一种装配式外保温塑料大棚

2017年6月24日，笔者在北京卧龙农林科技有限公司总经理李晓明先生的带领下，来到了北京市大兴区御瓜园生产基地，看到了该公司最新开发的一种组装式外保温塑料大棚，似乎见到了塑料大棚与日光温室相结合进行周年生产的端倪，现介绍给大家，供大家一起来研究和探讨。

1建筑结构与设备配置

塑料大棚采用圆拱顶落地结构（图1）。大棚跨度12.3m，脊高4.5m，长度100m。借鉴日光温室的布局模式，大棚采用屋脊东西走向布置，东西两堵山墙采用300mm厚加气混凝土块砌筑，中间开门并在大棚内地面中部长度方向连接两端进出门洞设计了操作走道。大棚双侧安装了保温被，用2台卷帘机分别从两侧控制卷放。此外，大棚还配置了屋顶和侧墙自然通风系统。该塑料大棚总造价12万元/667m2。

图1 保温大棚

2承力结构

由于该塑料大棚跨度大、高度高，而且还有双侧卷帘机及保温被荷载，采用传统的单管镀锌钢管组装结构（薄壁钢管，管径多为22、25、32mm），显然承载能力不足。为此，该塑料大棚的承力结构采用了一种新型的组装式桁架结构（图2）。该桁架高度250mm，上下弦杆均采用镀锌带钢板一次成型的C形钢材料，整个桁架弦杆（包括上弦杆和下弦杆）一次成型，中间不设断点或接头，有效地避免了由于连接点薄弱可能发生结构失效的风险，而且没有中间连接点，也减少了零部件规格和安装工时，在一定程度上也降低了大棚造价。桁架结构的腹杆也采用了镀锌带钢板一次冷压成型，所有腹杆一种规格，控制节间间距400mm，制造和安装都很方便。桁架结构上下弦杆与腹杆的连接全部采用螺栓连接，而且螺栓帽全部隐藏在弦杆C形钢的凹槽内，完全不影响塑料薄膜的安装。相比组装式钢管骨架塑料大棚采用抱箍或连接卡连接上下弦杆，这种用螺栓连接腹杆和上下弦杆的方式连接更牢固，如果采用不锈钢螺栓和螺母，使用寿命会更长，结构由于连接不当失效的几率将很低。需要时，这种结构上下弦杆C形钢的凹槽可以直接代替塑料薄膜的固膜卡槽，还可进一步节省卡槽的费用。桁架上弦杆凹槽朝外，下弦杆凹槽朝内，还可在大棚冬季需要保温时直接在下弦杆上安装塑料薄膜，形成双层塑料薄膜的保温大棚，在显著提高大棚保温性能的同时基本不再增加额外的结构零部件。总体而言，该结构是一种比较节省和轻便的结构，这种结构在一些日光温室中也曾应用过。

图2 保温大棚结构

这种结构也有不足之处：一是由于大棚跨度大、屋脊高，如果一次成型上下弦杆不是在现场加工，而是在工厂加工后运输到现场，则需要的运输车的吨位就较大，增加了材料运输的成本（鉴于此，较大规模的工程都是在现场直接弯曲成型）；二是上下弦杆为开口C形钢，相比圆管或方管等闭口结构的材料，同样截面尺寸材料的承载能力较低；三是相邻腹杆在同一弦杆的连接处没有交汇到一点，而且2个连接点之间的距离较大，按照结构力学的计算模型，上下弦杆在腹杆的2个连接点之间会产生次应力，不利于提高桁架结构的承载能力。为此，建议在今后的结构安装中将同一弦杆上相邻2根腹杆的连接点交汇到一起，这样不仅结构传力明晰，而且还能节省螺栓和螺母以及安装这些螺栓和螺母的人工费用。

