第七章  新型大跨度矩式网架温室及在垂直农业上应用

我国是温室设施面积最大的国家，但高水平温室建设方面与发达国家相差甚远，特别是调控精准化与栽培高效的利用上更是落后于欧美与日本等国家；目前我国普遍使用的温室设施，包括简易的避雨设施、拱形温室、联栋温室、玻璃温室、及适合北方寒区的土墙式日光温室，还有一些农村简易的竹木结构温室。温室作为作物栽培及动物养殖的围障设施，类似于建筑楼房建设，从普通平房到现在的高楼大厦，温室的发展未来也将遵循该规律，从平面向空间，从单层向多层，从自然调控为主到集成化精准化的计算机环境调控，从高耗能向生态型低耗能发展。甚至未来发展到温室设施与建筑概念实现融合的大楼式农场，就是当前大家都关注的垂直农场。我国温室要从传统的技术及概念中走出，必须融合建筑物的发展理念与技术，必须结合各种节能措施与生态设计技术，否则难以从传统的温室范式中演变出革命性的创新成果。上述传统温室受到结构力学上的制限，无法在跨度与高度上突破，也无法构建更为科学合理的立体化空间化布局，在温室气候的调控上，因结构及模式单一，无法实现因不同地区与气候变化所作的节能化与个性化创新设计。而网架式温室不仅可以在构型上实现创新，而且可以实现调控上更为节能，生产上更为高效的效果。它将成为我国温室领域的重要创新模式，也将为未来垂直化农业的发展，创造出更为高效节能与实用的产业价值。以下就矩式网架温室技术及工厂化雾培生产上的应用作详细阐述。

第一节、大跨度矩式网架温室的结构原理、特点及建造技术

1.1网架温室结构与普通温室区别

说到网人们就想到鱼网、蜘蛛网，这些网，它的结构力学与普通的力学有着根本的区别，其遵循的是整体张拉力学。所以可以采用纤细的材料构建出力学上最大的结构强度，一点受力整体应力是网状结构的重要特点。网架温室则利用管材作为编织材料，按照力学原理再结合自然界仿生建筑学，形成三角结构（鸟筑巢）、蜂窝结构（蜂筑巢）、空间桁架（现代钢构技术）充分融合的温室构建风格。而传统普通温室大多是线性与拱式的结构为主，没有把钢管发挥出最佳的结构力学效果；在结构力学上，现代的机场与体育馆建设大多结合了整体张拉力学原理，利用钢材创造出大跨度无支柱的空间，但农业生产如果采用将成本太高，无法在生产上应用。而网架温室既融合仿生学又融合现代钢构技术创新形成成本低、空间大、调控效果好的新型结构。首先用短程化的管材为作建设材料，大大缩短力矩，比长管材抗扭剪力的大大增强；再用编网的方式可以创造出各种外形的异型温室。如早年笔者发明的球形鸟巢温室就是温室领域的重大创新，一改传统温室皆为线型的特点；但球形结构不利于传统耕作的线性布局与工厂化高效化流程化生产特点。研发的球形鸟巢可以产生强大的抗风性与抗压性，同时高旷的空间性，更适合于景观温室与观光园建设应用，目前已得以广泛的推广应用。矩式网架温室，就是融合传统线性温室方便耕作的特点，但又保持球形鸟巢圆弧穹顶的高旷性、强抗性优点，创新形成地缘基座为矩式，温室屋顶为穹顶的新型温室结构。

1.2 矩式网架温室的构造特点及建造方法

从外观来说，矩式网架温室是传统线性温室与球形鸟巢温室的结合；从构造来说，是鸟巢温室技术在矩式网架温室建造上的具体应用。不管基座是正方形还是长方形，温室的屋顶皆为弧圆发散式穹顶；而且同样是无支柱与高旷性，高可达8-10m以上，有利于内部空间的立体化垂直化利用，同时也有利于温室内部气候波动的稳定；矩形网架温室的肩部同样采用双层空间桁架构造，可以抵挡正面强风的袭击；而弧形发散的穹顶则有利于强风滑坡而过，起到强风化解作用。所以矩式网架温室的肩高可以超过常规温室的肩高设计，甚至达4.8m以上，大大提高了温室地缘空间的利用率。整体网架构造由外三角、内蜂窝、空间桁架组成（图7-1），形成厚0.5-0.8m的夹层空间，如果在内蜂窝上卡覆内膜可达到双膜保温的增益效果（图7-2）。

