標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)溫室研究進(jìn)展

周增產(chǎn)+董微+卜云龍+李秀剛+蘭立波+劉水麗

【摘要】簡(jiǎn)要論述了標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)溫室的發(fā)展方向，介紹了生產(chǎn)溫室中鋁天溝溫室和光伏溫室的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，舉例說明了2種溫室推廣示范的典型案例。

溫室是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑設(shè)施，是一種可以為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ湓斐刹焕绊懙膱?chǎng)所。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的生產(chǎn)溫室和設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)已經(jīng)處于先進(jìn)水平。生產(chǎn)溫室采用集約化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)，并形成資金和技術(shù)密集型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，已成為當(dāng)今世界最具活力的新興產(chǎn)業(yè)之一和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的亮點(diǎn)。今后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)的一體化和社會(huì)的進(jìn)步，生產(chǎn)溫室將以標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能、環(huán)保和改善工作條件為核心，深入廣泛采用高新技術(shù)，向?qū)嵸|(zhì)意義上的“工廠化”方向穩(wěn)步、持續(xù)、快速發(fā)展[1]。

隨著國(guó)外大型溫室建造技術(shù)的引進(jìn)，中國(guó)的農(nóng)業(yè)設(shè)施改變了原來(lái)單一的日光溫室、簡(jiǎn)易棚等形式，設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模得到了迅猛的發(fā)展。高效的連棟溫室生產(chǎn)不僅給國(guó)民提供了優(yōu)質(zhì)、豐富的產(chǎn)品，而且促進(jìn)了中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。然而由于氣候原因和能源危機(jī)的影響，溫室能耗花費(fèi)在溫室生產(chǎn)成本中的比例不斷攀升，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)效益的提高[2]。因此，降低連棟溫室能耗，發(fā)展溫室節(jié)能技術(shù)日趨重要。

鋁天溝溫室的研究開發(fā)與應(yīng)用

鋁天溝溫室特點(diǎn)

溫室采用鋁制天溝，該鋁制天溝是集雨水收集槽、冷凝水收集槽和排水功能槽為一體的鋁制結(jié)構(gòu)裝置。鋁天溝具有以下特點(diǎn)：①鋁天溝的中空結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗彎性能，截面尺寸比鋼制天溝小，遮光面小，結(jié)構(gòu)緊湊。②鋁天溝的中間空腔將溫室內(nèi)和室外空氣隔離，有效減少了溫室內(nèi)與溫室外通過天溝進(jìn)行熱交換，防止了熱量損失。③鋁天溝可收集冷凝水，解決了冷凝水滴落溫室造成植物生長(zhǎng)病害問題。

單層玻璃鋁天溝溫室的研究與推廣

研究重點(diǎn)與取得的成果

2010年，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“京鵬”）進(jìn)行了單層玻璃鋁天溝溫室專用鋁型材和新型耐候膠條密封技術(shù)的研發(fā)。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，這主要由于鋁合金具有重量輕，比強(qiáng)度大，可焊接性，易于冷熱加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好的特點(diǎn)。

鋁天溝其內(nèi)部鋁材形成一個(gè)中空結(jié)構(gòu)，與上部?jī)蓚?cè)玻璃形成“V”字型進(jìn)行排水。該中空腔室頂部的兩角帶有用于實(shí)現(xiàn)外聯(lián)接的型耳，各型耳由上、下耳壁2部分組成，兩型耳的上耳壁與中空腔室的頂面圍設(shè)出雨水收集槽；各型耳的下耳壁與中空腔室的頂面圍設(shè)出冷凝水收集槽。

鋁天溝截面（圖1～2）為具有中空結(jié)構(gòu)的倒梯形，當(dāng)有雨水時(shí)，該中空結(jié)構(gòu)可以防止溫室屋頂發(fā)生雨水滲漏等現(xiàn)象，還可減少溫室內(nèi)與溫室外通過天溝進(jìn)行熱交換，損失溫室內(nèi)的熱量；冷凝水收集槽截面類似帶鉤的倒“L”型，用于收集溫室屋頂上凝集的冷凝水，通過底部的密封膠條連接在一起，構(gòu)成內(nèi)部中空的封閉結(jié)構(gòu)，具有較好的隔熱和防集露的特點(diǎn)。

