劉 靜，殷慧子，單 翔，奚小波，馬 超，張瑞宏

（1.揚州大學機械工程學院/江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機農(nóng)藝融合技術(shù)工程中心；2.江蘇思水源農(nóng)業(yè)科技有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和人民生活水平的日益提高，我國現(xiàn)代智能化種養(yǎng)模式正在迅速崛起，并已經(jīng)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ某柈a(chǎn)業(yè)。隨著現(xiàn)代種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化的快速增長和消費者對蔬菜、水果、花卉等果蔬及觀賞性作物品質(zhì)需求不斷提高，養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的糞便污染問題亟待解決，人們越來越重視果蔬及肉品的飲食是否綠色健康又有營養(yǎng)，種養(yǎng)戶在注意提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的同時，也在關(guān)注農(nóng)業(yè)生態(tài)的健康發(fā)展。

溫室栽培最早誕生于羅馬，早在19 世紀80 年代，世界范圍內(nèi)溫室栽培技術(shù)已開始廣泛普及，20世紀中期，美國成功實現(xiàn)無土栽培，這是溫室栽培技術(shù)里程碑式關(guān)鍵技術(shù)，隨后10 余年，美國已有400 hm2溫室面積用于種植黃瓜、番茄等蔬菜[1]。荷蘭、以色列兩國的工廠化設(shè)施農(nóng)業(yè)，其應(yīng)用發(fā)展的規(guī)模、產(chǎn)業(yè)化程度與技術(shù)水平，經(jīng)營機制與效益，包括第一產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)，都居于世界領(lǐng)先水平[2]。日本在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展上也投入了大量的人力、物力、財力，并密切關(guān)注國外先進溫室結(jié)構(gòu)和設(shè)施裝備的發(fā)展，通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，溫室設(shè)施設(shè)備研究取得了巨大成效[3]。

雖然國外對作物的種植設(shè)施已經(jīng)擁有很長的發(fā)展歷史也有了相當大的發(fā)展規(guī)模，但是溫室材料主要是塑料為主，我國地處東亞季風氣候區(qū)，冬冷夏熱，這種氣候特征使引進溫室在我國冬季增溫和夏季降溫的能耗增加。從引進溫室的使用效果來看很不如人意，普遍存在的問題是能耗大，導(dǎo)致運營成本高，效益差、生產(chǎn)難以為繼，有的溫室不得不挪做其他簡單用途，導(dǎo)致巨額投資的浪費。隨著我國優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品市場的發(fā)展和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，以溫室及其配套設(shè)施為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，我國溫室產(chǎn)業(yè)將成為全球溫室產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，中國也將成為世界上新興的、最大的溫室產(chǎn)品市場之一。

本設(shè)計采用立體種植溫室、溫室環(huán)境控制、太陽能—沼氣聯(lián)供等先進技術(shù)，結(jié)合精細的農(nóng)業(yè)種植與養(yǎng)殖技術(shù)，以生豬為對象，利用牲畜糞便所產(chǎn)生的沼氣和太陽能為溫室提供熱源，沼液為生態(tài)液體肥料，實現(xiàn)智能一體化精細種養(yǎng)的目標。提供一種新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種養(yǎng)模式，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對土地的依賴，最大化地提高土地的使用率和降低能源的消耗，提高農(nóng)業(yè)種養(yǎng)勞動生產(chǎn)率。

1 種植裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計是基于立體種植溫室與太陽能—沼氣聯(lián)供的一體化精細種養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及成套裝備。裝備整體結(jié)構(gòu)采用數(shù)字化精準設(shè)計和多學科優(yōu)化設(shè)計技術(shù)滿足整體無磚土可拆卸、可移動，提高有效空間利用率；研制適應(yīng)不同季節(jié)、不同時段使用的可收放式太陽能拓展循環(huán)收集裝置，通過集熱管集熱可提高太陽能吸收利用效率；由多層復(fù)合保溫材料和真空平板玻璃組成的裝備保溫系統(tǒng)可大大減少熱量損失；利用溫度濕度傳感器、CO2濃度測試儀等多傳感器融合技術(shù)將多信息融合起來，用高精度實時模式分類系統(tǒng)來處理多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)庫中的已存儲信息，實現(xiàn)對作物生長狀況的全程在線監(jiān)測系統(tǒng)的智能化控制。具體設(shè)計路線如圖1 所示。

