模塊化組裝式日光溫室結構設計與實踐

鄒志榮，鮑恩財，申婷婷，陳佳

日光溫室作為中國北方最常用的經濟型節能栽培設施，有著悠久的發展歷史，截止至2015年，其應用面積達到97.42萬hm2，有效地解決了中國冬季蔬菜生產問題，實現了新鮮蔬菜周年供給[1]。因其優良的節能效果，伊朗、加拿大、日本、韓國、以色列、荷蘭等國也對日光溫室開展了研究或生產實踐[2]。但是，現今被廣泛推廣的日光溫室仍然存在一些問題亟待解決。首先，土地利用率低，日光溫室后墻過厚導致日光溫室的土地利用率一般在40%左右，極大浪費了土地資源；其次，建造標準不同，存在采光保溫性能降低、耕作層破壞嚴重、室內地面過度下沉、抗災性差等問題；再次，建造日光溫室費時費工，高昂的人工成本導致了溫室造價高，限制了中國設施農業的快速發展與應用；另外，手工化作業也導致了日光溫室的生產效率低下。所以，目前日光溫室的發展到了從數量到質量轉變的關鍵時期，開發模塊化組裝式的日光溫室建設是當前急需解決的問題。

組裝式日光溫室發展現狀

目前，在中國北京、新疆、寧夏等地開發建設了組裝式日光溫室（圖1），組裝式混凝土墻體溫室使用混凝土的預制板組裝而成，預制板之間的縫隙用水泥粘合而成為整體；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料組成的日光溫室安裝與運輸方便，密閉性好。但組裝式混凝土墻體溫室的建造成本較高，墻體的蓄熱、儲熱性能較差；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料溫室的后墻不具有蓄熱性能，夜間室內溫度過低[3]。

組裝式日光溫室在其他國家也被應用，比如荷蘭、日本等種植設施先進的國家。荷蘭的組裝式日光溫室采用板材拼接組成后墻（圖2a）；日本的組裝式日光溫室是在改進的塑料大棚的北側加了一層保溫被覆蓋（圖2b）。

模塊化組裝式日光溫室的設計

該研發團隊提出模塊化組裝式日光溫室建設思路，結合團隊前期研究成果——日光溫室后墻主動蓄放熱技術[4-7]，將模塊化設計的理念和方法用于溫室中，就是將溫室結構與生產裝備從工廠生產成模塊成品，一次性組裝在建設現場，形成一個成熟的溫室生產建筑。該溫室墻體由吸熱材料、蓄熱材料、絕熱材料等組成，結合主動蓄放熱技術后具有良好的蓄放熱效果（圖3）。

將溫室生產建筑進行模塊化的革命，即溫室建筑標準化、生產裝備一體化，形成能夠快速高效生產的溫室建筑與裝備，其優勢如下[8]：

（1）縮短溫室的設計和制造周期，加快供貨速度，有利于市場競爭，有助于溫室生產實現產業化。

（2）便于溫室更新換代和新產品的開發，由于有許多現成的通用和專用模塊，減少了新產品開發的成本和周期。

（3）通用和專用模塊一般在生產和使用中都經過檢驗，工藝完善，產品的質量更易得到保障。

（4）可以實現溫室結構的快速設計，滿足不同區域、不同客戶的多品種需求，提高了生產效率，例如通過將溫室結構的某個模塊的變化，就可實現溫室結構的改變。

（5）標準設計都是根據工程實踐、經過總結提高而編制成的，采用標準設計制作構配件和設備裝置、零部件，工人對生產操作、施工安裝都易于掌握，因而可以不斷提高生產和施工安裝質量，有利于保證溫室工程的質量。

