模塊化組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

鄒志榮，鮑恩財(cái)，申婷婷，陳佳

日光溫室作為中國(guó)北方最常用的經(jīng)濟(jì)型節(jié)能栽培設(shè)施，有著悠久的發(fā)展歷史，截止至2015年，其應(yīng)用面積達(dá)到97.42萬(wàn)hm2，有效地解決了中國(guó)冬季蔬菜生產(chǎn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了新鮮蔬菜周年供給[1]。因其優(yōu)良的節(jié)能效果，伊朗、加拿大、日本、韓國(guó)、以色列、荷蘭等國(guó)也對(duì)日光溫室開(kāi)展了研究或生產(chǎn)實(shí)踐[2]。但是，現(xiàn)今被廣泛推廣的日光溫室仍然存在一些問(wèn)題亟待解決。首先，土地利用率低，日光溫室后墻過(guò)厚導(dǎo)致日光溫室的土地利用率一般在40%左右，極大浪費(fèi)了土地資源；其次，建造標(biāo)準(zhǔn)不同，存在采光保溫性能降低、耕作層破壞嚴(yán)重、室內(nèi)地面過(guò)度下沉、抗災(zāi)性差等問(wèn)題；再次，建造日光溫室費(fèi)時(shí)費(fèi)工，高昂的人工成本導(dǎo)致了溫室造價(jià)高，限制了中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展與應(yīng)用；另外，手工化作業(yè)也導(dǎo)致了日光溫室的生產(chǎn)效率低下。所以，目前日光溫室的發(fā)展到了從數(shù)量到質(zhì)量轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，開(kāi)發(fā)模塊化組裝式的日光溫室建設(shè)是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

組裝式日光溫室發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在中國(guó)北京、新疆、寧夏等地開(kāi)發(fā)建設(shè)了組裝式日光溫室（圖1），組裝式混凝土墻體溫室使用混凝土的預(yù)制板組裝而成，預(yù)制板之間的縫隙用水泥粘合而成為整體；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料組成的日光溫室安裝與運(yùn)輸方便，密閉性好。但組裝式混凝土墻體溫室的建造成本較高，墻體的蓄熱、儲(chǔ)熱性能較差；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料溫室的后墻不具有蓄熱性能，夜間室內(nèi)溫度過(guò)低[3]。

組裝式日光溫室在其他國(guó)家也被應(yīng)用，比如荷蘭、日本等種植設(shè)施先進(jìn)的國(guó)家。荷蘭的組裝式日光溫室采用板材拼接組成后墻（圖2a）；日本的組裝式日光溫室是在改進(jìn)的塑料大棚的北側(cè)加了一層保溫被覆蓋（圖2b）。

模塊化組裝式日光溫室的設(shè)計(jì)

該研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出模塊化組裝式日光溫室建設(shè)思路，結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期研究成果——日光溫室后墻主動(dòng)蓄放熱技術(shù)[4-7]，將模塊化設(shè)計(jì)的理念和方法用于溫室中，就是將溫室結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)裝備從工廠生產(chǎn)成模塊成品，一次性組裝在建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)，形成一個(gè)成熟的溫室生產(chǎn)建筑。該溫室墻體由吸熱材料、蓄熱材料、絕熱材料等組成，結(jié)合主動(dòng)蓄放熱技術(shù)后具有良好的蓄放熱效果（圖3）。

將溫室生產(chǎn)建筑進(jìn)行模塊化的革命，即溫室建筑標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)裝備一體化，形成能夠快速高效生產(chǎn)的溫室建筑與裝備，其優(yōu)勢(shì)如下[8]：

（1）縮短溫室的設(shè)計(jì)和制造周期，加快供貨速度，有利于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，有助于溫室生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

（2）便于溫室更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，由于有許多現(xiàn)成的通用和專用模塊，減少了新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和周期。

（3）通用和專用模塊一般在生產(chǎn)和使用中都經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，工藝完善，產(chǎn)品的質(zhì)量更易得到保障。

（4）可以實(shí)現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)，滿足不同區(qū)域、不同客戶的多品種需求，提高了生產(chǎn)效率，例如通過(guò)將溫室結(jié)構(gòu)的某個(gè)模塊的變化，就可實(shí)現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的改變。

（5）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)都是根據(jù)工程實(shí)踐、經(jīng)過(guò)總結(jié)提高而編制成的，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制作構(gòu)配件和設(shè)備裝置、零部件，工人對(duì)生產(chǎn)操作、施工安裝都易于掌握，因而可以不斷提高生產(chǎn)和施工安裝質(zhì)量，有利于保證溫室工程的質(zhì)量。

（6）模塊化的溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以促進(jìn)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)構(gòu)配件，便于預(yù)制廠統(tǒng)籌安排，統(tǒng)一配料，可以大大節(jié)約建筑材料。

