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          日光溫室的建造技術

          (發布日期:2005-2-23 12:16:57)
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          一  概述

          溫室又稱為暖房,是一種以玻璃或塑料薄膜等材料作為屋面,用土、磚做成圍墻, 或者全部以透光材料做為屋面和圍墻的房屋,具有充分采光、防寒保溫能力。溫室內可設置一 些加熱、 降溫、補光、遮光設備,使其具有較靈活的調節控制室內光照、空氣和土壤的溫濕度、二氧 化碳濃度等蔬菜作物生長所需環境條件的能力,成為當今蔬菜保護地設施之一。

          日光溫室是一種在室內不加熱的溫室,即使在最寒冷的季節,也只依靠太陽光來維持室內一定的溫度水平,以滿足蔬菜作物生長的需要。
          由于塑料工業的發展,加之玻璃易破損,農村日光溫室大多以塑膜為屋面材料。特別是我國 北方在土溫室基礎上興起的塑料日光溫室,具有明顯的高效、節能、低成本的特點,深受菜 農 及消費者的歡迎,是發展高產、優質、高效農業的有效措施之一,將會得到更快的發展。

          實踐證明,凡室外最低溫度不低于-25℃的,利用塑料日光溫室的特殊結構性能,可使室 內保持5℃以上的溫度時,均可獲得滿意結果。
          我國日光溫室及栽培技術獨具特色,在發展中國家處領先水平。其工藝路線與發達國家沒有 可比性,發達國家以鋼結構、大型日光溫室為主,我國以中小型為主;發達國家覆面材料 以 聚酯為基材的透光材料為主,我國以塑膜(聚乙烯膜和多功能膜、無滴PVC棚膜)為主要覆面 材料。我國日光溫室投資回收期短,竹木結構的當年可收回投資,鋼結構的投資回收期一般 為2~4年。我國日光溫室的調控手段落后于發達國家。

          日光溫室是四位一體生態型大棚模式的重要組成部分之一。它的建造是在沼氣池、豬舍及廁 所建造的基礎上進行的。所以,沼氣池要先建,豬舍與溫室同步進行。當然,若將現有日光 溫室改建成“模式”也是可以的,在日光溫室的一端建造沼氣池和豬舍即可。因此,對沼氣 池、廁所、豬舍、日光溫室的建造順序也需根據具體條件靈活掌握。


          二  日光溫室的類型

          日光溫室通常坐北朝南,東西延長,東、西、北三面筑墻,設有不透明的后屋面, 前屋面用塑料薄膜覆蓋,作為采光屋面。

          日光溫室從前屋面的構型來看,基本分為一斜一立式和半拱式。由于后坡長短、后墻高矮不 同,又可分為長后坡矮后墻溫室、高后墻短后坡溫室、無后坡溫室(俗稱半拉瓢)。從建材上又可分為竹木結構溫室、早強水泥結構溫室、鋼鐵水泥磚石結構溫室、鋼竹混合結構溫室 。

          決定溫室性能的關鍵在于采光和保溫,至于采用什么建材主要由經濟條件和生產效 益決定,比較常用的溫室有一斜一立式溫室和半拱式溫室!澳J健比展鉁厥乙话悴捎脦в泻髩昂 坡的半拱式日光溫室,這種溫室既能充分利用太陽能,又具有較強的棚膜抗摔打能力。因此 ,溫室結構設計及建造以半拱式為好。

          1  一斜一立式溫室

          一斜一立式溫室是由一斜一立式玻璃溫室演變而來的。70年代以來,由于玻璃的短缺,塑料 工業的興起,塑膜代替玻璃覆蓋一斜一立式日光溫室最初在遼寧省瓦房店市發展起來,F在 已輻射到山東、河北、河南等地區。

