太阳能——沼气联供的全天候种植温室设计

刘 静，殷慧子，单 翔，奚小波，马 超，张瑞宏

（1.扬州大学机械工程学院/江苏省现代农机农艺融合技术工程中心；2.江苏思水源农业科技有限公司，江苏 扬州 225000）

0 引 言

随着农业产业结构的不断调整和人民生活水平的日益提高，我国现代智能化种养模式正在迅速崛起，并已经成为极具发展潜力的朝阳产业。随着现代种养产业规模化产业化的快速增长和消费者对蔬菜、水果、花卉等果蔬及观赏性作物品质需求不断提高，养殖产业的粪便污染问题亟待解决，人们越来越重视果蔬及肉品的饮食是否绿色健康又有营养，种养户在注意提升农产品品质的同时，也在关注农业生态的健康发展。

温室栽培最早诞生于罗马，早在19 世纪80 年代，世界范围内温室栽培技术已开始广泛普及，20世纪中期，美国成功实现无土栽培，这是温室栽培技术里程碑式关键技术，随后10 余年，美国已有400 hm2温室面积用于种植黄瓜、番茄等蔬菜[1]。荷兰、以色列两国的工厂化设施农业，其应用发展的规模、产业化程度与技术水平，经营机制与效益，包括第一产业和装备制造业，都居于世界领先水平[2]。日本在设施农业发展上也投入了大量的人力、物力、财力，并密切关注国外先进温室结构和设施装备的发展，通过引进、消化、吸收国外先进技术，温室设施设备研究取得了巨大成效[3]。

虽然国外对作物的种植设施已经拥有很长的发展历史也有了相当大的发展规模，但是温室材料主要是塑料为主，我国地处东亚季风气候区，冬冷夏热，这种气候特征使引进温室在我国冬季增温和夏季降温的能耗增加。从引进温室的使用效果来看很不如人意，普遍存在的问题是能耗大，导致运营成本高，效益差、生产难以为继，有的温室不得不挪做其他简单用途，导致巨额投资的浪费。随着我国优质农产品市场的发展和农业种植结构的调整，以温室及其配套设施为代表的设施农业发展迅速，我国温室产业将成为全球温室产业中的重要组成部分，中国也将成为世界上新兴的、最大的温室产品市场之一。

本设计采用立体种植温室、温室环境控制、太阳能—沼气联供等先进技术，结合精细的农业种植与养殖技术，以生猪为对象，利用牲畜粪便所产生的沼气和太阳能为温室提供热源，沼液为生态液体肥料，实现智能一体化精细种养的目标。提供一种新型农业生产种养模式，减少农业生产对土地的依赖，最大化地提高土地的使用率和降低能源的消耗，提高农业种养劳动生产率。

1 种植装备结构设计

本设计是基于立体种植温室与太阳能—沼气联供的一体化精细种养关键技术及成套装备。装备整体结构采用数字化精准设计和多学科优化设计技术满足整体无砖土可拆卸、可移动，提高有效空间利用率；研制适应不同季节、不同时段使用的可收放式太阳能拓展循环收集装置，通过集热管集热可提高太阳能吸收利用效率；由多层复合保温材料和真空平板玻璃组成的装备保温系统可大大减少热量损失；利用温度湿度传感器、CO2浓度测试仪等多传感器融合技术将多信息融合起来，用高精度实时模式分类系统来处理多信息系统数据，对比数据库中的已存储信息，实现对作物生长状况的全程在线监测系统的智能化控制。具体设计路线如图1 所示。

根据设计路线，设计了一种可移动开闭式太阳能拓展利用温室，如图2 所示。该温室包括温室骨架、非透明墙板、透明板构成的温室，还设有拓展板、太阳能利用装置、拓展板开闭动力装置和吊装装置，吊装装置连接固定在所述温室骨架上，拓展板、太阳能利用装置设置在所述的温室外，并设有拓展板开闭动力装置，拓展板与温室骨架采用铰链连接，拓展板开闭动力装置的一端与温室骨架连接，另一端与拓展板连接；太阳能利用装置设置在拓展板的内表面。该温室结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本设计，实现了可移动的、无连作障碍、太阳能拓展利用、可根据室内光照度与温度调节光强、夜间可自动覆盖保温节能的作用，提高了农业效率。

2 太阳能—沼气联合供热技术研究

随着能源、环境问题日益严峻，可再生能源的利用、研究和发展迫在眉睫。太阳能依靠其广泛、清洁以及利用简便的特点备受瞩目，太阳能与建筑一体化技术合理地将建筑的用能需求、结构特点与太阳能利用相结合，克服了太阳能能流密度低、分散性强的不利条件，是太阳能利用的重要途径[4]。我国太阳能资源较为丰富的地区同时也是重要的农业及畜牧养殖区，非常适合沼气的开发应用。沼气是一种可再生能源，是利用生物质制取清洁能源的有效途径，沼气在开发过程中能减少废弃物对环境的影响，具有良好的去污性能[5]。