3通风系统

大棚的通风系统采用了屋脊通风口和侧墙通风口相结合的方式。其中屋脊通风口开设了两道，分别在位于靠近屋脊的两侧（图2a），屋脊通风口宽度800mm，通风口完全敞开不设塑料薄膜覆盖和开窗机构，控制通风口大小和通风量多寡完全依靠控制保温被的位置来实现，实际上把保温被当做了覆盖材料，将卷帘机当做了开窗机构。这种做法从用材上确实节省了通风口塑料薄膜及其固定材料，也省去了专门的通风控制执行机构，但从实际运行看，一是保温被能否平直卷放从而均匀控制通风口的开启大小；二是用保温被位置控制通风口需要频繁启动卷帘机，相比专用的屋面通风机（如卷膜通风机、齿条开窗机等），电机启动电流大、运行功耗高，如果采用自动控制，电机频繁启动，将很不利于延长电机的使用寿命，如果采用人工控制，则控制精度和控制时间掌握的难度很大；三是在冬季需要更大面积屋面保温时，甚至都打不开屋脊通风窗，保温与通风的矛盾比较突出。

大棚侧墙的通风采用了落地式卷膜通风机构，安装在大棚两侧，可以是电动卷膜器，也可以是手动卷膜器，可根据用户的使用和管理要求选择。由于大棚在跨度方向的尺寸较小，如果将双侧通风口同时打开，在风压作用下可形成大棚内沿跨度方向的穿堂风，更有利于大棚的通风和降温。此外，在大棚两侧山墙上开门，也会形成大棚长度方向的穿堂风，虽然这种穿堂风的通风量相比跨度方向的通风量小很多，但可根据风向和室内通风量的要求合理配合，能达到更灵活的通风控制效果。

4保温系统

大棚的保温系统和传统日光温室的保温系统从形式上看都是一样的，但该大棚无论从保温被的选择还是安装都有一些特别之处，对控制保温被位置来调节大棚内温度和光照更是该大棚的独有特点。

大棚保温被采用了橡塑材料保温芯、双侧电缆皮防水的一种新型保温被。橡塑保温芯材料具有容重小、内孔封闭、自防水、热阻大、柔韧性好、易卷放等特点；电缆皮具有耐老化、防水性能好、使用寿命长等优点。相邻两幅保温被之间的连接不是传统的搭接或扣接方式，而是采用了对接的方式，并用专用胶带双面粘接。这种连接方法可使整个屋面的保温被形成一整幅，保持整个屋面保温被表面平滑，也避免了搭接连接保温被的浪费，在整幅保温被安装完成后再在保温被的双侧覆盖完整的保护外层，不仅提高了保温被的密封性，也提高了保温被的防水性能。该保温被及其连接方式是北京卧龙农林科技有限公司专门开发的专利产品，笔者以为，该保温被是目前在塑料大棚和日光温室上使用保温和防水性能最好的保温被之一。

为了保证卷被轴在保温被卷放过程中保持平直不弯曲，保温被在卷被轴上安装的同时还安装了卷被绳（图3），而且卷被绳沿卷被轴铺设的间距采用了不等间距布置方式，靠近卷帘机电机位置卷被绳布置间距密，离卷帘机电机距离越远卷被绳间距越疏。卷被绳的一端固定在大棚的屋脊，另一端缠绕在卷被轴上，随保温被的卷放同步运动。这种做法或许是保持卷帘机卷轴平直的一种良好方法，不仅可以在塑料大棚上使用，在日光温室卷帘机上也有同样的效果。

图3 保温被的安装

除了缠绕在卷被轴上的卷被绳外，在卷被轴两端和中部位置还安装了压被绳，当保温被展开覆盖大棚表面后，这些压被绳紧压保温被的外表面，可防止保温被被风刮起，是一种保护保温被的有效措施。

对保温被的管理是该塑料大棚的核心技术。到了秋冬季节，为增强塑料大棚的保温性能，将大棚北侧屋面保温被展开，并永久固定，恰似轻型组装式日光温室的保温后墙和保温后屋面，南侧屋面保温被白天打开采光，夜间覆盖保温被，如同日光温室的南侧采光面，这种通过双侧保温被的控制将塑料大棚从形式上形成了另外一种形式的装配式日光温室结构（图4a）；而在春秋季节则可根据室外温度，白天结合大棚通风灵活控制南侧屋面和北侧屋面的保温被的停放位置，保温和采光协调配合，达到室内作物需要的温光水平（图4b）；到了需要保温的夜间则可将双侧保温被全部展开，形成完全外保温的塑料大棚（图4c），如同日光温室的夜间保温。通过保温被的控制实现了设施在塑料大棚和日光温室性能之间的转换，一种设施，2种性能，周年生产，而且土地利用率高、建设成本低，如果配套地面储热系统或其他主动储放热系统，甚至临时加温系统，能够在冬季室外气温-15~-10℃地区生产蔬菜安全越冬，则这种形式的塑料大棚将具有非常广阔的推广应用市场。

