被動式蓄熱全鋼結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室建造技術(shù)

丁明元 梁順有 楊桂玲

（甘肅省臨澤縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅臨澤 734200）

甘肅省臨澤縣開發(fā)了一種全彩鋼墻體鋼架結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室。利用保溫棉被、雙面彩鋼板構(gòu)成保溫墻體及后屋面，利用水進(jìn)行蓄熱，代替磚、土、沙石等蓄熱介質(zhì)，且建造及拆卸方便，節(jié)省用工，抗風(fēng)、抗壓能力強(qiáng)，建造成本較相同面積的傳統(tǒng)日光溫室減少1.73萬元，適宜河西走廊及西北地區(qū)園藝作物周年生產(chǎn)及集約化育苗。

日光溫室作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分，近年來由于勞動力成本的上升和比較效益的下降，投資回報率低，呈現(xiàn)出發(fā)展速度緩慢、廢棄溫室逐年增多的現(xiàn)象。究其原因：一是傳統(tǒng)土墻結(jié)構(gòu)溫室在建設(shè)過程中對耕作層破壞嚴(yán)重，需要增加恢復(fù)地力的額外投入；二是傳統(tǒng)鋼竹結(jié)構(gòu)溫室的前屋面更新改造和維護(hù)費用較大，每年都需要更新改造和維護(hù)，并且隨著使用年限的延長，更新改造、維護(hù)的費用逐年增加；三是隨著勞動力成本上升，傳統(tǒng)溫室建造費用逐年攀升，尤其是后墻體部分的建造費用占到總費用的1/3以上；四是傳統(tǒng)日光溫室白天利用光照增加室內(nèi)溫度，夜間溫度降低，溫室內(nèi)晝夜溫差過大，夜間溫度過低，導(dǎo)致蔬菜停止生長，甚至遭受凍害，嚴(yán)重影響蔬菜產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。

鑒于上述原因，筆者開展了被動式蓄熱全鋼結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室的試驗研究，目的在于降低日光溫室建造成本，推動戈壁農(nóng)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。試驗取得了2項實用新型專利，分別是全彩鋼墻體鋼架結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室（專利公開號CN203646202U）和一種鋼結(jié)構(gòu)日光溫室夜間蓄熱增溫裝置（專利公開號為CN205385747U）。與傳統(tǒng)日光溫室不同，全彩鋼墻體鋼架結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室利用保溫棉被、雙面彩鋼板構(gòu)成保溫墻體及后屋面，利用水進(jìn)行蓄熱，代替磚、土、沙石等蓄熱介質(zhì)，建造及拆卸方便，節(jié)省用工，且便于新技術(shù)、新產(chǎn)品的組裝配套，適宜河西走廊及西北地區(qū)園藝作物的周年生產(chǎn)以及集約化育苗。現(xiàn)將全彩鋼墻體鋼架結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室的建造技術(shù)總結(jié)如下。

1 設(shè)計原理

1.1 溫室輕簡化建造原理 以立柱、保溫被及彩鋼板構(gòu)成后墻體，保溫被外面設(shè)彩鋼板，彩鋼板用來增強(qiáng)保溫被的抗老化能力，延長保溫被的使用壽命，以達(dá)到保溫效果。用連接桿將溫室骨架連接成一個整體，提高溫室的抗風(fēng)能力和堅固性，立柱用來定位保溫被、架設(shè)蓄熱水管，達(dá)到施工簡便、節(jié)約耕地、節(jié)約勞力、抵御自然災(zāi)害、提高溫室綜合性能的目的。

1.2 被動式蓄熱溫室增溫原理 水的熱容量（單位質(zhì)量或原狀體積系統(tǒng)，溫度升高或降低1 ℃所吸收或釋放的熱量）較大，為4.2 J·g-1·℃-1，是土壤的3.5倍（土壤的體積熱容量一般為1.0～2.5 J·g-1·℃-1，含水量大則更高），是磚的5.6倍。因此，利用水蓄熱，代替磚、土、沙石等蓄熱介質(zhì)，同時利用黑色吸熱能力強(qiáng)的特點，用黑色塑料水管為蓄水設(shè)備，代替蓄水池，且水的價格便宜、不污染環(huán)境，可循環(huán)利用和灌溉，利用水積蓄溫室白天溫度升高產(chǎn)生的熱量、夜間散發(fā)熱量來提高溫室夜間溫度，解決溫室蓄熱能力，提高溫室的綜合性能。

1.3 蓄熱水管架設(shè)方法 在溫室的后立柱上疊放架設(shè)與后墻相同高度的水管（6層，以長度70 m為例，可蓄水12 m3），每層管道的兩端相互連通構(gòu)成循環(huán)回路，白天內(nèi)部灌滿清水，用水蓄熱。水管上部安裝進(jìn)水口（與進(jìn)水系統(tǒng)相連接）及排氣閥，下部安裝放水閥（圖1）。

