对温室节能设计的综合研究分析

对温室节能设计的综合研究分析        随着石化能源日益枯竭、能源价格持续上涨以及全球范围气候变暖，对CO2等温室气体限排规定的制定执行，节能减排已成为普遍关注的话题。温室是一个高能耗产业，在世界范围内，农业生产能耗量的35%用于温室加温、降温，能耗约占温室生产总成本的20%至30%。对于温室建设设计、施工与温室生产来说，节约能源、提高利用率，是降低温室生产成本和提高温室生产效益的重要途径。因此，节能减排是目前温室建造行业的核心主题。
1.温室建设规划阶段的节能意识
       在温室规划前期，要充分考虑建设地点的地势、位置、气象条件和地热资源等情况，分析温室建设的可行性，避免盲目建设而导致项目失败。
       温室规划方案的设计，要充分利用地势、采光、避风和地热等自然条件，降低温室建造成本和运行费用。在场区内温室与辅助设施的布置中，尽量合理安排各功能建筑设施的位置，在满足整体流程的要求下，减少外管线的长度，减小建筑的体量，并合理考虑操作间与温室的位置，如温室北墙尽量利用操作间来提高北侧保温性能，减少热量损失。
       由于国内温室建设投资人不一定是温室真正使用者。温室建设之初，用户应根据温室的用途合理规划温室规模与配套设备，避免温室规模过大，配套设备过多，造成初始建造成本的浪费。例如，目前温室行业盲目追求高大温室，就连普通的育苗温室柱高也在4米至6米，高度增加，导致温室侧墙散热面积增加，增大了温室的后期运行成本。
      另外，从各地现在温室建造状况来看，投资人更多选择压缩温室建设资金，导致温室交付使用后配套设备少、质量差，不能满足正常情况下温室节能运行的需要。例如，为了压缩建设资金，温室不设置顶部开窗系统，或减小顶部开窗面积，导致温室使用时过多依赖风机进行强制通风，从而增大了温室的运行能耗和成本。
2.设计阶段的节能技术
2.1温室的方位
     温室建筑方位通常影响温室内光照环境的优劣，而光照环境的优劣会影响温室保温性能、作物产量以及总的经济效益。
      对于温室的方位，不少专家进行了大量研究与实验，基本结论都认为，在中高纬度地区，屋脊南北方向的温室室内光照环境均匀性好，适合作物早期生长；东西方位温室冬季耗能少，保温性好，但由于太阳入射角的原因，室内会形成较固定的弱光带，室内光线分布不均匀。因此，温室方位的选择应根据当地生产需要和气候条件，尽量考虑采光充足、降低能耗的方位来建造。
2.2温室屋面形式
      温室屋面的形状不同，对太阳直射光的透过率不同，造成进入温室内的太阳辐射存在差异，进而影响室内光照及地面、墙体对太阳辐射的吸收，导致温室保温性能的差异。有研究表明，双坡面温室在寒冷季节，其直射光透过率比圆拱形温室提高约10%。中国农业大学的专家发明了一种阶梯型连栋玻璃温室，屋面为双坡面不对称形状，屋面透光高，遮阳率较低，光照均匀性好。在实际项目中，北京航天华阳环境有限公司建造的北大荒农业观光园玻璃温室也采用了双坡面不对称屋面，温室东侧屋面适当增大，西侧屋面适当减小，以利于增加温室上午的透光率，提高作物的光合作用水平。
      近几年，荷兰等国家凭借其独特的气候条件，开始逐渐推广屋面全开启式温室，该项技术主要通过专用传动机构，以天沟为转轴实现温室两屋面同时张开或闭合。屋面全部开启，排除了覆盖材料对光波的滤波损失，改善温室内部的光环境，使植物完全享受自然光的照射，提高了作物品质，可实现温室100%通风，快速排湿、降温，降低能耗。此类型温室适合于冬季温暖、风力不大的地区应用，因此，在我国北方地区屋面全开启式温室的应用较少。但对于我国中低纬度地区，或以春夏秋季种植为主的用户而言，此类型温室可显著降低通风、排湿和降温的运行能耗，提高效益。
2.3温室尺寸与联体方式
       温室的降温方式大多采用风机-湿帘系统，一般采取负压纵向通风的方式。湿帘安装在温室北侧墙上，风机安装在南侧墙上。受湿帘降温效果的影响，南北侧墙之间的距离不宜过大，通常情况下不超过70米，否则会影响降温效果。
