一種適用于高寒地區的“雙膜雙被雙腔”高保溫日光溫室

周長吉 孫兆文 許喆

（1 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2 牡丹江眾恒科技有限公司，黑龍江牡丹江 157000）

日光溫室是我國北方地區廣泛應用的一種節能型越冬生產溫室。正常設計的日光溫室在北緯32°～42°地區，冬季最低溫度在-30～-20 ℃期間使用基本不加溫或只需要臨時加溫即可越冬生產喜溫果菜，不僅為解決我國北方地區冬季蔬菜供應做出了杰出的貢獻，而且有效開發利用了北方地區冬季閑置土地和勞動力，還大量節約了冬季溫室生產的加溫能耗，具有社會、經濟和生態的多重效益。

就日光溫室的保溫性能而言，一般可保持室內外溫差20～30 ℃，在室外最低溫度-20～-10 ℃的地區可基本保證室內溫度在10 ℃以上，正常光照條件下可保證果菜類蔬菜安全越冬生產。近年來，采用雙膜雙被的保溫技術并輔以主動儲放熱技術，日光溫室的室內外溫差可達到接近40 ℃的水平（周長吉，2019），由此這種形式的溫室可推廣到室外最低溫度在-30 ℃的地區。但我國北方地區地理緯度向北可延伸到北緯53°以北，冬季最低溫度可達-50 ℃以下，如何突破日光溫室推廣應用的極限，解決高緯度地區高寒條件下冬季蔬菜生產的問題？牡丹江眾恒科技有限公司創新研究設計了一種“雙膜雙被雙腔”高效采光和保溫的日光溫室，結合主動儲放熱系統，2022-2023年冬季在北緯52.42°的黑龍江省塔河縣十八站鎮不加溫條件下經受了-48 ℃的極寒天氣條件考驗，實現了蔬菜安全越冬生產，創造了目前國內日光溫室室內外溫差最大的運行記錄。筆者總結梳理了這種日光溫室的技術特點和技術創新，以供業內學習和借鑒。

1 日光溫室建筑與采光

“雙膜雙被雙腔”日光溫室有效凈跨度10 m、脊高6.9 m、總長度65 m（圖1）。由于溫室建設地地理緯度很高（北緯52.42°），冬季太陽光線的高度角很低（冬至日中午12：00 僅有14.13°），為最大限度提高日光溫室冬季的采光量，溫室前屋面的采光角應盡可能大。為最大限度提高溫室的前屋面采光角，該溫室采用了屋脊前移的做法，即增大后屋面投影寬度，減小前屋面投影寬度，使前后屋面水平投影比小于1∶1，前屋面采光角達到了53.82°，在提高溫室后屋面保溫的條件下，顯著增大了溫室采光面的采光角。

圖1 “雙膜雙被雙腔”日光溫室

為了進一步提高溫室前屋面的保溫性能，溫室設計采用了雙膜結構，白天外層膜卷起，內層膜作溫室圍護和采光，由此，溫室前屋面的實際采光角可按內層骨架計算，這樣溫室前屋面采光角可達61.81°，與傳統日光溫室前屋面采光角（30°左右）相比，采光角提高了1 倍多，由此在高緯度地區太陽高度角偏低的條件下保證了太陽光在溫室透光覆蓋材料上的入射角仍然在高透光率的范圍內。此外，大坡度的采光面在冬季降雪期間還能使屋面積雪自動滑落，不僅延長了溫室的采光時間，而且減輕了屋面積雪荷載。這是該溫室適應高緯度地區運行的核心和關鍵，也是該溫室建筑設計的最大創新。

溫室后屋面仰角為35.51°，冬季溫室后屋面可以全天接受陽光照射；夏至日中午太陽高度角為61.03°，溫室地面走道邊沿（后走道寬1.0 m）與屋脊連線的仰角為55.48°，除中午短時間外，全天絕大部分時間陽光可照射在溫室作物種植地面，而且夏季由于日照時間長，基本不會影響溫室作物的光合作用。

2 日光溫室保溫技術

由于地處高寒區域，除了最大限度采光獲得能量外，加強溫室保溫，盡量減少溫室向外散失熱量是保證室內溫度的重要途徑。加強溫室保溫主要從2 條路徑入手：一是在溫室建筑設計中增大溫室的保溫比；二是加強溫室各個散熱面的熱阻。

