德州市蔬菜生產(chǎn)型日光溫室優(yōu)化設(shè)計(jì)

高方勝　王磊　王明友

摘要：針對(duì)德州市目前日光溫室應(yīng)用中普遍存在的結(jié)構(gòu)不合理、建造技術(shù)落后、生產(chǎn)性能較差等問(wèn)題，在理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，立足德州，本著科學(xué)合理、尊重實(shí)際、易于建造、成本經(jīng)濟(jì)、便于管理的原則對(duì)德州市蔬菜生產(chǎn)型日光溫室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)日光溫室墻體材料、后屋面材料、前屋面支撐及骨架材料、覆蓋材料等的合理選擇，以及對(duì)日光溫室長(zhǎng)度、凈寬度、屋脊和后墻高度、墻厚度、后屋面仰角、前屋面角、下挖深度的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使日光溫室的溫度環(huán)境得到較大改善，最低氣溫和最低地溫分別提高35.0%～237.5%和21.4%～142.9%，保證了溫室內(nèi)蔬菜生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：德州；蔬菜；日光溫室；優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：S626.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2015）11-0047-03

德州市位于山東省西北部，黃河下游北側(cè)。四季分明、冷熱干濕界限明顯，具有顯著的大陸性氣候特征。光照資源豐富，年平均日照時(shí)數(shù)、日照率、太陽(yáng)總輻射量均處全國(guó)、全省的較高值區(qū)。充足的光熱資源為德州地區(qū)反季節(jié)設(shè)施栽培提供了天然保障。

近幾年，以日光溫室為代表的蔬菜栽培設(shè)施在德州迅速發(fā)展。2013年，德州市有農(nóng)業(yè)設(shè)施14.7萬(wàn)個(gè)，同比增長(zhǎng)13.3%，其中日光溫室為3.4萬(wàn)個(gè)，占農(nóng)業(yè)設(shè)施的23.2%。種植蔬菜的設(shè)施（包括瓜類(lèi)和食用菌）14.69萬(wàn)個(gè)，幾乎占到100%，產(chǎn)值位列全省第三。但以日光溫室為主的設(shè)施普遍存在結(jié)構(gòu)落后、性能較差的現(xiàn)象。生產(chǎn)中大量結(jié)構(gòu)陳舊的溫室還在繼續(xù)應(yīng)用，新建的溫室又存在照搬照抄壽光溫室形式的問(wèn)題，與溫室性能和建造密切相關(guān)的地域位置、氣候特點(diǎn)、土壤特性等因素往往被忽略。這就造成溫室結(jié)構(gòu)性能較差，極端天氣下破壞嚴(yán)重；同時(shí)，現(xiàn)有日光溫室的采光與保溫性能一般，常造成低溫冷害的發(fā)生，在低溫弱光的冬季不得不被動(dòng)地采取臨時(shí)性措施以確保蔬菜正常生長(zhǎng)，生產(chǎn)效益大大降低。因此，本項(xiàng)目根據(jù)德州市氣候特點(diǎn)和限制日光溫室蔬菜生產(chǎn)的關(guān)鍵因素，對(duì)本地日光溫室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期為德州市設(shè)施蔬菜的健康持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1.優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1德州市地理位置和氣候特征

根據(jù)德州市所處的地理環(huán)境，對(duì)該地區(qū)和日光溫室建造相關(guān)的環(huán)境因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

1.2德州市日光溫室材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對(duì)德州市主要蔬菜產(chǎn)區(qū)日光溫室進(jìn)行走訪(fǎng)調(diào)查，通過(guò)歸類(lèi)總結(jié)對(duì)主要日光溫室類(lèi)型進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)資料搜集。

1.2.1結(jié)構(gòu)材料 德州市日光溫室從結(jié)構(gòu)材料組成來(lái)看主要有兩類(lèi)，類(lèi)型I和類(lèi)型Ⅱ（表2），實(shí)際應(yīng)用中又以類(lèi)型Ⅰ為主。墻體以土墻為主，少量夾層墻；后屋面材料以土和秸稈（或草苫）為主，將秸稈（或草苫）鋪在水泥柱架成的斜坡上，再鋪一定厚度的土層，上蓋薄膜；前屋面立柱為水泥立柱，屋面骨架為竹木結(jié)構(gòu)，建造時(shí)間較短的溫室部分為鋼管三腳架和竹木結(jié)合的混合結(jié)構(gòu)；透明材料主要為PE膜；保溫材料皆為草苫，外覆以薄膜防雪、保溫。

