在設(shè)計建造完成后就是 固定不變的了。由于受溫室高度的限制（過高的溫 室一是增加建筑成本；二是增加溫室之間的間距， 降低土地利用率；三是室內(nèi)熱空氣向上運動，降低 了作物生產(chǎn)區(qū)的溫度；四是太高的溫室空間不利于 溫室保溫；五是作物生產(chǎn)也確實不需要太高的空 間） ，增加溫室跨度后，溫室前屋面的采光角將會 減小，尤其在光照較弱、太陽高度角較小的12月 至翌年1月，進(jìn)入溫室的太陽輻射將會顯著減少， 影響溫室的采光和室內(nèi)的溫度。 可變屋面傾角溫室即是基于這樣的生產(chǎn)實際需 求，將溫室的采光面設(shè)計為可轉(zhuǎn)動屋面（張勇 等， 2014；張勇和鄒志榮，2017） ，就是把溫室的整個 采光前屋面當(dāng)作一扇窗扇，像連棟溫室的屋面開窗 一樣，用傳動機(jī)構(gòu)控制整體屋面的啟閉。在太陽高 度角比較低的季節(jié)，白天將溫室前屋面的后部抬 起，加大屋面傾角，減小太陽光入射角，從而增加 溫室的采光量（圖6-a） ；到了傍晚溫室需要覆蓋 保溫被時，將溫室前屋面再回位到溫室屋面骨架的 位置（圖6-b）。 這種可變屋面傾角溫室，一可以增加白天溫室 的采光，提高室內(nèi)溫度；二可以在相同跨度、同等 采光量的條件下降低溫室高度，進(jìn)而降低溫室的土 &nbsp;3 &nbsp; 新優(yōu)品種 栽培管理 本期視點 產(chǎn)業(yè)市場 病蟲防控 &nbsp;3 &nbsp; 產(chǎn)業(yè)廣角 中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES 建費用、縮短前后溫室之間的間距，節(jié)約建設(shè)用地。 雖然傳動機(jī)構(gòu)增加了溫室部分造價，但從溫室的光 熱性能和溫室建設(shè)的土地利用率角度分析，這種創(chuàng) 新具有非常積極的實用價值。 操控溫室屋面啟閉方法有兩種：一是采用傳統(tǒng) 的溫室齒輪齒條控制（圖7-a） ；二是用液壓氣缸 控制（圖7-b） 。相對連棟溫室的開窗機(jī)構(gòu)，開啟 日光溫室屋面的負(fù)荷較大，因此對開啟屋面的支撐 構(gòu)件的強(qiáng)度要求也較高；相對而言，液壓氣缸的輸 出動力更強(qiáng)，運行也更平穩(wěn)，但造價也相對較高。 面仰角和后屋面熱阻。學(xué)術(shù)界對溫室后屋面的功能 一直沒有定論，所以民間對后屋面的做法也多種多 樣?？偨Y(jié)溫室后屋面的功能，從結(jié)構(gòu)幾何特征上后 屋面可降低溫室后墻高度；從溫室保溫性能上后屋 面可提高溫室的保溫比（溫室透光面面積與不透光 面，包括地面、保溫墻體和后屋面面積之比） 。在 早期的日光溫室建設(shè)中由于更強(qiáng)調(diào)溫室上述的兩項 功能，日光溫室大都采用長后屋面結(jié)構(gòu)（后屋面的 長短指溫室剖面上后屋面長度） ，一般后屋面長度 在1.5 m以上，寒冷地區(qū)甚至在2.5 m以上。 長后屋面溫室雖然對溫室的保溫具有非常積 極的作用，但由于后屋面加長后溫室在春秋季節(jié)， 乃至夏季運行時由于太陽高度角升高，溫室靠近后 墻部位的陰影將增大，從而影響溫室種植作物的采 光。此外，由于后屋面是保溫屋面，結(jié)構(gòu)自身負(fù)荷 重，支撐屋面結(jié)構(gòu)的荷載也相應(yīng)大。為此，溫室骨 架的截面面積就需要增大或者必須在溫室內(nèi)設(shè)立立 柱支撐后屋面，這將增加溫室的建設(shè)投資。綜上， 目前日光溫室后屋面的長度有向短后屋面方向發(fā)展 的趨勢。典型的代表是山東壽光五代機(jī)打土墻日光 溫室（周長吉，2013） ，后屋面的長度大都控制在 0.50.8 m范圍內(nèi)，其他的溫室后屋面長度也都控 制在1.21.5 m范圍內(nèi)，極端的做法是完全取消溫 室后屋面，形成無后屋面日光溫室（圖8）。 圖6 可變屋面傾角日光溫室 a 打開屋面，加大傾角，增加采光 b 關(guān)閉屋面，溫室保溫 圖8 無后屋面日光溫室 圖7 可變屋面傾角日光溫室屋面啟閉方法 a 齒輪齒條控制 b 液壓氣缸控制 對日光溫室后屋面仰角的研究主要集中在后 屋面冬季不在溫室后墻形成陰影以及夏季運行不影 響室內(nèi)種植作物采光兩個方面（魏曉明 等，2010； 曹晏飛 等，2017） 。根據(jù)溫室建設(shè)地區(qū)的地理緯度 可以準(zhǔn)確地用數(shù)學(xué)的方法計算出來，但在生產(chǎn)實踐 中溫室后屋面仰角大多控制在4045° 。 日光溫室后屋面的保溫設(shè)計目前還沒有精確的 理論計算方法，生產(chǎn)中大都采用輕質(zhì)保溫材料（包 括松散保溫材料、保溫板材等） ，一般后屋面的保 溫?zé)嶙钁?yīng)接近或高于溫室后墻的保溫?zé)嶙瑁_建 2 日光溫室后屋面的改良與創(chuàng)新 2.1 日光溫室后屋面幾何尺寸的變遷 日光溫室后屋面的特征參數(shù)主要包括后屋面 長度（或者用后屋面的水平投影寬度表示） 、后屋 &nbsp;4 &nbsp; 新優(yōu)品種 栽培管理 本期視點 產(chǎn)業(yè)市場 病蟲防控 &nbsp;4 &nbsp; 產(chǎn)業(yè)廣角 中 國 蔬 菜 &nbsp; &nbsp; CHINA VEGETABLES 華 等，2012） ，但也有溫室采用完全不保溫的溫室 后屋面（圖9） ，通過溫室內(nèi)二道保溫幕來保證夜 間的室內(nèi)溫度。冬季夜間也可以用保溫被覆蓋后屋 面，降低溫室夜間屋面的散熱。 2.2 活動保溫采光后屋面日光溫室 對于日光溫室后屋面的保溫，傳統(tǒng)的設(shè)計理念 是熱阻盡量接近溫室后墻熱阻，這一設(shè)計理念已經(jīng) 貫徹了30多年。