日光溫室的保溫比為溫室地面面積、后墻面面積和后屋面面積之和與溫室前屋面（采光面）面積的比值，該值越大溫室的保溫性能越好。在溫室跨度和后墻高度一定的條件下，加大溫室后屋面投影寬度是增大保溫比的主要手段。

日光溫室的散熱面包括地面、墻面、后屋面和采光面，為此，溫室的保溫主要包括基礎保溫、墻體（后墻和山墻）保溫、后屋面保溫以及前屋面保溫。

2.1 基礎保溫

日光溫室由于跨度小，靠近溫室基礎地面的邊際效應非常明顯，主要表現為地溫低。為了盡可能降低地面土壤通過基礎散熱，減小這種邊際效應，通常的做法是在溫室四周沿溫室基礎設置基礎保溫。冬季室外極端溫度不低于-20 ℃或者凍土層深度不超過1 m 的地區，建設日光溫室一般不做基礎保溫或僅在溫室前部基礎做保溫（厚土墻溫室因墻體占地面積大，外貼保溫板的磚墻復合墻溫室也可將外貼保溫板延伸到基礎放腳，再加上后走道的寬度，地面通過后墻的散熱量較少，后墻基礎可不做保溫，但對于以保溫板或保溫被為圍護墻體的溫室，地面通過后墻基礎傳熱的距離短、散熱快，后墻基礎應做保溫，工程實踐中可將保溫被或保溫板延伸到基礎放腳實現對基礎的保溫）。但在寒冷地區，尤其是輕型保溫墻體溫室，為了最大限度減少溫室散熱，除了加強溫室地面以上部分結構的保溫外，減少基礎散熱是降低溫室整體散熱的重要途徑。為此，在凍土層深度較深的地區建設日光溫室，或者凍土層厚度并不深但為了降低溫室靠近基礎地面的邊際效應，提高溫室內環境的均勻性進而提高溫室生產的效能，溫室建設也會設置基礎保溫。本項目位于黑龍江省塔河縣十八站鎮，該地區冬季最低溫度低于-45 ℃，土壤凍土深度達到3.5 m 以上，加強基礎保溫似乎是提高溫室保溫性能的一種必然選擇。為此，本工程日光溫室采用厚度為150 mm的發泡聚苯乙烯板沿溫室四周基礎做地面保溫，保溫板埋深2.0 m（圖1-a、2-a），可基本保證室內土壤與室外凍土層隔離。

2.2 墻體與后屋面保溫

傳統的日光溫室后墻和山墻多用土墻或磚墻（包括夾心磚墻和外貼保溫板磚墻），墻體既是溫室的承重結構，又是溫室的保溫結構，還是溫室的被動儲放熱體，多功能一體化，經濟實用。但這種溫室結構占地面積大，對土壤破壞嚴重（尤其是機打土墻），磚墻溫室施工速度慢、造價高，在國家嚴格耕地質量管理和溫室建設向高效輕簡化方向發展的時代背景下，傳統的被動儲放熱磚、石或土墻結構越來越多地被主動儲放熱的輕型保溫組裝結構墻體所替代，柔性保溫材料墻體日光溫室由此應運而生（周長吉，2018a；周長吉 等，2022）。由于目前日光溫室用柔性保溫材料的防水、密封、保溫和耐久性等使用性能還不能完全令人滿意，為此，本工程日光溫室的山墻、后墻和后屋面均采用性能穩定、使用壽命長的彩鋼保溫板做保溫圍護材料（保溫板厚度200 mm），溫室承力結構采用現場組裝的鋼結構體系（圖2-b），順應了現代日光溫室的發展方向。施工中，將200 mm 厚圍護保溫板分為2層，錯縫鋪設，可避免單層保溫板對接鋪設形成的板與板之間的連接縫隙，完全消除了板縫間可能存在的漏風或冷橋。由于圍護保溫材料全部工廠化生產、商品化供應，產品標準統一、質量輕、保溫好，現場施工速度快、施工質量易保證，材料使用壽命長且造價不高，非常適合輕簡化組裝結構日光溫室的圍護保溫。