2011年京鵬率先建立了國(guó)內(nèi)第一個(gè)自主研發(fā)的鋁天溝溫室（圖3），并在溫室內(nèi)進(jìn)行了育苗、草莓種植、葉菜水培等試驗(yàn)，取得了良好的栽培效果。

推廣情況

在日本、山西、甘肅、四川、遼寧、北京、山東等地累計(jì)推廣鋁天溝溫室面積達(dá)120000 m2以上，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益12940萬(wàn)元。

典型案例介紹

2012年京鵬的鋁天溝溫室出口到日本（圖4），第一期工程的建造面積為1152 m2，第二期工程的建造面積為14112 m2，主要用于高糖番茄種植。鋁天溝的應(yīng)用，解決了溫室內(nèi)冷凝水的收集問題，大大減少了熱量損失，為溫室內(nèi)喜光植物提供了最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，從而促進(jìn)了作物的快速、健康成長(zhǎng)。

單層膜鋁天溝溫室的研究與推廣

2016年京鵬進(jìn)行了單層膜鋁天溝溫室專用鋁型材和新型耐候膠條密封技術(shù)的研發(fā)。

鋁天溝兩端的側(cè)卡槽分別連接棚頭兩側(cè)的膜?？げ塾蒑5.5×19 mm自攻釘固定在橫桿上，自攻釘間距為400 mm；側(cè)面天溝處覆蓋卡膜槽安裝在天溝內(nèi)側(cè)，由M5.5×19 mm自攻釘固定，間距為400 mm左右；側(cè)面天溝處卡膜槽在安裝時(shí)卡槽邊應(yīng)超過天溝邊沿，以防止天溝邊沿將膜損壞。天溝間接縫和連接螺栓處擦干凈后用雙面膠條密封防漏。

光伏溫室研究開發(fā)與應(yīng)用

光伏溫室特點(diǎn)與發(fā)電系統(tǒng)介紹

光伏溫室特點(diǎn)

光伏溫室將太陽(yáng)能與設(shè)施建造相結(jié)合，是具有雙重功效的創(chuàng)新型新能源生產(chǎn)工廠，它綜合利用太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)了新能源熱電聯(lián)產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、節(jié)能減排的目標(biāo)。①薄膜太陽(yáng)電池組件以采光頂形式安裝屋頂鋼架上，朝向南側(cè)。在不改變?cè)薪ㄖL(fēng)格和外觀的前提下，設(shè)計(jì)安裝太陽(yáng)能光伏陣列的結(jié)構(gòu)和布局，增強(qiáng)了屋頂使用功能。②鋁型材與薄膜電池組件結(jié)合處均采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行處理，具備較好的防結(jié)露性能，可大幅提高冬季保溫性能，實(shí)現(xiàn)夏、冬季運(yùn)行均顯著節(jié)能。③太陽(yáng)能薄膜發(fā)電溫室將太陽(yáng)能光伏電池發(fā)出的電能直接利用，避免了電能在運(yùn)輸過程中的損失。④光伏發(fā)電產(chǎn)生的綠色電力，可用于灌溉、環(huán)境調(diào)控等用途，可為作物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于作物的生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量。

發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用光伏電池板直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽(yáng)能光伏電池組件、功率控制器、逆變器、蓄電池以及負(fù)載等部件組成[3]。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電的最核心器件是太陽(yáng)能電池。當(dāng)前應(yīng)用于商業(yè)電站的太陽(yáng)能電池分為晶硅電池和薄膜電池。晶硅電池分為單晶硅和多晶硅電池，目前商業(yè)應(yīng)用的光電轉(zhuǎn)換效率為單晶硅16%～17%，多晶硅15%～16%。薄膜電池分為硅基薄膜電池、CdTe電池和CIGS電池。由于薄膜電池的特有結(jié)構(gòu)，在光伏建筑一體化方面，有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)[4]。

