連棟溫室內保溫系統設計與應用

關鍵詞：連棟溫室；保溫系統；保溫被；設施農業

0 引言

設施農業是利用工程技術手段和工業化生產方式，為植物生產提供適宜的生長環境，使植物在最經濟的生長空間內，獲得最高的產量、品質和經濟效益的一種高效農業，是農產品打破傳統農業季節性，實現農產品反季節上市，進一步滿足多元化、多層次消費需求的有效方法[1]。

連棟溫室是設施農業的主要表現形式之一，具有自動化、智能化、機械化程度高的特點，溫室內部配置了保溫、光照、通風和噴灌等設施，可進行立體種植，屬于現代化大型溫室[2]。與傳統的日光溫室相比，其優點在于采光時間長，抗風和抗逆能力強，在我國很多地區都有大面積的應用[3-5]。進入冬季后，冷空氣頻繁，帶來的寒流、大風、陰雨雪等災害性天氣影響著我國各地。氣溫逐漸降低對設施農業的生產造成了極大的威脅，此時做好相應的保溫措施至關重要[6-7]。

目前，應用在連棟溫室內的保溫措施主要有增加采暖設備、安裝2層保溫幕、增加側保溫等。其中，采用增溫設備，成本高，造成能源的巨大浪費；安裝2層保溫幕、增加側保溫等措施，因沒有形成較為密閉的空間，極易造成溫室內熱量的散失，保溫效果不明顯[8-11]。

本研究設計了一種新型連棟溫室內保溫系統，使用后溫室內部能夠形成較為密閉的保溫空間，減少溫室內熱量的散失，從而有效地保證夜間溫室內的溫度，降低溫室運行能耗。

1 保溫系統設計

連棟溫室內保溫系統由內保溫被、驅動內保溫被展開或者收起的傳動機構組成。

1.1 內保溫被材料篩選

在選用內保溫被材料時應綜合考慮以下3個問題：①材料特點及使用條件；②材料經濟性；③材料適用環境和位置。內保溫被為多層復合結構，由表層材料和芯層材料組成。

內保溫被表層材料易受外界侵蝕，應滿足防水、抗彎折、防老化等要求。目前常用的表層材料有化纖布、帆布、牛津布、編織布和防水布等。①化纖布：因其價格低廉、來源廣、質量輕等優點經常被作為保溫被的表層材料，但化纖布防水性差、機械強度較低，長時間使用過程中布料很容易撕裂和破損。②帆布：結實耐用，但部分帆布防水性能較差，與水接觸后易發生變形、易被酸堿腐蝕，并且帆布料必須放置在陰涼處，否則會加速布料老化。③牛津布：具有較好的透氣性，遇水速干。但牛津布防水性和耐磨性較差，與其他表層材料相比價格較高。④編織布：無論在干燥還是潮濕的狀態下，其都具有一定的機械強度。經常被當做表層材料的編織布有PE編織布、鍍鋁編織布等材料。鍍鋁編織布可以起到阻擋陽光和紫外線、防水、隔熱的作用，PE編織布防老化、耐低溫、價格低廉，是一種可以回收利用的環保材料，但該材料的防水性能較差。⑤防水布：具有防水、透氣、防風等優點，但部分防水面料價格較貴，用其制作成的保溫被不易被使用者所接受，不易進行推廣[12-13]。

內保溫被芯層材料主要起到保溫作用，應膨松、柔軟，具有一定的強度，保證幾經碾壓不變形。一般選用的芯層材料多為纖維材料或多孔性膨松材料。目前常用的芯層材料有針刺氈、無紡布、PE微孔泡沫塑料、珍珠棉和噴膠棉等。①針刺氈：具有結構密實、抗拉強度高、保溫性能好、耐久性能好和價格低廉等優點，但其防水性能差，晾干后才能回收保存。②無紡布：具有質輕、柔軟、防水性較好等優點，但其面料強度和耐久性較差，使用壽命較低。③PE微孔泡沫塑料：具有穩定的化學性能、不易被腐蝕、有一定防水性，可以起到良好的保溫和防水效果。④珍珠棉：具有保溫、防水、耐化學藥品腐蝕和耐老化的優點；缺點是質量大、厚度小、蓬松性差及保溫率低。⑤噴膠棉：具有內部多孔、高彈、蓬松、質輕、透氣性高及保溫性良好等優點，適于被當作保溫芯材使用。但其抗拉強度和抗變形性能力較低，需搭配具有高抗拉強度的表層材料一起使用[14-15]。

