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温室发展现状和节能设计的意义
近年来，我国现代温室发展较快，温室规模越来越大，配套设备越来越先进。温室设计制造、施工安装、配套设备提供已逐步形成产业链，行业规模逐渐形成，温室技术已逐渐成为设施园艺研究的主要方向。现代温室是采用透光覆盖材料作为全部或部分维护结构，具有较强的环境调控能力，保证作物能够正常生长发育的农业建筑设施。据不完全统计，截至2008年，我国连栋温室面积已超过13,000 hm2，并且每年以100 hm2以上的速度在快速发展，这一建筑形式已不再局限于农业领域，逐步应用到商业展示、餐饮娱乐、旅游观光等行业领域。随着石化原料的日益枯竭、能源价格的不断攀升，以及全球气候变暖对CO2等温室气体限排规定的执行，节能已经成为世界普遍关注的话题 。温室是一个高耗能的农业产业，据联合国统计，全世界每年农业生产能耗量的35%用于温室加温，能耗约占温室生产总费用的15%～40%。对于温室建设与使用运行来说，节约能源、提高能源利用率是降低温室成本、提高温室生产效益的重要途径。节约能源还对减少资源消耗、保护环境、保证温室生产可持续发展等具有非常重要的意义。因此，温室节能是温室永恒的研究课题。
温室规划阶段的节能意识
建设单位在温室规划初期，要慎重考虑场区的位置、地势、局部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，降低温室的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，温室北墙尽量利用操作间来提高北侧的保温性能，减少热量损失。
由于国内温室建设投资的多元化，投资人不一定是温室的真正使用者。温室建设之初，用户应根据温室用途合理规划温室规模与配套设备，避免温室规模过大与配套设备过多，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 m～6 m之间，由于温室高度增加，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，从现在各地温室建造状况来看，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。
温室设计阶段的节能技术
温室的方位
温室的建筑方位通常与温室形成光照环境的优劣有密切的关系，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，不少专家学者进行了大量的研究与实验，基本结论都认为，在中高纬度地区，南北方位（即屋脊南北方向）温室室内光照环境的均匀性好，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。
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。
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 m，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 m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。（如图1）
温室材料与设备的节能设计与选用
温室材料与设备的节能设计与选用
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。从节能的角度来说，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、聚碳酸酯波浪板和中空板（即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是好的，但对支架要求高）。下面是几种覆盖材料的透光率和传热系数的比较，表1中所列的透光率均为材料的初始数据，如塑料薄膜和PC板的透光率还会随着使用时间的增加而降低，温室设计时应根据种植作物对光照的要求，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中空板的优点是质量轻、保温性能好，且易于安装。由于我国北方地区冬季较寒冷，PC中空板的应用较为普遍，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。由于市场竞争激烈，不少厂家都推出低于标准质量的廉价产品。表1中所列的传热系数是与标准质量相互对应的，由于挤出的板材降低了每平方米克重，除板材抗冲击性能降低外，更重要的是板材的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，导致供暖和降温运行能耗增加，运行成本增大。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最传统、至今仍在广泛应用的材料。目前，大多数Venlo型玻璃温室均采用4 mm～5 mm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+遮阳保温双层幕布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。
