一种以喷胶棉轻质保温材料为墙体和后屋面的组装式日光温室

周博士考察拾零（八十三）

一种以喷胶棉轻质保温材料为墙体和后屋面的组装式日光温室

2018年3月6日，北京京鹏润和农业科技有限公司总经理张栋先生在微信中给我发了一篇《柔性保温墙体日光温室》的文章，说文中的试验温室就在北京的怀柔区，邀请我到现场看看。刚看到这则微信时确实没太在意，因为2017年笔者在考察南疆时已经看过一种采用涤棉柔性材料做保温墙体的组装式日光温室，并写过报道，后来在哈尔滨、齐齐哈尔等地的考察中也见到过类似的温室，所不同的可能只是保温材料和温室的几何尺寸不同罢了。直观的感觉这种温室和上述温室都是同一类型的温室，没有太多的新奇。

但随后张栋先生又给我介绍说2017~2018年度的冬季，在没有加温的条件下，室外最低气温达到-15℃时，室内最低温度保持在了8℃左右。这一下引起了我极大的兴趣，如果日光温室确实能达到这样的性能，不仅在北京地区，就是在华北的大部分区域也具有良好的推广应用价值。于是我应张栋先生的邀请，约定去看看。

2018年3月10日下午，我们来到了位于北京市怀柔区庙城镇赵各庄村的锦会有机农庄，我们要考察的温室就在这里。进入农庄，马路两侧整整齐齐排列着两列砖墙结构的日光温室。走到马路的尽头，在一圈围栏中我们才看见了孤零零的一栋日光温室，这就是我们要看的试验温室了。迫不及待的你可能和我的心情一样，都想急于看到这栋温室的“庐山真面目”吧？不要着急，这就请张栋先生带我们一同去揭开这栋温室的神秘面纱吧。

温室概况

温室坐北朝南，东西走向，我们从温室的北部绕到温室的东侧，开始了我们探索和挖掘这栋温室特色的旅程。从外形式样看，该温室和普通的日光温室没有什么两样，但银灰色的外表颜色却表达出了与传统日光温室的不同之处，这就是给我们初入眼帘的第一印象，也是轻质保温材料围护墙体的基本特征（图1a）。除了温室外，门斗也采用相同的材料围护。

进入温室，首先感受到的就是敞亮的空间，白色的后墙立柱和后屋面骨架以及后墙下部的反光膜更是刺激和吸引了我的眼球。由近及远，种植作物从低矮的叶菜到攀蔓的果菜，形成了梯级种植平台（图1b），原来种植者为了测试温室的性能种植了不同品种的作物，从高秧的果菜种植情况看，这栋温室确实已经安全越冬生产了，看来这栋温室的越冬生产性能应该是可靠的。

有了第一印象后，我请跟随张栋先生一起到来的该温室的设计者宛金工程师给我们做了详细的介绍。

首先从温室的几何尺寸说起吧。温室跨度10m，长度50m，脊高5m，后墙高3.5m，后屋面长2.4m，后屋面仰角45°，前屋面直立800mm后起拱，便于温室前部的机械耕作和种植操作（图1c）。

温室除了采用全组装结构、柔性保温材料围护外，还配置了室外卷帘机、屋脊和前屋面自动控制通风系统，为了预防可能的低温，温室内还配备了电加温系统。下面让我来逐一给大家做个介绍吧。

温室结构

该日光温室结构采用了完全组装式镀锌钢管骨架结构，如图2a，主体骨架间距为1m。

主体承力骨架采用φ80mm×30mm×2mm椭圆钢管。这种截面钢管，秉承了外卷边C形钢结构轻盈、钢材表面可实现完全的内外表面热浸镀锌表面防腐、加工方便、完全组装式安装不用焊接、截面小、遮光少等优点，而且由于自身为闭口截面，较外卷边C形钢和圆管承载能力更强，是目前日光温室结构的一种新趋势。

