西北非耕地空心砌块墙体日光温室设计及热性能测试分析

第 卷第 期年 月中国农机化学报 ：西北非耕地空心砌块墙体日光温室设计及热性能测试分析赵鹏，宋明军，王志伟，邱仲华（甘肃省农业科学院蔬菜研究所 ，兰州市 ，；甘肃省农业科学院张掖试验场 ，甘肃张掖 ，；甘肃省老科协农业科学分会 ，兰州市 ，）摘要 ：耕地资源供给日趋紧张 ，设施蔬菜产业迅猛发展使 “粮菜争地 ”问题日益突出 。同时 ，我国西北地区地域广阔 ，未开发的非耕地资源丰富 、光热充足 ，利用戈壁 、荒漠等非耕地资源发展高收益的设施园艺产业成为解决这一问题的良好途径之一 。目前 ，在利用非耕地资源方面也做相应研究与实践 ，然而 ，实际应用中仍然存在日光温室建造工序繁重 、成本较高 、对非耕地资源利用率低 、保温抗灾能力不理想等诸多问题 。通过多年研究实践 ，设计一种适合在非耕地上建造和生产使用的空心砌块墙体日光温室 ，该结构日光温室充分利用非耕地自然条件和材料 ，具有建设快 、成本低 、利用砂石为墙体材料 ，取材方便 、保温性能好 、抗灾能力强等特点 ，冬季夜间平均温度可达到 以上 ，与外界最大温差可达到 以上的日光温室结构 ，为发展戈壁 、荒漠非耕地设施园艺产业 ，充分利用非耕地资源提供有力技术支撑 ，为在非耕地上建造温室提供理论依据 。关键词 ：非耕地 ；戈壁 ；日光温室 ；空心砌块 ；砂石墙体中图分类号 ： 文献标识码： 文章编号：（）赵鹏 ，宋明军 ，王志伟 ，邱仲华 西北非耕地空心砌块墙体日光温室设计及热性能测试分析 中国农机化学报 ，（）：， ， ， ， ，（）：，收稿日期 ：年 月 日修回日期 ：年 月 日基金项目 ：国家自然科学基金项目 （）组装式日光温室热环境及主动蓄热系统耦合传热机理研究第一作者 ：赵鹏 ，男 ，年生 ，甘肃酒泉人 ，助理研究员 ；研究方向为设施农业环境与工程 。： 引言耕地资源是我国国民经济的基础性资源 ，我国人均耕地资源短缺 ，随着城市化进程对耕地资源的占用 ，使得耕地资源的供给日趋紧张；另一方面 ，随着城乡居民生活水平的提高和农村人口向城镇转移加快 ，商品菜需求量呈现刚性增长趋势，设施蔬菜产业也得到迅猛发展 ，使得 “菜粮争地 ”问题日益突出。如何解决这个矛盾 ，同时守住 耕地红线成为我国科研人员的重要课题之一 。我国西北地区地域广阔 ，未开发的非耕地资源丰富 ，仅沙漠 、戈壁滩等荒地面积就占到陆地总面积的；甘肃省戈壁面积 ，占全国戈壁面积的，主要分布在河西走廊中 、西端；光热资源充足 ，但冬 、春季夜间气温较低 ，昼夜温差较大 。日光温室建造技术等方面的研究使利用非耕地资源从事农业生产在技术上成为可能 ，利用非耕地 （沙漠 、盐碱地 、戈壁 、海岛 、滩涂地等 ）发展设施园艺产业 ，为解决上述矛盾提供良好的途径 ，同时 ，对发展西北农村经济和农民增收起到积极作用。为充分利用非耕地资源 ，更好发展设施园艺产业 ，科研人员从温室结构 、墙体结构 、设施设备等方面做了很多研究，也取得了一定成效 ，可是实际应用中仍存在建造工序繁重 、成本较高 、对非耕地资源利用率低 、保温抗灾能力不理想等问题 。通过多年的研究实践 ，设计了一种适合在非耕地上建造和生产使用空心砌块墙体日光温室 ，该结构日光温室充分考虑西北非耕地地区的气候 、地理特征及充分利用非耕地资源等因素 ，具有建造轻简 、成本低 、使用寿命长 、利用砂石为墙体材料 、取材方便 、保温性能好 、抗灾能力强等特点 ，冬季夜间平均温度可达到以上 ，与外界最大温差可达到以上的日光温室结构 ，为发展非耕地设施园艺产业提供有力支撑 。