面向茶种的生态型高亮度多层温室设计研究

牛 晰

（郑州航空工业管理学院航空经济发展河南省协同创新中心，河南郑州 450000）

高亮度多层温室，是指为避免使用不可再生能源，尽可能的利用太阳能、风能、雨雪等自然条件所产生的能量所构建的层状钢结构阳光温室，同时，它亦是协助温室内塑造小生态环境，协同满足植物种植、水产养殖的高效设施农业建筑。

现阶段，我国北方地区茶叶生产的具体诉求与日俱增，在这个大的“南茶北种”形势下，如何在寒冷地区的越冬农作物生产中，建设可营造出适宜茶叶种植小生态环境的阳光温室，进行茶种育苗、培养、栽种，以及在这个小生态环境中进行部分家禽或水产的养殖，并形成可供游客参观的景点，就成了现今中小农场、种植大户所重点关注、投资的焦点了。

1 研究依据

为完善“南茶北种”调控种植手段的研究，由1959年中国农科院茶叶研究所吴洵于老师，成功将茶树引种到山东，打破茶树成活不越北纬38°线始，农学界育茶就总结出了只要找到酸性土、中性水、光照适宜，把温度控制在-8～38℃，茶树的北方种植就能引种成功这样的定律。2001年，河北省农林科学院蔬菜花卉研究所张占义老师在北纬38°45′太行山脉的灵寿县五岳寨，经过近十年的研究使茶种大面积北方种植成为了现实。现今通过育茶专家们的研究得出，茶园引种的茶种采用大棚或温室农业设施种植的成活率较高，茶树发育正常，可大幅度提高引种试验的成功。那么，针对“南茶北种”如何营造出高效、低耗小生态环境的大棚或温室的架构设计就成为了相关学界所关注的一个研究重点。

本文所研究的高亮度多层生态调控型温室正是一种新型的低成本适宜“南茶北种”的阳光温室新种类，它是现今工厂化、高产型生态调控类农业温室中的创新研究方向，也是当今全球设施农业最前沿的研究内容之一，它作为生态型立体种植设备的载体，又是将先进的工业技术与农业技术相结合的科技产物。该设施在以营造温室内小生态圈为核心的同时，摆脱了茶种的传统种植方式，为“金寨1号”、“乌牛早”、“农抗早”、“安吉白茶”等茶种的育苗、生长发育创造了适宜高产的生态条件，并为此类茶树的培育及高产提供了可能性。

2 设计分析

随着信息化技术与设施农业技术的跨越式提升，我国生态温室已初步实现了科学化、信息化、规范化、标准化、系统化的综合建设要求，并形成了具有我国设施农业特色的发展体系。

本温室在设计时，应考虑到生态温室的实际用地面积以及结构类型，在方便农户使用为前提下，能够将室内空间最大化利用，一般条件下可以采用大跨度传统文洛型温室造型，那么，依据现有的温室建设体系，针对“南茶北种”所设计的高亮度多层生态调控型阳光温室主要建设特征为：

2.1 结构型号

采用VB12.0-PC阳光板，架设玻璃尖顶文洛型。

2.2 数量

可单排，可联排。

2.3 技术参数

温室为连跨式，跨度为12m、开间8m、肩高7m、顶高约7.9m、外拉幕立柱高度约8.5m、立柱基础标高±0.00m。温室山墙南北走向有12m跨度3跨，总跨度36m；侧墙东西走有8m开间5间，总长度40m。

2.4 性能指标

①抗风：0.35KN/㎡

②抗雪：0.3KN/㎡

③最大排雨量：110mm/h

④作物载荷：20kg/㎡

2.5 温室面积与温室屋脊平行的外墙称为“侧墙”，东西走向，与温室屋脊垂直的外墙称为“山墙”，南北走向，屋面角度为约23度。

①山墙总宽度：12m×3=36m

②侧墙总长度：8.0m×5=40m

③建筑面积：36m×40m=1440㎡

2.6 温室本体结构

材料标准：主体骨架设计符合《GB 50017-2003钢结构设计规范》，钢材料符合《GB700-88碳素结构钢》，钢材及配件须按《GB/T13912-2002金属覆盖层--钢铁制品热镀锌层技术要求》热浸渡锌防腐,表面光滑平整，镀锌层厚度≥70μm；铝合金部分按照《GB/T5237.1～5237.5-2000铝合金建筑型材》，铝合金材料阳极氧化膜厚度符合AA15级别。