温室前屋面、后屋面和后墙立柱为一体式拱架。为便于加工和运输，整体拱架分为了两段，其中后屋面骨架和后墙立柱为一段（图2a中表面白色喷塑部分），前屋面骨架为另一段（图2a中镀锌但未喷塑的部分）。

两段通过缩口插管的方式连接（图2b），下部钢管缩口后插入上部钢管，并用4套自攻自转螺钉加固。温室骨架两端与基础的连接也采用同样的插接连接的方式连接（图2c）。基础采用独立混凝土基础，独立基础间距2m，所有基础用一根铺设在其表面的角钢连接（基础内预埋件与角钢焊接连接）为一个整体，在骨架布置位置从基础表面的角钢上焊出一个矩形管插管，安装时将骨架插入该插管后再用一副螺栓螺母连接固定。这种连接方式彻底避免了骨架连接中的焊接作业（基础连接处除外）。

为了保证温室骨架沿温室长度方向的纵向稳定性，温室结构一是设置了沿温室长度方向的纵向系杆；二是在靠近温室的两侧山墙端的屋面和立柱上设置了斜撑。

温室纵向系杆分别在前屋面设4道、屋脊设1道、后屋面设2道、后墙设2道。其中屋脊的系杆采用了镀锌钢板压板（既是骨架的纵向系杆，也是温室保温被的固定板，还是安装卷帘机防翻装置的支撑），其他部位的系杆均采用圆管。圆管与骨架（包括后墙立柱）的连接采用专用的连接件（图3a），首先用6套自攻自钻螺钉分别从骨架的两侧将其固定在骨架上，然后将纵向系杆穿过连接件的插孔后用销钉销紧纵向系杆即可。

屋脊压板为V形折板，与骨架的连接采用了4套L折板连接件，首先将V形压板放置在骨架屋脊设计位置，然后将4套L折板连接件分别从骨架的两侧用自攻自钻螺钉固定（每个折板每侧用4根自攻自钻螺钉），再将L折板连接件与V形压板用螺栓固定（每个折板用2套螺栓），如图3b。

结构山墙端的斜支撑包括后墙立柱斜支撑和屋面斜支撑，其中屋面斜支撑又分后屋面斜支撑和前屋面斜支撑。

后墙立柱斜支撑设置在靠近山墙的10个开间内，共有2道斜支撑，从山墙起的第6根立柱上端分别向第1根立柱和第11根立柱的下端倾斜，将靠近山墙的11根后墙立柱连接在一起（图4a）。屋面斜撑（包括1根后屋面斜撑和2根前屋面斜撑）均设置在靠近山墙的5个屋面开间内，将靠近山墙的6根屋面骨架连接在一起，2根前屋面斜支撑一根设在靠近屋脊部位（图4b），另一根设在屋面的前部位置（图4c）。

斜撑与骨架的连接采用了L折板加Ω箍卡组合连接件（图3c）。首先将L折板用4根自攻自钻螺钉固定在骨架上（图5a），然后根据斜撑的倾斜位置将Ω箍卡紧扣斜撑后用3根自攻自钻螺钉将斜撑固定在L折板上（图5b）。

通过以上的连接和安装，温室所有骨架形成了一个稳定的空间承力体，而且结构件组装除基础连接件外，所有骨架连接均采用装配连接，无焊接作业，有效避免了对结构构件表面镀锌层和喷塑层的破坏，对延长温室结构的使用寿命将具有非常积极的作用。

温室保温

温室保温不论是前屋面还是后屋面或后墙，均采用了相同的保温被保温。其中前屋面为单层保温被活动保温，白天卷起温室采光，夜间展开温室保温；后屋面和后墙为双层保温被固定保温。保温被的保温芯材料为喷胶棉，质量轻、导热系数小、保温性能好、透水且不吸水。保温芯两侧包裹PE编织布，防水、耐磨、抗老化。保温被幅宽2m，单层保温被质量为700g/m2，厚度约5cm。

