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关于日光温室墙体建造与保温效果的几项研究
温室墙体国内外研究现状
日光温室作为具有中国特色的保护地生产设施，是在中国经济体制下产生，其他国家极少，也称“中国温室”。欧美国家的温室单栋规模较大，墙体的面积比例极小，作用微弱，使得他们对于光照的重视程度远远超过墙体，大多温室设计成全光照温室，近年来国外对于温室墙体的研究较少。日光温室的特点很大程度上表现在具有后墙、山墙和后屋顶等保温结构，白天由太阳光能转化成的热储蓄在墙体结构中，晚上墙体又变成发热体，向室内缓慢释放热量，因此，与发达国家的加温温室相比称之为“节能温室”。节能温室的节能效果与墙体结构的保温性具有密切的关系，墙体的研究对于日光温室节能来说具有现实意义和重要价值。
国内学者在温室墙体的建筑材料、墙体结构（或者复合墙体）、墙体厚度等方面对温室墙体的性能进行了详细研究，大多研究认为，复合异质墙体温室内的夜间温度比单一材料墙体温室夜间温度高；复合墙体以内侧砖墙起加固和蓄热作用，外侧土墙或聚苯板等无机复合材料起隔热保温作用；以聚苯板为保温夹层的复合墙体具有很好的保温性能；单独用土墙做后墙，随着厚度的增加，保温性增加，但是超过1m，厚度增加而温度不再变化；复合墙体在实际中多采用50cm的厚度，并以保温隔热材料夹心。近年的研究表明，在不用加大砖墙厚度的情况下涂抹相变蓄热材料后，墙体可获得较大的蓄热能力。对于墙体的厚度，大多研究认为50~70cm较为合适。但是近些年来，多地大力推广下凹式温室，温室后墙由推土机推成7~8m厚，对于如此厚的墙体，许多专家提出质疑，因为这不仅浪费土地，破坏耕作层，而且雨季积水危及设施安全，冬季存在窝风区域，诱发病害等。
墙体作为日光温室的建设基础和热介质（贮热、隔热），构成中国温室的特色，由于温室建筑费用昂贵、温室墙体温度测试困难等问题，使得墙体的研究受到许多限制。陈端生、亢树华、张真和、佟国红等采用理论计算的方法，研究了不同材料墙体对室外温度扰量的衰减、向室外的放热量以及保温效果等。佟国红等对不同材料和结构的墙体采用频率响应法，对墙体的传热特性进行了理论分析。但是只有合理的测试温室墙体内部的真实温度，掌握墙体的温度变化规律，了解墙体的蓄热和放热效用，才能为日光温室墙体的建造提供合理化的建议，促进日光温室的科学建造。
项目组近年来开展了一系列研究工作：①研究了几种材料的热传导效用，分析了墙体热传导规律；②在同一温室中建造结构各异的复混墙体，研究墙体内部不同层次的温度动态变化过程；③通过模拟模型研究了后墙高度与设施环境之间的关系；④通过后墙涂色分析了对墙体贮热的影响；⑤通过外置保温板研究提出了新型墙体建设思路；⑥项目组还建立了日光温室的能量利用模型，分析了各部分对日光温室温度的贡献，有助于评价温室能量利用、环境控制和新型温室设计。
结果与分析
墙体传热规律的研究
项目组测定了厚土墙（底宽6.6m）0~90cm和红黏土砖墙体日光温室（底宽2m）0~30cm深处温度变化情况，发现如下规律：
图1为不同天气日光温室厚墙体内各层次昼夜温差变化。墙体内温度变化在表层变化显著，受天气状况影响较大。深层影响逐渐减小，存在递减效应，据此项目组将墙体分为热交换层、热稳定层和热缓冲层。一般0~25cm处昼夜温差大，热交换量大，是热交换层；30~40cm处为热稳定层，25~30cm处为热缓冲层。这一事实说明墙体热传导是一个过程，是物质的一种特性，即使外部较热或冷，也不会加速传导；土和砖本质一致，传导速度也较接近。因此墙体建设即使再厚，主要热交换层次也是相对稳定。马宇婧测定了开放水体中热传导规律，也证实了这一论断，认为在营养液深度为21.5cm的条件下，不同层次日较差变化符合对数关系：y=2.619lnx+4.2152(式中x为液层的序号，0、5、10、15cm分别为1、2、3、4)，由此关系式可计算出当日较差y=0℃时x=5，即液面以下20cm处日较差为0℃。