根據(jù)設(shè)計路線，設(shè)計了一種可移動開閉式太陽能拓展利用溫室，如圖2 所示。該溫室包括溫室骨架、非透明墻板、透明板構(gòu)成的溫室，還設(shè)有拓展板、太陽能利用裝置、拓展板開閉動力裝置和吊裝裝置，吊裝裝置連接固定在所述溫室骨架上，拓展板、太陽能利用裝置設(shè)置在所述的溫室外，并設(shè)有拓展板開閉動力裝置，拓展板與溫室骨架采用鉸鏈連接，拓展板開閉動力裝置的一端與溫室骨架連接，另一端與拓展板連接；太陽能利用裝置設(shè)置在拓展板的內(nèi)表面。該溫室結(jié)構(gòu)合理簡單、生產(chǎn)制造容易、使用方便，通過本設(shè)計，實現(xiàn)了可移動的、無連作障礙、太陽能拓展利用、可根據(jù)室內(nèi)光照度與溫度調(diào)節(jié)光強、夜間可自動覆蓋保溫節(jié)能的作用，提高了農(nóng)業(yè)效率。

2 太陽能—沼氣聯(lián)合供熱技術(shù)研究

隨著能源、環(huán)境問題日益嚴峻，可再生能源的利用、研究和發(fā)展迫在眉睫。太陽能依靠其廣泛、清潔以及利用簡便的特點備受矚目，太陽能與建筑一體化技術(shù)合理地將建筑的用能需求、結(jié)構(gòu)特點與太陽能利用相結(jié)合，克服了太陽能能流密度低、分散性強的不利條件，是太陽能利用的重要途徑[4]。我國太陽能資源較為豐富的地區(qū)同時也是重要的農(nóng)業(yè)及畜牧養(yǎng)殖區(qū)，非常適合沼氣的開發(fā)應(yīng)用。沼氣是一種可再生能源，是利用生物質(zhì)制取清潔能源的有效途徑，沼氣在開發(fā)過程中能減少廢棄物對環(huán)境的影響，具有良好的去污性能[5]。

本設(shè)計基于一種一體化周期種養(yǎng)工藝，以生豬養(yǎng)殖為對象，研究生豬糞便的沼氣回收裝置及液沼肥料化處理工藝，研究生豬養(yǎng)殖產(chǎn)生糞便與沼氣供熱、沼液供肥量之間的關(guān)系，同時采用太陽能—沼氣聯(lián)合供熱技術(shù)，并研究太陽能集熱裝置與太陽能供熱之間的關(guān)系，沼液產(chǎn)量與種植液肥需求之間的關(guān)系，最終得到最為合理科學的種植規(guī)模、養(yǎng)殖規(guī)模、太陽能集熱裝置規(guī)模配置。為此，在種植裝備的頂蓋及側(cè)蓋上設(shè)計了可收放式的太陽能拓展循環(huán)收集裝置，頂蓋液壓裝置及側(cè)蓋液壓裝置可控制兩拓展裝置的自由收放，可以根據(jù)種植對象的生長季節(jié)、生長時段和太陽光照強度控制拓展裝置開啟合適的角度收集太陽能，并在夜間和陰雨天關(guān)閉拓展集熱裝置。拓展集熱裝置采用高效雙模太陽能拓展收集墊吸收大量太陽能，雙模收集墊中間夾有集熱管，頂蓋中集熱管的一端連接在種植裝備內(nèi)的氣泵上，另一端穿過框架置于種植裝備頂部，側(cè)蓋集熱管的一端連接在氣泵上，另一端穿過框架置于種植裝備底部，通過氣泵的工作實現(xiàn)室內(nèi)氣體的循環(huán)加熱。此外，在供熱管的另一頭安裝沼氣供熱裝置，使溫室在太陽能資源不足時能夠持續(xù)供熱。該方案原理圖如圖3 所示，圖4 為拓展集熱裝置的結(jié)構(gòu)圖。