圖2 溫室基礎、山墻、后墻與后屋面的保溫與圍護

2.3 前屋面保溫

溫室前屋面是日光溫室白天的采光面，也是夜間的主要散熱面。傳統的日光溫室采用柔性保溫被夜間覆蓋溫室保溫，白天卷起溫室采光，這種屋面稱為“單膜單被”保溫屋面，其保溫性能主要取決于保溫被的保溫、防水以及密封性能。就目前使用保溫被的性能而言，“單膜單被”保溫屋面溫室依靠墻體被動儲放熱，大多只能在室外溫度高于-20℃的地區運行生產，或者依靠主動儲放熱技術可在室外溫度高于-30 ℃地區運行，而在冬季室外溫度更低的地區，僅靠單層保溫被日光溫室越冬生產的難度將很大。為此，在室外溫度低于-30 ℃的地區多采用雙層保溫技術，即“雙膜單被”（周長吉，2020a）或“雙膜雙被”（周長吉，2019）保溫屋面。

“雙膜”指兩層塑料薄膜，分外層膜和內層膜，外層膜是溫室的圍護結構，永久固定（通風口除外），內層膜根據需要可在白天卷起增大溫室內作物采光，也可白天覆蓋提高溫室的保溫性能。雙層膜覆蓋可形成二者之間的空氣間層，干燥、靜止的空氣具有很強的隔熱能力，該空氣間層在夜間可形成較強的隔熱層，是提高溫室保溫性能的關鍵。

“單被”為單層可卷放柔性保溫被，可設置在外層塑料膜薄外表面，也可設置在內層塑料薄膜外表面（周長吉，2020a；孟偉玉 等，2023）。將保溫被設置在外層塑料薄膜外表面，如同傳統“單膜單被”屋面，保溫被要求防風、防雨、抗紫外線老化，但如將其設置在內層塑料薄膜外表面，由于受外層塑料薄膜的保護，保溫被對防風、防雨、抗紫外線老化的要求顯著降低，一方面對保溫被的一些性能參數要求降低，可降低保溫被的制造成本，另一方面，保溫被不受風吹雨淋，對保持其保溫性能也具有非常積極的作用。由于單層塑料薄膜的厚度薄、熱阻很小，內置保溫被的“雙膜單被”屋面往往在寒冷的夜間會在外層塑料膜上結霜或結冰，給翌日早晨溫室的采光和升溫帶來很大影響。為增強溫室的保溫性以及同時解決單層保溫被內置造成外層塑料薄膜夜間結霜的問題，在寒冷地區一般都采用“雙膜雙被”屋面，即在內外兩層塑料薄膜的外表面均覆蓋柔性保溫被。

從提高溫室保溫性來講，不論是“雙膜單被”還是“雙膜雙被”結構屋面，除了保溫被自身的保溫性能外，雙層膜（被）之間的空氣間層是提高溫室屋面保溫性能的關鍵，塑料薄膜對提高溫室屋面的保溫性能幾乎沒有貢獻。延伸這一理念，在“雙膜單被”或“雙膜雙被”的基礎上，保持原保溫被性能不變再增加一層空氣間層，可進一步增強溫室屋面的保溫性能，由此形成了“雙膜雙被雙腔”的設計理念，這也是適應高寒地區對溫室高保溫要求的一種經濟有效的解決方案。這里的“腔”即為“雙膜雙被”之間形成的空氣間層，也稱“空腔”。

在工程上筑造“空腔”的方法是采用增加骨架層數?！皢吻弧毙枰p層骨架，“雙腔”則需要3 層骨架。理論上講，3 層骨架可形成“三膜三被雙腔”的最強保溫結構，就是在每層骨架上覆蓋塑料薄膜和保溫被，調整和組合每層骨架上覆蓋的塑料薄膜和保溫被，可形成“三膜單被雙腔”“三膜雙被雙腔”“雙膜單被雙腔”“雙膜雙被雙腔”“雙膜三被雙腔”“單膜三被雙腔”“單膜雙被雙腔”等多種保溫屋面。其中“雙膜雙被雙腔”還可進一步有“膜-被/膜-被”“膜-被-被/膜”“被/膜-膜-被”“被/膜-被-膜”等多種組合方式。對于日光溫室，增加骨架層數，不僅增加溫室建設成本，而且還壓低了溫室的種植空間、增加骨架遮光面積，因此，根據每層骨架的作用荷載，盡量減少骨架的截面和數量或者用托/壓幕線（周長吉，2017）等措施替代骨架，可最大限度減少骨架對作物的遮光。