高旷的温室结构在施工建设上与普通温室不同，从穹顶为安装始点，并采用撑杆与葫芦起吊的方式，逐层往下安装（图7-3），这是网架温室不同于常规温室最大的建造特点。

1.3大跨度大空间无支撑结构创造出空间利用最大化效果

常规温室的跨距一般为6-12m，高度为2.6-8m，而网架温室跨度可达20-50m，长度可达50-100m，高度通常为8-20m之间，创造的内部空间适合用于高大树种栽培及立体化垂直化利用；也适合大型室内垂钓项目与水产养殖、田园综合体生态餐厅与大型的体验活动场所的利用。无支撑的空旷空间也利于内部通风及产生更好的光照效果，太阳光入射后由于穹顶的反射形成均匀的漫射光光效（影棚光效果），减少低矮温室内部立体栽培时出现阳阴面严重问题。另外，在相同的面积上所创造的温室空间体积，其温室效应则为，空间体积越大升温越慢，同时降温也越慢，空间体积越小升温越快降温也越快，所以大空间的网架温室有利于室温的稳定。

1.4通风系统均匀设于穹顶，有利于热空气自然出风

穹顶式温室屋顶，可以起到热空气的聚顶效应，温室内耕作层与顶处空间温差较大，夏日温室顶处可达40-50℃，所以顶处开设三角通风窗有利于热空气的排放，达到烟囱式自然出风的效果；另外，温室肩处或底部的进风在大空间的穹顶温室内可以起到对流的加速效果（即涡漩湍流效应），大大加快了顶出风的流速，与普通线形温室相比，也大大缩短了通风矩离。

第二节、矩式网架温室的环境调控技术

2.1降温通风系统的配置

目前温室降温技术主要有高空细雾微喷降温及温室两端头的湿帘风机降温两种模式；高旷的网架温室于顶处均匀安装弥雾管道，由于细雾的飘落行程大于普通温室，雾化的水滴汽化的效果更佳，其降温效应优于普通低矮温室，而且弥雾系统开启后高空飘落的雾滴比低矮温室更细，蒸发汽化速度更快，开启弥雾时，达到温室操作管理人员身不沾湿的效果，不影响内部作业。

另外一项降温措施就是温室两端头安装湿帘风机降温，湿帘降温也是遵循汽化带出热量的原理实现室内降温，其降温效果与外界空气湿度相关，与风机的通风量相关。如下以1200平方米网架矩型温室为例（图7-4），该温室地缘宽30m、长40m，占地1200m²，地缘肩高为3.6m，穹顶顶高为10m，温室空间总体积为7605m³，以每3分钟换气一次计，需配通风量19000m³/h的风机8台。为达到耕作层最佳的通风效果，湿帘与风机的安装高度与普通温室不同，最好安装位置高于内部耕作层顶处，通常安装于离地高1.8m处，内部即使进行立体耕作，也能保持良好顺畅的通风效果。

2.2保温、加温及蓄热系统的配置

温室是气候调节的重要围障设施，寒季的调控重点在于保温与加温，保温效果与覆盖材料与覆盖方式相关，不同的覆盖材料与覆盖方式，其阻隔热传导与热辐射的效用不同，温室的节能效果则存在差异；以下为常用覆盖材料的热导系数（U值），U值越小其保温性越好（见表7-1）；

表7-1 温室不同覆盖材料的热导系数

以上述1200m²矩式网架温室为例，根据热平衡原理，进行能耗计算，通过计算后确定相应的措施，以达到最佳的温室管理与节能效果。再结合下述三种方案，实现不同程度的节能目的。

