华南区域温室自然通风系列天窗装置

李 苇，李惠玲，刘霓红，程俊峰

（广东省现代农业装备研究所，广东弘科农业机械研究开发有限公司，广州 510630）

华南区域温室自然通风系列天窗装置

李 苇，李惠玲，刘霓红，程俊峰

（广东省现代农业装备研究所，广东弘科农业机械研究开发有限公司，广州 510630）

温室自然通风是一种基本不消耗动力能源，利用风压和热压进行温室内外空气交换的环境控制技术，为华南地区温室通风换气的主要方式。为了改进温室自然通风系列开窗装置，提高温室通风效果，利用卷膜式和齿轮-齿条驱动式研制了不同通风比的温室天窗装置，并对其操作方法进行了详细说明。研制的温室天窗装置操作简单，运行管理费用低，可以满足不同植物品种生长的需求，有助于提高华南设施环境调控技术水平。

温室，自然通风，天窗装置，通风比

0 引言

近年来，我国积极推进农业现代化和机械化，加快设施农业发展。各地响应政府号召，不断加大对温室产品研制的扶持力度，我国自主研发的温室设施产品源源不断，设施农业现代工厂化生产方式已初具规模。但是，我国设施农业发展水平与荷兰等设施农业发达的国家相比差距依旧较大，推广应用范围有限，造成农业设施产业化改造进程缓慢[1]。为了加快设施设备向标准化、规模化、产业化的现代生产方式发展，提升我国温室环境控制设备的技术水平，研究华南区域温室自然通风系列天窗装置具有十分重要的意义。

自然通风主要依靠外部风压和内外空气热压使空气流动，从而达到交换室内外空气的目的，是温室栽培中一个重要的过程，为华南区域温室生产中主要的降温、通风、换气方式[2]。合理设置温室开窗装置，可以排除温室内的余热、余湿，增加温室内CO2含量，改善温室内的环境，从而有效提高各类设施环境控制装备的高效性及节能性[3]。通过在温室顶部设置天窗装置可以确保室内外空气充分对流，获得良好的通风效果，满足植物生长的需要[4]。

开窗机是用于温室中天窗开合的主要机械设备。目前有多种开窗机应用于温室开窗装置，有手动、电动卷膜机，齿条直推开窗机构，齿轮齿条-推杆开窗机，钢丝绳-连杆式开窗机等[5]。但是，由于传统农业生产理念的制约，农业设施设备的研制资金投入有限，设施设备普遍存在结构设计缺乏科学性，技术含量不高。而且各地设施大棚建设没有充分考虑当地自然气候条件和不同作物的生长特性，自然通风开窗方式对温室内部气流特性的影响缺乏相应的研究，影响开窗装置通风面积，没能达到最佳通风效果，无法实现设施大棚的最大经济效益。

针对上述问题，本文在对华南地区区域性气候及作物适应性调研的基础上，研究华南地区适用性园艺设施环境控制技术，采用通风比的计算方式，研发不同通风形式和通风面积的系列天窗装置，提高自然通风系列开窗装置设计的合理性，为各地设施设备生产提供技术参考。

1 温室开窗方式

华南地区地处南亚热带季风海洋气候区域，光、热、水资源丰富，夏长冬暖，雨量充沛。自然通风通过开启温室天窗和侧窗可以改善温室内环境，运行费用低，是华南地区一种主要的通风换气方式。常用的温室开窗方式主要有卷膜式和齿轮齿条驱动式。为了满足不同温室生产的需要，选择合适的开窗方式，改进温室自然通风系列开窗装置，减少成本，提高劳动效率十分重要。

1.1 卷膜式

卷膜式开窗方式根据卷膜器的不同，分手动卷膜和电动卷膜，主要是通过转动安装在卷幕杆上卷膜器，使温室覆盖薄膜由下而上卷起，形成通风口，增强室内外空气交换，改善温室室内环境，关闭卷膜天窗装置后，可以形成温室良好的密闭环境，提高温室保温效果。卷膜式开窗方式结构简单，运行费用低，易操作，但机械化程度较低，比较费时费力。

