我國塑料大棚結構優(yōu)化及性能研究現(xiàn)狀_姚璇.pdf

2024年第6期農機使用與維修83 我國塑料大棚結構優(yōu)化及性能研究現(xiàn)狀 姚 璇 史旖旎 蘇春杰 王洪義 楊鳳軍 黑龍江八一農墾大學園藝園林學院 黑龍江大慶163319 摘 要 塑料大棚作為農業(yè)設施主要類型之一 在解決我國北方地區(qū)淡季吃菜難 提供鮮嫩蔬菜上有著重要作 用 但在實際生產中 因塑料大棚所在地理環(huán)境惡劣和其結構與建造缺陷等 棚室結構難以抵抗暴風 暴雪等極 端惡劣天氣 且可能存在光熱環(huán)境不好 穩(wěn)定性不足等問題 該文介紹了塑料大棚的發(fā)展與主要結構類型 對近 年來塑料大棚結構創(chuàng)新優(yōu)化與性能研究進行了歸納總結 分析了其結構在生產中的實際問題 提出了未來發(fā)展 相關建議 關鍵詞 塑料大棚 結構創(chuàng)新 優(yōu)化 性能研究 中圖分類號 S625 文獻標識碼 A doi 10 14031 j cnki njwx 2024 06 024 Research Status of Structural Optimization and Performance of Plastic Greenhouses in China YAO Xuan SHI Yini SU Chunjie WANG Hongyi YANG Fengjun College of Agronomy Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319 China Abstract Plastic greenhouses as one of the main types of agricultural facilities play an important role in solving the difficulty of eating vegetables during the off season in northern China and providing fresh and tender vegetables How ever in actual production due to the harsh geographical environment and structural and construction defects of plastic greenhouses the structure of greenhouses is difficult to resist extreme weather conditions such as storms and blizzards and there may be problems such as poor light and thermal environment and insufficient stability The article introduces the development and main structural types of plastic greenhouses summarizes the innovative optimization and perform ance research of plastic greenhouses in recent years analyzes the practical problems of their structures in production and puts forward relevant future development suggestions which is of great significance for promoting the standardized development of plastic greenhouses Keywords plastic greenhouse structural innovation optimization performance study 基金項目 黑龍江八一農墾大學設施園藝工程技術教學案例 庫項目 ALK202309 黑龍江八一農墾大學研究 生精品課程建設項目 JPKC202310 黑龍江八一 農墾大學三縱基礎 自然 項目 ZRCPY202223 黑龍江八一農墾大學教學研究課題 NDJY2128 作者簡介 姚璇 1992 女 山東昌邑人 碩士 講師 研究 方向為設施園藝 0 引言 2022年3月6日 習近平總書記在全國政協(xié)十 三屆五次會議農業(yè)界 社會福利和社會保障界委員 