本溫室采用了“膜-被/膜-被”的“雙膜雙被雙腔”結構，既保留了“被/膜-被/膜-被”的最強保溫增補措施（直接在外層塑料膜上增設外保溫被即可實現），又將全部保溫被內置，降低了對保溫被防水、防風和抗老化的要求，應該說是一種優良的工程設計方案，唯一不足的是外層膜由于熱阻小，寒冷夜晚可能會在表面結霜，給采光和卷膜通風帶來不利影響（解決方案見4.2）。

① 外層骨架與薄膜結構。外層骨架采用單管拱架支撐單層塑料薄膜，形成日光溫室前屋面外表面圍護。塑料薄膜采用傳統的日光溫室用塑料薄膜，沿溫室屋面高度設3 層擺臂式側卷膜（孟偉玉等，2023），控制屋面通風（圖3-a），夜間關閉所有通風口，與中間的保溫被和塑料薄膜形成溫室的外層空腔，實現夜間保溫；白天溫度適宜時可將外層屋面薄膜全部卷起，從而在保留內層塑料薄膜圍護的條件下實現溫室最大限度的采光（圖3-b），也可根據室內外溫光條件變化部分或全部關閉通風口，實現溫室的適時保溫，使溫室的溫光環境管理更具操作的靈活性和便利性。

圖3 外層骨架支撐外層膜，并與內層膜形成外層“腔”

② 內層骨架與膜/被結構。這里的“內層骨架”實際上是“雙膜雙被雙腔”結構中的中層骨架，由于第3 層骨架并未形成完整的承力體系，由此中層骨架實際上就成為了內層骨架（圖1-a）。與外層骨架相同，內層骨架也是前后端分別固定在溫室前基礎和后屋面梁上的拱桿，兩者均采用相同截面材料的橢圓管單管。由于內層骨架上安裝保溫被對設備運行空間的要求，內外兩層骨架不能做成完全平行的雙層拱架（完全平行將大幅壓縮溫室前部生產空間），而是適應保溫被卷放過程中被卷直徑變化的要求，將2 層骨架的間距設置為前部小、后部大，由此可最大限度增大溫室室內地面種植面積。

內層骨架上覆蓋塑料薄膜與外層骨架相同。為滿足溫室通風的需要，對內層骨架覆蓋的塑料薄膜在其下部也設置了側擺臂卷膜通風系統（圖4-a）。不同于傳統的雙層保溫日光溫室結構，為提高溫室地面利用率，該溫室沒有在溫室內設置內山墻，由此使內層塑料薄膜卷膜通風的擺臂桿及卷膜器失去了安裝的支撐。為此，本設計將內層膜的底腳通風卷膜擺桿和卷膜器如同外層卷膜器一樣安裝在了溫室的山墻外，由于內層骨架及其上覆蓋薄膜在山墻弧面的內側，為滿足卷膜軸安裝的需要，在溫室山墻內層膜卷膜通風的運行軌跡上開設了鍵槽（圖4-b），形成擺臂桿的運行軌道。冬季寒冷季節溫室運行基本不打開底腳通風口，因此山墻上鍵槽孔處于密封狀態（圖4-c），待室外氣溫上升后再打開鍵槽孔，啟動底腳通風口運行。

圖4 內層膜底腳通風系統

內層骨架上保溫被采用傳統的針刺氈保溫被。由于受外層骨架和外層塑料薄膜的空間限制，傳統的二連桿卷簾機、行車卷簾機、滾筒式卷簾機等外保溫被卷簾機因操作空間受限而無法應用，擺臂式卷簾機因需要在室內設置內山墻占用生產空間，設計中也沒有采用。雖然也有企業開發出適應內保溫的卷簾機（周長吉，2020b），但該溫室設計者還是采用了最傳統的屋頂卷軸拉繩卷被系統（圖5）。在溫室屋脊處內外兩層骨架間間隔設置立桿，連接兩層骨架的同時也為固定卷簾機的卷軸提供了支撐。在卷軸上纏繞卷繩，卷繩鋪設在保溫被下，電機減速機驅動卷軸轉動同時纏繞并拉動卷繩可卷起保溫被（圖5-b）。鋪放保溫被時，反向轉動卷軸放松卷被繩，在保溫被自重的作用下可自動打開保溫被，實現保溫被的覆蓋（孟偉玉 等，2023）。