1.2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由表3可以看出，德州市目前應(yīng)用的日光溫室的參數(shù)變化范圍較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，德州市不同地區(qū)因設(shè)施蔬菜發(fā)展程度不同，日光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，發(fā)展速度越快的地區(qū)，像齊河、臨邑、平原等縣市，其參數(shù)變化范圍越大，且建造時(shí)間越近其長(zhǎng)度、凈跨度、屋脊高度、后墻高度越大，即溫室向大型化發(fā)展。一般建造時(shí)間較近者室內(nèi)地面下沉深度較大。

2.德州市日光溫室優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)德州市位置及氣候特點(diǎn)的調(diào)查分析，針對(duì)目前德州市日光溫室應(yīng)用中存在的問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)日光溫室的先進(jìn)構(gòu)型，依據(jù)日光溫室的設(shè)計(jì)計(jì)算原理，對(duì)德州市的日光溫室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1優(yōu)化型日光溫室結(jié)構(gòu)材料

表4顯示，優(yōu)化型日光溫室保留了保溫、蓄熱性能好和易于取材的土墻作為墻體材料，但在施工過(guò)程中通過(guò)機(jī)械反復(fù)碾壓，其強(qiáng)度大大增加；棚室支撐材料和前屋面骨架相關(guān)，如果采用全鋼架結(jié)構(gòu)，僅保留后墻立柱即可，如采用鋼架（主拱梁）和竹木（副拱梁）混合結(jié)構(gòu)，則要根據(jù)各部分占有的比例在前屋面部分適當(dāng)增加水泥立柱，以提高其負(fù)荷能力；透明覆蓋材料采用透光、保溫、耐候性等好的EVA膜；外保溫材料根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件可采用傳統(tǒng)的草苫外加防雨膜，也可采用質(zhì)量輕、保溫性能較好、應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)、便于管理的自防水保溫被。

2.2優(yōu)化型日光溫室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與德州市原有日光溫室（表3）相比，優(yōu)化型日光溫室（表5）規(guī)模明顯增加，相應(yīng)的土地利用效率和室內(nèi)環(huán)境緩沖能力明顯增加，溫室內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)輕簡(jiǎn)化程度更高，建造技術(shù)的進(jìn)步和高強(qiáng)度骨架材料的應(yīng)用是溫室大型化的重要因素。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易度、建造成本的核算，通過(guò)對(duì)溫室性能和溫室結(jié)構(gòu)關(guān)系的實(shí)地調(diào)查分析，確定了德州市日光溫室結(jié)構(gòu)高度、屋面角、仰角等結(jié)構(gòu)尺寸。因德州耕地在雨季易造成內(nèi)澇，不易采用下挖式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)建造地點(diǎn)的微地勢(shì)在0～30 cm范圍內(nèi)降低室內(nèi)地面高度。

2.3優(yōu)化前后日光溫室環(huán)境溫度比較

通過(guò)對(duì)德州目前主要日光溫室應(yīng)用者的走訪(fǎng)調(diào)查和對(duì)優(yōu)化型日光溫室的實(shí)地測(cè)量，由表6可以看出，在1月份的低溫季節(jié)，日光溫室優(yōu)化后可以明顯改善日光溫室的氣溫和地溫條件，最低氣溫和最低地溫分別提高35.0%～237.5%和21.4%～142.9%.

3.討論與結(jié)論

隨著消費(fèi)需求的提高、理論研究的深入、結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展、建造技術(shù)的進(jìn)步、生產(chǎn)實(shí)踐的驗(yàn)證，在不同時(shí)期、不同地域涌現(xiàn)出很多特征鮮明、結(jié)構(gòu)迥異的日光溫室類(lèi)型，且隨時(shí)間的發(fā)展，日光溫室的生產(chǎn)能力越來(lái)越高，為保障中國(guó)城鄉(xiāng)居民“菜籃子”的穩(wěn)定供給、農(nóng)民增收發(fā)揮了重要作用。而日光溫室生產(chǎn)能力的提高是以太陽(yáng)能利用為核心的采光、保溫、蓄熱和節(jié)能等內(nèi)部環(huán)境性能的合理設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)是影響日光溫室環(huán)境性能的重要因素，在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是調(diào)控日光溫室環(huán)境因子有效且經(jīng)濟(jì)的方式，對(duì)提高溫室生產(chǎn)率和資源利用率、降低成本、保障安全穩(wěn)定生產(chǎn)具有重要的意義。優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是日光溫室前屋面透光率、北墻太陽(yáng)輻射接收量、前屋面與墻體的保溫性及墻體和地面的蓄熱保溫等方面。

本研究通過(guò)對(duì)德州市日照溫室材料和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面的優(yōu)化改造，最低氣溫和最低地溫分別提高35.0%～237.5%和21.4%～142.9%，保證了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的正常進(jìn)行。endprint