新型大跨度单体塑料大棚温光性能分析*

2021-03-30王克磊朱隆静苏世闻李明陈先知徐坚

中国农机化学报 2021年2期

王克磊，朱隆静，苏世闻，李明，陈先知，徐坚

(1. 温州市农业科学研究院，温州市设施蔬菜工程技术中心，浙江温州,325000； 2. 中国农业大学理学院，北京市，100083)

0 引言

单体塑料大棚是浙南地区农业生产中主要的设施类型，在浙南各县市区均有广泛使用，产生了较好地经济效益。但是近年来随着机械化水平的提升，现有大棚的结构与农业机械使用的矛盾日益显现，比如农业机械在大棚内作业空间有限、无法调头、使用效率低的问题非常突出，极大限制了本地区生产效率的提升和生产效益的增加。虽然节水灌溉、旋耕起垄等作业环节已经实现机械化，但施肥、植保、育苗移栽等环节的机械化水平较低。而且很多农业机械都是简单的从露地移植到大棚内，对大棚的适应性较差，在作业性能、可靠性、耐久性等方面与国外先进水平存在较大差距[1-2]。因此开发适度大型化、宜机化和标准化建造的新型大棚势在必行。随着园艺设施装备智能化、机械化的快速发展，整地、做畦、移栽和采收等智能化装备已广泛应用于设施生产中，促使园艺设施逐渐向大型化方向发展[3]。塑料大棚和温室结构大型化提升了设施内部空间，提高了土地利用率，有利于机械化作业。武莹等[4]对大跨度非对称塑料大棚温光性能分析发现18 m跨度双层塑料大棚的性能南北跨度方向光照分布差异较小，采光性能较好。李胜利等[5]报道增加跨度和长度可以提高棚内气温，增强对外界的温度波动的缓冲效果。研究表明增加设施的跨度和长度对设施性能的提升是有益的。大跨度塑料大棚的研究多集中于北方设施生产中[6]，而关于南方地区大跨度大棚的研究报道还十分缺少，为此温州市农业科学研究院联合中国农业大学开发设计了新型大跨度的单体塑料大棚。为了探索新型大跨度大棚的性能及对大棚结构后续的改进，本文从大棚设施结构、棚内温度、光照等方面进行了研究与分析，以期为新型大跨度单体塑料大棚的进一步优化设计及在浙南地区的推广使用提供科学依据。

1 新型大跨度单体塑料大棚结构设计

试验大棚位于浙江省温州市鹿城区藤桥镇温州种子种苗科技园(N28.08°，E120.51°)，属于亚热带季风气候。根据试验地地块的位置，设计了新型大跨度单体塑料大棚(图1)，该单体塑料大棚东西走向，大棚跨度为9.6 m，长度为40 m，脊高为4.5 m，肩高2.5 m，单侧拱杆长度为8.0 m，拱间距1 m。大棚共设置11条拉杆，在塑料大棚顶部每隔2榀拱杆设置一道双拱骨架(上弦拱采用φ32 mm×2.5 mm热浸镀锌钢管，下弦拱采用φ19 mm×1.2 mm热浸镀锌钢管)。大棚设置抗风斜撑，使用拱形钢管(φ32 mm×2.5 mm热浸镀锌钢管)对山墙进行支撑，钢管沿着塑料大棚长度方向布置，一端采用U型螺栓和钢丝夹固定于山墙脊处，另一端插入地下50 cm，将山墙承受的风荷载分担部分于地面，从而提高大棚的抗风强度。

(a) 大棚结构图

(b) 大棚剖面图

大棚剖面设计包括了主体参数的确定(跨度、脊高、肩高以及棚面弧度)和保温幕的设计。适当的增加跨度可以有效的降低建造成本，但是不宜超过20 m。依据本地区栽培特征设计棚内垄宽(LL)700 mm，垄沟宽(LG)900 mm，塑料大棚内设置5垄(n)；依据选用农机的参数，在塑料大棚的边缘位置留有安全距离(LA) 350 mm。计算大棚跨度

L=nLL+(n+1)LG+2LA

=5×700+6×900+2×350=9 600 mm

最终确定大棚跨度为9.6 m。根据标准《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》(JBT 10594—2006)中规定塑料大棚脊跨比3.2∶10，计算所得塑料大棚脊高3.1 m，根据实际情况以及工程经验脊高取到4.5 m。为了在大棚两侧边缘仍然可以正常作业，根据作业环节中的人机高度(拖拉机高1.4 m加上成人坐高)，定义肩高为2.5 m。

棚面弧度的大小影响太阳光的透射率及棚内的采光和蓄热，是影响室内空气环境的重要因素之一，太阳的入射角度要在一定范围内，才能满足需求。除此之外，棚面还有承重、排水、防风等功能，坡度过低易造成积雪兜水，增加棚面质量，破坏建筑结构。屋脊处的坡度理应大于规范要求，在本设计中定为12°，为了节省空间，棚面底脚部分的角度定为85°。参考程杰宇等[7]对日光温室屋面曲线的计算方法，定棚面为两段圆弧曲线。已知大棚跨度L，脊高H1，肩高H2，棚脚角度，屋脊坡度，以左侧棚面曲线为例，该曲线为一个半径为R的圆弧，该圆的圆心为O，交坐标系y轴上半轴于M点，即脊高弧点；交坐标系x轴左半轴于N点，即左侧肩高弧点，如图2所示。

