一种装配式内保温双层结构
主动储放热塑料大棚
对组装结构的保温大棚，笔者曾报道过一种外保温的外卷边C形钢拱架组装结构，2018年1月底，在一次和北京阳光天下科技发展有限公司董事长吕昊先生的交流中得知，他们公司在试验研究一种内保温的组装式塑料大棚，并给我展示了照片，还给我提供了新疆阿克苏阿拉尔市正在生产中的种植辣椒现场的温度测试报告，引起了我极大的兴趣和我们之间的共鸣。通过进一步深入交流，笔者基本了解了这种大棚的结构及其配套设备和基本性能，在征得吕昊董事长的同意后，在他提供资料的基础上笔者整理出本文，并以此文向业内同行隆重推介这一新型产品。
内保温塑料大棚采用圆拱顶带肩结构，内外双层，内层结构与外层结构无论山墙侧还是侧墙侧均完全分离，间距0.5m（图1）。大棚外层结构跨度12.0m，脊高4.5m，标准单元长度42.0m；内层结构跨度11.0m，脊高4.0m，长度41.0m。一个标准单元大棚的建筑面积504.0m2，使用面积451.0m2。
内保温大棚的外层结构和传统的装配式镀锌钢管结构塑料大棚一样，配套两侧或单侧山墙大门，用于操作管理和夏季通风，在大棚的两侧墙安装手动或电动卷膜器，用于大棚的通风换气（这也是传统塑料大棚的标配要求）。保温大棚的内层结构是保温的主体，除了和外层结构一样需要在山墙开设操作门和侧墙安装卷膜通风机外，在其外表面覆盖保温被是这种大棚的主要特征。由于在室内（相对外层结构）安装保温被，不能像装配式外保温塑料大棚那样安装中卷式卷被机，而只能在山墙的一端安装摆臂式卷被机。受摆臂式卷被机工作距离的限制，从山墙一侧卷被时，卷被轴的长度不宜超过60m，如果在两侧山墙均安装摆臂式卷被机，则大棚的长度可达到与配套中卷式卷被机的外保温塑料大棚的长度，但需要多使用2台卷被机（双侧卷被）。该设计采用单侧山墙摆臂式卷被机，从使用安全的角度考虑，大棚的长度采用了40m长的内层结构，是一种比较保守的设计。
内保温双层结构大棚的主体承力结构也分为双层。外层结构承载室外风雪荷载，内层结构承载保温被及卷被机荷载和种植作物的作物荷载。外层结构和内层结构在承力体系上完全脱离，互不影响。
外层结构由于内层结构的阻碍，无法安装室内立柱，所以大棚的跨度受到限制。设计采用12.0m的外层结构跨度已经是无立柱塑料大棚结构中跨度比较大的结构，在不同地区推广使用这种类型的大棚时一定要根据当地的设计风雪荷载校核结构强度。该设计外层结构采用φ60mm×30mm×2.5mm椭圆管（这也是该大棚区别于传统装配式钢管结构塑料大棚的一个显著特征，采用椭圆管后较圆管的承载能力显著提升），拱杆间距1.0m，屋面安装5道φ32mm×2.5mm圆管纵向系杆，靠近两山墙的侧墙端安装斜撑，保证结构的纵向稳定性。
大棚的内层结构完全不用考虑室外风雪荷载的作用，但考虑到保温被和卷被机的荷载以及作物荷载较大，设计中采用了中部立柱的结构形式（实际上这也是一种较保守的设计）。为了加强立柱与屋面拱杆的连接，在立柱上部沿大棚跨度和长度两个方向安装了斜支撑（图2），分别连接屋面拱杆和大棚屋脊梁，可有效抵抗卷被机及保温被的运动荷载。内层结构主拱杆采用φ60mm×30mm×2mm椭圆管，间距1.0m，与外层拱杆位置对应。内层结构屋面上沿大棚长度方向安装3道纵向系杆，其中屋脊部位纵向系杆采用-400mm×2.0mm钢板（便于和立柱连接），屋脊两侧屋面纵向系杆采用φ25mm×2mm圆管。和外层结构一样，内层结构在靠近山墙的侧墙上也安装有斜撑，保证结构的纵向稳定。立柱采用φ40mm×2.0mm圆管，间距3.0m。
