李建明，孫國濤，李浩杰，李 睿，胡藝馨

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)是貫徹落實重要指示精神和中央決策部署的政治要求和必然選擇。2020年我國設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積280萬hm，產(chǎn)值超過1萬億元。通過新能源、新材料和新的溫室設(shè)計提高溫室采光與保溫性能是提升溫室生產(chǎn)能力的重要途徑。傳統(tǒng)溫室生產(chǎn)存在諸多弊端，如傳統(tǒng)溫室采用煤炭、燃油等能源進行加溫供熱，產(chǎn)生大量二氧化氣體，嚴重污染環(huán)境，而天然氣、電能等能源又使溫室運營成本提高；傳統(tǒng)溫室墻體蓄熱材料多采用黏土、磚塊等，消耗大且對土地資源造成嚴重破壞；傳統(tǒng)的土墻日光溫室土地利用效率僅為40%～50%，普通大棚蓄熱保溫能力差，在北方地區(qū)不能越冬生產(chǎn)喜溫類蔬菜。因此，推進溫室變革的核心，或者說基礎(chǔ)研究在于溫室設(shè)計、新材料和新能源研究開發(fā)。本文將圍繞溫室新能源的研究創(chuàng)新，對溫室太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等新能源和溫室新型透明覆蓋材料、保溫材料、墻體材料研究現(xiàn)狀進行概述，分析新能源、新材料在新型大棚溫室建造中的應(yīng)用，展望其對未來溫室發(fā)展變革中的作用。

溫室新能源的研究創(chuàng)新

設(shè)施農(nóng)業(yè)利用潛力最大的綠色新能源有太陽能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能，或者是多種新能源的綜合利用，通過取長補短，實現(xiàn)能源高效使用。

太陽能

太陽能利用技術(shù)是一種低碳、高效和可持續(xù)的能源供給方式，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成，未來將成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的必然選擇。從能源利用角度來說，溫室本身就是一個太陽能利用的設(shè)施結(jié)構(gòu)，通過溫室效應(yīng)，將太陽能集聚到室內(nèi)，提高溫室的溫度，提供作物生長所需要的熱量，且溫室植物光合作用最主要的能量來源是陽光直射，這是對太陽能的直接利用。

太陽能光伏發(fā)電是基于光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池，通過若干個太陽能電池板的串聯(lián)或并聯(lián)，實現(xiàn)太陽能照射在電池板陣列上時，半導(dǎo)體組件直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)化成為電能。太陽能光伏技術(shù)可以直接將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過蓄電池蓄電，夜間進行溫室加溫，但其成本高昂，制約了其進一步發(fā)展。筆者課題組開發(fā)了一種光伏石墨烯加熱裝置，由柔性光伏板、逆控一體機、蓄電池、石墨烯加熱棒組成，根據(jù)種植行的長度埋設(shè)石墨烯加熱棒于基質(zhì)袋下，白天光伏板吸收太陽輻射發(fā)電儲存于蓄電池中，夜間再將電量釋放出來用于石墨烯加熱棒，實測中采取17 ℃啟動、19 ℃關(guān)閉的溫控模式，夜間（20：00—第2天08：00）共運行8 h，加熱單行植株能耗1.24 kW·h，夜間基質(zhì)袋平均溫度19.2 ℃，高出對照3.5～5.3 ℃。這種結(jié)合光伏發(fā)電的加熱方式解決了溫室冬季加熱高能耗、高污染的問題。

太陽能光熱轉(zhuǎn)化是指通過使用光熱轉(zhuǎn)換材料所特制的太陽光采集面，將輻射到其上面的太陽能量盡可能多地采集吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，相對于太陽能光伏應(yīng)用而言，太陽能光熱應(yīng)用增加了對近紅外波段的吸收，因此其對太陽光的能量利用效率更高、成本更低且技術(shù)較為成熟，是太陽能利用形式中使用最廣泛的方式。

