華南區(qū)域溫室自然通風(fēng)系列天窗裝置

李 葦，李惠玲，劉霓紅，程俊峰

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣州 510630）

華南區(qū)域溫室自然通風(fēng)系列天窗裝置

李 葦，李惠玲，劉霓紅，程俊峰

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣州 510630）

溫室自然通風(fēng)是一種基本不消耗動力能源，利用風(fēng)壓和熱壓進行溫室內(nèi)外空氣交換的環(huán)境控制技術(shù)，為華南地區(qū)溫室通風(fēng)換氣的主要方式。為了改進溫室自然通風(fēng)系列開窗裝置，提高溫室通風(fēng)效果，利用卷膜式和齒輪-齒條驅(qū)動式研制了不同通風(fēng)比的溫室天窗裝置，并對其操作方法進行了詳細說明。研制的溫室天窗裝置操作簡單，運行管理費用低，可以滿足不同植物品種生長的需求，有助于提高華南設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)水平。

溫室，自然通風(fēng)，天窗裝置，通風(fēng)比

0 引言

近年來，我國積極推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和機械化，加快設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展。各地響應(yīng)政府號召，不斷加大對溫室產(chǎn)品研制的扶持力度，我國自主研發(fā)的溫室設(shè)施產(chǎn)品源源不斷，設(shè)施農(nóng)業(yè)現(xiàn)代工廠化生產(chǎn)方式已初具規(guī)模。但是，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平與荷蘭等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達的國家相比差距依舊較大，推廣應(yīng)用范圍有限，造成農(nóng)業(yè)設(shè)施產(chǎn)業(yè)化改造進程緩慢[1]。為了加快設(shè)施設(shè)備向標準化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)代生產(chǎn)方式發(fā)展，提升我國溫室環(huán)境控制設(shè)備的技術(shù)水平，研究華南區(qū)域溫室自然通風(fēng)系列天窗裝置具有十分重要的意義。

自然通風(fēng)主要依靠外部風(fēng)壓和內(nèi)外空氣熱壓使空氣流動，從而達到交換室內(nèi)外空氣的目的，是溫室栽培中一個重要的過程，為華南區(qū)域溫室生產(chǎn)中主要的降溫、通風(fēng)、換氣方式[2]。合理設(shè)置溫室開窗裝置，可以排除溫室內(nèi)的余熱、余濕，增加溫室內(nèi)CO2含量，改善溫室內(nèi)的環(huán)境，從而有效提高各類設(shè)施環(huán)境控制裝備的高效性及節(jié)能性[3]。通過在溫室頂部設(shè)置天窗裝置可以確保室內(nèi)外空氣充分對流，獲得良好的通風(fēng)效果，滿足植物生長的需要[4]。

開窗機是用于溫室中天窗開合的主要機械設(shè)備。目前有多種開窗機應(yīng)用于溫室開窗裝置，有手動、電動卷膜機，齒條直推開窗機構(gòu)，齒輪齒條-推桿開窗機，鋼絲繩-連桿式開窗機等[5]。但是，由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)理念的制約，農(nóng)業(yè)設(shè)施設(shè)備的研制資金投入有限，設(shè)施設(shè)備普遍存在結(jié)構(gòu)設(shè)計缺乏科學(xué)性，技術(shù)含量不高。而且各地設(shè)施大棚建設(shè)沒有充分考慮當?shù)刈匀粴夂驐l件和不同作物的生長特性，自然通風(fēng)開窗方式對溫室內(nèi)部氣流特性的影響缺乏相應(yīng)的研究，影響開窗裝置通風(fēng)面積，沒能達到最佳通風(fēng)效果，無法實現(xiàn)設(shè)施大棚的最大經(jīng)濟效益。

針對上述問題，本文在對華南地區(qū)區(qū)域性氣候及作物適應(yīng)性調(diào)研的基礎(chǔ)上，研究華南地區(qū)適用性園藝設(shè)施環(huán)境控制技術(shù)，采用通風(fēng)比的計算方式，研發(fā)不同通風(fēng)形式和通風(fēng)面積的系列天窗裝置，提高自然通風(fēng)系列開窗裝置設(shè)計的合理性，為各地設(shè)施設(shè)備生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 溫室開窗方式