圖5 內層骨架支撐保溫被及其驅動系統

③ 內層保溫被及其支撐結構與傳動設備。這里的“內層保溫被”區別于安裝在內層骨架上的“外層保溫被”，實際上是“雙膜雙被雙腔”結構最內側的保溫被。由于該層保溫被下沒有覆蓋塑料薄膜，雖有的企業采用了平卷被的方式啟閉保溫被（周長吉，2018b），但這里為簡化支撐骨架，內層保溫被及其支撐和驅動系統采用了2 段式結構：前部為直立拉繩卷被結構（簡稱“卷被結構”），后部為水平吊掛拉被結構（簡稱“吊被結構”）。2 段結構分別采用不同的保溫被、支撐結構和驅動系統，兩者的支撐結構和驅動系統完全獨立，但保溫被卻整體連接，從外形上看，整體形成一套嚴密的二折式保溫層（圖6）。

圖6 內層保溫被及支撐結構

前部卷被結構段使用的保溫被與外層保溫被相同，為針刺氈保溫被，厚度20 mm，但支撐保溫被的骨架采用了一種懸臂曲桿（圖7-a），下端固結連接到基礎，并與內層骨架形成連接（圖7-b），上端自由懸空并通過組裝卡件用1 根沿溫室長度方向通長的縱向系桿將所有曲桿端部連接成一個整體（圖7-c）。曲桿采用橢圓管，間距3 m，系桿采用圓管。這種支撐結構擋光少，基本也不影響溫室內生產作業，是一種經濟有效的工程措施。

圖7 內層保溫前部卷被支撐結構

控制保溫被的啟閉采用了與外層保溫被相同的卷軸拉繩卷簾機原理，電機減速機置于溫室中部雙向輸出動力，通過齒輪和鏈條傳遞動力帶動卷軸轉動（圖8-a）。與傳統的卷軸拉繩卷簾機不同的是該卷被系統用寬幅、輕薄、柔韌的編織膜替代了卷被繩（圖8-b），將編織膜一端固定到后部吊被結構段的活動邊，另一邊從保溫被下部兜出后纏繞在卷軸上。電機正轉，卷起編織膜從而帶動保溫被卷起（圖8-c）；電機反轉，卷開編織膜，依靠保溫被卷的自重自動鋪展在懸臂曲桿外表面，實現溫室保溫。從卷軸卷放編制膜的效果看，類似通風口卷膜的卷膜軸，卷軸上纏繞的編織膜薄，卷起編織膜后卷軸的直徑小，為后續的吊被結構節約了空間。

圖8 內層保溫前部卷膜卷被及驅動系統

卷被系統的電機、電機減速機以及轉軸作為一個整體固定在后部吊被結構段的活動邊橫梁上。當前部保溫被卷過曲桿的頂端后即和后部的吊掛結構形成一個整體，卷被電機停機，整個卷被系統成為后部吊掛結構的前置部分，隨吊掛保溫被的運動而運動。

后部吊掛結構的支撐結構為一組沿溫室跨度方向通長設置的水平桁架（圖9-a），前部與溫室的內層骨架相連（圖9-b），后部與溫室后屋面骨架或后墻立柱相連（圖9-c），桁架的下弦桿安裝通長的齒條，形成保溫被啟閉的動力傳輸機構，這是本項目的重大創新之一。

圖9 內層保溫吊掛平拉被支撐結構

吊掛部分的保溫被采用了自主研發的8 層結構保溫被，內外兩側綴鋁箔發泡聚乙烯，整體粘合為一張，厚度20～25 mm，熱節省率80%，具有保溫性能好、密封嚴密、防水并反射紅外線的功能。

在保溫被的下部，沿溫室跨度方向間隔設置沿溫室長度方向通長的壓條（可以是鋁合金條或鍍鋅鋼板條，圖10-a），自攻自鉆螺栓通過壓條將保溫被固定在其上表面與壓條對應位置設置的吊桿上，吊桿再吊掛到水平桁架的下弦桿上，由此將保溫被整體吊掛在了溫室桁架上（圖10-b、c）。吊桿與桁架下弦桿吊掛連接時采用了U 形夾板，夾板的下端固定焊接到吊桿上，上端則連接滾輪，通過滾輪將吊桿吊掛在桁架上（圖10-b）。當保溫被沿溫室跨度方向展開或收攏時，滾輪在桁架下弦桿上表面往復滾動，由此保證了保溫被的平穩運行。