我國光熱轉(zhuǎn)換利用技術(shù)中最為成熟的是太陽能集熱器，太陽能集熱器的核心部件是帶有選擇性吸收涂層的吸熱板芯，吸熱板芯可以將透過蓋板的太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能后傳遞給吸熱工質(zhì)。太陽能集熱器根據(jù)集熱器內(nèi)是否有真空空間可以分為平板式太陽能集熱器和真空管式太陽能集熱器2大類，根據(jù)采光口的太陽輻射是否改變方向分為聚光式及非聚光式太陽能集熱器，根據(jù)傳熱工質(zhì)類型分為液體集熱器和空氣集熱器。

溫室太陽能利用主要通過各類型太陽能集熱器形式開展。摩洛哥伊本·佐爾大學(xué)開發(fā)了1套用于溫室增溫的主動式太陽能供暖系統(tǒng)（ASHS），可增加冬季番茄總產(chǎn)量 55%。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計開發(fā)了1套表冷器——風(fēng)機集放系統(tǒng)，集熱量達到了390.6～693.0 MJ，并提出了通過熱泵將集熱過程與儲熱過程分離的思路。意大利巴里大學(xué)開發(fā)了1種溫室多聯(lián)產(chǎn)加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能系統(tǒng)和空氣—水熱泵組成，可使氣溫增幅3.6%，土壤溫度增幅92%。筆者課題組研發(fā)了一種為應(yīng)用于日光溫室的可變傾角主動式太陽能集熱設(shè)備及配套的跨天時溫室水體蓄熱裝置?？勺儍A角主動式太陽能集熱技術(shù)突破了傳統(tǒng)溫室集熱設(shè)備存在的集熱能力有限、遮陰和占用耕地面積等局限性，利用日光溫室的特殊溫室結(jié)構(gòu)，對溫室的非種植空間加以充分利用，大大提高了溫室空間利用效率，在典型晴天的工況條件下，可變傾角主動式太陽能集熱系統(tǒng)集熱量速率達1.9 MJ/（m·h），能量利用效率達85.1%，節(jié)能率為77.9%～84.0%。溫室水體蓄熱技術(shù)通過設(shè)置多相變儲熱結(jié)構(gòu)，增加蓄熱裝置儲熱能力，實現(xiàn)裝置的緩釋放熱，以實現(xiàn)溫室太陽能集熱設(shè)備所收集熱量的高效使用。

生物質(zhì)能源

生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱裝置與溫室大棚相集合建造新型設(shè)施結(jié)構(gòu)，將豬糞、菇渣、秸稈等生物質(zhì)原料堆肥釀熱，產(chǎn)生熱能直接供給溫室大棚。相較于無生物質(zhì)發(fā)酵釀熱槽的大棚，在冬季正常氣候下，釀熱溫室能夠有效提高溫室內(nèi)地溫，維持土壤栽培作物根系的適宜溫度。以17 m跨度、30 m長的單層非對稱保溫大棚為例，在室內(nèi)發(fā)酵槽中添加8 m的農(nóng)業(yè)廢棄物（番茄秸稈和豬糞混合），采用不翻堆的方式進行自然發(fā)酵，可使冬季大棚的日平均氣溫提高4.2 ℃，日最低氣溫平均達到4.6 ℃。

生物質(zhì)可控式發(fā)酵能源利用是一種利用器械設(shè)備控制發(fā)酵進程以實現(xiàn)快速獲取并高效利用生物質(zhì)熱能與CO氣肥的發(fā)酵方式，其中，通風(fēng)和水分是調(diào)控生物質(zhì)發(fā)酵釀熱產(chǎn)氣的關(guān)鍵因素。在通風(fēng)條件下，發(fā)酵堆體中的好氧微生物利用氧氣進行生命活動，產(chǎn)生的能量一部分用于自身生命活動，一部分則成為熱能釋放于環(huán)境中，有利于環(huán)境溫度升高。而水分參與整個發(fā)酵進程，為微生物活動提供必要的可溶性養(yǎng)分，同時通過水分將堆體熱量以水蒸氣的形式進行釋放，以此降低堆體溫度，延長微生物壽命，增加堆體積溫。在發(fā)酵池內(nèi)裝配秸稈淋洗裝置，在冬季可提高室內(nèi)氣溫3～5 ℃，加強植株光合作用，使番茄產(chǎn)量增加29.6%。