本设计基于一种一体化周期种养工艺，以生猪养殖为对象，研究生猪粪便的沼气回收装置及液沼肥料化处理工艺，研究生猪养殖产生粪便与沼气供热、沼液供肥量之间的关系，同时采用太阳能—沼气联合供热技术，并研究太阳能集热装置与太阳能供热之间的关系，沼液产量与种植液肥需求之间的关系，最终得到最为合理科学的种植规模、养殖规模、太阳能集热装置规模配置。为此，在种植装备的顶盖及侧盖上设计了可收放式的太阳能拓展循环收集装置，顶盖液压装置及侧盖液压装置可控制两拓展装置的自由收放，可以根据种植对象的生长季节、生长时段和太阳光照强度控制拓展装置开启合适的角度收集太阳能，并在夜间和阴雨天关闭拓展集热装置。拓展集热装置采用高效双模太阳能拓展收集垫吸收大量太阳能，双模收集垫中间夹有集热管，顶盖中集热管的一端连接在种植装备内的气泵上，另一端穿过框架置于种植装备顶部，侧盖集热管的一端连接在气泵上，另一端穿过框架置于种植装备底部，通过气泵的工作实现室内气体的循环加热。此外，在供热管的另一头安装沼气供热装置，使温室在太阳能资源不足时能够持续供热。该方案原理图如图3 所示，图4 为拓展集热装置的结构图。

3 温室保温性能研究

温室可以进行园艺作物的春提早、秋延后与越冬生产，温度是最为重要的因素，在冬天等温度较低的情况下，热量会快速损失，因此各种新型的复合材料被运用到温室的保温设计中[6]。为防止室内热量的流失，本设计的墙体采用无机保温材料和有机保温材料相结合的多层复合保温技术，可解决单一保温材料的性能不完备的问题。同时采用透光保温性能强的真空平板玻璃结构行进保温，具有高效隔热保温和高效透光采光的功能。除此之外，还分别研究多层复合保温材料和真空平板玻璃最低热量损失的连接结构、密封结构及密封结构老化耐久性连接，优化二者布置于种植装备的结构位置。通过对温室保温性能的研究，作物整个生长过程中日夜都能保持温室内的温度在作物生长地最佳范围内。温室保温结构原理图如图5 所示。

4 温室环境智能化控制技术研究

随着我国温室园艺业和信息技术的迅速发展，现代信息技术越来越多地应用于温室环境管理中，促进了温室环境智能化管理技术的发展[7]。作物的生长过程本质是作物受环境、营养、水分等外部因子作用，并对其进行转化的复杂的动力学过程。设施内作物生长环境参数的空间分布性强、时空变异性大、多参数间相互影响，加上不同种类作物之间的差异，造成传统的栽培和环境调控方式很难适应不同种类、不同生育期的生长需要，而要获得高产优质的产品和高经济效益的回报，应具备先进适用的信息检测和环境控制手段[8]。

本设计采用温度、湿度、可见光、CCD 图像传感器，气氛浓度测试仪等多传感器融合技术将多信息融合起来，用高精度实时模式分类系统来处理多信息系统数据，对比数据库中的已存储信息，以种植装备内作物生长过程的在线监测数据为依据控制装备光照、温度、湿度、CO2的整体环境，维持作物在最适宜的温度、湿度、光照以及气氛浓度的环境中生长。具体智能控制原理如图6 所示，图7 为种植装备控制面板图，图8、图9 为温室内增湿、除湿装置，用喷灌头增加温室内环境湿度，并进行浇灌，而当湿度过高时，则启用除湿风机进行除湿。

5 结 语

在设施农业规模和规格不断提高的同时，我国自行设计的现代化温室在科技含量和技术水平上与国外相比还存在较大差距。主要表现在温室结构设计和温室配套设备无统一的技术标准，温室内部设备较简单，环境控制能力低下，不能满足作物全年全天候生长的需要。因此，针对我国农业生产实际情况，进行一系列的设施农业的科学研究和技术创新，研制和开发适合我国不同生态条件的现代化种养关键技术及装备，解决农业设备及工艺的创新设计问题，是至关重要的。

本设计将精细的农业种植与养殖相结合，通过立体化种植温室节约土地成本与能耗成本，提高生产率；通过太阳能技术以及沼气供热技术彻底解决目前温室运行能耗成本过高的问题；以沼液为生态液体肥料，实现智能一体化精细种养的目标。本设计不仅能够提供一种节能降耗、运行成本较低、环境友好的一体化精细种养技术及装备，其经济效益也十分显著，对打破国内外一体化种养技术瓶颈、提升农产品品质、节能降耗、保护种养土地环境以及经济效益方面都有显著意义。