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖5）主要由太陽(yáng)能光伏電池組件、控制器、蓄電池組、逆變器、直流負(fù)載、交流負(fù)載組成。控制器能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電。當(dāng)光伏電池組件產(chǎn)生的電能不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電能送往負(fù)載。蓄電池主要用來(lái)儲(chǔ)存電能，在夜間或陰雨天時(shí)為負(fù)載供電。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備。由于太陽(yáng)能電池和蓄電池是直流電源，當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，逆變器是必不可少的。endprint

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 由太陽(yáng)能光伏電池組件、控制器、并網(wǎng)逆變器、負(fù)載組成。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖6）將光伏電池組件產(chǎn)生的電能不經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能，通過并網(wǎng)逆變器直接反向饋入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)。因?yàn)橹苯訉㈦娔茌斎腚娋W(wǎng)，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲(chǔ)能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發(fā)出的電力，減小能量損耗，降低系統(tǒng)成本。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠并行使用市電和可再生能源作為本地交流負(fù)載的電源，降低整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率。

光伏溫室研究重點(diǎn)

863課題“植物工廠化生產(chǎn)低碳設(shè)施與裝備研究”中光伏溫室研究?jī)?nèi)容

開發(fā)適用于植物工廠化生產(chǎn)的太陽(yáng)能薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)。將非晶硅太陽(yáng)能電池技術(shù)引入溫室設(shè)施，研究光伏發(fā)電系統(tǒng)與溫室結(jié)構(gòu)的配套技術(shù)。

太陽(yáng)能非晶硅薄膜電池組件（圖7）是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)項(xiàng)目需求，課題組在天威非晶硅電池組件原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了電池組件的透光率和光能利用率，該系列透光組件通過利用先進(jìn)穩(wěn)定的PECVD、LPCVD、激光劃刻、封裝技術(shù)以及嚴(yán)格的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)保證大尺寸透光薄膜組件的高質(zhì)量，結(jié)合建造的低碳示范連棟溫室，課題組優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)光伏電站采用光伏電池組件峰值功率為90 Wp的太陽(yáng)能電池組件，光伏電站總裝機(jī)容量為18.72 kWp，系統(tǒng)日平均發(fā)電量為60 kW·h，年平均發(fā)電總量為23390 kW·h。

該太陽(yáng)能非晶硅薄膜組件具有以下主要優(yōu)勢(shì)：高效率和穩(wěn)定的輸出功率；高溫和弱光效應(yīng)下的優(yōu)異表現(xiàn)；高性價(jià)比和能量回收期短；快速、方便和靈活的安裝方式；陰影遮蓋環(huán)境下比晶體硅具有更優(yōu)異的表現(xiàn)；而且不同規(guī)格的透光率可供選擇。

課題組對(duì)光伏組件鋪設(shè)與建筑一體化設(shè)計(jì)采用光伏采光頂?shù)男问?。即將薄膜太?yáng)電池組件以采光頂形式安裝溫室屋頂鋼架上，朝向南側(cè)，與地面傾角33°，在不改變?cè)薪ㄖL(fēng)格和外觀的前提下，設(shè)計(jì)安裝太陽(yáng)能光伏陣列的結(jié)構(gòu)和布局，增強(qiáng)屋頂使用功能。

光伏溫室建筑一體化設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化（BIPV）發(fā)電系統(tǒng)，就是利用安裝在建筑物或與建筑物結(jié)合在一起的太陽(yáng)能電池的光電效應(yīng)，直接把太陽(yáng)能這種可再生能源的輻射能轉(zhuǎn)變成電能的一種發(fā)電方式，它所生成的電能經(jīng)過與其相配套的逆變控制器的轉(zhuǎn)換，直接滿足該建筑的用電需求[5]。根據(jù)不同植物對(duì)光照的不同需求，電池組件有以下3種排列方式（圖8）。

