王克磊，朱隆靜，蘇世聞，李明，陳先知，徐堅(jiān)

(1. 溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，溫州市設(shè)施蔬菜工程技術(shù)中心，浙江溫州,325000； 2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京市，100083)

0 引言

單體塑料大棚是浙南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要的設(shè)施類型，在浙南各縣市區(qū)均有廣泛使用，產(chǎn)生了較好地經(jīng)濟(jì)效益。但是近年來隨著機(jī)械化水平的提升，現(xiàn)有大棚的結(jié)構(gòu)與農(nóng)業(yè)機(jī)械使用的矛盾日益顯現(xiàn)，比如農(nóng)業(yè)機(jī)械在大棚內(nèi)作業(yè)空間有限、無法調(diào)頭、使用效率低的問題非常突出，極大限制了本地區(qū)生產(chǎn)效率的提升和生產(chǎn)效益的增加。雖然節(jié)水灌溉、旋耕起壟等作業(yè)環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，但施肥、植保、育苗移栽等環(huán)節(jié)的機(jī)械化水平較低。而且很多農(nóng)業(yè)機(jī)械都是簡單的從露地移植到大棚內(nèi)，對大棚的適應(yīng)性較差，在作業(yè)性能、可靠性、耐久性等方面與國外先進(jìn)水平存在較大差距[1-2]。因此開發(fā)適度大型化、宜機(jī)化和標(biāo)準(zhǔn)化建造的新型大棚勢在必行。隨著園藝設(shè)施裝備智能化、機(jī)械化的快速發(fā)展，整地、做畦、移栽和采收等智能化裝備已廣泛應(yīng)用于設(shè)施生產(chǎn)中，促使園藝設(shè)施逐漸向大型化方向發(fā)展[3]。塑料大棚和溫室結(jié)構(gòu)大型化提升了設(shè)施內(nèi)部空間，提高了土地利用率，有利于機(jī)械化作業(yè)。武瑩等[4]對大跨度非對稱塑料大棚溫光性能分析發(fā)現(xiàn)18 m跨度雙層塑料大棚的性能南北跨度方向光照分布差異較小，采光性能較好。李勝利等[5]報(bào)道增加跨度和長度可以提高棚內(nèi)氣溫，增強(qiáng)對外界的溫度波動的緩沖效果。研究表明增加設(shè)施的跨度和長度對設(shè)施性能的提升是有益的。大跨度塑料大棚的研究多集中于北方設(shè)施生產(chǎn)中[6]，而關(guān)于南方地區(qū)大跨度大棚的研究報(bào)道還十分缺少，為此溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)設(shè)計(jì)了新型大跨度的單體塑料大棚。為了探索新型大跨度大棚的性能及對大棚結(jié)構(gòu)后續(xù)的改進(jìn)，本文從大棚設(shè)施結(jié)構(gòu)、棚內(nèi)溫度、光照等方面進(jìn)行了研究與分析，以期為新型大跨度單體塑料大棚的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及在浙南地區(qū)的推廣使用提供科學(xué)依據(jù)。

1 新型大跨度單體塑料大棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)大棚位于浙江省溫州市鹿城區(qū)藤橋鎮(zhèn)溫州種子種苗科技園(N28.08°，E120.51°)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。根據(jù)試驗(yàn)地地塊的位置，設(shè)計(jì)了新型大跨度單體塑料大棚(圖1)，該單體塑料大棚東西走向，大棚跨度為9.6 m，長度為40 m，脊高為4.5 m，肩高2.5 m，單側(cè)拱桿長度為8.0 m，拱間距1 m。大棚共設(shè)置11條拉桿，在塑料大棚頂部每隔2榀拱桿設(shè)置一道雙拱骨架(上弦拱采用φ32 mm×2.5 mm熱浸鍍鋅鋼管，下弦拱采用φ19 mm×1.2 mm熱浸鍍鋅鋼管)。大棚設(shè)置抗風(fēng)斜撐，使用拱形鋼管(φ32 mm×2.5 mm熱浸鍍鋅鋼管)對山墻進(jìn)行支撐，鋼管沿著塑料大棚長度方向布置，一端采用U型螺栓和鋼絲夾固定于山墻脊處，另一端插入地下50 cm，將山墻承受的風(fēng)荷載分擔(dān)部分于地面，從而提高大棚的抗風(fēng)強(qiáng)度。