華南地區(qū)地處南亞熱帶季風(fēng)海洋氣候區(qū)域，光、熱、水資源豐富，夏長冬暖，雨量充沛。自然通風(fēng)通過開啟溫室天窗和側(cè)窗可以改善溫室內(nèi)環(huán)境，運行費用低，是華南地區(qū)一種主要的通風(fēng)換氣方式。常用的溫室開窗方式主要有卷膜式和齒輪齒條驅(qū)動式。為了滿足不同溫室生產(chǎn)的需要，選擇合適的開窗方式，改進溫室自然通風(fēng)系列開窗裝置，減少成本，提高勞動效率十分重要。

1.1 卷膜式

卷膜式開窗方式根據(jù)卷膜器的不同，分手動卷膜和電動卷膜，主要是通過轉(zhuǎn)動安裝在卷幕桿上卷膜器，使溫室覆蓋薄膜由下而上卷起，形成通風(fēng)口，增強室內(nèi)外空氣交換，改善溫室室內(nèi)環(huán)境，關(guān)閉卷膜天窗裝置后，可以形成溫室良好的密閉環(huán)境，提高溫室保溫效果。卷膜式開窗方式結(jié)構(gòu)簡單，運行費用低，易操作，但機械化程度較低，比較費時費力。

1.2 齒輪齒條驅(qū)動式

齒輪齒條驅(qū)動式是目前開窗系統(tǒng)常用的驅(qū)動方式，通過啟動天窗減速電機驅(qū)動裝置，減速電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動使齒條運動帶動天窗開啟和關(guān)閉，形成溫室通風(fēng)口。齒輪齒條驅(qū)動式溫室開窗方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，作業(yè)效率高，但是成本相應(yīng)較高。

2 溫室自然通風(fēng)系列天窗裝置

圖1 溫室單向卷簾天窗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 雙圓弧面小鋸齒型溫室單向卷簾天窗裝置示意圖

2.1 單向卷簾天窗裝置

圖1為一種溫室單向卷簾天窗裝置，包括天窗窗口、膜桿、窗薄膜、窗卡槽卡簧、膜器。天窗窗口長度與溫室長度相等。卷膜桿（帶接頭）由Φ25×1.2 mm、長6 m的圓管連接而成，利用螺絲固定，利用壓膜卡將天窗薄膜下邊緣固定在該卷幕桿上，整個天窗，每米卡3個。卷膜器固定在卷幕桿上。卷膜器搖桿由夾箍夾在溫室落水管上，該卷膜器搖桿為Φ22×1.2 mm、長6 m的圓管。天窗薄膜采用0.13 mm厚PEP利得膜。

圖2為該天窗裝置的實施案例一的結(jié)構(gòu)示意圖，通過設(shè)置長短主拱桿，構(gòu)成雙弧面小鋸齒型屋頂，在屋頂處設(shè)置單向卷膜手動天窗裝置，天窗裝置窗口高度約為0.7 m。

圖3為該天窗裝置的實施案例二的結(jié)構(gòu)示意圖，在單坡鋸齒型屋頂處設(shè)置單向卷膜手動天窗裝置，高度約為1.5 m。

通過手動搖動卷膜器的手柄，該單向卷膜通風(fēng)裝置將由下而上卷起天窗覆蓋膜，形成通風(fēng)口，增強室內(nèi)外空氣交換，改善溫室室內(nèi)環(huán)境，關(guān)閉卷膜天窗裝置后，可以形成溫室良好的密閉環(huán)境，提高溫室保溫效果。卷膜器搖桿在不用時可以通過夾箍夾在溫室落水管上。

針對不同通風(fēng)形式和通風(fēng)面積，研制的雙圓弧面小鋸齒型天窗裝置最大通風(fēng)比可達到10%，單坡鋸齒型天窗裝置最大通風(fēng)比可達到25%。