地?zé)崮?/h3>

我國地?zé)豳Y源豐富，目前農(nóng)業(yè)設(shè)施對地?zé)崮芾米钇毡榈姆绞绞鞘褂玫卦礋岜?，通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現(xiàn)由低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移。與傳統(tǒng)溫室加溫措施不同，地源熱泵加溫在實現(xiàn)加溫效果顯著的同時兼具為溫室降溫的能力，同時可降低溫室內(nèi)濕度。地源熱泵在房屋建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究本對成熟，影響地源熱泵制熱、制冷能力最核心的部分為地下?lián)Q熱模塊，類型主要有地埋管、地下水井等，怎樣設(shè)計一個造價和效果相平衡的地下?lián)Q熱系統(tǒng)，一直是該部分的研究重點。同時地源熱泵在應(yīng)用中對地下土層溫度的改變也影響著熱泵系統(tǒng)的使用效果。夏季利用地源熱泵為溫室進行降溫，將熱能儲存在土壤深層，可以緩解地下土層的溫度下降，提高冬季地源熱泵產(chǎn)熱效率。

在目前對地源熱泵性能和效率的研究中，通過實際試驗數(shù)據(jù)以及TOUGH2、TRNSYS等軟件建立數(shù)值模型，得出地源熱泵的制熱性能和制冷性能系數(shù)（COP）能夠達到3.0～4.5，具有良好的制冷制熱效果。且對于熱泵系統(tǒng)運行策略的研究中，傅允準等發(fā)現(xiàn)，相比于負荷側(cè)流量，地源側(cè)流量對機組性能和地埋管換熱性能的影響較大；在流量設(shè)定的條件下，采用開機運行2 h停機2 h運行方案機組的最大COP值可達到4.17；石惠嫻等采取了一種水蓄能型降溫系統(tǒng)的間歇運行摸式，在夏季高溫時節(jié)，整個供能系統(tǒng)COP能達到3.80。

溫室土壤深層蓄熱技術(shù)

溫室土壤深層蓄熱也稱溫室“蓄熱銀行”。冬季冷害和夏季高溫是溫室生產(chǎn)的主要障礙。筆者課題組利用深層土壤蓄熱能力強的特點，研究設(shè)計了一種溫室地下深層蓄熱裝置。該裝置為在溫室地下 1.5～2.5 m深度處埋入雙層并聯(lián)式傳熱管道，在溫室頂部設(shè)置進氣口，在地面設(shè)置出氣口。在溫室溫度高時，利用風(fēng)機強制將室內(nèi)空氣抽入地下，實現(xiàn)蓄熱降溫。在溫室溫度低時，從土壤中抽出熱量，為溫室增溫。生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果證明，該裝置冬季夜間可以提高溫室溫度2.3 ℃，夏季白天可降低室內(nèi)溫度2.6 ℃，番茄種植可667 m增加產(chǎn)量1 500 kg。該裝置充分利用地下深層土壤“冬暖夏涼”“溫度恒定”的特點，為溫室提供了“能量存取銀行”，持續(xù)完成溫室降溫和加溫輔助功能。

多種能源配合

采用兩種或者多種能源類型配合為溫室加溫，可以有效彌補單一能源類型使用的弊端，發(fā)揮出“一加一大于二”的疊加效果。地?zé)崮芘c太陽能的互補配合，是近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中新能源利用的研究熱點。Emmi等研究了一種多源能源系統(tǒng)（圖1），該系統(tǒng)配備了光伏熱混合太陽能集熱器，與普通的空氣—水熱泵系統(tǒng)相比，多能源系統(tǒng)的能源效率提高了16%～25%。Zheng等研制了一種新型的太陽能與地源熱泵耦合蓄熱系統(tǒng)。太陽能集熱器系統(tǒng)可以實現(xiàn)高質(zhì)量的供暖季節(jié)性儲存，即冬季高質(zhì)量供暖，夏季高質(zhì)量制冷，埋管式換熱器和間歇式蓄熱罐在該系統(tǒng)中均能較好地運行，系統(tǒng)的COP值可達6.96。

