高纬度地区多功能日光温室设计

王洪义，祖 歌，杨凤军，李德泽，田丽美

（黑龙江八一农垦大学园艺园林学院，大庆163319）

0 引 言

日光温室因能充分利用光能，拥有较好的采光、蓄热和保温性能，且能解决果蔬露地种植时间短、冷棚种植提早和延后时间有限等问题，在中国高纬度寒冷地区果蔬生产中发挥重要作用[1-2]。日光温室可在严寒地区冬季实现果蔬的反季节生产，有效解决了高寒地区冬季蔬菜供应问题，同时为农村冬季富余劳动力提供就业机会，增加农民收入，助力乡村振兴[3-4]。

高纬度地区传统的日光温室，如“四三型”温室，由于结构设计不合理，设施简陋，抵御自然灾害能力有限，导致棚室冬季生产不稳定[5]。传统日光温室由于采光角度不合理、保温蓄热较差等还会影响冬季果蔬产量和品质[6-8]。同时，高纬度地区传统日光温室相对独立，种植和加工环节分离，果蔬产品在运输、加工等过程中容易发生冻害，成为制约温室冬季生产的重要因素[9-10]。另外，现有大部分果蔬种植园区常通过单独建造房屋来解决果蔬采后初加工、生产资料存放、种子及块茎存储等，即浪费土地资源，也不利于集约化管理[11-12]。

基于以上分析，本研究以农业设施用地为背景，针对高纬度地区气候特点，在借鉴传统温室优点的基础上，结合生产实践，通过优化温室结构，合理规划温室的空间布局，设计适应于高寒地区的新型日光温室。通过提高日光温室的采光和保温性能，集成种植、加工、储运等功能，解决棚室生产中室内温度低、各环节不衔接不紧凑等问题，为高纬度地区日光温室创新发展提供借鉴。

1 温室的布局及参数设计

1.1 温室的空间布局

以大庆市航天果蔬园区1号温室为基础，从空间布局上进行功能整合，将温室设置为种植空间、生产加工空间、盆栽摆栽空间（二层部分）和地下存储空间4部分。其中种植空间取消传统温室中的后屋面，增加脊高，以扩大太阳光摄入面积，同时采用双拱双膜双被结构提升温室的保温性能。生产加工空间主要满足浸种催芽及果蔬采后初加工需要，包括净菜间、清洗包装间、化验检测室、运苗及机耕通道等，实现采收、加工同步进行，以解决冬季冻害并提高果蔬品质。盆栽摆栽空间位于温室的二层上部，采用双膜单被结构，太阳光摄入量相对较少，温度稍低，是种植食用菌、韭黄及芽苗菜的特殊空间[13-15]。地下存储空间借鉴高寒地区地下存储窖，利用其低温恒温特点，用于盆栽体低温春化、果蔬产品打冷、块茎及种子存储等[16-17]。在种植空间和盆栽摆栽空间的中间2层阳光板隔离处设有通风口，用于交换热能及不同季节的通风。所有种植采用标准种植槽，根据植物生长对温度和光照的需要，在不同生长阶段放置到温室的不同空间，实现小型工厂化周年生产。

温室前屋面采用双层拱圆钢骨架，其中上层拱形骨架的上弦为ϕ42 mm（t=3.0 mm）镀锌管，下弦为ϕ40 mm（t=2.5 mm）镀锌管；下层拱形骨架的上弦为ϕ42 mm（t=3.0 mm）镀锌管，下弦为ϕ40 mm（t=2.5 mm）镀锌管；腹杆为ϕ12 mm钢筋；二层温室后屋面采用50 mm×100 mm方钢管，棚架间隔均为1.1 m排列。温室结构图如图1所示。

图1 多功能日光温室结构图Fig.1 Structure diagram of multi-functional solar greenhouse

1.2 主要技术参数

高纬度多功能日光温室设计总跨度16 m，其中种植空间跨度9 m，生产加工空间跨度7 m，总高度6.5 m，温室长度70～90 m（以70 m为例），建筑基底面积1 120 m2。种植空间部分70 m×9 m，面积630 m2；生产加工空间部分70 m×7 m，面积490 m2；盆栽摆栽空间部分70 m×7 m，面积490 m2；地下存储空间部分40 m×7 m，面积280 m2，总可利用面积1 890 m2，土地利用率1.7。温室生产加工部分建筑采用框架结构[18]，实心砖填充，具体结构设置见表1。

2 温室关键参数设计

2.1 采光设计

2.1.1 前屋面角设计

日光温室主要利用太阳能增加室内温度，前屋面角的大小是获得太阳能的关键因素[19-20]。根据前人研究，日光温室欲进行冬季生产，需要确保冬至日采光面截获的太阳能大于或等于40°N地区春分日地平面截获的太阳能[21]，满足此条件的日光温室平均屋面角为基本采光角（θ），计算公式如下：

表1 生产加工空间的结构设置Table 1 The structure of production and processing space

式中h0(冬)为冬至日太阳高度角；σ为地理纬度（以大庆地区为例，地理纬度为46°）；δ为冬至日太阳直射纬度（-23.5°）。由此计算得出，大庆地区日光温室的基本采光角 θ=29.5°。

