南疆地區(qū)組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室的設(shè)計及建造

平媛媛，劉立平，張彩虹，穆肖蕓，卜立君，卞志偉，卜崇興

（1.新疆科創(chuàng)天達(dá)農(nóng)業(yè)工程有限公司，新疆 昌吉 831100；2.上海孫橋溢佳農(nóng)業(yè)技術(shù)股份有限公司；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所）

0 引言

日光溫室是我國首創(chuàng)的溫室結(jié)構(gòu)形式，作為我國設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的主體之一，為解決長期困擾我國北方地區(qū)的冬季蔬菜供應(yīng)緊缺問題、增加農(nóng)民收入、節(jié)約能源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、避免溫室效應(yīng)造成的環(huán)境污染等均做出了較大貢獻(xiàn)[1-2]。日光溫室由兩側(cè)山墻、維護(hù)后墻體、支撐骨架及覆蓋材料組成，傳統(tǒng)日光溫室在建造和使用過程中存在一些缺陷，例如夯土墻體結(jié)構(gòu)或磚墻、石塊等墻體遮陽，土地利用率低且存在建筑污染，抗風(fēng)、雪、雨及阻燃能力均不強(qiáng)，保溫材料陳舊，建造及使用成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化操作等[3-4]。

組裝式日光溫室已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前國內(nèi)外已有不少關(guān)于輕簡裝配式日光溫室的研究，其中國內(nèi)研究主要集中在材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，如采用輕鋼結(jié)構(gòu)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料等輕質(zhì)材料，設(shè)計出簡單、易于組裝的結(jié)構(gòu)以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要[5-6]。筆者認(rèn)為需要注重溫室的功能和效益，如采用節(jié)能技術(shù)及智能化控制系統(tǒng)等提高溫室的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。根據(jù)我公司的組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室的組成及具體運(yùn)用情況進(jìn)行總結(jié)介紹，通過集成示范設(shè)施栽培關(guān)鍵技術(shù)來解決我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中存在的問題，為南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)途徑。

1 南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)條件

南疆以塔克拉瑪干沙漠為中心，三面環(huán)山，屬于溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量較少，夏季炎熱干燥，冬季寒冷，但水土、光照資源豐富，有利于農(nóng)牧業(yè)發(fā)展[7]。南疆地區(qū)土地資源相對貧瘠，多數(shù)區(qū)域土壤質(zhì)量較差，鹽堿化問題普遍存在，水資源相對匱乏，主要依賴天然降水和地下水，地下水位下降和水質(zhì)惡化是當(dāng)前面臨的問題。

2 日光溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計

組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室為單棟，溫室外長度50～150m（可根據(jù)地塊現(xiàn)狀進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計），寬度9m、10m 或12m，最高點(diǎn)高度5.1m，后墻高度4.2m。山墻與后墻材質(zhì)相同，后墻及兩側(cè)山墻埋入地下0.75m。

2.1 日光溫室方位設(shè)計

日光溫室方位設(shè)計為坐北朝南，東西延長，使采光面朝向正南以充分接受日光照射[8]。本日光溫室以葉城縣為項(xiàng)目示范區(qū)，示范區(qū)所在地冬季早晨比傍晚氣溫更低，因此保溫被不能太早揭開，為了充分利用下午的陽光，溫室方位可以稍微向南偏西，偏離角的確定要考慮當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥群徒液煏r間，并綜合考慮當(dāng)?shù)囟镜闹鲗?dǎo)風(fēng)向，如果采光面直接受到寒風(fēng)吹襲將會降低溫室的保溫性能，因此設(shè)計采用偏離角取值南偏西5°～10°。

2.2 溫室間距

為了確保后座溫室內(nèi)作物在冬至日至少獲得4h的光照時間，兩座溫室之間的距離應(yīng)為溫室脊高的2～2.5 倍，緯度高的地方取較高值，緯度低的地方取較低值。圖2為溫室間排布示意，展示了兩座溫室南北之間距離應(yīng)不小于下列公式計算的數(shù)值。

圖2 溫室間排布示意

式中h—日光溫室的脊高與保溫被高度之和，m；L—日光溫室后屋面投影與后墻厚度之和，m；θ—當(dāng)?shù)氐臏厥疑a(chǎn)太陽高度角，°；R—修正值，一般取值為1m。

葉城縣位于北緯37.36°，冬至日太陽高度角為29.14°，建造日光溫室高度為5.1 m，加上保溫被高度計為5.5 m，后墻寬為0.1 m，脊高投影點(diǎn)距后墻內(nèi)側(cè)位1.1 m，按照式（1）計算可得前后兩座溫室的合理間距為D=9.67 m，取整設(shè)計前后兩排日光溫室的間距為10 m。