温室本体形式为天沟连接多连跨装配式结构，文洛式屋面，热镀锌型钢，主要由斜樑、立柱、檩条、天沟等部件组成。

立柱：主立柱采用£150×150×3.0热镀锌方形管；附加立柱采用£150×100×3.0热镀锌矩形管；立柱主要支撑天沟。

檩条：四周垂面檩条采用δ=2.0mm镀锌钢板加工成形的C型钢，尺寸为 80×40×40。

人字樑：采用£50×30×1.5热镀锌方形管，间距 2m。

屋面檩条：采用□50×30×1.5热镀锌方形管。

天沟：天沟选用δ=2.0mm镀锌钢板加工成形。采用端面排水，并于端立面配置外排水管。

主体剪刀撑：φ25×2.0热镀锌钢管。

门：温室出入门 M-1，尺寸为 4m（宽）×3m（高）平开门，安装于温室西山墙，共1樘，安装时把所有门洞预留，由甲方负责安装。

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

阳光板和玻璃固定元件：采用专用铝合金型材配合专用密封条。

温室端排水：采用端面排水，基础找坡 0.25%，并为雨槽配置φ110的PVC落水管，防止大暴雨天沟漫水。

2.7 覆盖材料

温室覆盖材料将温室内植物与外界环境隔离，使温室内植物处于一个相对封闭的环境中进行生长。室内环境与室外环境之间不断着能量的交换，二者相互影响，相互作用。因此覆盖材料及其特性直接影响着温室内环境的调控及植物的生长。

温室屋面覆盖8mm厚防雾滴抗老化十年PC中空阳光板，该PC板具有以下特性：

①抗紫外线：该PC板表面经过抗紫外线技术处理，防紫外线层厚度大于50微米。紫外线保护层渗透于板材外表，保证其长期使用。在保持长效抗冲击性以及抗老化的同时，使透光减少率减到最小；

②防止室内滴露：该PC板具有的特殊的单面涂层，经过特殊处理，能够有效的分解板材表面所产生的结露；

③超强的隔热性：该PC板具有超强的隔热性，比传统的采光隔热方法节约能源高达50%；

④抗破损性：该PC板是一种安全的高抗冲击性的采光材料，与其它温室材料相比，抗冲击性最强，而且不会因为老化或破损而需要经常更换，在遭受强烈的暴风雨，冰雹及冰雪的情况下，板材不会受损，从而节约更换费用；落锤冲击试验：10公斤重锤，从2米高下落，冲击后无破裂，无裂纹。

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适合于温室应用，它的自熄性能符合许多国家的防火标准；难燃等级为难燃一级。

⑥易施工性：该PC板比其它材料轻，易运输，易施工。能够冷弯成弧形，最小弯曲半径为其板厚的175倍。可以长期保持其完美外观。

⑦持久性：板面人工气候老化实验 4000小时，黄变度为 2,透光率仅降低0.6%。

⑧ 热膨胀系数：7.0×10-5m/m℃

结构设施采用专用铝合金型材，抗老化橡胶条密封件等。

铝合金型材：该型材为引进荷兰玻璃温室的全套技术开发而成，经过对温室所受载荷的合理组合与分析计算，确定截面形状和密封方式，尤其对于温室的密封具有显著的优点，该套型材的设计以突出实用性能为主，做到特殊部位使用专用型材，避免其通用性造成的“大材小用”或“小材大用”，特殊部位结构强度和刚度均有提高，增强温室整体抗风载和雪载的能力。

温室四周围墙以上屋面以下覆盖4mm单层浮法玻璃，采用自主研发的专用铝合金型材固定，并采用专用橡胶条固定密封，使温室具有较好的气密性的美观性。玻璃温室专用，材质为高强度铝合金，型材表面采用阳极氧化处理。