高寒地区日光温室冬季不加温情况下，理想的前屋面角需大于基本采光角5°～7°[22-23]，即大庆地区理想前屋面角为34.5°～36.5°。

根据上述计算结果，本设计中日光温室的前屋面角设计为37°，可以满足哈尔滨以北（北纬45°）及齐齐哈尔以南（北纬47°）地区最佳前屋面角，确保冬季温室获得更多的太阳能。

2.1.2 前屋面弧度设计

本设计中温室前屋面线型由一段弧形和一段近似直线构成，其中下部弧形曲率较大，为冬季主要采光面，需满足冬至日真正午时太阳直射光线照射到温室后墙根，圆心在日光温室跨度的水平线上，其曲率的半径（R1）、其水平投影宽度（L1）和距地面最大高度（H1）（图2）可按下列公式计算[21]：

式中L为日光温室跨度（9 m）；h0(冬)为冬至日太阳高度角（20.5°）；σ为地理纬度（大庆市地理纬度46°）；δ为冬至日太阳直射纬度（-23.5°）。

计算得曲率半径R1=4.4 m，水平投影L1=1.1 m，距地面最大高度H1=2.9 m。

图2 多功能日光温室采光参数示意图Fig.2 Schematic diagram of lighting parameters of multi-functional solar greenhouse

2.2 保温设计

保温性能是日光温室的重要指标之一，根据能量守恒原理，不加热温室，其蓄积的太阳能应大于等于散失的热量，一般来说，主要涉及保温比、墙体保温性能及覆盖材料3部分[24]。

2.2.1 保温比设计

温室保温比（Rr）是由保温部分与采光部分的比值，即日光温室墙体、后屋面、地面三者之和与前屋面的弦面积之比，一般日光温室的合理保温比需大于等于1.55[21]，计算公式为

式中L为日光温室跨度（9 m）；X1为日光温室后坡长度（0 m）；H为日光温室后墙高度（6.5 m）；X2为日光温室前屋面弦长（约10 m）。

经计算，本设计中温室保温比为1.55，符合日光温室合理保温比要求。

2.2.2 保温墙体设计

大庆地区冬季室外最低温度-30℃以下，要保证冬季生产温室内最低温度应在5℃以上，室内外最大温差在35～40℃，为达到生产要求，墙体热阻值应为3.5～4.0 m2·K/W[21-22]。本设计中，墙体采用370 mm实心砖填充，其热阻值约为0.5 m2·K/W，墙体外贴聚苯板，其厚度应满足热阻值3.0～3.5 m2·K/W，根据式（7）[21]计算：

式中Ri为材料的合理热阻；Ki为聚苯板导热率（0.03 m2·K/W）；Di为聚苯板厚度，mm。

经计算，大庆地区370 mm实心砖墙体，满足冬季室内最低5℃条件下，聚苯板厚度应为90～115 mm，本设计中聚苯板厚度选择120 mm。

2.2.3 覆盖材料

本设计中日光温室由2层棚膜和2层棉被覆盖，白天只保留外层棚膜，最大程度保证光线摄入，夜晚将2层膜被均放下，达到更好的保温效果。在2层棚膜间为不流动的空气，能够阻止热量向外散失，同时也能够阻隔外部冷凉空气向温室内传导，具有很好的保温隔热功能。

3 温室荷载计算

本设计中温室的生产加工部分参照民用建筑的常规做法，其荷载计算过程不再赘述，本文只对温室棚架结构进行荷载分析。

3.1 温室活荷载分析

3.1.1 雪荷载

雪荷载是大庆地区冬季温室常见荷载，可采用温室前屋面水平投影面上的雪荷载标准值Sk计算，计算公式如下[25-26]：

式中S0为基本雪压（该地区取0.23 kN/m2）；ct为加热影响系数（不加温塑料薄膜覆盖材料取1.0）；μr为前屋面积雪分布系数，本温室前屋面L1对应部分角度为65°，L2对应部分角度为32°（前屋面平均采光角度为37°），对应μr取值分别为0和0.74[26]，两者取最大值。

经计算，雪荷载Sk为0.17 kN/m2。

3.1.2 风荷载

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值可按下式计算[26]：

式中μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；W0为基本风压，kN/m2。

本设计中温室屋面为封闭式落地拱形屋面，适用地为大庆地区乡村以及房屋比较稀疏的城市郊区，地面粗糙类型为B类，根据《农业温室结构荷载规范》，6.5 m高物体风压变化系数μz对应取0.86；μs参照封闭式落地拱形屋面，前屋面L1部分对应取值0.6，L2部分对应取值0.1，两者取最大值0.6；该地区基本风压W0为0.41 kN/m2[26-27]，计算得出风荷载Wk为0.21 kN/m2。

