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2019年4月1日 作者:xwz2367609 [返回]
支撑垂直农业与垂直农场发展的温室设施技术(1)

第十二章 支撑垂直农业与垂直农场发展的温室设施技术

垂直农场与垂直农业技术是众多学科与技术的复合集成,也是复杂庞大的系统工程;其围障设施涉及到温室技术、耕作部份涉及栽培模式、系统构建涉及设施工程技术、田间管理涉及计算机自动化控制及物联网技术、能源方案解决涉及绿色能源及相变材料利用技术、栽培耕作涉及营养液技术病虫害防治及生理生态;是系统集成、学科交叉、产业商业交融的综合产业技术体系。以下章节重点介绍当前应用于垂直农场与垂直农业的实用型创新温室与设施技术。

第一节、温室技术创新

垂直农业与垂直农场是空间利用型创新耕作模式,其对空间的要求高于普通设施温室,常规温室因主要采用平面耕作,所以往往高度较低,通常在3-7米之间,有拱棚、日光温室、联体大棚、玻璃温室等,这些都是基于平面耕作的创新利用而设计,高度与跨度有限,难以满足空间化耕作的设施需求;丽水市农科院通过近10年的研究,在温室技术创新上走出了一条全新的别具风格的温室构造与工艺,彻底改变了传统温室概念与模式,在温室的跨度、高度、形状、力学结构、建造工艺上都体现出科学性、创新性、系统性与实用性,为垂直农业与垂直农场的发展提供重要的技术支撑,以下就各种新型温室作简要的介绍。

一、球形鸟巢温室

球形鸟巢温室2008年由丽水市农科院发明开发,目前已近十年的生产应用历史,在现代农业园区及全军农副业生产上被得以广泛推广运用;就其结构原理及温室特点作简要介绍。

球形鸟巢温室的外观为弧面球形,这种外观具抗风的优势,正面强风侵袭时可以绕弧面环绕而过,减小的挡风面,起化解强风的破坏作用;另外球形结构符合球体几何原理,建造相同空间体积的物理结构,球体具有空间最大化表面积最小化的优点,空间最大化有利于内部的垂直立体设计,表面积最小化减少温室内外热交换,有利于温室温度的稳定,达到节能效果,表面积最小化也可以起到节省材料的效果,与相同空间的方型结构相比,可以节省材料30-50%左右,所以球形温室应用于生产更利于微气候环境调控。

球形温室采用整体张拉力学构造,所选择的材料为短程化管材,短程化管材减小的力矩,让材料的扭剪强度增大,另外科学应用三角结构、空间桁结构与蜂窝结构,采用三种结构复合建造模式,实现力学上的最大化发挥,达到弱材料高强度效果,所以球形鸟巢又具强大的抗雪性,标准设计鸟巢构型其节点承重强度达600公斤以上,这是其形成强大抗压性的原因所在,因为整体张拉的球体结构,具有一点受力整体应力的力学效果;整体张拉结构也是最为抗震的结构,遇到强震时充分发挥向心力与均匀发散化解的力学特性。

在建造工艺上,鸟巢温室全部采用短程化材料,以方便施工运输,另外其节点的连接方式全部采用拧螺杆的方式安装,建造施工便捷快速,符合推广应用要求,建造时无需土建工程与打地基,只需平地即可安装,就如锅盖扣置于大地;独特的安装工艺解决了建设的安全问题,不管多高大的温室安装时全部站地安装,先从顶处作为安装始点,结合起吊葫芦从顶处逐层往下安装,安装人员无需攀高即可完成十米甚至几十米高鸟巢的安装,这也是在安装工艺上的一大创新。

球形鸟巢温室由众多三角结构组成的球形,不管哪个角度与方向的光入射球体内,都有光线与温室的三角面板保持垂直,为温室内部空间创造大量的漫射与反射光光效,所以球体温室内的光效如影棚光效果,大大减少了栽培作物的阴阳面问题,让作物生长更为均匀。另外鸟巢温室通风采用底层进风,顶处出风的方式,利用热空气上升的烟囱效应构建短程化的通风效果,而且球体具热空气聚顶效应,使耕作层的温度大大降低。

目前用于垂直农业与垂直农场构建的鸟巢温室其跨度在30-60米不等,其高度在8-24m之间,而且为无支柱的大空间结构,为内部的空间利用创造了其它温室无可比拟的大空间,是垂直农业与垂直农业构建的重要温室围障设施。

