高緯度地區(qū)多功能日光溫室設計

王洪義，祖 歌，楊鳳軍，李德澤，田麗美

（黑龍江八一農墾大學園藝園林學院，大慶163319）

0 引 言

日光溫室因能充分利用光能，擁有較好的采光、蓄熱和保溫性能，且能解決果蔬露地種植時間短、冷棚種植提早和延后時間有限等問題，在中國高緯度寒冷地區(qū)果蔬生產中發(fā)揮重要作用[1-2]。日光溫室可在嚴寒地區(qū)冬季實現果蔬的反季節(jié)生產，有效解決了高寒地區(qū)冬季蔬菜供應問題，同時為農村冬季富余勞動力提供就業(yè)機會，增加農民收入，助力鄉(xiāng)村振興[3-4]。

高緯度地區(qū)傳統的日光溫室，如“四三型”溫室，由于結構設計不合理，設施簡陋，抵御自然災害能力有限，導致棚室冬季生產不穩(wěn)定[5]。傳統日光溫室由于采光角度不合理、保溫蓄熱較差等還會影響冬季果蔬產量和品質[6-8]。同時，高緯度地區(qū)傳統日光溫室相對獨立，種植和加工環(huán)節(jié)分離，果蔬產品在運輸、加工等過程中容易發(fā)生凍害，成為制約溫室冬季生產的重要因素[9-10]。另外，現有大部分果蔬種植園區(qū)常通過單獨建造房屋來解決果蔬采后初加工、生產資料存放、種子及塊莖存儲等，即浪費土地資源，也不利于集約化管理[11-12]。

基于以上分析，本研究以農業(yè)設施用地為背景，針對高緯度地區(qū)氣候特點，在借鑒傳統溫室優(yōu)點的基礎上，結合生產實踐，通過優(yōu)化溫室結構，合理規(guī)劃溫室的空間布局，設計適應于高寒地區(qū)的新型日光溫室。通過提高日光溫室的采光和保溫性能，集成種植、加工、儲運等功能，解決棚室生產中室內溫度低、各環(huán)節(jié)不銜接不緊湊等問題，為高緯度地區(qū)日光溫室創(chuàng)新發(fā)展提供借鑒。

1 溫室的布局及參數設計

1.1 溫室的空間布局

以大慶市航天果蔬園區(qū)1號溫室為基礎，從空間布局上進行功能整合，將溫室設置為種植空間、生產加工空間、盆栽擺栽空間（二層部分）和地下存儲空間4部分。其中種植空間取消傳統溫室中的后屋面，增加脊高，以擴大太陽光攝入面積，同時采用雙拱雙膜雙被結構提升溫室的保溫性能。生產加工空間主要滿足浸種催芽及果蔬采后初加工需要，包括凈菜間、清洗包裝間、化驗檢測室、運苗及機耕通道等，實現采收、加工同步進行，以解決冬季凍害并提高果蔬品質。盆栽擺栽空間位于溫室的二層上部，采用雙膜單被結構，太陽光攝入量相對較少，溫度稍低，是種植食用菌、韭黃及芽苗菜的特殊空間[13-15]。地下存儲空間借鑒高寒地區(qū)地下存儲窖，利用其低溫恒溫特點，用于盆栽體低溫春化、果蔬產品打冷、塊莖及種子存儲等[16-17]。在種植空間和盆栽擺栽空間的中間2層陽光板隔離處設有通風口，用于交換熱能及不同季節(jié)的通風。所有種植采用標準種植槽，根據植物生長對溫度和光照的需要，在不同生長階段放置到溫室的不同空間，實現小型工廠化周年生產。

溫室前屋面采用雙層拱圓鋼骨架，其中上層拱形骨架的上弦為?42 mm（t=3.0 mm）鍍鋅管，下弦為?40 mm（t=2.5 mm）鍍鋅管；下層拱形骨架的上弦為?42 mm（t=3.0 mm）鍍鋅管，下弦為?40 mm（t=2.5 mm）鍍鋅管；腹桿為?12 mm鋼筋；二層溫室后屋面采用50 mm×100 mm方鋼管，棚架間隔均為1.1 m排列。溫室結構圖如圖1所示。