（7）模塊化在溫室設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，也將先進(jìn)技術(shù)推廣到更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)溫室結(jié)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與溫室所用到的建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

（8）有了溫室建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，工廠可以進(jìn)行工廠化大批量生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的推廣也將大大加快溫室建造的速度，從而促進(jìn)溫室工業(yè)化的發(fā)展。

在模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下，對(duì)溫室進(jìn)行組裝式設(shè)計(jì)。首先給出了模塊化組裝式日光溫室的設(shè)計(jì)思路，對(duì)溫室進(jìn)行模塊劃分及模塊創(chuàng)建，并給出多種模塊化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)思路；然后對(duì)模塊化溫室進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括墻體模塊、骨架模塊、栽培設(shè)施模塊及環(huán)控模塊4個(gè)方面。

墻體模塊

◎ 墻體模塊介紹

溫室墻體模塊主要起到蓄熱、保溫與承重的作用，可以在白天吸收并蓄積太陽(yáng)輻射熱量，在晚上緩慢釋放出來(lái)，并且可以防止室內(nèi)熱量流失，保持室內(nèi)氣溫維持在較高水平；另外墻體還是溫室系統(tǒng)的受力體系，是溫室覆蓋材料、環(huán)境控制設(shè)備和灌溉設(shè)備、作物懸掛等栽培設(shè)施得以安裝的基礎(chǔ)。

日光溫室墻體主要類型有土墻、磚墻以及多種材料組成的復(fù)合墻體。土墻一般是使用挖掘機(jī)挖土堆推成的寬厚墻體，由于墻體材料易獲得、成本低、保溫蓄熱性能好，被廣大農(nóng)民接納使用。但是這類墻體占地大，土地利用率低，墻體表面容易被雨水沖淋及凍脹侵蝕致使墻體老化脫落甚至崩塌，因此很多地方用外形美觀、耐久性好的紅磚墻代替。磚墻具有更好的保溫蓄熱效果，但是施工建造費(fèi)工，造價(jià)較高，大概5～10年才能回本。而復(fù)合墻體材料是由蓄熱層、保溫層和絕熱層組成，建筑方便，性能好，但是其較大的成本限制了其推廣應(yīng)用。

模塊化組裝式土墻溫室（圖4）的墻體使用速土成型機(jī)（陜西楊凌旭榮農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，以下簡(jiǎn)稱“成型機(jī)”）建造，把原本松軟的土壤加入一定的固化材料及水，加入到成型機(jī)里，通過(guò)巨大的壓力使土壤變得密實(shí)，得到規(guī)格符合日光溫室墻體建造要求的擠塑速土塊，經(jīng)測(cè)試其強(qiáng)度可滿足溫室墻體要求，可直接拼接在一起用于溫室墻體的建設(shè)。一臺(tái)成型機(jī)生產(chǎn)規(guī)格為1.2 m×1.2 m×1.2 m的土塊用時(shí)約8 min，大大節(jié)省了溫室墻體建造時(shí)間，并且減少了墻體厚度，節(jié)省了建造用土和人力。建設(shè)完成后可在外側(cè)增附一層保溫板或其他覆蓋物，可以有效進(jìn)行保溫和防止雨水沖淋，降低了成本并增加了美觀度。

將擠塑速土塊（干）、擠塑速土塊（濕）與夯土墻、碾壓墻土塊進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表1所示，擠塑速土塊（干）比人工電夯的夯土墻密度提高7.8%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高11.8%；比流行的推土機(jī)碾壓的碾壓墻密度提高13.5%，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高90%；提高了日光溫室后墻的蓄熱能力（土壤密度越大，蓄熱性能越好）和強(qiáng)度穩(wěn)定性。因此，擠塑速土塊強(qiáng)度優(yōu)于夯土墻，即使剛制出的濕土塊也優(yōu)于當(dāng)前普遍使用的碾壓墻。

◎ 土墻模塊化組裝式日光溫室優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

蓄放熱性能好 土的可塑性、蓄熱性較好，結(jié)合運(yùn)用吸熱、蓄熱、散熱的原理制作溫室土墻模塊，并且內(nèi)有蓄熱通風(fēng)管道，能更好地進(jìn)行蓄熱與通風(fēng)，使溫室內(nèi)氣溫保持在適宜水平。

就地取材制作 墻體用料99%是土、沙、石，可就地取材建造，代替了過(guò)去的土墻、磚墻。

成本顯著降低 墻體以土為原材料加少量固化材料及水，采用工廠化生產(chǎn)溫室骨架，使整個(gè)溫室的造價(jià)下降40%左右，克服了溫室價(jià)格高、經(jīng)濟(jì)效益差的頑疾。