对墙体温度季节变化的观测结果见图2，能够看到冬春季变化幅度较大，夏季相对较小。也就是冬春季阳光直射墙体时获得的能量较多，在封闭或半封闭状态下，室内温度较高，墙体的蓄热作用较为明显。夏季墙体温度各层次之间相对稳定。阴天各土层温差变化很小。
同时试验中观测到连阴天深层土墙内温度会有所变化，能够显示厚土墙体的一些作用。
复混墙体对室内温度的影响
复混墙体被认为是较为理想的墙体结构，2005年项目组修建了试验温室，以不同的墙体结构把温室隔离成试验小温室（图3），即用塑料膜至南到北、从顶到底把温室按墙体结构严密分隔成不同的小温室，图4为试验日光温室建造过程中墙体的建设情况。试验期间不进行作物栽培，地面全部用塑料膜覆盖，排除地面、作物对室温的干扰，重点观测墙体的效果。
测定了墙体内部不同深度位点的温度和室内外温度。墙体内温度用精度地温计测得，由内到外每隔5cm作为一个测点(距内墙表面5、10、15、20、25、30、35、40、45cm)；利用CB-0231热电偶测温仪测墙体内外表面（0、50cm）温度，共11个测点。
不同填充材料的墙体内夜间温度在不同时刻均是由内到外逐渐降低的，但降低的幅度和速度存在差异，见表1。填充黏土的降温幅度和速度较大，在30cm内为1.4~11.4℃；增加2cm厚聚苯烯板可显著缩小板前墙体（30cm）的温差，提高保温效果，但板后的温差显著增大，显示出隔热效果；填充生石灰可显著提高内侧砖层的蓄热效果，使其温度保持较高，成为提高室温的主要因素；填充煤矸石的效果与生石灰类似但不同，类似表现在内侧面，不同表现在外侧面，即30~45cm的温差显著大于生石灰处理，考虑与其空隙大有关，它不像生石灰致密（隔热），引起向外的传热增大，影响了保温效果。
研究证实砖混结构墙体内填充材料不同，蓄热保温能力有所不同，其中生石灰和煤矸石的夹心墙体保温性能好，夜间降湿效果明显，并且建造成本较低。同时将50cm墙改建为中间填充保温材料的复混墙体，节约用砖40%，墙体建设成本较实心砖墙体明显降低。
保温板外置对墙体保温性能的影响研究
尽管复混墙体保温性存在一定的差异，但建造费工，同时考虑热交换层有限，采用薄墙体蓄热+隔热可能是降低建造成本、节约用地的有效途径。2008~2009年，李成芳在试验温室北墙24cm厚度处的单砖墙体部分，进行保温板（聚苯板）外置（类似现在楼房外保温）试验，见图5。观察墙体内温度的分布和变化情况，结果见图6。
事实证明保温板（聚苯板3~5cm）外置能有效减少热量外传，提高墙体隔热保温能力，24cm红砖+3.3cm聚苯烯板墙体的保温效果与50cm墙体的保温效果接近，并能有效减少建设成本。
墙体高度和墙体面积对温室性能的影响
日光温室墙体高度从海城式温室的0.5m，到永年式的1.5m，寿光式的2m，以至于现在一些日光温室建造到6m以上，墙体高度关系到建造成本、操作性能和蓄热保温等诸多方面。2007年春季和冬季设计了墙体高度（S）分别为1.26、0.96、0.66、0.36m的4个温室模型（图7，温室模型结构参数见表2），图8为墙体高度试验模型实体图，观察和测定了墙体高度和墙体面积大小对温室性能的影响，以确定温室修建中墙体的高低。
