綠葉菜專用溫室設計＊

朱春燕，陳 吉，俞志軒，顧小小，衛(wèi)超婷，李長興（.上海市農業(yè)機械研究所，上海 006；.中國電子科技集團公司第三十二研究所，上海0808 ）

上海市民素來喜食綠葉菜，綠葉菜已經成為本市蔬菜消費中重要的一類，是蔬菜產業(yè)的重要組成部分。由于綠葉菜生產種類多、周期短、茬次密、耗工高，且產品具有易腐爛、怕擠壓、容重小等特點，上海市綠葉菜60% 以上為地產地銷。在上海市劃定的50.18 萬畝（3.35 萬hm2）菜田中一半以上種植綠葉菜，由此可見，綠葉菜在上海市蔬菜生產中具有重要地位和作用。2019 年上海市蔬菜消費總量620 萬t，其中綠葉菜消費量160萬t。2019年地產蔬菜上市量246.5萬t[1]，占全市蔬菜總消費量40%，其中綠葉菜上市量131.4 萬t，占全市綠葉菜總消費量82.5%。

目前蔬菜的生產模式主要有露地土壤栽培和設施土壤栽培兩種。截止2016 年，上海溫室占地面積618 hm2，單體大棚占地面積13337 hm2（數據來源：上海市第三次農業(yè)普查公報）。為了確保穩(wěn)定生產和周年供應，本市綠葉菜生產主要以設施土壤栽培為主，在傳統(tǒng)8 m 大棚或通用連棟溫室內進行綠葉菜的生產種植。為解決蔬菜生產用工難、用工貴問題，上海市大力推進蔬菜生產“機器換人”，強化農業(yè)科技裝備水平，同時啟動現有設施宜機化改造工程，例如擴大山墻面開門尺寸，山墻面處增設過溝板，加長棚體長度等，努力為蔬菜穩(wěn)生產、提效率、降成本、增效益提供重要保障。提高綠葉菜種植茬次、優(yōu)化綠葉菜栽培模式、提升綠葉菜管理智能化等能實現綠葉菜多茬高效栽培模式，同時也能緩解農業(yè)生產人員短缺的問題。著眼于綠葉菜生產全過程，以設施環(huán)境（光、溫、濕、氣、肥、水）為需求導進行設計?；诰G葉菜冠層特點、生長需求、生理要求和生產機械化、智能化等要求，以提升土地利用率和生產效率、提高各類生產裝備的適應性和適用性為目標，優(yōu)化設計綠葉菜專用溫室。大跨度溫室結構滿足設施大型化、機械化作業(yè)需求，實現無人化作業(yè)。雙層幕簾，頂、側通風，肥水藥系統(tǒng)等配套實現溫室環(huán)境因子調控，溫室自動化控制系統(tǒng)可遠程監(jiān)控管理,實現溫室自動化管理,提高生產效率，降低勞動強度，達到綠葉菜生產全過程智能化管理目的。綠葉菜專用溫室由溫室框架，內遮陽、內保溫系統(tǒng)，肥水藥一體化系統(tǒng)，溫室控制系統(tǒng)等組成。

框架設計

溫室采用天溝連接多跨連棟結構，由基礎、主體結構、移門、電動頂、側卷膜等組成。基礎是溫室立柱下不連續(xù)的承受上部結構作用的鋼筋混凝土結構，是溫室結構不可缺少的組成部分?？紤]未來生產種植環(huán)節(jié)的無人化作業(yè)，為智能化農機裝備提供優(yōu)良的作業(yè)環(huán)境，溫室四周與中間設計不同的基礎形式。四周基礎樁高出基準面200 mm，與圈梁頂面平齊；中間基礎樁低于基準面200 mm，以避免機具在溫室內作業(yè)與基礎產生的干涉與碰撞情況。溫室基礎采用現澆獨立式矩形或圓形混凝土柱樁，配縱向筋和箍筋；與立柱采用法蘭連接，這樣能保證達到溫室承載的設計標準，確保溫室基礎質量，從根本上保證溫室的制造安裝質量。圈梁采用鋼筋混凝土條形結構，選用強度等級≥C25 的混凝土。散水需現場澆筑，采用強度等級≥C20 的混凝土，底部整平夯實，與四周圈梁緊密相接。