2.3 溫室整體設(shè)計

溫室設(shè)計應(yīng)符合GB/T51183-2016 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、GB/T 51424-2022 農(nóng)業(yè)溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，GB 50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范、NY/T 3223-2018 日光溫室設(shè)計規(guī)范、JB/T 10296-2013 溫室電氣布線設(shè)計規(guī)范、JB/T 10306-2013 溫室控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范和JGJ/T 260-2011 采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)檢測技術(shù)規(guī)程等要求。

2.4 骨架設(shè)計

創(chuàng)建日光溫室三維模型（圖3），在模型中包括建筑物的外觀、結(jié)構(gòu)、覆蓋、維護(hù)結(jié)構(gòu)、通風(fēng)及電氣系統(tǒng)等各個方面的元素，生成平面圖、立面圖和剖面圖等施工圖紙以及設(shè)計報告和材料清單。

圖3 日光溫室三維模型

整個溫室地梁及骨架采用組裝式輕鋼結(jié)構(gòu)，溫室地梁及骨架材料中涉及到的鋼材質(zhì)量應(yīng)符合GB/T 13793-2008 直縫電焊鋼管的標(biāo)準(zhǔn)。

拱架總長15.3～18.0 m，其中前屋面弧長9.3～12.0 m，后屋面及后墻鋼梁長度6m。拱架可選用Ф60的熱鍍鋅鋼管，加工成75×30mm 扁圓管；鋼拱架間距0.9m 或1m，分別在底部、腰部、頂部設(shè)5～7 道Ф25 的橫向穩(wěn)定桿（橫拉桿），后墻設(shè)4道Ф25的橫向穩(wěn)定桿。

螺旋地樁基礎(chǔ)地樁采用熱鍍鋅鋼質(zhì)螺旋地樁（Ф76 mm，L=1.55 m 或1.60 m），具體使用依據(jù)施工地的土質(zhì)和水文狀況確定。

圈梁材料采用熱鍍鋅鋼扁圓管（75×30×2.0 mm）組裝而成，圈梁上有與溫室拱桿相匹配的連接預(yù)埋件。

2.5 維護(hù)材料

溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括后墻、山墻及后坡。根據(jù)日光溫室的三維模型分解溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計工廠模塊化組件，為了方便制作、運(yùn)輸及安裝，后墻與后坡形成連體結(jié)構(gòu)。山墻同山墻鋼結(jié)構(gòu)形狀匹配，隨后山墻與后墻體焊接成一體。溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用新材料保溫墻體，厚度約0.1m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體技術(shù)參數(shù)：質(zhì)量≥3.5 kg/m2，熱導(dǎo)率≤0.037 w/（m·k），保溫率達(dá)到96%。

2.6 覆蓋材料

（1）采光透明覆蓋材料：選擇聚氯乙烯無滴膜、EVA高保溫?zé)o滴膜、聚乙烯無滴膜或PO 高保溫?zé)o滴膜，厚度不低于0.10mm。

（2）保溫覆蓋材料：前坡保溫被選擇高強(qiáng)PE 復(fù)合布與高效新保溫材料絎縫焊接制成，防水性能好，可有效阻燃，熱導(dǎo)率≤0.07w/（m·k）。

2.7 配套裝備及材料

2.7.1 卷簾機(jī)系統(tǒng)

保溫被兩端分別固定在溫室頂部和下部卷被桿處，用電力作動力，動力經(jīng)減速機(jī)傳到轉(zhuǎn)動軸，使一端固定在轉(zhuǎn)動軸上的保溫被拉繩不斷繞到卷被桿上，將保溫被緩慢地卷至日光溫室的頂部，電機(jī)反轉(zhuǎn)，保溫被靠自重緩慢落下。

2.7.2 通風(fēng)系統(tǒng)

溫室自然通風(fēng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)流體力學(xué)原理和通風(fēng)量要求來選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和通風(fēng)口的面積，推薦采用屋頂電動和裙膜電動組合的通風(fēng)結(jié)構(gòu)。每條卷膜窗的一端配有卷膜電機(jī)和導(dǎo)向支撐桿，立面裝有金屬卷膜桿，此設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)溫室通風(fēng)的自動化控制并能有效調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度和濕度。