          溫室跨度7米左右,脊高3~3.2米,前立窗高80~90厘米,后墻高2.1~2.3米。后屋面水平投影1.2~1.3米。前屋面采光角達到23°左右。

          一斜一立式溫室多數為竹結構,前屋面每3米設一橫梁,由立柱支撐。
          這種溫室空間較大,弱光帶較小,在北緯40°以南地區應用效果較好。但前屋面壓膜線壓 不緊,只能用竹竿或木桿壓膜,既增加造價又遮光。

          80年代中期以來,遼寧省瓦房市改進了溫室屋面的結構,創造了琴弦式日光溫室。 前屋面每 3米設一桁架,桁架用木桿或用25英寸鋼管、用直徑為14毫米鋼筋作下弦,用直徑10毫米鋼 筋 作拉花。在桁架上按30~40厘米間距,東西拉8號鐵線,鐵線東西兩端固定在山墻外基部 ,以提高前屋面強度,鐵線上拱架間每隔75厘米固定一道細竹竿,上面覆蓋薄膜,膜上再壓 細竹竿,與膜下細竹竿用細鐵絲捆綁在一起。蓋雙層草苫?缍7.0~7.1米,高2.8~3.1米,后墻高1.8~2.3米,用土或石頭壘墻加培土制成,經濟條件好的地區以磚砌墻。 近年來溫室壘墻又出現了用使用過的編織袋裝土塊速壘墻的作法。
          近兩年來一斜一立式或琴弦式溫室又發展成前屋面向上拱起,以便更好地壓膜和減輕棚膜的 摔打現象。

          2  半拱式溫室

          半拱式溫室是從一面坡溫室和北京改良溫室演變而來。70年代木材和玻璃短缺,前屋面改松 木棱為竹竿、竹片作拱桿,以塑料薄膜代替玻璃,屋面構型改一面坡和兩折式為半拱型。溫 室跨度多為6~6.5米,脊高2.5~2.8米,后屋面水平投影1.3~1.4米。這種溫室在北 緯4℃以上地區最普遍.


          三  日光溫室的結構設計與建造

          1  日光溫室的幾何尺寸

          (1)跨度(L)  后墻內側至前屋面骨架基礎內側的距離; 

          (2)后墻高(h)  基準地面至后坡與后墻內側交點

          (3)溫室高度(H)  基準地面至屋脊骨架上側的距離; 

          (4)后坡仰角(а)  后墻內側斜面與水平面夾角;

          (5)溫室長度(M)  兩山墻內側距離;

          (6)溫室面積  溫室跨度L與長度M的乘積。

          2  日光溫室建筑設計原則

          (1)溫室方位  日光溫室要盡量減少后墻遮蔭。一般應座北朝南,但對高緯度(40°以北) 和晨霧大、氣溫低的地區,冬季日光溫室不能日出即揭簾受光,這樣,方位可適當偏西。偏 離角應根據當地緯度和揭簾時間確定,一般不宜大于10°。溫室方位的確定尚應考慮當地 冬季主導風向,避免強風吹襲前屋面。

          (2)溫室間距  間距的確定應以前棟不影響后棟采光為前提。丘陵地區可采用階梯式 建造;平原地區,也應使冬至日上午10時陽光能照射到溫室的前沿,即使土地資源非常寶 貴的地區,也應保證冬至日中午陽光能照射到溫室前防寒溝。

          (3)溫室總體尺寸  主要指剖面尺寸。一般根據溫室的跨度和高度,組成標準溫室,而后墻 高度和后坡仰角應根據操作空間要求和當地氣候條件確定。有關溫室總體尺寸的確定將在后 面加以介紹。

          為了便于操作,溫室長度不宜大于100米,溫室面積以小于667平方米(1畝)為宜。

          3  溫室構造

          (1)溫室周圍或一側應設置防寒溝,深度一般應為0.5米,寬度宜0.3~0.5米,內填保溫材料 。保溫材料熱阻應接近或達到后墻熱阻,并應保持干燥,防水防潮。防寒溝可設在溫室內、外,但室內效果更佳。

