在《中国蔬菜》第2期的文章中，我们为大家介绍了被动储放热理论下，我国日光温室墙体的改良和创新（戳此阅读重磅！跨越30年，日光温室墙体“变形记”！），今天的文章在主动储放热基本原理的基础上，将为您系统总结以墙体、骨架和地面为吸热体，以空气、水、土壤为储放热载体的主动储放热方法，以及应用主动储放热技术的组装式日光温室在墙体结构上的创新和变迁。
主动储放热是指白天以最大限度的吸收和储存富裕热量，夜间再根据需要高效利用和释放白天储存热量，从而人为控制温室墙体、地面储存和释放热量的时间和多寡。（被动储放热是指白天墙体吸收和储存多少热量，以及夜间释放多少热量都无法人为控制）。
目前在科研和生产中应用的主动吸热和储热的方法有：
后墙表面吸热介质储热法
骨架表面吸热介质储热法
循环空气墙体储热法
循环空气地面储热法
后墙表面吸热介质储热法
可分为管道吸热法、墙板吸热法和夹层墙面吸热法。
管道吸热法是将黑色塑料管或表面涂黑钢管密集排列在温室的后墙内表面，依靠室内高温和直接照射在管道表面的直射和散射辐射将管道表面加热，通过管道内介质的强制流动将管道表面吸收的热量传入流动介质，使介质温度提高而储存热量（吸收的热量存储在流动的介质中）。管道中经济的介质可以是空气，也可以是水，由于水的热惰性较大，所以工程中大多使用水作介质储存热量。
根据管道在后墙表面的布置方向不同，管道吸热可分为横向和竖向两种布置方式（图1）；布置面积可以是全后墙完全布置，也可以只在后墙的局部面积（如上部1/2 部位）布置。对于种植如黄瓜、番茄、辣椒、茄子等高秧作物的温室，由于后墙的下部受到植株的遮挡，直接接受的阳光不多，所以从经济的角度设计，一般集热管多布置在温室后墙距离地面1/3 墙体高度（1 米）以上，同时考虑后屋面也可能会形成遮光，所以集热管也不一定布置到墙体的顶面。
▲图1a、后墙表面管道吸热——管道横向排列
▲图1b、后墙表面管道吸热——管道竖向排列
其原理和管道吸热法的原理基本相同，所不同的是将后墙表面线条式分布的管道改变成了具有一定面积的吸热板，顺序排列贴挂在温室的后墙内表面（图2）。吸热板可以采用中空PC 板，在PC 板的中空孔中注水吸收表面热量；也可以采用特制的外表面为黑色塑料薄膜、背板为保温板、中间流水的封闭组件吸收热量。相比管道吸热法，采用吸热板的方法吸热表面面积显然增加了很多，吸收的热量也更多。
▲图2、后墙表面墙板吸热
不论是管道吸热、还是墙板吸热，都无法将照射到整个后墙表面的热量全部吸收，而夹层墙面吸热法是在温室的后墙内表面安装一个铺满整个后墙表面的夹层水袋，通过均匀输水管道（在输水管道上均匀开孔）将循环水从夹层内喷射到夹层水袋的外表面（朝向温室室内的表面），从而吸收水袋外表面获得的室内太阳辐射和室内空气对流换热量（图3）。
▲图3、后墙表面夹层墙面吸热
由此可见，夹层墙面吸热法吸收的热量应该最大，但由于夹层水袋内部空腔较大，在喷水过程中水的蒸发同时要消耗空腔内空气中一部分热量（这些热量最终还是来自于水袋表面吸收的热量），所以总的热效率不一定比墙板吸热法高。但从造价来讲，夹层墙面应该是最便宜的，而且完全解决了管道和墙板局部漏水的问题（夹层墙面吸热是在夹层水袋的底部设置集水槽，集水槽可以兼作储水池，也可以作为输水渠道将热水导流到温室内的储水池中）。
