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hand3.gif (730 bytes)都市农夫网系列讲座

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都市农夫网系列讲座:

现代温室建筑规划建设基本知识

(中国农业大学设施农业工程技术研究中心 李保明 博士)


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一、 温室的组成:

一个完整的温室系统通常包括下列各个部分或其中的部分内容:

1. 建筑结构;
2. 覆盖材料;
3. 通风系统;
4. 降温系统;
5. 加热系统;
6. 保温节能系统;
7. 遮光系统;
8. 室内空气循环系统;
9. CO2施肥系统;
10. 人工光照;
11. 栽培床(架)与基质;
12. 计算机控制的灌溉与施肥系统;
13. 环境控制系统;
14. 材料处理设备。

一个温室中是否需要包括上述各项内容,通常要看所种植的作物的种类、当地的气候条件和经济制约的影响而取舍。

二、温室的建筑结构选型

现行温室采用的建筑结构系统有很多种。人字型屋面是最常见的温室结构型式,另外还有圆拱型、尖拱型和锯齿型屋面的温室。半拱状锯齿型的温室是新近发展起来的一种温室结构形式,其主要特点是通风性能良好。在荷兰使用的最普通的温室形式是文骆型温室,即采用桁架结构,小跨屋面(3.2M跨)温室。荷兰新建的温室中约有85%为此类型,10%为大跨度温室。

针对特定的材料或结构技术而言,某些结构型式可能要优于其它的结构型式,但不存在普遍适用的最好的结构型式。温室的建筑结构形式地域性很强,与当地的自然气候条件密切相关。因此,一般均需根据各地不同的要求和条件进行具体设计。

2.1 温室的主要类型与屋顶形状

(一) 圆拱型屋顶

这类温室的跨度可达12.8米,特别适合于柔性塑料薄膜作采光材料,同时也适合于硬质塑料板。

(二) 尖拱型屋顶

与圆拱屋顶温室一样,既适用于柔性塑料薄膜又适用于硬质塑料板作屋面透光材料。但与圆拱屋顶相比,尖拱型屋顶还有两个主要优点:

1. 在高纬度地区,由于屋脊更高,其透光性能也更好。

2. 便于雨水或室内雾滴的自然流落到天沟中,不会在薄膜上形成兜水现象。

(三) 双坡或单坡屋顶

这种屋顶是最普通的一种,适用于包括玻璃在内的各种硬质覆盖材料。

上述三种屋顶形状的温室结构,既可以设屋脊通风口(天窗)、天沟通风口(谷间窗),也可以完全密闭不设自然通风口。

1. 屋顶上设有永久性通风窗的温室

  1. 锯齿型是能给整栋温室产生良好通风的最普通的屋顶形状之一。
  2.                
    带圆拱或尖拱屋顶的锯齿型温室是最新发展起来的,它具有良好的通风性能,其跨度可达8米,且具有良好的落水和塑料薄膜覆盖性能。

图1 锯齿型温室的开窗

2. 在屋脊处设永久通风窗的温室

与锯齿型温室不同,屋脊通风口是处在自然通风的最佳点。这种温室型式最适于长期需要良好通风的温暖地区。但覆盖这种温室较为复杂。

我国各地夏季气候炎热、北方地区冬季还寒冷,因此在考虑建大型连栋温室时,对温室的夏季通风降温和冬季保温节能问题是事关温室效益的两个关键。如何兼顾温室的冬季保温和夏季降温,和确保冬夏两个气候不利季节的室内环境,可以说是抓住大型温室经济效益的根本前提。据在烟台农科院建成的7000M2连栋实验温室的运行结果看(详见都市农夫网温室田地栏目的图片介绍),锯齿型温室在加外保温覆盖的前提下,冬季室内外自然温差可保持在15-20℃;而夏季及其前后季节均可采用自然通风解决降温问题。这种温室的建设投资和运行费用均可降低20-30%。是我国今后发展的一个主要方向。