圖3 單坡鋸齒型溫室單向卷簾天窗裝置示意圖

2.2 溫室單向外翻天窗裝置

研制的溫室單向外翻天窗裝置如圖4所示。

圖4 溫室單向外翻天窗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

從圖4可知，溫室單向外翻天窗裝置，包括單向外翻天窗、天窗拱桿、天窗塑料墊、天窗減速電機驅(qū)動裝置、齒輪齒條傳動系統(tǒng)、天窗端封板、天窗薄膜和用于固定薄膜的卡槽卡簧。

單向外翻天窗的窗框長度與溫室長度相等，在溫室窗框兩端設(shè)有天窗端封板。天窗拱桿采用規(guī)格為40 mm×40 mm×2 mm，長L=3 820 mm的方管，該天窗拱桿為窗框骨架，通過天窗夾箍與溫室縱桿鉸接。天窗塑料墊通過固定扣固定在溫室天面主拱桿上。減速電機通過電機固定板裝在溫室天面主拱桿上。安裝在減速電機上的傳動軸沿溫室開間方向，采用固定在主拱桿上的軸承連接板支撐。該天窗裝置利用齒條作為天窗撐，長度為1 450 mm，一端與天窗拱桿鉸接，另一端為自由端，該齒條穿過齒輪齒條連接座，與傳動軸上的齒輪嚙合。溫室單向外翻天窗裝置每跨設(shè)有一個天窗減速電機驅(qū)動裝置。

通過啟動天窗減速電機驅(qū)動裝置，減速電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動使齒條運動帶動天窗開啟和關(guān)閉，形成溫室通風(fēng)口。該單向外翻天窗裝置最大通風(fēng)比可達到50%，使得溫室溫濕度與室外趨于一致，滿足華南地區(qū)不同植物品種的生長需求。

2.3 溫室雙向外翻天窗裝置

圖5所示的為溫室雙向外翻天窗裝置，包括天窗減速電機驅(qū)動裝置、齒輪齒條傳動系統(tǒng)、天窗。溫室天窗由屋頂人字形大梁支撐。

兩個外翻天窗能分別繞溫室屋頂鋁合金專用型材旋轉(zhuǎn)而開啟和閉合，兩個天窗關(guān)閉時與溫室天面貼合，全開啟時成“一”字型，在保證溫室有效通風(fēng)的同時，可以防止正午陽光直射灼傷植物，還可以防止暴雨在沒有及時防范的情況下襲擊植物。每個天窗通過掛角與扣槽相互鉸接，保證了天窗可以繞屋頂在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)。鋁合金專用型材固定安裝在大梁上，位于兩天窗的中部。天窗覆蓋材料為厚5 mm的透明浮法玻璃。

天窗減速電機通過電機固定板安裝在溫室支撐橫架上，其接線口向下，便于電機接線安裝，且可以有效防止溫室天面雨水淋到電機內(nèi)。天窗裝置的傳動軸通過軸承連接板與溫室支撐橫架垂直連接。溫室單向外翻天窗裝置每跨設(shè)有一個天窗減速電機驅(qū)動裝置。

通過啟動天窗減速電機驅(qū)動裝置，減速電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動使齒條運動，帶動天窗開啟和關(guān)閉，形成溫室通風(fēng)口。每組齒輪齒條傳動系統(tǒng)均包括2個齒輪和2個齒條，且2齒條分別從傳動軸的上方和下方穿過齒輪齒條連接座，與2齒輪嚙合，從而保證天窗同時開啟和閉合。該溫室雙向外翻天窗裝置最大通風(fēng)比可達到25%。

2.4 溫室連片單翼外翻天窗裝置

圖5 溫室雙向外翻天窗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 溫室連片單翼外翻天窗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 溫室連片單翼外翻天窗裝置原理圖