统计分析表明，温室的夜间温度随墙体的增高而升高，且温室后墙面积与总表面积的比值和温室夜间平均温度呈直线相关，回归方程为y=5.167x+10.414，r=0.9908，达到了显著相关水平，即在一定范围内,后墙面积/总表面积的比值每增加0.1，温室室内夜间温度可提高0.52℃。通过模拟研究证实墙体高度对室内气温具有显著影响，适当提高墙体高度会增加蓄热体面积，有利于温室保温，见图9。
墙体涂色对室内环境的影响
墙体色对光的吸收反射率不同，会影响墙体和室内温度，2018年春，研发团队对此开展了研究观测，墙体颜色涂白或涂黑确实能够影响墙体和室内温度，见图10。涂黑处理可显著提高墙体温度和室内温度，尤其是光照强的中午，涂白处理反光性强墙体获得能量少，温度较低，但室内光照会加强，具体结果将随后报告。
日光温室能量分配模型
为进一步认识墙体的蓄热效应，杨艳红对日光温室2月24日~3月25日（共30天）各部分接受到的总太阳能和实际测量计算得到的总能量进行对比分析，根据实测结果，建立了日光温室能量分配模型。
Y=546.175+0.990X1+1.197X2-1.031X3-3.784X4-0.919X5（R2=0.97）
其中，Y代表白天温室接受到的太阳能，X1代表北墙的能量变化，X2代表地面的能量变化，X3代表后屋面的能量变化，X4代表透明前屋面的能量变化，X5代表室内空气质能变化，单位均为MJ。
该模型反映出北侧墙体能量变异0.99，土壤是1.197，相差20%左右，其正值说明其在白天均处于吸热状态，且地面面积远大于墙体，其热交换量高于墙体；前屋面前的能量变异系数为3.8，显著高于后屋面的1.0，且都为负数，说明在散热，且白天前屋面的散热量远高于后屋面，是散热的主体；空气的能量变异系数相对较小，表明空气温度变化需要的能量其实是比较小的，尤其是容积较小的温室，墙体的热效应更能体现出来。
总结
通过上述研究可以获得以下结论：
（1）热在墙体中的交换是一个传导过程，墙体热交换速度是建筑材料的热特性所致。外界温热、直射光对墙体表面会产生较大影响，但对传导速度影响较小。墙体增厚对热交换层的影响也较小。因此，墙体会出现热交换层、热稳定层和热缓冲层。
（2）砖墙和土墙相比较，材料本质一致，传热和贮热有所差异，但不是很大。水介质热特性很特别，是值得推荐的相变材料。
（3）复混墙体在贮热量方面会有些许差异，主要是隔热效果的显现，会有助于降低建设成本。薄墙体（24cm）外置保温板能够起到厚墙体（50cm）的贮热效果，并节约土地和建设成本，考虑到承重、强度和施工，建议采用三七砖砌墙体（37cm）外置保温板。
（4）墙体增高有助于蓄热保温，但不完全是直线，表明有个度的概念，同时增高墙体会增加建设成本。墙体颜色会影响墙体贮热和室内温度，黑色墙体能吸收更多的热，有助于蓄热增温；白色墙体会增加室内光强，但辐射散热也会增加，墙体贮热会减少，不利于保温。
（5）模型分析表明在日光温室中光能主要热贮存体是土壤，主要散热体是透明屋面，空气温度变化需要的能量是较小的，可以说是一个“敏感元件”。正因如此，墙体的作用能够体现、夜间保温材料的的热特性也会被检验，温室规模的大小也会表现不同。
具体说，小跨度日光温室墙体的保温作用会被放大；隔热好的外保温材料也会很好发挥墙体的作用。随着温室跨度加大，散热面积增加的比例更多，墙体的蓄热保温效果会显得弱化，甚至有时保温被稍微推迟放下就会将墙体的蓄热保温效应抵消很多，加强管理很是必要。
作者：温祥珍，李亚灵，杨艳红，马宇婧，李成芳，梁海燕，刘杰，成宇宇(山西农业大学园艺学院）