圖1 多源能源熱泵系統(tǒng)

電能與太陽能相結(jié)合，旨在減少市電消耗的前提下，增強溫室太陽能供電的穩(wěn)定性。萬婭等提出了一種聯(lián)合太陽能發(fā)電與市電結(jié)合為溫室供暖的新智能控制技術(shù)方案，可以做到有光時利用光伏電，無光時轉(zhuǎn)為市電供能，大大降低了負載缺電率，且不使用蓄電池，降低了經(jīng)濟成本。

太陽能、生物質(zhì)能與電能為溫室聯(lián)合供暖，也能夠取得較高的供暖效率。張良銳等將太陽能真空管集熱與谷電蓄熱水箱相結(jié)合，該溫室供暖系統(tǒng)具有良好的熱舒適性，系統(tǒng)平均供熱效率為68.70%。谷電蓄熱水箱部分是增加了電加溫的生物質(zhì)加溫蓄水裝置，設(shè)定供暖端進水最低溫度，根據(jù)太陽能集熱部分和生物質(zhì)蓄熱部分的蓄水溫度來確定系統(tǒng)的運行策略，以達到供暖末端供暖溫度穩(wěn)定，最大限度節(jié)約電能與生物質(zhì)能源物料。

溫室新材料的創(chuàng)新研究與應(yīng)用

隨著溫室面積的擴大，磚塊、土壤等傳統(tǒng)溫室材料的應(yīng)用弊端日益顯露；因此，為進一步提高溫室熱性能，滿足現(xiàn)代化溫室的發(fā)展需要，現(xiàn)在出現(xiàn)了許多針對新型透明覆蓋材料、保溫材料、墻體材料的研究與應(yīng)用。

新型透明覆蓋材料的研究與應(yīng)用

溫室透明覆蓋材料類型主要包括塑料薄膜、玻璃、陽光板及光伏板，其中塑料薄膜應(yīng)用面積最大。傳統(tǒng)的溫室PE薄膜存在使用壽命短、不可降解、功能單一的缺陷。目前在利用添加功能性試劑或涂層的方法，開發(fā)出多種新型功能性薄膜。

轉(zhuǎn)光膜：轉(zhuǎn)光膜是利用稀土、納米材料等轉(zhuǎn)光劑，改變了薄膜的光學(xué)性質(zhì)，可以將紫外光區(qū)轉(zhuǎn)為植物光合作用所需要的紅橙光和藍紫光，實現(xiàn)作物增產(chǎn)的同時，也可降低紫外線對塑棚溫室內(nèi)作物及棚膜的損害。如添加VTR-660轉(zhuǎn)光劑的寬譜帶紫轉(zhuǎn)紅棚膜，在溫室中應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)該棚膜能顯著提高紅外線透過率，且與對照溫室相比，番茄每公頃產(chǎn)量、維C和番茄紅素含量分別顯著提高了25.71%、11.11%、33.04%。但是，目前新型轉(zhuǎn)光膜的使用壽命、可降解性、使用成本尚需研究。

散射玻璃：溫室散射玻璃是通過玻璃表面特殊的花型和減反射工藝，能夠最大限度將太陽光變成散射光進入溫室，提高農(nóng)作物光合作用效率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量。而散射玻璃通過特殊的花紋把進入溫室的光照，變成散射光，而散射光能夠更加均勻地照射到溫室內(nèi)部，消除骨架為溫室?guī)淼年幱坝绊?。相比于普通浮法玻璃和超白浮法玻璃，散射玻璃的透光率標準?1.5%，普通浮法玻璃的透光率是88%。溫室內(nèi)部每增加1%的透光率，可以增加產(chǎn)量3%左右，果蔬內(nèi)可溶性糖、維生素C等均有增加。溫室散射玻璃采用先鍍膜后鋼化的工藝，自爆率高于國標，達到2‰。

