宜機化大跨度新型日光溫室結構優(yōu)化設計和保溫性能實踐

楊 燁，李治國，趙景文，閆子雙，李宗煦，李 凱，李傳友，高大辛

（1.北京市農業(yè)機械試驗鑒定推廣站，北京 100079；2.北京河南寨農機服務專業(yè)合作社，北京 101599）

日光溫室因結構簡單，保溫性能好，成為北方地區(qū)生產反季節(jié)果蔬的重要設施，且利用日光溫室為農民增產創(chuàng)收提供了一條可行之路[1]。目前，設施農業(yè)是現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分，且發(fā)展設施農業(yè)也是北京市鄉(xiāng)村振興的重要途徑之一。在日光溫室生產中，溫度是作物生長發(fā)育過程中的重要環(huán)境因素，直接影響作物的生理生態(tài)與品質，而機械化作業(yè)是降低菜農勞動強度、提高生產率、減少生產成本、增加收入的重要措施。北京市現(xiàn)有設施總量20.35萬棟，其中，日光溫室10.65萬棟，塑料大棚9.35萬棟，連棟溫室0.17萬棟，但70%的設施建造于2008—2012年，日光溫室長60.0 m、寬8.0 m、高3.5 m，建造時主要考慮采光、保溫、通風等因素，不少園區(qū)存在設施老舊、棚室結構落后、機械作業(yè)難等問題[2-3]。隨著大跨度日光溫室的發(fā)展，諸多學者對大跨度保溫型塑料大棚小氣候環(huán)境進行了研究[4-6]。近年來，隨著仿真技術在日光溫室中的應用，以計算機流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術[7-9]應用最為廣泛，能動態(tài)模擬太陽輻射在溫室中的分布與變化，也可結合溫室結構等因子，探究溫室內溫度整體變化規(guī)律[8]。但由于日光溫室結構復雜，參數(shù)不易獲得，且受外界氣象條件、墻體蓄熱性能、覆蓋材料類型、生產管理方式等多種因素的影響，溫室內溫度變化模擬相對比較復雜，在實際監(jiān)測調控中仍存在一定的誤差。

設施農業(yè)的發(fā)展是農業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，也是現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的重要建設任務。受建造結構、生產規(guī)模、機具供給等因素限制，北京市設施農業(yè)生產機械化水平總體還不高；因此，大力發(fā)展設施農業(yè)宜機化顯得尤為重要[10]。針對北京氣候條件，要研發(fā)設計宜機化的新型日光溫室參數(shù)、新型保溫材料和蓄能方式，并根據(jù)研究成果進行宜機化新型日光溫室的設計、建造，以實現(xiàn)冬季蔬菜機械化生產。與傳統(tǒng)溫室相比，新建大跨度宜機化溫室可有效改善土地利用率低的問題，且其內部空間較大，更適宜機械進出作業(yè)，減少人工投入，從而降低成本，同時使農機與農藝進一步融合，提高作業(yè)效率與生產效率。

1 設計思路

1.1 溫室空間與結構研究

圍繞日光溫室生產過程宜機化，進行新型日光溫室結構優(yōu)化設計，重點開展2種跨度16 m的日光溫室主要結構參數(shù)設計，包括屋脊高度、后墻高度、前屋面角、后屋面角等（圖1）。以最佳采光性和空間宜機化為結構設計理念，采用中國農業(yè)大學的日光溫室熱環(huán)境模擬和性能評價軟件RGWSRHJ對光環(huán)境進行模擬分析；熱環(huán)境分析采用CFD模擬方式，模擬軟件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT；采用GSCAD軟件進行溫室結構優(yōu)化強度計算；根據(jù)光熱環(huán)境模擬分析對屋面結構主要參數(shù)進行分析驗證。

1.2 合理設計作業(yè)空間及進出口

新型日光溫室跨度為16 m，主要針對北京市8 m跨度溫室之間間隔8 m的分布形式而設計，不僅提高了土地利用率，同時解決了機器進入難、機械化作業(yè)難實現(xiàn)等實際問題；因此，合理設計了16 m跨度日光溫室出入口：寬2 m，高2.2 m，方便作業(yè)機械進出；同時，優(yōu)化了空間結構布局，合理設計了棚室內機械行走作業(yè)路徑。

溫室過道寬1 m，種植寬度為13.7 m，種植長度46.5 m，根據(jù)種植要求可種植7壟或8壟（東西向種植），根據(jù)種植面積設計行走路徑（圖2），將種植面積利用率最大化，實現(xiàn)溫室內部優(yōu)化種植面積的目的。

1.3 結構優(yōu)化

通風方面，溫室共設有4個通風口，溫室前端底部設1個通風口，以更好地利用自動化設備在不同時期調節(jié)溫室溫度和空氣質量。頂部前端風口設計以調節(jié)冬夏季光照、溫度及四季防風為目的，頂部外端（后部）風口冬關夏開，可實現(xiàn)溫室頂部交叉對流，底部上下對流，此雙向對流可有效降低溫室溫度、增大散熱量，有利于夏季生產。溫室四周采用內置式防寒溝，后坡采用雙層保溫板和水泥板的有機組合以及長后坡設計，保溫性能好，可實現(xiàn)2次進光，使植物充分進行光合作用（圖3）。