（6）模塊化的溫室結構構件，可以促進構件標準化，采用標準設計生產構配件，便于預制廠統籌安排，統一配料，可以大大節約建筑材料。

（7）模塊化在溫室設計中的應用，也將先進技術推廣到更寬廣的應用領域，促進溫室結構件的標準設計與溫室所用到的建筑材料的標準設計。

（8）有了溫室建筑構件的標準設計，工廠可以進行工廠化大批量生產，標準構件的推廣也將大大加快溫室建造的速度，從而促進溫室工業化的發展。

在模塊化產品設計理論的指導下，對溫室進行組裝式設計。首先給出了模塊化組裝式日光溫室的設計思路，對溫室進行模塊劃分及模塊創建，并給出多種模塊化設計方法的設計思路；然后對模塊化溫室進行了詳細設計，包括墻體模塊、骨架模塊、栽培設施模塊及環控模塊4個方面。

墻體模塊

◎ 墻體模塊介紹

溫室墻體模塊主要起到蓄熱、保溫與承重的作用，可以在白天吸收并蓄積太陽輻射熱量，在晚上緩慢釋放出來，并且可以防止室內熱量流失，保持室內氣溫維持在較高水平；另外墻體還是溫室系統的受力體系，是溫室覆蓋材料、環境控制設備和灌溉設備、作物懸掛等栽培設施得以安裝的基礎。

日光溫室墻體主要類型有土墻、磚墻以及多種材料組成的復合墻體。土墻一般是使用挖掘機挖土堆推成的寬厚墻體，由于墻體材料易獲得、成本低、保溫蓄熱性能好，被廣大農民接納使用。但是這類墻體占地大，土地利用率低，墻體表面容易被雨水沖淋及凍脹侵蝕致使墻體老化脫落甚至崩塌，因此很多地方用外形美觀、耐久性好的紅磚墻代替。磚墻具有更好的保溫蓄熱效果，但是施工建造費工，造價較高，大概5～10年才能回本。而復合墻體材料是由蓄熱層、保溫層和絕熱層組成，建筑方便，性能好，但是其較大的成本限制了其推廣應用。

模塊化組裝式土墻溫室（圖4）的墻體使用速土成型機（陜西楊凌旭榮農業科技有限公司生產，以下簡稱“成型機”）建造，把原本松軟的土壤加入一定的固化材料及水，加入到成型機里，通過巨大的壓力使土壤變得密實，得到規格符合日光溫室墻體建造要求的擠塑速土塊，經測試其強度可滿足溫室墻體要求，可直接拼接在一起用于溫室墻體的建設。一臺成型機生產規格為1.2 m×1.2 m×1.2 m的土塊用時約8 min，大大節省了溫室墻體建造時間，并且減少了墻體厚度，節省了建造用土和人力。建設完成后可在外側增附一層保溫板或其他覆蓋物，可以有效進行保溫和防止雨水沖淋，降低了成本并增加了美觀度。

將擠塑速土塊（干）、擠塑速土塊（濕）與夯土墻、碾壓墻土塊進行對比，測試結果如表1所示，擠塑速土塊（干）比人工電夯的夯土墻密度提高7.8%，無側限抗壓強度提高11.8%；比流行的推土機碾壓的碾壓墻密度提高13.5%，無側限抗壓強度提高90%；提高了日光溫室后墻的蓄熱能力（土壤密度越大，蓄熱性能越好）和強度穩定性。因此，擠塑速土塊強度優于夯土墻，即使剛制出的濕土塊也優于當前普遍使用的碾壓墻。

◎ 土墻模塊化組裝式日光溫室優勢與應用

蓄放熱性能好 土的可塑性、蓄熱性較好，結合運用吸熱、蓄熱、散熱的原理制作溫室土墻模塊，并且內有蓄熱通風管道，能更好地進行蓄熱與通風，使溫室內氣溫保持在適宜水平。

就地取材制作 墻體用料99%是土、沙、石，可就地取材建造，代替了過去的土墻、磚墻。

成本顯著降低 墻體以土為原材料加少量固化材料及水，采用工廠化生產溫室骨架，使整個溫室的造價下降40%左右，克服了溫室價格高、經濟效益差的頑疾。

機械化大幅度提高溫室建造效率 全程機械制造，建造速度是原有建造效率提高5倍以上。

節約土地資源、更加環保 用土、沙、石混合制作的墻體，不僅節約了墻體的占地面積，也省去了制磚時用電、燒煤的能量消耗和污染，而且節能環保，可以在沙漠、戈壁、鹽堿地上建造，對中國非耕地的利用有著十分重要的意義。

