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温室设计

北京农立方温室工程技术有限公司拥有实力强大的专业设计团队,具有包括北京农业嘉年华等知名项目的设计经验。我们在农业园区景观设计,农业创意景观设计,农业休闲农庄景观设计,农业会展景观设计具有专业的实力和创新的思路。


以日光温室设计为例,日光温室建筑设计中包括场地的选择、场地的布局以及温室各部位的尺寸、选材等。日光温室各部位的尺寸即是日光温室建筑设计参数,主要包括温室方位、温室跨度、高度、前后屋面角度、墙体和后屋面厚度、后屋面水平投影、防寒沟尺寸和温室长度等。在确定日光温室建筑参数时应重点考虑采光、保温、作物生育和作业空间等问题。

由于日光温室的基本能源来自太阳,又需要在严寒冬天使用,因此特别要强调充分采光,严密保温,白天让尽可能多的太阳光能进入室内,并蓄积起来;夜间尽可能减少室内热量逸出温室,使室内维持一定的温度水平。因此除了坚固以外,充分采光和严密保温是日光温室设计的基本要求,同时也应考虑作物生育和人工作业空间等问题。

一、方位

温室的方位是指温室屋脊的走向。日光温室仅靠向阳面采光,东西山墙和后墙都不透光,所以一般都是坐北朝南,东西延长,采光面朝向正南以充分采光。在生产实践中,某些地区如东北、西北早晨比傍晚寒冷得多,或早晨多雾的地区,方位可偏西5度-10度,以便更充分地利用下午的光照,这叫“抢阴”。在冬季并不严寒,且大雾不多的地区,如北京,温室方位可以偏东5度-10度,以充分利用上午的阳光,又避免西北寒风的袭击,上午的光质比午后的好,有利于作物的光合作用,这叫“抢阳”。

二、跨度

指的是温室后墙内侧至采光面底脚间的距离。温室跨度的大小,对于温室采光、保温、作物生长发育和作业都有很大的影响。在温室高度和后屋面高度一定的情况下,温室跨度大其采光面的角度势必减小,因而不利于白天采光增温;同时又增加了散热面积,不利于夜间保温。但跨度小,土地利用率低。因此应兼顾上述几个方面来确定。  当室外设定温度为-12℃时,选择跨度7.0-8.0m;当室外设定温度为-15℃--18℃时,选择跨度6.5-7.5m;当室外设定温度为-18℃时,选择跨度5.5-6.5m。目前一般认为日光温室的跨度以6-8 m为宜,若生产喜温的园艺作物,北纬40-41度以北地区7-8m,40度以南地区8m为宜。

三、脊高

也称温室高度,是指温室屋脊至地面的垂直距离。跨度相同的温室,降低温室的脊高,温室过于低矮,会减小温室的采光屋面的角度、吸热面积和温室空间,不利于采光、增温和作物生育;适当增加脊高,有利于温室采光、增温、作物生育和人工操作;但如若脊过高温室过高,会增加建筑温室的成本,而且还会因散热面积过大而影响保温。因此温室的脊高和温室的跨度应有一个适当的比例,可以根据跨度来确定脊高。

四、温室长度

温室适当长一些,可减少两山墙遮光面积的比例。但如温室过长,影响通风,一般温室长以50-60m为宜。

五、相邻温室的间距

指南北两栋温室的间距,自南栋温室后墙根至北栋温室采光面底脚应不小于当地冬至前后正午时阴影距离。例如在北京地区,南北两排温室间距,应不小于温室屋脊高加卷起草苫高的两倍。

六、采光屋面的角度和形状

采光屋面也称前屋面,其作用是采光和保温。采光屋面的角度即采光与地面的夹角。必须保持采光屋面有一定的角度,使得采光屋面与太阳光线所构成的入射角尽量小。当然入射角等于0度,阳光与采光屋面垂直时最理想,因为这时采光屋面对阳光的反射率等于0,射到采光面上的阳光几乎可以全部透进温室中。但这是做不到的,因为冬季太阳高度角很小,要使采光面与阳光垂直,采光面必须很陡,如在北京采光面与地面的夹角要达到60度以上,这样北墙必须相当高。太阳位置是在时刻移动着的,而且日光温室的采光面一般都是曲面,同一时刻采光面上各点的阳光入射角也是不同的,因此要做到采光面上所有的点在所有时刻与太阳光线垂直显然是不可能的。