为了便于承载作物荷载和吊挂作物，在内层骨架上专门设计了一套作物吊挂系统（图3）。在大棚的肩高部位沿跨度方向间隔1m（每根拱杆上）拉钢丝做三级吊蔓线1，两端分别固定在内层骨架上肩高位置；从屋面纵向系杆上竖直向下挂一级吊蔓线，其中屋脊两侧纵向系杆吊挂的一级吊蔓线直接与三级吊蔓线连接，而在屋脊梁上吊挂的一级吊蔓线则连接在沿大棚长度方向通长布置的刚性钢管上（称为二级吊蔓线），该二级吊蔓线与三级吊蔓线相交处，三级吊蔓线跨越二级吊蔓线，对三级吊蔓线起到支撑作用。这种做法可减少二级吊蔓线的数量，而且能充分发挥大棚中间立柱的作用。
种植作业中，如果作物按大棚跨度方向起垄，垄距为1.0m，则可直接利用三级吊蔓线吊挂作物；如果采用大小行垄距种植或是沿大棚长度方向起垄，则需要在三级吊蔓线上再搭设一层二级吊蔓线来吊挂作物。
不论是大棚外层结构还是内层结构，全部骨架均采用热浸镀锌表面防腐，工厂化生产，现场组装，构件连接采用大棚专用连接卡具，没有焊点，组装方便、拆卸容易，工业化、标准化水平高，具有良好的推广性能。
内保温大棚除了前述的双层结构保温以及内层结构外保温被保温外，采用主动储放热系统是该保温大棚的最大亮点。在被动保温的基础上，为了进一步增强大棚的温度主动调控能力，该大棚配套了一套空气循环地面储热的主动储放热系统，如图4。
在大棚中部靠近屋脊位置安装风机（这里白天的空气温度最高），将室内白天热空气通过直立的集风管道（图4a白色管道）导入埋设在地下沿大棚长度方向布置的热风分配管，热风分配管上通过三通连接换热管，将热风分配管中空气导流到埋入地下的散热管中，散热管中的高温空气与低温的土壤进行热交换，从而将大棚室内空气中的热量储存在地面土壤中。散热管的端部通过弯头伸出地面（图4c），将经过换热的冷空气重新导入大棚，融入大棚室内空气，一方面起到大棚降温的作用，另一方面在大棚内对冷空气进行再加温，提高空气温度后再进行循环换热。到了夜间，当大棚内空气温度降低到设定温度时，重新启动风机，将白天储存在地面土壤中的热量再通过散热管重新输送到大棚内，以保持和提升大棚内夜间空气温度，使其满足作物生长的要求。
主动储放热系统的风机和集风管间距6m，集风管采用φ200mmPVC管，热风分配管采用φ160mmPVC管，散热管采用φ110mmPVC管，散热管间距1.0m，埋深1.2m。由于散热管埋深较深，深层土壤的温度比较稳定，而且基本不会影响大棚内的耕种作业。由于采用了这套主动储放热系统，在多重严密保温的基础上，大棚可以在中国大部分地区越冬生产，并有替代传统日光温室的可能。
大棚的保温系统包括内层结构的保温被外保温和内外层结构间形成的空气间层的隔热两部分。
由于大棚内外层结构均覆盖PO薄膜，即使没有内层结构的保温被，在内外两层结构间也能形成封闭的空间，通过空气的绝热作用可在一定程度上减少大棚的散热。一般双层结构较单层薄膜塑料大棚可节能60%左右。
内层结构覆盖保温被，与外层结构覆盖保温被相比，对保温被的防水性能、防风要求以及表面抗紫外线等耐老化性能的要求均有显著降低，所以在内层结构上覆盖的保温被可不用厚重的草苫等材料，而可选择使用更加轻盈、保温性能好的材料。该保温大棚配套的保温被材料没有采用我国传统日光温室使用的草帘、针刺毡等保温被，而是采用了一种自主研究开发的新型保温被材料，内层保温芯为EPE发泡材料，外层保护层为牛津布，保温被质地轻柔、重量轻、不吸水，而且还可以少量透过散射光。白天卷起后体积较小，室内阴影面积小（采用散射薄膜后室内几乎看不到阴影，图5a），夜间覆盖后铺展均匀，无漏缝（图5b），大棚具有良好的保温性能。