1.2 齿轮齿条驱动式

齿轮齿条驱动式是目前开窗系统常用的驱动方式，通过启动天窗减速电机驱动装置，减速电机带动传动轴转动，经齿轮转动使齿条运动带动天窗开启和关闭，形成温室通风口。齿轮齿条驱动式温室开窗方式结构简单，安装方便，作业效率高，但是成本相应较高。

2 温室自然通风系列天窗装置

图1 温室单向卷帘天窗装置结构示意图

图2 双圆弧面小锯齿型温室单向卷帘天窗装置示意图

2.1 单向卷帘天窗装置

图1为一种温室单向卷帘天窗装置，包括天窗窗口、膜杆、窗薄膜、窗卡槽卡簧、膜器。天窗窗口长度与温室长度相等。卷膜杆（带接头）由Φ25×1.2 mm、长6 m的圆管连接而成，利用螺丝固定，利用压膜卡将天窗薄膜下边缘固定在该卷幕杆上，整个天窗，每米卡3个。卷膜器固定在卷幕杆上。卷膜器摇杆由夹箍夹在温室落水管上，该卷膜器摇杆为Φ22×1.2 mm、长6 m的圆管。天窗薄膜采用0.13 mm厚PEP利得膜。

图2为该天窗装置的实施案例一的结构示意图，通过设置长短主拱杆，构成双弧面小锯齿型屋顶，在屋顶处设置单向卷膜手动天窗装置，天窗装置窗口高度约为0.7 m。

图3为该天窗装置的实施案例二的结构示意图，在单坡锯齿型屋顶处设置单向卷膜手动天窗装置，高度约为1.5 m。

通过手动摇动卷膜器的手柄，该单向卷膜通风装置将由下而上卷起天窗覆盖膜，形成通风口，增强室内外空气交换，改善温室室内环境，关闭卷膜天窗装置后，可以形成温室良好的密闭环境，提高温室保温效果。卷膜器摇杆在不用时可以通过夹箍夹在温室落水管上。

针对不同通风形式和通风面积，研制的双圆弧面小锯齿型天窗装置最大通风比可达到10%，单坡锯齿型天窗装置最大通风比可达到25%。

图3 单坡锯齿型温室单向卷帘天窗装置示意图

2.2 温室单向外翻天窗装置

研制的温室单向外翻天窗装置如图4所示。

图4 温室单向外翻天窗装置结构示意图

从图4可知，温室单向外翻天窗装置，包括单向外翻天窗、天窗拱杆、天窗塑料垫、天窗减速电机驱动装置、齿轮齿条传动系统、天窗端封板、天窗薄膜和用于固定薄膜的卡槽卡簧。

单向外翻天窗的窗框长度与温室长度相等，在温室窗框两端设有天窗端封板。天窗拱杆采用规格为40 mm×40 mm×2 mm，长L=3 820 mm的方管，该天窗拱杆为窗框骨架，通过天窗夹箍与温室纵杆铰接。天窗塑料垫通过固定扣固定在温室天面主拱杆上。减速电机通过电机固定板装在温室天面主拱杆上。安装在减速电机上的传动轴沿温室开间方向，采用固定在主拱杆上的轴承连接板支撑。该天窗装置利用齿条作为天窗撑，长度为1 450 mm，一端与天窗拱杆铰接，另一端为自由端，该齿条穿过齿轮齿条连接座，与传动轴上的齿轮啮合。温室单向外翻天窗装置每跨设有一个天窗减速电机驱动装置。

通过启动天窗减速电机驱动装置，减速电机带动传动轴转动，经齿轮转动使齿条运动带动天窗开启和关闭，形成温室通风口。该单向外翻天窗装置最大通风比可达到50%，使得温室温湿度与室外趋于一致，满足华南地区不同植物品种的生长需求。