农立方从总体优化角度出发,既考虑温室使用季节内太阳位置的变化又考虑采光面的形状,模拟不同采光角度下室内太阳辐射量,充分采光,得出几点结论。由于太阳位置冬季偏低,春季升高,在温室的前沿底脚附近,角度应保持在60-70度左右,中部应保持在30度左右,上部靠近屋脊处10-20度左右。有的地区将半拱圆式日光温室的采光面分成若干个切线角,自前屋面底脚开始每1m一个切线角。前底角(采光屋面前底脚与地面的夹角)50-60度,1m切线角处35-40度,2m处25-30度,3m处20-25度,4m处15-20度,最上部15度左右。

确定采光面的形状时要兼顾到如下几点:(1)采光性;(2)便于雨水流失,下雨时雨水不会滞留在棚膜上形成“兜水”;(3)易被压膜线压紧,有风时不会“兜”风;(4)离前屋面底脚0.5-1.0m处应有一定的空间,便于工作人员操作,有利于作物生长。 笔者曾研究过几种典型的采光面形状与温室透光率的关系。发现在相同的高度、跨度下,圆一抛物面组合式屋面透光率最高,一坡一立式和椭圆型最差,圆面和抛物面的居中。实践表明:这种形状的屋面顶部附近角度较大雨水容易流走,不易“兜水”;腰部拱圆弧度较大,易被压膜线压紧,不易“兜风”;而且前底角附近空间较大,便于操作。兰州大学的观测也表明:圆一抛物面组合式屋面透光率比抛物面和单斜面温室分别高出4.5%和2%。据鞍山市园艺所观测,同是跨度为7m,中脊高为3m的温室,冬季一坡一立式温室透光率为56%,圆弧型的透光率为60%。

七、墙体

墙体(包括后墙和山墙)是日光温室的重要组成部分,它一方面是温室的围护结构,起着避风、挡雨、支撑和承重的作用;另一方面墙体还是一个吸热、蓄热、放热体,起着调节温室内温度的作用,因此墙体建筑的热效应对于改善温室的热环境有积极的作用。墙体建筑包括两个环节。一是墙体的厚度,二是墙体的做法。

墙体的厚度 温室工程专家对墙体厚度与保温性能进行了研究,设计了三种不同厚度的土墙:①土墙厚50cm,外侧覆盖一层塑料薄膜;②土墙厚100cm;③土墙厚150cm,其它条件相同。其结果表明:自11月上旬-2月上旬,②比①室内最低气温高0.6℃-0.7℃;③比②室内最低气温高0.1℃-0.2℃;室内最高气温分别差0.2℃-0.5℃和0.1℃-0.3℃。由此可知,随着墙体厚度的增加,保温能力提高。但并不等于墙体越厚越好。如上述试验中,100cm厚的土墙较50cm厚的保温明显;而150cm厚的土墙较100cm厚的增温幅度不大,也就是实用意义不大。一般来说在江淮平原、华北南部土墙以0.8-1.0m为宜;华北平原北部、辽宁南部1.0-1.5 m为宜,砖墙以50-60cm为宜,有中间隔层的更好。

关于墙体的保温性能,主要应考虑墙体材料的导热性、吸热性和蓄热性,保温性能好的墙体,应是由吸热、蓄热性好,但导热能力差的材料。例如普通石料对太阳辐射的热吸收系数为0.68,红砖为0.7-0.77。砖吸热系数比石料高,导热系数小,蓄热系数略逊于土。土蓄热系数较高,导热系数也小;石墙虽蓄热系数较高,但吸热系数小,导热系数却很大。故砖墙、土墙较好。

可以根据当地设定的最低温度确定墙体必要的热阻值R,由此R值和各种材料的导热系数,即可根据有关公式(略)求出墙体的厚度。

墙体的做法 日光温室的墙体有两种做法,即单质墙体和异质复合墙体两种。单质墙体是由单一的土、砖或石块砌成。异质复合墙体一般内层是砖,中间有干土、炉渣等夹层,外层为砖、石或加气砖。近年来随着科学园区的兴建,各地纷纷建立了一些高档次的日光温室,普遍采用一定厚度的聚苯板做中间夹层。异质复合墙体中间夹层内填充材料一般有干土、煤渣、珍珠岩、干稻草、锯末等。根据笔者的观测凡夹层填充隔热材料的,均比未填任何材料的空心夹层室内最低气温高。由于聚苯板导热系数比煤渣、珍珠岩小的多,其隔热效果应当更好。

