【结构】近距离看模块化组装式日光温室如何大显身手
模块化组装式日光温室结构设计与实践
日光温室作为中国北方最常用的经济型节能栽培设施，有着悠久的发展历史，截止至2015年，其应用面积达到97.42万hm2，有效地解决了中国冬季蔬菜生产问题，实现了新鲜蔬菜周年供给。因其优良的节能效果，伊朗、加拿大、日本、韩国、以色列、荷兰等国也对日光温室开展了研究或生产实践。但是，现今被广泛推广的日光温室仍然存在一些问题亟待解决。首先，土地利用率低，日光温室后墙过厚导致日光温室的土地利用率一般在40%左右，极大浪费了土地资源；其次，建造标准不同，存在采光保温性能降低、耕作层破坏严重、室内陆面过度下沉、抗灾性差等问题；再次，建造日光温室费时费工，高昂的人工成本导致了温室造价高，限制了中国设施农业的快速发展与应用；另外，手工化作业也导致了日光温室的生产效率低下。所以，目前日光温室的发展到了从数量到质量转变的关键时期，开发模块化组装式的日光温室建设是当前急需解决的问题。
目前，在中国北京、新疆、宁夏等地开发建设了组装式日光温室（图1），组装式混凝土墙体温室使用混凝土的预制板组装而成，预制板之间的缝隙用水泥粘合而成为整体；组装式骨架外覆盖涤棉材料组成的日光温室安装与运输方便，密闭性好。但组装式混凝土墙体温室的建造成本较高，墙体的蓄热、储热性能较差；组装式骨架外覆盖涤棉材料温室的后墙不具有蓄热性能，夜间室内温度过低。
图1 组装式日光温室的应用
组装式日光温室在其他国家也被应用，比如荷兰、日本等种植设施先进的国家。荷兰的组装式日光温室采用板材拼接组成后墙（图2a）；日本的组装式日光温室是在改进的塑料大棚的北侧加了一层保温被覆盖（图2b）。
图2 组装式日光温室在其他国家的应用
该研发团队提出模块化组装式日光温室建设思路，结合团队前期研究成果——日光温室后墙主动蓄放热技术，将模块化设计的理念和方法用于温室中，就是将温室结构与生产装备从工厂生产成模块成品，一次性组装在建设现场，形成一个成熟的温室生产建筑。该温室墙体由吸热材料、蓄热材料、绝热材料等组成，结合主动蓄放热技术后具有良好的蓄放热效果（图3）。将温室生产建筑进行模块化的革命，即温室建筑标准化、生产装备一体化，形成能够快速高效生产的温室建筑与装备，其优势如下：
（1）缩短温室的设计和制造周期，加快供货速度，有利于市场竞争，有助于温室生产实现产业化。
（2）便于温室更新换代和新产品的开发，由于有许多现成的通用和专用模块，减少了新产品开发的成本和周期。
（3）通用和专用模块一般在生产和使用中都经过检验，工艺完善，产品的质量更易得到保障。
（4）可以实现温室结构的快速设计，满足不同区域、不同客户的多品种需求，提高了生产效率，例如通过将温室结构的某个模块的变化，就可实现温室结构的改变。
（5）标准设计都是根据工程实践、经过总结提高而编制成的，采用标准设计制作构配件和设备装置、零部件，工人对生产操作、施工安装都易于掌握，因而可以不断提高生产和施工安装质量，有利于保证温室工程的质量。
（6）模块化的温室结构构件，可以促进构件标准化，采用标准设计生产构配件，便于预制厂统筹安排，统一配料，可以大大节约建筑材料。
（7）模块化在温室设计中的应用，也将先进技术推广到更宽广的应用领域，促进温室结构件的标准设计与温室所用到的建筑材料的标准设计。
（8）有了温室建筑构件的标准设计，工厂可以进行工厂化大批量生产，标准构件的推广也将大大加快温室建造的速度，从而促进温室工业化的发展。
在模块化产品设计理论的指导下，对温室进行组装式设计。首先给出了模块化组装式日光温室的设计思路，对温室进行模块划分及模块创建，并给出多种模块化设计方法的设计思路；然后对模块化温室进行了详细设计，包括墙体模块、骨架模块、栽培设施模块及环控模块4个方面。
2.1墙体模块
◎墙体模块介绍
温室墙体模块主要起到蓄热、保温与承重的作用，可以在白天吸收并蓄积太阳辐射热量，在晚上缓慢释放出来，并且可以防止室内热量流失，保持室内气温维持在较高水平；另外墙体还是温室系统的受力体系，是温室覆盖材料、环境控制设备和灌溉设备、作物悬挂等栽培设施得以安装的基础。