圖1 多功能日光溫室結構圖Fig.1 Structure diagram of multi-functional solar greenhouse

1.2 主要技術參數

高緯度多功能日光溫室設計總跨度16 m，其中種植空間跨度9 m，生產加工空間跨度7 m，總高度6.5 m，溫室長度70～90 m（以70 m為例），建筑基底面積1 120 m2。種植空間部分70 m×9 m，面積630 m2；生產加工空間部分70 m×7 m，面積490 m2；盆栽擺栽空間部分70 m×7 m，面積490 m2；地下存儲空間部分40 m×7 m，面積280 m2，總可利用面積1 890 m2，土地利用率1.7。溫室生產加工部分建筑采用框架結構[18]，實心磚填充，具體結構設置見表1。

2 溫室關鍵參數設計

2.1 采光設計

2.1.1 前屋面角設計

日光溫室主要利用太陽能增加室內溫度，前屋面角的大小是獲得太陽能的關鍵因素[19-20]。根據前人研究，日光溫室欲進行冬季生產，需要確保冬至日采光面截獲的太陽能大于或等于40°N地區(qū)春分日地平面截獲的太陽能[21]，滿足此條件的日光溫室平均屋面角為基本采光角（θ），計算公式如下：

表1 生產加工空間的結構設置Table 1 The structure of production and processing space

式中h0(冬)為冬至日太陽高度角；σ為地理緯度（以大慶地區(qū)為例，地理緯度為46°）；δ為冬至日太陽直射緯度（-23.5°）。由此計算得出，大慶地區(qū)日光溫室的基本采光角 θ=29.5°。

高寒地區(qū)日光溫室冬季不加溫情況下，理想的前屋面角需大于基本采光角5°～7°[22-23]，即大慶地區(qū)理想前屋面角為34.5°～36.5°。

根據上述計算結果，本設計中日光溫室的前屋面角設計為37°，可以滿足哈爾濱以北（北緯45°）及齊齊哈爾以南（北緯47°）地區(qū)最佳前屋面角，確保冬季溫室獲得更多的太陽能。

2.1.2 前屋面弧度設計

本設計中溫室前屋面線型由一段弧形和一段近似直線構成，其中下部弧形曲率較大，為冬季主要采光面，需滿足冬至日真正午時太陽直射光線照射到溫室后墻根，圓心在日光溫室跨度的水平線上，其曲率的半徑（R1）、其水平投影寬度（L1）和距地面最大高度（H1）（圖2）可按下列公式計算[21]：

式中L為日光溫室跨度（9 m）；h0(冬)為冬至日太陽高度角（20.5°）；σ為地理緯度（大慶市地理緯度46°）；δ為冬至日太陽直射緯度（-23.5°）。

計算得曲率半徑R1=4.4 m，水平投影L1=1.1 m，距地面最大高度H1=2.9 m。

圖2 多功能日光溫室采光參數示意圖Fig.2 Schematic diagram of lighting parameters of multi-functional solar greenhouse

2.2 保溫設計

保溫性能是日光溫室的重要指標之一，根據能量守恒原理，不加熱溫室，其蓄積的太陽能應大于等于散失的熱量，一般來說，主要涉及保溫比、墻體保溫性能及覆蓋材料3部分[24]。

2.2.1 保溫比設計

溫室保溫比（Rr）是由保溫部分與采光部分的比值，即日光溫室墻體、后屋面、地面三者之和與前屋面的弦面積之比，一般日光溫室的合理保溫比需大于等于1.55[21]，計算公式為

式中L為日光溫室跨度（9 m）；X1為日光溫室后坡長度（0 m）；H為日光溫室后墻高度（6.5 m）；X2為日光溫室前屋面弦長（約10 m）。

經計算，本設計中溫室保溫比為1.55，符合日光溫室合理保溫比要求。

2.2.2 保溫墻體設計

大慶地區(qū)冬季室外最低溫度-30℃以下，要保證冬季生產溫室內最低溫度應在5℃以上，室內外最大溫差在35～40℃，為達到生產要求，墻體熱阻值應為3.5～4.0 m2·K/W[21-22]。本設計中，墻體采用370 mm實心磚填充，其熱阻值約為0.5 m2·K/W，墻體外貼聚苯板，其厚度應滿足熱阻值3.0～3.5 m2·K/W，根據式（7）[21]計算：