2.2 温室常用的建筑材料

  1. 钢材

用于温室建筑结构构件的钢材种类一般是ST37,含硅低。为防止腐蚀,最终的产品总是要镀锌的,不同的部件采用不同的镀锌方法。

1) 电镀锌方法

由于用这种方法镀锌的钢构件,具有非常光滑而良好的表面,因而常用于那些直接与柔性覆盖材料接触的构件,例如屋顶的圆拱与檩条。使用这种材料的缺点是全部加工制造过程如弯曲、钻孔或焊接等都还要在镀锌材料上进行,易破坏镀锌层,影响使用寿命。

2) 热浸镀锌

这种处理是在普通钢材上加上一厚层锌保护层。进行热浸镀锌时,构件是在弯曲、钻孔或焊接等都已完成以后进行的,以便加保护以后的构件可直接用螺栓安装。为确保较长的使用寿命,包括直接与聚乙烯膜接触的所有构件都应用热浸镀锌法。圆拱与檩条不用热浸镀锌件的理由是,与电镀法相比,热浸镀锌构件的表面质量很粗糙,这可能引起撕破覆盖的薄膜。

2. 铝材

铝材的抗锈蚀能力好、重量轻,且易于加工成任何一种所期望的断面形状。但在另一方面,铝的强度不如钢,且比钢材贵得多。在温室建筑上使用的许多构件都是由铝制成的,如:

1) 与通风系统有关的所有构件,包括屋脊檩条;

2) 用于玻璃覆盖的所有椽子;

3) 用于固定塑料薄膜的各种构件;

4) 用于小跨度玻璃温室的天沟。

3. 塑料

用于温室的塑料材料有聚氯乙烯(PVC),高密度聚乙烯(HDPE),聚丙烯和聚碳酸酯(PC)。其它一些PVC部件常用于代替铝构件或配件领域,如用于卷幕机构的连接部件、保温与遮光幕、格架系统等。

2.3 温室的主要构件组成

1. 柱

用于温室立柱的断面形状主要有圆管、矩形方管、C型钢或工字钢等开口断面。

1) 圆管

在轻型温室中,圆管是使用非常普遍的一种断面形状。大多数法国和荷兰塑料温室的制造商常用圆管,且大部分用电镀处理。圆管的最大优点是各向同性,断面标准且取材容易。其缺点是:

难于加工制造;钻孔之处无镀锌保护;几乎不可能知道或看清管子的内部状况;由于可能产生滑动,管与管之间不能采用简单的夹板装置连接来确保固定不动。

2) 矩形方管

矩形方管的特点与圆管很相似,但比圆管容易加工与连接。

3) 开口断面

特点:很容易加工,所有孔口都由冲孔完成;最终成品尺寸较精确;更易于装配;通常是加工好后再热浸镀锌;各断面状况都可以监视,且若观察到有问题,可以很容易地加以解决。

2. 圆拱与拱架

圆拱也可用封闭的或开口的断面形状制成。几乎上述对柱的所有优缺点也同样适用于拱架。但要用封闭的断面焊接拱架并合理的热浸镀锌几乎是不可能的。

3. 天沟

天沟是温室最重要的构件之一。它作为纵向结构构件起支撑作用,应能排泄走所有雨水,并且其强度应至少满足2名工人站在天沟中部进行覆盖材料的安装与检修等。

天沟的长度为3米到5米。塑料温室的天沟一般用热浸镀锌钢板制成,有的小跨屋面(如:Venlo型)温室采用挤压成型的铝材天沟。非常简易的木结构温室则主要用塑料天沟。

4. 基础

基础是连接结构与地基的构件,它必须将全部重力、吸力和倾覆荷载,如风、雪和作物荷载等安全地传到地基。

基础底部应低于冻土层,并应设置在原状土层平面上,而不能设在填充土上。基础底面的大小和深度应根据温室的尺寸和土壤条件而定,最小深度为低于自然地面600mm。

基础之间的安装尺寸及水平面上的准确性将影响温室上部结构总体装配过程的简易程度和装配速度。

预制基础底座是很好的方案,因为就砼和钢筋的质量而言,要准确地按照标准要求来制作基础是不可能的。另一方案就不太好,它是将镀锌钢材构件的底部插入基础墩里,再用砼现浇上部基础。