图2 新型大跨度单体塑料大棚棚面曲线设计Fig. 2 Curve design of new large-span plastic greenhouse

计算圆心O的坐标后，OM即为圆的半径R，脊高弧点M与左侧肩高弧点N之间的圆弧即为两点之间的合理弧线，右侧同理可得到一条圆弧线，两侧的圆弧线即为大棚的棚面曲线。带入数值，计算得到半径R为12 m，为了方便钢管加工，肩部冷弯成半径为1 m的弧度，经计算单侧拱杆长度为7.9 m。

2 试验方案与设计

试验于2020年1—3月在温州市农业科学研究院温州种子种苗科技园新型大跨度单体塑料大棚内进行。大棚表面覆盖0.1mm厚散射光PO膜。试验所用太阳总辐射记录仪(YM-TF)总辐射强度测量范围为0～2 000 W/m2，测量精度±1 W/m2，分辨率0.1 W/m2；空气温湿度记录仪(Hobo U23-001)温度测量范围为-40 ℃～70 ℃，测量精度为±0.02 ℃。

单体大棚内外太阳总辐射强度的测定。在单体塑料大棚内距离两侧端面2 m的位置及大棚中部各布置太阳总辐射记录仪1台，在大棚的外面设置太阳总辐射仪记录仪1台，共计3台仪器，各仪器均距离地面高度1.5 m。

单体大棚内外温度的测定。在单体塑料大棚内距离两侧端面2 m同时距离大棚两边各2 m位置各设置温度记录仪1台，在大棚中部和大棚外面各布置温度记录仪1台，共计6台仪器，各仪器均距离地面高度1.5 m。

各仪器全天24 h记录环境参数，记录间隔为0.5 h。根据试验期间的天气情况，试验选取多云、晴天、阴天为典型天气。数据采用Excel 2013软件进行统计分析与处理。

3 试验结果与分析

3.1 新型大跨度单体塑料大棚内外光照环境变化

图3反映的是试验期间(01.20—02.21)新型宜机化单体大棚内外9∶00～17∶00时光照环境变化。从图3中可以看出，大棚外光照环境变化范围在11.63～144.08 W/m2之间，大棚东侧光照环境变化范围在6.55～92.13 W/m2之间，大棚西侧光照环境变化范围在6.35～72.50 W/m2之间。东西两侧的平均透光率分别为棚外的69.63%和55.73%。大棚东西两侧光照环境分布不均匀，东侧光照环境由于西侧。

图3 新型大跨度单体大棚内外光照环境变化Fig. 3 Change of light environment internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.2 新型大跨度单体塑料大棚内外典型天气光照环境变化

表1反映的是试验期间单体塑料大棚内外00∶00～ 24∶00时典型天气光照强度变化。其中1月23—24日为阴天，1月27—28日为多云，2月17—18日为晴天。从表1中可以多云和晴天天气下大棚的透光率要高于阴天，分别较阴天提高2.24%和3.59%。在阴天、多云、晴天天气下大棚东侧透光率高于西侧透光率，分别较西侧提高2.23%、5.54%和8.07%。

表1 新型大跨度单体塑料大棚典型天气内外光照环境及透光率变化Tab. 1 Changes of light environment and light transmittance internal and external of new large-span plastic greenhouse under typical weather

3.3 新型大跨度单体塑料大棚典型天气内外光照环境日变化

图4反映的是典型天气下单体大棚内外光照环境日变化情况。从图4中可以看出，单体大棚内外光照环境变化趋势基本相同，呈现“单峰”变化规律，并于12∶00～13∶00达到最高峰，之后逐渐下降。阴天(01月23日)、多云(01月28日)、晴天(02月18日)大棚外光照强度最高值分别为24.4、79.2和260.0 W/m2，大棚东西两侧光照强度最高值分别为19.6、74.0、184.0和16.0、57.2、130.8 W/m2。

(a) 阴天大棚内外光照环境变化

(b) 多云大棚内外光照环境变化

3.4 新型大跨度单体塑料大棚内外最低温与最高温变化

图5和图6反映的是试验期间大棚内外最低温和最高温的变化情况。从图5中可以看出棚外最高温变化在8.1 ℃～23.5 ℃，大棚东侧最高温变化在11.4 ℃～37.3 ℃，大棚中部最高温变化在11.2 ℃～36.3 ℃，大棚西侧最高温在11.3 ℃～32.4 ℃，大棚东侧最高温>大棚中部最高温>大棚西部最高温。从最低温变化来看(图6)，室外最低温低于0 ℃的有6天，棚内东侧、中部及西部未出现低于0 ℃的天数。室外最低温变化在-2.3 ℃～13.5 ℃，大棚东侧最低温变化在0.1 ℃～14.3 ℃，大棚中部最高温变化在0.1 ℃～14.2 ℃，大棚西侧最高温在0.1 ℃～14.2 ℃，大棚东侧、中部及西侧最低温分别较室外最低温提高2.4 ℃。

