何 芬，盛寶永（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計與智能建造重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100125）

蒙古國地處亞洲中部，國土區(qū)域位于北緯41 °35 ′～52 °09 ′、東 經(jīng)88 °44 ′～119° 56′。東、南、西三邊同中國接壤，北面與俄羅斯的西伯利亞為鄰。農(nóng)牧業(yè)是蒙古國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，也是加工業(yè)和生活必需品的主要原料來源[1]。但蒙古國農(nóng)牧業(yè)發(fā)展水平低，生產(chǎn)技術(shù)落后，仍以粗放型農(nóng)牧業(yè)為主。蒙古國種植的主要農(nóng)作物分兩類，一種是糧食作物類，主要是小麥種植較普遍，產(chǎn)糧區(qū)分布在中央省、色楞格省、布爾干省等烏蘭巴托以北地區(qū)，還有少量油菜種植。另一種是蔬菜類，品種較多，以土豆為主，還有白菜、蘿卜、蔓菁、黃瓜、西紅柿、芹菜以及少量的西瓜等。蒙古國的糧食和蔬菜均依賴進(jìn)口，小麥、土豆生產(chǎn)基本可滿足國內(nèi)需求，但蔬菜生產(chǎn)只可滿足國內(nèi)需求的60% 左右。主要原因是蒙古國山地沙漠和戈壁多，適合種植蔬菜水果的地方少，且蒙古國降雨少、干旱，蒙古國人生活習(xí)慣多為游牧民族習(xí)性且種植水平低、經(jīng)驗欠缺。為此亟需通過發(fā)展設(shè)施園藝創(chuàng)造適于作物種植的環(huán)境，改變靠天吃菜的現(xiàn)狀。

蒙古國氣候條件

蒙古國氣候為典型的溫帶大陸性氣候，終年干燥少雨，夏季炎熱，冬季酷寒，冬季最低氣溫可至-40 ℃，夏季最高氣溫可達(dá)38 ℃，晝夜溫差大，無霜期短。年平均日照時數(shù)為2600～3300 h，是全世界日照時間最長的國家之一，日照時數(shù)自北向南遞增。年平均降水量為230 mm，全年降水量大部分集中在暖季4～10月份，占全年降水量的85%～90%，僅7～8 月份降水量占全年降水量的50%～60%。冬季降水量占全年降水量的10%～15%。總體來說，蒙古國太陽輻射強(qiáng)烈、干旱缺水，適于發(fā)展溫室生產(chǎn)，但冬季最低氣溫過低，也給溫室越冬生產(chǎn)帶來一定的困難和挑戰(zhàn)。

蒙古國溫室概況

蒙古國擁有夏季生產(chǎn)溫室和越冬用生產(chǎn)溫室，在一定程度上滿足國內(nèi)的蔬菜供應(yīng)需求，這些溫室每年向蒙古國內(nèi)市場供應(yīng)5800 t 蔬菜，2019 年蒙古國共進(jìn)口了1.55 萬t 蔬菜[2]。2020年因為新冠疫情，暫停了從中國入境的貨運(yùn)業(yè)務(wù)，蒙古國內(nèi)發(fā)生蔬菜短缺問題。如果想由蒙古國內(nèi)自行滿足100% 的蔬菜供應(yīng)需求，需再增加50 hm2的越冬用生產(chǎn)溫室，夏季生產(chǎn)用溫室的面積同樣也要大幅增加，而且必須要大力扶持溫室企業(yè)。目前蒙古國內(nèi)由溫室種植的蔬菜，只滿足了國內(nèi)蔬菜供應(yīng)需求的25%。2020 年，蒙古國政府為提高種植業(yè)發(fā)展和國內(nèi)蔬菜供應(yīng)能力，向經(jīng)營種植業(yè)企業(yè)和個人發(fā)放年息3% 的1500億圖格里克貸款（約合3.8 億元人民幣），免費(fèi)分發(fā)700 hm2面積種植種子，擴(kuò)建20 hm2面積冬季蔬菜大棚并提供相應(yīng)的技術(shù)支持，改善現(xiàn)有蔬菜儲藏地窖條件，擬將蔬菜進(jìn)口稅提高至30%等。計劃將2020 年國內(nèi)種植業(yè)提高40%，蔬菜進(jìn)口下降60%～70%[3]。