在选择夹层隔热材料时,要考虑其隔热性,考虑材料费用,不要用有机物质做隔热材料,有机物质在高温、高湿下易腐烂,不仅起不到隔热作用,反而有损于墙体的坚固性。

一些研究指出墙体外层用加气砖的比用普通砖的保温效果高,室内气温可相应提高0.5℃-0.8℃。

八、后屋面

后屋面连接墙和采光面,也是温室的重要组成部分,起着围护、防雨挡风和保温的作用。后屋面的有无及其厚度影响温室的保温能力。根据宁夏农业科学院的研究,无后屋面的简易日光温室,在室内生一煤炉的加温条件下,室内气温维持在8.6℃-9.7℃之间,最低气温在0℃左右,10-20cm地温为7.8℃-8.6℃;而有后屋面的温室,无煤炉加温,平均气温可达12.3℃-14.4℃,最低气温3.0℃-3.5℃,10-20cm地温为12.3℃-14.4℃。两种温室的差异主要受后屋面的影响。后屋面的做法也有两个环节,一个是后屋面的宽度,另一个是后屋面的做法。

后屋面的宽度 后屋面的宽度由其仰角和水平投影决定。后屋面应保持一定仰角(后屋面与地面夹角),仰角太小势必遮光太多,后屋面的仰角应视使用季节而定,但至少应略大于当地冬至正午时的太阳高度角,以保证冬季阳光能照满后墙,增加后墙的热量,一般应保持在35-45度之间。

后屋面应保持适当的宽度,后屋面太宽,春秋季节室内遮光面积很大,影响后排作物的生育和产量;后屋面太窄,对保温不利。因此要兼顾采光和保温两个方面。后屋面投影即中脊至地面垂线点到后墙根的距离。南方地区后屋面水平投影可短些,北方地区应长些。笔者研究认为: 后屋面宽窄影响温室采光和保温两个方面,后屋面窄一些有利于采光增温,但不利于保温;宽一些有利于保温,但不利于采光增温。笔者曾计算过温室的保温率和增温率与后屋面投影大小的关系,并将保温率和增温率综合成一个热效应指标,结果表明当后屋面投影为温室跨度的0.20-0.25时,温室的热效应最大。据此笔者建议温室后屋面投影应视温室跨度而定,较温暖地区取上述范围的小值,较寒冷地区取大值。

后屋面的做法 要发挥后屋面的热效应,除了要保证后屋面的长度,还要保证后屋面有一定的热阻。选用保温材料如秫秸、稻草、土、煤渣、聚苯板等并保持隔热物疏松、干燥。例如用稻草、玉米秸、麦秸一类材料的,在河南、河北南部、山东等地区,厚度可在30-40cm;东北、华北北部、内蒙寒冷地区,厚度达60-70cm。用其他材料时,其厚度可参考墙体厚度的做法。后屋面也应是多层结构的,由室内向室外应有防水层、承重层、保温层和防水层。

