面向茶種的生態型高亮度多層溫室設計研究

牛 晰

（鄭州航空工業管理學院航空經濟發展河南省協同創新中心，河南鄭州 450000）

高亮度多層溫室，是指為避免使用不可再生能源，盡可能的利用太陽能、風能、雨雪等自然條件所產生的能量所構建的層狀鋼結構陽光溫室，同時，它亦是協助溫室內塑造小生態環境，協同滿足植物種植、水產養殖的高效設施農業建筑。

現階段，我國北方地區茶葉生產的具體訴求與日俱增，在這個大的“南茶北種”形勢下，如何在寒冷地區的越冬農作物生產中，建設可營造出適宜茶葉種植小生態環境的陽光溫室，進行茶種育苗、培養、栽種，以及在這個小生態環境中進行部分家禽或水產的養殖，并形成可供游客參觀的景點，就成了現今中小農場、種植大戶所重點關注、投資的焦點了。

1 研究依據

為完善“南茶北種”調控種植手段的研究，由1959年中國農科院茶葉研究所吳洵于老師，成功將茶樹引種到山東，打破茶樹成活不越北緯38°線始，農學界育茶就總結出了只要找到酸性土、中性水、光照適宜，把溫度控制在-8～38℃，茶樹的北方種植就能引種成功這樣的定律。2001年，河北省農林科學院蔬菜花卉研究所張占義老師在北緯38°45′太行山脈的靈壽縣五岳寨，經過近十年的研究使茶種大面積北方種植成為了現實。現今通過育茶專家們的研究得出，茶園引種的茶種采用大棚或溫室農業設施種植的成活率較高，茶樹發育正常，可大幅度提高引種試驗的成功。那么，針對“南茶北種”如何營造出高效、低耗小生態環境的大棚或溫室的架構設計就成為了相關學界所關注的一個研究重點。

本文所研究的高亮度多層生態調控型溫室正是一種新型的低成本適宜“南茶北種”的陽光溫室新種類，它是現今工廠化、高產型生態調控類農業溫室中的創新研究方向，也是當今全球設施農業最前沿的研究內容之一，它作為生態型立體種植設備的載體，又是將先進的工業技術與農業技術相結合的科技產物。該設施在以營造溫室內小生態圈為核心的同時，擺脫了茶種的傳統種植方式，為“金寨1號”、“烏牛早”、“農抗早”、“安吉白茶”等茶種的育苗、生長發育創造了適宜高產的生態條件，并為此類茶樹的培育及高產提供了可能性。

2 設計分析

隨著信息化技術與設施農業技術的跨越式提升，我國生態溫室已初步實現了科學化、信息化、規范化、標準化、系統化的綜合建設要求，并形成了具有我國設施農業特色的發展體系。

本溫室在設計時，應考慮到生態溫室的實際用地面積以及結構類型，在方便農戶使用為前提下，能夠將室內空間最大化利用，一般條件下可以采用大跨度傳統文洛型溫室造型，那么，依據現有的溫室建設體系，針對“南茶北種”所設計的高亮度多層生態調控型陽光溫室主要建設特征為：

2.1 結構型號

采用VB12.0-PC陽光板，架設玻璃尖頂文洛型。

2.2 數量

可單排，可聯排。

2.3 技術參數

溫室為連跨式，跨度為12m、開間8m、肩高7m、頂高約7.9m、外拉幕立柱高度約8.5m、立柱基礎標高±0.00m。溫室山墻南北走向有12m跨度3跨，總跨度36m；側墻東西走有8m開間5間，總長度40m。

2.4 性能指標

①抗風：0.35KN/㎡

②抗雪：0.3KN/㎡

③最大排雨量：110mm/h

④作物載荷：20kg/㎡

2.5 溫室面積與溫室屋脊平行的外墻稱為“側墻”，東西走向，與溫室屋脊垂直的外墻稱為“山墻”，南北走向，屋面角度為約23度。

①山墻總寬度：12m×3=36m

②側墻總長度：8.0m×5=40m

③建筑面積：36m×40m=1440㎡

2.6 溫室本體結構

材料標準：主體骨架設計符合《GB 50017-2003鋼結構設計規范》，鋼材料符合《GB700-88碳素結構鋼》，鋼材及配件須按《GB/T13912-2002金屬覆蓋層--鋼鐵制品熱鍍鋅層技術要求》熱浸渡鋅防腐,表面光滑平整，鍍鋅層厚度≥70μm；鋁合金部分按照《GB/T5237.1～5237.5-2000鋁合金建筑型材》，鋁合金材料陽極氧化膜厚度符合AA15級別。