在安置基础时,非常重要的一点是沿天沟方向要有1-2%的坡度;而在垂直天沟方向,其坡度应尽可能为0%,最大坡度不应超过2%。

对天沟较长的温室,在地平上设置基础的坡度为从中间向两端方向逐渐降低。温室基础的设置见图2所示。

5. 结构节点

一个结构框架的强度只等同于其最弱的节点的强度,所以就连接方法和自身的连接强度而言对所有构件的连接都必须有合适的连接件。真正使温室坚固和安全的是不同结构节点的设计与施工质量。

有些节点是由焊接而成,但主要节点应用螺栓和螺丝将各连接构件相互连接在一起的。

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图2 连栋温室的独立基础

2.4 温室的设计荷载

温室的结构设计在考虑最大透光量的同时,还必须确保安全。因此,不透明的温室骨架在满足一定的强度要求以抵御在温室设计寿命期间的荷载作用的同时,应取其最小截面尺寸。

设计荷载包括结构的自重(恒载)、由于建筑物使用带来的荷载(活载),以及雪、冰雹和风等荷载。见图3所示。

1) 恒载——支撑结构,墙和屋面的重量,不包括永久性设备的重量。

2) 雪载和冰雹——雪荷载是根据地面预计的积雪量、屋面坡度、温室是否有天沟连接、以及是否加热等确定的。(在有雪地区,相邻温室的最小距离应保持3m,用于堆积雪。)

3) 风载——温室所设计的抗风载能力应符合当地建筑规范的要求。实际的风荷载大小取决于风向角度(风向是指产生最大风荷载的风向)、温室形状和尺寸以及当地有无障碍物等。

4) 作物荷载(对西红柿和黄瓜来说,通常假定作物纵向荷载为150N/m2

5) 安装设备荷载:(包括在屋顶上施工检修的人等)

包括:加热设备;降温通风设备和遮阴设备;输送管道,电缆线和照明设备;运输轨道,玻璃清扫装置;灌溉系统。

 

注意:在温室设计中应采用上述各项荷载中最不利的荷载组合。

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图3 温室常见的荷载

三、温室常用的覆盖材料

温室结构的主要目的是固定覆盖材料。因此,覆盖材料及其特性是整栋温室中最重要的部件之一。理想的覆盖材料应是透光量大,能阻止向外的热损失、坚固耐用、尽可能便于安装且价格便宜。由于不同的作物对环境的要求不同,因而不同的覆盖材料将对不同的作物起作用。

3.1 玻璃

在大多数气候寒冷的国家,玻璃仍然是常用的覆盖材料。大块玻璃的生产供给使得结构的遮阴率降低,同时也减少了安装费用。荷兰温室有的使用了从屋檐到屋脊的整块大玻璃。

 

玻璃具有如下优点:

1)极好的透光率----约90%;2)较优的热阻和隔紫外线能力、耐磨、寿命可达25年;3)热胀冷缩系数低;4)取材方便。

其缺点为:

1)抗碰撞性能低(钢化玻璃例外);2) 价格高(材料+密封);3)重量大;4)易被打破,且破裂以后不容易清理。

3.2 聚乙烯(P.E.)薄漠

在气候适中的国家,聚乙烯是最常见的温室覆盖材料。其普遍应用的原因,首先是价格低;其次,它可用于大量的简易结构温室。

在PE膜开始发展的阶段,P.E.膜的寿命很短,根据其开始盖棚时间的不同,大约能维持7~9个月。现在的P.E.膜已完全改变,其性能已大大改进。

聚乙烯膜的生产厂家提出了不同的P.E.膜生产方案:

1)P.E.+U.V.A.

2)P.E.+IR+AF+U.V.A.