第 期 赵鹏 等 ：西北非耕地空心砌块墙体日光温室设计及热性能测试分析 适宜区域及设计要求 建造应用区域由于墙体用砂石 、空心砌块为材料 ，因此该结构日光温室适宜在西北戈壁 、荒漠地区建造使用 ，使用寿命长 ，与石砌墙温室使用寿命相当，建造成本较砖砌墙低。 设计要求日光温室冬季生产的温度要满足植物正常生长的需求 ，以番茄生产为例 ，其在夜间生长发育的低限空气温度为，夜间适宜空气温度为；同时 ，也要满足温室结构在受到大雪 、大风等荷载作用下的强度 、稳定性方面使用要求。光照是作物生长必备条件之一 ，前屋面采光角度和覆盖材料决定室内光照强度 ，设计合理的采光屋面角 ，使用透光率高的覆盖材料 ，减少遮荫 ，一般室内光照只有外界的；另外 ，骨架 、立柱 、横梁等遮荫占到；一般以喜光作物光照要求为对象进行温室设计，大于光补偿点 的累计光照强度平均不低于 。 结构特点及参数该结构日光温室充分利用非耕地资源 ，可用于非耕地 设 施 蔬 菜 、瓜 类 周 年 生 产 。室 内 地 面 下 挖，一是可减少温室前沿地面导热造成热量损失 ，同时 ，降低温室高度减少风沙 、寒流危害 ；二是充分利用砂石堆砌成墙体 ，大大降低日光温室建造成本 ；三是墙体采用空心砌块砌筑和砂石堆筑而成 ，墙体底部厚度，提高了温室的保温性能 ；四是骨架材料选用热镀锌椭圆管骨架 ，采用一次成形技术 ，无焊点增加了骨架强度和使用寿命 。温室结构参数见表，结构如图所示 。表 非耕地空心砌块墙体日光温室结构参数 适用区域温室跨度温室长度脊高墙体厚度 底部顶部后屋面仰角（）采光屋面角（）后屋面长度墙体高度非耕地 图 西北非耕地空心砌块墙体日光温室结构图 温室设计及建造 基础 、圈梁 、过梁建造技术墙体基础用 钢筋混凝土浇筑 ，主 筋钢 筋根 ，箍 筋 为钢 筋 ，间 距 为；前沿基础为 素混凝土浇筑 ；后墙顶部浇筑 钢筋混凝土圈梁 ；山墙每皮墙在距基础、位 置 浇 筑 钢筋混凝土圈梁两道 ，圈梁间用 钢筋混凝土过梁连接 ，圈梁 、过梁主筋钢筋根 ，箍筋为钢筋 ，间距为。前沿 、后墙顶部圈梁浇筑时按照图纸尺寸预埋用于安装骨架的预埋件 。 墙体 、护坡建造技术温室墙体内侧用混凝土空心砌块砌筑 ，砌筑时首先要压缝 ，上下两层要错缝 ，上层砖在水平方向较下层砖向后移，砌筑完成后墙面为阶梯状 ，并向后倾斜 ，利于降低砂石对墙体的水平挤压力 ，保证墙体稳固 ；同时每层砖均采用“梅花丁 ”方式砌筑 。外侧护坡用砂石或非耕地土壤自然堆筑而成 ，堆砌层达到底部 、顶部 时 ，铺装厚度、密度苯板作为保温隔 中国农机化学报 年热层 ，然后继续堆筑砂石 、土壤至设计厚度 ，苯板连接要求严密 ，不能跑风漏气 。山墙厚度为 ，墙体内外用砌块砌筑 ，中间用炉渣 、矿渣 、锯沫等轻质材料填充 。 后坡建造技术后坡建造注意隔热 、保温相结合 ，材料尽量选用热阻大 、轻质材料 ，保温同时减轻后坡骨架荷载 。钢骨架上铺设后的竹胶板一层 ，上敷棚膜一层 ，棚膜上铺装厚度草砖 （草帘 ），并用铁丝或螺栓穿透与骨架相连接固定 ，然后在草砖 （草帘 ）上敷棚 膜 一 层 ，利 于 保 温 、隔 湿 ；上 面 再 铺 装厚 ，密度的双面 单面彩钢苯板 ，进行固定 、密封处理 。后坡顶部位置加装保温被挡杆 ，防止操作失当导致保温被后翻 ；加装角钢一道便于固定保温被 。 