新型保溫材料的研究與應(yīng)用

溫室中的傳統(tǒng)保溫材料主要有草苫、紙被、針刺氈保溫被等，主要應(yīng)用于屋面內(nèi)外保溫隔熱、墻體隔熱及一些蓄熱、集熱裝置的保溫，大都存在長期使用后會因內(nèi)部受潮而失去保溫性能的缺陷。因此，現(xiàn)在出現(xiàn)了許多新型高保溫材料的應(yīng)用研究, 其中新型保溫被及蓄熱、集熱裝置保溫更是研究重點。

新型保溫材料通常是由編織膜、淋膜氈等表層防水、耐老化材料與噴膠棉、雜羊絨、珍珠棉等蓬松保溫材料加工復(fù)合而成。東北地區(qū)試驗了一種編織膜噴膠棉型保溫被，發(fā)現(xiàn)添加500 g噴膠棉相當于市場4 500 g黑毛氈保溫被的保溫性能，添加700 g噴膠棉同等條件下比添加500 g的噴膠棉保溫被保溫性能提高1～2 ℃。同時，其他研究也發(fā)現(xiàn)，與市面常用保溫被對比發(fā)現(xiàn)，噴膠棉、雜羊絨保溫被的保溫效果較好，保溫率分別為84.0%和83.3%，當室外溫度最冷為-24.4 ℃時，室內(nèi)溫度分別可達5.4、4.2 ℃。同單一的草苫保溫被相比，新型復(fù)合保溫被質(zhì)輕、保溫率高、防水及耐老化能力強，可作為日光溫室的新型高效保溫材料來推廣應(yīng)用。

同時，針對溫室集熱、蓄熱裝置保溫材料的研究也發(fā)現(xiàn)，厚度相同時，多層復(fù)合保溫材料要比單一材料保溫性能更好。西北農(nóng)林科技大學(xué)李建明教授團隊對真空板、氣凝膠、橡膠棉等22種溫室水體儲熱裝置隔熱材料進行設(shè)計篩選和熱性能測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)： 80 mm隔熱涂料+氣凝膠+橡塑保溫棉復(fù)合保溫材料，單位時間內(nèi)可比80 mm橡塑棉減少散熱 0.367 MJ，當該隔熱組合厚度為 100 mm時，其傳熱系數(shù)為 0.283 W/（m·k）。

相變蓄熱材料是溫室材料研究的熱點之一。西北農(nóng)林科技大學(xué)研發(fā)了2種相變材料儲備裝置：其一是利用黑色聚乙烯材料的儲備箱，其尺寸為50 cm×30 cm×14 cm（長×高×厚），且內(nèi)部裝有相變材料，可實現(xiàn)儲放熱功能；其二是研制了一種新型相變墻板，相變墻板由相變材料、鋁板、鋁塑板和鋁合金4部分構(gòu)成，其中相變材料位于墻板最中心位置，規(guī)格為200 mm×200 mm×50 mm，在相變前后均呈粉末狀固體，無融化、流動等現(xiàn)象，且相變材料四壁分別為鋁板和鋁塑板，該裝置能實現(xiàn)白天主要儲熱、晚上主要放熱的功能。

因此，單一保溫材料應(yīng)用時往往存在保溫效率低、熱散失量大、儲熱時間短等問題，故采用復(fù)合保溫材料作為儲熱裝置保溫層、室內(nèi)外保溫覆蓋層，能有效提高溫室隔熱性能，減少溫室熱量散失，從而達到節(jié)約能源的效果。

新型墻體的研究與應(yīng)用

墻體作為一種圍護結(jié)構(gòu)，是溫室防寒保溫的重要屏障。根據(jù)墻體材料和結(jié)構(gòu)，溫室北墻的發(fā)展可分為3種：主要為土壤、磚塊等單層墻體及利用粘土磚、砌塊磚、聚苯板等建造的內(nèi)層蓄熱、外層隔熱型分層北墻，而這些墻體建造時大都費時費工；因此，近幾年出現(xiàn)了許多便于建造、適宜快速組裝的新型墻體。

