溫室棚頂清潔設備研究現狀及展望＊

李佩原，鄭吉澍，鄧順華，龍翰威（重慶市農業科學院，重慶 401329）

植物生長離不開光照，光照作為制約作物栽培的重要因素，直接影響作物的生長、果實的產量和品質。因此溫室設施的棚頂透光率在溫室發展過程中起著至關重要的作用。但溫室棚頂上覆蓋灰塵，還會生長大量的苔蘚，造成溫室棚頂透光率下降，影響溫室生產。所以必須通過定期對溫室棚頂進行清洗或更換覆蓋材料來維持溫室棚頂的透光率。然而國內的溫室棚頂結構含開窗通風系統、外遮陽系統及頂部外噴淋系統等，結構比較復雜，且為輕鋼骨架，載荷較小，人工清洗成本高，清洗效率低，且危險系數大。為了保證溫室棚頂的透光率，降低溫室的清洗成本，溫室棚頂清洗設備必將是溫室發展中重要的配套溫室設施設備之一。文章主要闡述國內外各種溫室棚頂清洗設備的結構、原理和方法，分析溫室棚頂清洗設備的發展現狀，并提出溫室棚頂清洗設備發展的一些建議。

國外溫室棚頂清潔設備的發展現狀

國外對溫室棚頂清潔設備的研究比較早，在20 世紀中后期日本、荷蘭、以色列等國家就已經開始研發溫室棚頂清潔設備。隨著科技及制造業的高速發展，溫室棚頂清洗設備也在向著集成化、自動化方向進行研究開發。荷蘭等設施農業發達的國家已經有適用于自己國家設施溫室的棚頂清洗設備。

以色列的無水式溫室棚頂清潔機，主要由刷輥、電機、負壓吸塵配件組成，利用刷輥的旋轉使溫室表面的塵土脫落，再配合負壓吸塵系統完成脫落塵土的清理。但該設備比較笨重，容易加速溫室棚頂的損壞。

荷蘭的溫室棚頂清潔設備主要分為兩種結構形式，一種是機械結構為“人”字型，橫跨一個開間，把開間兩側的天溝作為設備的行走軌道，在溫室棚頂上的連接架上配置相應的清洗刷輥，結合水進行溫室棚頂清潔作業，該類裝置配有載人平臺，可人工對機械未清洗干凈的部分利用高壓水槍進行二次清洗，如圖1 所示。另一種機械結構為“Y”型，以兩個開間之間的天溝作為行走軌道，行走裝置左右分別裝有單排或多排清洗刷輥（或刷盤），拖拽高壓水管進行清洗作業，同時配備載人作業平臺進行操作及補充作業（圖2）。以上兩種類型的設備清洗效率高，清洗效果好，但是設備比較笨重，需要配套棚頭橫向移動裝置或者大型起吊設備才能使用。并且只能在未安裝遮陽網，天溝承重能力強，且天溝中未有其他障礙物的玻璃溫室使用，對于天溝單薄、安裝有外遮陽系統的溫室不適用。

圖1 荷蘭的“人字型”溫室棚頂清潔設備

圖2 荷蘭的“Y”型溫室棚頂清潔設備

國內溫室棚頂清潔設備發展現狀

目前，中國溫室棚頂清潔設備的研究還處于初期階段，市場未見成熟的產品，其中2006年北京京鵬環球溫室工程技術有限公司的田真、朱永文等設計了一款溫室屋頂電動清洗機[1]。該設備由帶有電動行走機構的骨架車身、利用液壓傳動機構控制的清洗單元、噴水單元、供水管路、電纜收放用裝置等組成，如圖3 所示。設備可以在溫室屋面行走，毛刷輥旋轉配合噴水單元進行溫室頂部清洗，還設有天窗下沿清洗小滾刷。該設備可對溫室頂部屋面實現快速高效地清洗，節省人力物力。但是該設備帶有繞線輪盤和繞管輪盤，結構體積較大，無法翻跨屋脊和天溝，需要在端頭配備橫向移動機構，無法清洗帶有外遮陽網的溫室棚頂。

圖3 溫室屋頂電動清洗機

圖4 清潔機模型

2007 年河北農業大學機電工學院的周娟設計溫室大棚智能清潔機[2]，該機由旋轉毛刷、吸塵機構、行走機構組成，如圖4 所示。設備由3 只輪子組成行走機構帶動設備在溫室棚頂行走，利用2 只高速旋轉的毛刷把棚膜上灰塵及青苔刷掉，再用電機帶動風扇使吸塵倉產生負壓，對棚頂灰塵和雜物進行處理清理，該清潔機塵倉具有滿倉報警功能、電源電壓檢測功能以及可以通過無線遙控器進行清洗機控制作業。該設備體積小、質量輕，能夠在溫室室頂外表面行走，具有吸塵功能，能夠實現全區透明覆蓋物的清潔。但是該設備的小巧限制了設備的續航，無法進行長時間清洗，影響清潔效率，且無法自主翻越溫室棚頂及跨越溫室天溝，需要人工進行配合。