密封胶条：采用三元乙丙橡胶条。该产品可采用国产标准生产的三元乙丙橡胶（乙烯、丙烯和二烯的三元共聚物，简称EPDM）为原料生产。此种胶条的拉伸强度大于25MP；在太阳暴晒下，耐老化性能是天然胶的几十倍，氯丁橡胶的几十倍；另外还具有耐气候性好、电绝缘性能优良、耐化学腐蚀好、冲击弹性较好的性能特点，完全可以取代进口同类产品。

2.8 外遮阳系统：

①拉幕电机技术性能：

行程约4m；运行速度0.6m/min；单程运行时间约7min；电源 380V，三相50HZ；电机功率0.55KW；

②传动机构：

采用一般国产齿条传动机构，通过减速电机与之联结的传动轴输出动力。驱动轴采用φ32×3.0热镀锌钢管，中部与电机相连，其余部分齿条均布相连；推拉杆（φ32×1.5热镀锌钢管）和推幕杆（φ20×1.5热镀锌钢管）采用扣件连接，横向布置，拉动幕面开合。

③技术参数：

外遮阳幕布高度：约8.5m

传动类型：齿轮齿条传动机构、开间方向传动。

遮阳网：外遮阳幕布采用双织天幕型外遮阳网，该类型遮阳网是结合国内用户的实际需求而设计的一款经济实用的产品，完全适用于各类北方气候，除夏秋遮阳外，冬天幕布还能减少温室向外的热量辐射，能防止暴雨、冰雹、落物对温室建筑及植物的侵害，能将温室霜害限制在最低限度。同时，该遮阳保温幕布它能在使用许多年之后仍保持清洁、有效，幕布材料内添加的紫外线稳定剂对温室内常用的化学物质都有抵抗作用，实际使用寿命在10年以上。

幕线：托、压幕线均为ф2.2mm聚酯线，抗拉强度270kgf，托幕线间距为0.4m，压幕线间距为0.8米；托、压幕线采用黑色聚脂幕线，具有优异的防紫外线抗老化性能。

④支架类型：

外遮阳端立柱—□50×50×2.0热镀锌矩形管；

外遮阳标准立柱—□50×50×2.0热镀锌方形管，并与立柱底板焊合后热浸镀锌处理；

外遮阳端横梁—□50×50×2.0热镀锌矩形管；

外遮阳横梁—□50×50×2.0热镀锌方管；

外遮阳纵梁—□50×30×2.0热镀锌矩形管。

⑤系统组成：

由拉幕机组、遮阳网、赶幕杆、托幕线、齿轮齿条传动机构、滚轮、推拉杆等组成。

⑥控制分区：在跨度方向上分1个区进行控制。

2.9 风机通风系统

风机：采用ф1250mm轴流风机，可安装在温室山墙立面，6-8台为益。

风机叶片需是由钢板冲压成型，无灰尘，美观耐用。特殊的叶片形状设计保证风量大，不变形，不断裂。风扇皮带轮需是由高强度合金压铸，降低重量，叶轮叶片完整，具有高耐蚀性。加强筋带轮的设计消除了内部应力，提高了自身的刚度和稳定性，不会破碎。同时，亦要求风扇轴承采用专用防水设计，水不能进入。强度高，噪音低，免维护，使用寿命长。推拉机构能完全打开百叶窗，保证了最小的空气阻力和最大通风量，当关闭时，能有效的防风、防雨、防尘紧固件推拉机构需采用不锈钢耐磨性柳钉。

2.10 顶开窗系统

由于温室夏季热气流向上流动，设计天窗通风系统能够及时把热空气排出室内，能够增加温室的降温通风效果，同时还可以提高温室的二氧化碳浓度。

①天窗形式

顶层每跨中间一排屋脊安装两扇窗户，共安装顶开窗六扇。有利于温室内空气流通和温度、湿度的调节。

②天窗面积

每扇天窗宽1m,长4m，面积4.0㎡。窗体为铝合金型材，窗体和窗户固定边的结合部位安装有橡胶密封条，确保天窗关闭后的密封效果。

③天窗传动机构

天窗传动机构由电机、传动轴、齿轮齿条、推拉杆、支撑滚轮组成。传动轴同电机连接在一起，垂直于桁架方向布置，齿轮固定在传动轴上。支撑滚轮固定在桁架横梁上，推拉杆和齿条相连通过支撑滚轮可在桁架上移动，传动轴的转动由齿轮齿条转变为推拉杆直线运动。