除了EPE发泡材料的保温被外，公司还针对寒冷地区推出了一种复合材料保温被，即在原有三层结构EPE发泡材料保温被（牛津布+EPE+牛津布）的基础上研制出一种五层结构的保温被（牛津布+EPE+中空隔热纤维+EPE+牛津布），其中各层保温材料的厚度可按照不同地区室外温度的高低改变和定制。但这种复合材料保温被目前成本比较高，而且增大厚度后保温被的体积增加很多，不仅给远距离运输增加了成本，而且被卷在大棚内，卷起后体积大、遮阴面积大，对室内作物采光影响显著。针对此问题，公司又开发了一种充气放气可变体积隔热材料的保温被（图6），充气后30cm厚度与10cm厚10kg/m3容重聚苯板保温性能相当；放气后的厚度仅3mm左右（加上保护层总厚度为5~6mm），在棚顶收卷后的直径大约30cm左右，对室内的遮光基本上可以忽略不计。目前该产品已经接近了量产，有望2018年能够小批量量产。
对大棚两侧山墙的保温，屋脊南北走向布置的大棚（这也是塑料大棚常用的布置方式），北山墙的内层结构采用与屋面保温被相同的材料固定覆盖，与大棚内层结构屋面保温形成封闭的保温体系，但南侧山墙考虑到白天采光没有增设固定保温被，夜间只利用内外两层结构间形成的空气间层形成保温，这里或许是大棚夜间散热的一个冷桥面，如果在未来的技术研究中能进一步提高南山墙夜间的保温将对提升大棚的整体保温性能起到很大的作用（有的保温大棚南侧山墙采用中空PC板替代单层塑料薄膜，可显著提高南侧山墙的保温性能，但由于中空PC板的透光率较低，这种增强夜间保温性能的措施会减少大棚白天的采光，实践中应权衡利弊，结合当地的太阳辐射水平选择使用）。
该大棚在新疆南疆的阿克苏阿拉尔市建设运行。2018年1月5日定植生产，1月19~23日连续5天与当地的土墙日光温室和砖墙日光温室进行对照测试，在室外温度-20~-15℃的条件下，温室大棚内的气温和地温如图7所示（图中温度为5天各时段的平均温度）。由图7可见，双层内保温大棚夜间的保温性能已经超过了当地日光温室的水平，而且室内最低温度保持在10℃以上，基本达到了果菜生产的最低温度要求，替代日光温室已经成为了现实。
双层结构大棚，由于外层结构的存在，给内层结构的施工和安装带来很大不便。另外，大棚内设计了空气循环地面储热系统，在大棚结构安装后再施工时作业空间也受到限制。为此，该大棚的施工安装程序和单层结构的塑料大棚（包括单层结构外保温塑料大棚）就有很大的区别。
双层结构塑料大棚的安装顺序为主动蓄热地埋散热管安装（包括开沟、布管和回填）→内层结构安装（包括基础、主体结构、覆膜、卷膜器、保温被和卷被机）→外层结构安装（包括基础、主体结构、覆膜、卷膜器等）→其他设备安装。按照这样的施工安装程序，内外两层结构可像单层结构的施工安装一样，施工安装不受任何空间上的约束（图8）。
开沟安装主动蓄热地埋散热管可用专用的开沟机（图9），按照放线位置和开沟深度可一次快速成型，施工速度快、劳动强度低、作业标准化水平高。