圖10 內層保溫吊掛平拉保溫被安裝

驅動保溫被啟閉的動力系統是一套齒輪齒條機構。電機減速機置于溫室長度方向的中部，雙側輸出動力（圖11-a）。電機減速機輸出動力軸連接沿溫室長度方向通長的傳動軸，傳動軸上連接齒輪，齒輪的位置與桁架下弦桿上齒條位置一一對應（圖11-b）。由于齒條固定在桁架上不動，傳動軸轉動將帶動齒輪運動，實際上傳動軸就形成了保溫被水平運動系統的活動邊，傳動軸所在位置基本也就是水平運動保溫被的邊界位置。

圖11 內層保溫吊掛平拉保溫被驅動系統

由于齒輪在齒條的下方（圖11-b），而電機減速機又只能安裝在桁架的上弦桿上，由此從電機減速機輸出的動力輸出軸與連接齒輪的傳動軸之間不在一個平面內（圖11-a）。為實現電機減速機動力向齒輪傳動軸的傳遞，設計采用了兩端帶萬向節的過渡傳動軸，一端連接電機減速機的輸出軸，另一端連接齒輪的傳動軸（圖11-b），由此解決了動力傳輸的問題。

實際上，前部的卷被在卷過懸臂曲桿后就通過纏繞在卷軸上的編織膜吊掛在卷軸上，卷軸支撐在軸承座上，軸承座固定在水平吊掛拉被系統的驅動邊上（圖11-c），由此在水平吊掛拉被系統運動時將直接帶動卷被系統同步運動。值得注意的是，卷被系統的卷軸與拉被系統的齒條應留出足夠的間隙（圖11-c），以免拉被系統水平運動過程中齒條摩擦或碰撞卷被系統的卷軸。

3 日光溫室主被動儲放熱

該溫室包括2 套主被動儲放熱系統：后墻水柱被動儲放熱系統和氣水熱交換土壤主動儲熱系統。

3.1 后墻水柱被動儲放熱系統

以水為工質，利用日光溫室后墻，接受照射到后墻面的太陽輻射和室內高溫對流換熱熱量提升工質溫度儲存熱量是日光溫室最經濟有效的一種主被動儲放熱方式，其中布設工質的方法有水管、水板、水帶（周長吉，2018c）、水桶（周長吉，2019）等多種方式。

該溫室采用了水柱儲水的方法（圖12），靠近溫室后墻密布水柱，每根水柱的直徑為190 mm，高度為2 m，總儲水量為18 m3。水柱的承力和外圍護為鋼管，表面涂黑便于吸熱，同時也起到防銹的作用，鋼管內襯焊合的筒狀塑料薄膜，塑料薄膜筒內裝水。這種做法，內層塑料薄膜保證了水柱內熱工工質不會泄漏，外層鋼管保證了水柱的強度并具有良好的導熱性能，是一種經濟有效的被動儲熱方式。

圖12 后墻被動儲放熱水柱

3.2 氣水熱交換土壤主動儲熱系統

氣水熱交換土壤主動儲熱系統由氣水熱交換機、主供回水管路、地中換熱盤管、動力水泵以及控制系統等組成（孫兆文 等，2022a）（圖13）。其中氣水熱交換機安裝在溫室室內靠近屋脊部位，白天運行將溫室內高溫空氣通過風機吸入機體，機體內安裝有冷水盤管，當高溫空氣經過冷水盤管時兩者發生熱交換，將高溫空氣中的熱量交換到冷水盤管的水中，從而降低空氣溫度同時提高盤管中水的溫度。經過熱交換的高溫空氣降溫后從交換機的出風口排出，返回到溫室降低溫室內空氣溫度，同時在風機動力的作用下，還可以在溫室內形成空氣擾流，使溫室內空氣溫度更均勻（圖14-a）。冷水盤管與熱空氣發生熱交換后，提高盤管中水溫形成高溫熱水，并通過安裝在交換機上的供回水主管將熱水導入埋設在溫室地面土壤中的毛細管中（圖14-b，可微信掃描圖13 中的二維碼查看視頻3），使毛細管中熱水與土壤再進行二次熱量交換，從而將溫室內空氣熱量傳輸到地面土壤中，通過提升地面土壤溫度并將空氣熱量儲存在土壤中，達到提高土壤溫度的目的（周長吉，2012）。

圖13 氣水熱交換系統原理圖

圖14 氣水熱交換土壤主動儲熱系統

從溫室內空氣熱交換的角度講，氣水熱交換機是一臺空氣降溫機兼空氣擾流的循環風機。從供回水主管及地面土壤毛管中循環水熱交換的角度講，氣水熱交換機又是一臺地面土壤的加溫機。

