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2019年2月18日 作者:xwz2367609 [返回]
新型大跨度矩式网架温室及在雾培蔬菜工厂上的应用

徐伟忠

(浙江省丽水市农业科学研究院,丽水323000

?

摘要??当前我国设施农业发展迅速,特别是近年无土栽培为主要特征的工厂化蔬果种植模式,为温室围障设施提出新的要求,大型化大跨度大空间成为高效化立体化垂直化农业发展的重要方向与趋势。特别是基于雾培的垂直农业,是目前最为高效的空间利用模式。如何开发适合工厂化生产、流程化、工艺化作业的温室设施,成为下阶段我国设施农业发展的关键。本文详细介绍了一种网架式大跨度矩形温室的创新原理、温室结构、及相配套的调控措施,以及在垂直农业雾培工厂上的应用,为生产提供一种新型的蔬果工厂化生产方式,而且实现了免农药高效化安全生产。

关键词??矩式网架温室;雾培蔬菜;垂直农业;水墙蓄热;热平衡;梯架雾培

我国是温室设施面积最大的国家,但高水平温室建设方面与发达国家相差甚远,特别是调控精准化与栽培高效的利用上更是落后于欧美与日本等国家;目前我国普遍使用的温室设施,包括简易的避雨设施、拱形温室、联栋温室、玻璃温室、及适合北方寒区的土墙式日光温室,还有一些农村简易的竹木结构温室。温室作为作物栽培及动物养殖的围障设施,类似于建筑楼房建设,从普通平房到现在的高楼大厦,温室的发展未来也将遵循该规律,从平面向空间,从单层向多层,从自然调控为主到集成化精准化的计算机环境调控,从高耗高向生态型低耗能发展。甚至未来发展到温室设施与建筑概念实现融合的大楼式农场,就是当前大家都关注的垂直农场。我国温室要从传统的技术及概念中走出,必须融合建筑物的发展理念与技术,必须结合各种节能措施与生态设计技术,否则难以从传统的温室范式中演变出革命性的创新成果。上述传统温室受到结构力学上的制限,无法在跨度与高度上突破,也无法构建更为科学合理的立体化空间化布局,在温室气候的调控上,因结构及模式单一,无法实现因不同地区与气候变化所作的节能化与个性化创新设计。而网架式温室不仅可以在构型上实现创新,而且可以实现调控上更为节能,生产上更为高效的效果。它将成为我国温室领域的重要创新模式,也将为未来垂直化农业的发展,创造出更为高效节能与实用的产业价值。以下就矩式网架温室技术及工厂化雾培生产上的应用作详细阐述。

1、大跨度矩式网架温室的结构原理、特点及建造技术

1.1网架温室结构与普通温室区别

说到网人们就想到鱼网、蜘蛛网,这些网,它的结构力学与普通的力学有着根本的区别,其遵循的是整体张拉力学[1]。所以可以采用纤细的材料构建出力学上最大的结构强度,一点受力整体应力是网状结构的重要特点。网架温室则利用管材作为编织材料,按照力学原理再结合自然界仿生建筑学,形成三角结构(鸟筑巢)、蜂窝结构(蜂筑巢)、空间桁架(现代钢构技术)充分融合的温室构建风格[2]。而传统普通温室大多是线性与拱式的结构为主,没有把钢管发挥出最佳的结构力学效果;在结构力学上,现代的机场与体育馆建设大多结合了整体张拉力学原理,利用钢材创造出大跨度无支柱的空间,但农业生产如果采用将成本太高,无法在生产上应用。而网架温室既融合仿生学又融合现代钢构技术创新形成成本低、空间大、调控效果好的新型结构。首先用短程化的管材为作建设材料,大大缩短力矩,比长管材抗扭转力的大大增强;再用编网的方式可以创造出各种外形的异型温室。如早年笔者发明的球形鸟巢温室就是温室领域的重大创新,一改传统温室皆为线型的特点;但球形结构不利于传统耕作的线性布局与工厂化高效化流程化生产特点。研发的球形鸟巢可以产生强大的抗风性与抗压性,同时高旷的空间性,更适合于景观温室与观光园建设应用,目前已得以广泛的推广应用。矩式网架温室,就是融合传统线性温室方便耕作的特点,但又保持球形鸟巢圆弧穹顶的高旷性、强抗性优点,创新形成地缘基座为矩式,温室屋顶为穹顶的新型温室结构。

