不同地区日光温室墙体材料如何选择？传统墙体还是新型墙体？
日光温室墙体的保温性能及其设计与建造
近年来日光温室作为中国所特有且有完全自主产权的一种设施类型，对于解决长期困扰中国北方地区冬季的蔬菜供应淡季、增加农民收入等问题做出了巨大的贡献。日光温室的作物产量与其保温性能密不可分，而墙体材料又是决定日光温室保温性能的重要因素。文章介绍了日光温室墙体的工作原理，概括了土墙、砖墙、复合墙体和其他新型墙体各自保温性能的优缺点，并对不同地区日光温室墙体材料的选择进行了研究讨论与展望。
中国设施园艺虽然起步较晚，但近30年来，中国设施园艺发展迅速，截至2017年，设施园艺面积达到370万hm2，设施农业总面积和总产量均居世界第一位，无论规模还是技术上都取得了很大的进展。在一些大中城市郊区，蔬菜设施栽培面积已超过当地菜田总面积的10%以上，某些地区已经超过30%，与发达国家的差距明显减小。但与国外先进水平相比，中国的设施农业在科技含量和技术水平上还存在一定差距，日光温室的保温性能仍存在一些问题，因此如何改善温室生产条件，成为中国日光温室产业发展面临的重点和热点问题。目前，传统的单质土墙和砖墙在生产实际中仍占有很大比例，复合墙体和其他新型材料墙体也得到了长足的发展。现对现有的墙体材料进行了讨论、梳理和展望，为后续相关研究提供参考依据。
日光温室显著特征之一是其北面具有厚的墙体结构。日光温室墙体，尤其是北墙，兼具承重、维护、分割的功能，是维护结构的主体，承担着抵御风雪、冷热作用力和竖直方向的绝大部分载荷。在兼顾载荷的同时，日光温室墙体一般要具有良好的蓄热保温性能，白天墙体通过接受照射进来的太阳辐射进行热量蓄积，墙体材料要选择隔热性能较好的材料，以减少热量的散失。在夜间作为热源将蓄积在墙体内的热量缓慢释放到温室内，提高温室内的夜间温度，满足作物生长的需要。根据马承伟等的研究，墙体在夜间释放的热量可以使日光温室室内气温升高4~8℃，所以说墙体是决定室内环境性能的关键因素，长久以来一直是设施园艺工程界的研究重点。近年来日光温室墙体的研究由单一的土墙、砖墙结构，逐步发展为多材料的复合墙体及新型材料墙体。
传统土墙砖墙
传统土墙（图1）得到广泛的应用与其取材方便、建造成本较低密不可分，同时土墙的建造难度相对较低，一般是使用挖掘机挖土堆而成的宽厚墙体，墙体外围一般加盖防风障，最外层添加一层秸秆用来加强保温。亢树华等研究认为，传统的单质土墙厚度达到1~2m才能收到理想的保温效果，土墙的厚度与其所处的地理位置密切相关；陈端生等指出，江淮平原、华北南部土墙厚度以1~1.8m为宜，华北平原北部、辽宁南部以1~1.5m为宜。土墙保温蓄热性能好，冬季温室内温度保持在8℃以上，可以满足作物的生长需要。但在实际使用过程中，土墙也存在一定问题，如过于追求保温性能而一昧增加土墙厚度，但当墙体厚度超过一定标准时，墙体放热量不会随着墙体厚度的增加而增加，反而会使建造成本增加，同时占用过多的土地，使土地利用率降低，而且会对耕地层土层造成严重损坏。此外，土墙结构表面易被雨水冲淋或因低温被冻胀，导致墙体老化脱落甚至崩塌。
为了解决以上问题，可采用外形美观、结实耐用的红砖墙（图2）。施展认为砖结构墙体的有效储热量要优于夯土墙体16.5%，使用红砖墙的另一个显著优点是大大减小了墙体厚度，提高了土地利用率。而制约红砖墙推广使用的问题是其建造成本较高，需要5~10年才能收回成本，高昂的建造成本不利于在农村地区的推广使用。