本工程中，毛管為直徑20 mm 的塑料軟管，在地面土壤中埋深30 cm，毛管之間間距350 mm。水氣交換機風機的功率為180 W，循環水動力水泵功率為370 W，每臺氣水交換機工作的溫室長度為30 m，帶動溫室面積250～300 m2。具體工程設計中可根據實際條件進行設備各管路的選配。

4 其他配套技術

4.1 溫室通風除濕技術

溫室的通風，除了外層骨架覆蓋塑料薄膜的3個卷膜通風口及內層骨架覆蓋薄膜的底腳卷膜通風口外，在溫室的后屋面靠近屋脊處還設置了通長的通風口，稱為后屋面通風窗。后屋面通風窗寬度1.0 m，窗扇采用與后屋面相同的彩鋼保溫板，在溫室內配套齒輪齒條開窗機構以上懸窗形式開窗（圖15）。夏季溫室需要通風量大時，可打開前屋面全部通風口和后屋面通風窗，在溫室中形成沿跨度方向的穿堂風；冬季寒冷季節，白天可打開外層骨架覆蓋塑料薄膜的通風口，關閉內層骨架覆蓋塑料薄膜通風口，溫室以采光和保溫為主，需要通風時，可短時間打開后屋面通風窗進行通風換氣，大部分時間所有通風窗關閉實現保溫。其他季節可視室內外溫度和光照的變化，在打開外層骨架覆蓋塑料薄膜通風口的條件下，適時開啟前屋面內層骨架覆蓋塑料薄膜底腳通風口，并與后屋面通風窗結合，靈活控制溫室通風。

圖15 溫室后屋面通風窗

為解決冬季溫室為保溫減少通風帶來溫室內濕度過高的問題，設計在溫室的兩側山墻安裝了通風除濕設備（圖16-a）。該除濕機具有除濕、通風和熱量回收的多重功能（孫兆文 等，2022b），在排除室內高溫高濕空氣、引進室外低溫低濕空氣進行通風、除濕以及引進室外CO2的基礎上還能將室內高溫空氣攜帶的熱量傳遞給室外低溫空氣返回到室內，從而實現能量的回收。通風除濕機內設有熱交換器，配置了2 臺風機分別抽送室內和室外空氣（圖16-b），2 臺風機分別將室內濕熱空氣和室外干冷空氣抽送到熱交換器的內外表面，通過熱交換器進行2 路空氣熱交換，經過熱交換的室內高溫空氣放熱后排出室外，同時將空氣中水汽析出或排除，室外干冷空氣升溫后引進室內，實現溫室內外空氣交換，引進室外CO2。在通風除濕機的進出風口設置了通風風量調節閥，可根據通風量需要調節通風量的大小。這種設備有效減少了溫室通風過程中的熱量損失，具有顯著的節能效果，非常適用于寒冷地區冬季低通風量要求的日光溫室通風換氣。

圖16 溫室通風除濕設備

4.2 溫室外層薄膜消霜技術與設備

為了解決外層膜不覆蓋保溫被時，冬季寒冷地區夜間塑料薄膜易結霜或結冰、影響翌日溫室采光的問題，設計者研究開發了一套用于消霜的可收放反光幕（圖17）。該反光幕采用柔性黑白幕布，沿溫室長度方向通長設置。其上部固定邊固定在內層骨架下屋脊處（圖17-a），下部活動邊可運動到吊掛內層保溫被桁架上弦與內層骨架的連接點。反光幕展開后形成一張從內層骨架屋脊到吊掛保溫被展開位置的傾斜面（圖17-b），朝采光面一側為黑色，陽光透過采光面照射到黑膜表面進行光熱轉化，使采光面和黑膜中間的空腔快速升溫，融化采光面棚膜上的霜。由于反光幕位于吊掛保溫被的上部，在日出后保溫被未打開之前，展開反光幕可對外層塑料薄膜表面進行提前消霜，盡量縮短對溫室內作物采光的影響，待外層塑料薄膜上冰霜融化后可收起反光幕，完全不影響溫室內作物的采光。事實上，夜間展開反光幕，相當于在內層骨架與吊掛保溫被之間又增加了一層隔熱空腔，在一定程度上還能增加溫室的保溫性能。為了盡量減少反光幕支撐骨架對溫室的遮光，反光幕的支撐采用了透明的聚酯線，兩端分別固定在溫室后屋面骨架和內層骨架的縱向系桿上（圖17-c）。

