绿叶菜专用温室设计＊

时间：2024-09-03

朱春燕，陈吉，俞志轩，顾小小，卫超婷，李长兴（.上海市农业机械研究所，上海 006；.中国电子科技集团公司第三十二研究所，上海0808 ）

上海市民素来喜食绿叶菜，绿叶菜已经成为本市蔬菜消费中重要的一类，是蔬菜产业的重要组成部分。由于绿叶菜生产种类多、周期短、茬次密、耗工高，且产品具有易腐烂、怕挤压、容重小等特点，上海市绿叶菜60% 以上为地产地销。在上海市划定的50.18 万亩（3.35 万hm2）菜田中一半以上种植绿叶菜，由此可见，绿叶菜在上海市蔬菜生产中具有重要地位和作用。2019 年上海市蔬菜消费总量620 万t，其中绿叶菜消费量160万t。2019年地产蔬菜上市量246.5万t[1]，占全市蔬菜总消费量40%，其中绿叶菜上市量131.4 万t，占全市绿叶菜总消费量82.5%。

目前蔬菜的生产模式主要有露地土壤栽培和设施土壤栽培两种。截止2016 年，上海温室占地面积618 hm2，单体大棚占地面积13337 hm2（数据来源：上海市第三次农业普查公报）。为了确保稳定生产和周年供应，本市绿叶菜生产主要以设施土壤栽培为主，在传统8 m 大棚或通用连栋温室内进行绿叶菜的生产种植。为解决蔬菜生产用工难、用工贵问题，上海市大力推进蔬菜生产“机器换人”，强化农业科技装备水平，同时启动现有设施宜机化改造工程，例如扩大山墙面开门尺寸，山墙面处增设过沟板，加长棚体长度等，努力为蔬菜稳生产、提效率、降成本、增效益提供重要保障。提高绿叶菜种植茬次、优化绿叶菜栽培模式、提升绿叶菜管理智能化等能实现绿叶菜多茬高效栽培模式，同时也能缓解农业生产人员短缺的问题。着眼于绿叶菜生产全过程，以设施环境（光、温、湿、气、肥、水）为需求导进行设计。基于绿叶菜冠层特点、生长需求、生理要求和生产机械化、智能化等要求，以提升土地利用率和生产效率、提高各类生产装备的适应性和适用性为目标，优化设计绿叶菜专用温室。大跨度温室结构满足设施大型化、机械化作业需求，实现无人化作业。双层幕帘，顶、侧通风，肥水药系统等配套实现温室环境因子调控，温室自动化控制系统可远程监控管理,实现温室自动化管理,提高生产效率，降低劳动强度，达到绿叶菜生产全过程智能化管理目的。绿叶菜专用温室由温室框架，内遮阳、内保温系统，肥水药一体化系统，温室控制系统等组成。

框架设计

温室采用天沟连接多跨连栋结构，由基础、主体结构、移门、电动顶、侧卷膜等组成。基础是温室立柱下不连续的承受上部结构作用的钢筋混凝土结构，是温室结构不可缺少的组成部分。考虑未来生产种植环节的无人化作业，为智能化农机装备提供优良的作业环境，温室四周与中间设计不同的基础形式。四周基础桩高出基准面200 mm，与圈梁顶面平齐；中间基础桩低于基准面200 mm，以避免机具在温室内作业与基础产生的干涉与碰撞情况。温室基础采用现浇独立式矩形或圆形混凝土柱桩，配纵向筋和箍筋；与立柱采用法兰连接，这样能保证达到温室承载的设计标准，确保温室基础质量，从根本上保证温室的制造安装质量。圈梁采用钢筋混凝土条形结构，选用强度等级≥C25 的混凝土。散水需现场浇筑，采用强度等级≥C20 的混凝土，底部整平夯实，与四周圈梁紧密相接。