3)P.E.+IR+AF+S.L.+U.V.A

最先进的P.E.膜采用三层处理方式,即其最上层含U.V.A(防紫外)添加剂,中间一层为I.R.(透光)吸收剂,最下一层有A.F.(流滴、隔长波辐射,即保温)添加剂。

目前生产的P.E.膜厚度在100到250微米之间,用在屋顶上预计寿命可达4年。P.E.膜的幅宽可达16米,长度任意。

P.E.膜的最大缺点是,有风时,PE膜不容易固定,铺在屋顶上缺乏可靠的安全性。

3.3 多层编织的聚乙烯膜

这种覆盖材料是由聚乙烯经拉丝、并象地毯一样编织而成的新产品,其表面有一很薄的保护层。该材料很结实,强度几乎要比普通膜高出20倍。该P.E.膜具有IR和AF两者相加的全部效果。其透光率为80%左右,价格大约是普通膜的3~4倍。

P.E.较难制成这种材料,且不象普通P.E.膜那样好拉伸。不过在另一方面,它结实得足可抵御强风,甚至轻微拍打。该材料生产的幅宽为2米,因此,为了满足屋顶所需要的适宜宽度,它必须焊接。一般这种材料的保用期为3年。

3.4 增强型聚氯乙烯薄膜

作为一种基本材料的聚氯乙烯(P.V.C),它具有与玻璃及其它良好材料类似的优良特性。

普通清洁的P.V.C膜约有85%的透光率,但就膨胀和施工安装性能而言,性能较差。正是由于这个原因,在温暖气候里薄膜变松驰,如遇到风就可能被吹坏。

新的增强型P.V.C膜实际上是由一聚酯材料织成的网的两侧再覆盖上普通的P.V.C而成。该网坚实,防止了薄膜的膨胀,并确保了材料的总体强度。一个中等身材的工人可以在这种覆盖材料上行走。

同样,增强型P.V.C膜具有U.V.A和AF两者叠加的性能,这大大改进了P.V.C的性能。

目前市场上出售的这种覆盖材料,有红色膜和透明膜两种。其透光率红色膜为80%,透明膜为85%。

该膜的厚度为0.325mm,因此非常重。在尺寸较大时就难于处理。现生产的幅宽也是2米,可通过焊接得到所需的宽度。其价格大约是P.E.膜的7~8倍。但在以色列,有许多地方已经在面积使用5年了。

3.5 硬质塑料覆盖

玻璃纤维增强塑料(FRP)板已经使用多年了。尤其在美国,市场上有各种不同的产品和不同的使用年限保证。有特殊保护层的板,使用寿命甚至可达20年,但价格也非常高。FRP板在新的时候的透光率和玻璃很接近。但用几年以后,纤维开始脱离聚酯,透光率下降,板也开始变黄。玻璃纤维板在常有冰雹危害的地区使用较多,因为它不象下班那样易受害。现在因有新的更好的塑料已出现,下班钢的应用已非常有限。

3.6 P.V.C透明板

波形P.V.C.板也是过去用于覆盖温室的硬质塑料中的一种。其最大问题是,耐高温性能较差。

3.7 聚碳酸酯板

聚碳酸酯是目前塑料应用中最先进的聚合物之一。聚碳酸酯具有各种性能相结合的特点:强度、透光率、弹性、自重轻、透明、温度适应范围宽等。板的制造是采用改进的共挤成型技术,这可以将紫外线保护层结合进产品中。该保护层不起皮,不变皱,不产生裂缝或磨损。该板在高温下也能保持其透光度。

硬质、透明的波纹状聚碳酸酯板,其可见光透光率达89%;可完全阻挡有害的紫外线辐射;对远红外有高吸收率;重量轻;因此易于安装。对透光率有10年的保证期;对冰雹危害也有单独的保证。

覆盖材料的性能:

材 料

特 点

商标名称

透光率(PAR)/(%)

透热辐射/(%)

寿命(年)

玻璃

非常透明、重、易碎

双 层

88

3

25+

隔 热

71

<3

25+

低 铁

90-92

<3

25+

聚丙烯

重量轻

高成本

弹性玻璃

93

<5

20+

双 层

83

<3

20+

聚碳酸酯(PC板)