1.2?矩式网架温室的构造特点及建造方法

从外观来说,矩式网架温室是传统线性温室与球形鸟巢温室的结合;从构造来说,是鸟巢温室技术在矩式网架温室建造上的具体应用。不管基座是正方形还是长方形,温室的屋顶皆为弧圆发散式穹顶;而且同样是无支柱与高旷性,高可达8-10m以上,有利于内部空间的立体化垂直化利用,同时也有利于温室内部气候波动的稳定;矩形网架温室的肩部同样采用双层空间桁架构造,可以抵挡正面强风的袭击;而弧形发散的穹顶则有利于强风滑坡而过,起到强风化解作用。所以矩式网架温室的肩高可以超过常规温室的肩高设计,甚至达4.8m以上,大大提高了温室地缘空间的利用率。整体网架构造由外三角、内蜂窝、空间桁架组成(图1),形成厚0.5-0.8m的夹层空间,如果在内蜂窝上卡覆内膜可达到双膜保温的增益效果[3](图2)。

高旷的温室结构在施工建设上与普通温室不同,从穹顶为安装始点,并采用撑杆与葫芦起吊的方式,逐层往下安装(图3),这是网架温室不同于常规温室最大的建造特点[4]

1.3大跨度大空间无支撑结构创造出空间利用最大化效果

常规温室的跨距一般为6-12m,高度为2.6-8m,而网架温室跨度可达20-50m,长度可达50-100m,高度通常为8-20m之间,创造的内部空间适合用于高大树种栽培及立体化垂直化利用;也适合大型室内垂钓项目与水产养殖、田园综合体生态餐厅与大型的体验活动场所的利用。无支撑的空旷空间也利于内部通风及产生更好的光照效果,太阳光入射后由于穹顶的反射形成均匀的漫射光光效(影棚光效果),减少低矮温室内部立体栽培时出现阳阴面严重问题[5]。另外,在相同的面积上温室空间体积,其温室效应则为,空间体积越大升温越慢,同时降温也越慢,空间体积越小升温越快降温也越快,所以大空间的网架温室有利于室温的稳定。

1.4通风系统均匀设于穹顶,有利于热空气自然出风

穹顶式温室屋顶,可以起到热空气的聚顶效应,温室内耕作层与顶处空间温差较大,夏日温室顶处可达40-50,所以顶处开设三角通风窗有利于热空气的排放,达到烟囱式自然出风的效果;另外,温室肩处或底部的进风在大空间的穹顶温室内可以起到对流的加速效果(即涡漩湍流效应)[6],大大加快了顶出风的流速,与普通线形温室相比,也大大缩短了通风矩离。

2、矩式网架温室的环境调控技术

2.1降温通风系统的配置

目前温室降温技术主要有高空细雾微喷降温及温室两端头的湿帘风机降温两种模式;高旷的网架温室于顶处均匀安装弥雾管道,由于细雾的飘落行程大于普通温室,雾化的水滴汽化的效果更佳,其降温效应优于普通低矮温室,而且弥雾系统开启后高空飘落的雾滴比低矮温室更细,蒸发汽化速度更快,开启弥雾时,达到温室操作管理人员身不沾湿的效果,不影响内部作业。