温室采用双拱顶桁架、4 m 开间的主体结构，主要由立柱、主副拱、顶纵梁、端面立杆、水平横梁、桁架、天沟等组成。温室跨度方向采用横向桁架，加强温室主体框架结构的强度。立柱间距4 m，立柱之间由天沟连接，形成大面积种植区域。根据种植区域作业模式，确定开门位置。参照拖拉机、农机具外形尺寸，确定移门尺寸，门框采用铝合金型材，表面为薄膜覆盖，门上部安装滚轮。温室顶部设置顶卷膜，四周设置侧卷膜，形成温室通风口。

内遮阳、内保温系统设计

内遮阳、内保温系统主要由动力传动部分和幕帘组成。动力传动部分采用齿轮齿条驱动，具有传动平稳、行走准确、控制面积大等特点。遮阳、保温系统选用A 型齿轮齿条拉幕系统，主要由减速器、驱动轴、动膜拉杆、推杆、幕帘、齿轮齿条、压膜卡、导向卡、支撑滚轮、托压膜线等组成。工作时，减速器带动驱动轴转动，驱动轴带动齿轮齿条做直线运动。齿轮转动带动了齿条的直线行走，推杆由支撑滚轮支撑，利用齿条推杆接头与齿条相连。动膜拉杆用大导向卡导向，由拉杆夹和推杆导杆连接卡组成十字连接件相连固定在推杆上。幕帘通过压膜卡固定在多组动膜拉杆上。当减速器运转时，随着推杆往复运动，幕帘随着动膜拉杆做展开、收拢运动，以实现幕帘的开启和闭合。

大面积拉幕系统动力主要由电力提供。根据减速器厂家建议及笔者实际经验，若控制单元面积≤2500 m2时，选择的减速器功率约为550 W。面积≤3500 m2时，选择的减速器功率约为750 W。拉幕速度不宜过快，以免影响拉幕整齐度。拉幕速度过快，幕帘收拢时，容易叠合、缠绕。一般拉幕速度控制在0.5～0.8 m/min[2]比较合适。

幕帘可根据当地光照条件和种植作物的生长要求进行选择，选择遮阳率、保温率适合的幕帘。常见的幕帘有铝箔、透气铝箔、薄膜遮阳幕，高透光保温幕，铝箔、薄膜避光幕等。托压膜线多为LS 聚酯线。

肥水药一体化系统

肥水药一体化系统是在水肥一体化技术之上增加打药功能，是灌溉、施肥与打药融为一体的农业新技术。借助压力系统，将可溶性或液体肥料、药剂，按作物生长所需与灌溉水配兑，通过管道、喷头形成喷灌。肥水药一体化系统通常包括水源工程、首部系统、微喷系统等。温室安装地块附近的河道、水库等均可作为水源，只要水质符合灌溉要求，均可作为灌溉水源。首部系统是肥水药一体化系统的控制中心，驱动整个系统运行和调度，包括水泵、过滤器、施肥机和自动化控制设备等组成。微喷系统采用吊挂微喷形式，根据作物种植模式进行灌溉管道和喷头的选择和布局。

温室控制系统

温室控制系统主要是对温室内遮阳、内保温、四周侧卷膜、顶部卷膜等部分进行电气控制，具有热过载和断路双重保护，所有控制回路和指令电器均采用交流24 V，具有标准的接地体装置。控制箱内装配有幕帘展开与合拢，顶、侧卷膜展开与收拢两套接触器件，既可手动，又可通过安装在减速器内的行程开关实现自动启停，限位准确，使温室配套系统运行平稳可靠。

设计案例

项目名称

上海市科技兴农创新项目“设施绿叶蔬菜智能化生产装备技术集成示范”。

基本情况

根据项目要求，建造1 座1 hm2绿叶菜专用温室。位置在崇明区长江农场附近，要求承受10 级风载，所建地块为长方形，北侧有河道及泵房设施。

规划样式

结合地块特点、周边环境及所建温室的配套装备，设计用于设施绿叶菜智能化生产种植的绿叶菜专用温室，占地面积9264 m2。温室由1 个种植区域和2 个隔间区域组成，见图1。种植区域占地9072 m2，9 连栋×21 间；隔间96 m2，1连栋×2 间。2 个隔间分别位于种植区域的西北角和东南角，隔间和种植区域设置单开移门。

