引言

青海地區(qū)具有高海拔大溫差的特點，東部農(nóng)業(yè)區(qū)平均海拔2550m，西部平均海拔3000m以上。以東部互助縣為例，.冷月夜間.低溫度在-23~-16℃，白晝溫度為-8~6℃，越向西溫差越大。為了使經(jīng)濟作物能夠正常生長，增加農(nóng)民收益，當?shù)赝ǔ酶鞣N溫室來進行種植。然而，由于晝夜溫差大，雖然經(jīng)過白天日照，溫室里會大幅升溫，但一到夜間，溫室里的熱量就會迅速透過墻體散發(fā)到外界，造成溫室內(nèi)失溫，因此在日光溫室內(nèi)仍有很多經(jīng)濟作物無法種植。因為這些地區(qū)目前大多為土墻溫室，也有一部分磚墻，溫室后坡面材料大多采用土木結構和夾芯彩鋼瓦覆蓋，由于建筑行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)禁止使用普通燒結紅磚，目前新建溫室大多采用粉煤灰砌塊磚或蒸壓加氣混凝土砌塊墻體。土墻日光溫室是近幾年高海拔大溫差環(huán)境條件下建造面積.大的冬季蔬菜種植日光溫室類型，該類型日光溫室外表簡易、棚內(nèi)空間大、棚高、升溫快、保溫性能好，其營造的植物生長條件是磚墻日光溫室等無法比擬的。

但是土墻日光溫室也存在以下缺點：①耐用性差，表面容易水蝕、風蝕，防雨水沖刷的能力差，需要保護，使用年限較短；②墻體硬度、強度等性能差異較大，適合在黏土地區(qū)使用，對沙質土壤并不適用；③墻體厚，占地面積大，土地利用率低。磚墻溫室建造成本較高，為了保溫還需要在墻體中間填充保溫材料，在高海拔大溫差地區(qū)，尤其是青海地區(qū)，磚墻溫室墻體厚度在1m以上，粉煤灰砌塊磚墻體存在墻體容易出現(xiàn)裂縫，表層容易脫落的問題，而蒸壓加氣混凝土砌塊墻體絕熱較好，但蓄熱功能較弱。因此，研究和開發(fā)適合高海拔大溫差地區(qū)氣候特征的溫室墻體、后坡面等技術，以實現(xiàn)溫室有效使用面積率≥85%，溫室.低溫度≥8℃是一項很迫切的任務。本文提出將溫室墻體的蓄熱層、隔熱層、保溫防水保護層、后坡面隔熱層、保溫防水高強度保護層等**技術進行集成優(yōu)化組合，徹底解決該地區(qū)推廣應用節(jié)地型溫室的關鍵技術，為科學合理建造適用于高海拔大溫差地區(qū)的新型溫室墻體及后坡面提供技術基礎。
 
墻體框架結構設計原理
溫室效應與土壤的熱轉換器效應
日光溫室的熱能來源于陽光輻射能，白天陽光輻射以短波光的形式，穿過溫室透明覆蓋物進入溫室內(nèi)，絕大部分光照被土壤以及墻壁、立柱、后墻、后屋面和作物吸收，使這些物質的溫度提高，陽光能轉換為熱能，這就是溫室土壤和溫室建材的熱轉換器效應。這些熱能再以長波輻射、傳導、對流等方式傳播出來，被空氣吸收，提高溫室內(nèi)的氣溫。

溫室熱平衡
土壤中的熱量也會向溫室外部的溫度較低的土壤和向下部土壤傳導。溫室內(nèi)的熱空氣可以使前屋面薄膜變熱，而薄膜再以長波輻射以及外表面與室外空氣間對流換熱的形式向外散失熱量。溫室白天既增溫又散熱，而夜間只散熱不增溫。如果溫室獲得的熱量多，散失的熱量少，溫室內(nèi)的溫度升高，反之熱量少，散失的熱量多，溫室內(nèi)的溫度降低，這就是溫室內(nèi)的熱平衡，保溫設計就是要減少熱量的損失。
 