温室墙体国内外研究现状
日光温室作为具有中国特色的保护地生产设施，是在中国经济体制下产生，其他国家极少，也称“中国温室”。欧美国家的温室单栋规模较大，墙体的面积比例极小，作用微弱，使得他们对于光照的重视程度远远超过墙体，大多温室设计成全光照温室，近年来国外对于温室墙体的研究较少。日光温室的特点很大程度上表现在具有后墙、山墙和后屋顶等保温结构，白天由太阳光能转化成的热储蓄在墙体结构中，晚上墙体又变成发热体，向室内缓慢释放热量，因此，与发达国家的加温温室相比称之为“节能温室”。节能温室的节能效果与墙体结构的保温性具有密切的关系，墙体的研究对于日光温室节能来说具有现实意义和重要价值。
国内学者在温室墙体的建筑材料、墙体结构（或者复合墙体）、墙体厚度等方面对温室墙体的性能进行了详细研究，大多研究认为，复合异质墙体温室内的夜间温度比单一材料墙体温室夜间温度高；复合墙体以内侧砖墙起加固和蓄热作用，外侧土墙或聚苯板等无机复合材料起隔热保温作用；以聚苯板为保温夹层的复合墙体具有很好的保温性能；单独用土墙做后墙，随着厚度的增加，保温性增加，但是超过1m，厚度增加而温度不再变化；复合墙体在实际中多采用50cm的厚度，并以保温隔热材料夹心。近年的研究表明，在不用加大砖墙厚度的情况下涂抹相变蓄热材料后，墙体可获得较大的蓄热能力。对于墙体的厚度，大多研究认为50~70cm较为合适。但是近些年来，多地大力推广下凹式温室，温室后墙由推土机推成7~8m厚，对于如此厚的墙体，许多专家提出质疑，因为这不仅浪费土地，破坏耕作层，而且雨季积水危及设施安全，冬季存在窝风区域，诱发病害等。
墙体作为日光温室的建设基础和热介质（贮热、隔热），构成中国温室的特色，由于温室建筑费用昂贵、温室墙体温度测试困难等问题，使得墙体的研究受到许多限制。陈端生、亢树华、张真和、佟国红等采用理论计算的方法，研究了不同材料墙体对室外温度扰量的衰减、向室外的放热量以及保温效果等。佟国红等对不同材料和结构的墙体采用频率响应法，对墙体的传热特性进行了理论分析。但是只有合理的测试温室墙体内部的真实温度，掌握墙体的温度变化规律，了解墙体的蓄热和放热效用，才能为日光温室墙体的建造提供合理化的建议，促进日光温室的科学建造。
项目组近年来开展了一系列研究工作：①研究了几种材料的热传导效用，分析了墙体热传导规律；②在同一温室中建造结构各异的复混墙体，研究墙体内部不同层次的温度动态变化过程；③通过模拟模型研究了后墙高度与设施环境之间的关系；④通过后墙涂色分析了对墙体贮热的影响；⑤通过外置保温板研究提出了新型墙体建设思路；⑥项目组还建立了日光温室的能量利用模型，分析了各部分对日光温室温度的贡献，有助于评价温室能量利用、环境控制和新型温室设计。
结果与分析
墙体传热规律的研究
项目组测定了厚土墙（底宽6.6m）0~90cm和红黏土砖墙体日光温室（底宽2m）0~30cm深处温度变化情况，发现如下规律：
图1为不同天气日光温室厚墙体内各层次昼夜温差变化。墙体内温度变化在表层变化显著，受天气状况影响较大。深层影响逐渐减小，存在递减效应，据此项目组将墙体分为热交换层、热稳定层和热缓冲层。一般0~25cm处昼夜温差大，热交换量大，是热交换层；30~40cm处为热稳定层，25~30cm处为热缓冲层。这一事实说明墙体热传导是一个过程，是物质的一种特性，即使外部较热或冷，也不会加速传导；土和砖本质一致，传导速度也较接近。因此墙体建设即使再厚，主要热交换层次也是相对稳定。马宇婧测定了开放水体中热传导规律，也证实了这一论断，认为在营养液深度为21.5cm的条件下，不同层次日较差变化符合对数关系：y=2.619lnx+4.2152(式中x为液层的序号，0、5、10、15cm分别为1、2、3、4)，由此关系式可计算出当日较差y=0℃时x=5，即液面以下20cm处日较差为0℃。
