楊 燁，李治國(guó)，趙景文，閆子雙，李宗煦，李 凱，李傳友，高大辛

（1.北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079；2.北京河南寨農(nóng)機(jī)服務(wù)專(zhuān)業(yè)合作社，北京 101599）

日光溫室因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保溫性能好，成為北方地區(qū)生產(chǎn)反季節(jié)果蔬的重要設(shè)施，且利用日光溫室為農(nóng)民增產(chǎn)創(chuàng)收提供了一條可行之路[1]。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，且發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)也是北京市鄉(xiāng)村振興的重要途徑之一。在日光溫室生產(chǎn)中，溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要環(huán)境因素，直接影響作物的生理生態(tài)與品質(zhì)，而機(jī)械化作業(yè)是降低菜農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率、減少生產(chǎn)成本、增加收入的重要措施。北京市現(xiàn)有設(shè)施總量20.35萬(wàn)棟，其中，日光溫室10.65萬(wàn)棟，塑料大棚9.35萬(wàn)棟，連棟溫室0.17萬(wàn)棟，但70%的設(shè)施建造于2008—2012年，日光溫室長(zhǎng)60.0 m、寬8.0 m、高3.5 m，建造時(shí)主要考慮采光、保溫、通風(fēng)等因素，不少園區(qū)存在設(shè)施老舊、棚室結(jié)構(gòu)落后、機(jī)械作業(yè)難等問(wèn)題[2-3]。隨著大跨度日光溫室的發(fā)展，諸多學(xué)者對(duì)大跨度保溫型塑料大棚小氣候環(huán)境進(jìn)行了研究[4-6]。近年來(lái)，隨著仿真技術(shù)在日光溫室中的應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)[7-9]應(yīng)用最為廣泛，能動(dòng)態(tài)模擬太陽(yáng)輻射在溫室中的分布與變化，也可結(jié)合溫室結(jié)構(gòu)等因子，探究溫室內(nèi)溫度整體變化規(guī)律[8]。但由于日光溫室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)不易獲得，且受外界氣象條件、墻體蓄熱性能、覆蓋材料類(lèi)型、生產(chǎn)管理方式等多種因素的影響，溫室內(nèi)溫度變化模擬相對(duì)比較復(fù)雜，在實(shí)際監(jiān)測(cè)調(diào)控中仍存在一定的誤差。

設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要建設(shè)任務(wù)。受建造結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)規(guī)模、機(jī)具供給等因素限制，北京市設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平總體還不高；因此，大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)宜機(jī)化顯得尤為重要[10]。針對(duì)北京氣候條件，要研發(fā)設(shè)計(jì)宜機(jī)化的新型日光溫室參數(shù)、新型保溫材料和蓄能方式，并根據(jù)研究成果進(jìn)行宜機(jī)化新型日光溫室的設(shè)計(jì)、建造，以實(shí)現(xiàn)冬季蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)。與傳統(tǒng)溫室相比，新建大跨度宜機(jī)化溫室可有效改善土地利用率低的問(wèn)題，且其內(nèi)部空間較大，更適宜機(jī)械進(jìn)出作業(yè)，減少人工投入，從而降低成本，同時(shí)使農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝進(jìn)一步融合，提高作業(yè)效率與生產(chǎn)效率。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 溫室空間與結(jié)構(gòu)研究

圍繞日光溫室生產(chǎn)過(guò)程宜機(jī)化，進(jìn)行新型日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)開(kāi)展2種跨度16 m的日光溫室主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，包括屋脊高度、后墻高度、前屋面角、后屋面角等（圖1）。以最佳采光性和空間宜機(jī)化為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，采用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的日光溫室熱環(huán)境模擬和性能評(píng)價(jià)軟件RGWSRHJ對(duì)光環(huán)境進(jìn)行模擬分析；熱環(huán)境分析采用CFD模擬方式，模擬軟件采用Workbench 2021 R1（ANSYS）中的FLUENT；采用GSCAD軟件進(jìn)行溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化強(qiáng)度計(jì)算；根據(jù)光熱環(huán)境模擬分析對(duì)屋面結(jié)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1.2 合理設(shè)計(jì)作業(yè)空間及進(jìn)出口