（1）頂部通風(fēng)系統(tǒng)：頂部通風(fēng)口設(shè)置為1.3～1.5 m，溫室頂部安裝一條電動啟閉卷膜側(cè)天窗，卷膜高度為0.8～1.2m，通風(fēng)口內(nèi)裝有40～60 目防蟲網(wǎng)，根據(jù)需要增加頂部網(wǎng)片，防止頂部兜水。

（2）裙膜通風(fēng)系統(tǒng)：溫室前屋面0.5～1.5 m 高處設(shè)前屋面通風(fēng)口，與頂風(fēng)口配合使用，促進(jìn)空氣循環(huán)。立面裝有電動啟閉卷膜前屋面，內(nèi)側(cè)裝有40～60 目防蟲網(wǎng)。

2.7.3 電氣控制系統(tǒng)

溫室的電控系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)充分考慮智能化控制的要求，電控系統(tǒng)由控制箱、電線及電纜等組成。

2.8 主動蓄熱供熱系統(tǒng)

根據(jù)具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求和環(huán)境條件模擬極端低溫天氣并持續(xù)3 天以設(shè)計合理的空氣源熱泵主動蓄熱供熱系統(tǒng)，包括農(nóng)業(yè)專用空氣源熱泵（一般選擇5～20 P）、循環(huán)泵、環(huán)流風(fēng)機(jī)及控制裝置和供熱管道等，確定熱泵的型號和供熱管道的類型（一般選用PE-RT 管、PE-X 管和PP-R 管材質(zhì)，水溫應(yīng)在5～45 ℃之間，耐壓要求達(dá)到8 kg/cm2），設(shè)計管路布置及設(shè)備布局等。

3 施工建造技術(shù)

通過日光溫室的三維建模模擬施工過程，組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室采用工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場組裝，方便快捷。建造時首先組裝好山墻和支撐骨架，然后將覆蓋材料安裝在骨架上，最后將維護(hù)后墻體安裝在山墻上。日光溫室的施工過程應(yīng)符合NY/T 3024-2016 日光溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、NY/T 2134-2012日光溫室主體結(jié)構(gòu)施工與安裝驗(yàn)收規(guī)程、NY/T 1832-2009 溫室鋼結(jié)構(gòu)安裝與驗(yàn)收規(guī)范和JB/T 10286-2013日光溫室技術(shù)條件等要求。

3.1 場地定位及放線

依據(jù)設(shè)計圖確定場地道路和邊界方向線的位置。在確定溫室的位置之前需要對溫室建設(shè)用地進(jìn)行平整并清除各種雜物，依據(jù)主干道路方位進(jìn)行溫室定位，根據(jù)設(shè)計尺寸劃定每個溫室的占地邊界并確保每個溫室在各自地塊的正確位置。在定位過程中需要使用基礎(chǔ)螺旋樁并對放線點(diǎn)位做好標(biāo)記以確保溫室的定位準(zhǔn)確無誤。

3.2 基礎(chǔ)及圈梁

施工過程中根據(jù)定位放線點(diǎn)位使用專業(yè)機(jī)械將基礎(chǔ)螺旋樁旋入土體中。基礎(chǔ)螺旋樁的上部需略高于地面或與地面相平，然后使用拉線進(jìn)行找平，之后使用固定件和螺桿連接螺旋樁基礎(chǔ)與上部的圈梁。通過螺旋樁鋼管樁側(cè)與土壤之間的側(cè)摩阻力，尤其是旋轉(zhuǎn)葉片與土體之間的咬合力來抵擋上拔力和承受垂直載荷[9]，同時利用樁體和螺旋葉片與土體之間的相互作用來抵抗水平荷載，該設(shè)計利用樁體、螺旋葉片與土體之間樁土相互作用抵抗水平荷載來確保溫室的基礎(chǔ)穩(wěn)固。

3.3 主體鋼結(jié)構(gòu)安裝

溫室主體鋼結(jié)構(gòu)在工廠加工完成，主體鋼結(jié)構(gòu)的安裝應(yīng)嚴(yán)格按技術(shù)文件的規(guī)定步驟和要求進(jìn)行，各拱架平面應(yīng)相互平行并垂直于地平面基準(zhǔn)，將溫室拱桿組裝之后分別對應(yīng)固定在圈梁前坡連接件與后坡連接件上，確保所有拱架的高度和角度保持一致，然后用連接件分別固定每根拱架的上端和下端及橫向穩(wěn)定桿的兩端。山墻拱桿用連接件分別固定立柱及斷面穩(wěn)定桿，之后安裝斜支撐進(jìn)行穩(wěn)定。立柱與拱桿采用螺栓連接形式，橫向穩(wěn)定桿和拱桿采用螺栓連接形式，受力部件均采用對穿螺栓進(jìn)行連接。

