標準化生產溫室研究進展

周增產+董微+卜云龍+李秀剛+蘭立波+劉水麗

【摘要】簡要論述了標準化生產溫室的發展方向，介紹了生產溫室中鋁天溝溫室和光伏溫室的特點和結構形式，舉例說明了2種溫室推廣示范的典型案例。

溫室是農業生產性建筑設施，是一種可以為植物生長創造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其造成不利影響的場所。目前發達國家的生產溫室和設施園藝產業已經處于先進水平。生產溫室采用集約化、標準化和規模化生產，并形成資金和技術密集型高新技術產業，已成為當今世界最具活力的新興產業之一和現代農業的亮點。今后，隨著科學技術的發展，全球經濟的一體化和社會的進步，生產溫室將以標準、節能、環保和改善工作條件為核心，深入廣泛采用高新技術，向實質意義上的“工廠化”方向穩步、持續、快速發展[1]。

隨著國外大型溫室建造技術的引進，中國的農業設施改變了原來單一的日光溫室、簡易棚等形式，設施農業規模得到了迅猛的發展。高效的連棟溫室生產不僅給國民提供了優質、豐富的產品，而且促進了中國農業現代化的發展。然而由于氣候原因和能源危機的影響，溫室能耗花費在溫室生產成本中的比例不斷攀升，嚴重制約了經濟效益的提高[2]。因此，降低連棟溫室能耗，發展溫室節能技術日趨重要。

鋁天溝溫室的研究開發與應用

鋁天溝溫室特點

溫室采用鋁制天溝，該鋁制天溝是集雨水收集槽、冷凝水收集槽和排水功能槽為一體的鋁制結構裝置。鋁天溝具有以下特點：①鋁天溝的中空結構具有較強的抗彎性能，截面尺寸比鋼制天溝小，遮光面小，結構緊湊。②鋁天溝的中間空腔將溫室內和室外空氣隔離，有效減少了溫室內與溫室外通過天溝進行熱交換，防止了熱量損失。③鋁天溝可收集冷凝水，解決了冷凝水滴落溫室造成植物生長病害問題。

單層玻璃鋁天溝溫室的研究與推廣

研究重點與取得的成果

2010年，北京京鵬環球科技股份有限公司（以下簡稱“京鵬”）進行了單層玻璃鋁天溝溫室專用鋁型材和新型耐候膠條密封技術的研發。隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金結構件的需求日益增多，這主要由于鋁合金具有重量輕，比強度大，可焊接性，易于冷熱加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好的特點。

鋁天溝其內部鋁材形成一個中空結構，與上部兩側玻璃形成“V”字型進行排水。該中空腔室頂部的兩角帶有用于實現外聯接的型耳，各型耳由上、下耳壁2部分組成，兩型耳的上耳壁與中空腔室的頂面圍設出雨水收集槽；各型耳的下耳壁與中空腔室的頂面圍設出冷凝水收集槽。

鋁天溝截面（圖1～2）為具有中空結構的倒梯形，當有雨水時，該中空結構可以防止溫室屋頂發生雨水滲漏等現象，還可減少溫室內與溫室外通過天溝進行熱交換，損失溫室內的熱量；冷凝水收集槽截面類似帶鉤的倒“L”型，用于收集溫室屋頂上凝集的冷凝水，通過底部的密封膠條連接在一起，構成內部中空的封閉結構，具有較好的隔熱和防集露的特點。

2011年京鵬率先建立了國內第一個自主研發的鋁天溝溫室（圖3），并在溫室內進行了育苗、草莓種植、葉菜水培等試驗，取得了良好的栽培效果。

推廣情況

在日本、山西、甘肅、四川、遼寧、北京、山東等地累計推廣鋁天溝溫室面積達120000 m2以上，實現經濟效益12940萬元。

典型案例介紹

2012年京鵬的鋁天溝溫室出口到日本（圖4），第一期工程的建造面積為1152 m2，第二期工程的建造面積為14112 m2，主要用于高糖番茄種植。鋁天溝的應用，解決了溫室內冷凝水的收集問題，大大減少了熱量損失，為溫室內喜光植物提供了最佳的生長環境，從而促進了作物的快速、健康成長。