(a) 大棚結(jié)構(gòu)圖

(b) 大棚剖面圖

大棚剖面設(shè)計(jì)包括了主體參數(shù)的確定(跨度、脊高、肩高以及棚面弧度)和保溫幕的設(shè)計(jì)。適當(dāng)?shù)脑黾涌缍瓤梢杂行У慕档徒ㄔ斐杀?，但是不宜超過20 m。依據(jù)本地區(qū)栽培特征設(shè)計(jì)棚內(nèi)壟寬(LL)700 mm，壟溝寬(LG)900 mm，塑料大棚內(nèi)設(shè)置5壟(n)；依據(jù)選用農(nóng)機(jī)的參數(shù)，在塑料大棚的邊緣位置留有安全距離(LA) 350 mm。計(jì)算大棚跨度

L=nLL+(n+1)LG+2LA

=5×700+6×900+2×350=9 600 mm

最終確定大棚跨度為9.6 m。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求》(JBT 10594—2006)中規(guī)定塑料大棚脊跨比3.2∶10，計(jì)算所得塑料大棚脊高3.1 m，根據(jù)實(shí)際情況以及工程經(jīng)驗(yàn)脊高取到4.5 m。為了在大棚兩側(cè)邊緣仍然可以正常作業(yè)，根據(jù)作業(yè)環(huán)節(jié)中的人機(jī)高度(拖拉機(jī)高1.4 m加上成人坐高)，定義肩高為2.5 m。

棚面弧度的大小影響太陽光的透射率及棚內(nèi)的采光和蓄熱，是影響室內(nèi)空氣環(huán)境的重要因素之一，太陽的入射角度要在一定范圍內(nèi)，才能滿足需求。除此之外，棚面還有承重、排水、防風(fēng)等功能，坡度過低易造成積雪兜水，增加棚面質(zhì)量，破壞建筑結(jié)構(gòu)。屋脊處的坡度理應(yīng)大于規(guī)范要求，在本設(shè)計(jì)中定為12°，為了節(jié)省空間，棚面底腳部分的角度定為85°。參考程杰宇等[7]對日光溫室屋面曲線的計(jì)算方法，定棚面為兩段圓弧曲線。已知大棚跨度L，脊高H1，肩高H2，棚腳角度，屋脊坡度，以左側(cè)棚面曲線為例，該曲線為一個半徑為R的圓弧，該圓的圓心為O，交坐標(biāo)系y軸上半軸于M點(diǎn)，即脊高弧點(diǎn)；交坐標(biāo)系x軸左半軸于N點(diǎn)，即左側(cè)肩高弧點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 新型大跨度單體塑料大棚棚面曲線設(shè)計(jì)Fig. 2 Curve design of new large-span plastic greenhouse

計(jì)算圓心O的坐標(biāo)后，OM即為圓的半徑R，脊高弧點(diǎn)M與左側(cè)肩高弧點(diǎn)N之間的圓弧即為兩點(diǎn)之間的合理弧線，右側(cè)同理可得到一條圓弧線，兩側(cè)的圓弧線即為大棚的棚面曲線。帶入數(shù)值，計(jì)算得到半徑R為12 m，為了方便鋼管加工，肩部冷彎成半徑為1 m的弧度，經(jīng)計(jì)算單側(cè)拱桿長度為7.9 m。

2 試驗(yàn)方案與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年1—3月在溫州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院溫州種子種苗科技園新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)進(jìn)行。大棚表面覆蓋0.1mm厚散射光PO膜。試驗(yàn)所用太陽總輻射記錄儀(YM-TF)總輻射強(qiáng)度測量范圍為0～2 000 W/m2，測量精度±1 W/m2，分辨率0.1 W/m2；空氣溫濕度記錄儀(Hobo U23-001)溫度測量范圍為-40 ℃～70 ℃，測量精度為±0.02 ℃。