另外一项降温措施就是温室两端头安装湿帘风机降温,湿帘降温也是遵循汽化带出热量的原理实现室内降温,其降温效果与外界空气湿度相关,与风机的通风量相关。如下以1200平方米网架矩型温室为例(图4),该温室地缘宽30m、长40m,占地1200m2,地缘肩高为3.6m,穹顶顶高为10m,温室空间总体积为7605m3,以每3分钟换气一次计,需配通风量19000m3/h的风机8台。为达到耕作层最佳的通风效果,湿帘与风机的安装高度与普通温室不同,最好安装位置高于内部耕作层顶处,通常安装于离地高1.8m处,内部即使进行立体耕作,也能保持良好顺畅的通风效果。

2.2保温、加温及蓄热系统的配置

温室是气候调节的重要围障设施,寒季的调控重点在于保温与加温,保温效果与覆盖材料与覆盖方式相关[7],不同的覆盖材料与覆盖方式,其阻隔热传导与热辐射的效用不同,温室的节能效果则存在差异;以下为常用覆盖材料的热导系数(U值),U值越小其保温性越好(见表1);

1??????????????????????温室不同覆盖材料的热导系数

序号

材料种类

热传导系数(U值)

1

聚乙烯薄膜

1.15

2

双层聚乙烯薄膜

0.7

3

玻璃

1.13

4

双层玻璃

0.65

5

中空阳光板

0.53

6

铝织品保温幕

0.39

以上述1200m2矩式网架温室为例,根据热平衡原理,进行能耗计算,通过计算后确定相应的措施,以达到最佳的温室管理与节能效果。再结合下述三种方案,实现不同程度的节能目的。

?A方案:以双膜覆盖,无内保温幕的前提下,假设该温室建于山东济南地区,该地区冬季外界最低气温为-15℃,平均风速为2.7m/s。而夜间温室内最低气温需保持5℃以上,计算该温室夜间实施加温防寒,需每小时耗能多少,来确定配置热风炉或其它加温设备的功率;空间体积为7605m3的矩式网架温室,在上述外界气候环境及温室内极限室温下,通过计算需每小时供给862558KJ的热能才能保持温室内室温5℃以上,换算成大卡单位则为206065.1kcal,需配置20万大卡功率的热风炉,才能确保该地区寒季温室内保持5℃以上,以满足温室作物正常生长的需求

B方案:以双膜覆盖,并且于温室高3.6m处采用钢丝用紧线钳拉成网状(图5),作为覆盖铝织品保温幕的内支撑与承重。寒季夜晚时拉上保温幕保温,白天收起,把内部耕作层空间与穹顶大空间隔断,形成相对独立的较小空间(体积为4071.6m3),让有效保温面积与体积缩小,从而达到节能效果;在双膜与内覆保温幕的前提下,要确保温室内室温5℃以上,则需每小时供给226011KJ的热量,换算成大卡为单位则为53994.0 (kcal),需配置5.5万大卡的热风炉。标准煤的热值为7000?kcal/kg,与A方案比较,采用内部空间隔断与覆保温幕方式,每小时可节省14.5万大卡热量,按煤热值计,可每小时节省燃煤20.7公斤煤,以寒季夜晚加温时数15小时(下午6时至次日上午9时)计,采用内覆保温幕,可日节省燃煤310.5公斤,以寒季加温时间3个月计,一个冬季就加温措施就可以节省燃煤30吨,是项节能效率较高的覆盖方案。

C方案:在B方案基础上,内部采用水墙蓄热的方式来达到最佳的节能效果,水墙蓄热的结合类似于北方土墙温室的蓄热效应,但水的比热容是土或石子的3[8],即一立方米的水相当于3立方米土的热容,温室中配置水墙利用水蓄热性,水墙白天吸收太阳光热量,夜晚降温时释放潜热,以达到寒季免加温的效果;水墙的建设一般采用化工桶表面涂黑并垒砌成墙的方式构建(图6)。一般北方地区冬季晴朗出太阳天气,室内涂黑的化工桶其水温可达20℃以上,以降至5℃计,具15℃的温差,相当于水墙每小时降低1℃的等比温度;按照B方案,需每小时释放53994.0 (kcal)热量,才可维系室温5℃以上,按照水的比热容约为1 kcal/kg,要满足上述的热供给条件,需于温室内配置53994.0公斤(54m3)容水量才可达到上述的热动态平衡;以200L0.2m3)化工桶作为水墙建设用桶,则需270只垒砌成墙方可;采用化工桶垒成水墙的方式比土墙更节省空间,而且夏日又可以把化工桶搬移至温室外,或者把水排干,解决土墙温室夏日也因后墙蓄热使棚温过高问题。采用加水墙方案是实现北方温室免加温,满足雾培蔬果周年生产的有效方法。

