温室是怎样设计的?
温室多由砖木或钢筋水泥结构、覆盖物、加热设备等构成,具有较完备的供暖、通风、透光设施。加热设备多以煤火、暖气为主。先进温室的光、温、湿调节已采用各种仪器、仪表等现代化手段进行调控。覆盖物有玻璃、塑料薄膜等。玻璃温室采用钢材构架,寿命较长,可做永久性设备,但造价较高;塑料温室采用轻质构造覆以薄膜,造价较低,但需每年更新薄膜。温室的形式有改良式、三折式和连接式等多种,走向也以东西向为好。
一个好的温室,要具有以下特点:一是透光性能良好,光照利用率高;二是增温快,保温性能良好;三是易于操作,便于管理;四是结构牢固,防风性能良好,使用寿命长;五是易于建设,且投资较少。
为实现上述要求,在建设时要注意做到:
(1)温室选地。设计建设温室(棚)选地时,要注意选择哪些地势高燥、大雨过后不积水、地下水埋深低于1米、排灌条件良好、土壤肥沃、土质松散、透气性好、土层较深、保肥保水性能良好,且背风向阳、交通方便的地段。
(2)温室坐向。实践证明,温室应建成坐北朝南方向,并偏西(阴)3~5度为好。这样的方向,接受阳光时间长,光能利用率高。若因地形地势等原因,达不到以上要求,也应尽力调整,使之在偏西10度至偏东5度范围内。方法如下:中午12点至12点20分之间,在地面插一根垂直标杆,通过观察,选取其最短投影,然后做其垂线,再以该垂线为准,偏阴5度划直线,所画直线,即为温室后墙方向基准线。
(3)温室大小。节能日光温室,其东西长50~70米比较适宜,若长度短于40米,则温室体积偏小,保温性能差,遇到严寒天气,室内易发生冷害或冻害。若长度超过80米,则拉盖草苫的时间长,管理不方便。
(4)温室的高度与南北跨度。温室的高度与南北跨度,应根据当地的纬度来定。因为高度与跨度决定着温室采光面的角度(图1),采光面的角度又左右着阳光入射角的大小。要保证阳光有较大的入射率,其入射角应小于40度。因为太阳光的投射率与光线入射角关系密切。其入射角在0~40度范围内,随入射角的增大,光线的入射率下降,但是变化不明显,当入射角大于40度以后,随入射角的增大,其透光率明显,甚至于急剧下降。
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图1 温室各种角的示意图
由图1得知,温室采光面的角度=90°-太阳高度角-阳光入射角(40°)。太阳高度角一天之中,中午最大,早晨出太阳时为零,一般上午10点、下午2点时太阳高度角比正午可少6~7度。因此,温室采光面的角度,应适当增加5~6度为好。
太阳高度角,由其所在地的纬度决定,不同地区因其所处纬度不同,其太阳高度角不同(表1)。
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表1 不同纬度不同季节太阳高度角的变化(12点)
所以,建温室时,其采光面的角度应根据当地太阳高度角来决定。例如:在北纬36度左右地区,建温室时,其采光面的角度,应大于23度(α=90°-31.6°-40°+5°=23.4°)。
采光面的角度确定之后,其南北宽(跨度)可用下面公式算出:温室宽=温室最高点高度×ctgα(α为采光面角度)+后坡面的投影长度。若温室设计高度为3米,后坡面的投影长度为1米,采光面的角度为23°(ctg23°=2.36),则其南北跨度为8米(3×2.36+1=8)。若温室设计高度为3.2米,其南北跨度则为8.5米。