式中Ri為材料的合理熱阻；Ki為聚苯板導熱率（0.03 m2·K/W）；Di為聚苯板厚度，mm。

經計算，大慶地區(qū)370 mm實心磚墻體，滿足冬季室內最低5℃條件下，聚苯板厚度應為90～115 mm，本設計中聚苯板厚度選擇120 mm。

2.2.3 覆蓋材料

本設計中日光溫室由2層棚膜和2層棉被覆蓋，白天只保留外層棚膜，最大程度保證光線攝入，夜晚將2層膜被均放下，達到更好的保溫效果。在2層棚膜間為不流動的空氣，能夠阻止熱量向外散失，同時也能夠阻隔外部冷涼空氣向溫室內傳導，具有很好的保溫隔熱功能。

3 溫室荷載計算

本設計中溫室的生產加工部分參照民用建筑的常規(guī)做法，其荷載計算過程不再贅述，本文只對溫室棚架結構進行荷載分析。

3.1 溫室活荷載分析

3.1.1 雪荷載

雪荷載是大慶地區(qū)冬季溫室常見荷載，可采用溫室前屋面水平投影面上的雪荷載標準值Sk計算，計算公式如下[25-26]：

式中S0為基本雪壓（該地區(qū)取0.23 kN/m2）；ct為加熱影響系數（不加溫塑料薄膜覆蓋材料取1.0）；μr為前屋面積雪分布系數，本溫室前屋面L1對應部分角度為65°，L2對應部分角度為32°（前屋面平均采光角度為37°），對應μr取值分別為0和0.74[26]，兩者取最大值。

經計算，雪荷載Sk為0.17 kN/m2。

3.1.2 風荷載

垂直于建筑物表面上的風荷載標準值可按下式計算[26]：

式中μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；W0為基本風壓，kN/m2。

本設計中溫室屋面為封閉式落地拱形屋面，適用地為大慶地區(qū)鄉(xiāng)村以及房屋比較稀疏的城市郊區(qū)，地面粗糙類型為B類，根據《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》，6.5 m高物體風壓變化系數μz對應取0.86；μs參照封閉式落地拱形屋面，前屋面L1部分對應取值0.6，L2部分對應取值0.1，兩者取最大值0.6；該地區(qū)基本風壓W0為0.41 kN/m2[26-27]，計算得出風荷載Wk為0.21 kN/m2。

3.1.3 屋面活荷載

根據《農業(yè)溫室結構荷載規(guī)范》要求，屋面活荷載包括均布活荷載和施工檢修集中荷載兩部分組成，其中施工檢修集中荷載不應與屋面材料自重和作物荷載以外的其他荷載同時計入。屋面垂直投影面積大于30 m2時，屋面均布活荷載取值0.10 kN/m2；施工檢修集中荷載一般取0.80 kN/m2[23]，最大取值1.00 kN/m2[26]，本溫室外層鋼骨架由于跨度大、舉架高，取最大值1.00 kN/m2，而內層鋼骨架跨度小、高度低施工檢修方便，取均值0.80 kN/m2。

3.1.4 作物吊掛荷載

吊掛荷載即作物因栽培需要而吊掛在溫室上形成的荷載，這個荷載對溫室骨架設計是不可忽略的，它的大小與所栽培的作物有關，一般按均布荷載來考慮，常采用0.15 kN/m2[28-29]。

3.2 溫室鋼骨架的荷載組合分析

3.2.1 外層鋼骨架荷載組合計算

溫室外層鋼骨架荷載主要由其自重恒荷載q1和活荷載2部分組成，其中恒荷載q1根據鋼材類型由結構計算軟件計算得出，活荷載主要包括雪荷載、風荷載及屋面活荷載[25-26]。外層鋼骨架荷載主要有2種組合方式，第一種組合Q1=q1+風荷載+雪荷載+屋面均布活荷載=q1+0.48kN/m2；第二種組合Q2=q1+屋面均布活荷載+施工檢修集中荷載=q1+1.10 kN/m2，第二種組合計為最不利組合方式。