墙体节能技术
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。墙体提高保温节能的措施主要有以下几点：
提高四周土建维护墙的高度，并在维护墙外侧贴保温材料（如聚苯板），提高墙体的保温性能。墙体的高度以不超过苗床的高度为宜。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。
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。
表2为几种不同窗框材料的传热系数，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，使热传导率可相对降低，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为优。从经济性考虑，PVC塑钢型材应是温室窗户材料研发和推广的重点。
中空铝合金天沟的防漏和节能考虑
近几年，荷兰的温室厂家推出新型的中空铝合金天沟，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。但是由于铝合金的热传导系数高于钢板（约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。
温室配套设备的节能措施
①合理选择设备的电机功率。目前，国内连栋温室开窗、遮阳设备已成为温室的基本配置。配套设备的专业生产厂家也逐渐从仿制国外产品转向自主研发，但总体水平还远落后于发达国家，普遍现象是产品技术含量低、规格单一、设备故障率高。就温室遮阳开窗系统的减速电机而言，多数生产厂家只提供400 N·m和800 N·m两种规格的减速电机，显然满足不了各种规格温室遮阳、开窗的需要。用户在选择上述产品时，只能选大不选小，“大马拉小车”的现象普遍存在，迫使温室用户为不节能的设备选型买单。
②合理选用高效节能的产品。轴流风机在温室中的应用越来越普遍。其数量多、运行时间长，故风机的用电量有时占整个温室用电量的一半以上。由于目前温室行业归口管理比较混乱，建设标准不健全，缺乏国家相关部门的严格管理与有效监督，大部分的风机生产厂家为中小型民营企业，技术实力薄弱，缺乏技术研发和投入，致使供应市场的电机多为仿制品，技术参数往往照搬照抄，电机效率、风压、风量等参数缺乏权威的检测，甚至连厂家的技术人员都不清楚最基本的检测方法。有些风机产品的电机铭牌所标注的功率因数远低于国家规范中的相关节能要求。如此不节能的产品装备到现代化的温室中，怎么能保证温室的节能运行呢？目前高效节能电机的市场价格要高于传统电机，淘汰老旧高能耗的电机势在必行且任重道远。
现代温室补光系统常用的补光灯大致分为两种，即电感镇流器和电子镇流器高压钠灯，电感镇流器高压钠灯应用较早，产品种类较多。传统的电感镇流器补光灯镇流器的功率因数为0.5，经过电容校正也只能达到0.8左右。相对于电感镇流器补光灯，电子镇流器补光伴随着中国绿色照明工程的实施和发展，近几年大功率电子镇流器研发和推广力度加大，逐渐形成了一系列的产品，可广泛适用于科研生产的实际需要。电子镇流器补光灯最大的优点是节能，其功率因数高于0.95，最高可达0.99，自身功耗低，灯的总输入功率可下降约20%，有更佳的节能效果。
下面以1000 m2温室，补光水平按6000 Lx/m2，布置灯具106 盏，平均每天补光时间按10 h计算，分别以400 W高压钠灯电子镇流器和400 W高压钠灯电感镇流器为例，耗电量比较结果如表3所示。
表3数据可能会因为生产厂家的不同而有变化，但总的来说，电子镇流器对提高照明系统能效和质量有明显优势，是国家推荐应用的产品，也是未来发展的趋势。
③采用内保温幕，减少热量损失。温室内保温幕系统是安装在温室屋顶或内遮阳系统和作物之间的透明保温幕，驱动系统采用与内遮阳系统相同的平拉幕系统，也可以是手动或电动卷膜方式。保温幕在晴好的白天收拢，夜晚展开，与温室下层空间形成一个小空间的密闭系统，可以有效减小温室加热的空间，减少温室的冷风渗透热损失，减少因水汽冷凝而产生的潜热损失。有的生产厂家根据用户的需求设计了多种形式的保温幕系统应用于实际生产中。根据用户的反馈，在加温季节，同样的情况下，加装内保温幕的温室比未加装保温幕的温室室内温度提高3 ℃～6 ℃。常用保温幕材料有塑料膜或聚酯条编织幕。使用中发现，塑料膜的密封防冷空气渗漏的效果好，但易局部积水；聚酯条编织幕质地柔软，不形成积水，但幕布的编织质量会影响幕布的密封性。
