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2007年12月27日 作者:xwz2367609 [返回]
一种高效节能的生态温室

 

温室是当前现代农业发展运用中最为普及的基础设施,它可以为植物的生长或者动物的发育创造出最佳微气候环境,或者是极端气候环境下的保护栽培,更是当前进行反季节养殖与种植所不可缺少的农业装备。如山东寿光的蔬菜之所以能成为当前我国蔬菜的重点品牌产区,关键在于它结合了温室技术实现了反季栽培,创造开辟了高效益的淡季蔬菜市场,从而成为我国重点的蔬菜产区与精品农业品牌。所以大力发展温室种植养殖业已成为当前农村农民发家致富与发展现代农业的重要基础工程,从上世纪九十年代始,我国温室发展的面积剧增,特别是近年,温室已成为现代农业的标志与重要特征,全国各地到处发展温室产业,而且规格档次也越来越高,玻璃温室与联栋温室已成为各地现代化农业园区建设的重点工程。特别是一些反哺农业的企业,更是不考虑成本与用途只求形象与规模而盲目投资,造成了许多现代农业园区有钱建基地无钱搞运行,甚至连耕作成本都难以回收。究其原因,主要是这种高投入的现代温室不仅是前期工程投入大,而且运行管理成本极高,是高能源消耗低利用回报的不可持续性模式所致,许多园区最终荒弃而无敢有人问津,成为真正的形象工程。基于这些问题我们进行了分析研究与试验,开发了一种低投入成本,低能源消耗,高空间利用的可持续型的生态温室,这种温室的设计既符合生态学原理又符合循环经济理论,同时又具有极强的微气候自调能力与较易实现生态复合多元化的温室系统,能使生产耕作过程既符合生态原理又具更高产额的新型生态农业模式。是未来温室发展的方向,是实现农业可持续发展与永续耕作的重要基础设施之一。现象将对该温室的特点构建设计及用途作些简单介绍,以供生产者参考。

一、生态温室的特点

所谓生态温室就是注重生态循环,重视资源的相互充分利用,维持系统物质能量代谢的相对平衡,实现农业的可持续永久性耕作,由此形成的温室系统就可称为生态温室。要实现温室内生态的良性循环,必须遵循物种多元化,及不同物种间的生态链关系,还需考虑温室微气候营造的合理性科学性,能达到对于阳光、空气、水份、能源等的充分利用,以最小的外源补充而达到最佳的自身平衡与修复效果。从而达到农业生产的节能化,资源投入最省化,生态互作良性化的仿自然而超自然的人工生态系统,为农业的循环与持续耕作提供最佳的微气候环境与生态物种环境,最终达到零排放、能耗少、免农药、少化肥的新型现代有机耕作的目的,为生产健康安全型的农产品创造出最佳的温室生态环境。目前,我国基本上所有的温室生态系统都是过于单一,生产的品种也过于划一,经营的项目大多统一,而且根本没有把生物生态环境作为农业生产环境,只注重温室气候的调控,而且也大多局限于温度的调节控制,没有从综合的气候环境因素出发进行多元化微气候的营造与控制,致使温室系统的生态与气候抵御力极弱,对于抗击自然灾害天气与极端天气的能力差,对于有害生物入侵(特别是病虫害的危害)也难以发挥系统自身的自然抵御力,从而出现能源投入的无畏浪费,化肥农药的盲目滥用,产生生态与微气候环境的恶性循环,难以实现农业的可持续永久耕作,更难实现纯有机的生态耕作。而生态温室系统则是针对传统温室的弊端,通过科学的温室设计与生态设计,达到微气候环境最适化,生物生态环境最优化的仿自然目的,为提升发挥耕作潜力,减少系统浪费与环境负载而作出了最大的生态贡献。现把生态温室的主要特点介绍如下:

1、  圆形的温室设计,达到空间利用最大化与表面积最小化的构架效果。在相同体积容量的情况下,球体的表面积是最小的,圆形温室就具有球体的表面积效应,可以在单位面积上面构造出最大的空间利用率,这对于立体耕作的生态农业来说是最佳的模式。另外,表面积最小化可以让散热少及抗风性提高,可以有更好的聚热保温效果,如遇到台风天气,具有比常规温室有更强的抗风性,来自圆形的每个面或每个方向的风都可以得以化解,所以圆形温室具有极强抗风能力,据测试可以抵抗每小时200公里的风速袭击,另外,采用中国拱桥原理搭建的圆顶,具有最大的抗雪压能力,据测试采用2X5厘米规格木条拱建的温室,在垮度不超过8的情况下,可耐雪压80-100厘米厚,这么强大的抗雪性是普通温室难以达到的,这与科学家采用硬纸板拱建的桥能走人的道理是一样的。

