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2019年3月5日 作者:xwz2367609 [返回]
设施型垂直农场的理论基础(2)

第三节、耕作平台的螺旋式构型理论

耕作平台是垂直农场耕作与管理的场所,也是区别于垂直农业的不同之处,所谓平台,就如大楼的楼层,为人们创造生产生活等活动空间,耕作平台是为作物创造栽培空间,为管理人员及相关的操作机械与运输创造生产条件,同样需要平坦方便活动,需要有足够的强度以达到承载的要求。设施型垂直农场内部空间不能采用传统楼房的水平分层模式,楼层的分层模式上层对下层会造成严重的挡光,影响耕作层的光效与作物的光合作用。自然界的植物是如何解决该问题,以实现树冠上层对树冠下层叶片最小的挡光遮阴,充分发挥光合效率;仔细观察植物的分枝模式与叶片的排列方式,,你会发现,大多数植物采用螺旋分布的方法来解决上层枝叶对下层枝叶的覆荫问题,也有些植物通过树型的进化,变成上部如塔尖变小,下部变得宽大,减少挡光;也有些树冠进化为开心形来实现各部分充足的光照,这是树型的进化,但作为叶序的分布则以螺旋形居多,也有些是叶片对生而上下层叶片呈十字形交叉排列,树形与枝叶排列进化的各种模式都是为了充分利用阳光,而螺旋形是最为经典最为高效的光照利用模式;2005年瑞典马尔摩市海边建成一幢名为“HSB扭转大楼”的住宅楼,高190米,共有54层,从底楼就一直扭转向上呈螺旋形,到顶楼整整扭转了90度,加上宽大的玻璃窗和室内许多开放式的结构,使得楼内的每片空间都能够享受到充足的自然光,成为建筑设计的创新之作;螺旋形不仅仅实现光照利用的科学化,诸如对于空间的利用,螺旋形也是最为科学的进化杰作,决定生物遗传性状的基因,就是双螺旋结构,构成生命体的蛋白质、核酸及多糖大分子也都存在螺旋结构;植物细胞内的细胞器大多也呈螺旋结构,因为螺旋结构在相同的空间内可以创造更大的表面积,使生物反应器的效率更高;其实自然界有关螺旋结构数不胜数,说明螺旋结构也是大自然进化的结果,它有利于物种的生存,是进化的动力。海螺螺旋形外壳是为了让其在流动水中阻力更小的前行;人体的皮肤生长同样是螺旋式,所以每人的头顶都有发旋;人的左右脑分工也是螺旋管控,左脑控制右侧身体,右脑控制左侧身体;甚至很多非生命的矿物晶体,其生长也是呈螺旋式生长。科学家阿基米德则从科学的层面最早提出螺旋线几何特征,并发明的螺旋扬水器,解决尼罗河水的灌溉问题,如今的阿基米德螺旋泵还在工程上广泛应用;阿基米德螺旋也叫等速螺旋,自然界中的缠藤类植物及一些植物的卷须也为等速螺旋,其中的进化妙用在于,螺线省材且节约能量消耗,在相同的空间使叶片获取更充足的阳光,像烟草的轮状叶序也是为了狭小空间获取最大光照,其中几何原理就是在柱面内过柱面上两点的各种曲线中螺线长度最短,起到省材的作用;另外螺线如弹簧还具弹性,在遇外力时作用时,如螺线的植物卷须不易被拉断,这也是自然选择与进化的结果;甚至大至天体星系宇宙都是遵循螺旋结构与螺旋运动,中国智慧创造的太极阴阳鱼图无不是对螺旋运动与结构的朴素哲学阐述。

在设施化土楼温室桶柱状空间,就是采用螺旋线的机理进行耕作平台的建设,称之为螺旋梯田,螺旋梯田构造实现环绕柱式空间的材料最省化及光照最优化,同时又充分发挥力学结构上的整体张拉与弹性效应,以达到梯田的弱材料高强度承载与抗外力冲击效果。采用螺线梯田方式比分层方式空间利用更高效,创造的表面积更大,而且上层对下层挡光少,漫射光与反射光都得以更充分利用,是解决立体分层化耕作光阻挡的科学解决方案。另外等速螺线构型创造出更为平坦而徐徐上升的梯田,方便栽培设施的布设及管理人员的操作。