圖1 新型溫室蓄熱水管

2 設(shè)計參數(shù)

溫室跨度：9 m，長度隨地形而定，一般60～70 m較好。

圈梁（混凝土）：四周預(yù)制混凝土（標(biāo)號為200#）圈梁，前圈梁（每隔1 m設(shè)置預(yù)埋件，用于固定鋼圈梁）高0.3 m、寬0.3 m，后圈梁（每隔2 m設(shè)置預(yù)埋件，用于固定立柱）高0.3 m、寬0.8 m。骨架、鋼圈梁及配件材料規(guī)格：骨架、鋼圈梁為3 cm×7.8 cm的矩形鋼管，骨架材質(zhì)選用國標(biāo)鍍鋅鋼板，冷壓彎曲成溫室型；固定拉桿為直徑20 mm的鍍鋅管；后立柱為直徑110 mm的國標(biāo)鍍鋅鋼管；支撐樁長30 cm，采用邊寬分別為50、32 mm，邊厚4 mm的角鐵；前立桿長2 m，為長400 mm、寬25 mm、厚6 mm的矩形鋼管；后立桿長0.8 m，為長3 cm、寬7.8 cm、厚2.75 mm的矩形鋼管，溫室前立柱采用直徑75 mm的國標(biāo)鍍鋅鋼管。骨架、鋼圈梁及配件設(shè)計規(guī)格：脊高3.8 m，前屋面長10.5 m，后屋面長2.45 m，后立柱高2.3 m，間距2 m，鋼圈梁為溫室長度的2倍（在后立柱上面和前圈梁上面安裝并固定），前屋面及后屋面骨架相連，間距1 m，橫向固定拉桿9道（長為溫室長度），山墻固定8根支柱（兩側(cè)共16根），前立柱長4 m，間距8 m，前立柱頂端與骨架相連。保溫被及棚膜：立柱（后墻）及后屋面保溫被寬5 m，長為溫室長度，厚度10 cm（2層）。兩側(cè)山墻放置草墩+保溫被。溫室前屋面覆蓋寬10 m、厚1.2 mm的醋酸乙烯（EVA）棚膜。風(fēng)口膜寬2 m，棚膜長度比溫室長1 m，前屋面保溫被長11 m、厚5 cm，采用卷簾機(jī)覆蓋和揭開保溫被。彩鋼板：以高密度苯板制作的雙面彩鋼為保溫墻體及后屋面，苯板厚10～12 cm，高密度、耐阻燃，彩鋼雙面，每層厚度5 mm，后墻體高2.2 m，后屋面長2.6 m。蓄水設(shè)備：采用直徑為17 cm、壁厚0.5 cm的黑色PVC水管。

3 建造要點

3.1 建造材料 包括溫室前、后立柱，骨架，連接桿，活動山墻，前立桿，后立桿，操作墊，彩鋼板，保溫被，支撐樁，水管，排氣閥，進(jìn)水管，出水閥等材料。

3.2 建造方法 在前圈梁及立柱上安裝鋼圈梁，鋼圈梁上縱向安裝骨架，骨架的前后面橫向安裝連接桿，骨架的后屋面及后立柱外面安裝保溫被，在保溫被上固定彩鋼板，在骨架的兩端設(shè)置活動山墻，骨架的頂部設(shè)置立桿、操作墊，在立柱上設(shè)置支撐樁，支撐樁上架設(shè)蓄熱水管、排氣閥、進(jìn)水管、出水閥等材料。在走道的前端（靠近種植面）設(shè)置前立柱。

3.3 具體實施方法 在平整好的溫室地面上預(yù)制混凝土圈梁及走道，在后圈梁的預(yù)埋件上焊接立柱，在立柱和前圈梁上鋪設(shè)鋼圈梁并固定，在鋼圈梁縱向等距安裝骨架，在骨架上橫向安裝連接桿，在骨架的后屋面及立柱上鋪設(shè)保溫被，在保溫被上安裝彩鋼板，在骨架的兩端設(shè)置活動山墻，并在骨架的頂部設(shè)置前立桿、后立桿、操作墊。在立柱上水平設(shè)置支撐樁，在支撐樁上水平固定蓄熱水管，蓄熱水管平行分布排列，互相貫通，兩端封閉。在蓄熱水管的上端垂直設(shè)置排氣閥和進(jìn)水管，在蓄熱水管的下端設(shè)置出水閥，同溫室灌水系統(tǒng)（可架設(shè)循環(huán)泵，增大壓力）相連接，在走道的前端設(shè)置前立柱，前立柱與骨架用連接件相連。