2、  圆形设计,能把太阳光能源的利用发挥到最佳的效果,圆体的设计是由每个小三角形切面所组合的半球体,不管来自哪个方向的光照,都至少有一个切面是与光照方向垂直的,能使温室内的光照效果最优化,而且会变得更加的柔合。另外,球体的聚光聚热性比任何形状的温室都要好,特别是有点类似于塔型的圆顶结构,可以吸收更多的宇宙射线,对于温室的能源效应来说,球体也是最科学的设计。

3、  圆形的空间利用最大化,可以达到数倍于常规温室的利用面积。一个直径8米的圆形温室就具有4米顶高的利用空间,在这些空间的设计上都可以结合无土栽培技术进行垂直农业设计,特别是气雾栽培的设计,能把球体空间的利用达到极致,产生5倍以上于常规温室的利用率。当然就相同平面耕作来说,圆形的平面可以进行耕作道的十字形设计(如图),减少常规温室的行间走道管理占地过多的缺陷。而且圆形的温室内,各处的生态位差异相对较小,由于边际效应或者人为的耕作误差所导致的植株生长差异也较少些。

 

4、  特有的水体设计,为温室创建了良好的水体生态效应,使温室内的微气候环境达到最优化的自调节。水具有最大的比热,所以对温度的变化具有极强的缓冲性,在自然界中,凡是有大水体保护的区域,大多具有良好的小气候,能达到冬暖夏凉的气候效果,圆形温室的设计中,水体是最为重要的一个太阳能源调节器。在冬日,白天吸收的太阳能源可以在水体中得以贮存,一到晚上慢慢释放起到很好的晚间加温作用,在夏日,水体的蒸发及水体的吸热,可以大大缓冲温室的极端高温的出现,为植物及动物的生长创造了适宜的温湿度环境。一般圆形直径在6-8米的温室,水体设计需在4立方米以上,既可用于灌溉又是良好的气温调节装置。但现代的生态学设计,可以把水体面积增加到平面面积70%,水深达1米,可用于养殖来发展水产业,构建一个良好的鱼菜共生型的闭锁生态系统。相对于温室来说,这样大水体可以达到类似地球生态的效果,地球的水体面积也是基本在70%左右,所以地球有强大的气候自调能力,这是地球生态相对稳定的原因所在,圆型的仿自然生态温室也是同样的道理。现代型生态设计理念结合了先进的无土栽培技术,可以在水面上漂浮栽培或者构建气雾培与NFT型水循环系统,又不会减少蔬菜植物的耕作面积,而且栽培的蔬菜植物还可以把水体中鱼的排泄物得以吸收净化,起到了很好的生态循环效果。是真正的有机耕作,鱼水种菜,而菜根过滤净化水质,达到养鱼不换水,种蔬不施肥的循环经济效果。

5、  更为科学高效的短程通风与最为节能的烟囱对流效应(如图)。普通温室管理,夏天热时需进行掀膜通风,而且通风的距离长,达不到良好的自然通风效果,还需结合排风扇,而圆形的顶部开设了排风口,同时又在半圆体的底端开设吸风口,当温室内温度高时,因烟囱的对流效应自然会进行空气的流动通风,而且都是最为短程的通风路径,达到快速通风与降温或者排湿的效果。最为科学的设计是在每个通风口处安装上温度记忆弹簧,当温度达到记忆温度以上时,因弹簧变形,就会自动顶开风口,而形成自然通风,当温度下降时因弹簧的复原而关闭。

通风设计图

 

6、  生态温室的生态模式通常采用多物种的复合生态系统的原理来构建(如图),其内可以种植不同生态位与生态要求的植物,也可以养殖各种经济动物,或者还结合堆肥与培养蚓蚯,让每个物种间达到一种和谐生态的互利共生关系。当前从经济与循环的角度出发,通常的温室设计,都以结合鱼菜共生模式为主,既可以收获水产又可以丰收蔬菜瓜果,达到经济与生态的双重最佳期效益。其中养殖的鱼是造肥与培育微生物的系统,而植物是最好的水质净化过滤系统,这种生态结合能为经营者创造出更佳的经济效益,与最省的能源物资劳力的投入,可以在生态系统内实行永久的可持续耕作。鱼产生的二氧化碳是植物光合作用的原料,植物根系与微生物的生理代谢产生的各种活性酶又可以提高植物的抗病虫性,种植与养殖的水循环又可以起到活水增氧的效果,是一种真正的现代生态循环农业。