具体结构如下图(图12-1,12-2)。

二、矩式鸟巢温室

球形鸟巢大多用于观光园及现代农业园区的高科技展示,那么矩式鸟巢则更侧重于工厂化垂直农业的产业化应用。工厂化生产以追求生产高效性,布设的整齐性线性为特点,所以地缘为矩式的鸟巢更便利于管理耕作的高效性;但在构造工艺与力学上同样遵循球形鸟巢的相关原理与特点;地缘为矩式适合工厂化的线性布局与耕作特点,表面为圆弧穹顶又能充分发挥抗风抗压等力学特点,所以矩式鸟巢是线性温室与球体温室技术的有机融合,将会成为未来立体垂直农业的重要设施。

矩式鸟巢与球形鸟巢比较,它更加适合湿帘风机的通风降温设施安装,矩式的两端头一端安装湿帘一端安装风机,让耕作层通风更为顺畅,强制降温效果更佳;用于北方地区,同样与球形鸟巢类似,可以于内蜂窝卡内膜形成双层膜保温效果;矩式的内部耕作空间与球形相比,更方便覆盖内遮荫与内保温被,适合寒季的保温操作;矩式鸟巢构造更能体现空旷的工厂化效果,同样采用无支撑大跨度构造;而且对于产业化发展来说,其土地的利用率更高,不像球形鸟巢,建成后边角地浪费较多;矩式鸟巢也适合温室间的组体连体,能够创造出比球形鸟巢更宽敞的内部空间。

具体结构如下图(12-3,12-4)

三、金字塔温室

提到金字塔,大家首先想到埃及金字塔,不错,金字塔温室也是来自于埃及金字塔的灵感而创新,金字塔温室在结构上同样采用外三角、内蜂窝的空间桁架结构,这种结构解决了温室高旷化的力学结构问题,金字塔的四斜面全部采用该结构构型。从埃及金字塔建造来说,塔形结构更符合风沙区的强风沙要求,塔形结构也是大自然的一种原理应用,当你抓起一把沙从高处往下漏,所形成的自然形状就是塔锥形,这是符合自然力学的一种造型;金字塔能在埃及沙漠地区历经4500年屹立如初,与其构造与外观都息息相关,这种具斜面而顶处削尖的塔形结构,当强风来袭时,强风可以滑坡而过,而且风力越往上阻力越小,就是这原理,起到了强风化解的作用。

用于垂直农业与垂直农场的温室,都必须的空间的空旷性,所以高大的建造首先得考虑抗风性,采用金字塔构型是实现高旷化发展的另一技术原理与技术路线;丽水市农科院在鸟巢温室的整体张拉结构力学基础上,借鉴金字塔原理,开发了边长20-50m不高,高度12-20m不等的高旷型金字塔温室,被应用于垂直农场与垂直农业的耕作空间利用上取得良好的效果。金字塔内栽培作物与普通温室相比,金字塔具有宇宙能量效应,当前科学家探访胡夫金字塔得借助机器蛇等工具,人类难以进入金字塔深处,内部有强大的宇宙幅射。从能量角度来说,金字塔就是一个宇宙能量的谐波震动腔,能量可以收集放大谐震。作为金字塔外型的物件,通常都具或多或少的能量效应,所以金字塔的用途也因其功能效应而被开发。如用于瑜珈修炼的辅助设施,可以提升修炼效果,也有用于农业温室,曾有试验报道,在金字塔温室内栽培作物生长速度加快,是物理农业的一种应用。作为现代农业观光园,引入风格外观独特的金字塔温室,构建垂直农场或垂直农业耕作系统,可以起到很好的科普观光效果。

具体结构如下图(12-5,12-6)

四、葫芦形及椭圆温室

球形鸟巢大多为单体的圆弧球体,对地块的要求为正方形地块并取内切圆建造利用,对于一些长方形地块,则可以用椭圆形温室建造,对于一边宽一边窄的地形,为了充分利用可以采用葫芦形建造,宽的一端为葫芦下肚,窄的一端为下肚,达到充分利用地块的效果;这两种温室高旷性好,适合垂直农业与垂直农场建设,其中椭圆形温室以短半轴为高度,葫芦形则以各上下肚的半径为高度,为正球形,能充分满足高旷要求。

具体结构如下图(12-7,12-8)

五、土楼温室

土楼温室是当前设施型垂直农场的新型温室构型,科学巧妙的利用土楼高垂的外形及螺旋梯田的分层原理,是当前国内外温室构型中唯一实现耕作平台分层化布局的创新结构,温室每部份的结构同样采用三角蜂窝复合结构,构建高强度的围障墙体及顶罩。具体结构如下图(12-9,12-10)

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