新型組裝式墻體的出現(xiàn)，推動著裝配式溫室的迅速發(fā)展，包括具有外部防雨防老化表層材料和毛氈、珍珠棉、太空棉、玻璃棉或回收棉作隔熱層等材料組裝成的新型復(fù)合墻體，如新疆地區(qū)的噴膠棉柔性組裝墻體。此外，其他研究也報告了帶有蓄熱層的裝配式溫室北墻，如新疆的磚填充小麥殼砂漿砌塊，在相同外界環(huán)境下，室外最低溫-20.8 ℃時，麥殼砂漿砌塊復(fù)合墻體日光溫室內(nèi)溫度為7.5 ℃，而磚混墻體日光溫室內(nèi)溫度為3.2 ℃，砌塊溫室番茄收獲期可提早16 d，單棚產(chǎn)量提高18.4%。

西北農(nóng)林科技大學(xué)設(shè)施團隊從墻體設(shè)計輕簡化、便于取材的角度出發(fā)，提出將秸稈、土、水、石、相變材料制備成保溫蓄熱模塊的設(shè)計理念，推動了模塊化組裝墻體的應(yīng)用研究。例如，鉛絲網(wǎng)籠裝填石塊形成的石塊墻體溫室，與普通磚墻日光溫室相比，該溫室內(nèi)平均氣溫在典型晴天高4.0 ℃；相變材料（PCM）與水泥混制的3種無機相變水泥模塊，其單位體積蓄熱量分別為74.5、88.0、95.1 MJ/m，放熱量為59.8、67.8、84.2 MJ/m，具有白天“削峰”、夜間“填谷”，夏天吸熱、冬天放熱的作用。

這些新型墻體現(xiàn)場組裝、施工周期短、使用壽命長，為輕簡化、可快速組裝的裝配式溫室建造創(chuàng)造了條件，可極大地推動溫室結(jié)構(gòu)變革；但是，這類墻體也存在一定的缺陷，如噴膠棉保溫被墻體保溫性能優(yōu)良，但缺乏蓄熱能力，而相變建筑材料又存在使用成本較高的問題，未來要加強組裝式墻體的應(yīng)用研究。

新能源、新材料、新設(shè)計助力溫室結(jié)構(gòu)變革

新能源與新材料的研究創(chuàng)新，為溫室大棚設(shè)計創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)。節(jié)能日光溫室和拱棚是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用面積最大的棚體結(jié)構(gòu)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，但是隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，2種設(shè)施結(jié)構(gòu)的缺點日益呈現(xiàn)，一是設(shè)施結(jié)構(gòu)空間小，機械化程度低；二是節(jié)能日光溫室保溫性好，但是土地利用低，相當于以土地置換了溫室能量。普通拱棚不僅空間小，而且保溫性差。連棟溫室盡管空間大，但是保溫性差，能耗大。所以，研究開發(fā)適宜于我國現(xiàn)階段社會經(jīng)濟水平的溫室結(jié)構(gòu)勢在必行，而新能源、新材料的研發(fā)將助力溫室結(jié)構(gòu)變革，產(chǎn)生多種創(chuàng)新溫室模式或結(jié)構(gòu)。

大跨度非對稱水控釀熱大棚的創(chuàng)新研究

大跨度非對稱水控釀熱大棚（專利號：ZL 201220391214.2）是依據(jù)日光溫室采光保溫原理，改變普通塑料大棚對稱性結(jié)構(gòu)，增大南部跨度，提高南屋面采光面積，縮小北部跨度，減少散熱面積，跨度18～24 m，脊高6～7 m。通過設(shè)計創(chuàng)新，空間結(jié)構(gòu)顯著增大。同時，利用生物質(zhì)釀熱和保溫新材料技術(shù)，解決了溫室冬季熱量不足以及普通保溫材料保溫性差的問題。生產(chǎn)使用與研究結(jié)果表明，大跨度非對稱水控釀熱大棚，晴天夜間的平均溫度為11.7 ℃，陰天為10.8 ℃，能滿足冬季作物生長的需求，且該溫室比苯板磚墻溫室建造成本降低了39.6%，土地利用率提高了30%以上，適合在我國黃淮河流域進一步推廣和應(yīng)用。