图4 保温被的管理

5存在问题与改进方向

一项新的产品在看到其优点的同时，也应充分分析其存在的问题，以便为产品的不断改进和提高找到“抓手”。以下笔者就该保温大棚在走向替代日光温室的道路上遇到的一些问题进行分析，以提示产品开发者改进技术、提升设施性能。

5.1采光问题

由于塑料大棚是以屋脊为中心的左右对称结构，在保温被卷起时，双侧保温被同时停放在大棚屋脊位置，自然会在大棚内形成一条阴影带（图1b），而且这条阴影带大部分时间处在作物种植区，在一定范围内总是会影响作物的采光。如果将保温被固定边设置在大棚的下部，这种遮光的影响将会完全消除。

到了冬季保温大棚按照日光温室的保温模式运行时，一侧保温被完全覆盖半个大棚屋面，另一侧保温被卷起时也停放在同侧通风口附近，占大棚地面1/2以上屋面面积被保温被覆盖（由于保温被的固定边都是固定在屋脊位置，这种覆盖模式难以再扩大采光面积），相比传统日光温室后屋面的投影宽度不足温室跨度的1/3，塑料大棚冬季屋面的遮光面积相对较大，会直接影响大棚北侧种植作物的采光。采用不对称屋面大棚，南侧采光面大，北侧采光面小，类似日光温室结构或许能克服这种遮光的影响。

5.2保温被兜水问题

大棚双侧安装卷帘机，下雨时从两侧卷起的保温被停放在屋脊位置后，两卷保温被之间积水无法排除是这种保温被安装所带来的一个比较难以克服的问题（图5a），而且两卷保温被之间的距离越远（下雨期间用保温被遮盖屋脊通风口，从而形成较大的汇水面积，图5b），积聚的雨水也越多。由于该保温被具有良好的防水性能，积聚在保温被一侧的雨水无法通过保温被渗漏排除，而且由于大棚长度较长，积聚雨水向两侧排除由于没有足够的排水坡度，势必也会增加雨水积聚的风险，这些积聚的雨水会增加大棚的屋面荷载，给结构安全造成隐患。此外，向保温被两侧的排水也会直接淋洒在大棚山墙上，造成山墙被雨水浸湿（图5c），给山墙的墙体结构造成安全隐患。

图5 保温被兜水现象

下雨期间，保温被覆盖屋脊通风口，也直接影响大棚的通风。虽然将双侧保温被全部展开可避免屋面雨水的积聚，但却影响了大棚的采光和通风。实际上，冬季下雪后，由于大棚屋顶较平，通过积雪滑落来清除屋面积雪的可能性很小，屋面积雪需要人工清扫或等到自然融化。该大棚在屋脊位置塑料薄膜下增设了防水兜支撑网（图2a），集雨和积雪不会引起塑料薄膜出现水兜，但雨雪产生的附加荷载却应引起重视，这在普通温室大棚的设计规范中都没有考虑。

5.3储热问题

目前这种保温型塑料大棚还没有配置主动或被动储放热系统，根据经验，单纯依靠保温的塑料大棚在北京种植果菜还难以越冬安全生产。为了保证大棚冬季蔬菜的安全生产，配置临时加温设施或储放热设备还是必要的，但针对这种大棚究竟配套多大供热量的供热设施还需要进一步研究和实践。根据公司总经理李晓明先生的介绍，大棚可以配套土壤热风储热系统，依靠地面土壤的白天储热和夜间放热来弥补大棚夜间的散热，但这一措施的效果如何还有待实践。

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