图1 温室平面图/mm

结构设计

温室主要参数

高效利用地块面积，结合绿叶菜生产要求，确定温室跨度12 m，间距4 m，肩高4 m，顶高5.7 m，温室屋顶设计矢高1.7 m，见图2。通过结构强度校核，满足承受风载≥0.55 kN/m2，满足承受雪载≥0.25 kN/m2。温室的四周与中间设计不同形式的基础，四周基础见图3，中间基础见图4。基础混凝土强度C25，承载力特征值80 kPa。

图2 温室端面图/mm

图3 四周基础（标高单位为m，其他为mm）

图4 中间基础（标高单位为m，其他为mm）

主体框架

温室框架采用双圆拱顶结构。周边立柱和中间立柱都采用120 mm×60 mm×3 mm 矩形管，立柱与基础采用螺栓连接方式，即基础中预埋螺栓，与焊接在立柱底部的底板连接。温室主拱采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，主拱与主拱、主拱与立柱的连接形式均为法兰连接。主拱间距4 m，在两主拱之间增设三道副拱，间距1 m，副拱采用φ32 mm×1.5 mm 热镀锌钢管。温室12 m跨度方向设计横向桁架结构，桁架高度700 mm，桁架的弦杆采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，桁架直腹杆采用60 mm×40 mm×2.5 mm，中间加强杆采用φ16 mm 圆钢。顶部纵梁采用60 mm×40 mm×2 mm 矩形管，通过L 形连接板用螺栓固定于拱杆。天沟采用2 mm 热轧钢板冲压成型并热浸镀锌，利用支托架、管卡座等用螺栓固定于拱杆、立柱。种植区域每一跨顶部设置双向电动卷膜，卷膜尺寸1.2 m。隔间区域顶部采用黑白膜覆顶。根据温室规划样式，设5 套门，在种植区域东西中间处的南端设置3 m×3 m 双开移门1 套，2 个隔间与种植区域相连处以及隔间内分别设置2.2 m×2.5 m 单移门，共4 套。种植区域四周设置电动侧卷膜，隔间非开门处设置手动侧卷膜，卷膜高度均为2 m。温室安装中均选用性能等级8.8 的高强度螺栓，从而保证温室主体框架的稳定和可靠。

内遮阳、内保温系统

根据绿叶菜生长要求，在种植区域设置齿轮齿条式内遮阳和内保温系统。种植区域面积9072 m2，9 连栋×21 间，按照减速器使用面积要求，对种植区域进行适度分区。以跨度为方向，分为3 区，即每区为3 连栋×21 间，面积3024 m2，每区可独立控制传动系统。按照所分区域的面积，动力选用上海浦东行传机械制造有限公司的DWXC-80 型减速器，功率750 W，速比500:1。借用温室桁架结构，将内遮阳系统安装于桁架上弦杆处、内保温系统安装于桁架下弦杆处。U 型螺丝将托压膜线固定梁固定于温室端面，连接座将斜撑连接于温室立柱与托压膜线固定梁之间，以加固温室端面结构的强度。按区设计，每区的内遮阳和内保温系统由2 个减速器分别控制，见图5。减速器固定于桁架弦杆连接驱动轴，驱动轴选用33 mm×3.25 mm 镀锌钢管。通过固定在弦杆上的A 型拉膜齿轮（反向耳式），驱动轴依次与齿条、推杆，动膜拉杆等零件相连，见图6。根据温室框架参数，设计推杆长度4060 mm，动膜拉杆长度6060 mm，齿条长度3965 mm。

