南疆地区组装式深冬生产型日光温室的设计及建造

平媛媛，刘立平，张彩虹，穆肖芸，卜立君，卞志伟，卜崇兴

（1.新疆科创天达农业工程有限公司，新疆 昌吉 831100；2.上海孙桥溢佳农业技术股份有限公司；3.新疆农业科学院农业机械化研究所）

0 引言

日光温室是我国首创的温室结构形式，作为我国设施农业产业中的主体之一，为解决长期困扰我国北方地区的冬季蔬菜供应紧缺问题、增加农民收入、节约能源、促进农业产业结构调整、避免温室效应造成的环境污染等均做出了较大贡献[1-2]。日光温室由两侧山墙、维护后墙体、支撑骨架及覆盖材料组成，传统日光温室在建造和使用过程中存在一些缺陷，例如夯土墙体结构或砖墙、石块等墙体遮阳，土地利用率低且存在建筑污染，抗风、雪、雨及阻燃能力均不强，保温材料陈旧，建造及使用成本高，不利于工业化生产和产业化操作等[3-4]。

组装式日光温室已成为当前农业生产设施领域的研究热点。目前国内外已有不少关于轻简装配式日光温室的研究，其中国内研究主要集中在材料的选择和结构设计上，如采用轻钢结构和玻璃纤维增强塑料等轻质材料，设计出简单、易于组装的结构以满足农业生产的需要[5-6]。笔者认为需要注重温室的功能和效益，如采用节能技术及智能化控制系统等提高温室的生产效率和质量。根据我公司的组装式深冬生产型日光温室的组成及具体运用情况进行总结介绍，通过集成示范设施栽培关键技术来解决我国农业发展中存在的问题，为南疆地区设施农业生产可持续发展提供技术途径。

1 南疆地区设施农业条件

南疆以塔克拉玛干沙漠为中心，三面环山，属于温带大陆性干旱气候，年均降水量较少，夏季炎热干燥，冬季寒冷，但水土、光照资源丰富，有利于农牧业发展[7]。南疆地区土地资源相对贫瘠，多数区域土壤质量较差，盐碱化问题普遍存在，水资源相对匮乏，主要依赖天然降水和地下水，地下水位下降和水质恶化是当前面临的问题。

2 日光温室结构设计

组装式深冬生产型日光温室为单栋，温室外长度50～150m（可根据地块现状进行规划设计），宽度9m、10m 或12m，最高点高度5.1m，后墙高度4.2m。山墙与后墙材质相同，后墙及两侧山墙埋入地下0.75m。

2.1 日光温室方位设计

日光温室方位设计为坐北朝南，东西延长，使采光面朝向正南以充分接受日光照射[8]。本日光温室以叶城县为项目示范区，示范区所在地冬季早晨比傍晚气温更低，因此保温被不能太早揭开，为了充分利用下午的阳光，温室方位可以稍微向南偏西，偏离角的确定要考虑当地的地理纬度和揭帘时间，并综合考虑当地冬季的主导风向，如果采光面直接受到寒风吹袭将会降低温室的保温性能，因此设计采用偏离角取值南偏西5°～10°。

2.2 温室间距

为了确保后座温室内作物在冬至日至少获得4h的光照时间，两座温室之间的距离应为温室脊高的2～2.5 倍，纬度高的地方取较高值，纬度低的地方取较低值。图2为温室间排布示意，展示了两座温室南北之间距离应不小于下列公式计算的数值。

图2 温室间排布示意

式中h—日光温室的脊高与保温被高度之和，m；L—日光温室后屋面投影与后墙厚度之和，m；θ—当地的温室生产太阳高度角，°；R—修正值，一般取值为1m。

叶城县位于北纬37.36°，冬至日太阳高度角为29.14°，建造日光温室高度为5.1 m，加上保温被高度计为5.5 m，后墙宽为0.1 m，脊高投影点距后墙内侧位1.1 m，按照式（1）计算可得前后两座温室的合理间距为D=9.67 m，取整设计前后两排日光温室的间距为10 m。

2.3 温室整体设计

温室设计应符合GB/T51183-2016 农业温室结构荷载规范、GB/T 51424-2022 农业温室结构设计标准，GB 50009-2012 建筑结构荷载规范、NY/T 3223-2018 日光温室设计规范、JB/T 10296-2013 温室电气布线设计规范、JB/T 10306-2013 温室控制系统设计规范和JGJ/T 260-2011 采暖通风与空气调节检测技术规程等要求。

2.4 骨架设计

创建日光温室三维模型（图3），在模型中包括建筑物的外观、结构、覆盖、维护结构、通风及电气系统等各个方面的元素，生成平面图、立面图和剖面图等施工图纸以及设计报告和材料清单。