蒙古國溫室類型以日光溫室和塑料大棚為主，種植作物有果菜、葉菜、草莓等。蒙古國溫室建造設(shè)計多依靠國外技術(shù)，設(shè)計建造水平較低，缺乏設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，溫室類型多樣。圖1 為三折式單坡屋面溫室，溫室骨架為鋼骨架，屋面覆蓋材料為塑料薄膜，墻體結(jié)構(gòu)為異質(zhì)復(fù)合墻體，兩邊為加氣混凝土砌塊，中間芯材為模塑聚苯板。圖2 為鋼管骨架塑料大棚，結(jié)構(gòu)與中國的差異不大，主要用于葉菜生產(chǎn)。目前蒙古國溫室越冬生產(chǎn)主要依靠配套內(nèi)保溫幕及熱風(fēng)爐等采暖加溫設(shè)施，當(dāng)室外在-40℃的寒冷條件下，室內(nèi)部溫度可保持在15℃以上，保證蔬菜的正常生產(chǎn)。

圖1 三折式單坡屋面日光溫室

圖2 塑料大棚

蒙古國日光溫室設(shè)計

溫室設(shè)計以蒙古烏蘭巴托地區(qū)為例，通過對當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境進(jìn)行分析，基于經(jīng)濟(jì)條件、能源消耗等情況，選擇日光溫室作為該地區(qū)蔬菜生產(chǎn)的主要設(shè)施。烏蘭巴托的緯度（北緯47.92°）與中國黑龍江省的齊齊哈爾（北緯47.38°）、海倫（北緯47.43°）、伊春（北緯47.72°）、富錦（北緯47.23°）等地接近，在日光溫室的建設(shè)上可進(jìn)行一定的借鑒。

主體尺寸確定

日光溫室長度宜60～120 m，跨度6～12 m?？紤]烏蘭巴托地區(qū)緯度≥45°，日光溫室跨度設(shè)計為6～9 m。依據(jù)NY/T3223-2018《日光溫室設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)日光溫室跨度L0 為6～9 m 時，計算出日光溫室的建筑參數(shù)，如表1 所示。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

日光溫室墻體采用異質(zhì)復(fù)合墻體或單一材質(zhì)土墻。烏蘭巴托與伊春緯度最接近，在進(jìn)行墻體設(shè)計時，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計室外計算溫度取值借鑒伊春地區(qū)，取值-34℃，采暖室外計算溫度-27.2℃。插值法計算出烏蘭巴托地區(qū)異質(zhì)復(fù)合墻體低限熱阻為6.5（m2·℃）/W、單一材質(zhì)土墻低限熱阻2.9（m2·℃）/W。墻體熱阻計算如公式（1）：

式中：

R——復(fù)合墻體總熱阻，（m2·℃）/W；

ho——墻體外表面空氣對流換熱系數(shù)，ho=23W/（m2·℃）；

δj——墻體第j層厚度，m；

λj——墻體第j層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）；

hj——墻體內(nèi)表面空氣對流換熱系數(shù)，hj=8.7W/（m2·℃）。

根據(jù)低限熱阻可選擇墻體結(jié)構(gòu)及材料，當(dāng)墻體為單一夯實(shí)黏土?xí)r，則墻體厚度為2.6～3.2 m；當(dāng)墻體為礫石時，則墻體厚度為5.6 m。

日光溫室后屋面應(yīng)由承重層、保溫層和防水層組成，其中保溫層低限熱阻應(yīng)滿足公式（2）。

式中：

Rb——后屋面保溫層低限熱阻，m2·℃/W；

Ti——日光溫室保溫設(shè)計室內(nèi)計算溫度，可按種植作物的生育低限溫度確定；喜溫果菜取值12℃，葉菜取值5℃。

To——日光溫室保溫設(shè)計室外計算溫度，取值-34℃。

α i——圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面換熱系數(shù)，取值8.7 W/（m2·℃）；

αo——圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面換熱系數(shù)，取值23 W/（m2·℃）。

計算出生產(chǎn)果菜的保溫層低限熱阻3.49（m2·℃）/W，生產(chǎn)葉菜的保溫層低限熱阻3.36（m2·℃）/W。

溫室環(huán)境性能模擬

確定好日光溫室總體參數(shù)及墻體組成后，采用中國農(nóng)業(yè)大學(xué)馬承偉研究團(tuán)隊[4]開發(fā)的熱環(huán)境模擬軟件對不同日光溫室設(shè)計方案進(jìn)行性能模擬及評價。在軟件中地理氣象參數(shù)直接選擇伊春地區(qū)，如圖3 所示。溫室一般性數(shù)據(jù)輸入設(shè)置中，設(shè)置溫室方位偏西5°，前屋面為薄膜覆蓋，草簾或保溫被的傳熱系數(shù)為0.5 W/（m2·℃），具體如圖4 所示。

