新型囊膜結(jié)構(gòu)農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)

杜穎+胡宇祥+王雅君

摘 要：鑒于目前中國溫室大棚系統(tǒng)科技水平低下的現(xiàn)狀，專門設(shè)計(jì)了一種用囊膜結(jié)構(gòu)覆蓋的農(nóng)業(yè)大棚，采用囊膜的可隔絕理論，在作物的生長溫度發(fā)生變化不能滿足其正常的生長需要時進(jìn)行人工控制，它能夠通過充水、充氣對大棚內(nèi)溫度及時調(diào)節(jié)，使作物處于最佳生長條件。此外 ， 本新型大棚使用方便，構(gòu)造簡單，自重輕，易維護(hù)，并且建設(shè)周期短，節(jié)能環(huán)保，不局限于具體實(shí)施形式，便于擴(kuò)展，可廣泛應(yīng)用到溫室等場合。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)大棚；調(diào)節(jié)溫濕度；囊膜結(jié)構(gòu)

中圖分類號：S723.1+35 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20170733054

作物受地域適應(yīng)性、季節(jié)性及自然災(zāi)害等環(huán)境的影響較大，在純自然的條件下，大部分時間由于氣候問題不能進(jìn)行正常農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成人力、物力的大量浪費(fèi)，進(jìn)行溫室栽培后就可以極大地減弱對作物生長不利的環(huán)境因素來促進(jìn)作物生長，有利于緩解季節(jié)矛盾，提高作物產(chǎn)量。基于此，農(nóng)業(yè)大棚為解決我國北方地區(qū)反季的蔬菜供應(yīng)、為農(nóng)民增收創(chuàng)收做出了積極的貢獻(xiàn)。特別是近幾年來，隨著我國對農(nóng)業(yè)的補(bǔ)貼不斷加大，農(nóng)業(yè)大棚在農(nóng)村得到大規(guī)模推廣，使我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)取得了蓬勃發(fā)展。但是從技術(shù)水平上看，我國設(shè)施農(nóng)業(yè)卻存在嚴(yán)重問題，每年用于病蟲害防治的費(fèi)用十分巨大，致使生產(chǎn)成本居高不下。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚是在桁架上覆蓋透明的塑料薄膜，從而形成密閉的空間，靠太陽的輻射提高棚內(nèi)溫度。但是，塑料薄膜具有良好的保溫效果，卻不能調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度。比如在夏天大棚內(nèi)可達(dá)到60℃以上，不利于作物生長，而且傳統(tǒng)的塑料薄膜材料輕薄，對于風(fēng)、雪等極端天氣的抵抗能力弱，給農(nóng)作物造成不可小覷的危害。如果設(shè)計(jì)一種囊膜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫度的農(nóng)業(yè)大棚，既保溫又能調(diào)溫，這些問題便得到解決，就可以大幅度提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，滿足廣大農(nóng)戶需要，隨之帶來較好的經(jīng)濟(jì)收益。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本新型大棚提供了一種用囊膜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度的農(nóng)業(yè)大棚，使囊膜充當(dāng)媒介，簡單方便地利用水和氣體調(diào)節(jié)棚內(nèi)溫濕度，從而保證作物的正常生長。新型大棚的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，囊模工作原理示意圖如圖2所示。

新型大棚的結(jié)構(gòu)包括大棚前墻、大棚后墻、桁架、囊膜覆蓋、充水系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。

囊膜覆蓋由囊腔組成，相鄰囊腔之間相互連通且由錨固結(jié)構(gòu)固定在所述桁架上。充水系統(tǒng)包括進(jìn)水管、水泵、進(jìn)水閥門和出水管，按照水流方向依次連接，為囊膜覆蓋充水。充氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣管、氣泵、進(jìn)氣閥門和出氣管，按照氣流方向依次連接，為囊膜覆蓋充水系統(tǒng)包括排水管和排水閥，安裝在所述囊膜覆蓋的底部。排氣系統(tǒng)包括排氣管和排氣閥，安裝在所述囊膜覆蓋的上部。

