高溫高濕地區(qū)主流大型連棟溫室型式及性能＊

李 葦，王 巖（.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 50630；.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣州 50555)

設(shè)施農(nóng)業(yè)是綜合農(nóng)業(yè)工程、生物技術(shù)工程、環(huán)境工程等多門學(xué)科，采用現(xiàn)代化科技手段，一定程度上擺脫自然條件制約，使作物獲得最適宜的生長條件，從而獲得最佳產(chǎn)出的作物保護(hù)性栽培方式[1-2]。大力推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)，是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要手段，同時(shí)也是調(diào)整中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民持續(xù)增收的有效途徑[3]。

中國區(qū)域自然條件差異大，氣候自西北向東南由干到濕，從北向南由冷到熱分布。南方以熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹?，冬溫夏熱，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨。北方氣候以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，冬季寒冷干燥，年溫差較大。因此，南方和北方的溫室設(shè)施類型、結(jié)構(gòu)形式、覆蓋材料、配套設(shè)施以及應(yīng)對(duì)區(qū)域氣候特征的技術(shù)措施有明顯的差別。北方地區(qū)主要考慮溫室保溫性能，減少冬季的熱損耗，南方地區(qū)則主要考慮溫室夏季通風(fēng)降溫，減少夏季溫室內(nèi)高溫高濕對(duì)作物生長的影響[4-5]。

華南地區(qū)，以廣東、廣西和海南為例，一年當(dāng)中以高溫高濕天氣為主，在該區(qū)域發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，重點(diǎn)需要解決的問題就是降溫[6]。因而，文章對(duì)高溫高濕地區(qū)典型連棟溫室類型及性能進(jìn)行了整理總結(jié)，以期對(duì)大型連棟溫室設(shè)計(jì)建設(shè)、區(qū)域適應(yīng)性、通風(fēng)降溫、節(jié)能降耗等方面的改進(jìn)提供參考。

典型溫室型式

坡面溫室

坡面溫室主要有屋面全開啟溫室和屋面蝶形開窗溫室類型，主體覆蓋材料一般為玻璃，透光性好，造型美觀，內(nèi)部空間大，使用壽命長，內(nèi)部配套設(shè)施齊全，展示效果好，但溫室鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建造成本較高，一般更適合光照需求量大、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、需要展示示范的作物品種。

屋面全開啟溫室常見外觀型式見圖1。建設(shè)該類溫室初始投入較高，但其通風(fēng)降溫性能和耐久性較好，且維護(hù)成本較低，廣泛應(yīng)用于各類蔬菜、瓜果、花卉的育種育苗及工廠化生產(chǎn)、科學(xué)研究、休閑旅游等領(lǐng)域。該類溫室屋頂為連棟小尖頂結(jié)構(gòu)，溫室主體采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，可以減少骨架承重，并經(jīng)熱浸鍍鋅處理，以提高抗腐蝕能力。溫室內(nèi)熱量主要集聚在溫室頂部，因而在溫室頂部設(shè)立天窗，利于溫室內(nèi)部通風(fēng)降溫，而在僅開天窗的情況下，溫室通風(fēng)效果還不是十分顯著，當(dāng)同時(shí)打開天窗與側(cè)窗時(shí)，溫室通風(fēng)效果最佳[7-8]。圖2a 是全開啟天窗裝置，以天溝為固定軸旋轉(zhuǎn)，天窗啟閉采用先進(jìn)的扭矩分配式齒輪齒條開窗機(jī)構(gòu)，一臺(tái)電機(jī)可控制多組天窗啟閉，最大開啟角度可達(dá)70°，當(dāng)天窗裝置開至最大角度時(shí)，溫室內(nèi)外環(huán)境變化基本一致，溫室密閉性基本消失[6，9]。溫室四周設(shè)置電動(dòng)連續(xù)外翻側(cè)窗，如圖2b 所示，一般為雙層連續(xù)結(jié)構(gòu)，采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，與天窗裝置聯(lián)合使用，可實(shí)現(xiàn)溫室高效通風(fēng)換氣，最大開啟角度可達(dá)60°。溫室天窗、側(cè)窗通常覆蓋6 mm 厚PC 中空板，其余覆蓋材料采用透明浮法玻璃。該類型溫室自然通風(fēng)降溫效率高，溫室節(jié)能效果顯著。屋面全開啟溫室主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 屋面全開啟溫室

圖2 溫室通風(fēng)窗

表1 屋面全開啟溫室主要技術(shù)參數(shù)