溫室本體形式為天溝連接多連跨裝配式結構，文洛式屋面，熱鍍鋅型鋼，主要由斜樑、立柱、檁條、天溝等部件組成。

立柱：主立柱采用￡150×150×3.0熱鍍鋅方形管；附加立柱采用￡150×100×3.0熱鍍鋅矩形管；立柱主要支撐天溝。

檁條：四周垂面檁條采用δ=2.0mm鍍鋅鋼板加工成形的C型鋼，尺寸為 80×40×40。

人字樑：采用￡50×30×1.5熱鍍鋅方形管，間距 2m。

屋面檁條：采用□50×30×1.5熱鍍鋅方形管。

天溝：天溝選用δ=2.0mm鍍鋅鋼板加工成形。采用端面排水，并于端立面配置外排水管。

主體剪刀撐：φ25×2.0熱鍍鋅鋼管。

門：溫室出入門 M-1，尺寸為 4m（寬）×3m（高）平開門，安裝于溫室西山墻，共1樘，安裝時把所有門洞預留，由甲方負責安裝。

米桁架：上弦□50×50×2.0 矩形管，下弦□50×50×2.0矩形管，腹桿L30×30×3.0 角鋼；8 米桁架：上弦□70×50×2.5 矩形管，下弦□70×50×2.5矩形管，腹桿 L30×30×3.0角鋼；

陽光板和玻璃固定元件：采用專用鋁合金型材配合專用密封條。

溫室端排水：采用端面排水，基礎找坡 0.25%，并為雨槽配置φ110的PVC落水管，防止大暴雨天溝漫水。

2.7 覆蓋材料

溫室覆蓋材料將溫室內植物與外界環境隔離，使溫室內植物處于一個相對封閉的環境中進行生長。室內環境與室外環境之間不斷著能量的交換，二者相互影響，相互作用。因此覆蓋材料及其特性直接影響著溫室內環境的調控及植物的生長。

溫室屋面覆蓋8mm厚防霧滴抗老化十年PC中空陽光板，該PC板具有以下特性：

①抗紫外線：該PC板表面經過抗紫外線技術處理，防紫外線層厚度大于50微米。紫外線保護層滲透于板材外表，保證其長期使用。在保持長效抗沖擊性以及抗老化的同時，使透光減少率減到最小；

②防止室內滴露：該PC板具有的特殊的單面涂層，經過特殊處理，能夠有效的分解板材表面所產生的結露；

③超強的隔熱性：該PC板具有超強的隔熱性，比傳統的采光隔熱方法節約能源高達50%；

④抗破損性：該PC板是一種安全的高抗沖擊性的采光材料，與其它溫室材料相比，抗沖擊性最強，而且不會因為老化或破損而需要經常更換，在遭受強烈的暴風雨，冰雹及冰雪的情況下，板材不會受損，從而節約更換費用；落錘沖擊試驗：10公斤重錘，從2米高下落，沖擊后無破裂，無裂紋。

⑤高防火性：具有良好的防火性，所以它比其他的塑料材料更適合于溫室應用，它的自熄性能符合許多國家的防火標準；難燃等級為難燃一級。

⑥易施工性：該PC板比其它材料輕，易運輸，易施工。能夠冷彎成弧形，最小彎曲半徑為其板厚的175倍。可以長期保持其完美外觀。

⑦持久性：板面人工氣候老化實驗 4000小時，黃變度為 2,透光率僅降低0.6%。

⑧ 熱膨脹系數：7.0×10-5m/m℃

結構設施采用專用鋁合金型材，抗老化橡膠條密封件等。

鋁合金型材：該型材為引進荷蘭玻璃溫室的全套技術開發而成，經過對溫室所受載荷的合理組合與分析計算，確定截面形狀和密封方式，尤其對于溫室的密封具有顯著的優點，該套型材的設計以突出實用性能為主，做到特殊部位使用專用型材，避免其通用性造成的“大材小用”或“小材大用”，特殊部位結構強度和剛度均有提高，增強溫室整體抗風載和雪載的能力。

溫室四周圍墻以上屋面以下覆蓋4mm單層浮法玻璃，采用自主研發的專用鋁合金型材固定，并采用專用橡膠條固定密封，使溫室具有較好的氣密性的美觀性。玻璃溫室專用，材質為高強度鋁合金，型材表面采用陽極氧化處理。