高 效

高成本

单 层

87-92

<3

7-10

双 层

80

<3

7-10

玻璃钢

低成本

FILON

88

<3

10-15

聚乙烯

寿命短

SUN SELECTOR

85-90

<20

2-3

聚酯膜

幅宽小

MYLAR

85-88

30

7-10

PVF

高成本

TEDLAR

92

21

>10

PVC膜

很坚实

EREZ

80

10

4

编织PF膜

很坚实

PALRIG

78

20

4

四、温室的规划设计

作为永久性保护地设施的温室建筑工程,其一次性投资、运转费用和能源消耗,都远远超过了陆地的生产栽培,因此,在决定建造温室之前,必须对建造的各个阶段进行周密的规划,这需要考虑以下基本要素。

4.1 场地的选择

选择温室的建设地点,主要考虑气候、地形、地质、土壤,以及水、暖、电、交通运输等条件。

(一)气候条件

气候条件是影响温室的安全与经济性的重要因素之一,它包括气温、光照、风、雪、冰雹与空质量等。

1·气温:在掌握各个可能建造温室地域的气温变化过程的基础上,着重对冬季可能所需的加温以及夏季降温的能源消耗进行估算。无气温变化过程资料时,可着重对其纬度、海拔高度以周围的海洋、山川、森林等对气温的主要影响因素进行综合分析评价。

2·光照:光照强度和光照时数对温室内植物的光合作用及室内温度状况有着很重要的影响。它主要受地理位置和空气质量等影响。

3·风:风速、风向以及风带的分布在选址时也必须加以考虑。对于主要用于冬季生产的温室或寒冷地区的温室应选择背风向阳的地带建造;全年生产的温室还应注意利用夏季的主导风向进行自然通风换气;避免在强风口或强风地带建造温室,以利于温室结构的安全;避免在冬季寒风地带建造温室,以利于冬季的保温节能。对于温室 ,过大的风振会影响其使用寿命。由于我国北方冬季多西北风,一般庭院温室应建造在房屋的南面;大规模的温室群要选在北面有天然人工屏障的地方,而其他三面屏障应与温室保持一定的距离,以免影响光照。

4·雪:从结构上讲,雪压是温室这种轻型结构的主要荷载,特别是对排雪困难的大中型连栋温室,要避免在豪雪地区和地带建造。

5·雹:对普通玻璃温室的安全是至关重要的,要根据气象资料和局部地区调查研究确定冰雹的可能危害性,从而使普通玻璃温室避免建造在可能造成雹情危害的地区。

6·空气质量:空气质量的好坏主要取决于大气的污染程度。大气的污染物主要是臭氧 、过氯乙酰硝酸酯类(PAN)以及二氧化硫、二氧化氮、氟化氢、乙烯、氨、汞蒸汽等。这些由城市、工矿带来的污染分别对植物的不同生长期有严重的危害。燃烧煤的烟尘、工矿的粉尘以及土路的尘土飘落在温室上,会严重减少透入温室的光照量;寒冷天火力发电厂上空的水汽云雾会造成局部的遮光。因此,在选址时,应尽量避开城市污染地区,选在造成上述污染的城镇、工矿的上风向,以及空气流通良好的地带。调查了解时要注意观察该地附近建筑物是否受公路、工矿灰尘影响及其严重程度。

(二)地形与地质条件

平坦的地形便于节省造价和便于管理,同时,同一栋温室内坡度过大会影响室内温度的均匀性,过小的地面坡度又会使温室的排水不畅,一般认为地面应有不大于1%的坡度为宜。要尽量避免在向北面倾斜的斜坡上建造温室群,以避免造成遮档朝夕的阳光和加大占地面积。