复合墙体
复合墙由潜热吸热能力强、显热蓄热能力性能与保温隔热性能良好的承重材料由内到外分层复合而成，墙体分为蓄放热层、隔热层和保温层，与相同用砖量的砖墙相比，复合墙的蓄热和放热流量较大，更有利于提高日光温室室内温度。蓄放热层根据不同材料的蓄放热方式分为固体吸热墙体和液体吸热墙体。根据保温层所在的位置可以将复合墙划分为夹芯墙和外保温复合墙。
固体吸热墙体在白天通过固体材料吸收太阳能，为了增大墙体吸收太阳能的面积，可以将墙体设计成蜂窝状、波浪状或凹凸状，其中蜂窝状墙面（图3）的增热效果优，但要合理控制蜂窝状墙面凸出的部分，虽然凸出部分增大了热交换面积，能吸收更多的太阳能，但因凸出部分伸出墙体，可能会对使用者带来不便。上述增大墙面面积的办法也存在着施工周期长、建造成本高等问题，目前还没有得到大力推广。与固体吸热墙体相对的液体吸热墙体是由液体材料通过潜热吸热的方式吸收太阳能，这里的液体材料一般是指水。液体吸热墙体主要是在温室内通过水循环的方式来实现增温，水循环是按如下方式流通：液体材料水以水幕帘的形式挂置在墙面上，在日光温室地下设置蓄水池，水幕帘中的水在毛细管内流向蓄水池，同时将吸收的太阳辐射传递到水池中，水池中的水在电机的作用下上升到水幕帘中，如此则在日光温室内形成了水循环。通过水循环增大了在白天吸收太阳辐射的能量，在夜间可以释放出更多的热量，满足温室内作物的生长需要。
保温层设置在墙体中间的夹层称作夹芯墙，夹芯层中的保温材料有膨胀珍珠岩、岩棉、生石灰等松散保温材料（图4），其中以膨胀珍珠岩的效果最为显著。墙体中间填充传热系数小的松散保温材料，可以较为有效的避免因密封不严而导致的空气流动和热量散失。试验证明，填充了松散保温材料的复合墙体的室内温度气温明显高于同等厚度的砖墙，而且传热系数越小保温效果越好。但膨胀珍珠岩、岩棉等松散保温材料容易吸湿变潮导致自身重力变大而下沉，造成墙体中间出现空腔，不仅会使墙体保温性能减弱而且也会使墙体承重增加，造成潜在的危险。
外保温复合墙顾名思义，该类墙体承担保温功能的墙体材料位于墙体的外侧。保温层设置在外面可以有效消除内侧墙体裂缝对墙体蓄热保温性能造成的影响，能够有效增强墙体的密封性，还有助于减轻外界环境对墙体所造成的破坏。另外方便维修和更换，延长了日光温室的使用寿命。同时保温材料外置，施工相对简单，工期相对缩短。
其他新型墙体
应用新型保温材料（图5~6）是提高日光温室保温性能的重要措施之一，使用新型墙体不仅可以提高温室保温性能，而且有效减少墙体厚度，节约耕地面积。
近年来随着材料工艺和建筑保温节能研究的深入，于锡宏等试验了新型保温材料，如聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚苯乙烯挤塑板（XPS）、酚醛酯版（酚醛树脂）、聚氨酯（聚氨基甲酸酯）等作为日光温室墙体保温材料，在温室其他参数完全一致的情况下，以日光温室典型夹芯墙体为对照，对比墙体相同热阻下日光温室墙体不同保温材料的应用效果，结果表明，聚氨酯外保温复合墙体表现最优，XPS外保温效果次之，酚醛酯最差。张立芸等对新型建材进行研究，用加气混凝土砌块作为替代实心黏土砖的材料，并证明其具有节能环保等特点。李成芳等对日光温室墙体绝热层的位置进行分析，结果表明，外贴聚苯保温板的经济性能和热工性能较中间夹保温板的复合墙体好，结构设计主要以室内光照、气温及湿度等性能进行观测分析。