(5)温室前坡面的形状。前坡面(采光面)的形状,目前经常采用的有两种形式,一种为立窗型,即一立一斜型;另一种为抛物线型,也叫半拱圆或弧型。这两种形式,后者为好,因为:抛物线型温室,一是其采光面呈拱形,结构坚固,抗压力强;二是坡面凸起,便于用压膜绳压膜,可消除一立一斜型的温室必须用竹竿压膜,用铁丝绑缚竹竿,造成孔洞多、保温性能差和室内有滴水现象的缺点;三是抛物线型,其采光面透光性能好,阳光利用率高,上午9点以前,室内增温快;四是抛物线型,拉揭草帘便利,且下雪时采光面上积雪少,便于清扫。
(6)温室后坡面的角度与投影长度。温室设有后坡面,可显著提高温室的保温效果。并能提高温室的高度,增大采光面角度,利于太阳光的射入,还能方便摆放与揭盖采光面的保温覆盖物(草苫、纸被等)。
为保障严寒时期温室内的温度,设立后坡面是必要的。但是,后坡面又能阻挡温室北边空中散射光的射入,恶化了温室后部的光照条件,造成温室后部作物生长发育状况、产品的产量与质量,都明显劣于前部作物。平衡利弊,并为便于摆放和揭盖保温覆盖物,应设立后坡面。但后坡面的宽度不可过于宽大,其投影长度应维持在1米左右,以尽量减少遮光。如有条件,后坡面建成半活动型为好,上半部为透光型,夜晚备有保温覆盖设施,以利提高温室保温效果;白天撤去覆盖,增加散射光的射入,以利改善后部光照条件;下半部为保温性能良好的永久性坡面,利于保温、摆放与揭盖保温覆盖物。
后坡面的仰角应合理,在北纬36度左右地区,应维持在38度以上,以便于在最为严寒的季节(冬至前后2个月),太阳光可以直射后坡面的内壁,利于提高温室温度和改善后部的光照条件。
(7)温室采光面透明覆盖材料。要采用透光、无滴、防尘、保温性能良好,且具有抗拉力强、长寿的多功能复合膜。
2、备料:依据日光温室的面积及要求备齐料。包括:脊柱、柁木、檩木、前柱、腰柱、拉杆、拱杆、纸被、草苫、压膜线、草苫拉绳等。
施工日期:一般在雨季过后,上冻之前完成。一般是8月上旬开始,10月下旬完工。
4、定位放线:按照设计的总平面图要求,把温室的位置定到地面,并按基础宽度用白灰放出边线。
5、筑墙:⑴临时性土墙:可用板打墙,或用草泥跺墙50cm厚,后部培防寒土1.0~1.2m左右;
⑵永久性砖墙:要先打好地基,然后砌墙。
注:砌筑时,都要求灰浆饱满,勾好墙缝,抹好灰面,以防漏风。
6、立屋架:⑴立柱:脊柱先放柱脚石,要求柱高一致,排成一直线,脊柱要向北斜5°,前柱要向南倾斜10°~20°;⑵柁檩:先上柁,再上脊檩、二檩、三檩。脊檩一定要平,并在山墙处插进20cm深;⑶前屋面骨架:先在前柱和腰柱上固定拉杆,拉杆一定要直,然后在拉杆上绑拱杆。
7、上后屋顶:⑴秸草结构:在骨架上先铺10cm厚秫秸并固定,然后加10cm厚碎草或稻壳,上面再加10cm厚秫秸,上抹5cm厚草泥;⑵钢筋混凝土预制板结构:在温室后屋顶内侧采用5~10cm厚钢筋混凝土预制板,外加20~40cm厚田土或草泥;(3)炉渣水泥砂浆封顶:在温室后屋顶内侧安放2~3cm厚木板,然后放一层5~6cm厚稻草垫,上部铺放20~30cm厚炉渣,再用5cm厚水泥砂浆封顶。
8、覆膜:选择睛朗无风,气温较高的中午进行。膜宽应比前屋面多出1m,膜长度比温室实际长度多2~3m,使薄膜尽量能包住一部分山墙。上膜先从屋脊处固定,然后拉紧薄膜,卷一段后,置于预先在温室前脚下挖好的沟里,随即填土踏实,薄膜上下固定之后,再从两山墙上东西拉紧,将膜包过山墙顶部,固定在它的外侧。最后用草泥或砖把山墙顶封好,再把压膜线固定好。