機(jī)械化大幅度提高溫室建造效率 全程機(jī)械制造，建造速度是原有建造效率提高5倍以上。

節(jié)約土地資源、更加環(huán)保 用土、沙、石混合制作的墻體，不僅節(jié)約了墻體的占地面積，也省去了制磚時(shí)用電、燒煤的能量消耗和污染，而且節(jié)能環(huán)保，可以在沙漠、戈壁、鹽堿地上建造，對(duì)中國(guó)非耕地的利用有著十分重要的意義。

骨架模塊

溫室骨架模塊的首要功能就是實(shí)現(xiàn)支撐作用，承擔(dān)所有的荷載，搭建一個(gè)空間以便植物的生長(zhǎng)。所以這些承力體系是由溫室骨架組成的用來(lái)抵抗各種豎向或橫向作用的平面或空間體系，圍護(hù)體系和與這些體系有直接關(guān)系的配套機(jī)構(gòu)等。承重體系包括門(mén)架、托架、檁—椽結(jié)構(gòu)構(gòu)成。溫室骨架模塊必須包括屋架、立柱、檁條和天溝等主要的受力構(gòu)件，還應(yīng)包括聯(lián)系上述主要構(gòu)件、保證溫室整體剛度的結(jié)構(gòu)支撐體系。

傳統(tǒng)的溫室骨架是在現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)放樣進(jìn)行加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)事?，F(xiàn)在骨架采用加工廠加工完成（包括焊接、沖孔、鍍鋅等施工工藝）后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，與基礎(chǔ)連接處采用螺栓連接，非基礎(chǔ)位置采用自攻螺釘連接，避免焊接，減少骨架施工周期和安裝成本（圖5）。

栽培設(shè)施模塊

傳統(tǒng)的土壤栽培在生產(chǎn)中難以解決水分、空氣、養(yǎng)分供應(yīng)的矛盾，往往無(wú)法使作物根系處于適宜的環(huán)境條件下，從而影響作物生長(zhǎng)。而無(wú)土栽培作為一種新的栽培方式，現(xiàn)在正被人們廣泛應(yīng)用。它可以有效避免土壤栽培的弊端，發(fā)揮作物的生長(zhǎng)潛力，使植物生長(zhǎng)量大大提高。所以，栽培模塊就是以現(xiàn)有的無(wú)土栽培技術(shù)為依托，實(shí)現(xiàn)栽培系統(tǒng)可組裝、可調(diào)控的應(yīng)用。

◎ 基質(zhì)培

基質(zhì)培是現(xiàn)在推廣面積最大的栽培方式，它是將作物的根系固定在有機(jī)或無(wú)機(jī)的基質(zhì)中，通過(guò)滴灌或細(xì)流灌溉的方法，供給作物營(yíng)養(yǎng)液。主要是有機(jī)生態(tài)型基質(zhì)培，還有基質(zhì)袋培、立體培、巖棉培等形式（圖6）。使用固體基質(zhì)栽培具有性能穩(wěn)定、設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、管理容易及不易傳染根系病害等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在使用較為廣泛的栽培方式。

◎ 水培

水培主要有營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT，Nutrient Film Technique）和深液流技術(shù)（DFT，Deep Flow Technique）（圖7）。營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）的特點(diǎn)是循環(huán)供液的液流呈膜狀，僅以數(shù)毫米厚的淺液流流經(jīng)栽培槽底部，水培作物的根墊底部接觸淺液流吸水、吸肥，上部暴露在濕氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾。深液流技術(shù)（DFT）的循環(huán)營(yíng)養(yǎng)液深大約5～10 cm。中國(guó)開(kāi)發(fā)研制的浮板毛管技術(shù)（FCH）就是深液流技術(shù)（DFT）的一種形式，它的特點(diǎn)是在栽培槽中設(shè)置濕氈分根裝置，既解決了根系水氣矛盾，又有一定深度的營(yíng)養(yǎng)液，不怕短期停電（24 h以上），根際環(huán)境穩(wěn)定，易于調(diào)控（冬季于栽培床內(nèi)鋪電熱線加溫，夏天鋪設(shè)塑料軟管通深井水降溫）。

近些年來(lái)水肥一體化系統(tǒng)是涉及到農(nóng)田灌溉與作物栽培等的農(nóng)業(yè)綜合新技術(shù)。它借助壓力系統(tǒng)（或地形自然落差），將可溶性固體或液體肥料，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點(diǎn)，配兌成的肥液與灌溉水一起，通過(guò)可控管道系統(tǒng)供水、供肥，水肥相融后，通過(guò)管道、噴槍或噴頭形成噴灌、均勻、定時(shí)、定量，噴灑在作物發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域，使主要發(fā)育生長(zhǎng)區(qū)域土壤始終保持疏松和適宜的含水量，同時(shí)根據(jù)不同的作物的需肥特點(diǎn)和土壤條件把水分、養(yǎng)分定時(shí)定量，按比例直接提供給作物（圖8）?？梢赃_(dá)到省肥節(jié)水、省工省力、降低濕度、減輕病害、增產(chǎn)高效的作用。