圖3 地理位置與氣象條件參數(shù)設(shè)置

圖4 一般性數(shù)據(jù)輸入設(shè)置

設(shè)置溫室長度80 m，跨度選擇6、7、8、9 m，墻體截面為矩形，材料為夯實(shí)黏土，厚度為3.2 m時，溫室下沉0.5 m，模擬結(jié)果如表2 所示。

表2 矩形墻體模擬結(jié)果

設(shè)置溫室長度80 m，跨度選擇6、7、8、9 m，墻體截面為梯形，材料為夯實(shí)黏土，上部厚度為1.5 m，下部為4.9 m 時，溫室下沉0.5 m，模擬結(jié)果如表3 所示。

表3 梯形墻體模擬結(jié)果

通過模擬結(jié)果可以看出，表2 和表3 中的各類指標(biāo)值均隨著溫室跨度的增大而增大，梯形截面墻體的溫室性能較矩形截面溫室更好。當(dāng)跨度為9 m、墻體為梯形截面時，溫室整體性能最好，此時室內(nèi)夜間日最低氣溫最低值為-5.49℃，夜間平均氣溫僅為-0.31℃。從結(jié)果可以看出，在無加溫的條件下，無論采用哪種設(shè)計方案，在蒙古國要想實(shí)現(xiàn)日光溫室越冬生產(chǎn)，僅依靠溫室本身圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土壤的蓄熱保溫作用無法達(dá)到正常生產(chǎn)蔬菜的目的，必須通過輔助加溫等技術(shù)手段提升室內(nèi)溫度環(huán)境。

發(fā)展建議

基于蒙古國氣候、經(jīng)濟(jì)、資源等條件，研究提出了日光溫室是適于蒙古國進(jìn)行設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的主要設(shè)施類型。通過借鑒中國日光溫室設(shè)計及建設(shè)經(jīng)驗，給出了適于蒙古國烏蘭巴托地區(qū)的日光溫室建筑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，并采用溫室環(huán)境性能模擬軟件對不同設(shè)計方案進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明在該地區(qū)僅依靠日光溫室本身結(jié)構(gòu)的保溫蓄熱性無法進(jìn)行越冬生產(chǎn)，提出提升室內(nèi)溫度環(huán)境的建議。

提高溫室保溫覆蓋能力

日光溫室熱量散失主要包括通過覆蓋材料的透射傳熱、通過縫隙的換氣傳熱和地中傳熱，分別占比為70%～80%、10%～20% 和10%?？梢姳仨氁岣邷厥仪拔菝娴谋馗采w能力?？梢圆捎脗鳠嵯禂?shù)小、保溫性能好的保溫被，或者采用多層覆蓋，雙層薄膜較單層室內(nèi)可提高3～5℃，三層可提高5～6℃。也可借鑒內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)崔世茂教授團(tuán)隊[5]開發(fā)的雙膜雙被結(jié)構(gòu)，一方面通過雙層保溫材料的雙重?zé)嶙杼岣邷厥冶匦阅?，另一方面通過雙層保溫材料之間的空氣間層絕熱進(jìn)一步增大溫室屋面的熱阻。

配套被動儲熱和主動加溫設(shè)備

因蒙古國冬季最低溫度達(dá)到-40℃，白天太陽輻射強(qiáng)，除了依靠溫室墻體、土壤的蓄熱，還需要盡可能提升對白天太陽能的利用。早期主要利用水等媒介吸收的太陽能量，構(gòu)建地中熱交換系統(tǒng)對室內(nèi)土壤進(jìn)行加熱，但因其工程量較大，蓄、放熱效果有限，沒有獲得大量應(yīng)用[6]。較多研究者通過內(nèi)部或外部集熱裝置將太陽熱能收集、貯存于水體中，夜間使之釋放到溫室內(nèi)，提高室內(nèi)的氣溫，或?qū)崴ㄈ胧覂?nèi)地下，提高室內(nèi)地溫[7-10]；同時，相變潛熱貯熱的方法也被應(yīng)用于日光溫室中，與水體貯熱相比，這種方法能夠大大降低貯熱設(shè)施的體積[11-12]。加溫設(shè)備方面，可以采用熱風(fēng)爐、熱風(fēng)機(jī)等加溫設(shè)備直接進(jìn)行加溫，升溫效果顯著。