單層膜鋁天溝溫室的研究與推廣

2016年京鵬進行了單層膜鋁天溝溫室專用鋁型材和新型耐候膠條密封技術的研發。

鋁天溝兩端的側卡槽分別連接棚頭兩側的膜。卡膜槽由M5.5×19 mm自攻釘固定在橫桿上，自攻釘間距為400 mm；側面天溝處覆蓋卡膜槽安裝在天溝內側，由M5.5×19 mm自攻釘固定，間距為400 mm左右；側面天溝處卡膜槽在安裝時卡槽邊應超過天溝邊沿，以防止天溝邊沿將膜損壞。天溝間接縫和連接螺栓處擦干凈后用雙面膠條密封防漏。

光伏溫室研究開發與應用

光伏溫室特點與發電系統介紹

光伏溫室特點

光伏溫室將太陽能與設施建造相結合，是具有雙重功效的創新型新能源生產工廠，它綜合利用太陽能，實現了新能源熱電聯產，實現了設施農業領域發展低碳經濟、節能減排的目標。①薄膜太陽電池組件以采光頂形式安裝屋頂鋼架上，朝向南側。在不改變原有建筑風格和外觀的前提下，設計安裝太陽能光伏陣列的結構和布局，增強了屋頂使用功能。②鋁型材與薄膜電池組件結合處均采用硅酮結構密封膠進行處理，具備較好的防結露性能，可大幅提高冬季保溫性能，實現夏、冬季運行均顯著節能。③太陽能薄膜發電溫室將太陽能光伏電池發出的電能直接利用，避免了電能在運輸過程中的損失。④光伏發電產生的綠色電力，可用于灌溉、環境調控等用途，可為作物提供適宜的生長環境，有利于作物的生長，提高作物產量。

發電系統介紹

太陽能光伏發電是利用光伏電池板直接將太陽輻射能轉化為電能的發電方式。光伏發電系統通常由太陽能光伏電池組件、功率控制器、逆變器、蓄電池以及負載等部件組成[3]。

太陽能光伏發電的最核心器件是太陽能電池。當前應用于商業電站的太陽能電池分為晶硅電池和薄膜電池。晶硅電池分為單晶硅和多晶硅電池，目前商業應用的光電轉換效率為單晶硅16%～17%，多晶硅15%～16%。薄膜電池分為硅基薄膜電池、CdTe電池和CIGS電池。由于薄膜電池的特有結構，在光伏建筑一體化方面，有很大的應用優勢。太陽能光伏發電系統可分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統[4]。

獨立光伏發電系統 獨立光伏發電系統（圖5）主要由太陽能光伏電池組件、控制器、蓄電池組、逆變器、直流負載、交流負載組成。控制器能自動防止蓄電池過充電和過放電。當光伏電池組件產生的電能不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池主要用來儲存電能，在夜間或陰雨天時為負載供電。逆變器是將直流電轉換成交流電的設備。由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，當負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。endprint

并網光伏發電系統 由太陽能光伏電池組件、控制器、并網逆變器、負載組成。并網光伏發電系統（圖6）將光伏電池組件產生的電能不經過蓄電池儲能，通過并網逆變器直接反向饋入電網的發電系統。因為直接將電能輸入電網，免除配置蓄電池，省掉了蓄電池儲能和釋放的過程，可以充分利用可再生能源所發出的電力，減小能量損耗，降低系統成本。并網光伏發電系統能夠并行使用市電和可再生能源作為本地交流負載的電源，降低整個系統的負載缺電率。

光伏溫室研究重點

863課題“植物工廠化生產低碳設施與裝備研究”中光伏溫室研究內容

開發適用于植物工廠化生產的太陽能薄膜光伏發電系統。將非晶硅太陽能電池技術引入溫室設施，研究光伏發電系統與溫室結構的配套技術。

太陽能非晶硅薄膜電池組件（圖7）是太陽能光伏發電系統的核心部件。根據項目需求，課題組在天威非晶硅電池組件原有技術基礎上進行了優化設計，提高了電池組件的透光率和光能利用率，該系列透光組件通過利用先進穩定的PECVD、LPCVD、激光劃刻、封裝技術以及嚴格的在線監測系統，來保證大尺寸透光薄膜組件的高質量，結合建造的低碳示范連棟溫室，課題組優化設計的整個光伏電站采用光伏電池組件峰值功率為90 Wp的太陽能電池組件，光伏電站總裝機容量為18.72 kWp，系統日平均發電量為60 kW·h，年平均發電總量為23390 kW·h。