2.3遮阳系统的配置

用于矩式网架温室的遮荫系统有两种处理方案,一是内部于耕作层上方空间作牵拉钢丝处理,方便内遮阳网滑拉覆盖操作;二是采用遮荫涂料喷涂于外温室膜上,遮荫涂料的配方可以按照栽培作物的所需的遮荫度进行灵活调配,而且遮阴涂料可以于数月后降解脱落,过了夏季高温季只需用水枪冲洗即可清除,是一种较为实用的方法,目前已在全国各蔬菜产区得以应用。

2.4计算机自动控制系统的应用

计算机自动化控制系统是实现温室调控精准化的重要配套设备,包括自动开窗、顶处的微喷降温、湿帘风机启闭,自动加温系统都可以接入计算机,实现温室环境的数字化智能化管理;在蔬果的气雾培管理上,还可以实现温室环境管理控制与栽培控制的结合,实现温室管理与栽培管理的全面数字化与精准化自动化。

3、在雾培蔬菜工厂上的应用

蔬菜的工厂化生产是未来解决蔬果安全与可持续发展的重要技术手段,特别是气雾化栽培,更是实现高效化、立体化、省力化、工厂化、清洁化与精准化耕作的先进生产模式;气雾栽培是无土栽培技术中解决作物根系生长肥、水、气需求最为充分与有效的方式;而且雾培较之于水培的优势,几乎适合所有植物的栽培,不管是木本的还是草本与藤本的经济植物都可以实现气雾种植;这种根系悬空无需依赖水循环与基质的栽培方式,更方便实现空间化与垂直化布局,是垂直农业发展最为有效的栽培技术;未来耕地日益减少,再加上连作障碍,水资源污染与土壤退化,可安全生产的耕地日益减少,农业生产往空间要效率是必然趋势,所以垂直农场与垂直农业成为当下设施农业领域的时髦。对于温室的利用,每提高一倍耕作效率,相当于节省相同面积温室的投资及节能效应,而采用气雾栽培可以实现至少3-4倍以上耕作表面积的提高,与普通平面化水培温室及土壤耕作相比,相当于温室的投资只需原来的1/3-1/4,是降低设施农业投资成本最为直接有效的方法。再加上工厂化生产效率提高,耕作茬数(复种指数)增加以及本身蔬果生长速度加快,其综合效率将是普通温室与生产方式的?5倍以上,是实现工厂化实用化与低成本化的创新途径。以下就矩式网架温室与气雾培工厂化蔬果生产技术结合作详细阐述。

3.1气雾栽培的优势

气雾栽培作物其平均生长速度是普通栽培及水培的1.5[9],究其原因,是悬空的根系置于肥水充足的雾汽中生长,让肥水气三者处于最佳状态;在土壤栽培中要处理好三者关系较难实现,水多了气则不足,气多了水不足,而且肥料是在土壤中迁移传递吸收并非直接吸收;而水培耕作,虽然肥与水直接接触吸收,但遇到高温季节,随着水温升高,水中溶氧常出现不足,导致夏日水培生产的烂根问题;另外水培难以实现所有经济植物的水耕生产,但气雾培可以实现,甚至包括水生作物都可以采用气雾培生产。特别是木本的果树,采用气雾培后不仅适应性好而且生长快速,其产量与品质都比土壤栽培好,为未来果树的工厂化可控化生产创造条件。