墻體及后坡面結構設計要求
一般日光溫室墻體應具有承重、保溫和蓄熱等主要功能，以及防水、防護等輔助功能，.理想的墻體結構應為蓄熱層、隔熱層和保溫層3部分構成的復合墻體。溫室后坡面應具有隔熱、保溫和承載等主要功能外，還應具有防水、防護等輔助功能。日光溫室墻體蓄熱層的設計就是為了能夠在冬季，墻體白天吸收與蓄積太陽熱能，夜間向室內(nèi)放熱補充熱量。蓄熱層是白天充分接收太陽光能，獲得和儲存大量熱能，夜間不斷向室內(nèi)供熱的儲熱結構；隔熱層和保溫層主要功能一方面防止室內(nèi)熱量通過墻體流向室外，另一方面防止室外冷空氣通過墻體流向室內(nèi)。溫室墻體防水、防護輔助功能可以防止雨雪大風的侵蝕。溫室后坡面不僅具有防止室內(nèi)熱量通過后坡面流向室外，同時阻止室外冷空氣進入室內(nèi)的功能；而且其防水、防護功能可防止雨雪大風侵蝕，并且必須具備一定的承載能力。總之，為了滿足作物生長發(fā)育所要求的環(huán)境條件，應合理設計溫室墻體及后坡面，以便發(fā)揮更好的效果。
 
墻體及后坡面結構設計方案確定
青海地區(qū)冬季日光溫室在不加溫的情況下溫度較低，只能生產(chǎn)葉菜類蔬菜，主要原因之一是溫室墻體及后坡面保溫蓄熱功能差。該研究結合現(xiàn)有溫室墻體及后坡面技術難點（問題）、通過墻體儲熱隔熱技術和噴涂高分子高強度保溫復合材料技術，解決溫室墻體及后坡面的蓄熱性、保溫性、耐久性、防水承載等關鍵技術要求，使溫室墻體在高海拔、大溫差環(huán)境條件下的保溫、蓄熱能力得到明顯提高。該研究的墻體內(nèi)側由吸熱、蓄熱能力較強的材料組成蓄熱層，外側由導熱、散熱能力較差的材料組成保溫層。.外層由防水性較好強度較高的材料組成防護層。
 
方案確定
◆蓄熱復合保溫墻體基礎的確定
墻體四周基礎采用條形基礎，為C15的混凝土澆筑的素砼結構，開槽深度為凍土層以下，基槽、基坑必須開挖至設計深埋標高。前基礎上與骨架相對應位置每間距100cm設置預埋件，用于連接固定支柱。
 
◆墻體蓄熱層材料的確定
日光溫室墻體的蓄熱層主要作用是將白天多余的熱量吸收儲存起來，在夜晚室內(nèi)溫度相對較低時釋放出來，向室內(nèi)補充熱量。蓄熱層材料主要包括傳統(tǒng)的普通磚砌墻體、夯實黏土墻體、土坯墻體、新型的相變蓄熱材料墻體和水體材料墻體等。這些材料的共同特點是具備較大的比熱容以及較優(yōu)良的導熱性。水體材料作為日光溫室墻體蓄熱層的蓄熱性能.佳，黏土次之，紅磚.后。在同種結構下的水體材料對室內(nèi)夜間平均氣溫、.高溫度影響.大，并且穩(wěn)定性好。但目前水體材料方面的研究技術尚不成熟，也有基于水媒的日光溫室主動蓄放熱系統(tǒng)裝置，但單位面積建造成本高，難以推廣應用；應選黏土和紅磚，但紅磚的制造過程對環(huán)境污染嚴重，已被國家嚴格限制使用。因此選黏土成為性價比高的.佳蓄熱材料。
 
◆墻體蓄熱層建造方式的確定
常見的黏土材料墻體有夯實土墻和土坯塊壘砌墻2種形式，夯實土墻體借助模板夯筑而成，又稱土筑墻或板筑墻，俗稱干打壘；一般為等截面，有的地區(qū)也采用上薄下厚的變截面形式，墻體就地取土，把土裝入活動木板內(nèi)，用木夯鐵桿分層夯實，有墻體結構嚴實，隔熱保暖，防寒性能好，冬暖夏涼，施工速度快，成本低等優(yōu)點，但存在土地利用效率低，對耕地土層破壞嚴重等問題。因此選黏土成為蓄熱墻體方式只能是土坯塊壘砌墻體。土坯墻是用土坯塊壘砌而成，土坯塊有干、濕兩種制作方法，都經(jīng)煉泥（篩選、加水拌合）、壓實（干法為打夯）、脫模、晾干等工序，也可摻入麥草段以增加強度，土坯塊可平砌或側砌，用黏土漿粘結，其導熱系數(shù)與夯實黏土墻相差不大。因此，選土坯塊壘砌墻為黏土蓄熱材料層建造方式。
 