3.4 維護(hù)結(jié)構(gòu)處理

首先將保溫后墻體鋪成一字型頂端并將兩側(cè)穿入鍍鋅圓鋼，然后吊機(jī)將保溫墻體吊起，用壓扣帶固定于頂部橫向穩(wěn)定桿，然后將保溫墻體上下左右拉平展，垂直方向也用壓扣帶固定于拱架上。保溫山墻沿著山墻鋼骨架以類似的形式安裝并拉展。

保溫后墻體與保溫山墻外部安裝好之后用保溫墻接縫條將兩縱向接縫焊接成一體。溫室內(nèi)部相應(yīng)位置沿著橫向穩(wěn)定桿及端面穩(wěn)定桿安裝緊固繩以保證墻體與骨架之間緊密相連。溫室后墻體與上幅膜緊密貼合，防止漏風(fēng)影響溫室保溫性能。溫室后墻體與保溫山墻底端均需埋入土壤以隔絕土壤傳熱，溫室四周增設(shè)防寒溝埋設(shè)防寒棉以減少熱量散失。

3.5 覆蓋材料固定

（1）透明覆蓋材料的安裝固定。溫室棚膜由上幅膜、下幅膜和裙膜3 幅膜組成，設(shè)置通風(fēng)口，選用厚10 絲的PO膜，長度比棚長3～4m。在晴天中午扣棚，將棚膜拉開并曬熱，兩端分別卷入壓膜條中，待整個棚膜拉緊鋪展后將另一端固定。

（2）保溫覆蓋材料的安裝固定。晴天時將保溫被搬上后屋面按“川”字形排列，保溫被之間錯茬覆蓋，東西兩邊要蓋到山墻外沿20 cm 以保證保溫被覆蓋溫室前坡，提高整體保溫性能。

3.6 主動蓄熱供熱系統(tǒng)安裝

主動蓄熱供熱系統(tǒng)包括空氣源熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、環(huán)流風(fēng)機(jī)、控制裝置和供熱管道等，需確定熱泵的型號和供熱管道的類型，設(shè)計管路布置及設(shè)備布局等。

3.6.1 安裝熱泵和蓄熱裝置

按照設(shè)計方案安裝熱泵機(jī)組、循環(huán)泵、環(huán)流風(fēng)機(jī)、控制裝置及主動蓄熱地暖管開溝供熱管道等。

3.6.2 連接管路

根據(jù)設(shè)計方案連接好熱泵和蓄熱裝置之間的管路，確保管路的嚴(yán)密性和安全性。采用節(jié)能措施，如在溫室四周增加隔熱層減少能量損失以提高系統(tǒng)能效和節(jié)能效果。

3.6.3 安裝控制系統(tǒng)

安裝熱泵控制系統(tǒng)，包括溫度傳感器等，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全控制。

3.6.4 電氣接線

進(jìn)行熱泵和控制系統(tǒng)的電氣接線，確保電氣系統(tǒng)的安全可靠。

3.6.5 系統(tǒng)調(diào)試

進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，包括熱泵的啟動和運(yùn)行檢查，熱泵及暖通管道的放熱檢查和控制系統(tǒng)的調(diào)試等，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目通過日光溫室的三維模型大大提高了設(shè)計和研究的效率和質(zhì)量，便于向施工人員展示設(shè)計方案以及施工人員理解，同時也方便施工人員進(jìn)行施工過程的協(xié)調(diào)和管理。

在喀什地區(qū)葉城縣建設(shè)完成后的多棟組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室在環(huán)境溫度-25 ℃情況下可正常越冬生產(chǎn)番茄和辣椒等，最低室溫可達(dá)8 ℃以上，地溫維持在18～22℃，在短期-28 ℃情況下未發(fā)生凍害。2023 年1 月17日葉城最低溫度-27.5 ℃，溫室內(nèi)溫度超過8 ℃，番茄和辣椒生產(chǎn)正常。該結(jié)果表明該組裝式深冬生產(chǎn)型日光溫室結(jié)構(gòu)和建造技術(shù)符合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)需求，是一種理想的日光溫室，新材料保溫墻體密封性好，可有效防止溫室內(nèi)熱量的散失，整個溫室地梁及骨架采用組裝式輕鋼結(jié)構(gòu)，具有可移動、可拆卸、易組裝，能夠充分利用光熱資源，節(jié)能環(huán)保和土地利用率高等優(yōu)點(diǎn)。