宜机化大跨度新型日光温室结构优化设计和保温性能实践

杨 烨，李治国，赵景文，闫子双，李宗煦，李 凯，李传友，高大辛

（1.北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079；2.北京河南寨农机服务专业合作社，北京 101599）

日光温室因结构简单，保温性能好，成为北方地区生产反季节果蔬的重要设施，且利用日光温室为农民增产创收提供了一条可行之路[1]。目前，设施农业是现代农业的重要组成部分，且发展设施农业也是北京市乡村振兴的重要途径之一。在日光温室生产中，温度是作物生长发育过程中的重要环境因素，直接影响作物的生理生态与品质，而机械化作业是降低菜农劳动强度、提高生产率、减少生产成本、增加收入的重要措施。北京市现有设施总量20.35万栋，其中，日光温室10.65万栋，塑料大棚9.35万栋，连栋温室0.17万栋，但70%的设施建造于2008—2012年，日光温室长60.0 m、宽8.0 m、高3.5 m，建造时主要考虑采光、保温、通风等因素，不少园区存在设施老旧、棚室结构落后、机械作业难等问题[2-3]。随着大跨度日光温室的发展，诸多学者对大跨度保温型塑料大棚小气候环境进行了研究[4-6]。近年来，随着仿真技术在日光温室中的应用，以计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术[7-9]应用最为广泛，能动态模拟太阳辐射在温室中的分布与变化，也可结合温室结构等因子，探究温室内温度整体变化规律[8]。但由于日光温室结构复杂，参数不易获得，且受外界气象条件、墙体蓄热性能、覆盖材料类型、生产管理方式等多种因素的影响，温室内温度变化模拟相对比较复杂，在实际监测调控中仍存在一定的误差。

设施农业的发展是农业现代化的重要标志，也是现代化农业发展的重要建设任务。受建造结构、生产规模、机具供给等因素限制，北京市设施农业生产机械化水平总体还不高；因此，大力发展设施农业宜机化显得尤为重要[10]。针对北京气候条件，要研发设计宜机化的新型日光温室参数、新型保温材料和蓄能方式，并根据研究成果进行宜机化新型日光温室的设计、建造，以实现冬季蔬菜机械化生产。与传统温室相比，新建大跨度宜机化温室可有效改善土地利用率低的问题，且其内部空间较大，更适宜机械进出作业，减少人工投入，从而降低成本，同时使农机与农艺进一步融合，提高作业效率与生产效率。

1 设计思路

1.1 温室空间与结构研究

围绕日光温室生产过程宜机化，进行新型日光温室结构优化设计，重点开展2种跨度16 m的日光温室主要结构参数设计，包括屋脊高度、后墙高度、前屋面角、后屋面角等（图1）。以最佳采光性和空间宜机化为结构设计理念，采用中国农业大学的日光温室热环境模拟和性能评价软件RGWSRHJ对光环境进行模拟分析；热环境分析采用CFD模拟方式，模拟软件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT；采用GSCAD软件进行温室结构优化强度计算；根据光热环境模拟分析对屋面结构主要参数进行分析验证。

1.2 合理设计作业空间及进出口

新型日光温室跨度为16 m，主要针对北京市8 m跨度温室之间间隔8 m的分布形式而设计，不仅提高了土地利用率，同时解决了机器进入难、机械化作业难实现等实际问题；因此，合理设计了16 m跨度日光温室出入口：宽2 m，高2.2 m，方便作业机械进出；同时，优化了空间结构布局，合理设计了棚室内机械行走作业路径。

温室过道宽1 m，种植宽度为13.7 m，种植长度46.5 m，根据种植要求可种植7垄或8垄（东西向种植），根据种植面积设计行走路径（图2），将种植面积利用率最大化，实现温室内部优化种植面积的目的。

1.3 结构优化

通风方面，温室共设有4个通风口，温室前端底部设1个通风口，以更好地利用自动化设备在不同时期调节温室温度和空气质量。顶部前端风口设计以调节冬夏季光照、温度及四季防风为目的，顶部外端（后部）风口冬关夏开，可实现温室顶部交叉对流，底部上下对流，此双向对流可有效降低温室温度、增大散热量，有利于夏季生产。温室四周采用内置式防寒沟，后坡采用双层保温板和水泥板的有机组合以及长后坡设计，保温性能好，可实现2次进光，使植物充分进行光合作用（图3）。

