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1、高效节能日光温室的设计建造及环境调控技术一、概述节能日光温室是我国创造的具有中国特色的一种新型保护地设施，能在北方寒冷的冬春季节不用人工加温进行蔬菜的反季节生产，实现周年种植、上市供应，是一项高投入高产出的农业高新技术。节能日光温室自上世纪80年代中期在辽宁省大连市瓦房店和鞍山市海城等地出现后，迅速在东北、华北及西北地区推广。这种温室在北纬40度以南区域取得了显著的经济效益和社会效益。至九八年底，全国日光温室已发展到200多万亩。甘肃省1999年底发展到19.2万亩，到2000年底达25万亩，到目前全省已发展到50万亩左右。这种新型日光温室蔬菜栽培的重大意义在于，首次在严寒的冬季不加温就可以生
2、产出黄瓜、番茄、辣椒、西葫芦等喜温蔬菜，从根本上解决了北方喜温蔬菜反季节和超时令生产与供应问题。节能日光温室技术的进一步开发和利用，将为新一轮的“菜篮子”工程提供可靠的技术保证。为挖掘土地资源、光热资源、劳动力资源，建设持续发展的高效农业起到重大作用。对加速农业现代化建设有着深远的意义。目前日光节能温室生产正向广度和深度进军。已从由生产各种反季节蔬菜的生产设施发展为种植蔬菜、瓜果、花卉的园艺设施进而发展为设施农业，已成为种植业、养殖业、水产业全面发展的新兴产业。节能日光温室技术从理论和实践上都逐步成熟，由经验型向科学型、由低级向高级发展。在推广和发展过程中，高效节能温室的结构、建筑材料、覆盖材
3、料等在不断完善改进。由省内科研院校研究设计建造的第二代日光节能温室（新型温室），其结构与性能已达到国内先进水平，蔬菜年亩产值达3万元的高效栽培技术已经形成。所谓“第二代” 日光温室是：是依据近年研究提出的新的设计原理采用新结构、新材料、新设备建造起来的采光、蓄热、保温、抗荷载等性能更加优化、严寒季节室内外最低温差达30 以上。我国日光温室与国外现代化温室无法相比，但其造价低廉，是国外温室相同面积造价的 1/51/10。不仅符合中国国情，而且经济效益社会效益十分显著。这也是发展快的主要原因。高效节能日光温室：指那些在设计建造上特别重视采光、蓄热和保温防寒，因而可以在纬度较高地区和严寒的冬季基本上
4、不用加温就可以进行蔬菜特别是喜温蔬菜生产的高效节能温室。（一）普通型日光温室（第一代）和高效节能日光温室（第二代）的差异1.第一代日光温室存在的问题：(1)采光面多为一斜一立式（琴弦式）致使：a.温室容积小，热缓冲性小，降温快，深冬季节夜间温度过低，影响黄瓜、番瓜等作物的生产，限制甜瓜、西瓜、茄子、辣椒等作物的深冬生产。b.温室前脚两米内高度不够，影响作物的生长，同时农事操作困难，不利于种植者身体健康。(2)采光面骨架为竹木材料，不易弯曲，不能形成理想的、拱形结构，同时其强度较小，需要2-3排立柱，遮阴面大，不便于农事操作。(3)后屋面骨架为木檩材料，在温室环境下易发霉、虫蛀、段裂，导致后屋面
5、塌陷，温室折旧费用高。第一代日光温室的保温能力为20 左右，即冬季室内外最低气温差为20 左右。近几年由于冬季气温比正常年份平均值高3-5 ，使日光温室生产取得成功，但也有相当数量的日光温室出现了冷害。1月份黄瓜、番茄等喜温蔬菜产量不到3月的一半，甚至冷死。2.第二代日光温室优点（新型）(1)设计合理：新型日光温室是以太阳辐射为热源，靠加厚墙体防寒以及利用纸被、草苫等进行的御寒保温的一种单屋面结构形式。其突出特点有：a.采光面角度大。一般前屋面角24-35，比普通温室提高5-7，大大增加阳光进入温室的透光率。同时，后屋面仰角也增大，30-45（37-41），保证了在冬季时太阳光能照射到后墙上，