9、挖防寒沟:(沟宽30~40cm,沟深40~60cm)防寒沟内填满干草后,顶部压一层15cm厚黏土,并向
南倾斜,以防雨水流入沟内。
10、作业间修建:冬天西北风较多,把门留在东山墙为好,一般高1~1.5m,宽0.5~0.8m.在寒冷季节,通向温室的门里侧应设一个40cm高的围裙,以防止冷空气直接进入室内,降低室温。
温室应坐北朝南,并偏西(阴)3°~5°为好。这样的方向,接受阳光时间长,光能利用率高。方法如下:中午11时40分至12时20分之间,在地面插一根垂直标杆,通过观察,选取其最短投影画直线,然后做其垂直线,再以该垂直线为准,偏阴5°划直线,所画直线,即为温室后墙方向基准线。
2)设施大小。
日光温室,其东西长50~70米比较适宜。若长度短于40米,则温室体积偏小,保温性能降低,遇到严寒天气,室内易发生冷害或冻害(表7-1);若长度超过80米,则拉盖草苫的时间长,管理不方便。
3)温室的高度与南北跨度。
高度与南北跨度应根据当地的纬度来定。高度与跨度决定着温室采光面的角度(图7-1)。采光面角度左右着阳光入射角(阳光射线与采光面垂直线的夹角)的大小。研究得知,太阳光的入射率与光线入射角关系密切。其入射角在0°~40°范围内,光线的入射率变化不明显。当入射角大于40°以后,随入射角的增大,其透光率急剧下降。
1、温室效应与土壤的热转换器效应:日光温室的热能来源于阳光辐射能,白天阳光辐射。以短波光的形式,穿过温室透明覆盖物,进入温室内,绝大部分被土壤以及墙壁、立柱、后墙、后屋面和蔬菜作物吸收,使这些物质的温度提高,阳光能转换为热能,这就是温室土壤和温室建材的热转换器效应。这些热能再以长波辐射、传导、对流等方式传播出来,这些长波辐射又被空气吸收,提高温室内的气温。2、温室热平衡:土壤中的热量也会向温室外部的温度较低的土壤和向下部土壤传导。温室内的热空气可以使前屋面薄膜变热,而薄膜再以长波辐射的形式向外散失热量。温室白天既增温又散热,而夜间只散热不增温。如果温室获得的热量多,散失的热量少,温室就升温,反蜘的热量少,散失的热量多,温室就降温,这就是温室的平衡,保温设计就是要减少热量的损失。3、保温设计:温室的跨度,是决定温室保温性能的重要因素,从温室的前屋角到温室后墙间的距离,是温室的跨度。跨度的大小与温室的种类与高度有关。合理的高跨比值应达到0.5以上。在北纬40°的地区,跨度为6米为宜,40°以南地区,以7米为宜。为了减少温室放热,最好采用导热系数小的建筑材料。最好用土墙,如用砖墙,中间应留空隙或用填剩填实。在建造温室时,墙体采用异质复合壁最为合理,内墙采用吸热系数大的材料,如石块、砖块,以增加墙体的吸热和储存热量的能力,这样温室夜间温度不会太低外墙采用隔热性能好的材料,如空心砖或土坯,以防止热量散失。最经济的是用夯土墙或者草泥垛墙,效果很好。日光温室的墙体厚度,应达到当地冻土层的厚度,如达不到,可在墙体外培土,也可在墙体外加风障,在墙体与风障之间填充乱草稻壳等,总的要求是不可使墙内侧上霜。
(1)温室跨度温室跨度过大不利于保温,跨度过小则土地利用率低。目前研究认为,日光温室的跨度以6~8米为宜。北纬40°~41°以北地区以6~7米为宜;北纬40°以南地区以7~8米为宜。