圖6-7所示的為溫室連片單翼外翻天窗裝置，包括天窗減速電機驅(qū)動裝置、齒輪齒條傳動系統(tǒng)、天窗、推桿、天窗撐桿。天窗在閉合狀態(tài)由溫室屋頂圓弧形拱桿支撐。天窗撐桿包括天窗撐桿A和B，兩天窗撐桿一端分別固定在天窗連接件上，另一端匯于一點，并用溫室專用緊固件與推桿連接。天窗覆蓋材料為PC波浪板，采用聚碳酸酯波浪板，厚0.8 mm，透光率達90%以上，該PC波浪板具有一定的彈性變形能力，該天窗覆蓋材料一端通過連接件與溫室屋頂圓弧形拱桿固定鏈接，另一端為自由端，可以隨著天窗撐桿的運動而打開和封閉天窗口。天窗兩端設(shè)天窗端封板，該端封板折邊后，滾成圓弧。齒條可以沿著桁架方向往復(fù)運動。減速電機通過電機固定板安裝在溫室立柱上，采用正常限位加緊急制動雙重保護自停裝置，并配備熱繼電器保護。傳動軸通過軸承連接板與溫室立柱連接，采用專用的滾動軸承支撐，阻力小且免維護。天窗推桿利用滾輪座與溫室桁架連接，支撐推桿，同時還可以確保推桿沿著桁架方向往復(fù)運動，減少摩擦。溫室連片單翼外翻天窗裝置每三跨設(shè)有一個天窗減速電機驅(qū)動裝置。

該天窗裝置工作原理如圖7所示：通過啟動天窗減速電機驅(qū)動裝置，減速電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動使齒條運動，帶動連接在齒條上的推桿沿著溫室桁架方向往復(fù)運動，行程約為0.35 m。固定在推桿上的天窗撐桿A和B隨著推桿運動帶動天窗開啟和關(guān)閉，形成溫室通風(fēng)口。該溫室雙向外翻天窗裝置為自由式連片天窗，每臺電機可以控制3 000 m2的區(qū)域，其最大通風(fēng)比可達到30%，使得溫室內(nèi)溫濕度與室外趨于一致，滿足華南地區(qū)不同植物品種的生長需求。

2.5 溫室全開屋面外翻天窗裝置

如圖8所示，溫室全開屋面外翻天窗裝置包括兩個能分別繞溫室水槽旋轉(zhuǎn)而開啟的天窗。該天窗關(guān)閉時，與溫室“人”字形支撐架貼合，全開啟時成“八”字形。固定天窗的型材一端與水槽鉸接，保證天窗可以繞水槽旋轉(zhuǎn)開啟和閉合，另一端在天窗閉合時與天溝搭扣，保證溫室的密封性。該天窗覆蓋材料為厚6 mm的PC浪板，可以避免強光直射損傷植物。

減速電機安裝在立柱上，其動力輸出口與主傳動軸連接，主傳動軸另一端與扭矩分配器連接，扭矩分配器另一端通過萬向節(jié)與連桿傳動軸連接，連桿傳動軸通過聯(lián)軸器與蝸輪蝸桿減速器的蝸桿連接，蝸輪蝸桿減速器的渦輪安裝在天窗傳動軸上，天窗傳動軸上安裝有齒輪齒條傳動系統(tǒng)，其中，齒條一端與天窗鉸接，帶動天窗啟閉，另一端與齒輪嚙合。

溫室全開屋面外翻天窗裝置開窗阻力小，傳動更加平穩(wěn)，整體結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

圖8 溫室全開屋面外翻天窗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3 通風(fēng)比計算

為了適應(yīng)不同作物栽培方式、設(shè)施結(jié)構(gòu)形式，提出天窗裝置通風(fēng)比的計算方式，為研發(fā)不同通風(fēng)形式和通風(fēng)面積的系列開窗裝置提供技術(shù)參數(shù)，滿足生產(chǎn)不同植物品種的需求。通風(fēng)比表示開窗投影面積與溫室地面投影面積之比。