保温被幅与幅之间的连接采用了粘接后缝合的方法。每幅保温被的两侧边沿缝制了子母粘扣带，并将外覆的PE编织布留出裙边。安装时，首先将两幅保温被对接边的子母粘扣带粘合（图6a），再将两幅保温被对接边的PE编织布裙边贴合后叠卷成一条连接肋（图6b），最后用缝纫机将该连接肋用尼龙线压紧缝合，即形成连接可靠、密封严密的整张保温被（图6c），有效解决了保温被幅与幅之间搭接漏缝的问题。

整幅保温被在温室后屋面和后墙上的固定采用了压膜卡簧/卡槽与压条相结合的方式固定。沿温室屋脊长度方向，在屋脊的V形折板上安装卡槽，将后屋面第一层保温被的裙边通过卡簧扣压在卡槽内，保温被顺温室后屋面和后墙铺展后通过卡簧扣压到温室基础表面的卡槽内。温室后墙和后屋面的第二层保温被和温室前屋面的活动保温被实际上是一张保温被，首先在温室后墙基础的卡槽中将保温被底边固定，将保温被绕过温室屋面一直到温室前屋面前沿底脚，在保温被的活动边安装卷被轴，卷被轴与卷帘机电机减速机相连即形成温室前屋面的卷被保温系统，在保温被经过的屋脊处用一条沿温室屋脊方向通长的压条将保温被压紧固定在温室屋脊的V形折板上，即可形成温室前屋面活动保温被的牢固固定边，同时也是后屋面二层保温被的固定边。

对于温室后屋面和后墙靠近两侧山墙的保温被边缘的固定，设计者仍然采用卡槽卡簧的方式固定。这种方法固定和拆卸都很方便，而且所用的固定件都是成熟的商品化产品，取材方便、价格低廉，而且性能稳定、固定可靠。

由于试验温室长度较短，温室前屋面卷被采用了单侧摆臂式侧卷被卷帘机（图7a），摆臂和卷帘机安装在温室的东侧，在温室门斗的旁边，便于操作和观察。

由于温室的前屋面保温被和后屋面保温被为一张整体保温被，卷帘机运行到屋脊位置后如果没有阻挡可能会使卷帘机卷过屋脊滚落到温室后屋面，不仅给温室的保温造成影响，而且可能会造成卷帘机的损伤和保温被的撕裂。为此，设计者在温室的屋脊位置间隔设置了一组防翻装置（图7b、图7c），该防翻装置实际上也是通过螺杆连接到温室的骨架上（图8）。

对卷帘机的控制，常规的控制方式是手动控制，合闸后操作人员站在温室外观察卷帘机的运行，直到卷帘机卷被到位后再拉开电闸。卷被过程中一旦发生卷帘机故障或卷被轴偏移等事故后操作人员应立即拉开电闸，但由于操作人员与电闸间有一定距离，这一距离可能会延误卷帘机的及时关闭，有时会造成卷帘机事故的进一步扩大。为此，该温室专门开发了一种遥控器（图9），操作人员可以在温室内操作，也可在温室外操作。尤其在寒冷的冬天，操作人员在温室内操作，可使他们有效避寒，也是对操作人员的一种劳动保护。一旦卷帘机发生故障后可即时切断电源，可有效避免事故的进一步扩大。

温室通风

温室通风系统采用了屋面前部和屋脊部位两组通风口相结合的自然通风方式。

温室屋面前部通风口设在温室骨架的第一道纵向系杆上部，通风口宽度800mm，沿温室长度方向通长设置。通风口下部温室直立部分采用固定薄膜，用卡槽卡簧固定塑料薄膜；通风口安装固定防虫网；通风口的上沿用卡槽卡簧同时固定通风口塑料薄膜的固定边和防虫网。通风口的启闭采用电动卷膜器控制（图10a），在卷膜轴的自由端，也就是温室一侧靠近山墙的屋面处固定覆盖了一层保温被（图10b），保温被上下两端固定，左右两侧自由，卷膜轴的自由端从该保温被下穿过，可有效避免卷膜轴翘曲。从图10也可以看出，在温室的前屋面间隔布置了数道压被带，这是压在活动保温被的上部，用于保温被覆盖后压紧保温被，防止保温被被风掀起。