日光温室墙体主要类型有土墙、砖墙以及多种材料组成的复合墙体。土墙一般是使用挖掘机挖土堆推成的宽厚墙体，由于墙体材料易获得、成本低、保温蓄热性能好，被广大农民接纳使用。但是这类墙体占地大，土地利用率低，墙体表面容易被雨水冲淋及冻胀侵蚀致使墙体老化脱落甚至崩塌，因此很多地方用外形美观、耐久性好的红砖墙代替。砖墙具有更好的保温蓄热效果，但是施工建造费工，造价较高，大概5~10年才能回本。而复合墙体材料是由蓄热层、保温层和绝热层组成，建筑方便，性能好，但是其较大的成本限制了其推广应用。
模块化组装式土墙温室（图4）的墙体使用速土成型机（陕西杨凌旭荣农业科技有限公司生产，以下简称“成型机”）建造，把原本松软的土壤加入一定的固化材料及水，加入到成型机里，通过巨大的压力使土壤变得密实，得到规格符合日光温室墙体建造要求的挤塑速土块，经测试其强度可满足温室墙体要求，可直接拼接在一起用于温室墙体的建设。一台成型机生产规格为1.2m×1.2m×1.2m的土块用时约8min，大大节省了温室墙体建造时间，并且减少了墙体厚度，节省了建造用土和人力。建设完成后可在外侧增附一层保温板或其他覆盖物，可以有效进行保温和防止雨水冲淋，降低了成本并增加了美观度。
将挤塑速土块（干）、挤塑速土块（湿）与夯土墙、碾压墙土块进行对比，测试结果如表1所示，挤塑速土块（干）比人工电夯的夯土墙密度提高7.8%，无侧限抗压强度提高11.8%；比流行的推土机碾压的碾压墙密度提高13.5%，无侧限抗压强度提高90%；提高了日光温室后墙的蓄热能力（土壤密度越大，蓄热性能越好）和强度稳定性。因此，挤塑速土块强度优于夯土墙，即使刚制出的湿土块也优于当前普遍使用的碾压墙。
◎土墙模块化组装式日光温室优势与应用
蓄放热性能好 土的可塑性、蓄热性较好，结合运用吸热、蓄热、散热的原理制作温室土墙模块，并且内有蓄热通风管道，能更好地进行蓄热与通风，使温室内气温保持在适宜水平。
就地取材 制作墙体用料99%是土、沙、石，可就地取材建造，代替了过去的土墙、砖墙。
成本显著降低 墙体以土为原材料加少量固化材料及水，采用工厂化生产温室骨架，使整个温室的造价下降40%左右，克服了温室价格高、经济效益差的顽疾。
机械化大幅度提高温室建造效率 全程机械制造，建造速度是原有建造效率提高5倍以上。
节约土地资源、更加环保 用土、沙、石混合制作的墙体，不仅节约了墙体的占地面积，也省去了制砖时用电、烧煤的能量消耗和污染，而且节能环保，可以在沙漠、戈壁、盐碱地上建造，对中国非耕地的利用有着十分重要的意义。
2.2骨架模块
温室骨架模块的首要功能就是实现支撑作用，承担所有的荷载，搭建一个空间以便植物的生长。所以这些承力体系是由温室骨架组成的用来抵抗各种竖向或横向作用的平面或空间体系，围护体系和与这些体系有直接关系的配套机构等。承重体系包括门架、托架、檩—椽结构构成。温室骨架模块必须包括屋架、立柱、檩条和天沟等主要的受力构件，还应包括联系上述主要构件、保证温室整体刚度的结构支撑体系。
传统的温室骨架是在现场临时放样进行加工，费时费事。现在骨架采用加工厂加工完成（包括焊接、冲孔、镀锌等施工工艺）后运至施工现场，与基础连接处采用螺栓连接，非基础位置采用自攻螺钉连接，避免焊接，减少骨架施工周期和安装成本（图5）。
2.3栽培设施模块
传统的土壤栽培在生产中难以解决水分、空气、养分供应的矛盾，往往无法使作物根系处于适宜的环境条件下，从而影响作物生长。而无土栽培作为一种新的栽培方式，现在正被人们广泛应用。它可以有效避免土壤栽培的弊端，发挥作物的生长潜力，使植物生长量大大提高。所以，栽培模块就是以现有的无土栽培技术为依托，实现栽培系统可组装、可调控的应用。
◎基质培
基质培是现在推广面积最大的栽培方式，它是将作物的根系固定在有机或无机的基质中，通过滴灌或细流灌溉的方法，供给作物营养液。主要是有机生态型基质培，还有基质袋培、立体培、岩棉培等形式（图6）。使用固体基质栽培具有性能稳定、设备简单、投资少、管理容易及不易传染根系病害等优点，是现在使用较为广泛的栽培方式。
◎水培