从墙面吸收的热量通过提升介质温度而储存在介质中，一般在温室内应设计一个储水池，大多设置在温室内陆面下，一方面不影响温室地面的种植面积，另一方面地下土壤的温度比较稳定，在做好储水池外保温的前提下对储存热量的损失也较少。
骨架表面吸热介质储热法
骨架表面吸热法就是利用上下弦杆为圆管或方管的桁架结构形成一个闭环的水循环系统。由于桁架的上弦杆外表面在塑料薄膜的覆盖下直接对外，不受室内种植作物的影响，可接受更多的室外太阳辐射，桁架的下弦杆也可同时接受室内太阳辐射并吸收室内空气对流换热，事实上形成了桁架上下弦杆白天同时为吸热体的一种吸热体系。
每根桁架是一个独立的微循环系统，将温室内所有的桁架通过主管并联在一起即形成一个大的储放热循环系统，可以将所有骨架表面吸收的热量集中回收到储热池中（图4）。
▲图4b、骨架表面吸热介质储热—前部
▲图4c、骨架表面吸热介质储热—整体
到了夜间，随着室内温度的降低，温室的所有桁架又是散热器，将白天储存在储热池中的热量通过水泵回流到骨架中，由于钢管的散热能力强，而且骨架在温室中分布均匀，所以在温室中释放热量也更均匀。为了增强管道表面的吸热能力，一般在管道表面涂刷黑色涂料，涂料应无毒、无味，对钢材和塑料薄膜没有腐蚀作用。
优点：省去了专门配置在墙面吸热的设备，大大减少了温室建设投资，也不会有更多的设备占用温室空间。
缺点：由于该系统温室桁架是承重结构，在温室运行过程中桁架会随着风雪荷载、作物荷载等作用的变化发生变形，因此对水循环系统连接处的密封性要求较高。此外，在桁架的上下弦杆上安装水循环回路连接件，需要在钢管上开口，会对结构的强度产生影响，在结构强度设计中应给予高度的重视，不应顾此失彼，得不偿失。
循环空气墙体储热法
循环空气墙体储热法：白天将温室中的高温空气通过风机和管道导入温室的后墙内，通过提高温室后墙内部的温度将热量储存在温室后墙内的一种储热方法。夜间，当室内温度降低到设定温度时，开启风机将白天储存在墙体内部的热量再释放到温室中补充温室的热量损失，保证温室生产需要的适宜温度。
根据气流在墙体内的运动方向不同，空气循环分为水平气流法和垂直气流法。
亦称为纵向气流法，即导入墙体内部的气流是沿着温室的长度方向在墙体内同一高度位置流动（图5）。由于温室长度方向的气流在墙体内的流道较长，为了减小气流在墙体内管道中的空气阻力和空气进出口的温差，使导入温室墙体内的热量分布更均匀，一般沿温室长度方向每组通风管道的长度控制在30～40 米，且沿温室墙体的高度方向设置3～5 组。在墙体内管道中的气流一般采用负压送风，即在通风管的出口安装排风风机即可。
▲图5a、循环空气水平流动墙体储热—进风口
▲图5b、循环空气水平流动墙体储热—风机口
白天当温室内温度超过25℃后即可打开风机，将室内高温空气抽进设置在墙体内的通风管中，提高墙体内部温度，并将热量储存在墙体内；
到了夜间，当室内温度下降到设定温度后，再打开风机，将白天储存在墙体内的热量回送到温室内，补充温室夜间散失的热量，保证温室内适宜的温度。
墙体内部的通风管可以是塑料管，也可以是在墙体砌筑过程中直接砌筑而成的砖通道，最新开发的机压大体积土坯墙体日光温室，可将通风通道直接预制在土坯块上，码砌土坯后自然形成墙体内的通风通道。
也称为竖向气流法，即在温室后墙的上部设置进风口（因为温室白天上部的空气温度高），在墙体的下部设置出风口，墙体内气流沿墙体高度方向自上而下流动，将温室内热量储存在后墙内的一种方法（图6）。
▲图6、循环空气垂直流动墙体储热