骨架模塊

溫室骨架模塊的首要功能就是實現支撐作用，承擔所有的荷載，搭建一個空間以便植物的生長。所以這些承力體系是由溫室骨架組成的用來抵抗各種豎向或橫向作用的平面或空間體系，圍護體系和與這些體系有直接關系的配套機構等。承重體系包括門架、托架、檁—椽結構構成。溫室骨架模塊必須包括屋架、立柱、檁條和天溝等主要的受力構件，還應包括聯系上述主要構件、保證溫室整體剛度的結構支撐體系。

傳統的溫室骨架是在現場臨時放樣進行加工，費時費事。現在骨架采用加工廠加工完成（包括焊接、沖孔、鍍鋅等施工工藝）后運至施工現場，與基礎連接處采用螺栓連接，非基礎位置采用自攻螺釘連接，避免焊接，減少骨架施工周期和安裝成本（圖5）。

栽培設施模塊

傳統的土壤栽培在生產中難以解決水分、空氣、養分供應的矛盾，往往無法使作物根系處于適宜的環境條件下，從而影響作物生長。而無土栽培作為一種新的栽培方式，現在正被人們廣泛應用。它可以有效避免土壤栽培的弊端，發揮作物的生長潛力，使植物生長量大大提高。所以，栽培模塊就是以現有的無土栽培技術為依托，實現栽培系統可組裝、可調控的應用。

◎ 基質培

基質培是現在推廣面積最大的栽培方式，它是將作物的根系固定在有機或無機的基質中，通過滴灌或細流灌溉的方法，供給作物營養液。主要是有機生態型基質培，還有基質袋培、立體培、巖棉培等形式（圖6）。使用固體基質栽培具有性能穩定、設備簡單、投資少、管理容易及不易傳染根系病害等優點，是現在使用較為廣泛的栽培方式。

◎ 水培

水培主要有營養液膜技術（NFT，Nutrient Film Technique）和深液流技術（DFT，Deep Flow Technique）（圖7）。營養液膜技術（NFT）的特點是循環供液的液流呈膜狀，僅以數毫米厚的淺液流流經栽培槽底部，水培作物的根墊底部接觸淺液流吸水、吸肥，上部暴露在濕氣中吸氧，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾。深液流技術（DFT）的循環營養液深大約5～10 cm。中國開發研制的浮板毛管技術（FCH）就是深液流技術（DFT）的一種形式，它的特點是在栽培槽中設置濕氈分根裝置，既解決了根系水氣矛盾，又有一定深度的營養液，不怕短期停電（24 h以上），根際環境穩定，易于調控（冬季于栽培床內鋪電熱線加溫，夏天鋪設塑料軟管通深井水降溫）。

近些年來水肥一體化系統是涉及到農田灌溉與作物栽培等的農業綜合新技術。它借助壓力系統（或地形自然落差），將可溶性固體或液體肥料，按土壤養分含量和作物種類的需肥規律和特點，配兌成的肥液與灌溉水一起，通過可控管道系統供水、供肥，水肥相融后，通過管道、噴槍或噴頭形成噴灌、均勻、定時、定量，噴灑在作物發育生長區域，使主要發育生長區域土壤始終保持疏松和適宜的含水量，同時根據不同的作物的需肥特點和土壤條件把水分、養分定時定量，按比例直接提供給作物（圖8）。可以達到省肥節水、省工省力、降低濕度、減輕病害、增產高效的作用。

環控模塊

目前，基于單片機、PLC、CAN總線、RS485總線、ARM9處理器、ZigBee、OSGi網關、模糊神經網絡等軟硬件控制在工業生產中應用成熟，也逐步應用于農業生產特別是溫室生產中，并統一稱為“農業物聯網系統”。但由于該系統對操作者的使用技能要求較高，而且安裝成本與農業生產實際并不匹配，所以在一定程度上脫離了農業生產的實際，導致使用效果并不理想，推廣困難。