          (2)冬季以北風或偏北風為主導風向的地區,溫室北側應設風障。

          (3)為了方便操作,溫室前屋面骨架在距溫室前沿0.5米水平距離處的高度不應低于0.7米 ,宜在0.7~0.8米。

          (4)為適應目前草苫的規格和便于壓膜線固膜,溫室骨架間距應在0.6~1.2米,推薦在0.75~1.0米。

          (5)山墻上應設置上人臺階,高于2米的山墻和后墻應設安全防護欄,欄高不低于0.9米。

          4  塑膜覆蓋日光溫室結構設計與建造

          (1)塑膜對直射光光線透過率特性  不同投射角射光對塑膜的透過率如圖4.8所示。由圖4.8可知塑膜光線透過率與直射陽光的投射角不呈單調的線性關系。當投射角在0°~40° 時,直射光的透過率變化不大,能保證透過率大于80%,只有投射角大于45°時,透過率才明顯減小,大于60°時,急劇減小,故直射光線對棚面的投射角在40°以內時,即能獲得較 好的光線透過效果。

          (2)日光溫室斷面形狀  日光溫室斷面尺寸如圖4.9所示。日光溫室跨度L、后墻高h、后坡仰角а、高度H、南屋面角度а0是決定日光溫室結構的主要參數。

          (3)南屋面角度а0研究表明,采光總量的多寡與采光屋面形狀無關,而是由透明屋面最高點到其前棚著地點處的直線與水平地面夾角а0來決定。

          (4)棚面形狀  雖然棚面形狀與采光量多寡無關,但從棚面牢固性出發,棚面摔打現象與棚 面弧度有關。棚面摔打現象是由棚內外空氣氣壓不等造成的。當棚外風速大時,空氣壓強(靜壓)減小,棚內產生舉力,棚膜向外鼓起;但在風速變化的瞬間,由于壓膜線的拉力,棚膜又返回棚架,如此反復,棚膜就反復摔打。

          根據理論分析可知,對于跨度為5.5米和6.0米的溫室,棚面曲線的合理軸線設計公式為: 

           Yi=[H/ (L1+0.25)2]×(Xi+0.25)×

          [2(L1+0.25)-(Xi+0.25)]

          式中:Yi為棚面對應于Xi的弧線點高;Xi為距溫室南端的水平距離;L1 為日光溫室棚膜在水平方向上的投影寬度。對跨度為6.5米和7.0米的溫室,用下述公式計算:

          Yi=[H/ (L1+0.30)2]×(Xi+0.30)×

          [2(L1+0.30)-(Xi+0.30)]

          (5)溫室的高度與跨度  溫室的高度與跨度是密切相關的。目前“模式”中的溫室設計普遍是高度矮、跨度增大。它帶來的弊端有許多人已認識到了,而在實際做的時候絕大多數人又把它忽視了。這是人們希望溫室內可播種面積越大越好,而導致跨度增大。

          (6)溫室的后墻、山墻的建造  日光溫室后墻高度一般為1.8~2.2米,不宜低于1.6米。 后墻要距房屋3~4米外,沿著溫室延長方向劃線。后墻、山墻按建筑材料可分為泥垛、磚石兩種。無論是用泥還是用磚,基礎最好是用磚或石頭砌0.5米高,這樣可有效地抗伏雨淋 沖水泡,延長溫室的使用壽命。墻體若用磚砌,內層磚墻24厘米,中間保溫夾層12厘米,外 層磚墻厚12厘米。保溫夾層可填充珍珠巖、爐灰碴等如圖4.10所示,若用泥垛,要用揚腳 泥垛,底寬1米、頂寬0.8米。后墻可培土,以便增強保溫效果。