3 溫室保溫性能研究

溫室可以進行園藝作物的春提早、秋延后與越冬生產(chǎn)，溫度是最為重要的因素，在冬天等溫度較低的情況下，熱量會快速損失，因此各種新型的復(fù)合材料被運用到溫室的保溫設(shè)計中[6]。為防止室內(nèi)熱量的流失，本設(shè)計的墻體采用無機保溫材料和有機保溫材料相結(jié)合的多層復(fù)合保溫技術(shù)，可解決單一保溫材料的性能不完備的問題。同時采用透光保溫性能強的真空平板玻璃結(jié)構(gòu)行進保溫，具有高效隔熱保溫和高效透光采光的功能。除此之外，還分別研究多層復(fù)合保溫材料和真空平板玻璃最低熱量損失的連接結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)老化耐久性連接，優(yōu)化二者布置于種植裝備的結(jié)構(gòu)位置。通過對溫室保溫性能的研究，作物整個生長過程中日夜都能保持溫室內(nèi)的溫度在作物生長地最佳范圍內(nèi)。溫室保溫結(jié)構(gòu)原理圖如圖5 所示。

4 溫室環(huán)境智能化控制技術(shù)研究

隨著我國溫室園藝業(yè)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)越來越多地應(yīng)用于溫室環(huán)境管理中，促進了溫室環(huán)境智能化管理技術(shù)的發(fā)展[7]。作物的生長過程本質(zhì)是作物受環(huán)境、營養(yǎng)、水分等外部因子作用，并對其進行轉(zhuǎn)化的復(fù)雜的動力學過程。設(shè)施內(nèi)作物生長環(huán)境參數(shù)的空間分布性強、時空變異性大、多參數(shù)間相互影響，加上不同種類作物之間的差異，造成傳統(tǒng)的栽培和環(huán)境調(diào)控方式很難適應(yīng)不同種類、不同生育期的生長需要，而要獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和高經(jīng)濟效益的回報，應(yīng)具備先進適用的信息檢測和環(huán)境控制手段[8]。

本設(shè)計采用溫度、濕度、可見光、CCD 圖像傳感器，氣氛濃度測試儀等多傳感器融合技術(shù)將多信息融合起來，用高精度實時模式分類系統(tǒng)來處理多信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)庫中的已存儲信息，以種植裝備內(nèi)作物生長過程的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)控制裝備光照、溫度、濕度、CO2的整體環(huán)境，維持作物在最適宜的溫度、濕度、光照以及氣氛濃度的環(huán)境中生長。具體智能控制原理如圖6 所示，圖7 為種植裝備控制面板圖，圖8、圖9 為溫室內(nèi)增濕、除濕裝置，用噴灌頭增加溫室內(nèi)環(huán)境濕度，并進行澆灌，而當濕度過高時，則啟用除濕風機進行除濕。

5 結(jié) 語

在設(shè)施農(nóng)業(yè)規(guī)模和規(guī)格不斷提高的同時，我國自行設(shè)計的現(xiàn)代化溫室在科技含量和技術(shù)水平上與國外相比還存在較大差距。主要表現(xiàn)在溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計和溫室配套設(shè)備無統(tǒng)一的技術(shù)標準，溫室內(nèi)部設(shè)備較簡單，環(huán)境控制能力低下，不能滿足作物全年全天候生長的需要。因此，針對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際情況，進行一系列的設(shè)施農(nóng)業(yè)的科學研究和技術(shù)創(chuàng)新，研制和開發(fā)適合我國不同生態(tài)條件的現(xiàn)代化種養(yǎng)關(guān)鍵技術(shù)及裝備，解決農(nóng)業(yè)設(shè)備及工藝的創(chuàng)新設(shè)計問題，是至關(guān)重要的。

本設(shè)計將精細的農(nóng)業(yè)種植與養(yǎng)殖相結(jié)合，通過立體化種植溫室節(jié)約土地成本與能耗成本，提高生產(chǎn)率；通過太陽能技術(shù)以及沼氣供熱技術(shù)徹底解決目前溫室運行能耗成本過高的問題；以沼液為生態(tài)液體肥料，實現(xiàn)智能一體化精細種養(yǎng)的目標。本設(shè)計不僅能夠提供一種節(jié)能降耗、運行成本較低、環(huán)境友好的一體化精細種養(yǎng)技術(shù)及裝備，其經(jīng)濟效益也十分顯著，對打破國內(nèi)外一體化種養(yǎng)技術(shù)瓶頸、提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)能降耗、保護種養(yǎng)土地環(huán)境以及經(jīng)濟效益方面都有顯著意義。