溫室采用雙拱頂桁架、4 m 開間的主體結構，主要由立柱、主副拱、頂縱梁、端面立桿、水平橫梁、桁架、天溝等組成。溫室跨度方向采用橫向桁架，加強溫室主體框架結構的強度。立柱間距4 m，立柱之間由天溝連接，形成大面積種植區(qū)域。根據種植區(qū)域作業(yè)模式，確定開門位置。參照拖拉機、農機具外形尺寸，確定移門尺寸，門框采用鋁合金型材，表面為薄膜覆蓋，門上部安裝滾輪。溫室頂部設置頂卷膜，四周設置側卷膜，形成溫室通風口。

內遮陽、內保溫系統(tǒng)設計

內遮陽、內保溫系統(tǒng)主要由動力傳動部分和幕簾組成。動力傳動部分采用齒輪齒條驅動，具有傳動平穩(wěn)、行走準確、控制面積大等特點。遮陽、保溫系統(tǒng)選用A 型齒輪齒條拉幕系統(tǒng)，主要由減速器、驅動軸、動膜拉桿、推桿、幕簾、齒輪齒條、壓膜卡、導向卡、支撐滾輪、托壓膜線等組成。工作時，減速器帶動驅動軸轉動，驅動軸帶動齒輪齒條做直線運動。齒輪轉動帶動了齒條的直線行走，推桿由支撐滾輪支撐，利用齒條推桿接頭與齒條相連。動膜拉桿用大導向卡導向，由拉桿夾和推桿導桿連接卡組成十字連接件相連固定在推桿上。幕簾通過壓膜卡固定在多組動膜拉桿上。當減速器運轉時，隨著推桿往復運動，幕簾隨著動膜拉桿做展開、收攏運動，以實現幕簾的開啟和閉合。

大面積拉幕系統(tǒng)動力主要由電力提供。根據減速器廠家建議及筆者實際經驗，若控制單元面積≤2500 m2時，選擇的減速器功率約為550 W。面積≤3500 m2時，選擇的減速器功率約為750 W。拉幕速度不宜過快，以免影響拉幕整齊度。拉幕速度過快，幕簾收攏時，容易疊合、纏繞。一般拉幕速度控制在0.5～0.8 m/min[2]比較合適。

幕簾可根據當地光照條件和種植作物的生長要求進行選擇，選擇遮陽率、保溫率適合的幕簾。常見的幕簾有鋁箔、透氣鋁箔、薄膜遮陽幕，高透光保溫幕，鋁箔、薄膜避光幕等。托壓膜線多為LS 聚酯線。

肥水藥一體化系統(tǒng)

肥水藥一體化系統(tǒng)是在水肥一體化技術之上增加打藥功能，是灌溉、施肥與打藥融為一體的農業(yè)新技術。借助壓力系統(tǒng)，將可溶性或液體肥料、藥劑，按作物生長所需與灌溉水配兌，通過管道、噴頭形成噴灌。肥水藥一體化系統(tǒng)通常包括水源工程、首部系統(tǒng)、微噴系統(tǒng)等。溫室安裝地塊附近的河道、水庫等均可作為水源，只要水質符合灌溉要求，均可作為灌溉水源。首部系統(tǒng)是肥水藥一體化系統(tǒng)的控制中心，驅動整個系統(tǒng)運行和調度，包括水泵、過濾器、施肥機和自動化控制設備等組成。微噴系統(tǒng)采用吊掛微噴形式，根據作物種植模式進行灌溉管道和噴頭的選擇和布局。

溫室控制系統(tǒng)

溫室控制系統(tǒng)主要是對溫室內遮陽、內保溫、四周側卷膜、頂部卷膜等部分進行電氣控制，具有熱過載和斷路雙重保護，所有控制回路和指令電器均采用交流24 V，具有標準的接地體裝置?？刂葡鋬妊b配有幕簾展開與合攏，頂、側卷膜展開與收攏兩套接觸器件，既可手動，又可通過安裝在減速器內的行程開關實現自動啟停，限位準確，使溫室配套系統(tǒng)運行平穩(wěn)可靠。

設計案例

項目名稱

上海市科技興農創(chuàng)新項目“設施綠葉蔬菜智能化生產裝備技術集成示范”。

基本情況

根據項目要求，建造1 座1 hm2綠葉菜專用溫室。位置在崇明區(qū)長江農場附近，要求承受10 級風載，所建地塊為長方形，北側有河道及泵房設施。

規(guī)劃樣式

結合地塊特點、周邊環(huán)境及所建溫室的配套裝備，設計用于設施綠葉菜智能化生產種植的綠葉菜專用溫室，占地面積9264 m2。溫室由1 個種植區(qū)域和2 個隔間區(qū)域組成，見圖1。種植區(qū)域占地9072 m2，9 連棟×21 間；隔間96 m2，1連棟×2 間。2 個隔間分別位于種植區(qū)域的西北角和東南角，隔間和種植區(qū)域設置單開移門。