3.2.2 內層骨架荷載組合計算

同理，可計算內層骨架荷載組合受力，但需去掉雪荷載和風荷載，另需增加作物吊掛荷載，其計算結果是Q=q1+屋面均布活荷載+施工檢修集中荷載+作物吊重荷載=q1+1.05 kN/m2。

4 溫室骨架承載力分析

根據不同的荷載組合進行計算，得出相應桿件內力，按各桿件不同的截面，確定骨架的承載力和穩(wěn)定性。

4.1 桿件內力分析

本設計溫室種植空間跨度9 m，脊高6.5 m，外層骨架的上弦為?42（t=3.0）鍍鋅管，下弦為?40（t=2.5）鍍鋅管；內層骨架的上弦為?42（t=3.0）鍍鋅管，下弦為?40（t=2.5）鍍鋅管；腹桿為?12鋼筋，整體采用Q235鋼材。外層骨架設計承載力需大于等于q1+1.10 kN/m2，內骨架需大于等于q1+1.05 kN/m2。

采用結構計算軟件midas對生產期間最不利的荷載組合下各桿件的彎矩和軸力進行計算，分布云圖如圖3所示，具體計算結果見表2～表5。

從計算結果可知，各桿件所受彎矩均很小，相對軸力可忽略不計，均可按桿件軸力計算[28]。同時桿件均無截面消弱，因此，只需進行受壓桿件的穩(wěn)定性驗算。

表2 多功能日光溫室鋼骨架內層桿件彎矩計算結果Table 2 The calculation results of inner-bar bending moment of multi-functional solar greenhouse (kN·m)

表3 多功能日光溫室鋼骨架外層桿件彎矩計算結果Table 3 The calculation results of outer-bar bending moment of multi-functional solar greenhouse (kN·m)

表4 多功能日光溫室鋼骨架內層桿件軸力計算結果Table 4 The calculation results of inner-bar axial forces of multi-functional solar greenhouse kN

表5 多功能日光溫室鋼骨架外層桿件軸力計算結果Table 5 The calculation results of outer-bar axial forces of multi-functional solar greenhouse kN

4.2 溫室鋼骨架的穩(wěn)定性分析

溫室鋼骨架承受外部的各種荷載，桿件的受力穩(wěn)定性是設計的重要指標，各桿件受力需小于Q235鋼材設計強度205 N/mm2[29-30]。對內外層骨架的上弦、下弦和腹桿軸力分析，受力最大的桿件最不穩(wěn)定，因此選擇受力最大的桿件（最不利桿件）進行受力強度分析，結果見表6。由表6可知，各位置最不利桿件的受力強度均小于Q235鋼材的設計強度，骨架結構滿足穩(wěn)定性要求。

表6 溫室鋼骨架穩(wěn)定性分析Table 6 Stability analysis of greenhouse steel framework

5 結 論

本研究以設施農業(yè)用地為背景，針對高緯度地區(qū)氣候特點，在借鑒傳統溫室優(yōu)點的基礎上，結合生產實踐，從溫室的結構、采光角度、前屋面弧度、保溫性能等方面進行優(yōu)化設計，同時對雪荷載、風荷載、施工荷載、作物吊掛荷載進行分析，并通過結構計算軟件midas進行結構穩(wěn)定性分析，驗證了溫室各參數設計的合理性。高緯度多功能日光溫室主要結構參數設計結果為：總跨度16 m，其中種植部分跨度9 m，生產加工部分跨度7 m，總高度6.5 m，土地利用率達到1.7，溫室種植部分采用雙層桁架形式，主采光前屋面角為37°，溫室生產加工部分采用框架結構，實心磚填充，外貼120 mm厚聚苯板。該溫室具有種植、加工、存儲等多種功能，解決了傳統溫室冬季必須加溫才能生產的問題，避免了果蔬二次搬運而產生的受凍問題和種子、塊莖存儲、溫室土地利用率低等問題，可以作為棚室園區(qū)的核心節(jié)點溫室，實現園區(qū)果蔬種植、采收和初加工就近完成，實現冬季不加溫生產，有效提高果蔬品質和園區(qū)運轉效率。