④温室外遮阳技术的推广。我国现代连栋温室外遮阳系统的规模应用始于1998年三益公司的蝴蝶兰温室，在此之前引进的国外温室基本上没有外遮阳系统。由于我国大部分地区夏季日照强烈、气温较高，增加外遮阳系统可以直接将多余的太阳辐射阻隔在室外，不会对温室内的温度造成影响。从遮阳降温的角度来说，外遮阳的降温效果最好。
以北京地区PC板温室为例，假设温室东西长80 m，南北宽48 m，天沟檐高3.5 m，如果采用65%遮阳率的外遮阳和65%遮阳率的内遮阳进行风机—湿帘降温设计，在外界太阳辐射900 W/m2，环境温度35 ℃，相对湿度40%的条件下，采用高1.5 m的湿帘72 m， 9FJ1250型1.1 kW的轴流风机11 台即可满足温室平均温度28 ℃的要求。如果不采用外遮阳系统，同样条件下，温室的热负荷会成倍增加，温室配套湿帘的面积和风机的数量增加一倍也无法达到室内平均28 ℃的降温效果。因此，外遮阳技术的推广对于温室夏季的节能运行意义重大。
采用温室外遮阳技术需要注意的是，平拉幕系统与卷膜系统对遮阳幕的要求不同，针对不同的系统选择适宜的遮阳幕对遮阳降温效果的实现有较大的影响。
温室运行及管理的节能途径与措施
风机的分阶段运行
在使用有多台风机的风机—湿帘降温系统时，风机和湿帘可以根据温度的变化而设置成分阶段运行。分阶段运行的风机应该错开，以获得均匀的气流。例如，第一阶段时每3 台中1 台风机运行。随着温度的升高，第二和第三阶段的风机依次开启运行，且随着温度的下降顺次关闭。有些情况下也可以使用调速风机，以提高运行效率。只有在全部的风机都运行且仍不能获得理想的降温效果后，才开启湿帘系统为第四阶段的降温措施。
温室种植的变温管理
通过对部分温室蔬菜栽培的研究，有关专家提出温室栽培的四段式温度管理模式。其机理是作物光合作用与呼吸作用，以及光合作用产物的运输与积累等生理活动与环境温度的日变化有关。以温室冬春黄瓜栽培为例，黄瓜进入抽蔓期以后，应根据黄瓜1 天中光合作用和生长重心的变化进行温度管理。黄瓜上午光合作用比较旺盛，光合量占全天的60%～70%，下午光合作用减弱，约占全天30%～40%。光合产物从午后15：00～16：00开始向其他器官运输，养分运输的适温是16 ℃～20 ℃，15 ℃以下停滞，所以前半夜温度不能过低。后半夜应降低温度，抑制呼吸消耗，在1 0 ℃～20 ℃范围内，温度越低，呼吸消耗越小。因此，为了促进光合产物的运输，抑制养分消耗，增加产量，黄瓜在温度管理上应适当加大昼夜温差，实行四段变温管理，即上午为26 ℃～28 ℃，下午逐渐降到20 ℃～22 ℃，前半夜再降至15 ℃～17 ℃，后半夜降至10 ℃～12 ℃。实践证明，这种运行管理方法有利于作物的增产和降低能耗。
加强温室生产中的科技投入，提升自动化管理水平现代化温室环境调控设备多，设备之间的关联程度复杂，一套精准的自动化管理技术可以科学合理地自动操作和协调各种调控设备，使温室内的环境随时达到作物生产环境的最佳效果，满足作物生长的实时需要，减少人为的浪费，达到节能和增产目的。国内的温室自控厂家推出了几款自控系统，相比进口产品功能相对简单，但价格低廉，值得用户推广。
加强温室生产人员的技术培训
我国现代化和规模化的温室生产栽培起步较晚，从业人员多是当地农民，也许他们对大田作物的种植有一定的经验，但是对于温室栽培，他们掌握的技能和经验还远远不够。前些年，国内大搞农业园区建设，许多进口高档现代化温室配套设备齐全，自动化控制水平很高。由于引进温室不适于当地的气候环境和管理人员使用不当，造成不少自控设备闲置，管理人员索性只用手动控制功能，作物所需环境完全依靠管理人员的感觉来调控。一方面造成了建设资金的浪费，另一方面也造成了运行成本的增加。提高从业人员的技术水平，对于提高温室栽培效益、节能降耗，具有长远的战略意义。
实行集约化、规模化的温室栽培模式
与荷兰等园艺强国相比，我国的温室生产栽培虽然总面积占优势，但对于种植个体来讲，相对规模较小、种类多、专业化分工不够。例如，对于蝴蝶兰种植，荷兰强调明确的社会分工，在生产环节上各个企业分工明确，育苗、催花、成品花等各阶段专业化、规模化生产。例如，荷兰有一栋将近4 公顷的温室，完全进行催花种植，从技术、人员到设备，都是按照催花阶段的要求配置的，如此不仅减少了其他不必要的资源浪费，在提高品质和产量的同时，也实现了节能降耗、提高效率。
温室节能的展望
我国现代化温室的建设已经发展到由引进、仿制过渡到自主创新的阶段，因地制宜，根据地区气候特点、栽培技术水平、劳动力技能水平，倡导节能意识，探究节能方法与措施，选用节能产品是我们温室行业的责任。温室节能的研究领域是广阔的，需要政府主管部门、温室设计单位、生产厂家、种植企业、设备提供商共同合作，认真扎实地在各个环节中做好工作，走可持续发展的道路。我们要抓住国家经济发展和转型的有力时机，利用“后发”优势，迎头赶上，为中国温室园艺行业做出贡献。