圖17 消霜反光幕及其支撐

控制反光幕啟閉采用了擺臂式卷膜器（圖18）。由于反光幕反光對其與溫室覆蓋物之間的密封性要求不高，為此，擺臂式卷膜器安裝在了溫室山墻的內側，一是省去了為固定和支撐卷膜器而需要建設的內山墻，節約了建設投資；二是避免了如內層骨架覆蓋塑料薄膜底腳通風口啟閉卷膜器安裝在山墻外時需要在山墻上開槽而造成對溫室山墻強度和保溫性的影響。

圖18 反光幕驅動系統

5 日光溫室性能

2022年底溫室建成后立即投入到生產。為了更精準分析和評價溫室性能，2022年12月至2023年2月在溫室內外分別設置了溫度傳感器，測定相應部位的溫度。溫度傳感器布置位置如圖19，分別測定溫室種植區溫度（設置在溫室中部距離地面1 m 高度）、溫室內地面土壤溫度（分別設置在溫室沿跨度方向的中前部和中后部，距離地表下15 cm）、2 層保溫被之間溫度和被動儲熱水體溫度。

圖19 傳感器布置位置

測試期間遇到了當地50年一遇的極端寒冷天氣，室外最低溫度達到-43 ℃，但溫室內最低溫度在保溫被覆蓋保溫期間始終保持在了9 ℃以上，室內外最大溫差達到50 ℃以上，創造了國內日光溫室保溫的最高記錄。從典型天氣的測試結果看（圖20），晴天天氣條件下，即使室外溫度夜間降低到-40℃，室內最低溫度也保持在9 ℃以上，只在早晨揭簾的短時間最低溫度達到7 ℃，但白天的最高氣溫可達到25～30 ℃；陰天溫室內溫度變化幅度不大，最高溫度接近15 ℃，但最低溫度仍在9 ℃以上，說明溫室具有良好的保溫性能，其中地面和后墻面水柱的儲熱也發揮著一定作用。

圖20 冬季最冷月典型天氣條件下溫室內外溫度

從室內空氣溫度看，基本達到了果菜類蔬菜越冬生產的條件。只要在早上保溫被打開的短時間內做一點臨時補溫，溫室可安全越冬生產果菜類蔬菜。

從內保溫的保溫效果看（圖21），附加內層保溫被提高了室內空氣溫度7～8 ℃（保溫被覆蓋期間室內空氣溫度與保溫被間溫度之差），說明內層保溫具有良好的保溫隔熱效果；從被動儲放熱的水體溫度看，白天最高水溫可達30 ℃左右，夜間放熱后水溫降低到20 ℃以下，一般有10 ℃以上的溫差放熱量，被動儲放熱對補充溫室的夜間散熱具有一定的貢獻；從溫室土壤溫度看，地表以下15 cm深度地溫基本穩定在15～20 ℃的范圍內，晝夜變化幅度不大，說明溫室基礎四周的保溫是有效的，地面土壤熱交換系統也具有一定的作用，土壤溫度基本能滿足喜溫果菜生產要求。

圖21 溫室內各部位溫度變化

從揭被前溫室內熱成像圖（圖22）看，后墻的被動儲放熱水柱揭被前溫度最高，仍然處于向溫室放熱的狀態，說明后墻儲熱水柱對溫室補能具有非常積極的作用。同時也看出，屋面保溫被和地面溫度分布均勻，只有前屋面底腳處有顯著的冷條帶，或許是保溫被底腳密封不嚴的結果，在運行管理中應注意觀察和調整卷簾機的展停限位。

圖22 揭被前溫室內熱成像

總體看，“雙膜雙被雙腔”日光溫室具有良好的保溫性能，在北緯52°地區室外最低溫度達到-40 ℃的條件下具有安全越冬生產果菜類蔬菜的能力。由于測試還不夠精細，對每種設施設備在溫室保溫和增溫方面的貢獻尚無法給出精準的答案，后續的研究將進一步精準分析，尤其要研究在不同氣候區推廣應用中配置什么樣的設施設備以及如何取舍該溫室的現有配置，以期能根據不同氣候條件和不同種植要求提出規范化溫室設施設備配置方案，為這種日光溫室的大面積推廣應用打下基礎。同時從造價的角度考慮，減少設備配置也可相應降低日光溫室造價（該日光溫室的建設投資約800 元·m-2）。