為適應現代農業的生產，通過對現有溫室大棚廣泛調研，建立不同作物專家管理軟件，并特制定本環境控制模塊，可實現對溫室大棚內環境的精確監測、自動上報及控制、對作物生長過程和勞動作業過程的視頻監控、生產指導。對物聯網的3個層次分別進行模塊化安裝及使用。其中感知層主要采用針對溫室內溫光水氣肥五大環境因子的超低功耗的的傳感器模塊，通過節能電池供電；傳輸層采用安裝及管理最為便捷的無線傳輸模塊，溫室內的環境數據匯集到云端、推送到手機，便于實時監控；應用層采用系統自動調控和人工干預相結合的方式控制，通過對云端數據庫的數據進行分析，借助專家系統平臺，可以優化種植技術，達到持續增收增產目的。

◎ 物聯網環境監控系統建設

在每個溫室內分別部署1套環境精確監測設備（圖9），其中1套監測類型為5類（空氣溫濕度、CO2濃度、光輻射強度、土壤溫度、土壤水分），室外部署1套自動氣象站監測類型為9類（空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤水分、CO2濃度、光輻射強度、風速、風向、降雨量）。同時通過無線自組網的輸出控制模塊（控制卷簾、風機通風、加熱、加濕等），實現溫室大棚的智能化控制。在管理室部署管理計算機1臺，可實現對基地的現場管理。

◎ 物聯網公共服務平臺

分配基地（區域）管理員賬號，并進行基地信息、權限配置，使環境信息能夠上報平臺，控制指令能夠有效執行（圖10）。基于B/S架構提供遠程管理服務，登錄網址，輸入用戶名密碼，即可實現環境信息查看、遠程控制、超限預警、視頻監控、歷史數據分析等功能模塊等網絡服務。適配Android軟件系統，實現隨時隨地的移動客戶端管理平臺。

模塊化組裝式日光溫室的發展前景

模塊化組裝式日光溫室建設是一場創新性工業化的變革，是中國日光溫室轉型升級的手段，也是實現現代化溫室建設的有效途徑。機械設備替代人，設備控制環境與栽培系統是發展的方向，是提高生產效率、土地產出率和資源利用率的最佳方式。

模塊化組裝式日光溫室擁有廣闊的發展前景，但其仍然處于比較新的發展階段，還有很長的路要走。首先要確定一個標準，包括測試不同土質配方與強度、確定骨架標準與栽培設備標準、建立專家系統等，來確定一個普遍的標準，以便于模塊化組裝溫室的推廣。然后根據此標準建成溫室后驗證其保溫性、抗災性、投入產出比和作物生長與產量等，以確定其應用范圍。最后用適宜的結果在不同區域進行示范帶動周邊發展，形成良好的經濟效益和社會生態效益。

參考文獻

[1] 汪懋華.物聯網技術支撐蔬菜日光溫室轉型創新發展的探索[R].沈陽：全國日光溫室發展學術論壇，2015.

[2] 周長吉.世界各國對中國日光溫室的研究與實踐[R].太谷：中國園藝學會設施園藝分會2015年學術年會，2015.

[3] 周長吉.周博士考察拾零（六十八）一種以滌棉輕質保溫材料為墻體和后屋面的組裝式日光溫室[J].農業工程技術（溫室園藝），2017，37（13）：51-54.

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[6] 張勇，鄒志榮.一種蓄熱后墻的日光溫室：102630526[P].2012-08-15.

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[8] 趙利珍.基于模塊化的溫室設計應用研究[D].杭州：浙江工業大學，2008.

*項目支持：溫室建筑及設施裝備產業化研究（2016XR0901）。

作者簡介：鄒志榮，男，陜西延安人，二級教授，博士，博士生導師，主要從事設施園藝方面的研究。

[引用信息]鄒志榮，鮑恩財，申婷婷，等.模塊化組裝式日光溫室結構設計與實踐[J].農業工程技術，2017，37（31）：55-60.