環(huán)控模塊

目前，基于單片機(jī)、PLC、CAN總線、RS485總線、ARM9處理器、ZigBee、OSGi網(wǎng)關(guān)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等軟硬件控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用成熟，也逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是溫室生產(chǎn)中，并統(tǒng)一稱為“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”。但由于該系統(tǒng)對(duì)操作者的使用技能要求較高，而且安裝成本與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際并不匹配，所以在一定程度上脫離了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際，導(dǎo)致使用效果并不理想，推廣困難。

為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有溫室大棚廣泛調(diào)研，建立不同作物專家管理軟件，并特制定本環(huán)境控制模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)環(huán)境的精確監(jiān)測(cè)、自動(dòng)上報(bào)及控制、對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程和勞動(dòng)作業(yè)過(guò)程的視頻監(jiān)控、生產(chǎn)指導(dǎo)。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的3個(gè)層次分別進(jìn)行模塊化安裝及使用。其中感知層主要采用針對(duì)溫室內(nèi)溫光水氣肥五大環(huán)境因子的超低功耗的的傳感器模塊，通過(guò)節(jié)能電池供電；傳輸層采用安裝及管理最為便捷的無(wú)線傳輸模塊，溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)匯集到云端、推送到手機(jī)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控；應(yīng)用層采用系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控和人工干預(yù)相結(jié)合的方式控制，通過(guò)對(duì)云端數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，借助專家系統(tǒng)平臺(tái)，可以優(yōu)化種植技術(shù)，達(dá)到持續(xù)增收增產(chǎn)目的。

◎ 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

在每個(gè)溫室內(nèi)分別部署1套環(huán)境精確監(jiān)測(cè)設(shè)備（圖9），其中1套監(jiān)測(cè)類型為5類（空氣溫濕度、CO2濃度、光輻射強(qiáng)度、土壤溫度、土壤水分），室外部署1套自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)類型為9類（空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度、光輻射強(qiáng)度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量）。同時(shí)通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)的輸出控制模塊（控制卷簾、風(fēng)機(jī)通風(fēng)、加熱、加濕等），實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能化控制。在管理室部署管理計(jì)算機(jī)1臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)基地的現(xiàn)場(chǎng)管理。

◎ 物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺(tái)

分配基地（區(qū)域）管理員賬號(hào)，并進(jìn)行基地信息、權(quán)限配置，使環(huán)境信息能夠上報(bào)平臺(tái)，控制指令能夠有效執(zhí)行（圖10）?；贐/S架構(gòu)提供遠(yuǎn)程管理服務(wù)，登錄網(wǎng)址，輸入用戶名密碼，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息查看、遠(yuǎn)程控制、超限預(yù)警、視頻監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析等功能模塊等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。適配Android軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的移動(dòng)客戶端管理平臺(tái)。

模塊化組裝式日光溫室的發(fā)展前景

模塊化組裝式日光溫室建設(shè)是一場(chǎng)創(chuàng)新性工業(yè)化的變革，是中國(guó)日光溫室轉(zhuǎn)型升級(jí)的手段，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化溫室建設(shè)的有效途徑。機(jī)械設(shè)備替代人，設(shè)備控制環(huán)境與栽培系統(tǒng)是發(fā)展的方向，是提高生產(chǎn)效率、土地產(chǎn)出率和資源利用率的最佳方式。

模塊化組裝式日光溫室擁有廣闊的發(fā)展前景，但其仍然處于比較新的發(fā)展階段，還有很長(zhǎng)的路要走。首先要確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，包括測(cè)試不同土質(zhì)配方與強(qiáng)度、確定骨架標(biāo)準(zhǔn)與栽培設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、建立專家系統(tǒng)等，來(lái)確定一個(gè)普遍的標(biāo)準(zhǔn)，以便于模塊化組裝溫室的推廣。然后根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)建成溫室后驗(yàn)證其保溫性、抗災(zāi)性、投入產(chǎn)出比和作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量等，以確定其應(yīng)用范圍。最后用適宜的結(jié)果在不同區(qū)域進(jìn)行示范帶動(dòng)周邊發(fā)展，形成良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)生態(tài)效益。

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*項(xiàng)目支持：溫室建筑及設(shè)施裝備產(chǎn)業(yè)化研究（2016XR0901）。

作者簡(jiǎn)介：鄒志榮，男，陜西延安人，二級(jí)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝方面的研究。

[引用信息]鄒志榮，鮑恩財(cái)，申婷婷，等.模塊化組裝式日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（31）：55-60.