图3 日光温室三维模型

整个温室地梁及骨架采用组装式轻钢结构，温室地梁及骨架材料中涉及到的钢材质量应符合GB/T 13793-2008 直缝电焊钢管的标准。

拱架总长15.3～18.0 m，其中前屋面弧长9.3～12.0 m，后屋面及后墙钢梁长度6m。拱架可选用Ф60的热镀锌钢管，加工成75×30mm 扁圆管；钢拱架间距0.9m 或1m，分别在底部、腰部、顶部设5～7 道Ф25 的横向稳定杆（横拉杆），后墙设4道Ф25的横向稳定杆。

螺旋地桩基础地桩采用热镀锌钢质螺旋地桩（Ф76 mm，L=1.55 m 或1.60 m），具体使用依据施工地的土质和水文状况确定。

圈梁材料采用热镀锌钢扁圆管（75×30×2.0 mm）组装而成，圈梁上有与温室拱杆相匹配的连接预埋件。

2.5 维护材料

温室的围护结构包括后墙、山墙及后坡。根据日光温室的三维模型分解温室的围护结构设计工厂模块化组件，为了方便制作、运输及安装，后墙与后坡形成连体结构。山墙同山墙钢结构形状匹配，随后山墙与后墙体焊接成一体。温室的围护结构选用新材料保温墙体，厚度约0.1m。围护结构墙体技术参数：质量≥3.5 kg/m2，热导率≤0.037 w/（m·k），保温率达到96%。

2.6 覆盖材料

（1）采光透明覆盖材料：选择聚氯乙烯无滴膜、EVA高保温无滴膜、聚乙烯无滴膜或PO 高保温无滴膜，厚度不低于0.10mm。

（2）保温覆盖材料：前坡保温被选择高强PE 复合布与高效新保温材料绗缝焊接制成，防水性能好，可有效阻燃，热导率≤0.07w/（m·k）。

2.7 配套装备及材料

2.7.1 卷帘机系统

保温被两端分别固定在温室顶部和下部卷被杆处，用电力作动力，动力经减速机传到转动轴，使一端固定在转动轴上的保温被拉绳不断绕到卷被杆上，将保温被缓慢地卷至日光温室的顶部，电机反转，保温被靠自重缓慢落下。

2.7.2 通风系统

温室自然通风系统的结构应根据流体力学原理和通风量要求来选择合适的结构形式和通风口的面积，推荐采用屋顶电动和裙膜电动组合的通风结构。每条卷膜窗的一端配有卷膜电机和导向支撑杆，立面装有金属卷膜杆，此设计可以实现温室通风的自动化控制并能有效调节温室内的温度和湿度。

（1）顶部通风系统：顶部通风口设置为1.3～1.5 m，温室顶部安装一条电动启闭卷膜侧天窗，卷膜高度为0.8～1.2m，通风口内装有40～60 目防虫网，根据需要增加顶部网片，防止顶部兜水。

（2）裙膜通风系统：温室前屋面0.5～1.5 m 高处设前屋面通风口，与顶风口配合使用，促进空气循环。立面装有电动启闭卷膜前屋面，内侧装有40～60 目防虫网。

2.7.3 电气控制系统

温室的电控系统设计应充分考虑智能化控制的要求，电控系统由控制箱、电线及电缆等组成。

2.8 主动蓄热供热系统

根据具体农业生产需求和环境条件模拟极端低温天气并持续3 天以设计合理的空气源热泵主动蓄热供热系统，包括农业专用空气源热泵（一般选择5～20 P）、循环泵、环流风机及控制装置和供热管道等，确定热泵的型号和供热管道的类型（一般选用PE-RT 管、PE-X 管和PP-R 管材质，水温应在5～45 ℃之间，耐压要求达到8 kg/cm2），设计管路布置及设备布局等。

3 施工建造技术

通过日光温室的三维建模模拟施工过程，组装式深冬生产型日光温室采用工厂化生产，现场组装，方便快捷。建造时首先组装好山墙和支撑骨架，然后将覆盖材料安装在骨架上，最后将维护后墙体安装在山墙上。日光温室的施工过程应符合NY/T 3024-2016 日光温室建设标准、NY/T 2134-2012日光温室主体结构施工与安装验收规程、NY/T 1832-2009 温室钢结构安装与验收规范和JB/T 10286-2013日光温室技术条件等要求。

3.1 场地定位及放线

依据设计图确定场地道路和边界方向线的位置。在确定温室的位置之前需要对温室建设用地进行平整并清除各种杂物，依据主干道路方位进行温室定位，根据设计尺寸划定每个温室的占地边界并确保每个温室在各自地块的正确位置。在定位过程中需要使用基础螺旋桩并对放线点位做好标记以确保温室的定位准确无误。