聯(lián)組會時指出 要樹立大食物觀 向設施農業(yè)要食 物 1 隨著我國經濟與科技的飛速發(fā)展 人民生 活質量的多樣化需求日益增長 尤其是從吃得飽到 吃得好 吃得健康的轉變和對綠色 安全 新鮮水 果 蔬菜的需求 大大促進了設施農業(yè)的發(fā)展 向 設施農業(yè)要食物 的囑托正在逐步成為現(xiàn)實 塑料 大棚是農業(yè)設施中主要且重要的溫室類型 據(jù)統(tǒng) 計 截至2022年 我國溫室大棚面積約為 186 2萬hm2 占全國溫室總面積的65 以上 2 塑料大棚簡稱 冷棚 是指沒有磚 石等圍護 結構 大棚表面全部由塑料薄膜覆蓋的簡易保護地 栽培設施 棚內無加溫設施 一般跨度為6 12 m 長度為30 100 m 具體尺寸設計會根據(jù)大棚種類 用途 栽培作物不同而有所差別 由于大棚結構簡 單 建造方便 造價經濟等優(yōu)點 從東北到華南地區(qū) 應用都較為廣泛 尤其在我國北方地區(qū) 能夠在早 春和晚秋季節(jié)為人們及時供應鮮嫩蔬菜 充分解決 了淡季吃菜難的問題 可提前和延后各一個月左右 的生產時間 具有巨大的社會經濟效益 但在實際 生產過程中 由于所處自然環(huán)境不同以及塑料大棚 本身結構設計和建造等問題 塑料大棚難以抵御極 端惡劣天氣 存在可靠性不足 保溫性和夏季散熱 性不好的問題 因此 近些年眾多學者在塑料大棚 結構優(yōu)化與創(chuàng)新方面有很大突破 3 本文介紹了 塑料大棚的發(fā)展與主要結構類型 總結了其發(fā)展規(guī) 律 并對近年來塑料大棚結構創(chuàng)新優(yōu)化與性能研究 進行了歸納 分析了其結構在生產中的實際問題 提出了相關發(fā)展建議 對提高塑料大棚結構穩(wěn)定 性 促進棚室結構標準化發(fā)展具有重要意義 1 塑料大棚主要結構類型 我國的塑料大棚最早于20世紀50年代出現(xiàn) 初期主要是一些簡易設施 如塑料小拱棚等 到了 60 70年代 主要使用竹木結構和鋼筋焊接結構大 84 農機使用與維修2024年第6期 棚 80年代以后 我國吸收了國外的大棚技術經驗 能夠自行生產制造鍍鋅鋼管大棚和塑料薄膜 自 此 塑料大棚開始快速發(fā)展 大量推廣 推動了我國 現(xiàn)代農業(yè)生產的發(fā)展 現(xiàn)代生產中應用較多的塑 料大棚 從結構和建造材料上主要分為竹木結構大 棚和鋼架結構大棚等 1 1 竹木結構大棚 竹木結構大棚是大棚初期的一種類型 該結構 類型由竹木等材料建造而成 由拱桿 拉桿 立柱等 組成大棚骨架 其中立柱和拱桿相連 拱桿與拱桿 之間的距離一般為1 1 2 m 用縱向拉桿連接 形 成一個整體 作為主要受力構件 承受棚膜及風雨 雪的壓力 骨架建成后 在骨架上覆上塑料薄膜 起到采光和保溫的作用 配以防蟲網 壓膜線 并將 壓膜線固定于地錨上 提高大棚結構抗拔能力 此 種類型大棚的優(yōu)勢為材料便宜 結構簡單 建造成 本較低 但大棚內部空間較低 立柱較多 遮光較嚴 重 作業(yè)不方便 難以實現(xiàn)設施園藝機械化作業(yè) 基于竹木結構大棚存在的問題進行優(yōu)化 首先 要去掉立柱 提高室內空間 因此 從結構和材料上 進行改進 將原來的部分骨架材料由竹木更換為鋼 材 即鋼筋拱架與竹拱桿相互交替支撐 形成了鋼 竹混合結構大棚 提高了其承載能力 結構更為 穩(wěn)定 1 2 鋼架結構大棚 基于混合結構大棚 將其骨架材料全部換為鋼 材 由鋼筋 鋼管或兩種結構焊接形成鋼架結構大 棚 結構堅固 室內空間高大 透光性好 適宜小型 機械作業(yè) 但鋼架易生銹 腐蝕 隨后出現(xiàn)了鍍鋅鋼 管塑料大棚 鍍鋅鋼管塑料大棚的鋼管及配件表 面均采用熱鍍鋅防腐處理 耐腐蝕性強 隨著溫室 標準化生產的發(fā)展 裝配式大棚應運而生 其骨架 均進行工廠化生產 組裝式結構 建造方便 可拆卸 遷移 棚內空間大 作業(yè)方便 整體強度高 承受風 雪能力強 使用壽命可達15年以上 區(qū)別于單棟塑料大棚 鋼架連棟型大棚結構穩(wěn) 定性增強 室內空間高大 提高了大棚的保溫性 透 光性以及土地資源利用率 且便于中小型機械進入 設施內機械化作業(yè) 帶來了更高效益 4 近年來 各地針對不同自然環(huán)境和栽培需求對大棚主要結 構進行優(yōu)化創(chuàng)新 形成了多種類型的新型大棚結構 2 塑料大棚結構創(chuàng)新與性能研究現(xiàn)狀 2 1 塑料大棚結構創(chuàng)新 塑料大棚在風雪荷載作用下易發(fā)生破損 所以 其結構設計需考慮大棚的承載能力 抗風雪能力 穩(wěn)定性 保溫 