該太陽能非晶硅薄膜組件具有以下主要優勢：高效率和穩定的輸出功率；高溫和弱光效應下的優異表現；高性價比和能量回收期短；快速、方便和靈活的安裝方式；陰影遮蓋環境下比晶體硅具有更優異的表現；而且不同規格的透光率可供選擇。

課題組對光伏組件鋪設與建筑一體化設計采用光伏采光頂的形式。即將薄膜太陽電池組件以采光頂形式安裝溫室屋頂鋼架上，朝向南側，與地面傾角33°，在不改變原有建筑風格和外觀的前提下，設計安裝太陽能光伏陣列的結構和布局，增強屋頂使用功能。

光伏溫室建筑一體化設計

光伏建筑一體化（BIPV）發電系統，就是利用安裝在建筑物或與建筑物結合在一起的太陽能電池的光電效應，直接把太陽能這種可再生能源的輻射能轉變成電能的一種發電方式，它所生成的電能經過與其相配套的逆變控制器的轉換，直接滿足該建筑的用電需求[5]。根據不同植物對光照的不同需求，電池組件有以下3種排列方式（圖8）。

整個光伏電站安裝薄膜太陽能光伏電池組件208塊，選用每塊光伏電池組件的峰值功率為90 Wp，玻璃尺寸長1300 mm，寬1100 mm，光伏電站總裝機容量為18.72 kWp。薄膜太陽電池組件以采光頂形式安裝屋頂鋼架上，朝向南側，與地面間傾角23°，在不改變原有建筑風格和外觀的前提下，設計安裝太陽能光伏陣列的結構和布局，增強屋頂使用功能。

鋁型材與薄膜電池組件結合處均采用硅酮結構密封膠進行處理，具備較好的防結露性能，大幅提高其冬季保溫性能，實現夏、冬季運行均顯著節能[6]。

光伏溫室主要類型及特點

光伏溫室按照結構可分為日光溫室光伏溫室和連棟光伏溫室；按照光伏電池種類可分為晶硅光伏溫室和薄膜光伏溫室。

日光溫室光伏溫室多采用一面為采光面，一面為保溫面設計，可以根據采光和用電需求設置光伏電板的放置，光伏電板放在采光面，則溫室屬于全遮光型；放置在保溫面則為半遮光型。日光溫室光伏溫室采光性比較差，適合喜陰植物的育苗，如蘑菇、生姜、菊芋類等。

連棟光伏溫室主要用于花卉和育苗。主體結構以鋁合金和鍍鋅鋼材為主，透明的墻體材料以薄膜、太陽板或玻璃為主，溫室內具有多種智能管理系統，如CO2調節系統、通風系統、智能控溫系統、病蟲害防治系統、灌溉系統等，為溫室提供智能管理，正是基于這種智能管理系統使連棟光伏溫室具有投入大、效益高、產量高的特點[7]。

晶硅光伏溫室中的電池組件為晶體硅電池，因其不具有透光性，因此在太陽光譜透過性方面不能為植物生長帶來額外的幫助。但晶體硅電池有發電效率高、每Wp成本低、單位面積裝機容量高等優點，在不影響植物光照需求的情況下，其透光比例可按需調整定制。

薄膜光伏溫室中的電池組件為薄膜電池，由于薄膜電池具有很好的透光性，可透過400～800 nm可見光，對紫外線和紅外線能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外線對植物傷害、避免過多熱量進入溫室，晚上同樣能阻止室內紅外熱量向外輻射，起到很好的保溫隔熱作用。薄膜電池具有弱光性好、可發電時間長、其透光光譜有益于植物生長等優點，但也存在發電效率低、每Wp成本高、單位面積裝機容量低等缺點，因此需根據整個光伏溫室系統的規劃設計和應用需求來綜合評估選定[8]。