密封膠條：采用三元乙丙橡膠條。該產品可采用國產標準生產的三元乙丙橡膠（乙烯、丙烯和二烯的三元共聚物，簡稱EPDM）為原料生產。此種膠條的拉伸強度大于25MP；在太陽暴曬下，耐老化性能是天然膠的幾十倍，氯丁橡膠的幾十倍；另外還具有耐氣候性好、電絕緣性能優良、耐化學腐蝕好、沖擊彈性較好的性能特點，完全可以取代進口同類產品。

2.8 外遮陽系統：

①拉幕電機技術性能：

行程約4m；運行速度0.6m/min；單程運行時間約7min；電源 380V，三相50HZ；電機功率0.55KW；

②傳動機構：

采用一般國產齒條傳動機構，通過減速電機與之聯結的傳動軸輸出動力。驅動軸采用φ32×3.0熱鍍鋅鋼管，中部與電機相連，其余部分齒條均布相連；推拉桿（φ32×1.5熱鍍鋅鋼管）和推幕桿（φ20×1.5熱鍍鋅鋼管）采用扣件連接，橫向布置，拉動幕面開合。

③技術參數：

外遮陽幕布高度：約8.5m

傳動類型：齒輪齒條傳動機構、開間方向傳動。

遮陽網：外遮陽幕布采用雙織天幕型外遮陽網，該類型遮陽網是結合國內用戶的實際需求而設計的一款經濟實用的產品，完全適用于各類北方氣候，除夏秋遮陽外，冬天幕布還能減少溫室向外的熱量輻射，能防止暴雨、冰雹、落物對溫室建筑及植物的侵害，能將溫室霜害限制在最低限度。同時，該遮陽保溫幕布它能在使用許多年之后仍保持清潔、有效，幕布材料內添加的紫外線穩定劑對溫室內常用的化學物質都有抵抗作用，實際使用壽命在10年以上。

幕線：托、壓幕線均為ф2.2mm聚酯線，抗拉強度270kgf，托幕線間距為0.4m，壓幕線間距為0.8米；托、壓幕線采用黑色聚脂幕線，具有優異的防紫外線抗老化性能。

④支架類型：

外遮陽端立柱—□50×50×2.0熱鍍鋅矩形管；

外遮陽標準立柱—□50×50×2.0熱鍍鋅方形管，并與立柱底板焊合后熱浸鍍鋅處理；

外遮陽端橫梁—□50×50×2.0熱鍍鋅矩形管；

外遮陽橫梁—□50×50×2.0熱鍍鋅方管；

外遮陽縱梁—□50×30×2.0熱鍍鋅矩形管。

⑤系統組成：

由拉幕機組、遮陽網、趕幕桿、托幕線、齒輪齒條傳動機構、滾輪、推拉桿等組成。

⑥控制分區：在跨度方向上分1個區進行控制。

2.9 風機通風系統

風機：采用ф1250mm軸流風機，可安裝在溫室山墻立面，6-8臺為益。

風機葉片需是由鋼板沖壓成型，無灰塵，美觀耐用。特殊的葉片形狀設計保證風量大，不變形，不斷裂。風扇皮帶輪需是由高強度合金壓鑄，降低重量，葉輪葉片完整，具有高耐蝕性。加強筋帶輪的設計消除了內部應力，提高了自身的剛度和穩定性，不會破碎。同時，亦要求風扇軸承采用專用防水設計，水不能進入。強度高，噪音低，免維護，使用壽命長。推拉機構能完全打開百葉窗，保證了最小的空氣阻力和最大通風量，當關閉時，能有效的防風、防雨、防塵緊固件推拉機構需采用不銹鋼耐磨性柳釘。

2.10 頂開窗系統

由于溫室夏季熱氣流向上流動，設計天窗通風系統能夠及時把熱空氣排出室內，能夠增加溫室的降溫通風效果，同時還可以提高溫室的二氧化碳濃度。

①天窗形式

頂層每跨中間一排屋脊安裝兩扇窗戶，共安裝頂開窗六扇。有利于溫室內空氣流通和溫度、濕度的調節。

②天窗面積

每扇天窗寬1m,長4m，面積4.0㎡。窗體為鋁合金型材，窗體和窗戶固定邊的結合部位安裝有橡膠密封條，確保天窗關閉后的密封效果。

③天窗傳動機構

天窗傳動機構由電機、傳動軸、齒輪齒條、推拉桿、支撐滾輪組成。傳動軸同電機連接在一起，垂直于桁架方向布置，齒輪固定在傳動軸上。支撐滾輪固定在桁架橫梁上，推拉桿和齒條相連通過支撐滾輪可在桁架上移動，傳動軸的轉動由齒輪齒條轉變為推拉桿直線運動。

