對我國蔬菜溫室的評價及新型日光溫室的研發(fā)

蔣錦標(biāo) 姜興勝 喬 軍 滿朝紅 吳國興

改革開放以來，由于經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，“菜籃子”工程的實施，設(shè)施園藝有了突破性發(fā)展。截止到2008年，全國蔬菜（含西瓜、甜瓜、草莓，下同）播種面積2005.4萬hm2，產(chǎn)量66915.7萬t，分別比1980年增長5.3倍和7.3倍。其中，各類設(shè)施蔬菜面積達(dá)334.7萬hm2，約比1980年增長468倍。其中塑料大中棚130.2萬hm2，塑料小拱棚127.88萬hm2，節(jié)能日光溫室61.8萬hm2，普通日光溫室11.6萬hm2，加溫溫室1.9萬hm2，連棟溫室1.3萬hm2。連棟溫室只有少數(shù)由國外引進(jìn)，多數(shù)是國產(chǎn)。（以上數(shù)據(jù)來源于全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心）

黨中央和國務(wù)院十分重視現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展，十七屆五中全會明確提出發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于統(tǒng)籌推進(jìn)新一輪“菜籃子”工程建設(shè)的意見》提出，建設(shè)一批園藝產(chǎn)品設(shè)施化生產(chǎn)基地。設(shè)施栽培溫室是龍頭，“十二五”時期還將進(jìn)一步發(fā)展。但需客觀評估以往的發(fā)展經(jīng)驗，轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，促進(jìn)中國溫室園藝的健康發(fā)展。

1 對現(xiàn)有溫室的評價

日光溫室和連棟溫室各具特色，也各有優(yōu)缺點，只有通過充分分析、客觀評價，才能有所繼承、改進(jìn)和創(chuàng)新。

1.1 日光溫室

日光溫室為我國獨創(chuàng)，在北方冬季-20℃的條件下，不用加溫即可進(jìn)行喜溫作物生產(chǎn)，其節(jié)能技術(shù)國際領(lǐng)先。

日光溫室建造容易，管理方便，投資少，見效快，既適合以家庭承包經(jīng)營為主的小規(guī)模生產(chǎn)，也適合企業(yè)和種植大戶的專業(yè)化生產(chǎn)，所以發(fā)展很快。但是日光溫室也存在一些不容忽視的弱點和缺陷。首先，日光溫室土地利用率低，通常只有40%左右，在人均耕地資源相對不足的我國，不能不說是一個重大缺陷。其次，日光溫室多為土墻和竹木結(jié)構(gòu)的簡易屋架，每年需要維修或重建。第三，骨架立柱多，強(qiáng)度低，容易受災(zāi)。

日光溫室采用草苫覆蓋的外保溫措施，雖然經(jīng)過改進(jìn)，使用了卷簾機(jī)，克服了勞動強(qiáng)度大、卷放時間長、影響有效采光蓄熱時間等缺點，但是遇到雨雪天氣，草苫易遇濕凍結(jié)，不但卷放困難，還降低保溫效果，并存在火災(zāi)隱患。

1.2 連棟溫室

20世紀(jì)70年代末起，我國從荷蘭、日本、法國、以色列等國引進(jìn)了一大批現(xiàn)代化溫室，具有設(shè)備先進(jìn)、自動化程度高、土地利用率高的優(yōu)點，但是造價昂貴、耗能多、運行費用高，用于蔬菜生產(chǎn)大都處于高額虧損難以維系的境地。90年代中期以后，國內(nèi)溫室制造業(yè)迅速發(fā)展，通過吸收國外經(jīng)驗，設(shè)計定型了一些造價相對較低的連棟溫室，但造價高、能耗高、運行成本高的狀況未能得到根本改善，仍然難以大量發(fā)展。

2 堅持中國特色的溫室發(fā)展道路

日光溫室發(fā)源于我國遼南地區(qū)，不僅符合中國國情，而且節(jié)能技術(shù)世界領(lǐng)先。20世紀(jì)80年代中期以來，經(jīng)國家農(nóng)業(yè)部全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心（原全國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站）組織在“三北”及黃淮地區(qū)試驗示范，發(fā)展了采光設(shè)計原理，即由原來的“合理采光原理”發(fā)展到“合理采光時段原理”；創(chuàng)新了保溫設(shè)計原理，提出了“異質(zhì)復(fù)合保溫體”理論，即將日光溫室的墻體及后屋面設(shè)計建造成“異質(zhì)復(fù)合保溫體”，大大優(yōu)化了日光溫室的結(jié)構(gòu)性能，促進(jìn)了日光溫室迅猛發(fā)展，為保障我國長江流域以北地區(qū)冬春季節(jié)的喜溫蔬菜、瓜、果供給做出了歷史性貢獻(xiàn)。當(dāng)然，我們也清醒地看到了如前所述的日光溫室的弱點和缺陷。但發(fā)現(xiàn)其弱點和缺陷絕不意味著拋棄，而是要進(jìn)一步研究、改進(jìn)和完善，使其更適合中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展道路，促進(jìn)以日光溫室為主的中國特色溫室園藝健康發(fā)展。