离开基质及土壤环境,根系置于雾化空间生长,其轻巧性适合立体化与垂直化耕作系统的构建,如垂面墙雾培、立柱雾培、塔架与梯架雾培等,让单位面积的上方空间得以最大化利用,达到数倍甚至10多倍的增产效果,是未来人类拓展耕作空间最为高效方式,是一种向空间要耕地的新型模式[10]。通过空间化布局,实现太阳光有效辐射的最大化利用,构建类似原始森林的多层次生态效果(乔木、次乔木、绕藤植物、灌木、小灌木、地被植物、地下块茎的七层空间的森林模式),实现单位面积产额的最大化提高;而且采用雾培耕作,每株植物根系独立,不存在彼此间的肥水竞争,可以生产出长势均一商品性较为一致的产品或者进行多类型作物的灵活套种;雾培耕作是当前最为省水省肥省力的技术,其营养液不蓄存于苗床,而且是全部循环式吸收,没有对外界的废液排放,解决水培技术中残液的外排污染问题;在闭锁的养液循环系统中生长,又是一项最为节水的生产技术,其用水量只需土壤耕作的5-10%,对于水资源日益匮乏的当今,意义特别重大[11];更是水资源稀缺的沙漠、荒岛、高山、矿坑、盐碱地等非耕地环境下的重要栽培模式,也是未来都市农业与垂直农场构建的首选技术;清洁化立体化离土化的生产方式,有利于实现免农药生产,是未来绿色安全可持续生产的重要技术支撑。采用气雾栽培种植各类经济作物,无需传统耕作的整地、除草、施肥、灌溉作业,可节省劳动力70%以上,是一项最为省力化的栽培技术[12]

3.2工厂化气雾栽培对设施的要求

要实现雾培蔬果稳定的周年生产,对于温室要求较高,首先大型高旷的温室是工厂化的硬件设施需求;这种无支柱的大空间构造,方便标准一致的工厂化布局及流水线与工艺化高效作业;另外大温室构型前面已述,更利于温室内气温的稳定,解决小温室波动大问题;同时无支柱的大温室空间结构,不管是照射作物表面光效的均匀性及通风良好性方面都胜于常规温室,能为作物创造较为一致及稳定的微气候环境,是构建高效化、工厂化生产的有力设施保障。大多数雾培蔬果最佳适温为20-25℃,生长的区间温度为535℃之间,通过温室调控及结合计算机管理,最大化实现符合蔬果周年生长与生产的需求;特别是北方寒季的蔬果生产,有了蓄热与保温技术结合,大大降低生产成本,达到高温季与寒冷季无休周年生产。

3.3梯架式雾培是当前工厂化雾培效率最高的栽培模式

提高空间利用率是节省设施农业投资的重要间接手段,可以让设施化的工厂化农业变得实用化与平民化;在众多的雾培模式中,通过近十多年的实践,生产效率与产额要数梯架雾培最高,在充分利用空间同时,也方便管理人员操作,虽然立柱雾培也是空间利用率较高的模式,但在工人的操作上常有不便,过高的立柱不方便种植与采收[13]

梯架雾培由栽培设施、计算机控制系统、营养液循环系统三部份组成(图7);通过梯架雾培设计,可以使温室的空间利用率达3-4倍,以下就梯架雾培的设施建设及生产流程作简木阐述。

设施建设包括以下三方面:

A、栽培设施由栽培架、定植板、栽培床组成。栽培架采用组件化的管材按照底宽1m、斜面1.5m、上梯面0.4m的尺寸进行安装,梯架长度因温室耕作区大小而定;定植板为厚0.025m的挤塑板开孔而成,定植孔开设以孔径2.5cm作斜度45角开设为宜,以减少营养液外漏污染栽培板,开孔间距一般以10cm*15cm为宜。

B、营养液循环系统由营养液池、管道、供液枢纽。其中营养液池可以是砖砌的地下式养液池,方便回流及有利于液温稳定;系统由供液管及回流管组成,供液管由主管、侧管、支管、笔管构成,毛管上连接弥雾喷头;供液枢纽由动力水泵、过滤器、杀菌器、强磁处理器、电磁阀组成。

