鄒志榮西北農林科技大學聯系方式 13991124991 模塊化組裝式日光溫室結構創新與實踐 目錄 問題提出 我國日光溫室的面積已經超過1500萬畝 有效的解決了冬季蔬菜生產問題 實現了蔬菜周年供給的目的 但是 由于日光溫室建造費時費工 人工成本高 標準化程度低 造價高 限制了我國設施農業的快速發展與應用 所以 開發機械化 標準化的溫室建設是當前急需解決的問題 溫室的采光保溫性能顯著降低 耕地破壞嚴重 利用率低 室內地面過度下沉 標準不同 性能較差 塌棚現象 手工作業 生產效率低 概念與優勢 模塊化組裝式日光溫室就是將溫室結構與生產裝備從工廠生產成模塊成品 一次性組裝在所需的農田里 形成一個成熟的溫室生產建筑 將溫室生產建筑進行工業化的革命 即溫室建筑標準化 生產裝備一體化 形成能夠快速高效生產的溫室建筑與裝備 優勢 1 縮短溫室的設計和制造周期 加快供貨速度 有利于市場競爭 有助于溫室的生產實現產業化 2 便于溫室更新換代和新產品的開發 由于有許多現成的通用和專用模塊 減少了新產品開發的成本和周期 3 通用和專用模塊一般在生產和使用中都經過檢驗 工藝完善 產品的質量更易得到保障 4 溫室結構的模塊化設計 提高了生產效率 可以實現溫室結構的快速設計 滿足不同區域 不同客戶的多品種需求 5 采用標準設計制作構配件和設備裝置 零部件 工人對生產操作 施工安裝都易于掌握 因而可以不斷提高生產和施工安裝質量 有利于保證溫室工程的質量 6 節約建筑材料 降低溫室工程造價 模塊化的溫室結構構件 可以促進構件標準化 采用標準設計生產構配件 便于預制廠統籌安排 統一配料 可以大大節約建筑材料 7 推廣先進技術 模塊化設計在機械 建筑行業已經廣泛應用 模塊化在溫室設計中的應用 也將先進技術推廣到更寬廣的應用領域 促進溫室結構件的標準設計與溫室所用到的建筑材料的標準設計 8 促進溫室工業化的發展 有了溫室建筑構件的標準設計 工廠可以進行工廠化大批量生產 標準構件的推廣也將大大加快溫室建造的速度 模塊化溫室設計與應用 對溫室進行模塊劃分及模塊創建 并給出多種模塊化設計方法的設計思路 然后對模塊化溫室進行了詳細設計 包括墻體結構 骨架屋架 栽培設施以及環控模塊四個方面 1 墻體模塊 溫室墻體模塊主要起到承載各種荷載的作用 是溫室系統的受力體系 是溫室覆蓋材料 環境控制設備和灌溉設備 作物懸掛等栽培設施得以安裝的基礎 土墻 墻體材料易獲得 成本低 保溫蓄熱性能好 復合材料墻體 墻體材料是有蓄熱層 保溫層和絕熱層組成 建筑方便 性能好 成本高 墻體模塊 模塊化組裝式土墻溫室的墻體使用速土成型機建造 把原本松軟的土壤加入一定的水配成合適的含水率 最佳含水率可以通過擊實試驗獲得 加入到成型機里 通過巨大的壓力使土壤孔隙變得密實 得到最終規格為1 2 1 2 1 2m的密實土塊 可直接用于溫室墻體的建設 一臺速土成型機生產一個這樣規格的土塊用時約8min 大大節省了溫室墻體建造時間 并且減少了墻體厚度 節省了建造用土和人力 建設完成后可在外側增附一層保溫板或其他覆蓋物 可以有效進行保溫和防止雨水沖淋 降低了成本并增加了美觀度 快速筑墻機 一 筑墻機二 裝土 蓄熱材料 絕熱材料 吸熱材料 現澆混凝土基礎層 3D打印溫室斷面結構 傳熱風道 絕熱材料 蓄熱材料 吸熱材料 3D打印溫室構造示意圖 30M 負壓通風 通風蓄熱 風機 3D打印溫室蓄熱風機構造示意圖 進氣口 進氣口 3D打印溫室蓄熱原理示意圖 進氣口 進氣口 出氣口 模塊土密度與抗壓強度 實物圖 經大量對比實驗 速筑土墻模塊比人工電夯密度提高7 強度提高11 比流行的推土機碾壓墻密度提高13 強度提高53 大大增強了日光溫室后墻的蓄熱能力和強度 無側限抗壓強度試驗結果對比 注 輕型擊實試驗結果 最優含水率17 9 時 最大干密度為1 71kg cm3 初步結論 擠塑速土模塊強度優于夯土墻 即使剛制出的濕土塊也優于當前普遍使用的碾壓墻 模塊土不同部位密度 日光溫室模塊化后墻承載力性能測試 試驗溫室主要尺寸 長36m 跨度10m 骨架間距1 