◆墻體蓄熱層厚度的確定
從墻體、地面、室內(nèi)空氣的溫度來看，溫室墻體在日光溫室溫度環(huán)境中發(fā)揮著重要作用，無論白天夜間，日光溫室內(nèi)南北方向氣溫差異比垂直方向氣溫差異大。日光溫室后墻在傳熱過程中，由內(nèi)向外隨墻體厚度的增大，向室內(nèi)方向的傳入熱量逐漸減少。在后墻垂直方向內(nèi)表層20cm處，墻體中下部溫度.高，頂部和基部溫度較低。根據(jù)溫差法，土墻蓄熱層的厚度約為30cm。土墻內(nèi)部溫度波幅隨土墻厚度增加而減小，根據(jù)溫波確定土墻的蓄熱層厚度為40cm。由此可見，土墻的蓄熱層.佳厚度為30~40cm，因此，選土坯塊壘砌墻作為蓄熱材料層的厚度為40cm；為了增強粘接強度可以在溫室里面的土墻墻體抹一層草泥墻面，草泥墻面的厚度為10~20mm。
 
◆墻體隔熱層材料的確定
聚苯泡沫板作為輕質保溫材料被逐漸應用于日光溫室生產(chǎn)，該材料可放置于墻體中間或貼附在墻體外表面來提高墻體保溫性能。很多學者將聚苯板用于復合墻體中，取得了較好的保溫效果。聚苯板導熱系數(shù)不大于0.041W/(m·K)，表觀密度為18~22kg/m3，垂直于板面方向的抗拉強度不小于0.1MPa，尺寸穩(wěn)定性不大于0.30%。因具有優(yōu)良的物理性能和廉價的成本，特別是其導熱系數(shù)很低，作為性價比高的阻熱材料被廣泛應用于日光溫室墻體中。綜上所述，新型復合蓄熱溫室保溫墻體中的隔熱層選聚苯泡沫板材料。
 
◆墻體隔熱層厚度的確定
聚苯板在日光溫室墻體中應用較為普遍，在墻體主體結構確定的條件下，溫室墻體的阻熱效果取決于保溫層苯板的厚度，此項指標必須滿足溫室墻體保溫隔熱效果的前提下，又要盡可能滿足經(jīng)濟性能要求，物美價廉。管勇等研究認為，發(fā)泡聚苯乙烯作為墻體保溫.佳厚度約為7cm。因此，選聚苯泡沫板作為隔熱材料層的厚度為10cm。
 
◆墻體保溫防護層的確定
噴涂的保溫層是由粉煤灰、鋸末、氯化鎂、聚乙烯醇和無機膠凝劑等材料按一定配合比例混合配好的混合劑。它是一種高強度的保溫材料,導熱系數(shù)在25℃時為0.2082W/(m·K)，噴在聚苯板表面上無須任何膠粘劑和錨固件，是一種理想的膠粘材料，強度上保溫材料抗壓強度7.5MPa，符合JG/T169-2005《建筑隔墻用輕質條板》≥3.5MPa的要求。
 
◆新型復合蓄熱溫室保溫墻體結構的確定
新型復合蓄熱溫室保溫墻體，其內(nèi)墻為10~20mm厚的草泥抹面+400mm厚土坯塊壘砌墻（蓄熱層）+100mm厚聚苯板（隔熱保溫層）+玻璃絲布（防護加強層）+15mm厚自噴高強度保溫材料（保溫防水防護層）。
 