“十二五”時期，我國溫室園藝的發(fā)展，應(yīng)堅持既能保持日光溫室低碳節(jié)能、造價低的優(yōu)點，又能顯著提高土地利用率，保護(hù)耕地，并符合智能型溫室發(fā)展要求的中國溫室發(fā)展道路。

3 內(nèi)保溫組裝式日光溫室的研制開發(fā)

3.1 研制背景

1990～1992年，遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院（原熊岳農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校）承辦了全國日光溫室培訓(xùn)班。為了提高培訓(xùn)效果，在實習(xí)農(nóng)場建造了不同結(jié)構(gòu)類型的日光溫室，并進(jìn)行系統(tǒng)的性能測試，對日光溫室的優(yōu)點及存在問題有了充分的了解；對連棟溫室，在考察和引進(jìn)國產(chǎn)溫室的同時，也通過自行建造和應(yīng)用實踐，印證分析其優(yōu)缺點。研究者們認(rèn)識到，“十二五”時期應(yīng)該在繼承日光溫室優(yōu)點的基礎(chǔ)上，克服其弱點和缺陷，繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院在主管部門的支持下，成立了課題組，采取邊研制邊實踐的方法，設(shè)計建造了內(nèi)保溫組裝式日光溫室。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

溫室跨度11 m，脊高3.8 m，長60 m。溫室屋面拱圓形，不設(shè)置傳統(tǒng)的墻體和后屋面，溫室骨架用自制V型熱鍍鋅槽鋼，7道拉桿用4分熱鍍鋅鋼管（圖1）。

圖1 內(nèi)保溫組裝式日光溫室示意圖

溫室骨架采用部件組裝，所有部件全部是工業(yè)流水線生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，建造無需焊接，安裝方便，節(jié)省時間。覆蓋薄膜后壓膜線壓在拱桿的槽內(nèi)，不但壓得很緊，還使屋面薄膜平整，有利于透光和流滴。

3.3 采光設(shè)計

3.3.1 方位角 內(nèi)保溫組裝式日光溫室走向與傳統(tǒng)日光溫室相同，東西延長。鑒于蔬菜作物大都是上午的光合作用能力強(qiáng)，溫室往往并不是朝向正南，而是因當(dāng)?shù)囟驹绯康臍鉁囟āＭǔＧ闆r下，緯度較低的地區(qū)，冬季氣候溫和，8：00前即可揭苫見光，宜取南偏東的方位；緯度較高的地區(qū)，冬季氣候嚴(yán)寒，須9：00以后才可揭苫見光，宜取南偏西的方位；介于以上兩者之間的地區(qū)，則宜取正南方位，即日光溫室的延長線垂直于當(dāng)?shù)氐恼孀游缇€；而南偏東或南偏西溫室延長線的垂線與當(dāng)?shù)卣孀游缇€的夾角以5°為宜，切不可過大，否則不利于日光溫室的蓄熱。

3.3.2 屋面采光角 南屋面的采光設(shè)計原理與傳統(tǒng)日光溫室相同，就是要符合“合理采光時段屋面角”的設(shè)計要求，以最大限度地獲取太陽輻射能。在北緯40°地區(qū)，從溫室中部最高透光點向地面引垂線，再由最高點向前底腳引斜線，形成與地面呈35°夾角的直角三角形（圖2），然后在拱圓形屋面上每米設(shè)一切角（圖3）。由于不設(shè)置不透明屋面，溫室內(nèi)的光照度全天都高于傳統(tǒng)日光溫室。

圖2 前屋面夾角示意圖

圖3 前屋面每米切角示意圖

3.4 保溫設(shè)計

傳統(tǒng)日光溫室的保溫設(shè)計要求是最大限度蓄積太陽輻射能，故須盡可能減少貫流放熱、縫隙放熱和地中傳熱。內(nèi)保溫組裝式日光溫室封閉較嚴(yán)，可以有效控制縫隙放熱。對于地中傳熱，由于溫室跨度較大，溫室的蓄熱土壤地表面積比傳統(tǒng)日光溫室大30%以上，邊際低溫效應(yīng)的影響顯著減弱。但在冬季凍土層較深的地區(qū)，溫室四周應(yīng)埋入聚苯板隔熱。內(nèi)保溫組裝式日光溫室，保溫設(shè)計的關(guān)鍵是阻止貫流放熱。課題組以傳統(tǒng)日光溫室覆蓋5 cm厚的稻草苫的保溫性能為依據(jù)，篩選保溫被。經(jīng)過測試定型的保溫被，在北緯40°地區(qū)，以傳統(tǒng)日光溫室為對照，經(jīng)保溫效果測試和生產(chǎn)驗證，內(nèi)保溫組裝式日光溫室與傳統(tǒng)日光溫室無明顯差異。