2.3 温室双向外翻天窗装置

图5所示的为温室双向外翻天窗装置，包括天窗减速电机驱动装置、齿轮齿条传动系统、天窗。温室天窗由屋顶人字形大梁支撑。

两个外翻天窗能分别绕温室屋顶铝合金专用型材旋转而开启和闭合，两个天窗关闭时与温室天面贴合，全开启时成“一”字型，在保证温室有效通风的同时，可以防止正午阳光直射灼伤植物，还可以防止暴雨在没有及时防范的情况下袭击植物。每个天窗通过挂角与扣槽相互铰接，保证了天窗可以绕屋顶在一定角度内旋转。铝合金专用型材固定安装在大梁上，位于两天窗的中部。天窗覆盖材料为厚5 mm的透明浮法玻璃。

天窗减速电机通过电机固定板安装在温室支撑横架上，其接线口向下，便于电机接线安装，且可以有效防止温室天面雨水淋到电机内。天窗装置的传动轴通过轴承连接板与温室支撑横架垂直连接。温室单向外翻天窗装置每跨设有一个天窗减速电机驱动装置。

通过启动天窗减速电机驱动装置，减速电机带动传动轴转动，经齿轮转动使齿条运动，带动天窗开启和关闭，形成温室通风口。每组齿轮齿条传动系统均包括2个齿轮和2个齿条，且2齿条分别从传动轴的上方和下方穿过齿轮齿条连接座，与2齿轮啮合，从而保证天窗同时开启和闭合。该温室双向外翻天窗装置最大通风比可达到25%。

2.4 温室连片单翼外翻天窗装置

图5 温室双向外翻天窗装置结构示意图

图6 温室连片单翼外翻天窗装置结构示意图

图7 温室连片单翼外翻天窗装置原理图

图6-7所示的为温室连片单翼外翻天窗装置，包括天窗减速电机驱动装置、齿轮齿条传动系统、天窗、推杆、天窗撑杆。天窗在闭合状态由温室屋顶圆弧形拱杆支撑。天窗撑杆包括天窗撑杆A和B，两天窗撑杆一端分别固定在天窗连接件上，另一端汇于一点，并用温室专用紧固件与推杆连接。天窗覆盖材料为PC波浪板，采用聚碳酸酯波浪板，厚0.8 mm，透光率达90%以上，该PC波浪板具有一定的弹性变形能力，该天窗覆盖材料一端通过连接件与温室屋顶圆弧形拱杆固定链接，另一端为自由端，可以随着天窗撑杆的运动而打开和封闭天窗口。天窗两端设天窗端封板，该端封板折边后，滚成圆弧。齿条可以沿着桁架方向往复运动。减速电机通过电机固定板安装在温室立柱上，采用正常限位加紧急制动双重保护自停装置，并配备热继电器保护。传动轴通过轴承连接板与温室立柱连接，采用专用的滚动轴承支撑，阻力小且免维护。天窗推杆利用滚轮座与温室桁架连接，支撑推杆，同时还可以确保推杆沿着桁架方向往复运动，减少摩擦。温室连片单翼外翻天窗装置每三跨设有一个天窗减速电机驱动装置。

该天窗装置工作原理如图7所示：通过启动天窗减速电机驱动装置，减速电机带动传动轴转动，经齿轮转动使齿条运动，带动连接在齿条上的推杆沿着温室桁架方向往复运动，行程约为0.35 m。固定在推杆上的天窗撑杆A和B随着推杆运动带动天窗开启和关闭，形成温室通风口。该温室双向外翻天窗装置为自由式连片天窗，每台电机可以控制3 000 m2的区域，其最大通风比可达到30%，使得温室内温湿度与室外趋于一致，满足华南地区不同植物品种的生长需求。

2.5 温室全开屋面外翻天窗装置

如图8所示，温室全开屋面外翻天窗装置包括两个能分别绕温室水槽旋转而开启的天窗。该天窗关闭时，与温室“人”字形支撑架贴合，全开启时成“八”字形。固定天窗的型材一端与水槽铰接，保证天窗可以绕水槽旋转开启和闭合，另一端在天窗闭合时与天沟搭扣，保证温室的密封性。该天窗覆盖材料为厚6 mm的PC浪板，可以避免强光直射损伤植物。

减速电机安装在立柱上，其动力输出口与主传动轴连接，主传动轴另一端与扭矩分配器连接，扭矩分配器另一端通过万向节与连杆传动轴连接，连杆传动轴通过联轴器与蜗轮蜗杆减速器的蜗杆连接，蜗轮蜗杆减速器的涡轮安装在天窗传动轴上，天窗传动轴上安装有齿轮齿条传动系统，其中，齿条一端与天窗铰接，带动天窗启闭，另一端与齿轮啮合。