單體大棚內(nèi)外太陽總輻射強(qiáng)度的測定。在單體塑料大棚內(nèi)距離兩側(cè)端面2 m的位置及大棚中部各布置太陽總輻射記錄儀1臺，在大棚的外面設(shè)置太陽總輻射儀記錄儀1臺，共計(jì)3臺儀器，各儀器均距離地面高度1.5 m。

單體大棚內(nèi)外溫度的測定。在單體塑料大棚內(nèi)距離兩側(cè)端面2 m同時距離大棚兩邊各2 m位置各設(shè)置溫度記錄儀1臺，在大棚中部和大棚外面各布置溫度記錄儀1臺，共計(jì)6臺儀器，各儀器均距離地面高度1.5 m。

各儀器全天24 h記錄環(huán)境參數(shù)，記錄間隔為0.5 h。根據(jù)試驗(yàn)期間的天氣情況，試驗(yàn)選取多云、晴天、陰天為典型天氣。數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與處理。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化

圖3反映的是試驗(yàn)期間(01.20—02.21)新型宜機(jī)化單體大棚內(nèi)外9∶00～17∶00時光照環(huán)境變化。從圖3中可以看出，大棚外光照環(huán)境變化范圍在11.63～144.08 W/m2之間，大棚東側(cè)光照環(huán)境變化范圍在6.55～92.13 W/m2之間，大棚西側(cè)光照環(huán)境變化范圍在6.35～72.50 W/m2之間。東西兩側(cè)的平均透光率分別為棚外的69.63%和55.73%。大棚東西兩側(cè)光照環(huán)境分布不均勻，東側(cè)光照環(huán)境由于西側(cè)。

圖3 新型大跨度單體大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化Fig. 3 Change of light environment internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.2 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外典型天氣光照環(huán)境變化

表1反映的是試驗(yàn)期間單體塑料大棚內(nèi)外00∶00～ 24∶00時典型天氣光照強(qiáng)度變化。其中1月23—24日為陰天，1月27—28日為多云，2月17—18日為晴天。從表1中可以多云和晴天天氣下大棚的透光率要高于陰天，分別較陰天提高2.24%和3.59%。在陰天、多云、晴天天氣下大棚東側(cè)透光率高于西側(cè)透光率，分別較西側(cè)提高2.23%、5.54%和8.07%。

表1 新型大跨度單體塑料大棚典型天氣內(nèi)外光照環(huán)境及透光率變化Tab. 1 Changes of light environment and light transmittance internal and external of new large-span plastic greenhouse under typical weather

3.3 新型大跨度單體塑料大棚典型天氣內(nèi)外光照環(huán)境日變化

圖4反映的是典型天氣下單體大棚內(nèi)外光照環(huán)境日變化情況。從圖4中可以看出，單體大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化趨勢基本相同，呈現(xiàn)“單峰”變化規(guī)律，并于12∶00～13∶00達(dá)到最高峰，之后逐漸下降。陰天(01月23日)、多云(01月28日)、晴天(02月18日)大棚外光照強(qiáng)度最高值分別為24.4、79.2和260.0 W/m2，大棚東西兩側(cè)光照強(qiáng)度最高值分別為19.6、74.0、184.0和16.0、57.2、130.8 W/m2。