1.4 保温材料

温室后墙外侧共设4层保温材料：外部5 cm聚氨酯保温板，内侧有2层保温被，最内侧1层保温透光膜。最外层聚氨酯板多用于冷库保温，聚氨酯保温材质的导热系数低，是目前保温通用材料。保温被采用1 cm厚的发泡棉加黑毡，发泡棉的导热系数也很低，是常用的一些保温材料。保温透光膜为PO膜，可起到密闭保温及透光加温的作用。

此温室跨度较大，采用加长后坡设计，阳光入射角变量过大，考虑到阳光在大入射角时，顶部采用阶梯式保温和2次进光原理，以降低后坡的遮光率：前坡为1次进光，顶部为2次进光。因此，该温室在外部保温、生产种植宜机化（种植面积、行走路径、进出口）、通风、采光等多方面进行了考量与创新，确保温室综合性能达到最优，保证实用性。

2 宜机化温室与砖墙日光温室对比

宜机化日光温室与砖墙日光温室内部温度对比测试分析如下。

试验测试时间分别为2022年11月1日（图4）、2023年1月24日（图5）。经查阅，1月23日、24日北京气温为冬季最低。测点位于温室东西向中部，距离地面1.1 m，距离后墙5 m处，新建温室靠自身墙体材料蓄热，对比传统日光温室靠自身墙体保温，二者均无加热装置。测试仪器为精创品牌的RC-4HA/C型号温湿度记录仪，量程为温度－40～85 ℃，湿度0%～100%。经过对新建温室24 h的温度监测，2022年11月1日和2023年1月24日砖墙结构的日光温室日平均温度分别为15.38、8.97 ℃，新建日光温室的日平均温度分别为18.10、18.52 ℃；经过计算，2次对比中，新建日光温室的平均温度比砖墙日光温室分别高出2.72、9.55 ℃。

图4 日光温室内部温度测试对比情况（2022年11月1日）

图5 日光温室内部温度测试对比情况（2023年1月24日）

3 宜机化温室种植机械作业与人工作业成本分析

对比试验采用东西长垄种植。根据棚室结构，种植宽度14.8 m，种植8行，一垄双行种植，垄距1.4～1.5 m，番茄行距40 cm，株距35 cm。

开展机械化撒施肥、机械化旋耕、机械化起垄铺管铺膜、机械化移栽4个环节的机械化集成示范。（1）撒施肥：采用自走式撒肥机作业。记录机械撒施一车肥进出棚室时间、机具工作时间、机具撒施一车肥料的作业时间，计算纯工作效率；测试传统撒肥所用人数及时间，与机械化作业进行对比。（2）旋耕：采用大棚王拖拉机配套1.3 m旋耕机作业。提前测量出40 m距离，记录机具旋耕这一段距离所用时间，测试作业后松土层厚度。（3）起垄：采用大棚王拖拉机配套起垄覆膜机作业。提前测量出40 m距离进行试验，上垄宽60～70 cm，下垄宽70～80 cm，垄高10～15 cm；记录机具起垄所用时间，测试作业上垄、下垄及垄高等数据。（4）移栽：采用井关双行移栽机作业。提前测量出40 m距离，测试人工起垄、铺管、铺膜所用人数及时间，并与机械化作业进行对比；移栽环节测试倒伏、漏栽、重栽等情况，计算移栽合格率，测试人工移栽所用人数及时间，并与机械化作业进行对比。

4 小结

综合分析国内外日光温室现状，针对北京气候条件，研发设计宜机化的新型日光温室参数、新型保温材料和蓄能方式，并根据研究成果进行宜机化新型日光温室的设计建造，以实现冬季蔬菜机械化生产。

通过温度监测对比可以看到，新建温室相较于传统温室的保温性能大幅度提升，冬季正常情况下可基本满足果菜生产，但在连续阴天和雪天情况下，需注意温度变化，必要时可进行辅助加温。新型大跨度日光温室增加了机械化作业空间，能够满足机械化作业需求，与人工作业对比节省劳动力84.2%，节本增效显著（表1），具有广阔的推广应用前景。新型大跨度日光温室采用新的保温材料，保温性能优于传统日光温室。

表1 机械作业与人工作业效率对比