大棚主体承力骨架的安装首先应做好基础。大棚基础的做法有很多种，从不扰动地基原土的角度考虑，目前比较流行的大棚基础做法是采用基础钢桩，即将1.0~1.5m长的钢管（钢管直径与大棚主体结构的骨架尺寸相匹配）用冲击锤打入地中，通过螺栓连接的方式将基础桩与上部结构的拱杆连接在一起（图10），形成完全的组装式结构。这种做法完全省去了土建工程，施工的标准化程度高、施工速度快、效率高、成本低。基础桩的承力主要依靠与土壤的摩擦力，不仅可以承载上部结构自重和竖向荷载对基础的下压力，而且也能承载风荷载对基础的上拔力。施工采用完全机械化的冲击锤打桩机（图10a），不仅可以降低劳动强度，而且打桩速度快、作业的标准化水平高，施工的工程质量好。
一项新产品在看到其优点的同时，也应充分分析其存在的问题，以便为产品的不断改进和提高找到抓手。以下笔者就这种保温大棚在走向替代日光温室的道路上遇到的一些问题进行分析，以提示产品开发者改进技术、提升设施性能。
7.1采光问题
该保温大棚采用双层结构，进入大棚作物种植区的太阳辐射要经过两层塑料薄膜的反射和折射，较单层塑料薄膜，作物采光区的总光量损失至少10%，如果考虑结露、积尘等因素，实际的光照损失可能会达到20%以上。管理中应选择高透光率的流滴性塑料薄膜，并经常清扫塑料薄膜表面的灰尘，以保持塑料薄膜的高透光性能。
内层结构屋面上的保温被在白天卷起滞留在屋脊部位是大棚内形成阴影带是一个难以克服的问题。保温被从内层结构的两侧侧墙卷起，白天基本卷放在屋脊位置，如果两侧卷被机不能把保温被卷紧，室内的阴影带或许会更宽。管理中一是要采用高散射薄膜，尽量减少大棚内的直射辐射比例，提高大棚内光照的均匀性；二是要选用质地轻柔、厚度小、热阻大的保温被材料，使保温被卷起时被卷的尺寸控制在最小的范围内。
7.2通风降温问题
该保温大棚内外双层结构均安装了侧墙卷膜开窗通风系统，但由于室内热空气基本都集中在大棚内屋脊部位（这里空间位置最高，是热空气的集聚区），单纯的侧墙通风排除屋脊部位热空气的效率很低，尤其从春末到秋初的炎热季节，给大棚的降温带来很大困难。改进的措施应该在大棚内外层结构的屋脊部位开窗通风，使集聚在棚内屋脊部位的热空气能够以最短的路径、最快的速度排出大棚，以获得高效的通风降温效果。实践中可在外层结构的屋脊安装1台或2台手动或电动卷膜开窗机构，在内层结构的屋脊两旁（躲开保温被被卷长期停留的区域）开通风口，安装手动或电动卷膜器，同时控制内外两层结构屋脊的通风机构可快速通风换气，排除室内湿气、降低室内温度。此外，从夏季降温的角度考虑也可以在大棚内层结构外表面（保温被下）安装遮阳网，阻挡和减少进入大棚的太阳辐射，从而起到降低室内温度的作用。
7.3未来研发的设想
该保温大棚开发初衷的是希望通过集成各种温室的优点，在满足用户性价比要求的前提下，把各种技术进行集成，筛选出一种适合中国乃至全世界通用的大棚标准结构，通过模块化设计、大规模生产来降低制造成本，各个模块采用标准化设计，通过更换各个模块来适应各种温度环境和用户的需求，目前该保温大棚已经具备了模块化设计的条件。如可以通过更换透光覆盖材料和保温覆盖材料来满足和适应各种环境气候，以及用户的要求，在室外温度低于-30℃的地区，采用中空PC板做外层结构的透光覆盖材料，可大幅度减少透光材料的热损失；在大棚两侧山墙安装风机-湿帘降温，可满足大棚夏季炎热季节的降温需要；可以选择不同厚度的保温被来满足不同地区和不同种植品种对大棚冬季室内温度的需要；可以安装屋顶模块化通风让用户有更多选择，来满足各种要求。
作者单位：农业部规划设计研究院，农业部农业设施结构工程重点实验室
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