(a) 陰天大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化

(b) 多云大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化

(c) 晴天大棚內(nèi)外光照環(huán)境變化

3.4 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外最低溫與最高溫變化

圖5和圖6反映的是試驗(yàn)期間大棚內(nèi)外最低溫和最高溫的變化情況。從圖5中可以看出棚外最高溫變化在8.1 ℃～23.5 ℃，大棚東側(cè)最高溫變化在11.4 ℃～37.3 ℃，大棚中部最高溫變化在11.2 ℃～36.3 ℃，大棚西側(cè)最高溫在11.3 ℃～32.4 ℃，大棚東側(cè)最高溫>大棚中部最高溫>大棚西部最高溫。從最低溫變化來看(圖6)，室外最低溫低于0 ℃的有6天，棚內(nèi)東側(cè)、中部及西部未出現(xiàn)低于0 ℃的天數(shù)。室外最低溫變化在-2.3 ℃～13.5 ℃，大棚東側(cè)最低溫變化在0.1 ℃～14.3 ℃，大棚中部最高溫變化在0.1 ℃～14.2 ℃，大棚西側(cè)最高溫在0.1 ℃～14.2 ℃，大棚東側(cè)、中部及西側(cè)最低溫分別較室外最低溫提高2.4 ℃。

圖5 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外最高溫變化Fig. 5 Change of maximum temperature internal and external of new large-span plastic greenhouse

圖6 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外最低溫變化Fig. 6 Change of minimum temperature internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.5 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外夜間平均溫度變化

圖7反映的是試驗(yàn)期間單體大棚內(nèi)外下午17∶00～次日8∶00間的溫度變化。從圖7中可以看出，大棚內(nèi)的溫度環(huán)境變化與露地相似。在試驗(yàn)期間，該時間段露地平均溫度7.77 ℃，大棚內(nèi)東側(cè)平均溫度8.92 ℃，大棚中部溫度8.89，大棚西側(cè)溫度8.67 ℃。試驗(yàn)期內(nèi)露地平均溫度范圍為1.38 ℃～14.30 ℃，大棚內(nèi)東側(cè)平均溫度范圍為3.78 ℃～15.04 ℃，大棚內(nèi)西側(cè)平均溫度范圍為2.77 ℃～15.05 ℃，大棚中部平均溫度范圍為3.28 ℃～15.03 ℃。大棚內(nèi)東西端面附近溫度基本一致，說明大棚內(nèi)夜間溫度分布相對均勻。

圖7 新型大跨度單體塑料大棚內(nèi)外夜間平均溫度變化Fig. 7 Average temperature at night internal and external of new large-span plastic greenhouse

3.6 新型大跨度單體塑料大棚典型天氣內(nèi)外溫度日變化

圖8反映的是典型天氣下大棚內(nèi)外溫度的日變化情況。從圖8中可以看出，大棚內(nèi)外氣溫的變化趨勢相近，16:00時后棚內(nèi)氣溫逐漸下降至次日6:00時，而后逐漸上升，中午12:00～13:00達(dá)到最高值。陰天天氣(1月23日)大棚外氣溫變化范圍9.5 ℃～15.2 ℃，大棚東側(cè)、中部、西側(cè)溫度變化范圍分別在10.3 ℃～19.3 ℃、10.4 ℃～18.9 ℃、10.7～19.3 ℃；多云天氣(1月28日)大棚外氣溫變化范圍5.1 ℃～13.5 ℃，大棚東側(cè)、中部、西側(cè)溫度變化范圍分別在5.8 ℃～27.8 ℃、6.0 ℃～24.1 ℃、5.4～24.5 ℃。晴天天氣(2月18日)大棚外最低氣溫為-2.3 ℃，而大棚內(nèi)東側(cè)、中部、西側(cè)最低氣溫分別較棚外提高2.5 ℃、2.3 ℃、2.4 ℃。

(a) 陰天大棚內(nèi)外溫度環(huán)境變化

(b) 多云大棚內(nèi)外溫度環(huán)境變化

(c) 晴天大棚內(nèi)外溫度環(huán)境變化

3.7 新型大跨度單體塑料大棚與現(xiàn)用單體塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能比較