裝配式日光溫室

裝配式日光溫室以立柱和屋面骨架作為承力結(jié)構(gòu)，其墻體材料以隔熱圍護為主，不再以承重和被動儲放熱為主要功能。主要有：（1）以外覆薄膜或彩鋼板、秸稈塊、柔性保溫被、砂漿砌塊等多種材料組合，形成新型組裝墻體；（2）以預(yù)制水泥板—聚苯板—水泥板的復(fù)合墻板墻體；（3）隔熱材料配主動蓄放熱系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)的輕簡裝配式，例如塑料方塊水桶蓄熱、管道蓄熱等。利用不同新型隔熱材料和蓄熱材料，替代傳統(tǒng)土墻體建造的日光溫室空間大，土建工程小。試驗結(jié)果表明，該溫室冬季夜晚溫度比傳統(tǒng)磚墻溫室提高4.5 ℃，后墻厚度為166 mm，與600 mm厚的磚墻溫室相比，墻體占地面積減少72%，且每平方米造價為334.5元，比磚墻溫室減少了157.2元，建筑成本下降顯著。由此可見，裝配式溫室有著破壞耕地少、節(jié)約用地、建設(shè)速度快、使用壽命長的優(yōu)點，是當前和今后日光溫室創(chuàng)新和發(fā)展的一個重點方向。

滑蓋式日光溫室

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的滑板裝配式節(jié)能日光溫室利用日光溫室后墻組成水循環(huán)墻體蓄熱系統(tǒng)蓄熱提溫，主要由水池（32 m）、采光板（360 m）、水泵、水管和控制器等組成。頂部采用新型輕質(zhì)巖棉彩鋼板材料替換柔性保溫被。研究顯示，該設(shè)計有效解決了山墻擋光問題，增加了溫室進光面積；溫室采光角為41.5°，比對照溫室增加將近16°，提高了采光率。室內(nèi)溫度分布均勻程度高，植株長勢整齊。該溫室具有可以提高土地利用效率，靈活設(shè)計溫室尺寸，縮短施工周期的優(yōu)點，對保護耕地資源和環(huán)境有重大意義。

光伏農(nóng)業(yè)溫室

光伏農(nóng)業(yè)溫室是集太陽能光伏發(fā)電、智能溫控、現(xiàn)代高科技種植為一體的溫室。它采用鋼制骨架，上覆太陽能光伏組件，以保證光伏發(fā)電組件的光照要求和整個溫室的采光要求。太陽能光伏發(fā)出的直流電，直接為農(nóng)業(yè)溫室進行補光，并直接支持溫室設(shè)備的正常運行，驅(qū)動水資源灌溉，同時提高溫室溫度，促進作物快速增長。這種方式中的光伏組件會影響溫室屋面的采光效率，進而影響溫室蔬菜的正常生長。所以，合理布置溫室屋面的光伏板成為應(yīng)用的關(guān)鍵點。農(nóng)業(yè)光伏溫室是觀光農(nóng)業(yè)與設(shè)施園藝有機結(jié)合的產(chǎn)物，是集光伏發(fā)電、農(nóng)業(yè)觀光、農(nóng)業(yè)作物、農(nóng)業(yè)技術(shù)、園林景觀及文化發(fā)展于一體的創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。

不同類型溫室間能量互作的溫室群創(chuàng)新設(shè)計

北京市農(nóng)林科學(xué)院郭文忠研究員利用溫室間能量傳遞的加熱方法，在一個或多個溫室內(nèi)收集剩余的熱能來加熱另一個或多個溫室，這種加熱方法實現(xiàn)了溫室能量在時間和空間上的轉(zhuǎn)移，提高了剩余溫室熱能的能源利用效率，降低了采暖總能耗。2種類型的溫室可以是不同的溫室類型也可以是種植各種作物的相同溫室類型，如生菜和番茄溫室。熱量收集方法主要包括提取室內(nèi)空氣熱量和直接攔截入射輻射。通過太陽能收集、熱交換器強制對流、熱泵強制提取，為采暖溫室提取了高能量溫室中的剩余熱量。