水培主要有营养液膜技术（NFT，NutrientFilmTechnique）和深液流技术（DFT，DeepFlowTechnique）（图7）。营养液膜技术（NFT）的特点是循环供液的液流呈膜状，仅以数毫米厚的浅液流流经栽培槽底部，水培作物的根垫底部接触浅液流吸水、吸肥，上部暴露在湿气中吸氧，较好地解决了根系吸水与吸氧的矛盾。深液流技术（DFT）的循环营养液深大约5~10cm。中国开发研制的浮板毛管技术（FCH）就是深液流技术（DFT）的一种形式，它的特点是在栽培槽中设置湿毡分根装置，既解决了根系水气矛盾，又有一定深度的营养液，不怕短期停电（24h以上），根际环境稳定，易于调控（冬季于栽培床内铺电热线加温，夏天铺设塑料软管通深井水降温）。
近些年来水肥一体化系统是涉及到农田灌溉与作物栽培等的农业综合新技术。它借助压力系统(或地形自然落差)，将可溶性固体或液体肥料，按土壤养分含量和作物种类的需肥规律和特点，配兑成的肥液与灌溉水一起，通过可控管道系统供水、供肥，水肥相融后，通过管道、喷枪或喷头形成喷灌、均匀、定时、定量，喷洒在作物发育生长区域，使主要发育生长区域土壤始终保持疏松和适宜的含水量，同时根据不同的作物的需肥特点和土壤条件把水分、养分定时定量，按比例直接提供给作物（图8）。可以达到省肥节水、省工省力、降低湿度、减轻病害、增产高效的作用。
2.4环控模块
目前，基于单片机、PLC、CAN总线、RS485总线、ARM9处理器、ZigBee、OSGi网关、模糊神经网络等软硬件控制在工业生产中应用成熟，也逐步应用于农业生产特别是温室生产中，并统一称为“农业物联网系统”。但由于该系统对操作者的使用技能要求较高，而且安装成本与农业生产实际并不匹配，所以在一定程度上脱离了农业生产的实际，导致使用效果并不理想，推广困难。
为适应现代农业的生产，通过对现有温室大棚广泛调研，建立不同作物专家管理软件，并特制定本环境控制模块，可实现对温室大棚内环境的精确监测、自动上报及控制、对作物生长过程和劳动作业过程的视频监控、生产指导。对物联网的3个层次分别进行模块化安装及使用。其中感知层主要采用针对温室内温光水气肥五大环境因子的超低功耗的的传感器模块，通过节能电池供电；传输层采用安装及管理最为便捷的无线传输模块，温室内的环境数据汇集到云端、推送到手机，便于实时监控；应用层采用系统自动调控和人工干预相结合的方式控制，通过对云端数据库的数据进行分析，借助专家系统平台，可以优化种植技术，达到持续增收增产目的。
◎物联网环境监控系统建设
在每个温室内分别部署1套环境精确监测设备（图9），其中1套监测类型为5类（空气温湿度、CO2浓度、光辐射强度、土壤温度、土壤水分），室外部署1套自动气象站监测类型为9类（空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水分、CO2浓度、光辐射强度、风速、风向、降雨量）。同时通过无线自组网的输出控制模块（控制卷帘、风机通风、加热、加湿等），实现温室大棚的智能化控制。在管理室部署管理计算机1台，可实现对基地的现场管理。
◎物联网公共服务平台
分配基地（区域）管理员账号，并进行基地信息、权限配置，使环境信息能够上报平台，控制指令能够有效执行（图10）。基于B/S架构提供远程管理服务，登录网址，输入用户名密码，即可实现环境信息查看、远程控制、超限预警、视频监控、历史数据分析等功能模块等网络服务。适配Android软件系统，实现随时随地的移动客户端管理平台。
模块化组装式日光温室建设是一场创新性工业化的变革，是中国日光温室转型升级的手段，也是实现现代化温室建设的有效途径。机械设备替代人，设备控制环境与栽培系统是发展的方向，是提高生产效率、土地产出率和资源利用率的最佳方式。
模块化组装式日光温室拥有广阔的发展前景，但其仍然处于比较新的发展阶段，还有很长的路要走。首先要确定一个标准，包括测试不同土质配方与强度、确定骨架标准与栽培设备标准、建立专家系统等，来确定一个普遍的标准，以便于模块化组装温室的推广。然后根据此标准建成温室后验证其保温性、抗灾性、投入产出比和作物生长与产量等，以确定其应用范围。最后用适宜的结果在不同区域进行示范带动周边发展，形成良好的经济效益和社会生态效益。
作者：邹志荣，鲍恩财，申婷婷（西北农林科技大学园艺学院，农业部西北设施园艺工程重点实验室）；陈 佳（杨凌职业技术学院）