2012 山東省農業科學院蔬菜研究所劉波、吳雄研發的連棟溫室屋面自動噴淋清洗裝置[3]，該設備由噴槍桿、噴頭、行進電機、輸水軟管、水管、水泵、水池和行進軌道構成，如圖5 所示。利用行走電機帶動設備在軌道上行走，行走機構上安裝噴淋系統對溫室棚頂進行自動噴淋清洗。該連棟溫室屋面自動噴淋清洗裝置可以快速、高效地進行連棟溫室屋面的高效清潔，但依靠頂棚噴淋進行清洗，需水量較大，且現有溫室改造不易，維護成本較高。

圖5 連棟溫室屋面自動噴淋清洗裝置結構示意圖

圖6 玻璃溫室大棚棚頂清洗裝置結構示意圖

2013 年西南大學的何培祥等發明了一種玻璃溫室大棚棚頂清洗裝置[4]，該設備由主懸架、毛刷輥、清洗電機、帶噴頭的噴水管、行走大輪、輔助小輪組成，如圖6 所示。該設備搭配上供水、供電機構利用行走大輪及輔助小輪行走，帶動毛刷輥結合噴水裝置進行溫室棚頂清洗，能高效地清洗玻璃溫室大棚棚頂，但不能自主翻跨溫室屋脊和天溝，需在溫室端頭配合橫向輔助機構或人工進行移動。

2015 年西南大學的孔維榮，設計了一款可以對安裝有外遮陽網系統的Venlo 型玻璃溫室棚頂進行清洗的裝置[5]，該設備由毛刷輥支撐桿、毛刷輥驅動電機、毛刷輥、圓盤刷、圓盤刷驅動電機、主懸架、噴水管支撐桿、噴水管、供水管、鉸鏈構成，如圖7 所示。該設備利用電機驅動毛刷輥旋轉作為設備的動力行走機構，毛刷輥上帶噴頭的噴水管進行濕潤和沖洗，結合電機驅動的圓盤刷進行棚頂刷洗。該設備還可以自身攜帶供水水箱和供電電瓶工作，也可以拖拽電線和水管進行工作，作業方式靈活。但不能自主翻跨溫室屋脊和天溝，需在溫室端頭配合橫向輔助機構或人工進行移動；且溫室棚頂天窗會對該設備行走輪產生阻礙。

圖7 Venlo 型璃溫室棚頂進行清洗的裝置結構示意圖

圖8 玻璃溫室棚頂自動清洗機結構示意圖

2016 年西南大學工程技術學院的李濟霖等研制了一款玻璃溫室棚頂自動清洗機[6]，該設備由清洗機構、行走機構和控制部分3 大部分組成，如圖8 所示。該設備利用雙履帶行走小車作為行走動力機構，帶動清洗機構在溫室棚頂進行清洗作業。該設備采用快速接口連接方式，設備可快速組裝與拆卸，根據棚頂的尺寸進行調節以適應多種規格的溫室棚頂清潔，且自動化程度較高。

2017 年常州環際商貿有限公司的蘇洪泉、王文新、史玉玲發明一種玻璃溫室棚頂清洗裝置[7]，該設備由支撐架、毛刷輥、毛布輥、沖水毛刷器、供水器、噴水管、升降桿、鉸鏈、支架等組成，如圖9 所示。該設備利用供水器供水，水流沖擊毛刷器旋轉將棚頂的臟物清掃，同時電機驅動毛刷輥、毛布輥推動清洗裝置行走，經毛刷輥和毛布輥的協同擦拭，完成對溫室大棚棚頂上的灰塵、青苔等附著物的清潔工作。該設備可以和地面上的供水、供電、移動機構一起工作，也可以自身攜帶供水水箱和供電電瓶工作，能高效率地清潔屋脊型玻璃溫室棚頂的灰塵和青苔等附著物，但是毛刷輥和毛布輥作為行走裝置，無法躲避溫室棚頂天窗，會對清洗效果產生較大的影響。