日光温室墙体设计是一个综合的问题，需要结合当地的实际环境、建设成本、投资回报率等诸多问题，选择合适的设计方案，使各方面达到最佳效果。目前中国日光温室墙体的种类虽然多种多样，但传统的单一材料土墙和砖墙仍占有很大比例，复合材料墙体和新型材料墙体所占比例仍然很小。在实际使用中，新型墙体材料常常作为复合材料墙体的一部分，其保温蓄热性能虽然比传统的土墙或红砖墙要好，但受到诸如经济因素的影响，目前还没有得到广泛的推广。
设计合理的日光温室墙体应该同时兼具保温隔热和蓄放热的功能，使得墙体能够在日间蓄积热量，在夜间将蓄积的热量的尽可能多的释放到室内。陈端生等指出日光温室较为理想的墙体内侧应该由吸热蓄热能力强的材料组成蓄热层，外侧应由导热、放热能力较差的材料组成保温层。目前温室墙体设计所采用的方法主要为冻土层法和低限热阻法。冻土层法主要用于生土墙的设计，其设计原则是使得生土墙体厚度不小于当地冻土层，越厚越好。该方法目前还缺少相应的理论依据。低限热阻法要求墙体热阻或热惰性指标应不低于《日光温室结构》中规定的低限热阻和热惰。该方法虽然能够使墙体具有一定的保温隔热功能，但是并不能反映墙体日间蓄热和夜间放热的具体情况。此外使用此种计算方法计算的墙体厚度往往会小于实际的墙体厚度。所以目前日光温室墙体的设计方法还非常不完善，无法满足生产生活的需要，需要进一步的研究和探索。
目前日光温室墙体主要存在如下问题：占地空间大，土地利用率低；缺乏统一标准，施工建造效率低；建造成本较高。
未来日光温室墙体会更多的采用新型材料作为墙体的建造材料，李明等指出目前两个发展方向是新型保温蓄热墙体和新型保温墙体两大类。新型保温蓄热墙体主要是对现有的保温蓄热墙体进行改造，通过新技术或者新材料的应用来提升墙体的保温蓄热性能，增大墙体在夜间的放热量。新型保温墙体主要采用保温材料建造，取消了传统的日光温室墙体的蓄热功能，仅仅保留保温功能。当选用新型保墙体时必须配置额外热源来补偿由于取消墙体储放热性能而导致的日光温室供热不足，或者通过提高前屋面保温被热阻来减少日光温室在夜间的热损失。
目前日光温室墙体正处在向保温蓄热墙体还是向保温墙体发展的十字路口之上。究竟哪一种墙体会成为未来的发展主流还需要进一步的实践和研究。无论是新型保温蓄热墙体还是新型保温墙体，未来日光温室墙体的发展趋势必然会有以下特点：结构越来越轻简化，杨其长团队设计了一种轻简装备式主动蓄能型日光温室墙体，李天来团队研究设计了彩钢板保温装配式节能日光温室保温墙体；墙体结构功能越来越专门化，不同的材料也被逐步开发出来承担相应的功能；墙体形式越来越多样化，典型的例子是水泥与气泡混合硬化后形成的发泡水泥，具有密度小、承重能力强、传热系数小等优良特性；墙体建造越来越标准化，针对目前广大农村地区土墙为主的实际情况，亟需提高农业行业相关标准和规范，随着设施农业和工业制造业的发展，以及国家对农业的支持力度和新型农业的发展需求，日光温室的建造必将采取越来越严格的建造标准。
作者：周凯，徐锐，龙晓军，李天华（山东农业大学）
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