图5 新型大跨度单体塑料大棚内外最高温变化Fig. 5 Change of maximum temperature internal and external of new large-span plastic greenhouse

图6 新型大跨度单体塑料大棚内外最低温变化Fig. 6 Change of minimum temperature internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.5 新型大跨度单体塑料大棚内外夜间平均温度变化

图7反映的是试验期间单体大棚内外下午17∶00～次日8∶00间的温度变化。从图7中可以看出，大棚内的温度环境变化与露地相似。在试验期间，该时间段露地平均温度7.77 ℃，大棚内东侧平均温度8.92 ℃，大棚中部温度8.89，大棚西侧温度8.67 ℃。试验期内露地平均温度范围为1.38 ℃～14.30 ℃，大棚内东侧平均温度范围为3.78 ℃～15.04 ℃，大棚内西侧平均温度范围为2.77 ℃～15.05 ℃，大棚中部平均温度范围为3.28 ℃～15.03 ℃。大棚内东西端面附近温度基本一致，说明大棚内夜间温度分布相对均匀。

图7 新型大跨度单体塑料大棚内外夜间平均温度变化Fig. 7 Average temperature at night internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.6 新型大跨度单体塑料大棚典型天气内外温度日变化

图8反映的是典型天气下大棚内外温度的日变化情况。从图8中可以看出，大棚内外气温的变化趋势相近，16:00时后棚内气温逐渐下降至次日6:00时，而后逐渐上升，中午12:00～13:00达到最高值。阴天天气(1月23日)大棚外气温变化范围9.5 ℃～15.2 ℃，大棚东侧、中部、西侧温度变化范围分别在10.3 ℃～19.3 ℃、10.4 ℃～18.9 ℃、10.7～19.3 ℃；多云天气(1月28日)大棚外气温变化范围5.1 ℃～13.5 ℃，大棚东侧、中部、西侧温度变化范围分别在5.8 ℃～27.8 ℃、6.0 ℃～24.1 ℃、5.4～24.5 ℃。晴天天气(2月18日)大棚外最低气温为-2.3 ℃，而大棚内东侧、中部、西侧最低气温分别较棚外提高2.5 ℃、2.3 ℃、2.4 ℃。

(a) 阴天大棚内外温度环境变化

(b) 多云大棚内外温度环境变化

3.7 新型大跨度单体塑料大棚与现用单体塑料大棚结构与性能比较

表2反映的是新型大跨度单体塑料大棚与现用单体塑料大棚结构与性能的比较。从表2中可以看出，新型单体塑料大棚的结构较生产中现用的单体塑料大棚结构上有明显的增强，脊高由原来的3.0～3.5 m增加至4.5 m，高度的增加可在棚内压杆下悬挂单层保温幕布用于冬季的保温，这样的操作可较现用的“二道膜”操作方便，同时可以减少遮光。大棚的宽度增加及全开门的设计可满足农业机械的进出，提高劳动生产效率。在透光性及保温性方面，较现用的单体塑料大棚均有不同的程度的提高，可满足生产中植物生长的需求。

4 讨论

本试验所设计的新型大跨度单体塑料大棚，跨度为9.6 m，脊高4.5 m，肩高2.5 m，棚门设计采用双轨道三扇推拉门方式，有利于解决农用机械进出操作的问题。试验中在测定指标时未设置垂直梯度，选取大棚内中部及距离两侧端面2 m、距离地面1.5 m位置作为环境指标测定点和在水平方向及垂直方向均设立测点的方法相比，具有一定的代表性[7]。

跨度是影响大棚温光环境的重要结构指标，研究跨度对分析大棚环境性能和优化大棚的结构具有重要的意义[8]。在对大跨度大棚的研究中表明，大跨度非对称塑料大棚可以显著提高棚内夜间平均气温和最低温度，但并非跨度越大越好[9]；适当大棚跨度的增加可提高棚内光照强度，减少棚内光照分布不均匀，跨度越大棚室内温光环境越稳定[10-12]。单体塑料大棚是南方地区应用最多的设施类型，但对于大跨度的大棚、温室的研究多以北方设施居多[13-15]，而在在南方的设施中应用研究还相对较少。本试验设计的新型大跨度单体塑料大棚结构分析表明，大棚跨度由原来的8 m增加为9.6 m，脊高由原来的3.0～3.5 m增加至4.5 m，肩高由原来的1.8 m增加至2.5 m，非常有利于农业机械的棚内作业；从温光性能分析来看，试验期间露地最低温为-2.3 ℃，而棚内在无任何内覆盖情况下较棚外最低温提高2.4 ℃；露地最高温为23.5 ℃，棚内最高温为37.3 ℃，无极限高温出现。试验期间单体大棚夜间平均温度东侧、中部、西侧分别为8.92 ℃、8.89 ℃及8.67 ℃，温度分布相对均匀。在光照方面，大棚东西两侧的平均透光率为室外的69.63%和55.73%，东侧光照环境由于西侧。