通過對上述內保溫被表層材料、芯層材料特性綜合比較，本研究內保溫被表層材料選用PE編制布，芯層材料選用噴膠棉，采用牛津布四周包邊縫合的制作工藝。該工藝不需要在保溫被上進行大面積的衍縫，縮短了內保溫被的制作時間；同時也因為衍縫行數的減少，內保溫被上的針眼數量也隨之減少，一定程度上解決了內保溫被因針眼過多引起的防水性能下降的問題。

1.2 內保溫被性能測試

對比市場上常用的保溫被產品進行保溫性能測試，經國家紡織制品質量監督檢驗中心檢測，檢測結果如表1所示。本研究開發的輕質內保溫被（材料2）保溫率可達81.7%，較常規幕布保溫性能提高1倍，適合連棟溫室內部使用。

1.3 頂部傳動機構設計

內保溫被頂部傳動機構由電機、傳動軸、傳動軸承座、繞線筒、鋼絲換向輪、驅動邊、驅動邊密封膠條、托幕線夾、幕布夾、暴風線夾、彈簧驅動卡、導線夾、保溫被、U形支架、上幕線、下幕線和鋼絲繩等組成，如圖1所示。

電機安裝于溫室立柱上，傳動軸通過聯軸器與電機軸相連接，電機軸穿過傳動軸承座，傳動軸承座安裝到溫室復合梁上，繞線筒成對穿到傳動軸上。鋼絲換向輪安裝于溫室端部復合梁上，鋼絲通過繞線筒和鋼絲換向輪成一封閉回路。溫室端部復合梁上還卡有U形支座和托幕線夾，上幕線和下幕線栓到U形支座上，其余復合梁上卡有托幕線夾，下幕線從托幕線夾的底部孔道通過，以防止下幕線下垂。驅動邊搭放至下幕線上，驅動邊底部溝槽在對應鋼絲繩的位置裝有彈簧驅動卡，彈簧驅動卡芯咬合住鋼絲繩，繞線筒卷繞鋼絲繩時，通過彈簧驅動卡帶動驅動邊滑動。對應下幕線的位置安裝有導線夾，驅動邊上部對應上幕線的位置安裝有風暴線夾，上幕線從風暴線夾中部穿過。驅動邊的豎直面圓弧槽內裝有驅動邊密封膠條。驅動邊上部大凹槽卡有多個均勻分布的幕布夾，幕布夾將保溫被的一端卡到驅動邊上。內保溫被的另一端用托幕線夾卡到復合梁上。電機帶動驅動軸轉動，繞線筒旋轉卷繞鋼絲繩，鋼絲繩通過彈簧驅動卡帶動驅動邊在下幕線上滑動，因驅動邊上固定著內保溫被的一端，從而實現內保溫被展開或收起作業。

1.4 立面傳動機構設計

內保溫被立面傳動機構由軌道、電機、下橫梁、下托架、滑輪架、上托架、上橫梁、配重輪軸、配重滑輪、鋼絲繩、配重、卷軸、U形夾和保溫被等組成，如圖2所示。

下橫梁和連棟溫室固定到一起，下托架用螺栓固定到下橫梁上，軌道彎頭部穿到下托架銷軸上，直頭部穿過上托架上的條形孔，這樣軌道可以繞銷軸在一定范圍內擺動。上托架和滑輪架以公用螺栓固定到上橫梁上，上橫梁和連棟溫室固定到一起。滑輪架上穿有配重輪軸，配重滑輪穿到配重輪軸上。鋼絲繩一頭系到電機的配重輪座上，另一頭栓配重，中間繞到配重滑輪上。電機上有3個軌道輪騎到軌道上，使得電機能沿軌道上下移動，卷軸穿到電機輸出軸上。內保溫被的一端卷到卷軸上，另一端用U形夾夾到上橫梁上。電機周帶動卷軸旋轉時，內保溫被被卷起或抻開，同時帶動電機和卷軸上下移動，從而實現內保溫被展開或收起作業。

2 應用情況

設計開發的連棟溫室內保溫系統可替代傳統保溫幕布，主要應用于溫室的頂部和側面，如圖3和圖4所示。溫室頂部和側面同時應用內保溫系統時，可在溫室內部形成較為密閉的保溫空間，減少溫室內熱量的散失，降低能耗，從而有效地保證夜間溫室內的溫度。連棟溫室內保溫系統可通過傳動機構驅動內保溫被展開或者收起，內保溫被收起后，合攏寬度0.5m，保證日間光照不受影響。連棟溫室內保溫系統已在北京市、河北省、內蒙古自治區等地進行了示范推廣，取得了較好的經濟效益。

3 結束語

在連棟溫室運行成本構成中，能耗成本是運行成本的主要部分。連棟溫室內保溫系統的應用，減少了溫室內熱量損失，提高了溫室保溫性能，降低了溫室運行能耗，為設施農業低碳生產提供了新路徑。