6、故室内光照好，温度高，室内气温白天保持20左右，严寒时气温不低于8。b.加大墙体及后屋面厚度，增加温室保温蓄热能力。再加上温室周围挖防寒沟，大大增加了保温能力。土墙1-1.3米厚，后屋顶40-70cm厚。c.容积大热容量增大，环境条件变化小，温室高2.8-3.6m,跨度6-8 高跨比1：2-1：2.5，空间大，保温性优良，透光好，温度稳定。d.加厚不透明覆盖材料，草帘等，选用透光性好的新塑料薄膜。达到节省燃料、保温防寒目的。因而可在冬季 生产 黄瓜、番茄、青椒、西葫芦等喜温蔬菜，供应元旦和春节市场。(2)取材方便、成本低。a.北墙和东西墙可用土墙、砖墙、石墙、空心墙、夹层墙等多种形式。b.后屋
7、面材料可用秸杆、竹木等 。c.立柱可用木材、混凝土、钢材结构。d.采光面骨架可用竹竿、钢管等。第二代高效节能日光温室的保温能力可以达到30 以上（一年中最冷时，晴晨温度最低时室内外温差）。且在1997年12月最低室外气温为-23 时，室内气温保持在8 以上（8-(-23)）=31 。（二）日光温室生产存在的问题1.不能因地制宜，全面规划，盲目引进，缺乏理论依据。应根据各地条件发展日光温室。当地以塑料大棚为主适当发展日光温室。2.温室结构不合理，保温措施较差。盲目建造日光温室，结果温室屋面角度、高跨比、墙体结构都不符合当地气候条件，则保温性极差，冬季不能生产喜温性蔬菜。3.温室蔬菜生产技术难度大
8、，必须是以调节温室 温、 光、水、气为中心，应严格科学管理。4.缺少日光温室专用品种。应选育耐低温、耐弱光、耐高湿,高产优质抗病的品种。5.栽培品种单一，问题严重。6.缺乏高产优质蔬菜生产技术标准化体系 。导致产量低，污染严重、品质较差。应推广无公害蔬菜生产。二、高效节能日光温室结构类型及性能特点（一）日光温室结构类型1.依据前屋面形状可分为。(1)半拱圆形屋面： 弧形采光屋面。采光面大，空间大，薄膜紧贴屋面，便于严紧压实。(2)一坡一立式屋面：有立窗式温室。建造容易，但前部较低，空间较小，但夜间保温较好。2.从建材上分：(1)竹木结构：以竹竿做拱架，圆木或水泥柱做立柱。(2)水泥竹木混合结构
9、：用预制水泥混凝土摸件做立柱拱架和立柱，间隔搭配竹木拱架。(3)钢管骨架结构：采用无立柱大跨度桁架结构，砖墙。采光好、跨度大、空间大，便于操作，使用寿命长。（二）各种类型日光温室结构、性能1.琴弦式日光温室。2.长后坡矮后墙拱圆形温室。3.短后坡高后墙日光温室。4.无立柱钢管结构日光温室。三、高效节能日光温室的设计（一）高效节能日光温室的设计指标1.光照设计指标。节能日光温室以太阳光为能源，一方面靠太阳辐射维持室内温度与热量平衡，另一方面以太阳辐射作为光合作用的唯一光源。同时由于各种作物对光照要求不同，西瓜、甜瓜、番瓜、茄子、辣椒、黄瓜在温室生产要求4万LX光照温度，菜豆、豌豆、菜等要求1-4
10、万LX，而姜、莴苣、茼蒿等要求小于1万LX。因此，温室设计首先应以强光性作物为对象进行设计，这样温室管理与茬口安排选择余地较宽，温室适应力也较强。同时为保证强光性作物生产，设计采光应达到大于光补偿4000 LX的6小时，累计光照温度平均不低于2万LX，为此：室内前坡离地1m高出的平均透光率应在70 以上。2.温度设计指标。节能日光温室的室内设计温度主要取决于种植作物对温度的要求。一般对种植 喜温果菜的温室，冬季室内设计气温不应低于12，黄瓜、番茄、温室生产允许最低温为8，但持续时间不得超过1小时，设计上一般喜温蔬菜地温高于10，最好1214。以满足根毛正常生长发育的要求。节能日光温度的室外设计