整個(gè)光伏電站安裝薄膜太陽(yáng)能光伏電池組件208塊，選用每塊光伏電池組件的峰值功率為90 Wp，玻璃尺寸長(zhǎng)1300 mm，寬1100 mm，光伏電站總裝機(jī)容量為18.72 kWp。薄膜太陽(yáng)電池組件以采光頂形式安裝屋頂鋼架上，朝向南側(cè)，與地面間傾角23°，在不改變?cè)薪ㄖL(fēng)格和外觀的前提下，設(shè)計(jì)安裝太陽(yáng)能光伏陣列的結(jié)構(gòu)和布局，增強(qiáng)屋頂使用功能。

鋁型材與薄膜電池組件結(jié)合處均采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠進(jìn)行處理，具備較好的防結(jié)露性能，大幅提高其冬季保溫性能，實(shí)現(xiàn)夏、冬季運(yùn)行均顯著節(jié)能[6]。

光伏溫室主要類型及特點(diǎn)

光伏溫室按照結(jié)構(gòu)可分為日光溫室光伏溫室和連棟光伏溫室；按照光伏電池種類可分為晶硅光伏溫室和薄膜光伏溫室。

日光溫室光伏溫室多采用一面為采光面，一面為保溫面設(shè)計(jì)，可以根據(jù)采光和用電需求設(shè)置光伏電板的放置，光伏電板放在采光面，則溫室屬于全遮光型；放置在保溫面則為半遮光型。日光溫室光伏溫室采光性比較差，適合喜陰植物的育苗，如蘑菇、生姜、菊芋類等。

連棟光伏溫室主要用于花卉和育苗。主體結(jié)構(gòu)以鋁合金和鍍鋅鋼材為主，透明的墻體材料以薄膜、太陽(yáng)板或玻璃為主，溫室內(nèi)具有多種智能管理系統(tǒng)，如CO2調(diào)節(jié)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、智能控溫系統(tǒng)、病蟲害防治系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)等，為溫室提供智能管理，正是基于這種智能管理系統(tǒng)使連棟光伏溫室具有投入大、效益高、產(chǎn)量高的特點(diǎn)[7]。

晶硅光伏溫室中的電池組件為晶體硅電池，因其不具有透光性，因此在太陽(yáng)光譜透過性方面不能為植物生長(zhǎng)帶來(lái)額外的幫助。但晶體硅電池有發(fā)電效率高、每Wp成本低、單位面積裝機(jī)容量高等優(yōu)點(diǎn)，在不影響植物光照需求的情況下，其透光比例可按需調(diào)整定制。

薄膜光伏溫室中的電池組件為薄膜電池，由于薄膜電池具有很好的透光性，可透過400～800 nm可見光，對(duì)紫外線和紅外線能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外線對(duì)植物傷害、避免過多熱量進(jìn)入溫室，晚上同樣能阻止室內(nèi)紅外熱量向外輻射，起到很好的保溫隔熱作用。薄膜電池具有弱光性好、可發(fā)電時(shí)間長(zhǎng)、其透光光譜有益于植物生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在發(fā)電效率低、每Wp成本高、單位面積裝機(jī)容量低等缺點(diǎn)，因此需根據(jù)整個(gè)光伏溫室系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求來(lái)綜合評(píng)估選定[8]。

研究成果與光伏溫室推廣應(yīng)用

研究進(jìn)程與成果

2012年啟動(dòng)光伏溫室的開發(fā)，研發(fā)期間獲得授權(quán)專利1項(xiàng)，發(fā)表論文5篇，獲得創(chuàng)新產(chǎn)品獎(jiǎng)1項(xiàng)。

光伏溫室推廣情況

在西藏、山東、北京、昆山、江蘇等地進(jìn)行了光伏溫室推廣，累計(jì)推廣面積70000 m2以上，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益14500萬(wàn)元。