C、计算机控制系统由传感器、决策智能模块、强电执行三部份组成。由传感器采集外界相关参数,再由智能模块作了决策,由强电启闭执行。其中传感器有集成传感的智能叶片(可以测叶片水膜、叶片温度、空气湿度)、光照传感器、水位传感器、EC值传感器、水温传感器组成;决策智能模块功能主管数据处理与运算决策;强电执行部份主管温室相关电机的启闭执行,如气温过高主动开启湿帘风机,根系水份不足,主动开启弥雾水泵等功能。

气雾栽培减免了传统耕作的大多数生产操作,形成了较为简化的生产工艺流程,能为绝大多数人掌握与运用,而且是在清洁整齐的工厂化环境下生产,可以吸引工商业人士及社会白领与年轻人进军农业,是生产方式的一次伟大变革。以下为生产流程图,全面而细致描述蔬果生产的每个技术环节与工艺(图8),供生产者参考。

在清洁的工厂化环境,加上科学的管理,可以生产出产额高于普通蔬菜大棚5倍以上的产量,而且不管在外观、品质、营养物质的含量上都优于传统耕作[14],是未来蔬果产业发展的重要替代技术;当然该系统同样可以适合花卉、药材、木本果树的工厂化设施栽培,将会大大助推都市农业与高效化现代农业的转型升级,与构建可持续的绿色安全生产体系。

4、大跨度网架型温室及雾培蔬菜工厂的发展前景与产业意义

传统温室的开发大多基于土壤耕作或者早期的平面化无土栽培,而网架式大跨度矩式温室填补了立体化工厂化生产的温室设施空白,是当前工业化农业发展的重要设施装备;特别是与气雾栽培的结合,形成蔬果的工厂化新型生产模式,有效解决传统蔬果耕作的连作障碍问题,平面耕作的土地利用率低问题,生产操作的用工多问题及土壤气候的制限问题;两者的结合让蔬果生产实现周年无休耕作,不管在都市还是荒漠、岛屿、矿坑、盐碱地等非耕环境都可以建设雾培工厂,彻底改变了人们对农业的偏见与认知。生产方式的创新与改变,才能让农业成为有奔头的产业,让农民成为羡慕的职业,让农村成为人们向往的家园。在当下乡村振兴大背景下,这种新型的生产方式可以吸引更多的工商人士及白领年轻人进军农业,并且工厂化智能化的管理,让传统的不可控农业变成可控可预测的农业,为产业的可复制可加盟提供重木技术支撑,摆脱传统农业对经验的依赖,把农业变成大众都可热衷及参予的产业,将吸引更多的精英人才及社会资本与金融资金回流农村,为乡村振兴架起了人才流通、资金融通的桥梁,为菜篮子的安全与健康找到切实可行的解决方案,为农业的转型升级及可持续发展开辟了全新的绿色发展之路。

5、参考文献

参考文献

[1][2][3][4][5][6]?徐伟忠,陈银华,林伟洋,等.鸟巢温室开发与利用[M].北京:台海出版社,201445821226710.

[7]邹志荣,邵孝候,等.设施农业环境工程学[M].北京:中国农业出版社,20085253

[8]?徐伟忠.高效节能生态温室的特点及发展前景[J].农业科技通讯,20084):3436.

[9][10][11][12]徐伟忠,杨连成,邓卫杰,等.现代耕作新技术-气雾栽培[M].北京:中国农业大学出版社,201611272835.

[13]?徐伟忠,王利炳,詹喜法,等.?一种新型栽培模式-气雾培的研究[J].广东农业科学,20067):3033.

[14]?丁一,张路,于超,等.无土气雾式栽培对香菜品质的影响[J].北方园艺,20132):2325.

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作者简介:徐伟忠(1971-),男,硕士,高级农艺师,研究方向为设施农业。2671654005@qq.com

项目支持:浙江省科技计划项目(2017C02023)。

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