圖1 溫室平面圖/mm

結構設計

溫室主要參數

高效利用地塊面積，結合綠葉菜生產要求，確定溫室跨度12 m，間距4 m，肩高4 m，頂高5.7 m，溫室屋頂設計矢高1.7 m，見圖2。通過結構強度校核，滿足承受風載≥0.55 kN/m2，滿足承受雪載≥0.25 kN/m2。溫室的四周與中間設計不同形式的基礎，四周基礎見圖3，中間基礎見圖4?；A混凝土強度C25，承載力特征值80 kPa。

圖2 溫室端面圖/mm

圖3 四周基礎（標高單位為m，其他為mm）

圖4 中間基礎（標高單位為m，其他為mm）

主體框架

溫室框架采用雙圓拱頂結構。周邊立柱和中間立柱都采用120 mm×60 mm×3 mm 矩形管，立柱與基礎采用螺栓連接方式，即基礎中預埋螺栓，與焊接在立柱底部的底板連接。溫室主拱采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，主拱與主拱、主拱與立柱的連接形式均為法蘭連接。主拱間距4 m，在兩主拱之間增設三道副拱，間距1 m，副拱采用φ32 mm×1.5 mm 熱鍍鋅鋼管。溫室12 m跨度方向設計橫向桁架結構，桁架高度700 mm，桁架的弦桿采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，桁架直腹桿采用60 mm×40 mm×2.5 mm，中間加強桿采用φ16 mm 圓鋼。頂部縱梁采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，通過L 形連接板用螺栓固定于拱桿。天溝采用2 mm 熱軋鋼板沖壓成型并熱浸鍍鋅，利用支托架、管卡座等用螺栓固定于拱桿、立柱。種植區(qū)域每一跨頂部設置雙向電動卷膜，卷膜尺寸1.2 m。隔間區(qū)域頂部采用黑白膜覆頂。根據溫室規(guī)劃樣式，設5 套門，在種植區(qū)域東西中間處的南端設置3 m×3 m 雙開移門1 套，2 個隔間與種植區(qū)域相連處以及隔間內分別設置2.2 m×2.5 m 單移門，共4 套。種植區(qū)域四周設置電動側卷膜，隔間非開門處設置手動側卷膜，卷膜高度均為2 m。溫室安裝中均選用性能等級8.8 的高強度螺栓，從而保證溫室主體框架的穩(wěn)定和可靠。

內遮陽、內保溫系統(tǒng)

根據綠葉菜生長要求，在種植區(qū)域設置齒輪齒條式內遮陽和內保溫系統(tǒng)。種植區(qū)域面積9072 m2，9 連棟×21 間，按照減速器使用面積要求，對種植區(qū)域進行適度分區(qū)。以跨度為方向，分為3 區(qū)，即每區(qū)為3 連棟×21 間，面積3024 m2，每區(qū)可獨立控制傳動系統(tǒng)。按照所分區(qū)域的面積，動力選用上海浦東行傳機械制造有限公司的DWXC-80 型減速器，功率750 W，速比500:1。借用溫室桁架結構，將內遮陽系統(tǒng)安裝于桁架上弦桿處、內保溫系統(tǒng)安裝于桁架下弦桿處。U 型螺絲將托壓膜線固定梁固定于溫室端面，連接座將斜撐連接于溫室立柱與托壓膜線固定梁之間，以加固溫室端面結構的強度。按區(qū)設計，每區(qū)的內遮陽和內保溫系統(tǒng)由2 個減速器分別控制，見圖5。減速器固定于桁架弦桿連接驅動軸，驅動軸選用33 mm×3.25 mm 鍍鋅鋼管。通過固定在弦桿上的A 型拉膜齒輪（反向耳式），驅動軸依次與齒條、推桿，動膜拉桿等零件相連，見圖6。根據溫室框架參數，設計推桿長度4060 mm，動膜拉桿長度6060 mm，齒條長度3965 mm。