前屋面建造技术前屋面骨架使用镀锌椭圆管 ，骨架由专业公司根据图纸一次挤压成型 ，安装采用螺栓连接 ，焊点少 ，骨架整体性好 ，同时便于安装和拆卸 。骨架两端分别与前后预埋件相连接 ，可采用焊接或螺栓连接 。安装横向钢梁道 ，将骨架横向连接成整体 ，用 “铁键 ”将钢梁扣于骨架上专用卡件中 。前屋面骨架上横向用钻尾丝安装卡膜槽道 ，用于固定棚膜 ，同时加强前屋面整体稳固性 。在每根骨架屋脊位置按照图纸加装加固斜撑 ，提升荷载能力和安全性能 。 前屋面覆盖物安装技术温室采光覆盖材料采用涂敷膜 、乙烯 醋酸乙烯 （）薄膜或聚氯乙烯 （）日光温室专用膜 ，厚度，选用透光性 、流滴性 、耐老化性好 ，使用寿命长的棚膜 。保温被选用单块宽，厚度，重量，表层应具备防水 、防老化 ，芯层具备保温隔热性能。安装棚膜选在晴天无风天气中午进行 ，棚膜分为风口膜 、前屋面采光膜 、裙膜三部分 ；首先将宽约风口膜一边卡入屋脊处卡槽内 ，再距位置再设置卡槽一道 ，将准备好的宽约、目的防虫网一边用卡簧卡入卡槽 ，两端固定在山墙顶部卡槽内 ，然后再将棚膜拉平卡入卡槽 ，两端固定在山墙顶部卡槽内 ；再将防虫网另一边卡入上风口下沿 （距屋脊 ）卡槽 ，两端固定在山墙顶部卡槽内 ；风口膜另一边卷绕在卷膜器卷轴上 ，用塑料卡箍固定在的镀锌钢管卷轴上 。前屋面采光膜上边卡在上风口下沿卡槽内 ，下边卷绕在卷膜器的镀锌钢管卷轴上 ，用塑料卡箍固定 ，从两端拉紧棚膜 ，然后卡入山墙顶部卡槽 。准备宽约、目的防虫网 ，一边卡入下风口上沿卡槽 ，另一边卡入裙膜上沿卡槽 ，同时将采光面棚膜卡入下风口上沿卡槽 。裙膜宽约，分别用卡簧卡入下风口下沿卡槽和底部卡槽 ，两端棚膜和防虫网一起卡入山墙顶部卡槽内 。另外 ，调整上下风口卷轴位置 ，保证卷轴平直 ，以盖严风口为原则 。最后每隔 拉一根压膜线 ，上端固定在屋脊角钢上 ，下端固定在前沿压膜线挂勾上 。保温被安装时先铺装在前屋面上 ，调整底边在同一直线 、同一水平 ，然后拉平 ，顶边用钻尾丝 、平铁固定在屋脊处角钢上 ；被子之间互相叠压，用“字穿绳法 ”将被子连接成整体 ，连接完成后将底边用钻尾丝 铁丝固定在卷帘机卷轴上 （卷轴为热镀锌钢管 ，壁厚），开机调试使卷帘机卷放平稳 、卷轴平直 ，卷起时保证上风口完全打开 ，放下时保证能将前屋面完全盖严 。 缓冲间 、工作间施工缓冲间位于日光温室的外侧 ，温室与缓冲间门的方向要错开 ，以免寒风直接吹入温室 。工作间应与缓冲间分开 ，缓冲间外修建工作间 ，长，宽，高度以上 ，一般建造在靠近道路一侧 。 防寒沟施工在温室前沿外侧挖深度的防寒沟 ，埋入厚，宽的苯板 ，顶部与前沿基础上沿平齐 ，然后用砂石将缝隙填充压实 。 蓄水池施工水池为地下式 ，边沿高出地平，建在温室内靠近水源一侧 ，距山墙。水池长、宽、深、容积，用抗裂防渗混凝土现浇 ；水池建造时要细心施工养护 ，以免漏水 。 温室性能研究 方法与材料试验温室均位于甘肃省金昌市金川区宁远堡镇西湾村 。地理位置位于北纬，东经，海拔 ，属大陆性温带干旱气候 ，年平均气温，年极端 低 温，年 日 照 率，年 均 降 水 量，年均无霜期，结构参数见表。试验仪器选用以色列产的 自动温度记录仪 ，每记录一次当时温度 。温度计装于温室内中部 （东西向和南北向的中部 ），高度；外界设置温度计 ，高度，温度计用木板遮挡 ，防止太阳直射温度计影响数据准确性 。试验温室内种植的作物均为辣椒 。