◆溫室后坡面保溫、隔熱材料的選材方案
XPS擠塑板（擠塑聚苯乙烯）是中國近年普遍推廣應用的新型建筑材料，這種利用廢舊塑料變廢為寶的新型環(huán)保材料，因其卓越的高強度、抗壓性、優(yōu)良的保溫隔熱性、質地輕、使用方便、**的憎水、防潮性和環(huán)保性能、以及穩(wěn)定性、防腐性好，成為建筑行業(yè)普遍推廣的新型建材，廣泛用于墻體和樓面保溫。日光溫室一整天中絕大多數(shù)時間，溫室后屋面均處于從室內(nèi)吸熱、向室外放熱的過程中，因此保溫非常重要。在圍護結構保溫材料中，將導熱系數(shù)低于0.05W/(m·K)的材料稱為高效保溫材料，這類材料一般應用在日光溫室后屋面起保溫隔熱作用，過去聚苯板采用較多。與墻體和前屋面材料不同，后屋面材料要求具備質輕、保溫、抗壓、防水等特點，后屋面材料中除聚苯板外，擠塑板(因其完整的閉孔結構而具有優(yōu)異的保溫隔熱性、抗?jié)裥约翱箟耗芰?和玻璃棉(具有較高熱阻及造價低的優(yōu)勢)也是較為理想的后屋面材料。擠塑板具有良好的熱工及保溫性能,較適合用于日光溫室后屋面保溫層，有替代聚苯板的潛力。
 
◆溫室后坡面保溫、隔熱材料厚度的選擇方案
目前，很多在建樓房都是用擠塑板保溫、隔熱，這種厚度為2~10cm的擠塑板，一般是在建筑物外墻表面用特制粘結膠粘結到基層上，外側用阻燃玻璃纖維網(wǎng)及水泥粘結膠漿保護層“天衣無縫”地裹上一層，形成外墻保溫體系。也就是說，從頭到尾都穿了一層輕型“保溫棉被”。參照建筑樓房用擠塑板保溫、隔熱厚度為2~10cm的標準，溫室后坡面擠塑板厚度10cm。
 
為了實現(xiàn)溫室后坡面防水、高強度防護作用，在擠塑板內(nèi)外板表面首先鋪一層阻燃玻璃纖維網(wǎng)，然后在其上面噴涂厚15mm高強度的保溫材料（與后墻同）。


溫室的特點
光能利用率高  棚內(nèi)支柱的去除，使光照條件好，棚內(nèi)氣候溫潤，增溫快，保溫性能強，可再次提高地溫1~4℃，便于操作管理和利于作物生長發(fā)育。
 
空間利用率高  其新型復合蓄熱溫室保溫墻體=內(nèi)墻為10~20mm厚的草泥抹+400mm厚土坯塊壘砌墻（蓄熱層）+100mm厚聚苯板（隔熱保溫層）+玻璃絲布（加強層）+15mm厚自噴高強度保溫材料（保溫防水防護層）。墻體設計合理，后墻、山墻占地面積減少，高度適中，土地和空間的利用率高。
 
保溫性能良好  框架結構溫室具有良好的保溫性。經(jīng)測定，節(jié)地型溫室.低溫度略低于土夯墻體溫室，平均溫度與土夯墻體溫室相差不大。而且，本溫室在后屋面、墻體等方面還具有很大的優(yōu)化改進空間，具備進一步提升保溫性能的潛力。
 
建造區(qū)域拓寬  土夯墻體深冬溫室破壞了耕作層，而框架結構溫室在耕作層上直接建造，保持原有的土壤肥力，從應用技術上解決了土壤培肥問題，有利于蔬菜作物生長。
 
結論
高海拔大溫差環(huán)境下新型溫室蓄熱保溫復合墻體及后坡面框架結構溫室，具有良好的保溫性，將目前多種..學者關于溫室墻體的研究成果，結合自噴墻體高強度保溫材料建造技術，經(jīng)集成優(yōu)化設計后，展示的保溫墻體及后坡面技術有如下優(yōu)勢：耕作層上直接建造地基，不要求土層厚度，在土層薄的地方也能建造，從建造技術上解決了土層薄的地方不能修建溫室的瓶頸，利于溫室建造地塊選擇，拓寬了建造區(qū)域范圍。保溫性能良好，在后屋面、墻體等方面進行了有很大的優(yōu)化改進，具備了進一步提升保溫性能的潛力。墻體設計合理，后墻、山墻占地面積減少，高度適中，土地和空間的利用率高。利用了自噴高強度保溫材料，噴涂在墻體和后坡面上，將保溫、防水、承載多能集與一體，性價比高。

作者：張海云1，劉生虎1,2,3，吳海峰1，武輝1，劉成奎2,3
（1.青海省機械科學研究所有限責任公司，
2.青海省建筑建材科學研究院有限責任公司，
3.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室）