1.4 保溫材料

溫室后墻外側共設4層保溫材料：外部5 cm聚氨酯保溫板，內側有2層保溫被，最內側1層保溫透光膜。最外層聚氨酯板多用于冷庫保溫，聚氨酯保溫材質的導熱系數(shù)低，是目前保溫通用材料。保溫被采用1 cm厚的發(fā)泡棉加黑氈，發(fā)泡棉的導熱系數(shù)也很低，是常用的一些保溫材料。保溫透光膜為PO膜，可起到密閉保溫及透光加溫的作用。

此溫室跨度較大，采用加長后坡設計，陽光入射角變量過大，考慮到陽光在大入射角時，頂部采用階梯式保溫和2次進光原理，以降低后坡的遮光率：前坡為1次進光，頂部為2次進光。因此，該溫室在外部保溫、生產種植宜機化（種植面積、行走路徑、進出口）、通風、采光等多方面進行了考量與創(chuàng)新，確保溫室綜合性能達到最優(yōu)，保證實用性。

2 宜機化溫室與磚墻日光溫室對比

宜機化日光溫室與磚墻日光溫室內部溫度對比測試分析如下。

試驗測試時間分別為2022年11月1日（圖4）、2023年1月24日（圖5）。經查閱，1月23日、24日北京氣溫為冬季最低。測點位于溫室東西向中部，距離地面1.1 m，距離后墻5 m處，新建溫室靠自身墻體材料蓄熱，對比傳統(tǒng)日光溫室靠自身墻體保溫，二者均無加熱裝置。測試儀器為精創(chuàng)品牌的RC-4HA/C型號溫濕度記錄儀，量程為溫度－40～85 ℃，濕度0%～100%。經過對新建溫室24 h的溫度監(jiān)測，2022年11月1日和2023年1月24日磚墻結構的日光溫室日平均溫度分別為15.38、8.97 ℃，新建日光溫室的日平均溫度分別為18.10、18.52 ℃；經過計算，2次對比中，新建日光溫室的平均溫度比磚墻日光溫室分別高出2.72、9.55 ℃。

圖4 日光溫室內部溫度測試對比情況（2022年11月1日）

圖5 日光溫室內部溫度測試對比情況（2023年1月24日）

3 宜機化溫室種植機械作業(yè)與人工作業(yè)成本分析

對比試驗采用東西長壟種植。根據(jù)棚室結構，種植寬度14.8 m，種植8行，一壟雙行種植，壟距1.4～1.5 m，番茄行距40 cm，株距35 cm。

開展機械化撒施肥、機械化旋耕、機械化起壟鋪管鋪膜、機械化移栽4個環(huán)節(jié)的機械化集成示范。（1）撒施肥：采用自走式撒肥機作業(yè)。記錄機械撒施一車肥進出棚室時間、機具工作時間、機具撒施一車肥料的作業(yè)時間，計算純工作效率；測試傳統(tǒng)撒肥所用人數(shù)及時間，與機械化作業(yè)進行對比。（2）旋耕：采用大棚王拖拉機配套1.3 m旋耕機作業(yè)。提前測量出40 m距離，記錄機具旋耕這一段距離所用時間，測試作業(yè)后松土層厚度。（3）起壟：采用大棚王拖拉機配套起壟覆膜機作業(yè)。提前測量出40 m距離進行試驗，上壟寬60～70 cm，下壟寬70～80 cm，壟高10～15 cm；記錄機具起壟所用時間，測試作業(yè)上壟、下壟及壟高等數(shù)據(jù)。（4）移栽：采用井關雙行移栽機作業(yè)。提前測量出40 m距離，測試人工起壟、鋪管、鋪膜所用人數(shù)及時間，并與機械化作業(yè)進行對比；移栽環(huán)節(jié)測試倒伏、漏栽、重栽等情況，計算移栽合格率，測試人工移栽所用人數(shù)及時間，并與機械化作業(yè)進行對比。

4 小結

綜合分析國內外日光溫室現(xiàn)狀，針對北京氣候條件，研發(fā)設計宜機化的新型日光溫室參數(shù)、新型保溫材料和蓄能方式，并根據(jù)研究成果進行宜機化新型日光溫室的設計建造，以實現(xiàn)冬季蔬菜機械化生產。

通過溫度監(jiān)測對比可以看到，新建溫室相較于傳統(tǒng)溫室的保溫性能大幅度提升，冬季正常情況下可基本滿足果菜生產，但在連續(xù)陰天和雪天情況下，需注意溫度變化，必要時可進行輔助加溫。新型大跨度日光溫室增加了機械化作業(yè)空間，能夠滿足機械化作業(yè)需求，與人工作業(yè)對比節(jié)省勞動力84.2%，節(jié)本增效顯著（表1），具有廣闊的推廣應用前景。新型大跨度日光溫室采用新的保溫材料，保溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)日光溫室。

表1 機械作業(yè)與人工作業(yè)效率對比