第 期 赵鹏 等 ：西北非耕地空心砌块墙体日光温室设计及热性能测试分析 表 试验日光温室结构参数 温室类型墙体结构温室跨度温室长度脊高墙体厚度 底部顶部后屋面仰角（）采光屋面角（）后屋面长度 墙体高度砌块砂石 夯土墙 结果与分析 两种日光温室夜间温度旬平均值变化通过对夜间温度旬平均值对比分析 ，从图中可以看出 ，外界气温从年月下旬开始呈下降趋势 ，到年月上旬夜间平均气温最低 ，外界旬平均气温为，而后逐渐回升 ；月下旬到月中旬也有一降温过程 ，月 中 旬 夜 间 平 均 温 度 为，但未低于月上旬夜间温度 ，随后 ，外界夜间平均温度上升 。日光温室内夜间平均温度与外界变化趋势相同 ，其中月上旬温室内夜间平均气温最低 ，夜间平均温度为，为，夜间平均温度较高。随外界温度降低 ，温室内 、外温差也愈大 ，其中月上旬、夜间与外界温差分别为、；随着温度回升 ，温室内外温差逐渐缩小 。图 夜间温度旬平均值变化曲线 两种日光温室室内最低温度变化图所示为最低温度变化趋势 ，可以看出 ，温室内最低温度随外界最低温度升高而升高 ，室内最低温度较室外上升的慢 ，随着外界最低温度的升高 ，温室内最低温度 与 外 界 温 差 不 断 缩 小 ，当外界最低温度时 ，与外界温差为，与外界温差在之间 ，与温差在；当外界最低温度时 ，与外界温差为之间 ，与外界温差在之间 ，与温差在之 间 ，较最 低 温 度 高。温室内最低温度出现在年月日 ，为，较高，为，外界最低温度达到，与外界温差为，为。图 两种温室最低温变化曲线 两种日光温室室内温度日变化温室内温度出现最低点在，外界为晴天天气 ，取三日每时刻温度平均值进行分析 ，如图所示 。图 日光温室温度的日变化曲线 温室内温度日变化与外界日变化趋势相似 ，温室内最低温度出现在：之间 ，即揭帘前 ，三日平均温度为，平均温度为，外界最低温度出现在凌晨：之间 ，平均温度为。：室内温度开始快速上升 ，温度较上升快 ，：室内温度达到最高 ，此时为，为；随后随着通风温度下降 。到：温室开始陆续放帘 ，温度继续下降 ，下降慢于；到：左右 ，温度下降趋于平缓 ，为，为，此时外界温度 中国农机化学报 年为；此后 ，、温度一直呈下降趋势 ，下降速度明显慢于，此趋势一直持续至次日揭帘时 。 结论与讨论本文设计建造了一种适宜西北非耕地区域应用的空心砌块墙体日光温室 ，使利用戈壁 、荒漠资源进行高效农业生产成为可能 ，为合理开发利用非耕地资源提供一种新途径 。该结构日光温室建造轻简 ，就地取材 ，利用开挖出的砂石构建墙体 ，将对环境的影响降到最低 。通过对温室内温度观测分析 ，该结构温室性能优良 ，可以满足大部分作物栽培所需环境要求 。夜间温度旬平均值变化可以看出 ，砌块墙体温室与外界温差大于土墙温室 ，说明其白天储存热量多 ，温度缓冲能力强 ；当外界夜间最低温度接近时 ，其室内最低温度为，外界温度越低 ，其性能优势越明显 ；放帘后 ，砌块墙体温室温度下降速度慢 ，说明该结构墙体储热 、隔热性能高 。另外 ，在月上旬开始 ，夜间室内温度变化区域平缓甚至略有下降 ，这是管理上间歇停止卷帘机的卷放造成的 ，不属于温室性能原因造成的下降 。本文对温室内空气温度进行观测分析 ，今后研究中将对墙体 、土壤温度以及热量变化 、温室内光照等情况进行系统观测和研究 ，力争为更好利用非耕地资源 ，提升温室性能 ，优化温室结构提供数据支持和理论依据 。