图5 内遮阳、内保温电机布置图

图6 内遮阳、内保温系统示意图

驱动轴尺寸33 mm，电机转速5.2 r/min，通过计算，得出幕帘行走速度v。

v=πdn=3.14×33÷1000×5.2=0.54 m/min

幕帘速度v在0.5～0.8 m/min，满足设计要求。

内遮阳幕帘选用ANS20 系列，内保温幕帘选用ANS65 系列，利用φ19 mm 压膜卡沿跨度方向按1 m 间隔固定于动膜杆，φ19 mm 大导向卡与压膜卡间隔1 m 安装。托压膜线选用进口白色聚酯线，托膜线间隔500 mm、压膜线间隔1000 mm，固定在同一截面内，幕帘平整铺放托压膜线之间。用扎线将幕帘固定端绑扎在横梁上，间距250 mm，注意绑扎力度。在每区相交区域设置幕帘密封兜，密封兜的作用是将两区两侧垂下的幕帘托起、兜住，密封兜长度与幕帘覆盖区域长度相同，为84 m。将支架板以8 m 间隔安装在桁架下弦杆和立柱上，形成密封兜框架，用自攻螺钉等将ANS20 幕帘包裹其上，形成密封兜。

肥水药一体化系统

根据温室安装地块的河道位置，将肥水药一体化系统首部置于温室西北角隔间，并对原有泵房进行改造，利用过滤器等将河道水处理成可用的灌溉水。为了避免肥和药在同一主管中产生不良化学反应以及对管道壁产生的腐蚀性，因此首部系统设计肥、药分别通过两根主管输送至支管。其工作原理是经砂石过滤器、叠片过滤器充分过滤的水源分别通过两根主管，一根供往储水罐再经打药泵混合药剂用于打药；另一根经施肥机混合肥料用于施肥。两根主管对应相同的支管和末端灌水器，完成种植区域的打药、施肥、洒水作业。首部系统选用国兴农FERTIKID-CH-040 系列施肥机，由控制系统、吸肥通道、文丘里管网、浮子流量计、EC/pH传感器等组成，具体技术参数是工作电压380 V，额定功率1.5 kW，吸肥通道4 个，通道肥量为单通道0～600 L。根据绿叶菜种植模式及生产管理特点，微喷系统地下部分设计水肥、药两路主管，微喷水肥主管采用U-PVCφ90 mm 给水管道，微喷药主管采用U-PVCφ75 mm 给水管道。微喷系统地上部分设计一套管路，采用吊挂微喷，跨度方向间隔2 m 布置PEφ20 mm 支管，间距方向间隔2 m安装旋转喷头，喷头流量为60 L/h，见图7。为了保证温室配套设施控制的一致性，肥水药一体化系统采用与内遮阳、内保温一样的分区法，同时考虑到温室长度较长，因此长度方向分东、西两区进行控制，即每3 跨，东西两边各布置清水电磁阀和喷药电磁阀进行肥水药系统控制。

图7 温室内灌溉平面图

温室控制系统

每跨温室顶部设置双向顶卷膜，即一拱一顶卷膜，共计顶卷膜36 组，一组顶卷膜配一个电机，则温室顶卷膜36 组配36 个电机独立控制。顶卷膜卷膜行程1.2 m，长度84 m，直流电机参数24 V，120 W。内遮阳和内保温分别控制，且单层分3区独立控制，则温室内遮阳内保温配6 个电机独立控制，交流电机参数380 V，750 W。四周侧卷膜分4 个电机独立控制，直流电机参数24 V，120 W，见图8。温室控制系统控制柜根据各配套设施控制方式进行接线布局，在手动模式情况下，旋动旋钮实现各部分的打开、收拢动作。自动模式下可实现远程操控温室内各配套设施作业状态。本项目于2021 年5 月完工，经受了7 月“烟花”（12 级以上）、9 月“灿都”（12 级以上）强台风的考验，证实设计合理可靠。

图8 电机布置图