       对于既要在夏季充分利用自然通风系统降温，又强调冬季保温节能的温室设计来说，可以把温室设计成具有灵活使用功能的可变单元。例如，各单栋温室采用8米跨三连跨形式，单栋温室间设有连接间，夏季运行时连接间顶部去掉覆盖材料，有利于各单体间的通风降温；冬季运行时连接间顶部覆盖塑料膜，将各单栋温室通过连接间组成一个大温室联体使用，减少外围护的总面积，降低温室的采暖能耗，降低运行费用。
3.材料的节能设计与选用
3.1覆盖材料的节能考虑
      覆盖材料是温室的重要组成部分，其性能的好坏决定着温室整体的采光性能和保温性能。从节能角度来说，覆盖材料的保温性能越好，其节能潜力越大；透光性能越好，利用自然光的效率越高。
      覆盖材料的透光性能和保温性能常有矛盾，往往是透光性能好的材料，保温性能则差。目前常用的覆盖材料有聚乙烯薄膜、玻璃、聚碳酸酯波浪板和PC板。
      其中，薄膜透光性能好，但是保温性能较差；中空玻璃的保温性能好，但对温室钢结构要求高。塑料薄膜和PC板的透光率还会随着使用时间的增加而降低，温室设计时应根据作物对光照的要求，合理选择适宜的材料，既保证作物的品质和产量，又兼顾节能运行的要求。
PC板的优点是质量轻、保温性能好，且易于安装。由于我国北方地区冬季较寒冷，PC板的应用较为普遍。目前国内专业生产厂家也如雨后春笋般涌现出来，市场竞争激烈，导致不少厂家都推出低于标准质量的廉价产品，除了使板材抗冲击性能降低外，更重要的是板材保温性能也随之降低，造成温室设计时采用的传热系数数据与实际不符，运行时供暖和降温能耗增加，成本增大。因此，采用标准板材对于温室节能意义重大。
  玻璃是温室覆盖材料中传统、至今仍在广泛应用的材料。目前，大多数文洛型玻璃温室均采用4毫米至5毫米浮法玻璃作为覆盖维护材料。对于顶部玻璃而言，可以采用单侧玻璃+遮阳保温双层幕，以减少冬季夜间顶部热量损失；对于四周侧墙来说，可以采用双层中空或真空玻璃作为覆盖材料，以减少热量损失。
3.2墙体的节能措施
       墙体是温室外围护结构的主体，其功能主要是防水、隔热、保温。温室的墙体应尽可能做到高保温。提高墙体保温节能的措施主要有以下几点：增加四周土建维护墙的高度，并在维护墙外侧贴类如聚苯板的保温材料，提高墙体的保温性能。墙体的高度以不超过苗床高度为宜。
       对于较寒冷地区，北侧墙体宜采用高热阻的材料，通常使用高密度的聚苯夹芯彩钢保温板作为墙体材料，可以极大提高整个温室的保温性能。
       对于北方地区普通的日光温室，北侧墙除采用高热阻的墙体结构外，还可以从增加后墙蓄热面积着手，采用凹凸结构的墙体或相变材料，提高温室的蓄热保温性能。
3.3门窗材料的节能技术
      窗户在温室中的主要作用是通风，但大面积的开窗是温室热耗的薄弱环节。据统计，在建筑中，普通单层玻璃窗的能量损失约占建筑物冬季保温或夏季降温能耗的50%以上，改善其绝热性能是节能的重点。目前，温室的窗框材料均为温室厂家设计的铝合金型材。由于温室厂家技术水平的差异，相关温室门窗的设计标准不健全，窗框型材存在材质单一、结构不合理、空气渗漏严重等问题。因此，针对温室开窗型材的研究与开发，也是温室实现节能设计的重要方向。
      PVC塑料异型材在结构上采用中空多腔室，内部被隔成数个充满空气的密闭小空间，使热传导率相对降低，具有优良的隔热保温性能。相同面积、相同玻璃层数的PVC塑钢窗的隔热保温性能比金属窗优越。从经济性考虑，PVC塑钢型材应是温室窗户材料推广的重点。
3.4天沟的防漏和节能考虑
      近几年，荷兰的温室厂家推出一种新型中空铝合金天沟，有效解决了温室覆盖材料与天沟连接处“漏”的难题。铝合金型材加工精度高，在安装时连接部位同样使用铝合金型材连接板，并配有防水垫片，雨水从上层天沟排出，结露水被收集到下层天沟后，集中排出室外或回收利用，确保所有汇集到天沟的排水都不会滴漏到温室内部。由于其截面尺寸较小，比同样排水能力的钢制天沟可以减小遮光面积，增加温室采光，对于光照不足的地区，具有明显的推广优势。但由于铝合金的热传导系数约是钢板的3.5倍，传热快、能耗大，不利于温室的保温节能。因此，在我国北方寒冷地区使用这种铝合金天沟需要作保温处理。