(2)墙体温室的后墙和两侧山墙除了起支撑作用外,还具有一定的保温、蓄热、散热等功能。墙体的建筑材料通常有:夯实土、草泥垛、砖、石等。墙体的保温性能也主要由墙体材料的吸热性、蓄热性和导热性来决定。保温性能好的墙体,应当由吸热性、蓄热性好,导热性差的材料组成。在以上的建筑材料中石墙、土墙的蓄热性好,但吸热性差、导热性强。墙体有单质墙体和复合墙体两种,单质墙体是由一种建筑材料砌成,复合墙体是中间填加保温材料,内外层则是由砖砌成。墙体中间的隔热材料可以选用干土、煤渣、珍珠岩等。但不能使用有机质作隔热材料,因为有机质在高温、高湿条件下容易腐烂,不仅起不到隔热的作用,反而会降低墙体的坚固性。墙体的厚度因建筑材料而定,一般墙体的厚度以1.0米左右为宜,南方可薄一些,北方可适当厚一些。砖墙以50~60厘米为宜,中间有隔热层的效果更好。
(3)后屋面后屋面连接前屋面和后墙,具有承重、保温和防水等功能,其建筑材料和厚度直接影响着保温效果。就后屋面的建筑材料可以分为两大类:一是由钢筋混凝土空心板为主要材料,虽然坚固耐久,施工规范,但保温效果稍差;二是用疏松、干燥、多孔的材料如玉米秸秆、高粱秸、稻草、炉渣等,成本低,保温效果较空心板好。这种后屋面的厚度一般为30~70厘米。在河南、山东、河北南部等地区,厚度可在30~40厘米;华北北部、东北、内蒙古等寒冷地区,厚度以60~70厘米为宜。
后屋面的长度也是影响保温的重要参数。后屋面长有利于保温,但不利于升温;后屋面短有利于升温,但不利于保温。在设计后屋面长度时要以后屋面的垂直投影占温室跨度的1/5~1/4为宜。
(4)外保温覆盖材料主要是指温室前屋面夜间保温覆盖的不透明覆盖物。传统覆盖材料有草苫、蒲席、纸被、棉被等。草苫的导热系数小,保温性能好,夜间可使温室的热消耗减少60%,提高温室1~3℃。但草苫制作一定要紧密,并且有一定厚度,质量好的草苫覆盖在采光面上后,室内应见不到光亮。一块宽1.5米、长5.5米的稻草苫,质量至少应有30千克以上。纸被多由4~6层牛皮纸缝合而成,并在外面罩上一层塑料薄膜或无纺布,防止雨雪侵蚀。在寒冷地区,常在草苫下铺垫一层纸被,可使室内最低气温提高3.0~5.0℃。保温被的保温效果与草苫大体相当,但由于保温被结构致密,减少了缝隙散热,实际保温效果略好于草苫。
除在保温设计中主要注意以上几个方面外,还要设置防寒沟、温室缓冲间以及进行地面覆盖,来增强温室的保温效果。
考虑到大棚面积有200亩,在种植管理上需要不少人工,可以考虑直接建设成智能温室大棚。
温室大棚,作为反季节作物种植的必备建筑物,广泛应用于经济附加值高的作物种植中。如今随着物联网技术的应用,山东寿光等地区的温室大棚已经实现了智能化,鸟枪换炮,成为了智能温室。智能温室大棚因其结构轻便,造价相对较低、建设周期短、应用范围广泛等原因,农业种植、育种育苗、科研实验等方面都有其身影,用于现代化农业园区、特色农业小镇、休闲观光产业园的建造。
一、设计规划为了提升设计方案的落地可执行性,通常由设计方和使用方共同来完成。设计方一般是有设计资质的专业机构,根据使用方的应用目的、建设场地环境、当地气象历史数据、建设预算、地质情况、土壤成分、后期管理使用人员等需求,因地制宜。
温室设计
关于整体布局、采用类型、跨度、间隔和开间尺寸等数据方面的设计,应考虑到结构、机械、覆盖与支撑材料、通风、增温、内外排水,以及环境控制系统,也就是智能温室控制系统等多种因素,结合当地的地理气候条件、种植作物类型,根据结构框架设计特点归纳:
①、结构布局。由于国内特殊的地理环境,通常南北栋建筑的太阳直射光更佳,平均日总量透过率最高。宜采用主向阳面的屋面,其光照总量要比采用对称向北屋面大大增加。同时为埋件结构件需求,应低于室外地面0.5米。