第四节、肥皂泡保温与遮阳理论

在自然界中一些昆虫会产生泡沫以保护自已,最为典型与普遍的一种昆虫叫沫蝉,在脆弱的若虫阶段会从腹部尾处的泌腺处分泌出含蛋白及无机盐类的液体,在两侧气门的吹气下形成泡沫,这些泡沫的形成具有保湿与防御外敌(如蚁类)功能,同时又起到防曝晒与隔热之作用,沫蝉通过分泌泡沫创造适宜的环境与防御外敌的侵害是生物进化出来的一种保护机制;另外如斑腿泛树蛙生活于树上,它在产卵时也是先分泌泡沫,再把卵产于泡沫中,在泡沫中完成卵的受精过程,凡此种种现象都是昆虫的一种自我保护方式。提到泡沫在生产生活中大家首先想到的是泡沫板与发泡水泥,这些发泡物用于隔热保温,泡沫的隔热保温机理在于材料中含有大量不流动稳定的空气,不流动稳定的空气如棉被也类似,可以阻导对流的热传导,形成隔热特性,如现在用于建筑的中空玻璃也是通过让隔层的空气静止而发挥隔热性。

经典垂直农场是通过墙体材料的隔热性来实现内部环境的相对稳定,那么设施温室是覆盖薄膜、阳光板或玻璃,这些材料如何发挥其隔热性呢?在没有作改进处理的情况下,光覆盖上述材料,其保温性非常有限,所以北方温室还得覆以保温被以达到寒季保温的效果,保温被就如棉被就是利用覆盖材料间稳定不流通的空气来阻止对流传递热量造成的能量损耗;而高大的垂直农场无以实现保温被的覆盖,另外如果白天覆盖了保温被还阻挡阳光的射入,不适合用于垂直农场;设施型垂直农场存在热辐射传递、空气对流传递、及设施管材与覆盖物的传导传递三种,在无法在高大设施外覆盖保温被的前提下,要创造静止稳定的空气隔热空间,得采用创新的思路,另辟蹊径;就是于设施温室内部空间形成有一定厚度的夹层,于夹层内填充肥皂泡,创造一层类似中空玻璃的隔热层,而且其厚度数十倍于中空玻璃,并且是可人为灵活发泡与消泡的模式;在需要隔热时产生,不需隔热而需采光采暖时消泡,这就是肥皂填充技术。采用夹层填充肥皂泡比中空玻璃覆盖的隔热效果要强数十甚至百倍,玻璃的导热系数是0.77W/ mk,而空气的导热系数是0.028 W/ mk,由此可见,玻璃的热传导率是空气的27倍。

针对垂直农场内外围及顶罩,全部采用双层覆盖,与肥皂泡填充结合,实现内部空间微气候环境的相对稳定,是垂直农场有效的节能措施又是科学高效的调控方法。一般长江以南气候下,只需采用双层膜的空气夹层保温即可,因为土楼构造除了覆外膜外,还可以在空间桁架为基础的内蜂窝结构上安装卡槽覆盖内膜,这样自然就形成了具有30-50cm厚空间桁架的双层充气夹层,达到双层膜的保温效果。每增一层膜所产生的效应大概可以提高5℃;那么在长江以南地区的气候条件下,通过双膜覆盖则基本可回避极低气温对作物的寒害冻寒影响。肥皂泡保温是新型的创新保温方式,它是基于夹层温室的保温模式,而且具有超强的保温性,与方便实用的使用性,更是一种节能环保可持续循环的技术;以下作简要的介绍。中国奥运水立方的覆膜技术就是采用众多气泡膜的多边形组合,这种可充气的中间夹层的气泡可以有效的阻隔热的幅射传递;采用肥皂水吹成直径0.8cm的气泡,形成了大量的空气静止层,而静止空气具有极低的导热系统,从而形成了良好的绝缘隔热效果。根据这一原理,于温室的夹层间填充厚度约50cm的肥皂气泡,而且是流体状充斥无断层,根据每个气泡的热绝缘值r=1计算,50cm的肥皂泡就可以产生R值为40的效果,相当于数十层中空玻璃的隔热效果,而且这种气泡覆盖的方式是动态的,可人为操作或自动控制,更重要的是它的成本低,肥皂泡老化破裂成水后又可以收集循环利用,大大降低了保温覆盖的成本;这种肥皂泡填充的方式为温室的极寒区应用提供了技术支撑,可以在零下30℃的低温区使用,达到温室周年生产的效果;目前气泡温室已于俄罗斯的莫斯科及河南温县等地运用中试,表现出良好的保温效果,是普通保温棉被覆盖所不可比拟的;这种气泡填充覆盖的方式它不仅适合于冬季夜晚的覆盖保温,其实还可以用在夏季高温天气的覆盖遮阴,这种遮阴所产生的效果也是普通遮阴网覆盖法所达不到的,它可以透入可见光形成漫射效果,而可以把热效应的红外光过滤,也可以阻挡外温室热量的传输,是一种不影响光合作用的遮光新技术,就如自然界的云朵漂移,创造最佳的温室光环境。

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