新型日光溫室跨度為16 m，主要針對(duì)北京市8 m跨度溫室之間間隔8 m的分布形式而設(shè)計(jì)，不僅提高了土地利用率，同時(shí)解決了機(jī)器進(jìn)入難、機(jī)械化作業(yè)難實(shí)現(xiàn)等實(shí)際問(wèn)題；因此，合理設(shè)計(jì)了16 m跨度日光溫室出入口：寬2 m，高2.2 m，方便作業(yè)機(jī)械進(jìn)出；同時(shí)，優(yōu)化了空間結(jié)構(gòu)布局，合理設(shè)計(jì)了棚室內(nèi)機(jī)械行走作業(yè)路徑。

溫室過(guò)道寬1 m，種植寬度為13.7 m，種植長(zhǎng)度46.5 m，根據(jù)種植要求可種植7壟或8壟（東西向種植），根據(jù)種植面積設(shè)計(jì)行走路徑（圖2），將種植面積利用率最大化，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)部?jī)?yōu)化種植面積的目的。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通風(fēng)方面，溫室共設(shè)有4個(gè)通風(fēng)口，溫室前端底部設(shè)1個(gè)通風(fēng)口，以更好地利用自動(dòng)化設(shè)備在不同時(shí)期調(diào)節(jié)溫室溫度和空氣質(zhì)量。頂部前端風(fēng)口設(shè)計(jì)以調(diào)節(jié)冬夏季光照、溫度及四季防風(fēng)為目的，頂部外端（后部）風(fēng)口冬關(guān)夏開(kāi)，可實(shí)現(xiàn)溫室頂部交叉對(duì)流，底部上下對(duì)流，此雙向?qū)α骺捎行Ы档蜏厥覝囟取⒃龃笊崃?，有利于夏季生產(chǎn)。溫室四周采用內(nèi)置式防寒溝，后坡采用雙層保溫板和水泥板的有機(jī)組合以及長(zhǎng)后坡設(shè)計(jì)，保溫性能好，可實(shí)現(xiàn)2次進(jìn)光，使植物充分進(jìn)行光合作用（圖3）。

1.4 保溫材料

溫室后墻外側(cè)共設(shè)4層保溫材料：外部5 cm聚氨酯保溫板，內(nèi)側(cè)有2層保溫被，最內(nèi)側(cè)1層保溫透光膜。最外層聚氨酯板多用于冷庫(kù)保溫，聚氨酯保溫材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)低，是目前保溫通用材料。保溫被采用1 cm厚的發(fā)泡棉加黑氈，發(fā)泡棉的導(dǎo)熱系數(shù)也很低，是常用的一些保溫材料。保溫透光膜為PO膜，可起到密閉保溫及透光加溫的作用。

此溫室跨度較大，采用加長(zhǎng)后坡設(shè)計(jì)，陽(yáng)光入射角變量過(guò)大，考慮到陽(yáng)光在大入射角時(shí)，頂部采用階梯式保溫和2次進(jìn)光原理，以降低后坡的遮光率：前坡為1次進(jìn)光，頂部為2次進(jìn)光。因此，該溫室在外部保溫、生產(chǎn)種植宜機(jī)化（種植面積、行走路徑、進(jìn)出口）、通風(fēng)、采光等多方面進(jìn)行了考量與創(chuàng)新，確保溫室綜合性能達(dá)到最優(yōu)，保證實(shí)用性。

2 宜機(jī)化溫室與磚墻日光溫室對(duì)比

宜機(jī)化日光溫室與磚墻日光溫室內(nèi)部溫度對(duì)比測(cè)試分析如下。

試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間分別為2022年11月1日（圖4）、2023年1月24日（圖5）。經(jīng)查閱，1月23日、24日北京氣溫為冬季最低。測(cè)點(diǎn)位于溫室東西向中部，距離地面1.1 m，距離后墻5 m處，新建溫室靠自身墻體材料蓄熱，對(duì)比傳統(tǒng)日光溫室靠自身墻體保溫，二者均無(wú)加熱裝置。測(cè)試儀器為精創(chuàng)品牌的RC-4HA/C型號(hào)溫濕度記錄儀，量程為溫度－40～85 ℃，濕度0%～100%。經(jīng)過(guò)對(duì)新建溫室24 h的溫度監(jiān)測(cè)，2022年11月1日和2023年1月24日磚墻結(jié)構(gòu)的日光溫室日平均溫度分別為15.38、8.97 ℃，新建日光溫室的日平均溫度分別為18.10、18.52 ℃；經(jīng)過(guò)計(jì)算，2次對(duì)比中，新建日光溫室的平均溫度比磚墻日光溫室分別高出2.72、9.55 ℃。