3.2 基础及圈梁

施工过程中根据定位放线点位使用专业机械将基础螺旋桩旋入土体中。基础螺旋桩的上部需略高于地面或与地面相平，然后使用拉线进行找平，之后使用固定件和螺杆连接螺旋桩基础与上部的圈梁。通过螺旋桩钢管桩侧与土壤之间的侧摩阻力，尤其是旋转叶片与土体之间的咬合力来抵挡上拔力和承受垂直载荷[9]，同时利用桩体和螺旋叶片与土体之间的相互作用来抵抗水平荷载，该设计利用桩体、螺旋叶片与土体之间桩土相互作用抵抗水平荷载来确保温室的基础稳固。

3.3 主体钢结构安装

温室主体钢结构在工厂加工完成，主体钢结构的安装应严格按技术文件的规定步骤和要求进行，各拱架平面应相互平行并垂直于地平面基准，将温室拱杆组装之后分别对应固定在圈梁前坡连接件与后坡连接件上，确保所有拱架的高度和角度保持一致，然后用连接件分别固定每根拱架的上端和下端及横向稳定杆的两端。山墙拱杆用连接件分别固定立柱及断面稳定杆，之后安装斜支撑进行稳定。立柱与拱杆采用螺栓连接形式，横向稳定杆和拱杆采用螺栓连接形式，受力部件均采用对穿螺栓进行连接。

3.4 维护结构处理

首先将保温后墙体铺成一字型顶端并将两侧穿入镀锌圆钢，然后吊机将保温墙体吊起，用压扣带固定于顶部横向稳定杆，然后将保温墙体上下左右拉平展，垂直方向也用压扣带固定于拱架上。保温山墙沿着山墙钢骨架以类似的形式安装并拉展。

保温后墙体与保温山墙外部安装好之后用保温墙接缝条将两纵向接缝焊接成一体。温室内部相应位置沿着横向稳定杆及端面稳定杆安装紧固绳以保证墙体与骨架之间紧密相连。温室后墙体与上幅膜紧密贴合，防止漏风影响温室保温性能。温室后墙体与保温山墙底端均需埋入土壤以隔绝土壤传热，温室四周增设防寒沟埋设防寒棉以减少热量散失。

3.5 覆盖材料固定

（1）透明覆盖材料的安装固定。温室棚膜由上幅膜、下幅膜和裙膜3 幅膜组成，设置通风口，选用厚10 丝的PO膜，长度比棚长3～4m。在晴天中午扣棚，将棚膜拉开并晒热，两端分别卷入压膜条中，待整个棚膜拉紧铺展后将另一端固定。

（2）保温覆盖材料的安装固定。晴天时将保温被搬上后屋面按“川”字形排列，保温被之间错茬覆盖，东西两边要盖到山墙外沿20 cm 以保证保温被覆盖温室前坡，提高整体保温性能。

3.6 主动蓄热供热系统安装

主动蓄热供热系统包括空气源热泵机组、循环泵、环流风机、控制装置和供热管道等，需确定热泵的型号和供热管道的类型，设计管路布置及设备布局等。

3.6.1 安装热泵和蓄热装置

按照设计方案安装热泵机组、循环泵、环流风机、控制装置及主动蓄热地暖管开沟供热管道等。

3.6.2 连接管路

根据设计方案连接好热泵和蓄热装置之间的管路，确保管路的严密性和安全性。采用节能措施，如在温室四周增加隔热层减少能量损失以提高系统能效和节能效果。

3.6.3 安装控制系统

安装热泵控制系统，包括温度传感器等，确保系统的正常运行和安全控制。

3.6.4 电气接线

进行热泵和控制系统的电气接线，确保电气系统的安全可靠。

3.6.5 系统调试

进行系统调试，包括热泵的启动和运行检查，热泵及暖通管道的放热检查和控制系统的调试等，确保系统的正常运行和性能稳定。

4 结论

本项目通过日光温室的三维模型大大提高了设计和研究的效率和质量，便于向施工人员展示设计方案以及施工人员理解，同时也方便施工人员进行施工过程的协调和管理。

在喀什地区叶城县建设完成后的多栋组装式深冬生产型日光温室在环境温度-25 ℃情况下可正常越冬生产番茄和辣椒等，最低室温可达8 ℃以上，地温维持在18～22℃，在短期-28 ℃情况下未发生冻害。2023 年1 月17日叶城最低温度-27.5 ℃，温室内温度超过8 ℃，番茄和辣椒生产正常。该结果表明该组装式深冬生产型日光温室结构和建造技术符合当地生产需求，是一种理想的日光温室，新材料保温墙体密封性好，可有效防止温室内热量的散失，整个温室地梁及骨架采用组装式轻钢结构，具有可移动、可拆卸、易组装，能够充分利用光热资源，节能环保和土地利用率高等优点。