温室屋脊部位的通风口设置在距离温室屋脊800mm的位置，沿温室长度方向通长设置，通风口宽度1m。控制通风口开启采用了电动扒缝通风的方式，如图11a。

这是一种改进的双侧动力输出开窗机。电机减速机输出动力，带动齿轮齿条往复运动，实现对通风口启闭的控制。齿条两端连接水平布置的一级动力驱动线（钢丝），驱动启闭通风口的二级动力驱动线。二级动力驱动线间隔固系在主动力线上（图11b），通过定滑轮变向后绕过固定在屋脊板上的定滑轮，最后从温室屋脊通风口穿过后与通风口的活动边固定，之后再延伸到固定在温室屋面上的转向定滑轮后从温室通风口活动边的下部返回到室内，通过定滑轮变向后连接到一级动力驱动线上，实现对屋脊通风口的自动控制。

该温室屋脊通风口的启闭采用了步进式控制方法，就是通风口的启闭是根据室内外温差分步启闭，每次动作只能运行固定的距离，该固定距离可以人为设定，可为10~20cm。这样可有效避免由于一次性启闭通风口（即大开大合）引起室内温度的剧烈波动。

驱动屋脊通风口启闭的电机减速机采用了双轴输出方式，用一台电机减速机实现了向两侧的动力输出（图12）。实践中，将电机减速机安装在温室的中部，分别向两侧输出动力，可带动两侧的通风口控制一级动力驱动线，从而将单台电机驱动通风口的长度增加了1倍。早期的同类设备带动屋脊通风口的长度多在20m左右，使用该机后1台电机可带动50m长的温室屋脊通风口启闭，节省了设备，也降低了投资。

温室加温

虽然在温室设计时没有考虑加温设备，但考虑到试验温室运行的风险，温室的管理者还是在温室建成后选配了电加热的温室加温系统，如图13。该加温系统为独立的电加热器，单台加热器的功率为1kW，可手动调节和设定加热器的输出功率。加热器主要通过辐射散热的形式向室内补充热量。作为应急设备，这种设备配置还是很有必要的。当温室生产遇到极端恶劣天气条件时，通过临时补温可有效降低温室运行的风险。

温室门斗

该温室在门斗设计上有一个独特的创新，就是将温室作业机具的进出口设计在了温室的门斗上，这是和传统日光温室在前屋面骨架上开门洞进出作业机具最大的不同。

温室日常管理操作人员出入的作业门设计在门斗的南侧（和传统的日光温室门斗相同），图1a为门斗作业门打开状态，图7a为门斗作业门关闭状态。

在门斗的东侧设计了三扇折叠的双开式平开门，其中1扇为独立平开门，另外2扇为连体的可折叠平开门。平常东侧3扇门均处于关闭状态（图14a），温室保温。当作业机具需要进出时，可将3扇门全部打开（图14b），不论从宽度还是高度上都能满足日光温室耕种作业机具的进出。为了保证机具作业门在温室日常运行中的密封性和结构的牢固性，设计者在3扇门的内侧加设了一道水平锁杆（图14c），可将3扇门牢固固定。需要开门时只要将该锁杆人工卸下，即可很方便地打开大门，便于作业机具出入。

与温室门斗东侧机具作业门相适应，温室东侧山墙上也按照门斗3扇门的规格和大小安装了3扇平开门（图15）。温室日常管理中只开启单扇门（图15a），供管理的操作人员进出。当需要作业机具进出温室时，将连体双扇折叠门扇折叠打开，形成与门斗同样规格的门洞空间（图15b），与门斗东侧机具作业门形成通畅的交通作业通道。双扇折叠门扇折叠在温室内开启也不会占用太大的室内空间。