2 新型大棚優(yōu)勢及工作原理

2.1 傳統(tǒng)大棚溫度特點(diǎn)及監(jiān)測要求

塑料大棚種植作物是反季節(jié)種植，外界環(huán)境的變化與正常作物生長發(fā)育所處自然環(huán)境的變化相反。同時塑料大棚本身調(diào)節(jié)環(huán)境因素的能力有限，必然導(dǎo)致的作物生長發(fā)育于大棚內(nèi)外之間的環(huán)境因素之間的矛盾難以調(diào)和，給生產(chǎn)帶來諸多問題，塑料大棚環(huán)境的大致特點(diǎn)是：塑料大棚的半封閉式結(jié)構(gòu)不利于人工檢測棚內(nèi)各個點(diǎn)的溫濕度；塑料大棚的半封閉式結(jié)構(gòu)決定了棚內(nèi)濕度大，濕度過大極易導(dǎo)致病蟲害發(fā)生；內(nèi)環(huán)境多變、復(fù)雜，光照不足、溫度低，同時還存在溫差過大等問題，溫度過高過低或溫差大都不利于蔬菜生長；大棚在溫濕度控制上屬于復(fù)雜的非線性，大延遲系統(tǒng)，簡單的控制算法無法達(dá)到理想效果。對于現(xiàn)代化的蔬菜大棚來說，最重要的管理因素是溫濕度控制。溫度太低，作物就會被凍死或者停止生長；溫度太高，作物就會失水萎蔫甚至死亡。同時，濕度不宜也會影響其生長，將溫濕度始終控制在適合作物生長的范圍內(nèi)迫在眉睫。

傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì)，人們依據(jù)讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度，對于濕度的控制則是在棚內(nèi)放容器裝起來的水，依靠水的蒸發(fā)來保持濕度相對適中。像這樣僅靠人工控制既耗人力，又容易出現(xiàn)差錯，較難管理。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高，對于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。因此，在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中，通常研究新型溫濕度控制系統(tǒng)來控制蔬菜大棚溫濕度，適應(yīng)生產(chǎn)需要。

2.2 裝置工作原理

需要使用充水系統(tǒng)為大棚降溫時，打開進(jìn)水閥門和排氣閥，關(guān)閉進(jìn)氣閥門和排水閥，打開水泵為囊膜覆蓋充水，水在自重作用下從囊膜覆蓋底部開始填充，當(dāng)水從排水管溢出時，關(guān)閉水泵、進(jìn)水閥門和排氣閥。此時，囊膜覆蓋充滿水體，白天可以為大棚降溫，夜晚可以為大棚補(bǔ)溫（白天降溫過程陽光會將水曬熱，恰好用于夜晚補(bǔ)溫），充水過程中水分的揮發(fā)會給大棚帶來相應(yīng)濕度來給棚內(nèi)提供濕度，以免因干燥影響作物生長。而且水重可以抵抗大風(fēng)氣候，適合在晝夜溫差大的季節(jié)或大風(fēng)季節(jié)使用充水模式，如夏季等天氣炎熱干燥的季節(jié)。

需要使用充氣系統(tǒng)為大棚降溫時，打開進(jìn)氣閥門，關(guān)閉排氣閥、進(jìn)水閥門和排水閥，打開氣泵為囊膜覆蓋充氣，當(dāng)囊膜覆蓋完全隆起時，關(guān)閉氣泵和進(jìn)氣閥門。此時，囊膜覆蓋充滿冷氣，白天可以為大棚降溫隔溫，夜晚可以為大棚保溫，通過充氣亦可阻擋冰雹等較強(qiáng)的自然災(zāi)害，達(dá)到保護(hù)農(nóng)作物的目的，比較適合在夏季太陽輻射較弱且天氣惡劣的時候使用充氣模式。

不需要為大棚降溫時，打開排水閥或排氣閥，將囊膜覆蓋中的水體或氣體排出，囊腔足以讓作物適應(yīng)氣候，適宜春季和秋季。

采用與上述相同的方法為大棚充入熱氣，可達(dá)到為棚除雪的目的，又在雪天給大棚升溫，幫助作物抵御嚴(yán)寒。此外，冬季陰霾天氣較多，氣溫較低，也可用此種方法實(shí)現(xiàn)保溫和增溫。

這樣一來，用囊膜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度的農(nóng)業(yè)大棚可以快捷、方便地為大棚降溫保溫及升溫，結(jié)構(gòu)易于操控，不耗費(fèi)資金與人力，并且可以抵御大風(fēng)。

3 結(jié)語

本新型大棚涉及的這種用囊膜結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)溫度，根據(jù)大棚內(nèi)外的溫度對囊膜覆蓋進(jìn)行充水、充氣，以達(dá)到控制大棚內(nèi)溫度的目的，其優(yōu)點(diǎn)在于：囊膜覆蓋結(jié)構(gòu)使用方便，構(gòu)造簡單，自重輕，易維護(hù)，并且建設(shè)周期短，節(jié)能、環(huán)保；囊膜覆蓋填充滿水或空氣后，在降溫和升溫的同時，還使整個囊膜覆蓋而有韌性，達(dá)到抗風(fēng)的要求；該大棚所用材料易于選取，農(nóng)戶可自行建造，所用資金量小，可使經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)支付得起。在裝置設(shè)計(jì)過程中可能會存在一些不足之處，需要在以后的研究過程中不斷提高和完善。

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作者簡介：杜穎，女，河北秦皇島人，研究方向：農(nóng)業(yè)工程；胡宇祥（1983-），男，吉林吉林人，講師，在讀博士，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程方面研究。