圖9 玻璃溫室棚頂清洗裝置結構示意圖

圖10 現代化農業種植溫室外屋頂自動清洗系統結構示意圖

2018 年湖北永耕農業有限公司的張志祥發明一種現代化農業種植溫室外屋頂自動清洗系統[8]，該系統由機架、電控箱、太陽能光伏板、蓄電池、支架、電機、轉輪、水泵、毛刷、轉輥、水箱等組成，如圖10 所示。該設備利用太陽能作為設備的能量來源，電機連接驅動軸輥帶動設備行走，電機的正轉和反轉帶動毛刷往復運動，結合水泵、出水管對棚頂玻璃進行清洗。該設備太陽能光伏板將太陽能轉換為電能為電機和水泵提供電能，有效利用太陽能，節能環保。但是設備配套部件多，不適合在連棟溫室表面進行清洗。

2019 年中國農業大學煙臺研究院的祝國強、李建偉、戰穎等人發明一種連棟溫室頂部玻璃清洗裝置[9]，該裝置由驅動裝置、清洗裝置、蓄電池、控制器等組成，如圖11 所示。利用雙軸電機和行走輪組成行走機構，機箱底部安裝水箱，清洗機構加裝硅膠材質刮板，通過刮板輔助清洗毛刷對溫室頂棚上的灰塵進行清洗。該清洗設備的硅膠刮板可以輔助清洗毛刷進行溫室棚頂清潔作業，有效提高清洗效果。但是溫室的頂部開窗會影響設備在溫室頂部的行走軌跡。

圖11 連棟溫室頂部玻璃清洗裝置結構示意圖

圖12 溫室屋面清洗機結構示意圖

2019 年青島藍天溫室有限公司的陳大富、杜紫龍、吳俊霖發明一種溫室屋面清洗機[10]。設備由驅動電機、清洗盤刷、噴頭、卷線器、卷管器及供水裝置等組成，如圖12 所示。清洗車架為了適應溫室棚頂的外遮陽系統，采用“弓形”設計，該設備還包括轉移車和轉移軌道倉架等輔助設備，清洗車通過隨行軌道移動至轉移軌道上，轉移軌道運送相鄰溫室開間端頭，使用隨行軌道使清洗車行走至溫室棚頂，完成清洗設備在棚頭的橫向移動。該設備可以對國內帶有遮陽網系統的溫室進行清洗，但是需要在原有溫室遮陽網立柱上增加軌道，且要考慮遮陽網立柱上的軌道載荷，改造成本高。

2013 年西南大學的何培祥等發明了一種溫室大棚棚頂清洗設備[11]，該設備由可移動式工作平臺、鋼繩、帶噴頭的噴水管、高壓供水系統、控制器總成以及豎直設置的支撐懸架組成，如圖13所示。利用地面可移動平臺帶動頂部的高壓噴水管移動，用高壓水流進行溫室棚頂清洗。該設備能夠對大跨度大棚棚頂進行清洗，有設備需要直接跨過溫室棚頂作業，設備不適用于清洗有外遮陽系統的連棟溫室。

圖13 溫室大棚棚頂清洗設備結構示意圖

圖14 手扶式塑料溫室棚頂清洗機結構示意圖

2016 年貴州省煙草公司遵義市公司和西南大學的張長華、溫明霞、何培祥等發明一種手扶式塑料溫室棚頂清洗機[12]，該設備由行走裝置柔性抹布、噴水管、噴水管扶手、行走輪、惰輪、驅動卷筒、電機、支架等組成，如圖14 所示。利用天溝作為清洗機行走軌道，兩人分別于棚頂兩側推動小車向前行走，兩小車之間的驅動卷筒纏繞柔性抹布進行棚頂清洗，支架上的水管對抹布后方的雜物及灰塵沖洗到天溝之中。該設備可以高效地清洗塑料溫室棚頂，不適用于清洗有外遮陽系統的連棟溫室。

2019 年蔡超文設計了一種農業溫室大棚清洗裝置[13]，該裝置由骨架和安裝在骨架上的清洗雨刷組成，骨架包括外主桿、內主桿、外壓桿、內壓桿和立桿等，如圖15 所示。該設備頂部設置有縱向分布的內主桿及橫向分布的內壓桿；外主桿內部空心，表面有水孔及噴頭。每根內壓桿上對應安裝外壓桿，外壓桿上有槽軌道，移動桿上安裝有清洗雨刷，且兩端滑動連接相鄰槽軌道上，引水管一端安裝有伸縮桿，伸縮桿端部安裝有清洗海綿球。