④工作原理

傳動機械：齒輪齒條傳動

按下控制箱啟動開關按鈕，電機啟動。電機通過傳動機構驅動傳動軸運轉，傳動軸通過連接組件帶動齒條運動，頂部打開后觸動行程限位器開關，電機停止，該行程運行結束。該控制箱備有手動控制，如需要中途停止，可按下停止按鈕，即可停止運行。

⑤系統基本組成：本系統包括控制箱及電機、傳動部分、行程限位開關等組件。

⑥驅動電機：采用溫室減速電機。電機配備行程限位裝置，自動停止，限位準確，運行平穩可靠。

⑦傳動機構：采用軌道式推桿開窗系統。減速電機與傳動軸連接為聯軸器，方便安裝與維護，提高了系統的負載能力和抗惡劣環境的能力。

⑧密封：窗框四周采用橡膠密封條。

⑨控制分區：分一個區控制。

2.11 防滴露系統

內部結露是所有溫室所存在的一個共性問題。滴露從不同程度上影響溫室的正常使用，更主要的是它直接影響到室內作物的品質和產量。目前，防結露已成為衡量溫室綜合性能的重要標準之一。溫室采用鋁合金集露槽，美觀耐用，能收集露水，防止對作物造成傷害。

2.12 配電系統

溫室動力配電明細：

外拉幕遮陽減速電機：1臺×0.55Kw=0.55Kw/380v；

軸流風機：6 臺×1.1Kw=6.6Kw/380v；

天窗減速電機：1臺×0.55Kw=0.55Kw/380v；

2.13 電力系統

本系統對溫室的外遮陽拉幕系統、天窗、風機實現自動/電動操作。通過電源配電盤，實現溫室用電的過熱過載保護、短路保護、相系保護。

其中電器工作范圍及性能：

溫度范圍：-5℃—40℃；

電源范圍：380v±10%50HZ±2%；

海撥高度：≤2000m；

輸出電壓：AC380v 50HZ；

控制電壓：AC24v；

電控箱安裝方式：墻掛式，操作間內。

2.14 生態調控系統

生態調控型溫室數據采集系統的構建主要是結合多種環境傳感器設備選用了嵌入式技術進行融結，并綜合利用PLC可編程邏輯控制器對生態溫室環境控制設備進行人為干預性調控，且共同組成溫室前端控制系統模塊。

架設溫室通用網絡傳輸系統，形成溫室內無線傳感器網絡集成環境時，溫室外部考慮到溫室主體的野外作業情況，應用4G技術實現與外界的物聯網通信，同時在4G網絡傳輸的優化算法上，應用MATLAB運算仿真技術，對優化算法進行深入分析，給出仿真結果。為實現智能化隨身控制，在對調控終端4G手機Android操作系統的開發上，應用JDK、E-clipse以及AndroidSDK和ADT軟件配置其開發大環境，并應用SQLite數據庫對數據進行分析管理。

3 實施及創新

為促成茶種的高產及溫室內小生態環境的形成，高亮度多層生態調控型陽光溫室可配套系列信息管理種植模塊系統及物聯網立體種植設備予以實現。

通過實地建設驗證，溫室雙層及三層光照、通風設施的結構設計合理，方便配套或加入針對每層溫室內溫度、濕度、CO2濃度、關照強度等進行溫室生態環境調控的智能傳感器及控制系統。同時，可配套系列國產的智慧種植模塊即物聯網立體種植設備，使用ZigBee無線傳感器網絡的自動控制滴灌系統,通過實地驗證該系統能夠監測植物土壤濕度、環境溫度和光照的變化,并通過無線網絡將傳感器信號反饋,其中，結合傳感器融合技術可對多層滴灌動作做出精確判斷,實施高效的節水灌溉措施，并達到立體控制設備模塊單元與溫室整體化調控相一致，可對溫室內，營建的小型魚塘、小型雞舍進行總體環境控制，且完全能夠調配出適宜“南茶北種”的茶種種植的生態環境。

4 結論

高亮度多層生態調控型溫室是低投入、高產出的新興惠農產業,它涉及設施溫室、生態循環、種苗、農副業生產等多方面內容，用于在我國北方地區進行茶種育苗、栽培及農業觀光型旅游時，是一項極具優勢的農戶選蓋類型。