          (7)后坡及拱架  后坡與水平面夾角稱后坡仰角,一般а=35°~45°,不宜小于30°,坡長1.7米左右為好。溫室骨架可采用鋼管骨架、氧化鎂骨架及竹木結構骨架。對于竹木結構骨架 ,拱架采用直徑3~4厘米的竹架或4~5厘米寬的厚竹片制成,竹竿長5米,竹片長6米,間隔 0.8米左右。設兩排前柱,每3.3米遠一根,支在懸梁上。懸梁與每個拱架之間安裝約15厘米長的吊柱,把拱架支起固定,這種結構稱為懸梁吊柱。懸梁選8厘米粗、3.5米長的硬雜木。中柱支撐在后坡前部,應選用粗10厘米以上、長2.5米以上的硬雜木,每隔3.3米一根,與前柱在一個平面上。后坡第一層是硬雜木搭在中柱與后墻上,稱柁木,數量同中柱。用材選粗12厘米、長大于2米(比后坡長度長0.4米左右)的。柁木上邊有4道粗10厘米、長度不小于3.5米的檁木,檁子上勒箔,可用玉米秸、秫秸等,箔上邊抹兩遍揚腳泥。抹第二遍時 鋪一層 廢舊塑料。揚腳泥上放一層蕘,再抹泥或培土,還可鋪整捆玉米秸、稻草等,總厚度達0.6 米以上。

          (8)棚膜的選用  東北地區應用的棚膜主要有聚氯乙烯膜(占4/5)、聚乙烯膜(占1/5) 。聚氯乙烯膜幾乎全是無滴膜。

          四  日光溫室的熱工設計

          日光溫室的保溫與采光占有同樣的地位,是日光溫室成敗的關鍵因素之一。目前對 日光溫室 的傳熱機理研究尚不成熟,各地建造日光溫室的用材也很不規范.
          圍護結構熱阻按R=δ/λ計算。其中R為熱阻   (米2·℃/瓦);δ為材料層厚度(米);λ—材料導熱系數(瓦/米·℃)。對于多層復合結構,其總熱阻為各 層熱阻之和。


          五  日光溫室地下熱交換土壤蓄熱系統的設計

          溫室的設計要求充分利用太陽能。在溫室中,在冬季,特別在晚秋或早春季節有時白天室內 氣溫超過栽培合適溫度時,為了不使室內氣溫過高,一般采用白天向室外放氣的方法來排除 室 內的多余熱量以降低室溫,地下熱交換土壤蓄熱系統就是要把白天多余的熱量通過埋設在溫 室 地下的管道循環貯存在土壤中,在夜間再作為熱源向室內放熱,把土壤作為蓄、放熱源的一 種方法。

          1  地下熱交換土壤蓄熱系統的工作原理

          日光溫室地下熱交換土壤蓄熱系統工作原理就是利用風機把太陽輻射產生的棚內熱空氣,通過地下管道送入地下,在熱空氣通過地下時,由于土壤溫度低,就在地下產生熱量的交換,土壤吸收一部分熱空氣中的熱量,土壤溫度提高,將多余熱量貯存起來。氣溫與地下土壤溫 度差越大則吸收的熱量就越多,當氣溫與土壤溫度相等時,就不會產生熱交換,就不能起到 貯存熱量的作用。

          2  地下熱交換土壤蓄熱系統的結構

          地下熱交換土壤蓄熱系統結構由六部分組成:風機;地下熱交換 管道;出口;貯氣槽;地下隔熱層;自動控制裝置。地下熱交換管道沿溫室橫向(即東西方向)鋪設,距東墻內側0.3米處砌有貯氣槽,貯氣槽兩側接近底部均勻開孔與地下熱交換管道相通,貯氣槽上部開口蓋以木板,中間開孔放置風機。

          3  地下熱交換土壤蓄熱系統主要參數的確定

          主要參數包括管道材料與形狀,地下管道長度l,管道埋設深度(即管道中心至地表面距 離)h,相鄰兩管道水平間距b,管道內表面積Ap,貯氣槽的尺寸,隔熱層埋設深度H和風機選擇等。在實際應用中,應根據具體溫室條件,適當地選擇地下熱交換土 壤蓄熱系統的結構參數。

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