圖4 日光溫室內(nèi)部溫度測(cè)試對(duì)比情況（2022年11月1日）

圖5 日光溫室內(nèi)部溫度測(cè)試對(duì)比情況（2023年1月24日）

3 宜機(jī)化溫室種植機(jī)械作業(yè)與人工作業(yè)成本分析

對(duì)比試驗(yàn)采用東西長(zhǎng)壟種植。根據(jù)棚室結(jié)構(gòu)，種植寬度14.8 m，種植8行，一壟雙行種植，壟距1.4～1.5 m，番茄行距40 cm，株距35 cm。

開(kāi)展機(jī)械化撒施肥、機(jī)械化旋耕、機(jī)械化起壟鋪管鋪膜、機(jī)械化移栽4個(gè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化集成示范。（1）撒施肥：采用自走式撒肥機(jī)作業(yè)。記錄機(jī)械撒施一車(chē)肥進(jìn)出棚室時(shí)間、機(jī)具工作時(shí)間、機(jī)具撒施一車(chē)肥料的作業(yè)時(shí)間，計(jì)算純工作效率；測(cè)試傳統(tǒng)撒肥所用人數(shù)及時(shí)間，與機(jī)械化作業(yè)進(jìn)行對(duì)比。（2）旋耕：采用大棚王拖拉機(jī)配套1.3 m旋耕機(jī)作業(yè)。提前測(cè)量出40 m距離，記錄機(jī)具旋耕這一段距離所用時(shí)間，測(cè)試作業(yè)后松土層厚度。（3）起壟：采用大棚王拖拉機(jī)配套起壟覆膜機(jī)作業(yè)。提前測(cè)量出40 m距離進(jìn)行試驗(yàn)，上壟寬60～70 cm，下壟寬70～80 cm，壟高10～15 cm；記錄機(jī)具起壟所用時(shí)間，測(cè)試作業(yè)上壟、下壟及壟高等數(shù)據(jù)。（4）移栽：采用井關(guān)雙行移栽機(jī)作業(yè)。提前測(cè)量出40 m距離，測(cè)試人工起壟、鋪管、鋪膜所用人數(shù)及時(shí)間，并與機(jī)械化作業(yè)進(jìn)行對(duì)比；移栽環(huán)節(jié)測(cè)試倒伏、漏栽、重栽等情況，計(jì)算移栽合格率，測(cè)試人工移栽所用人數(shù)及時(shí)間，并與機(jī)械化作業(yè)進(jìn)行對(duì)比。

4 小結(jié)

綜合分析國(guó)內(nèi)外日光溫室現(xiàn)狀，針對(duì)北京氣候條件，研發(fā)設(shè)計(jì)宜機(jī)化的新型日光溫室參數(shù)、新型保溫材料和蓄能方式，并根據(jù)研究成果進(jìn)行宜機(jī)化新型日光溫室的設(shè)計(jì)建造，以實(shí)現(xiàn)冬季蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)。

通過(guò)溫度監(jiān)測(cè)對(duì)比可以看到，新建溫室相較于傳統(tǒng)溫室的保溫性能大幅度提升，冬季正常情況下可基本滿(mǎn)足果菜生產(chǎn)，但在連續(xù)陰天和雪天情況下，需注意溫度變化，必要時(shí)可進(jìn)行輔助加溫。新型大跨度日光溫室增加了機(jī)械化作業(yè)空間，能夠滿(mǎn)足機(jī)械化作業(yè)需求，與人工作業(yè)對(duì)比節(jié)省勞動(dòng)力84.2%，節(jié)本增效顯著（表1），具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。新型大跨度日光溫室采用新的保溫材料，保溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)日光溫室。

表1 機(jī)械作業(yè)與人工作業(yè)效率對(duì)比