 

与常规温室相比,生态温室有着其它任何温室难以比拟的优势与良好的生态经济效应,以上只是生态温室最为主要的特征,其它诸如构建成本低,能源损耗少,耕作省力化,栽培免农药少化肥等优点也是其它温室所不具备的,所以说,生态温室以其强大的生态自修复自调整能力,而必将成为未来有机生态农业的主要温室模式。

二、生态温室的构建与设计

说起生态温室的建造,规模最大的可能要算美国1999年建造的生物圈2号(是一个占地面积15英亩的穹顶温室),当时建造这温室的目的是为了研究地球气候、生态平衡、生物演变等生物生态科学方面而设计的一个巨大的穹顶温室,在这密闭的生态温室内,科学家们开始运用气候模拟技术、生态生物设计技术,为实现密闭系统的永续运行而进行了大量的试验与设计,但最终因系统内生态破坏与生物链断链而难以修复终止。说明了生态、生物、气候变化之间的紧密关系,及告诫人们要遵重自然,仿效生态以实现地球环境的可持续性保持,从而控制地球恶劣气候的产生。那么,圆形生态温室的设计其实类似于生物圈的缩影,无非它不是一个全密闭的系统,是一个半开放的生态自调系统。这种圆形温室的建造与普通温室构建是截然不同的,首先在材料的规格及尺寸的计算上必须结合数学公式,计算出圆形各种内切面的不同长度,另外,还要按照不同的球体直径,选择适合的球体维度。圆形温室也叫穹顶温室,是一个完整半球,而且半球的结构与材料必须追求为的平衡,才能发挥它的抗压抗风能力,采用的材料包括木条、塑料管、或者钢管就是球体种部位的内切弦,内切弦的长度与角度,因球体维度的不同而不同,所以圆形温室构建的立体几何图又分为123456维,不同的维度要求内切弦材料长度及数量就完全不同,比仿说要建造一个直径8米的球体,所采用的是4维图模式,按照数学公式计算结果如下,需要5种不长度与数量的材料分别为:A1.01230根)、B1.18030根)、C1.17860根)、D1.25170根)、E1.29930根)、F1.19430根)而且还需配备不同路数的连接器,其中四路连接器20个,五路连接器6个,六路连接器65个,再按照以下的连接组合图(如图1)进行连接,即成4维结构的圆形温室(如图2

通过几何数学公式计算后构建成的半球体,不仅仅球体弧度顺滑,而且球体的各方都保持着平衡的受力,具有最大的耐压耐风性,是它具有强大抗雪压耐风吹能力的关键所在。在具体施工建设时,我们先确定球体的直径,再按照直径来选择维度,一般维度越高,材料种类就越多长度越短,连接器的数量也越多,构建的温室就越圆,拱力撑力也就越好,所以一般直径大的温室选择大维数的几何构架,小温室选择小维数的几何模式,这样可以达到最大的抗压抗风力,与最合适的材料比例,球体越美观。维数越多,切点越多,温室也就就越接近标准球形。

 

三、生态温室的发展前景与展望

生态温室是我国温室技术研究的最新成果,具有非常广泛的运用前景与市场空间,更是未来生态循环型农业的最佳农业基础设施,是实现可持续永久耕作的重要技术核心,特别是温室内水体的设计,是营造温室微气候的关键,抵抗恶劣气候干扰的调节器,也是太阳能资源得以最充分利用的核心组件,如果结合养鱼,更是提高温室经营综合效益的最佳生态设计。这种温室具有建造方便,不受地点的局限,可以在任何小空间上建立温室,特别适合于城市的楼顶与庭院,以发展城市生态农业,也适合于当观光农业与生态科普教育园区的建设,是一种适用范围广,投入成本低,灵活度大的温室新模式。

它所具有的强大抗风抗压性,也特别适合于风大的沙漠与沿海的台风肆掠区,或者寒地的厚雪区。另外,从生态循环型农业来说,它是最方便设计闭锁型温室生态系统,也是农业科学家研究生态的最佳生态保护屏障。在化学农业成为可持续发展最大瓶颈的时代,结合生态温室系统可以完全生产出免农药化肥的生态环保型农产品,是未来农业发展的主要方向与趋势,它巧妙的设计,可以实现能源的最少投入,它的生态循环理念,可以让农产品处于完全有机且密封免受虫害侵袭的环境下生产,是一种有机耕作的最佳配套技术,是提升农产品竞争力的最有效方法。相信在不久的将来,该温室系统将成为温室产业发展的主导系统,与农民生产蔬菜与发展养殖业的最佳设施。


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