圖5 內遮陽、內保溫電機布置圖

圖6 內遮陽、內保溫系統(tǒng)示意圖

驅動軸尺寸33 mm，電機轉速5.2 r/min，通過計算，得出幕簾行走速度v。

v=πdn=3.14×33÷1000×5.2=0.54 m/min

幕簾速度v在0.5～0.8 m/min，滿足設計要求。

內遮陽幕簾選用ANS20 系列，內保溫幕簾選用ANS65 系列，利用φ19 mm 壓膜卡沿跨度方向按1 m 間隔固定于動膜桿，φ19 mm 大導向卡與壓膜卡間隔1 m 安裝。托壓膜線選用進口白色聚酯線，托膜線間隔500 mm、壓膜線間隔1000 mm，固定在同一截面內，幕簾平整鋪放托壓膜線之間。用扎線將幕簾固定端綁扎在橫梁上，間距250 mm，注意綁扎力度。在每區(qū)相交區(qū)域設置幕簾密封兜，密封兜的作用是將兩區(qū)兩側垂下的幕簾托起、兜住，密封兜長度與幕簾覆蓋區(qū)域長度相同，為84 m。將支架板以8 m 間隔安裝在桁架下弦桿和立柱上，形成密封兜框架，用自攻螺釘等將ANS20 幕簾包裹其上，形成密封兜。

肥水藥一體化系統(tǒng)

根據溫室安裝地塊的河道位置，將肥水藥一體化系統(tǒng)首部置于溫室西北角隔間，并對原有泵房進行改造，利用過濾器等將河道水處理成可用的灌溉水。為了避免肥和藥在同一主管中產生不良化學反應以及對管道壁產生的腐蝕性，因此首部系統(tǒng)設計肥、藥分別通過兩根主管輸送至支管。其工作原理是經砂石過濾器、疊片過濾器充分過濾的水源分別通過兩根主管，一根供往儲水罐再經打藥泵混合藥劑用于打藥；另一根經施肥機混合肥料用于施肥。兩根主管對應相同的支管和末端灌水器，完成種植區(qū)域的打藥、施肥、灑水作業(yè)。首部系統(tǒng)選用國興農FERTIKID-CH-040 系列施肥機，由控制系統(tǒng)、吸肥通道、文丘里管網、浮子流量計、EC/pH傳感器等組成，具體技術參數是工作電壓380 V，額定功率1.5 kW，吸肥通道4 個，通道肥量為單通道0～600 L。根據綠葉菜種植模式及生產管理特點，微噴系統(tǒng)地下部分設計水肥、藥兩路主管，微噴水肥主管采用U-PVCφ90 mm 給水管道，微噴藥主管采用U-PVCφ75 mm 給水管道。微噴系統(tǒng)地上部分設計一套管路，采用吊掛微噴，跨度方向間隔2 m 布置PEφ20 mm 支管，間距方向間隔2 m安裝旋轉噴頭，噴頭流量為60 L/h，見圖7。為了保證溫室配套設施控制的一致性，肥水藥一體化系統(tǒng)采用與內遮陽、內保溫一樣的分區(qū)法，同時考慮到溫室長度較長，因此長度方向分東、西兩區(qū)進行控制，即每3 跨，東西兩邊各布置清水電磁閥和噴藥電磁閥進行肥水藥系統(tǒng)控制。

圖7 溫室內灌溉平面圖

溫室控制系統(tǒng)

每跨溫室頂部設置雙向頂卷膜，即一拱一頂卷膜，共計頂卷膜36 組，一組頂卷膜配一個電機，則溫室頂卷膜36 組配36 個電機獨立控制。頂卷膜卷膜行程1.2 m，長度84 m，直流電機參數24 V，120 W。內遮陽和內保溫分別控制，且單層分3區(qū)獨立控制，則溫室內遮陽內保溫配6 個電機獨立控制，交流電機參數380 V，750 W。四周側卷膜分4 個電機獨立控制，直流電機參數24 V，120 W，見圖8。溫室控制系統(tǒng)控制柜根據各配套設施控制方式進行接線布局，在手動模式情況下，旋動旋鈕實現各部分的打開、收攏動作。自動模式下可實現遠程操控溫室內各配套設施作業(yè)狀態(tài)。本項目于2021 年5 月完工，經受了7 月“煙花”（12 級以上）、9 月“燦都”（12 級以上）強臺風的考驗，證實設計合理可靠。

圖8 電機布置圖

總結

綠葉菜專用溫室的結構參數及配套設施設計是以種植模式、機械操作、生產管理為依據，相較于傳統(tǒng)溫室，它更具有針對性，在設施機械適應性、智能化程度等方面有較大提升，提高了生產設施、生產技術和模式、農業(yè)機械和裝備之間的融合性，可作為綠葉菜專用溫室進行推廣使用。