研究成果與光伏溫室推廣應用

研究進程與成果

2012年啟動光伏溫室的開發，研發期間獲得授權專利1項，發表論文5篇，獲得創新產品獎1項。

光伏溫室推廣情況

在西藏、山東、北京、昆山、江蘇等地進行了光伏溫室推廣，累計推廣面積70000 m2以上，實現經濟效益14500萬元。

典型案例介紹

（1）通州基地低碳物聯網溫室

京鵬與北京市農業機械研究所共建的光伏低碳物聯網溫室屋頂以采光頂方式安裝透光型薄膜太陽能電池組件，達到總裝機容量為18.74 kWp；利用并網逆變器將太陽能電池組件產生的直流電逆變為交流電，并入到辦公樓接入的市電網低壓配電側中使用；同時系統具備儲能系統，市電停電時系統能繼續供給重要負載用電，并且繼續使用太陽能產生的電能。

該光伏低碳物聯網溫室（圖9）面積為3024 m2，分為生產區和附屬用房二大部分，其中生產區由3個果菜生產區、工廠化育苗區、草莓生產區和高檔花卉生產區組成，附屬用房由東部附屬用房、緩沖間、中間走廊與西部接待控制室組成。光伏低碳物聯網溫室主要用于工廠化種苗繁育、高檔花卉、果菜、草莓生產，體現了低碳節能、精準遠程控制、自動化育苗裝備等現代設施農業高新技術。endprint

溫室太陽能光伏發電系統由薄膜太陽電池組件、屋面安裝鋼架結構、并網逆變器、交（直）流配電設備、數據采集監控系統、雙向逆變充電一體機、蓄電池組、線纜及電纜橋架等組成。

（2）北京金風光伏溫室

京鵬在北京大興區建設了面積為3456 m2的光伏溫室（圖10），規格參數：跨寬12 m，開間8 m，肩高6 m，脊高6.9 m。內部種植區分為幾字形栽培槽西紅柿種植區、A字架草莓種植區、控根容器黃瓜種植區、葉菜水培區、土壤種植區。主要用于高檔花卉、果菜、草莓生產，體現了低碳節能、精準遠程控制等現代設施農業高新技術。

光伏溫室屋頂以采光頂方式安裝透光型薄膜太陽能電池組件，達到總裝機容量為71.55 kW；利用并網逆變器將太陽能電池組件產生的直流電逆變為交流電，并入到辦公樓接入的市電網低壓配電側中使用；同時系統具備儲能系統，市電停電時系統能繼續供給重要負載用電。溫室四周外立面采用5+9A+5 mm雙層中空鋼化玻璃及爪件密封，溫室頂部朝南側坡面覆蓋太陽能薄膜發電板。頂部北側采用8 mm雙層PC板覆蓋。配置了通風系統、內遮陽保溫系統、內循環系統、濕簾風機降溫系統、全自動智能溫室控制系統，確保溫室生產高效運行。

結論

從長遠發展看，中國溫室市場發展潛力巨大，溫室用戶也趨于理智和成熟，普遍要求溫室區域布局合理和對當地氣候條件適應性的科學化以及溫室應用技術的普及化。以標準、節能、環保為核心的生產溫室必將有廣闊的發展前景。

參考文獻

[1]王麗艷，邱立春，郭樹國.我國溫室發展現狀與對策[J].農機化研究，2008（10）：207-209.

[2]張日新，張躍峰.溫室節能技術[J].中國花卉園藝，2013（6）：48-49.

[3]張躍峰，張日新.太陽能技術在溫室中的應用[J].農業工程技術（溫室園藝），2011，31（13）：46-47.

[4]趙爭鳴，劉建政，孫曉英，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005：20-26.

[5]韓利，艾芊.光伏技術在節能建筑中的應用[J].建筑節能，2009（2）：4-12.

[6]董微，周增產，卓杰強，等.光伏低碳溫室設計與應用[J].農業工程，2013，4（3）：54-57.

[7]劉立功，趙連法，劉超，等.光伏太陽能溫室的特點及應用前景[J].中國蔬菜，2013（8）：1-4.

[8]王瑞英.太陽能光伏發電設計與應用[J].智能建筑與城市信息，2009（7）：100-103.

Research on Standardized Production Greenhouse

Zhou Zengchan， Dong Wei， Bu Yunlong， Li Xiugang， Lan Libo， Liu Shuili

（Beijing Kingpeng International Hi-tech Corporation， Beijing Plant Engineering Technology Research Center， Beijing 100094， China）

【Abstract】The development direction of greenhouse is briefly discussed. The characteristics and structure of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced. The typical demonstration examples of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced.endprint