但近年來的設(shè)計理念改變?yōu)楹笪?面的熱阻趨同于前屋面熱阻（周長吉，2015） 。在 這一設(shè)計理念的指導(dǎo)下，日光溫室的后屋面不再是 永久固定的厚重保溫屋面了，而是采用與前屋面相 同的保溫被材料覆蓋，并將日光溫室的后屋面覆蓋 塑料薄膜后形成可透光、可通風(fēng)、可保溫的多功能 屋面（圖10） 。 區(qū)域的光照強(qiáng)度；夜間需要保溫時，用保溫被覆蓋 后屋面，與傳統(tǒng)的日光溫室后屋面一樣，完成后屋 面的保溫功能。 這種創(chuàng)新設(shè)計不僅從理論上拓展了傳統(tǒng)日光 溫室后屋面的功能，而且從結(jié)構(gòu)設(shè)計上大大減輕了 溫室后屋面的荷載，可以將日光溫室結(jié)構(gòu)向著輕盈 化、組裝式方向發(fā)展，更符合現(xiàn)代溫室的發(fā)展方向 和潮流。這種創(chuàng)新尤其增加了溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度和 光照均勻性，增強(qiáng)了溫室的通風(fēng)能力，溫室內(nèi)的溫 光環(huán)境得到大大改善，使溫室的運行管理更靈活， 也更有針對性。實踐證明，這種溫室配套室內(nèi)二道 保溫幕，其冬季的保溫效果甚至超過傳統(tǒng)后屋面日 光溫室，在未來的日光溫室發(fā)展中將具有非常廣闊 的推廣前景。 參考文獻(xiàn) 曹晏飛，荊海薇，趙淑梅，鄒志榮，鮑恩財.2017.日光溫室后屋面 投影寬度與墻體高度優(yōu)化.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，33（7）：183-189. 陳端生，鄭海山，張建國，邱建軍.1992.日光溫室氣象環(huán)境綜合 研究（三）幾種弧型采光屋面溫室內(nèi)直射光量的比較研 &nbsp;究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，8（4）：78-82. 亢樹華.1990.鞍山日光溫室的沿革與改進(jìn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， &nbsp;6（2）：101-102. 羅建華，吳慧，高杰.2012.后屋面對日光溫室溫度變化的影響. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，（10）：1852-1858. 聶和民.1990.日光溫室的結(jié)構(gòu)與發(fā)展問題探討.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 6（2）：100-101. 王朝棟，史為民，裴先文.2010.4種曲線形日光溫室前屋面采光 性能及其拱架力學(xué)性能的比較.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報：自 然科學(xué)版，38（8）：143-150. 魏曉明，周長吉，曹楠，丁小明.2010.基于光照的日光溫室總體 尺寸確定方法研究.北方園藝，（15）：1-5. 張利華，劉杰，徐為根，張仁祖.2010.日光溫室前屋面角的設(shè)計 研究.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，22（1）：74-77. 張勇，鄒志榮，李建明.2014.傾轉(zhuǎn)屋面日光溫室的采光及蓄熱性 能試驗.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，30（1）：129-137. 張勇，鄒志榮.2017.日光溫室主動采光機(jī)理與透光率優(yōu)化試驗. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，33（11）：178-186. 周長吉，孫山，吳德讓.1993.日光溫室前屋面采光性能的優(yōu)化. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，9（4）：58-61. 周長吉.2013.不斷創(chuàng)新的山東壽光日光溫室追析壽光“五代” 日光溫室.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，33（12）：16-22. 周長吉.2015.一種活動保溫被覆蓋透光后屋面的日光溫室.農(nóng)業(yè) 工程技術(shù)：溫室園藝，35（6）：24-26. 周長吉.2017.中以溫室技術(shù)的結(jié)晶艾森貝克對中國日光溫室 的改良與創(chuàng)新.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)：溫室園藝，37（6）：44-50. 圖9 不保溫后屋面日光溫室 圖10 活動保溫采光后屋面日光溫室 磚后墻溫室 填土后墻溫室 和前屋面一樣，后屋面也用透光塑料薄膜覆 蓋，并在塑料薄膜上安裝手動或電動卷膜器，需要 通風(fēng)時將塑料薄膜卷起， 與前屋面的通風(fēng)口形成“穿 堂風(fēng)”的對流通風(fēng)窗，較屋脊通風(fēng)窗通風(fēng)效率更高； 不需要通風(fēng)時，白天當(dāng)室外溫度適宜時可卷起保溫 被，后屋面采光可補充室內(nèi)作物的光照，使溫室內(nèi) 光照更均勻，尤其可提高傳統(tǒng)日光溫室靠后墻部位 &nbsp;5 &nbsp; 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