0m 后墻高3 6m 1 測試在折算雪載為0 25kN m2豎向荷載作用下 后墻水平位移 2 測試在折算雪載為0 6kN m2豎向荷載作用下 后墻水平位移 確定重物吊點位置及重物荷載大小 在屋架上均布8個吊點 每個吊點吊掛重物75kg 折算為屋面均布荷載為0 6kN m2 通過計算 測點1 即墻頂 在試驗荷載作用下 最大水平位移為0 896mm 測點2 即墻中部 最大水平位移為0 600mm 測點1 即墻底部 最大水平位移為0 118mm 由此可見 墻體各部分水平位移均不超過1mm 相對墻體高度來說為小位移 說明在設定的荷載作用下墻體抗側移能力仍有足夠富裕 后墻安全 1 它運用吸熱 蓄熱 散熱的原理制作溫室模塊墻體 2 制作 就地取材墻體用料99 是土 沙 石 就地取材建造 代替了過去的磚墻 省去了制磚時用電 燒煤的能量消耗和污染 而且節能 3 成本 高性價比墻體以土為原材料加少量相變固化劑 溫室骨架由工廠化生產 使整個溫室的造價下降40 左右 克服了溫室價格高 經濟效益差的頑疾 4 速度 機械化大幅度提高建棚效率全程機械制造 一臺機器一天能制造60米長 4米高 1 3米厚的墻體 加上折疊式骨架的應用 多臺機器同時使用 大大加快了建設周期 5 環保 節約土地資源 減少霧霾由于其墻體可就地取材 用土 沙 石混合制作 這樣就可以在沙漠 戈壁 鹽堿地上建造 對我國土地利用有著十分重要的意義 該產品具有極強的適應性 在各種氣候 土壤 沙漠 河灘 戈壁灘等環境下 可以利用焦土 黃土 沙土 土沙石塊混合體就地取材建設 使荒灘 沙漠 戈壁變為良田 其應用前景廣闊 模塊土墻溫室優勢與應用 目前在我國北京 新疆 寧夏等地也開發建設了不同材料的組裝式日光溫室 見圖2 探討新的結構應用效果 荷蘭 日本日光溫室 日本日光溫室 骨架模塊效果圖 2 骨架模塊 溫室骨架模塊必須包括屋架 立柱 檁條和天溝等主要的受力構件 還應包括聯系上述主要構件 保證溫室整體剛度的結構支撐體系 傳統的溫室骨架是在現場臨時放樣進行加工 費時費事 模塊化骨架采用加工廠加工完成 包括焊接 沖孔 鍍鋅等施工工藝 后運至施工現場 與基礎連接處采用螺栓連接 非基礎位置采用自攻螺釘連接 避免焊接 減少骨架施工周期和安裝成本 三 栽培設施模塊 傳統的土壤栽培在生產中難以解決水分 空氣 養分供應的矛盾 往往無法使作物根系處于適宜的環境條件下 從而影響作物生長 而無土栽培作為一種新的栽培方式 現在正被人們廣泛應用 它可以有效解決土壤栽培弊端 發揮作物的生長潛力 使植物生長量 生物量大大提高 所以 栽培模塊就是利用現有的無土栽培技術為依托 實現栽培系統可組裝 可調控的應用 栽培模塊 水肥一體化根據不同的作物的需肥特點把水分 養分定時定量 按比例直接提供給作物 可以達到省肥節水 省工省力 降低濕度 減輕病害 增產高效的作用 四 環控模塊 目前 基于單片機 PLC CAN總線 RS485總線 ARM9處理器 ZigBee OSGi網關 模糊神經網絡等軟硬件控制在工業生產中應用成熟 也逐步應用于農業生產特別是溫室生產中 并統一稱為 農業物聯網系統 通過對現有溫室大棚廣泛調研 建立不同作物專家管理軟件 并特制定本環境控制模塊 可實現對溫室大棚內環境的精確監測 自動上報及控制 對作物生長過程和勞動作業過程的視頻監控 生產指導 對物聯網的三個層次分別進行模塊化安裝及使用 四 環控模塊 感知層主要采用針對溫室內溫光水氣肥五大環境因子的超低功耗的的傳感器模塊 傳輸層采用安裝及管理最為便捷的無線傳輸模塊 溫室內的環境數據匯集到云端 推送到手機 便于實時監控 應用層采用系統自動調控和人工干預相結合的方式控制 通過對云端數據庫上數據分析 借助專家系統平臺 可以優化種植技術 達到持續增收增產目的 發展前景 模塊化組裝式溫室建設是一場創新性工業化的變革 是我國日光溫室轉型升級的手段 也是實現現代化溫室建設的有效途徑 機器替代人 設備控制環境與栽培系統是發展的方向 是提高生產效率 土地產出率和資源利用率的最佳方式 下一步需要研究的內容 THEEND