3.1.3 屋面活荷载

根据《农业温室结构荷载规范》要求，屋面活荷载包括均布活荷载和施工检修集中荷载两部分组成，其中施工检修集中荷载不应与屋面材料自重和作物荷载以外的其他荷载同时计入。屋面垂直投影面积大于30 m2时，屋面均布活荷载取值0.10 kN/m2；施工检修集中荷载一般取0.80 kN/m2[23]，最大取值1.00 kN/m2[26]，本温室外层钢骨架由于跨度大、举架高，取最大值1.00 kN/m2，而内层钢骨架跨度小、高度低施工检修方便，取均值0.80 kN/m2。

3.1.4 作物吊挂荷载

吊挂荷载即作物因栽培需要而吊挂在温室上形成的荷载，这个荷载对温室骨架设计是不可忽略的，它的大小与所栽培的作物有关，一般按均布荷载来考虑，常采用0.15 kN/m2[28-29]。

3.2 温室钢骨架的荷载组合分析

3.2.1 外层钢骨架荷载组合计算

温室外层钢骨架荷载主要由其自重恒荷载q1和活荷载2部分组成，其中恒荷载q1根据钢材类型由结构计算软件计算得出，活荷载主要包括雪荷载、风荷载及屋面活荷载[25-26]。外层钢骨架荷载主要有2种组合方式，第一种组合Q1=q1+风荷载+雪荷载+屋面均布活荷载=q1+0.48kN/m2；第二种组合Q2=q1+屋面均布活荷载+施工检修集中荷载=q1+1.10 kN/m2，第二种组合计为最不利组合方式。

3.2.2 内层骨架荷载组合计算

同理，可计算内层骨架荷载组合受力，但需去掉雪荷载和风荷载，另需增加作物吊挂荷载，其计算结果是Q=q1+屋面均布活荷载+施工检修集中荷载+作物吊重荷载=q1+1.05 kN/m2。

4 温室骨架承载力分析

根据不同的荷载组合进行计算，得出相应杆件内力，按各杆件不同的截面，确定骨架的承载力和稳定性。

4.1 杆件内力分析

本设计温室种植空间跨度9 m，脊高6.5 m，外层骨架的上弦为ϕ42（t=3.0）镀锌管，下弦为ϕ40（t=2.5）镀锌管；内层骨架的上弦为ϕ42（t=3.0）镀锌管，下弦为ϕ40（t=2.5）镀锌管；腹杆为ϕ12钢筋，整体采用Q235钢材。外层骨架设计承载力需大于等于q1+1.10 kN/m2，内骨架需大于等于q1+1.05 kN/m2。

采用结构计算软件midas对生产期间最不利的荷载组合下各杆件的弯矩和轴力进行计算，分布云图如图3所示，具体计算结果见表2～表5。

从计算结果可知，各杆件所受弯矩均很小，相对轴力可忽略不计，均可按杆件轴力计算[28]。同时杆件均无截面消弱，因此，只需进行受压杆件的稳定性验算。

表2 多功能日光温室钢骨架内层杆件弯矩计算结果Table 2 The calculation results of inner-bar bending moment of multi-functional solar greenhouse (kN·m)

表3 多功能日光温室钢骨架外层杆件弯矩计算结果Table 3 The calculation results of outer-bar bending moment of multi-functional solar greenhouse (kN·m)

表4 多功能日光温室钢骨架内层杆件轴力计算结果Table 4 The calculation results of inner-bar axial forces of multi-functional solar greenhouse kN

表5 多功能日光温室钢骨架外层杆件轴力计算结果Table 5 The calculation results of outer-bar axial forces of multi-functional solar greenhouse kN

4.2 温室钢骨架的稳定性分析

温室钢骨架承受外部的各种荷载，杆件的受力稳定性是设计的重要指标，各杆件受力需小于Q235钢材设计强度205 N/mm2[29-30]。对内外层骨架的上弦、下弦和腹杆轴力分析，受力最大的杆件最不稳定，因此选择受力最大的杆件（最不利杆件）进行受力强度分析，结果见表6。由表6可知，各位置最不利杆件的受力强度均小于Q235钢材的设计强度，骨架结构满足稳定性要求。

表6 温室钢骨架稳定性分析Table 6 Stability analysis of greenhouse steel framework

5 结 论

本研究以设施农业用地为背景，针对高纬度地区气候特点，在借鉴传统温室优点的基础上，结合生产实践，从温室的结构、采光角度、前屋面弧度、保温性能等方面进行优化设计，同时对雪荷载、风荷载、施工荷载、作物吊挂荷载进行分析，并通过结构计算软件midas进行结构稳定性分析，验证了温室各参数设计的合理性。高纬度多功能日光温室主要结构参数设计结果为：总跨度16 m，其中种植部分跨度9 m，生产加工部分跨度7 m，总高度6.5 m，土地利用率达到1.7，温室种植部分采用双层桁架形式，主采光前屋面角为37°，温室生产加工部分采用框架结构，实心砖填充，外贴120 mm厚聚苯板。该温室具有种植、加工、存储等多种功能，解决了传统温室冬季必须加温才能生产的问题，避免了果蔬二次搬运而产生的受冻问题和种子、块茎存储、温室土地利用率低等问题，可以作为棚室园区的核心节点温室，实现园区果蔬种植、采收和初加工就近完成，实现冬季不加温生产，有效提高果蔬品质和园区运转效率。