小結(jié)

這些新型日光溫室都具有便于快速組裝、縮短施工周期、提高土地利用率的優(yōu)點；因此，要進一步探究這些新型溫室在不同地區(qū)的使用性能，為新型溫室的大面積推廣應(yīng)用提供可能性。同時，要不斷的加強新能源、新材料在溫室中的應(yīng)用，為溫室結(jié)構(gòu)變革提供動力。

未來展望及思考

傳統(tǒng)溫室往往存在耗能大、土地利用率較低、費時費工、使用性能差等應(yīng)用弊端，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求，勢必要被逐漸淘汰；因此，利用太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、風(fēng)能等新型能源、新型溫室應(yīng)用材料及新設(shè)計推動溫室結(jié)構(gòu)變革已是發(fā)展趨勢。首先，對于新能源與新材料推動下產(chǎn)生的新型溫室，既要滿足機械化作業(yè)的需要，又必須節(jié)能省地，降低成本。其次，要不斷探究新型溫室大棚在不同地區(qū)的使用性能，為溫室大面積推廣提供條件。未來要進一步尋找適宜溫室應(yīng)用的新能源與新材料，尋找新能源、新材料與溫室的最佳結(jié)合方式，為建造低成本、工期短、低能耗、使用性能優(yōu)良的新型溫室提供可能，助力溫室結(jié)構(gòu)變革，推動我國溫室的現(xiàn)代化發(fā)展。

盡管新能源、新材料和新設(shè)計在溫室建造中的應(yīng)用是必然的趨勢，但是仍然存在許多問題需要研究和克服：（1）建造成本增大。新能源、新材料的應(yīng)用，與傳統(tǒng)的煤炭、天然氣或燃油加溫相比，盡管環(huán)保無污染，但是建造成本顯著提高，為生產(chǎn)經(jīng)營投資回收造成一定影響。新材料成本與能源利用相比較，成本也會顯著提升。（2）熱能利用不穩(wěn)定。新能源利用的最大優(yōu)點是運營成本低、二氧化碳釋放低，但是能源熱量供應(yīng)不穩(wěn)定，太陽能利用中陰天就成為最大限制因素。生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)熱中，發(fā)酵熱能小、管理控制難度大、原材料運輸堆放空間大等問題限制了該能源的有效利用。（3）技術(shù)成熟度問題。這些新能源與新材料利用的技術(shù)為先進研究技術(shù)成果，應(yīng)用面積和應(yīng)用范圍還相當有限，沒有通過多次、多位點、大規(guī)模的實踐驗證，應(yīng)用中不免還有一定的不足和需要完善的技術(shù)內(nèi)容，而使用者也往往會因為較小的不足而否定技術(shù)的先進性。（4）技術(shù)普及率低。一項科技成果的廣泛應(yīng)用，需要有一定的普及性。現(xiàn)在，新能源、新技術(shù)、新型溫室設(shè)計技術(shù)均掌握在有一定創(chuàng)新能力的高校科研單位的團隊內(nèi)，大部分技術(shù)需求者或者設(shè)計人員還不了解；同時，由于新技術(shù)核心設(shè)備都有專利，技術(shù)的普及與應(yīng)用還相當有限。（5）新能源、新材料與溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計的融合性有待進一步加強。由于能源、材料和溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于3個不同學(xué)科知識，具有溫室設(shè)計經(jīng)驗的人才往往對溫室相關(guān)能源及材料的研究不足，反之亦然；因此，能源與材料研究的相關(guān)研究人員需要加強對溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際需求的調(diào)研與了解，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員也要研究新材料、新能源，促進三者關(guān)系的深度融合，從而實現(xiàn)溫室研究技術(shù)實用、建造成本低、使用效果好的目標。依據(jù)以上問題，建議國家、地方政府及科研單位加大技術(shù)研究力度，深入開展聯(lián)合攻關(guān)，加強科技成果宣傳，提高成果普及程度，快速實現(xiàn)新能源、新材料助力溫室產(chǎn)業(yè)新發(fā)展的目標。