对墙体温度季节变化的观测结果见图2，能够看到冬春季变化幅度较大，夏季相对较小。也就是冬春季阳光直射墙体时获得的能量较多，在封闭或半封闭状态下，室内温度较高，墙体的蓄热作用较为明显。夏季墙体温度各层次之间相对稳定。阴天各土层温差变化很小。
同时试验中观测到连阴天深层土墙内温度会有所变化，能够显示厚土墙体的一些作用。
复混墙体对室内温度的影响
复混墙体被认为是较为理想的墙体结构，2005年项目组修建了试验温室，以不同的墙体结构把温室隔离成试验小温室（图3），即用塑料膜至南到北、从顶到底把温室按墙体结构严密分隔成不同的小温室，图4为试验日光温室建造过程中墙体的建设情况。试验期间不进行作物栽培，地面全部用塑料膜覆盖，排除地面、作物对室温的干扰，重点观测墙体的效果。
测定了墙体内部不同深度位点的温度和室内外温度。墙体内温度用精度地温计测得，由内到外每隔5cm作为一个测点(距内墙表面5、10、15、20、25、30、35、40、45cm)；利用CB-0231热电偶测温仪测墙体内外表面（0、50cm）温度，共11个测点。
不同填充材料的墙体内夜间温度在不同时刻均是由内到外逐渐降低的，但降低的幅度和速度存在差异，见表1。填充黏土的降温幅度和速度较大，在30cm内为1.4~11.4℃；增加2cm厚聚苯烯板可显著缩小板前墙体（30cm）的温差，提高保温效果，但板后的温差显著增大，显示出隔热效果；填充生石灰可显著提高内侧砖层的蓄热效果，使其温度保持较高，成为提高室温的主要因素；填充煤矸石的效果与生石灰类似但不同，类似表现在内侧面，不同表现在外侧面，即30~45cm的温差显著大于生石灰处理，考虑与其空隙大有关，它不像生石灰致密（隔热），引起向外的传热增大，影响了保温效果。
研究证实砖混结构墙体内填充材料不同，蓄热保温能力有所不同，其中生石灰和煤矸石的夹心墙体保温性能好，夜间降湿效果明显，并且建造成本较低。同时将50cm墙改建为中间填充保温材料的复混墙体，节约用砖40%，墙体建设成本较实心砖墙体明显降低。
保温板外置对墙体保温性能的影响研究
尽管复混墙体保温性存在一定的差异，但建造费工，同时考虑热交换层有限，采用薄墙体蓄热+隔热可能是降低建造成本、节约用地的有效途径。2008~2009年，李成芳在试验温室北墙24cm厚度处的单砖墙体部分，进行保温板（聚苯板）外置（类似现在楼房外保温）试验，见图5。观察墙体内温度的分布和变化情况，结果见图6。
事实证明保温板（聚苯板3~5cm）外置能有效减少热量外传，提高墙体隔热保温能力，24cm红砖+3.3cm聚苯烯板墙体的保温效果与50cm墙体的保温效果接近，并能有效减少建设成本。
墙体高度和墙体面积对温室性能的影响
日光温室墙体高度从海城式温室的0.5m，到永年式的1.5m，寿光式的2m，以至于现在一些日光温室建造到6m以上，墙体高度关系到建造成本、操作性能和蓄热保温等诸多方面。2007年春季和冬季设计了墙体高度（S）分别为1.26、0.96、0.66、0.36m的4个温室模型（图7，温室模型结构参数见表2），图8为墙体高度试验模型实体图，观察和测定了墙体高度和墙体面积大小对温室性能的影响，以确定温室修建中墙体的高低。