表2反映的是新型大跨度單體塑料大棚與現(xiàn)用單體塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能的比較。從表2中可以看出，新型單體塑料大棚的結(jié)構(gòu)較生產(chǎn)中現(xiàn)用的單體塑料大棚結(jié)構(gòu)上有明顯的增強(qiáng)，脊高由原來的3.0～3.5 m增加至4.5 m，高度的增加可在棚內(nèi)壓桿下懸掛單層保溫幕布用于冬季的保溫，這樣的操作可較現(xiàn)用的“二道膜”操作方便，同時可以減少遮光。大棚的寬度增加及全開門的設(shè)計(jì)可滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械的進(jìn)出，提高勞動生產(chǎn)效率。在透光性及保溫性方面，較現(xiàn)用的單體塑料大棚均有不同的程度的提高，可滿足生產(chǎn)中植物生長的需求。

4 討論

本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的新型大跨度單體塑料大棚，跨度為9.6 m，脊高4.5 m，肩高2.5 m，棚門設(shè)計(jì)采用雙軌道三扇推拉門方式，有利于解決農(nóng)用機(jī)械進(jìn)出操作的問題。試驗(yàn)中在測定指標(biāo)時未設(shè)置垂直梯度，選取大棚內(nèi)中部及距離兩側(cè)端面2 m、距離地面1.5 m位置作為環(huán)境指標(biāo)測定點(diǎn)和在水平方向及垂直方向均設(shè)立測點(diǎn)的方法相比，具有一定的代表性[7]。

跨度是影響大棚溫光環(huán)境的重要結(jié)構(gòu)指標(biāo)，研究跨度對分析大棚環(huán)境性能和優(yōu)化大棚的結(jié)構(gòu)具有重要的意義[8]。在對大跨度大棚的研究中表明，大跨度非對稱塑料大棚可以顯著提高棚內(nèi)夜間平均氣溫和最低溫度，但并非跨度越大越好[9]；適當(dāng)大棚跨度的增加可提高棚內(nèi)光照強(qiáng)度，減少棚內(nèi)光照分布不均勻，跨度越大棚室內(nèi)溫光環(huán)境越穩(wěn)定[10-12]。單體塑料大棚是南方地區(qū)應(yīng)用最多的設(shè)施類型，但對于大跨度的大棚、溫室的研究多以北方設(shè)施居多[13-15]，而在在南方的設(shè)施中應(yīng)用研究還相對較少。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型大跨度單體塑料大棚結(jié)構(gòu)分析表明，大棚跨度由原來的8 m增加為9.6 m，脊高由原來的3.0～3.5 m增加至4.5 m，肩高由原來的1.8 m增加至2.5 m，非常有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的棚內(nèi)作業(yè)；從溫光性能分析來看，試驗(yàn)期間露地最低溫為-2.3 ℃，而棚內(nèi)在無任何內(nèi)覆蓋情況下較棚外最低溫提高2.4 ℃；露地最高溫為23.5 ℃，棚內(nèi)最高溫為37.3 ℃，無極限高溫出現(xiàn)。試驗(yàn)期間單體大棚夜間平均溫度東側(cè)、中部、西側(cè)分別為8.92 ℃、8.89 ℃及8.67 ℃，溫度分布相對均勻。在光照方面，大棚東西兩側(cè)的平均透光率為室外的69.63%和55.73%，東側(cè)光照環(huán)境由于西側(cè)。

5 結(jié)論

新型大跨度單體塑料大棚設(shè)計(jì)跨度為9.6 m，脊高4.5 m，肩高2.5 m，棚門設(shè)計(jì)采用雙軌道三扇推拉門方式，適于作業(yè)機(jī)械的進(jìn)出。

新型大跨度單體塑料大棚在試驗(yàn)期間較露地環(huán)境未出現(xiàn)0 ℃以下低溫及極限高溫，夜間最低溫度較露地提高2.4 ℃，夜間大棚內(nèi)東側(cè)平均溫度8.92 ℃，大棚中部溫度8.89，大棚西側(cè)溫度8.67 ℃，溫度分布基本一致。東西兩側(cè)的平均透光率分別為棚外的69.63%和55.73%。

對設(shè)計(jì)的新型單體塑料性能的分析表明，增加跨度有利于機(jī)械化作業(yè)的實(shí)施，棚內(nèi)溫光分布穩(wěn)定，具有推廣的可行性。