屋面蝶形開窗溫室主要有大跨度和文洛小尖頂類型，常見外觀型式如圖3 和圖4。大跨度蝶形開窗溫室采用單脊雙坡面“人”字型連棟結(jié)構(gòu)，主體構(gòu)架采用各種專用型材，結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。溫室頂部設(shè)2 m 寬的雙翼連續(xù)外翻天窗，如圖5 所示，天窗閉合時(shí)與溫室屋面貼合，全開時(shí)成“一”字型，有效保證室內(nèi)通風(fēng)，同時(shí)防止陽光直射灼傷作物，以及暴雨天氣下對(duì)作物造成的直接損害。溫室四周設(shè)雙層連續(xù)外翻窗，側(cè)窗覆蓋6 mm 厚PC 中空板，其余覆蓋5 mm 厚透明浮法玻璃，溫室整體剛性好，抗風(fēng)能力強(qiáng)。溫室內(nèi)外空氣對(duì)流充分，自然通風(fēng)降溫效果明顯，運(yùn)行費(fèi)用較低。大跨度蝶形開窗溫室主要技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 大跨度蝶形開窗溫室主要技術(shù)參數(shù)

文洛小尖頂?shù)伍_窗溫室采用連棟小尖頂屋面結(jié)構(gòu)，溫室主體構(gòu)架采用各種專用型材，結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊，整體剛性好，防水、透光性強(qiáng)。溫室頂部設(shè)雙翼連片式外翻天窗，可開至水平狀態(tài)，四周設(shè)高約1.5 m 連續(xù)外翻窗，最大開啟角60°。文洛小尖頂?shù)伍_窗溫室室內(nèi)空間更大，利于種植一些需要向上延伸的作物，如番茄、甜椒等。溫室主要技術(shù)參數(shù)如表3。

鋸齒型溫室

表3 文洛小尖頂?shù)伍_窗溫室主要技術(shù)參數(shù)

圖3 大跨度蝶形開窗溫室

圖4 文洛小尖頂?shù)伍_窗溫室

圖5 蝶形天窗裝置

圖6 雙弧面小鋸齒溫室

圖7 單坡鋸齒型薄膜溫室

圖8 卷簾通風(fēng)窗裝置

鋸齒型溫室主要有雙弧面小鋸齒溫室和單坡鋸齒型薄膜溫室類型，這類溫室的亮點(diǎn)是鋸齒形通風(fēng)口既能最大程度滿足溫室通風(fēng)需求，又能不受降雨影響，特別適合南方夏季多雨天氣。主體構(gòu)架采用專用輕型鋼制造，結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊、防銹能力強(qiáng)、經(jīng)久耐用。屋面及四周覆蓋0.13～0.20 mm 厚塑料薄膜，常見外觀型式如圖6～7。雙弧面小鋸齒溫室頂部設(shè)0.7 m 高的手動(dòng)/ 電動(dòng)卷膜天窗，四周設(shè)2.5 m 高的卷膜側(cè)窗，溫室主要技術(shù)參數(shù)如表4。單坡鋸齒型薄膜溫室又稱加強(qiáng)型薄膜溫室，抗臺(tái)風(fēng)級(jí)數(shù)較高，頂部設(shè)1.5 m 高的卷膜天窗，四周設(shè)2.5 m 高的卷膜側(cè)窗，溫室主要技術(shù)參數(shù)如表5。鋸齒型溫室通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圓拱屋面溫室

圓拱屋面溫室采用雙弧面拱型連棟結(jié)構(gòu)，南方圓拱型溫室增設(shè)了外翻天窗，通風(fēng)降溫和保溫性能俱佳，但需要每跨度屋面增設(shè)一臺(tái)控制電機(jī)，增加了建設(shè)成本。屋面及四周覆蓋0.13～0.20 mm厚塑料薄膜，主體構(gòu)架采用專用輕型鋼制造。溫室頂部設(shè)電動(dòng)連片式外翻天窗，每組寬3.5 m，通過天窗減速電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)使齒條運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)天窗開啟和關(guān)閉，形成通風(fēng)口，如圖9 所示，該類型天窗裝置屋面構(gòu)架相對(duì)圖2a 和圖5 較簡單，建設(shè)和運(yùn)行成本相對(duì)圖8較高。四周設(shè)2.5 m 高的卷膜側(cè)窗。溫室外觀型式見圖10，主要技術(shù)參數(shù)見表6。

表4 雙弧面小鋸齒溫室主要技術(shù)參數(shù)

表5 單坡鋸齒型溫室主要技術(shù)參數(shù)

圖9 外翻天窗裝置

圖10 屋面外翻天窗溫室

通風(fēng)降溫設(shè)施

遮陽系統(tǒng)