九、前屋面覆盖

前屋面是温室的主要散热面,前屋面覆盖可以阻止散热,达到保温目的。

目前我国日光温室主要采取在前屋面外侧覆盖保温材料的方式。使用的材料有草苫、纸被等。草苫是最传统的覆盖物,它是由苇箔、稻草编织而成的,其导热系数很小,可使夜间温室热消耗减少60%,但目前市场上的草苫质量(厚度和密度)有待提高。质量较好的草苫,覆盖在采光面上之后,室内见不到任何亮光。据测试,一个完全致密的草苫比稀松的草苫,可使室内温度提高1.0℃-2.0℃。在寒冷冬季或地区,常常在草苫下铺垫一层牛皮纸层,称纸被。纸被是由4-6张牛皮纸叠合而成。草苫下加一层纸被,不仅增加了空气间隔层,而且弥补了草苫稀松的缺点,因而提高了保温性。据测试,增加一层由4张牛皮纸叠合而成的纸被,可使室内最低气温提高3.0℃-5.0℃,层数增多保温性能相应提高。纸被保温效果虽好,但投资高,易被雪水,雨水淋湿,寿命短,故不少地方用旧薄膜代替纸被。有的地区用双重草苫,重叠覆盖保温效果好。更有的寒冷地区, 如东北、内蒙,用棉被当覆盖物,可使室温提高7.0℃-8.0℃,高的达10.0℃,山东等地使用编织袋内装碎石棉、纤维棉做覆盖材料,保温效果良好。草苫等传统的覆盖材料保温性能好,但笨重,易污染、损坏薄膜,易浸水、腐烂等。 因而近10年来研制出了一类新型的称为保温被的保温材料,这种材料轻便、洁净、防水而且保温性能不逊于草苫。保温被一般由三层组成,内、外层由塑料膜、无纺布(事先进行防水处理)和镀铝膜等一些保温、防水和防老化材料组成,中间由针刺棉、泡沫塑料、纤维棉、废羊绒等保温材料组成。目前市场上出售的保温被的保温性能一般能达到或超过传统材料的保温水平,但有的保温被的耐用性有待提高。

另一种是室内张挂保温幕,如旧薄膜、寒冷纱等,白天卷起让阳光射入室内,夜间拉上,阻止散热,一般可使室内温度提高2.0℃,在栽培床面上架设小拱棚,也是一种室内覆盖的方式,可使拱棚内气温提高1.0℃-3.0℃。

十、防寒沟

设置防寒沟是防止土壤热量横向流失,提高地温的有效措施,防寒沟一般设在室外,沟的宽度40-50cm,深度40-60cm,沟内填干草、干土或其它隔热物,可使室内5cm地温提高4.0℃。防寒沟要封顶,防止雨水雪水流人沟内。也可在土中埋设聚苯板代替防寒沟。聚苯板的厚度2-3 cm,宽30 cm,沿温室墙脚埋入土中,保温效果很好。

十一、其它

地面覆盖 地面覆盖是提高地温的重要措施,地面覆盖的方法,主要是铺设地膜,喷洒增温剂于土壤表面,在土壤中一定的深度铺一层稻草,麦秸加马粪、鸡粪等酿热物,根据一些研究,铺一层地膜可使地面最低温度提高0.5℃。喷洒增温剂的提高2.0℃-2.4℃,增温剂的增温效在3-20天内增温明显,所以最好每隔30天喷一次。在土中40cm处铺一层10-15cm稻草,可使根层土温提高1.0℃-3.0℃,铺一层10-15cm厚马粪,增温2.0℃-4.0℃。铺马粪和稻草都有一定时效,铺后10天内生效,20天达到高峰,以后增温效应减弱。

通风 日光温室通风的目的是除湿、降温,调节室内二氧化碳浓度,排除室内有害气体。常采取的通风方式是“扒缝”通风。上排通风缝设在屋脊附近,放风时可将其扒开,下排通风道设在靠近腰部,放风时可将其扒开。不放风时,风道关闭,这种通风方法可以根据室内外温湿度状况,调节风道口的大小和放风时间,在严寒时既保温,又达到通风的目的,同时不损坏薄膜,是一种较好的通风方法,但覆膜时工艺要求高。另外还有开通风孔、通风口等方法。

进出口 温室山墙一端应设进出口(门),进出口设在东山墙为宜,以防西北冷风侵袭。要设木门,再挂上门帘(草帘、棉帘)以保温,为了防止人出入温室时冷风灌入室内,应在东山墙(即开门的山墙)东侧设一操作间,操作间的门向南,严寒时节最好也挂门帘。

结构比 温室骨架材料面积与采光面面积之比,要提高温室的透光率就必须降低结构比,在有条件的地方可选择刚度大、尺寸小的建材,减少或取消立柱。

采光覆盖材料(塑料薄膜)的选择 在薄膜的选择上要强调透光性、无滴性和保温性。

建造温室的时间宜在当地雨季结束,到土壤冻结前半个月这段时间内,温室修建过晚,墙体不易干透,影响温室效应,土墙还会因冻融交替而破损。