采光等多方面內容 徐雨晴 5 為提 高塑料大棚抗風降溫能力 提出了抗風 降溫性能 良好的新型結構大棚 大跨度M型大棚 楊小鋒 等 6 周長吉 7 針對海南 臺灣等經常受臺風災害 影響的地區(qū) 從骨架 覆蓋材料 基礎做法等方面進 行分析 設計了抗風型大棚 最高抗臺風級別可達 12級 我國北方地區(qū)冬季較為寒冷 塑料大棚難以抵 御嚴寒天氣 科研人員對此設計了保溫型大棚 如 單拱單膜塑料大棚 單拱多膜塑料大棚 多拱多膜 塑料大棚等形式 當遇寒冷天氣 降雪天氣 可防止 作物受凍害 改善室內光熱環(huán)境 提升夜間室溫 史旖旎 8 在桁架拱塑料大棚骨架受力分析基礎上 提出了基于功能提升的塑料大棚加固方案 王君 等 9 研究了徐州地區(qū)有外保溫覆蓋的大跨度塑料 大棚越冬生產能力 可在徐洲地區(qū)大面積推廣應用 隨著科學技術的進步 越來越多的新材料應用 于設施農業(yè)中 如高強度 高韌性的骨架材料 如透 光率高 耐候性強 防流滴性好 抗拉強度好的長壽 膜等 相變材料具有儲熱密度高 放熱溫度變化穩(wěn) 定 成本低的優(yōu)勢 在航空航天 建筑節(jié)能等領域廣 泛應用 將相變材料的新型環(huán)保節(jié)能技術應用于大 棚中 可調節(jié)室內溫度 改善溫室熱環(huán)境 王柏超 等 10 以相變材料石蠟為主 自制相變石蠟板 內置 于溫室大棚內 探究了室內熱環(huán)境改善情況與提溫 效果 結果表明 三種典型天氣下溫室大棚內置相 變石蠟板可有效改善溫室熱環(huán)境 溫室內溫度最高 可提高10 2 且溫光環(huán)境滿足大多數(shù)設施作物 陳淑琴等 11 設計一種內含相變材料的集熱裝置置 于塑料大棚內 與對照大棚進行比較 發(fā)現(xiàn)試驗大 棚內氣溫較對照大棚高2 7 6 9 隨著設施園藝機械化 智能化的快速發(fā)展 一 方面溫室結構逐漸向大型化方向發(fā)展 王克磊 等 12 針對塑料大棚土地利用率低 農業(yè)機械操作不 便的問題 設計了一種跨度為9 6 m的新型大跨度 單體塑料大棚 長度40 m 脊高4 5 m 其骨架為兩 榀拱桿與一榀雙拱鍍鋅鋼管拱架交替支撐 內部設 置拱形鋼管抗風斜支撐 表面覆蓋0 1 mm厚散射 光PO膜 結構穩(wěn)定 抗風能力強 提高了大棚機械 化作業(yè)程度 武瑩等 13 根據(jù)采光原理和保溫性能 原理設計了大跨度非對稱塑料大棚 跨度范圍為 17 20 m 脊高5 6 6 m 南北屋面投影比為1 5 東西山墻材料為厚陽光板 可根據(jù)保溫性需求設置 雙層非對稱大棚 通過棚室結構的改變 改善了室 內光熱環(huán)境 并測試了冬季室內溫光環(huán)境 驗證了 其具有推廣可行性 馬瑞等 14 基于寧夏彭陽縣地 理位置與氣候特點 經多年試驗 總結出一種跨度 范圍為10 12 m的新型鋼架塑料大棚 棚內不設立 柱 空間大 可充分進行機械化和智能化作業(yè) 另一方面 物聯(lián)網 傳感器 遙感等技術逐漸應 用于農業(yè)設施中 可實現(xiàn)智能化遠程控制 植物病 蟲害檢測 智能灌溉等功能 陳慧 15 開發(fā)了一種物 2024年第6期農機使用與維修85 聯(lián)網溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 以實現(xiàn)溫室環(huán)境智能 化控制 張瀚中等 16 設計了基于WSNs的溫室大棚 智能灌溉控制系統(tǒng) 周曉磊等 17 將智能遠程控制系 統(tǒng)應用于雙膜雙結構新型蔬菜大棚中 實時監(jiān)測大 棚內的溫 光 水 氣 土等信息并上傳至云端 同時 實現(xiàn)了病蟲害檢測 智能施肥灌溉和自動卷膜功能 2 2 塑料大棚性能研究 眾多學者主要對塑料大棚的光熱性能 保溫性 能和結構安全性能進行研究并進行大量試驗 陳 斌 18 在桁架拱塑料大棚骨架內灌注水泥凈漿 以提 高大棚的承載能力 魏存興 19 對新型大棚結構 弧邊方鋼管骨架塑料大棚進行了全動力風荷載作 用下的受力分析 給出了安全性評價 吳瀟等 20 對 閑置期的水稻育秧大棚進行了二次利用 栽培吊掛 木耳菌 利用ABAQUS軟件對不同吊掛形式下的骨 架進行受力分析 以滿足棚室結構的安全性 賈 聰 21 將其團隊研發(fā)的M型雙連棟塑料大棚和耳肩 式多層覆蓋三連棟塑料大棚與普通連棟塑料大棚 進行對比 分析其溫光性能 結果表明M型雙連棟 塑料大棚光照更加均勻 夏季降溫與冬季保溫效果 均有顯著增加 而耳肩式多層覆蓋三連棟塑料大棚 夏季溫度略高 冬季保溫性得到增強 3 總結與展望 當前 塑料大棚作為園藝設施占比最大的類 型 其結構 性能的不斷升級一直是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展 的新型動力 各項技術在實踐中不斷成熟 但同時 塑料大棚的發(fā)展也受到多種因素限制 主要有三 點 1 多數(shù)塑料大棚的選址和搭建全部依靠農戶個 人經驗 沒有科學依據(jù) 隨意選擇空地搭建大棚的 現(xiàn)象易出現(xiàn)方位 角度不合理 通風效果不好等問 題 沒有體現(xiàn)標準化建設 且各類新型結構層出不 窮 是否適宜當?shù)刈匀粴夂?