这种机具作业门的开启方法没有增加太多的建筑材料，安装和管理都很方便，尤其不破坏温室承力骨架，对保证温室结构的强度和承载能力具有非常积极的作用。

温室性能

为了进一步分析和验证该试验温室冬季的保温性能，北京京鹏润和农业科技有限公司选择了同园区内临近的一栋传统的北京砖墙结构日光温室（图16a）做对照，分别测定两栋温室同期的室内外温度。

测试从温室内作物定值后开始（2017年12月15日）。温度测点在室外布置1个，试验温室内布置了24个。试验温室中测点分别布置在温室中部和两侧距离山墙10m的3个断面上，每个断面上沿温室跨度方向布置3组，布置在不同高度，最南侧一组2个传感器，中部和后部均布置3个传感器（图16b）。对照温室只在中部断面按照试验温室传感器布置的方法布置了8个传感器。

图17为2018年1月份最冷1周试验温室和对照温室的室内外温度变化（室内温度取温室中部断面跨中距离地面50cm位置的传感器数据）。由图可见，在室外最低温度-18℃左右时，试验温室的室内最低温度基本保持在6℃以上（这个低温点对喜温果菜可能有点偏低），较对照砖墙温室的室内最低温度高4~5℃。据介绍，该温室虽然配置了温室加温系统，但整个冬季都没有使用。从夜间室内温度均匀变化的趋势也可以判定出温室夜间要么是没有加温，要么是整夜都在加温。但整夜加温的可能性较小，据此可确认温室是在完全没有外界加温的条件下运行的。

从图17还可以看出以下几点：一是试验温室在覆盖保温被后短时间内升温的幅度较大，说明保温被的保温性能良好；二是试验温室在覆盖保温被时的温度大都比对照温室高，这可能与对照温室的管理相关，如果对照温室同样在与试验温室相同的室内温度时覆盖保温被，是否也能达到与试验温室同样的保温效果，还需要进一步的试验验证；三是从试验温室和对照温室夜间温度变化曲线的斜率来看，试验温室温度下降的速率较小，说明试验温室的保温性能较对照温室更好，尽管试验温室没有对照温室的后墙夜间放热；四是白天试验温室内的温度总是高于对照温室，说明试验温室白天的采光性能更好。

以上综合分析表明，该温室具有良好的采光和保温性能，最冷季节晴天可保持室内外温差20℃左右，在北京地区生产叶菜应该可以安全越冬，适当的加温可保证安全生产喜温果菜。

结语

随着日光温室工业化建造水平的提高，完全组装式日光温室结构将是未来日光温室发展的一种趋势。此类温室，构件（材料）工厂化生产、现场组装、施工周期短（100个工日可建设100m长温室，大规模建设时交叉作业还可进一步减少用工）、建造成本低（试验温室目前的造价约300元/m2，交钥匙工程，包括运输和施工安装费）、使用寿命长、保温性能好，尤其是温室墙体占地面积小、温室建设不破坏耕地、异地拆装和建设不损坏温室结构，大量推广后建设成本也会大幅度下降。目前这类温室在新疆、北京、河北、黑龙江等地试验推广已经表现出了良好的性能，希望科技工作者和温室生产者有机会投入更多的精力研究和完善这种形式的温室，期待能够早日推广应用到大面积生产中。

致谢

北京京鹏润和农业科技有限公司总经理张栋先生不仅创造机会，而且还亲自陪同现场参观，宛金工程师除了现场介绍外还提供了很多技术资料和现场测试结果，在初稿成文后二位先生还提出了很好的修改意见，在此一并表示衷心的感谢！

作者：周长吉（农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业设施结构工程重点实验室）