圖15 一種農業溫室大棚清洗裝置結構示意圖

圖16 磁力輪式塑料溫室棚頂清洗機結構示意圖

圖17 日光溫室薄膜高效清洗機結構示意圖

2019 年西南大學工程技術學院的李曉賢研發了一種磁力輪式塑料溫室棚頂清洗機[14]，該設備圓盤清洗毛刷、右端俯仰擺動支架、機架、左端橫向滑動支架、輔助輪、磁力輪、電機、供水管組件等組成，如圖16 所示。該設備利用磁力輪作為驅動輪，吸附在溫室兩側的拱形鋼骨架上行走，清洗機構采用8 個相鄰且并排彼此相切的圓形毛刷組成，完成溫室頂部刷洗。該設備重量較輕，體積較小，方便搬運。

2017 年山東農業大學的李天華、侯加林、徐效偉等人發明一種日光溫室薄膜高效清洗機[15]，該設備由支撐行走裝置、軸輥、行走架、底座、支架、導軌、左右卷繩輪、左右牽引支架、正反轉電機、清洗軸、噴水管、毛刷等組成，如圖17 所示。該設備利用輥輪帶動輥刷軸在日光溫室上進行正反向移動，電機驅動沿溫室長度方向清洗軸輥刷轉動結合噴水管進行溫室薄膜表面灰塵的清掃及沖洗。該設備可以通過改變清洗軸的位置，實現對溫室薄膜由上至下的全方位清潔。

圖18 可換棚的自走式日光溫室薄膜清洗裝置結構示意圖

2018 年山東農業大學的肖偉、陳大軍、高東升等發明一種可換棚的自走式日光溫室薄膜清洗裝置[16]，該設備由前后軌道、可移動支撐座、移動梁、清洗裝置等組成，如圖16 所示。通過在地面設置可移動軌道，在軌道上移動固定有清洗設備的移動梁進行日光溫室棚頂清洗。該設備成本低、可換棚作業的自走式日光溫室薄膜清洗裝置。設備體積較大，需要在建設溫室前充分考慮清洗設備的移動軌跡。

國內溫室棚頂清潔設備存在問題

清洗機行走障礙多 國內大部分連棟溫室棚頂有遮陽網系統、溫室頂部通風系統等結構，目前大部分溫室清洗設備未充分考慮溫室頂部開窗、遮陽網系統對清洗設備行走可能造成的阻礙。

清潔設備體積大 轉運不方便目前大部分連棟溫室棚頂清潔設備參考荷蘭清潔設備依靠溫室天溝作為軌道進行移動清洗或者是在遮陽網立柱上加裝軌道進行清洗，這類設備清洗效果好，但是體積大，質量重，只能在溫室棚頭進行橫向移動，且需要配置相應的移動平臺，造價高，對溫室外棚頭地面要求高，根據現在溫室發展情況推廣難度大。

自動化程度低溫室趨于大規模發展，人工清洗已無法滿足現在溫室的需求，但是現有的溫室棚頂清潔設備受給水管道、電源線纜及溫室棚頂差異結構等限制，需要專業工人配合完成溫室棚頂清洗，未實現無人化自動清洗。

需水量大 環境不友好現有的溫室棚頂清潔設備需要利用高壓水沖刷配合輥刷或者圓盤刷進行棚頂清潔，一般溫室為保證生產，每年需要清洗棚頂3～4 次，需水量約為0.25～2 L/m2[17-18]，目前中國擁有日光溫室577455.69 hm2，連棟溫室54338.46 hm2[19]，每年用于清洗的用水量很大，造成水資源浪費。

國內溫室棚頂清潔設備發展方向

適用國內溫室棚頂結構外遮陽系統作為夏季主要降溫的手段，具有外遮陽系統的溫室是國內溫室的主要形式之一，國內溫室清洗設備要適應于有外遮陽系統的溫室屋面清洗作業。

低成本、輕便化國內溫室保有量大，應盡量減少對原有溫室棚頂的改造、減少清潔設備質量以及設備體積，確保原有溫室的棚頂結構安全，降低設備的使用成本，便于設備大范圍應用推廣。

自動化、無人化現在國內溫室大部分由人工清洗，以人工費用為160 元/ 天，每天每人大約可以清洗200 m2為例計算，一個10000 m2的玻璃溫室每年的清洗費用約為3.2 萬元，而且隨著農業從業者減少，溫室清洗設備的自動化、無人化將是重要的發展方向。

環境友好型 國內南方地區降雨量豐富，溫室清洗設備應從自帶水源向借助自然降雨完成溫室棚頂清洗作業的方向發展。

總結

溫室棚頂清洗是保障國內設施溫室生產的重要措施，隨著現代設施農業發展的快速推進，依靠人工進行溫室棚頂清洗已經無法滿足現代設施農業的發展需求。根據中國溫室大棚的結構特點及市場需求情況，研發適合中國溫室大棚的溫室清洗設備是現階段的設施配套設備生產企業的開發方向之一。