是否適合推廣應用 有 待給出規(guī)范及標準 2 我國幅員遼闊 不同地區(qū)塑 料大棚結構因其自然條件等原因有一定差異 不能 一味地重視骨架尺寸 需合理考慮大棚環(huán)境及結構 的穩(wěn)定性 3 園藝設施因其空間有限 大型機械無 法進入內部作業(yè) 隨著自動化 智能化的不斷發(fā)展 塑料大棚宜機化結構研究迫在眉睫 隨著科學技術的不斷進步 新型材料的引入和 大棚結構優(yōu)化大大改善了其內部環(huán)境與抗災害能 力 攻克塑料大棚面臨的技術難題已不是問題 在 智慧農業(yè)的大環(huán)境下 伴隨著物聯(lián)網 傳感器 遙感 等技術在大棚上的推廣 設施塑料大棚的發(fā)展可為 現(xiàn)代化農業(yè) 節(jié)能減排 推進鄉(xiāng)村振興做出巨大 貢獻 參考文獻 1 許勤 樹立大食物觀端穩(wěn)中國飯碗 J 黑龍江糧 食 2022 10 4 6 2 王皓 東北地區(qū)設施園藝產業(yè)發(fā)展研究 D 長春 吉林農業(yè)大學 2020 3 齊飛 魏曉明 張躍峰 中國設施園藝裝備技術發(fā)展 現(xiàn)狀與未來研究方向 J 農業(yè)工程學報 2017 33 24 1 9 4 高曉東 余漢清 卞曉東 等 蘇南連棟塑料溫室構 型優(yōu)化與應用集成技術 J 長江蔬菜 2019 4 20 22 5 徐雨晴 大跨度M型農業(yè)大棚結構抗風降溫性能研 究 D 泰安 山東農業(yè)大學 2023 6 楊小鋒 劉建 曹明 等 熱區(qū)經濟型抗臺風鋼管塑 料大棚結構優(yōu)化設計 J 中國農機化學報 2016 37 12 48 52 7 周長吉 周博士考察拾零 四十 走進寶島的溫室11 臺灣抗臺風溫室基礎做法 J 農業(yè)工程技術 溫室 園藝 2014 34 12 20 24 8 史旖旎 基于功能提升的桁架拱塑料大棚骨架使用階 段受力性能研究 D 大慶 黑龍江八一農墾大 學 2022 9 王君 李衍素 張愛民 等 外保溫覆蓋大跨度塑料 大棚在徐淮地區(qū)番茄越冬生產上的實踐 J 中國蔬 菜 2021 8 51 57 10 王柏超 田智勇 寧丹 等 寒冬內置相變石蠟結構 塑料大棚光熱環(huán)境研究 J 北方園藝 2021 22 74 81 11 陳淑琴 朱毅攀 謝靜超 等 相變材料在南方塑料 大棚中的冬季使用策略及效果研究 J 太陽能學報 2020 41 11 205 211 12 王克磊 朱隆靜 蘇世聞 等 新型大跨度單體塑料 大棚溫光性能分析 J 中國農機化學報 2021 42 2 45 50 57 13 武瑩 李建明 肖金鑫 等 新型大跨度非對稱塑料 大棚內冬季溫光變化特征研究 J 西北農林科技大 學學報 自然科學版 2019 47 6 97 106 14 馬瑞 馮萬貴 一種新型鋼架塑料大棚及其推廣應用 前景 J 蔬菜 2023 1 42 45 15 陳慧 基于物聯(lián)網的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)研究 D 杭州 浙江科技學院 2021 16 張瀚中 曹江濤 邵鵬飛 等 基于WSNs的溫室大 棚智能灌溉控制系統(tǒng)設計 J 控制工程 2019 26 1 108 113 17 周曉磊 王振海 陳輝 等 一種雙膜雙結構新型蔬 菜大棚智能遠程控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) J 自動化與 儀表 2022 37 9 25 28 18 陳斌 桁架拱塑料大棚骨架受力性能與灌漿加固研究 D 大慶 黑龍江八一農墾大學 2016 19 魏存興 弧邊方鋼管骨架塑料大棚全動力風荷載下受 力性能研究 D 大慶 黑龍江八一農墾大學 2023 20 吳瀟 張恩喆 趙梓瑞 等 吊袋栽培下水稻育秧大 棚骨架受力性能分析 J 安徽農學通報 2023 29 22 138 143 21 賈聰 不同結構連棟塑料大棚光溫性能比較 D 泰 安 山東農業(yè)大學 2021 01