统计分析表明，温室的夜间温度随墙体的增高而升高，且温室后墙面积与总表面积的比值和温室夜间平均温度呈直线相关，回归方程为y=5.167x+10.414，r=0.9908，达到了显著相关水平，即在一定范围内,后墙面积/总表面积的比值每增加0.1，温室室内夜间温度可提高0.52℃。通过模拟研究证实墙体高度对室内气温具有显著影响，适当提高墙体高度会增加蓄热体面积，有利于温室保温，见图9。
墙体涂色对室内环境的影响
墙体色对光的吸收反射率不同，会影响墙体和室内温度，2018年春，研发团队对此开展了研究观测，墙体颜色涂白或涂黑确实能够影响墙体和室内温度，见图10。涂黑处理可显著提高墙体温度和室内温度，尤其是光照强的中午，涂白处理反光性强墙体获得能量少，温度较低，但室内光照会加强，具体结果将随后报告。
日光温室能量分配模型
为进一步认识墙体的蓄热效应，杨艳红对日光温室2月24日~3月25日（共30天）各部分接受到的总太阳能和实际测量计算得到的总能量进行对比分析，根据实测结果，建立了日光温室能量分配模型。
Y=546.175+0.990X1+1.197X2-1.031X3-3.784X4-0.919X5（R2=0.97）
其中，Y代表白天温室接受到的太阳能，X1代表北墙的能量变化，X2代表地面的能量变化，X3代表后屋面的能量变化，X4代表透明前屋面的能量变化，X5代表室内空气质能变化，单位均为MJ。
该模型反映出北侧墙体能量变异0.99，土壤是1.197，相差20%左右，其正值说明其在白天均处于吸热状态，且地面面积远大于墙体，其热交换量高于墙体；前屋面前的能量变异系数为3.8，显著高于后屋面的1.0，且都为负数，说明在散热，且白天前屋面的散热量远高于后屋面，是散热的主体；空气的能量变异系数相对较小，表明空气温度变化需要的能量其实是比较小的，尤其是容积较小的温室，墙体的热效应更能体现出来。
总结
通过上述研究可以获得以下结论：
（1）热在墙体中的交换是一个传导过程，墙体热交换速度是建筑材料的热特性所致。外界温热、直射光对墙体表面会产生较大影响，但对传导速度影响较小。墙体增厚对热交换层的影响也较小。因此，墙体会出现热交换层、热稳定层和热缓冲层。
（2）砖墙和土墙相比较，材料本质一致，传热和贮热有所差异，但不是很大。水介质热特性很特别，是值得推荐的相变材料。
（3）复混墙体在贮热量方面会有些许差异，主要是隔热效果的显现，会有助于降低建设成本。薄墙体（24cm）外置保温板能够起到厚墙体（50cm）的贮热效果，并节约土地和建设成本，考虑到承重、强度和施工，建议采用三七砖砌墙体（37cm）外置保温板。
（4）墙体增高有助于蓄热保温，但不完全是直线，表明有个度的概念，同时增高墙体会增加建设成本。墙体颜色会影响墙体贮热和室内温度，黑色墙体能吸收更多的热，有助于蓄热增温；白色墙体会增加室内光强，但辐射散热也会增加，墙体贮热会减少，不利于保温。
（5）模型分析表明在日光温室中光能主要热贮存体是土壤，主要散热体是透明屋面，空气温度变化需要的能量是较小的，可以说是一个“敏感元件”。正因如此，墙体的作用能够体现、夜间保温材料的的热特性也会被检验，温室规模的大小也会表现不同。
具体说，小跨度日光温室墙体的保温作用会被放大；隔热好的外保温材料也会很好发挥墙体的作用。随着温室跨度加大，散热面积增加的比例更多，墙体的蓄热保温效果会显得弱化，甚至有时保温被稍微推迟放下就会将墙体的蓄热保温效应抵消很多，加强管理很是必要。
作者：温祥珍，李亚灵，杨艳红，马宇婧，李成芳，梁海燕，刘杰，成宇宇(山西农业大学园艺学院）
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