②、覆盖材料。玻璃作为非晶非金属的材料,透光率高,用于建设温室大棚,其透光率衰减少,定期维护清理,使用周期长,是较为理想的温室覆盖材料。
③、通风问题。为了通风以及与外界进行热交换,应充分利用自然条件,确定温室开窗的朝向。以当地季风的风向为依据,选择在温室的对应方向留下天窗,即某地风向为东南,天窗位置应在温室的北侧。
④、遮阳系统。由于玻璃温室的特殊性,其遮阳系统多采用遮阳网之类的设备,在顶面上需留下安装遮阳网等设备的接口,同时最好与顶面天窗有0.1米的距离,便于遮阳的同时还能开启天窗通风。
⑤、温控功能。温控的实现根据季节不同,夏季以降温为主要需求,可采用高压喷雾等方式降温问题。冬季实现增温的装备类型较多,如热风机、采暖机、保温帘等。根据应用的便捷性,需留下对应安装应用的位置。
⑥、灌溉排水。由于各种农作物生长阶段的需水量有一定差异,且使用方存在轮换种植多种作物的可能性,并没有具体规律可循。因此智能温室大棚的灌溉问题宜采用喷灌方式,可接入水肥一体机。
二、建设阶段完成场地平整、独立基础、圈梁、挡水墙、水帘用蓄水池等土建建设。进行下一步安装工作,有主体骨架的安装、系统安装、现场装配覆盖材料安装等。宜由专业的安装建设队伍进行安装,同时需要现场和业主沟通交流好细节问题。
大棚建设
三、系统安装
这一部分指的是移动苗床、种植支架、种植槽、基质袋、配电安装等,以及智能温室控制系统相关硬件设备的安装与调试。
智能温室设施
重点说明下智能温室控制系统安装与调试,主要硬件设备有:空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、土壤PH值传感器、土壤电导率传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器等采集类终端,智能电磁阀等控制终端和、智能开关柜等设备。采集终端设备除土壤采集设备外,多采用壁挂式安装,用螺丝固定在监测点即可土壤类采集设备需要插入到种植土壤中智能控制柜是手动管理玻璃温室的设备,宜安装在显眼且距地面有一定距离的位置。各类设备的数量至少需要一个,根据玻璃温室的面积以及划分的种植区域多少,数量随之增加。
智能温室控制系统硬件设备
安装完成后,依次将各采集、控制、控制柜等设备接入到管理云平台上,将对应的采集终端与控制终端一一绑定,举例:空气温湿度传感器与天窗系统的电机、采暖机、通风机等温控设备绑定,并设定运行逻辑,即当传感器采集到室内空气过高时,开启天窗、通风机,室温降到某一数值时关闭天窗等设备,若温度再降到某一数值时则开启采暖机等增温设备,具体数值根据种植作物生长所需而定。同理,光照度传感器与人工补光灯、遮阳系统、土壤温湿度、土壤PH值等采集土壤数据的传感器与控制水肥一体机的智能阀门等。
设备安装
关于智能温室大棚在云平台上设定的逻辑管理规则,可以随时随地在手机、电脑端上进行修改,即时生效。同时可根据传感器的采集数据、智能阀门的电池/电压/信号等数据,设置自动报警,一旦达到报警条件,云平台自动向绑定接收信息的管理者,推送短信、微信、云平台信息、拨打电话等方式示警。
智能温室控制云平台
总的来说,建设玻璃温室的框架难度并不大,与传统温室的建设区别不大,而实现温室智能化管理的重点在于对智能温室控制系统的应用,根据种植经验,指导云平台管理策略与方案,才能发挥出现现代化智能温室的最大功效,实现降低人工劳动强度,提升作物产量与品质。
智能温室