参考文献刘彦随城市化进程中耕地资源态势与优化配置模型分析 中国自然资源学会土地资源研究专业委员会 中国土地资源态势与持续利用研究 中国自然资源学会土地资源研究专业委员会 ，：左可贵西北六省非耕地农业开发制约因素及市场战略研究 武汉 ：华中农业大学 ， ： ，丁小明“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）农业工程技术 （温室园艺 ），（）：常兆丰 ，刘世增 ，张德魁 ，等戈壁的正向生态作用与负向生态作用 以甘肃河西走廊为例 中国农业资源与区划 ，（）： ， ， ， ，（）：于铜钢我国荒漠土地绿洲农业开发战略探讨中国土地学会 中国土地问题研究 中国土地学会第三次会员代表大会暨庆祝学会成立十周年学术讨论会论文集 中国土地学会 ，：张强 ，曹晓彦敦煌地区荒漠戈壁地表热量和辐射平衡特征的研究 大气科学 ，（）： ， ，（）：王慧 ，胡泽勇 ，马伟强 ，等鼎新戈壁下垫面近地层小气候及地表能量平衡特征季节变化分析 大气科学 ，（）： ， ， ， ，（）：张玉鑫 ，王志伟 ，赵鹏甘肃省日光温室蔬菜生产气候区划研 究 中国农业资源与区划 ，（）： ， ， ，（）：魏晓明 ，曹楠“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）非耕地日光温室的建筑设计 农业工程技术（温室园艺 ），（）：宋明军 ，王志伟 ，赵鹏甘肃省土墙立柱通用型日光温室建造技术 甘肃农业科技 ，（）：殷学云 ，张国森 ，赵文怀 ，等西北非耕地石砌墙下挖型日光温室建造施工技术 中国蔬菜 ，（）：闫俊月 ，李明 ，张秋生 ，等“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）轻简化装配式后墙 农业工程技术 （温室园艺 ），（）：尹义蕾 ，潘守江“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）日光温室屋脊智能通风装置 尹义蕾 农业工程技术 （温室园艺 ），（）：王平智 ，马承伟 ，赵淑梅 ，等“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）保温性能测试台改进及保温被的选型 农 业 工 程 技 术 （温 室 园 艺 ），（）：白义奎 ，刘天宇“西北非耕地温室结构与建造技术 ”项目成果汇报 （）日光温室简易内保温铺卷系统 农业工程技术 （温室园艺 ），（）：张立芸 ，徐刚毅 ，郭忠利 ，等加气混凝土砌块在日光温室建造中的应用研究 农 业 工 程 技 术 （温 室 园 艺 ），（）：周长吉日光温室设计荷载探讨农 业 工 程 学 报，（）：（下转第页 ）第 期 李毅 等 ：智能车载环境参数采集机器人的研制 杨文华 ，王勇激光导引 系统原理及应用机器 人技术与应用，（）： ， ， ， （ ，）： ， ， ， ， ， ：； （上接第页 ） ，（）：魏晓明 ，周长吉 ，曹楠 ，等基于光照的日光温室总体尺寸确定方法研究 北方园艺 ，（）： ， ， ， ，（）：袁余 ，李鹏程 ，李铭 ，等双层膜日光温室设计及其热性能测试分析 农业现代化研究 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， （ ， ，；， ，； ，）： “ “ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；