3.5 內(nèi)保溫組裝式日光溫室的建造

溫室槽鋼拱桿間距1 m，共61根，兩端與地面交接處先埋入地腳。地腳用混凝土（水泥砂漿和碎石）澆注成梯形，頂端20 cm×20 cm，底端30 cm×30 cm，高30 cm，從頂端的中部到底端有一垂直孔洞，頂端5 cm深留出缺口，以便裝入槽鋼拱桿。地腳需提前澆筑，埋入溫室兩側(cè)拱桿基部，上端較地面略高。安裝拱桿時，兩端裝入地腳上口，用50 cmΦ10鋼筋，從拱桿的槽中穿透地腳插入地中。

拱桿兩端裝入地腳后，用7道4分鍍鋅管作拉筋，固定拱桿。由于溫室的全部構(gòu)件，從拱桿、拉筋到螺絲都是由工業(yè)流水線生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，規(guī)格統(tǒng)一，建造既方便又省工，用戶按說明書即可安裝。

在拱桿下面按3 m間距，用一寸鍍鋅鋼管作為支撐保溫被的拱桿，兩端插入土中，保溫被與屋面薄膜有20 cm的間距。保溫被收卷于溫室頂部。

屋面鋪塑料薄膜后，壓膜線壓在拱桿的槽中，基部用Φ8鐵線拴兩塊磚，埋30 cm深，露出鐵線套，以便綁壓膜線。

3.6 保溫被的篩選及操作

經(jīng)過試驗研究和生產(chǎn)實踐，利用高分子感光復(fù)合材料，組合成腔囊（空心）保溫被，由三層材料復(fù)合（反光層+隔熱層+反光層），材料全面緊密復(fù)合，便于電動機(jī)械系統(tǒng)操作。卷被器示意圖見圖4。

圖4 卷被器示意圖

卷被器安裝的注意事項：

①卷被器安裝完成后，務(wù)必將限位盒上的硅膠塞子塞好，以防電機(jī)進(jìn)水。

②卷被軸安裝好后應(yīng)檢查軸是否筆直，整根軸有無障礙，確認(rèn)整軸轉(zhuǎn)動順暢后再開啟電機(jī)。

③當(dāng)驅(qū)動軸長度較長時，可以在未安裝電機(jī)的一端加裝配重，增加保溫被卷起的均勻性。

④反復(fù)運行幾次，測試限位開關(guān)的工作是否正常，同時調(diào)整到最佳工作狀態(tài)。

⑤限位開關(guān)一經(jīng)調(diào)整好后請勿隨意改動。

3.7 內(nèi)保溫組裝式日光溫室開發(fā)情況

2009年在校外進(jìn)行示范，2010年已在8個地區(qū)建成10.6 hm2內(nèi)保溫組裝式日光溫室（表1）。

表1 內(nèi)保溫組裝式日光溫室建設(shè)情況

3.8 內(nèi)保溫組裝式日光溫室的主要特點

從已建成的159棟內(nèi)保溫組裝式日光溫室2009～2010年的運行情況來看，不論冬季生產(chǎn)蔬菜、果樹還是花卉，都不需要加溫，充分表明其繼承了傳統(tǒng)日光溫室節(jié)能的優(yōu)點。改進(jìn)和創(chuàng)新的地方是不設(shè)置傳統(tǒng)的墻體和后屋面，有效降低了建造難度和造價，提高了土地利用率，便于機(jī)械化操作，綜合性能顯著優(yōu)于連棟溫室。

內(nèi)保溫組裝式日光溫室，由于屋面的全拱形設(shè)計，不但光照條件優(yōu)越，而且冬季通常存不住雪，大大降低了雪災(zāi)風(fēng)險；化纖的內(nèi)置保溫被非常輕便，減輕了骨架負(fù)荷，能夠延長溫室壽命。同時，保溫被白天收起，夜間展開，不受風(fēng)吹雨淋和紫外線影響，也可以延長使用年限。

2011年以來，各地區(qū)要求建造內(nèi)保溫組裝式日光溫室的比2010年已增加數(shù)倍，可見內(nèi)保溫組裝式日光溫室在“十二五”時期的發(fā)展前景廣闊。