典型案例介紹

（1）通州基地低碳物聯(lián)網(wǎng)溫室

京鵬與北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所共建的光伏低碳物聯(lián)網(wǎng)溫室屋頂以采光頂方式安裝透光型薄膜太陽(yáng)能電池組件，達(dá)到總裝機(jī)容量為18.74 kWp；利用并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡⑷氲睫k公樓接入的市電網(wǎng)低壓配電側(cè)中使用；同時(shí)系統(tǒng)具備儲(chǔ)能系統(tǒng)，市電停電時(shí)系統(tǒng)能繼續(xù)供給重要負(fù)載用電，并且繼續(xù)使用太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能。

該光伏低碳物聯(lián)網(wǎng)溫室（圖9）面積為3024 m2，分為生產(chǎn)區(qū)和附屬用房二大部分，其中生產(chǎn)區(qū)由3個(gè)果菜生產(chǎn)區(qū)、工廠化育苗區(qū)、草莓生產(chǎn)區(qū)和高檔花卉生產(chǎn)區(qū)組成，附屬用房由東部附屬用房、緩沖間、中間走廊與西部接待控制室組成。光伏低碳物聯(lián)網(wǎng)溫室主要用于工廠化種苗繁育、高檔花卉、果菜、草莓生產(chǎn)，體現(xiàn)了低碳節(jié)能、精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)化育苗裝備等現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)高新技術(shù)。endprint

溫室太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由薄膜太陽(yáng)電池組件、屋面安裝鋼架結(jié)構(gòu)、并網(wǎng)逆變器、交（直）流配電設(shè)備、數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、雙向逆變充電一體機(jī)、蓄電池組、線纜及電纜橋架等組成。

（2）北京金風(fēng)光伏溫室

京鵬在北京大興區(qū)建設(shè)了面積為3456 m2的光伏溫室（圖10），規(guī)格參數(shù)：跨寬12 m，開間8 m，肩高6 m，脊高6.9 m。內(nèi)部種植區(qū)分為幾字形栽培槽西紅柿種植區(qū)、A字架草莓種植區(qū)、控根容器黃瓜種植區(qū)、葉菜水培區(qū)、土壤種植區(qū)。主要用于高檔花卉、果菜、草莓生產(chǎn)，體現(xiàn)了低碳節(jié)能、精準(zhǔn)遠(yuǎn)程控制等現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)高新技術(shù)。

光伏溫室屋頂以采光頂方式安裝透光型薄膜太陽(yáng)能電池組件，達(dá)到總裝機(jī)容量為71.55 kW；利用并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡⑷氲睫k公樓接入的市電網(wǎng)低壓配電側(cè)中使用；同時(shí)系統(tǒng)具備儲(chǔ)能系統(tǒng)，市電停電時(shí)系統(tǒng)能繼續(xù)供給重要負(fù)載用電。溫室四周外立面采用5+9A+5 mm雙層中空鋼化玻璃及爪件密封，溫室頂部朝南側(cè)坡面覆蓋太陽(yáng)能薄膜發(fā)電板。頂部北側(cè)采用8 mm雙層PC板覆蓋。配置了通風(fēng)系統(tǒng)、內(nèi)遮陽(yáng)保溫系統(tǒng)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、全自動(dòng)智能溫室控制系統(tǒng)，確保溫室生產(chǎn)高效運(yùn)行。

結(jié)論

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，中國(guó)溫室市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?，溫室用戶也趨于理智和成熟，普遍要求溫室區(qū)域布局合理和對(duì)當(dāng)?shù)貧夂驐l件適應(yīng)性的科學(xué)化以及溫室應(yīng)用技術(shù)的普及化。以標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)能、環(huán)保為核心的生產(chǎn)溫室必將有廣闊的發(fā)展前景。

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Research on Standardized Production Greenhouse

Zhou Zengchan， Dong Wei， Bu Yunlong， Li Xiugang， Lan Libo， Liu Shuili

（Beijing Kingpeng International Hi-tech Corporation， Beijing Plant Engineering Technology Research Center， Beijing 100094， China）

【Abstract】The development direction of greenhouse is briefly discussed. The characteristics and structure of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced. The typical demonstration examples of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced.endprint