温室全开屋面外翻天窗装置开窗阻力小，传动更加平稳，整体结构更加安全可靠。

图8 温室全开屋面外翻天窗装置结构示意图

3 通风比计算

为了适应不同作物栽培方式、设施结构形式，提出天窗装置通风比的计算方式，为研发不同通风形式和通风面积的系列开窗装置提供技术参数，满足生产不同植物品种的需求。通风比表示开窗投影面积与温室地面投影面积之比。

卷帘式开窗装置通风比K按式（1）计算

式中K为开窗装置的通风比，%；S1为温室室内地面投影面积，m2；S2为温室通风口面积，m2。

外翻式开窗装置通风比按式（2）计算

式中S3为温室通风口地面投影面积，m2。

天窗装置通风比的计算结果可以作为评估开窗有效面积的一个指标，为建设华南地区适应性设施大棚提供技术指导，实现设施大棚的最大经济效益。

4 结语

温室天窗装置是温室实现自然通风一种重要形式，可以有效排除温室内的余热、余湿，同时增加温室内CO2含量，使温室内的环境满足植物最适宜生长的条件，在改进现代设施环境调控设备中展现出巨大的应用前景。采用手动卷膜方式控制天窗启闭，操作简单易行，温室运行成本低，通用性强，通过改变温室天窗结构，可以满足不同植物通风换气、降温的需求。齿轮-齿条驱动式提高了设施设备的机械化程度，提高劳动效率和开窗控制精度。随着现代节能高效设施园艺装备的不断改进，结合开窗结构的优化，提出通风比的概念，丰富和改进温室通风效果的评估，将其应用到自然通风系列开窗装置的研制中，将有利于提高温室天窗、侧窗结构设计的合理性，优化设施环境调控配套装置的实施方案。华南区域温室自然通风系列天窗装置的研究有助于实现温室栽培高效、优质生产，将有望突破制约华南地区设施农业发展的瓶颈问题。

[1]张晓文．设施农业的发展现状与展望[J]．农业技术与装备,2006（11):6-8．

[2]吴玉发,李惠玲．华南地区温室大棚通风降温设施结构形式及设计分析[J]．现代农业装备, 2013（5):60-62．

[3]张蓓,陈伟旭,金鹍鹏,等．北方现代温室开窗系统的研究[J]．农机化研究，2012,34(8): 249-252．

[4]尹凤福，汪遵元，马明建．温室大棚的开天窗机构[J]．粮油加工与食品机械,1999,（4): 22-25．

[5]马明建,孙秀珍．钢丝绳-连杆式温室天窗机构的研制[J]．现代化农业,2000（8):36-37．

Skylight Device for Natural Ventilation Series in Southern China

Li Wei1,2,Li Huiling1,2,Liu Nihong1,2,Cheng Junfeng1,2
(1.Guangdong Research Institute of Modern Agricultural Equipment,Guangzhou 510630,China; 2.Guangdong Hongke Agricultural Machinery Research and Development Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,China)

Greenhouse natural ventilation is the main way of ventilation in Southern China area,which making full use of wind pressure and hot pressure for the air exchange and almost no energy consumption.To improve the natural ventilation system of greenhouse and the ventilation effect,this paper developed skylight devices with different ventilation ratio and described the operation method in detail by the roll film and gear rack drive.The developed skylight devices have simple operation and low cost of operation management,and could meet the needs of different plant varieties.It is a highly effective and energy-saving ventilation system that helpful to improve the technical level of Southern China facility environment regulation.

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“十二五”农村领域国家科技计划课题（2014BAD08B03）， 现代节能高效设施园艺装备研制与产业化示范（2014BAD08B00），华南设施环境调控配套装备研制与产业化示范（2014BAD08B03-5），华南温室环境调控技术优化及集成应用。

李苇（1989—），女，硕士，主要从事设施农业装备技术的研究。Email:1214107350@qq.com。