④工作原理

传动机械：齿轮齿条传动

按下控制箱启动开关按钮，电机启动。电机通过传动机构驱动传动轴运转，传动轴通过连接组件带动齿条运动，顶部打开后触动行程限位器开关，电机停止，该行程运行结束。该控制箱备有手动控制，如需要中途停止，可按下停止按钮，即可停止运行。

⑤系统基本组成：本系统包括控制箱及电机、传动部分、行程限位开关等组件。

⑥驱动电机：采用温室减速电机。电机配备行程限位装置，自动停止，限位准确，运行平稳可靠。

⑦传动机构：采用轨道式推杆开窗系统。减速电机与传动轴连接为联轴器，方便安装与维护，提高了系统的负载能力和抗恶劣环境的能力。

⑧密封：窗框四周采用橡胶密封条。

⑨控制分区：分一个区控制。

2.11 防滴露系统

内部结露是所有温室所存在的一个共性问题。滴露从不同程度上影响温室的正常使用，更主要的是它直接影响到室内作物的品质和产量。目前，防结露已成为衡量温室综合性能的重要标准之一。温室采用铝合金集露槽，美观耐用，能收集露水，防止对作物造成伤害。

2.12 配电系统

温室动力配电明细：

外拉幕遮阳减速电机：1台×0.55Kw=0.55Kw/380v；

轴流风机：6 台×1.1Kw=6.6Kw/380v；

天窗减速电机：1台×0.55Kw=0.55Kw/380v；

2.13 电力系统

本系统对温室的外遮阳拉幕系统、天窗、风机实现自动/电动操作。通过电源配电盘，实现温室用电的过热过载保护、短路保护、相系保护。

其中电器工作范围及性能：

温度范围：-5℃—40℃；

电源范围：380v±10%50HZ±2%；

海拨高度：≤2000m；

输出电压：AC380v 50HZ；

控制电压：AC24v；

电控箱安装方式：墙挂式，操作间内。

2.14 生态调控系统

生态调控型温室数据采集系统的构建主要是结合多种环境传感器设备选用了嵌入式技术进行融结，并综合利用PLC可编程逻辑控制器对生态温室环境控制设备进行人为干预性调控，且共同组成温室前端控制系统模块。

架设温室通用网络传输系统，形成温室内无线传感器网络集成环境时，温室外部考虑到温室主体的野外作业情况，应用4G技术实现与外界的物联网通信，同时在4G网络传输的优化算法上，应用MATLAB运算仿真技术，对优化算法进行深入分析，给出仿真结果。为实现智能化随身控制，在对调控终端4G手机Android操作系统的开发上，应用JDK、E-clipse以及AndroidSDK和ADT软件配置其开发大环境，并应用SQLite数据库对数据进行分析管理。

3 实施及创新

为促成茶种的高产及温室内小生态环境的形成，高亮度多层生态调控型阳光温室可配套系列信息管理种植模块系统及物联网立体种植设备予以实现。

通过实地建设验证，温室双层及三层光照、通风设施的结构设计合理，方便配套或加入针对每层温室内温度、湿度、CO2浓度、关照强度等进行温室生态环境调控的智能传感器及控制系统。同时，可配套系列国产的智慧种植模块即物联网立体种植设备，使用ZigBee无线传感器网络的自动控制滴灌系统,通过实地验证该系统能够监测植物土壤湿度、环境温度和光照的变化,并通过无线网络将传感器信号反馈,其中，结合传感器融合技术可对多层滴灌动作做出精确判断,实施高效的节水灌溉措施，并达到立体控制设备模块单元与温室整体化调控相一致，可对温室内，营建的小型鱼塘、小型鸡舍进行总体环境控制，且完全能够调配出适宜“南茶北种”的茶种种植的生态环境。

4 结论

高亮度多层生态调控型温室是低投入、高产出的新兴惠农产业,它涉及设施温室、生态循环、种苗、农副业生产等多方面内容，用于在我国北方地区进行茶种育苗、栽培及农业观光型旅游时，是一项极具优势的农户选盖类型。