卷簾式開窗裝置通風(fēng)比K按式（1）計算

式中K為開窗裝置的通風(fēng)比，%；S1為溫室室內(nèi)地面投影面積，m2；S2為溫室通風(fēng)口面積，m2。

外翻式開窗裝置通風(fēng)比按式（2）計算

式中S3為溫室通風(fēng)口地面投影面積，m2。

天窗裝置通風(fēng)比的計算結(jié)果可以作為評估開窗有效面積的一個指標，為建設(shè)華南地區(qū)適應(yīng)性設(shè)施大棚提供技術(shù)指導(dǎo)，實現(xiàn)設(shè)施大棚的最大經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

溫室天窗裝置是溫室實現(xiàn)自然通風(fēng)一種重要形式，可以有效排除溫室內(nèi)的余熱、余濕，同時增加溫室內(nèi)CO2含量，使溫室內(nèi)的環(huán)境滿足植物最適宜生長的條件，在改進現(xiàn)代設(shè)施環(huán)境調(diào)控設(shè)備中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。采用手動卷膜方式控制天窗啟閉，操作簡單易行，溫室運行成本低，通用性強，通過改變溫室天窗結(jié)構(gòu)，可以滿足不同植物通風(fēng)換氣、降溫的需求。齒輪-齒條驅(qū)動式提高了設(shè)施設(shè)備的機械化程度，提高勞動效率和開窗控制精度。隨著現(xiàn)代節(jié)能高效設(shè)施園藝裝備的不斷改進，結(jié)合開窗結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提出通風(fēng)比的概念，豐富和改進溫室通風(fēng)效果的評估，將其應(yīng)用到自然通風(fēng)系列開窗裝置的研制中，將有利于提高溫室天窗、側(cè)窗結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，優(yōu)化設(shè)施環(huán)境調(diào)控配套裝置的實施方案。華南區(qū)域溫室自然通風(fēng)系列天窗裝置的研究有助于實現(xiàn)溫室栽培高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，將有望突破制約華南地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。

[1]張曉文．設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]．農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2006（11):6-8．

[2]吳玉發(fā),李惠玲．華南地區(qū)溫室大棚通風(fēng)降溫設(shè)施結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計分析[J]．現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備, 2013（5):60-62．

[3]張蓓,陳偉旭,金鹍鵬,等．北方現(xiàn)代溫室開窗系統(tǒng)的研究[J]．農(nóng)機化研究，2012,34(8): 249-252．

[4]尹鳳福，汪遵元，馬明建．溫室大棚的開天窗機構(gòu)[J]．糧油加工與食品機械,1999,（4): 22-25．

[5]馬明建,孫秀珍．鋼絲繩-連桿式溫室天窗機構(gòu)的研制[J]．現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2000（8):36-37．

Skylight Device for Natural Ventilation Series in Southern China

Li Wei1,2,Li Huiling1,2,Liu Nihong1,2,Cheng Junfeng1,2
(1.Guangdong Research Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630,China; 2.Guangdong Hongke Agricultural Machinery Research and Development Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China)

Greenhouse natural ventilation is the main way of ventilation in Southern China area,which making full use of wind pressure and hot pressure for the air exchange and almost no energy consumption.To improve the natural ventilation system of greenhouse and the ventilation effect,this paper developed skylight devices with different ventilation ratio and described the operation method in detail by the roll film and gear rack drive.The developed skylight devices have simple operation and low cost of operation management,and could meet the needs of different plant varieties.It is a highly effective and energy-saving ventilation system that helpful to improve the technical level of Southern China facility environment regulation.

greenhouse,natural ventilation,skylight device,ventilation ratio

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題（2014BAD08B03）， 現(xiàn)代節(jié)能高效設(shè)施園藝裝備研制與產(chǎn)業(yè)化示范（2014BAD08B00），華南設(shè)施環(huán)境調(diào)控配套裝備研制與產(chǎn)業(yè)化示范（2014BAD08B03-5），華南溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)優(yōu)化及集成應(yīng)用。

李葦（1989—），女，碩士，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的研究。Email:1214107350@qq.com。