采用垂直气流法的储放热墙体多采用空心墙，将两层墙之间的空间作为气流通道，可以大大降低气流的阻力，而且墙体建造速度快，也不需要其他的附加管道，相应建设造价也低，温度在墙体内的分布也更均匀。
不论是水平气流法，还是垂直气流法，由于以墙体为储热体，所以要求墙体建造材料的热惰性大，而且建造墙体的厚度不能过薄，所以砖墙、石墙和土墙是使用这种系统比较理想的墙体。采用墙体储放热，除了能够白天储热、夜间放热提高温室夜间空气温度外，由于气流在墙体内和温室内循环，温室内的空气基本处在高温高湿状态，而墙体材料又具有较强的吸湿性，所以在空气交换的过程中还可有效降低温室内的空气湿度，这对控制温室种植作物的病虫害、提高产品品质起到了间接的作用。
循环空气地面储热法
其原理和墙面储热法的原理基本相同，所不同的是储热体由墙面变为了地面。由于地面土体体积大、热容量大，所以能够储存更多的热量。采用地面储热后可完全释放墙体的储热功能，温室墙体可以摆脱厚重墙体，更适于完全组装式结构的温室。和墙面储热一样，根据气流在温室地面中的流动方向不同，地面储热法也分为纵向气流法和横向气流法。
横向气流法就是气流在地面土壤中沿温室跨度方向流动。一般在温室内屋脊位置沿温室长度方向通长设一根或多根（根据温室长度确定，一般每根长度控制在50米左右）进风管，进风管两端封闭，管壁上均匀打孔形成进风孔。进风管的中部沿温室墙体高度方向垂直进风管安装集风管，集风管上安装风机，通过三通将进风管收集的热空气汇集到集风管中。集风管的下端通过三通安装沿温室长度方向布置的热风分配管（埋置在地下），将集风管汇集的热风再均匀分配到热风分配管。与热风分配管垂直，间隔50～80 cm 通过三通安装换热管，换热管埋置在地表下30～50 cm 位置，沿温室跨度方向布置，换热管的末端通过弯头在温室的南侧伸出地面20～30 cm。
上述进风管、集风管、分配管、换热管和风机等形成一套完整的换热系统（图7），白天风机运行将室内高温空气导入地下土壤，提升土壤温度储存热量；夜间当室内温度降低到设定温度时，开启风机将地下土壤中储存的热量再导流到温室内，补充温室热量损失，保证温室适宜的温度。这种方法不仅可以提高温室内空气温度，而且还提高了温室土壤温度，更有利于作物根系的发育和对养分的吸收。同样，利用埋设在土壤中管道表面的结露，也能在一定程度上控制温室内的空气湿度。
▲图7a、循环空气横向流动地面储热—进风管、集风管、风机
▲图7b、循环空气横向流动地面储热—出风口
纵向气流法就是气流在温室土壤中沿温室长度方向流动。一般在温室地表下30～50 cm 沿温室跨度方向布置3～5 列沿温室长度方向的散热管，散热管的两端在靠近山墙（或在温室中部）的位置伸出地面，并在其中一端的管道上安装风机，一端为进风口，另一端为出风口（图8）。
▲图8a、循环空气纵向流动地面储热—进风口
▲图8b、循环空气纵向流动地面储热—温室中部风机口
▲图8c、循环空气纵向流动地面储热—风机口
对于长度较长的温室，也可以将散热管沿温室长度方向分为两段，分别设置进风口和出风口。
相比横向气流法，纵向气流法使用的管道少，安装散热管需要的开沟工程量也小，相应工程造价也低；但由于散热管的表面积总量小，总体而言其储存和释放的热量也相应较少。
作者：周长吉（农业部规划设计研究院）
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