4 建造成本

建造1座長70 m、寬9 m、利用面積630 m2的被動式蓄熱全鋼結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室，總造價約為10.27萬元，每平方米約162元，主要包括溫室鋼骨架2.10萬元（70 m，每米300元），彩鋼2.86萬元（共381.5 m2，其中后墻體154 m2，后屋面185.5 m2，山墻42 m2，每平方米75元），前立柱720元（直徑75 mm的鍍鋅鋼管36 m，每米20元），棚膜0.1萬元，保溫被2.3萬元（共1 533 m2，其中后墻體及后屋面763 m2，前屋面770 m2，每平方米15元），蓄熱水管0.64萬元（共51根，每根長8 m，每根126元），卷簾機(jī)0.40萬元，其他材料0.6萬元，安裝費及零配件1.2萬元。相比傳統(tǒng)日光溫室，相同面積下該類型溫室的總建造成本可減少1.73萬元。

5 抗逆保溫能力

針對河西走廊低溫、大雪、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣特征，筆者根據(jù)《溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載》國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18622—2002的規(guī)定及近3 a（年）的驗證，對該溫室的抗御自然災(zāi)害能力及保溫性進(jìn)行了檢測及驗證。

5.1 抗壓能力 冬春兩季是河西走廊及西北地區(qū)降雪集中的時段，該溫室材料與結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)，不受一般大雪天氣影響。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012），該結(jié)構(gòu)溫室的雪荷載值為0.36 kN·m-2，可承載50 kg·m-2以上的壓力，即單日降雪量在25 cm以下時，溫室結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)畸變。

5.2 抗風(fēng)能力 春季是河西走廊及西北地區(qū)大風(fēng)較頻繁發(fā)生的時段，該結(jié)構(gòu)溫室抗風(fēng)能力強(qiáng)，風(fēng)荷載值≥0.31 kN·m-2，可以抵抗平均風(fēng)速為26 m·s-1的11～12級大風(fēng)。

5.3 保溫蓄熱能力 據(jù)實際觀測，當(dāng)室外最高溫度為-8.3 ℃、最低溫度-23.0 ℃時，溫室內(nèi)平均最高溫度28.7 ℃，最低溫度4.7 ℃（采用HC-02溫度自動記錄儀記錄溫度），室內(nèi)外最高、最低溫度差分別為37.0、27.7 ℃。2017年，室外出現(xiàn)極端最低溫度-26.5 ℃時，溫室內(nèi)最低溫度為4.2 ℃，蔬菜長勢正常。

6 性能特點

① 以保溫棉被、PVC水管、雙面彩鋼板為保溫墻體及后屋面，代替磚、土作溫室的墻體及后屋面，解決了傳統(tǒng)日光溫室建造中墻體過寬、過厚造成的土地浪費、耕作層破壞嚴(yán)重等問題。② 建設(shè)過程中，不打墻、不挖土，保護(hù)了土地耕作層，有利于實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，同時適應(yīng)性廣，不受土地、季節(jié)限制，適合在耕地和戈壁等條件下建造。③ 骨架以高規(guī)格輕質(zhì)鍍鋅鋼板為原材料，一次成型制作而成，鋼架材料質(zhì)量輕，整體組裝穩(wěn)定性強(qiáng)。種植面無立柱、拉筋等支撐構(gòu)件，溫室底角和屋頂預(yù)留通風(fēng)帶，便于調(diào)控溫濕度，室內(nèi)視野開闊，方便小型機(jī)械進(jìn)入室內(nèi)進(jìn)行機(jī)械作業(yè)。主要用于河西走廊及西北地區(qū)各種蔬菜、瓜果、花卉、葡萄、櫻桃等園藝作物的周年生產(chǎn)以及集約化育苗，利于種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整。④ 用保溫棉被、彩鋼板、PVC水管的水蓄熱、隔燃保溫，替代磚、土等蓄熱以及蓄水池建設(shè)，擴(kuò)大了種植面積。與傳統(tǒng)日光溫室相比，同等占地面積，新型溫室種植面積可增加16 m2（約2.5%）。⑤ 節(jié)省用工，減輕勞動強(qiáng)度和勞動量。建成一座630 m2的傳統(tǒng)日光溫室需投入勞動用工180個，而該溫室只需40個勞動用工。⑥ 建造及拆卸方便，安裝簡易。在遇到土地調(diào)整、征用、洪澇等特殊情況時，可拆卸、移動、重組，重新使用。⑦易推廣，便于栽培新技術(shù)、新產(chǎn)品的組裝配套。優(yōu)良的棚型設(shè)計和開闊的耕作空間，有利于組裝有機(jī)生態(tài)型無土栽培、測土配方、水肥一體化、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、溫濕度自動化控制等實用新技術(shù)、新產(chǎn)品，可提高溫室的自動化管理和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)水平。

7 推廣前景

位于河西走廊中部的臨澤縣，戈壁農(nóng)業(yè)已發(fā)展逾300 hm2（4 500畝），而且以每年150 hm2（2 250畝）的速度發(fā)展，被動式蓄熱全鋼結(jié)構(gòu)組裝式日光溫室具有建造成本低、施工簡便、性能良好的特點，可以作為戈壁設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的新型模式進(jìn)行推廣。新型日光溫室目前已在張掖市推廣逾200座。