对于建造玻璃温室的地址,有必要进行地质调查和勘探,避免因局部软弱带、不同承载能力地基等原因导致不均匀沉降,确保温室安全。

(三)土壤条件

对于进行有土栽培的温室,由于室内要长期高密度种植,因此对地面土壤要进行选择,选择的基本原则是:就土壤的化学性质而言,砂土储藏阳离子的能力较差,养分含量低,但是养分输送快。粘土则相反,它需要的人工总施肥量低。对于现代高密度种植作物而言需要精确而又迅速地达到施肥效果,因而选用砂土比较合适;土壤的物理性质包括土壤的团粒结构好坏、渗透排水能力快慢、土壤吸水力的大小以及土壤的透气性等都与温室建造后的经济效益有密切的关系,选择时要选择土壤改良费用较低而产量较高的土壤。值得注意的是,排水性能不好的土壤比肥力不足的土壤更难于改良。

(四)水、电及交通

1·水:水量和水质也是温室选址时必须考虑的因素。虽然室内的地面蒸发和作物的叶面蒸腾比露地要小得多,然而用于灌溉、水培、供热、降温等用水的水量、水质都必须得到保证,特别是对大型温室群,这一点更为重要。要避免将温室置于污染水源的下游,同时,要有排、灌方便的水利设施。

2·电:对于大型温室而言,电力是必备条件之一,特别是有采暖、降温、人工光照、营养液循环系统的温室,应有可靠、稳定的电源,以保证不间断供电。

3·交通:温室产品如能及时运送到消费地,便可保证产品的新鲜,减少保鲜管理的费用,因此,温室应选择在交通便利的地方,但应避开主干道,以防车来人往,尘土污染覆盖材料。

4.2 场地的规划

建设单栋温室,只要方位正确,不必考虑场地规划,如建设温室群,就必须合理地进行温室及其辅助设施的布置,以减少占地、提高土地利用率、降低生产成本。

1·建筑组成及布局

一定规模的温室群,除了温室种植区外,还必须有相应的辅助设施,才能保证温室的正常、安全生产。这些辅助设施主要有水暖电设施、控制室、加工室、保鲜室、消毒室、仓库以及办公休息室等。

在进行总体布置时,应优先考虑种植区的温室群,使其处于场地的采光、通风等的最佳位置。

辅助设施的仓库、锅炉房、水塔等应建在温室群的北面,以免遮阳;烟囱应布置在其主导风向的下方,以免大量烟尘飘落于覆盖材料上,影响采光;加工、保鲜室及仓库等既要保证与种植区的联系,又要便于交通运输。

2·温室的间距

为减少占地、提高土地利用率,前后栋相邻的间距不宜过大,但必须保证在最不利情况下,不致于前后遮荫为前提。

一般以冬至日中午12时前排温室的阴影不影响后排采光为计算标准。纬度越高,冬至日的太阳高度角就越小,阴影就越长,前后栋间距就越大。

3·温室的方位

在温室群总平面布置中,合理选择温室的建筑方位也是很重要的,温室的建筑方位通常与温室的造价没有关系,但是它同温室形成的光照环境的优劣以及总的经济效益都有非常密切的关系。所谓温室的建筑方位就是温室屋脊的走向,朝向为南的温室,其建筑方位为东—西。

我国对玻璃温室的初步研究成果以及由此提出对玻璃或PC板温室的建造的建议见下表所示。随着温室所在地理位置的不同,纬度增高则E—W(东—西)方位温室的日平均透光率比N—S(南—北)方位的日平均透光率将增大。经过分析,大致可以归纳成如下规律:对于以冬季生产为主的玻璃温室(直射光为主)温室,以北纬40° 为界,大于40° 地区,以E—W方位建造为佳;相反,在小于40° 地区则一般以N—S方位建造为宜。对于E—W方位的玻璃温室,为了增加上午的光照,以利于植物在光合作用强度较高的时段的需要,建议将朝向略向东偏转5° —10° 为宜。

 

表 北京地区(北纬39° 57´ )玻璃或PC板温室建造方位比较

 

东—西(E—W)方位

南—北(N—S)方位

日平均透光率比N—S方位高7%左右

日平均透光率小,但早晚透光率高于E—W方位

室内光照不够均匀,屋架、天沟、管线形成固定阴影

无相对固定的阴影带,光照比较均匀

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