11、指标一般是20年最冷日温度的平均值，西北主要城市的日光温室室外设计温度是，兰州-15、银川-18、西安-8、乌鲁木齐-26，甘肃河西平川灌区节能日光温室室外设计温度一般均在-20左右。为保证第二代日光温室能抗拒冷冻危害，提高安全生产可靠性，现设计指标是：严寒冬季室内处最低气温差30，即 ：在极端气温-22出时，或遇有十多个连阴天，在完全不加温的情况下，室内最低气温8以上，10cm地温在11以上。3.整体稳压性设计指标：要求可承担风压、雪压和架材固定荷载等20年一遇的最大荷载组合。荷载设计能力达到300kg/m.(二)高效节能日光温室设计：1.设计依据：日光温室依靠薄膜对光的选择性透过作用将太阳
12、能蓄积在温室内而使温室升温；依靠塑料薄膜、后墙、山墙等形成的相对密封体系避免空气对流散失热量而降低温度，依靠后墙、后屋面、山墙、不透明覆盖材料等。减少热量传导散失、减少温度下降速度。优良的结构应具备采光性能好、升温快、热量散失少、降温慢、热容量大、温度缓冲性大，可利用面积大、便于农事操作，骨架结构合理，建造成本低等指标。温室的升温、保温性能更主要体现在一年中最冷时期的升温保温效果。多年气象资料表明，一年中元月上旬小寒（1.8）前后为最冷，设计中以北纬36地区1月6日中午太阳的高度角计算。前屋面结构、形状直接影响温室的采光角度、采光性能。当太阳在膜上入射角为0（即太阳光线与采光面垂直）时，太阳光
13、透过率为100%（即全部透过没有反射），这时的温室前屋面角为最佳屋面角经计算为5910，建前屋面采光角度为5910的一面坡式一斜一立式温室是不科学，也不可能。试验表明入射角在40以内对透光率影响不大，大于40时透光率明显减少，据此，把偏离角度在40以内的温室采光面称为合理采光面。因此，入射角应保持在40以内，才能保证有较大的透光率。阳光照射到薄膜屋面时，一般分为三部分：一部分被吸收，一部分被反射，一部分才进入温室，即：吸收率+反射率+透光率=100%（1）屋面角度的合理取值：（前屋面）透光量最大时的屋面角度（）应该是与太阳高度角成直角。屋面角=（当地纬度）-（当地赤纬角）当地赤纬随季节而变化，
14、夏至时（赤纬）为2327，立夏立秋为1620。按=-计算出的屋面角偏大，由于太阳入射角在040范围内直射光透过率差异不大，因此，一般实际的屋面角度应减去40。如天水纬度34053510，冬至时屋面角：天水=34053510-（-2327）-40=（57325837）40=17321837之间即在天水合理屋面角为17321837之间，但实际取值公式：。=纬度-4即天水最佳屋面角为：天水=-4=340535104=30053110之间在当地最佳屋面角大致为2530（2）后屋面长度及屋面仰角设计日光温室后屋面长度一般在甘肃为2.555m,在室内水平投影为1.4m,为好，后屋面仰角3741，一般取38
15、。（3）日光温室跨度与屋脊高度设计：北纬40以北地区，跨度一般为7m。 跨度：北墙内侧基部到前脚膜入土的距离。高度：在屋脊的最高处到温室内地面的垂直距离，北纬40以南地区，温室跨度一般为78m.高度一般情况下，可按当地纬度大小先选择适当前屋面角值，并确定一个合理的后坡，水平长度b，再计算脊背高度：H=（B-b）tga.若B=8，b=1.4.a=30,则H=(8-1.4)tg30=3.8m一般在甘肃，温室高度为：3.5-3.6m（4）长度设计：40-80m,目前一个标准棚为60m.2.保温设计：（1）主要是墙体和后屋面材料的选择，及确定材料的厚度。惯流放热：热量以传导方式，通过覆盖材料或围护材料向外散热。日光温室所用的围护结构的材料既要有阻止室内热量向外传递的能力（保温性），又要有一定的贮存热量的能力（蓄热性）。围护结构阻止热量传递的能力，可用热阻R评价，R越大保温能力越强，室内外温差越大，要求热阻就越大，满足一定保温要求所必需的最小热阻，叫围护结构的低限热阻。由多层材料共同组成围护结构的总热阻为：R。=1/1+2/2