 A方案：以双膜覆盖，无内保温幕的前提下，假设该温室建于山东济南地区，该地区冬季外界最低气温为-15℃，平均风速为2.7m/s。而夜间温室内最低气温需保持5℃以上，计算该温室夜间实施加温防寒，需每小时耗能多少，来确定配置热风炉或其它加温设备的功率；空间体积为7605m³的矩式网架温室，在上述外界气候环境及温室内极限室温下，通过计算需每小时供给862558KJ的热能才能保持温室内室温5℃以上，换算成大卡单位则为206065.1kcal，需配置20万大卡功率的热风炉，才能确保该地区寒季温室内保持5℃以上，以满足温室作物正常生长的需求。

B方案：以双膜覆盖，并且于温室高3.6m处采用钢丝用紧线钳拉成网状（图7-5），作为覆盖铝织品保温幕的内支撑与承重。寒季夜晚时拉上保温幕保温，白天收起，把内部耕作层空间与穹顶大空间隔断，形成相对独立的较小空间（体积为4071.6m³），让有效保温面积与体积缩小，从而达到节能效果；在双膜与内覆保温幕的前提下，要确保温室内室温5℃以上，则需每小时供给226011KJ的热量，换算成大卡为单位则为53994.0 (kcal)，需配置5.5万大卡的热风炉。标准煤的热值为7000 kcal/kg，与A方案比较，采用内部空间隔断与覆保温幕方式，每小时可节省14.5万大卡热量，按煤热值计，可每小时节省燃煤20.7公斤煤，以寒季夜晚加温时数15小时（下午6时至次日上午9时）计，采用内覆保温幕，可日节省燃煤310.5公斤，以寒季加温时间3个月计，一个冬季就加温措施就可以节省燃煤30吨，是项节能效率较高的覆盖方案。

C方案：在B方案基础上，内部采用水墙蓄热的方式来达到最佳的节能效果，水墙蓄热的结合类似于北方土墙温室的蓄热效应，但水的比热容是土或石子的3倍，即一立方米的水相当于3立方米土的热容，温室中配置水墙利用水蓄热性，水墙白天吸收太阳光热量，夜晚降温时释放潜热，以达到寒季免加温的效果；水墙的建设一般采用化工桶表面涂黑并垒砌成墙的方式构建（图7-6）。一般北方地区冬季晴朗出太阳天气，室内涂黑的化工桶其水温可达20℃以上，以降至5℃计，具15℃的温差，相当于水墙每小时降低1℃的等比温度；按照B方案，需每小时释放53994.0 (kcal)热量，才可维系室温5℃以上，按照水的比热容约为1 kcal/kg，要满足上述的热供给条件，需于温室内配置53994.0公斤(54m³)容水量才可达到上述的热动态平衡；以200L（0.2m³）化工桶作为水墙建设用桶，则需270只垒砌成墙方可；采用化工桶垒成水墙的方式比土墙更节省空间，而且夏日又可以把化工桶搬移至温室外，或者把水排干，解决土墙温室夏日也因后墙蓄热使棚温过高问题。采用加水墙方案是实现北方温室免加温，满足雾培蔬果周年生产的有效方法。

2.3遮阳系统的配置

用于矩式网架温室的遮荫系统有两种处理方案，一是内部于耕作层上方空间作牵拉钢丝处理，方便内遮阳网滑拉覆盖操作；二是采用遮荫涂料喷涂于外温室膜上，遮荫涂料的配方可以按照栽培作物的所需的遮荫度进行灵活调配，而且遮阴涂料可以于数月后降解脱落，过了夏季高温季只需用水枪冲洗即可清除，是一种较为实用的方法，目前已在全国各蔬菜产区得以应用。

2.4计算机自动控制系统的应用

计算机自动化控制系统是实现温室调控精准化的重要配套设备，包括自动开窗、顶处的微喷降温、湿帘风机启闭，自动加温系统都可以接入计算机，实现温室环境的数字化智能化管理；在蔬果的气雾培管理上，还可以实现温室环境管理控制与栽培控制的结合，实现温室管理与栽培管理的全面数字化与精准化自动化。