溫室內(nèi)熱量主要來自太陽輻射能量，設(shè)置遮陽系統(tǒng)可有效阻擋這部分能量[10]。溫室遮陽系統(tǒng)包括室外遮陽、室內(nèi)遮陽及多層遮陽系統(tǒng)，可根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及溫室建設(shè)結(jié)構(gòu)要求選用，一般情況下，室外遮陽系統(tǒng)較室內(nèi)的降溫效果更好，但外遮陽系統(tǒng)不適于臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)。

目前，溫室遮陽系統(tǒng)普遍采用的是鋼索拉幕和齒條拉幕。圖11 是鋼索拉幕遮陽系統(tǒng)，主要利用鋼索和換向輪將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為鋼索的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)遮陽網(wǎng)的收合。圖12 是齒條拉幕遮陽系統(tǒng)，主要利用減速電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使得齒條做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于齒條與推拉桿連成一體，所以在推拉桿的帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)遮陽系統(tǒng)的開合。

表6 圓拱屋面溫室主要技術(shù)參數(shù)

圖11 鋼索拉幕遮陽系統(tǒng)

圖12 齒條拉幕遮陽系統(tǒng)

強(qiáng)制降溫系統(tǒng)

考慮溫室生產(chǎn)成本及效益最大化，一般優(yōu)先采用自然通風(fēng)降溫，但當(dāng)室外溫度在35°以上時(shí)，室內(nèi)自然通風(fēng)已不能滿足溫室降溫需求，且室內(nèi)溫度還將在高于室外溫度的基礎(chǔ)上持續(xù)上升，不利于作物生長，此時(shí)，需要啟動(dòng)強(qiáng)制降溫系統(tǒng)。溫室常用的強(qiáng)制降溫系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)（圖13），主要利用風(fēng)機(jī)使溫室處于負(fù)壓狀態(tài)，室外空氣經(jīng)過濕簾進(jìn)入室內(nèi)，通過熱濕交換，達(dá)到降溫效果。通常溫室一面?zhèn)葔Π惭b風(fēng)機(jī)，另一立面安裝濕簾，形成對(duì)流。風(fēng)機(jī)濕簾安裝間距一般在50 m 內(nèi)降溫效果較好，安裝高度根據(jù)溫室內(nèi)種植作物而定。濕簾水采用循環(huán)水系統(tǒng)，節(jié)省運(yùn)行成本。

結(jié)論

圖13 風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)

高溫高濕地區(qū)氣候特點(diǎn)決定溫室類型要注重通風(fēng)降溫，節(jié)能降耗。使用連棟溫室具有土地利用率高、便于機(jī)械化操作和環(huán)境綜合調(diào)控的特點(diǎn)，是現(xiàn)代溫室發(fā)展的趨勢。溫室建設(shè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，有利于降低溫室降溫能耗，采用高效降溫措施，有利于提高溫室作物產(chǎn)量，從而提高溫室生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益?；谏鲜鰸駸岬貐^(qū)典型溫室及配套設(shè)施調(diào)研基礎(chǔ)，提出以下建議：

（1）進(jìn)一步加強(qiáng)溫室鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)研究，依據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，建設(shè)所需類型，提高溫室綜合利用效益。坡面溫室造型美觀，結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，抗風(fēng)等級(jí)強(qiáng)，保溫性能較好，但建造成本較大，建議在保證有效使用的前提下，通過精確計(jì)算，盡量減少鋼構(gòu)架，降低成本，減少室內(nèi)陰影區(qū)；鋸齒形溫室和圓拱屋面溫室一般采用薄膜覆蓋，減少了鋼材使用量，但其保溫性能和外觀檔次有所降低。

（2）進(jìn)一步收集現(xiàn)有溫室應(yīng)用的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、生長信息和管理信息，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和建模，為下一步溫室結(jié)構(gòu)改進(jìn)更新提供依據(jù)。溫室通風(fēng)、遮陽、濕簾是濕熱地區(qū)常用的降溫措施，考慮風(fēng)機(jī)濕簾耗電量大，增加了生產(chǎn)成本，華南地區(qū)一般在6 月下旬～9 月上旬才啟用風(fēng)機(jī)濕簾強(qiáng)制降溫，其他時(shí)段主要是自然通風(fēng)，采用通風(fēng)窗配合遮陽系統(tǒng)，基本可以滿足作物降溫需求。

（3）進(jìn)一步完善溫室智能化管理，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)字可視化及管理決策模型化。增強(qiáng)溫室自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)溫室工廠化、規(guī)模化生產(chǎn)作業(yè)。