标准化生产温室研究进展

周增产+董微+卜云龙+李秀刚+兰立波+刘水丽

【摘要】简要论述了标准化生产温室的发展方向，介绍了生产温室中铝天沟温室和光伏温室的特点和结构形式，举例说明了2种温室推广示范的典型案例。

温室是农业生产性建筑设施，是一种可以为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其造成不利影响的场所。目前发达国家的生产温室和设施园艺产业已经处于先进水平。生产温室采用集约化、标准化和规模化生产，并形成资金和技术密集型高新技术产业，已成为当今世界最具活力的新兴产业之一和现代农业的亮点。今后，随着科学技术的发展，全球经济的一体化和社会的进步，生产温室将以标准、节能、环保和改善工作条件为核心，深入广泛采用高新技术，向实质意义上的“工厂化”方向稳步、持续、快速发展[1]。

随着国外大型温室建造技术的引进，中国的农业设施改变了原来单一的日光温室、简易棚等形式，设施农业规模得到了迅猛的发展。高效的连栋温室生产不仅给国民提供了优质、丰富的产品，而且促进了中国农业现代化的发展。然而由于气候原因和能源危机的影响，温室能耗花费在温室生产成本中的比例不断攀升，严重制约了经济效益的提高[2]。因此，降低连栋温室能耗，发展温室节能技术日趋重要。

铝天沟温室的研究开发与应用

铝天沟温室特点

温室采用铝制天沟，该铝制天沟是集雨水收集槽、冷凝水收集槽和排水功能槽为一体的铝制结构装置。铝天沟具有以下特点：①铝天沟的中空结构具有较强的抗弯性能，截面尺寸比钢制天沟小，遮光面小，结构紧凑。②铝天沟的中间空腔将温室内和室外空气隔离，有效减少了温室内与温室外通过天沟进行热交换，防止了热量损失。③铝天沟可收集冷凝水，解决了冷凝水滴落温室造成植物生长病害问题。

单层玻璃铝天沟温室的研究与推广

研究重点与取得的成果

2010年，北京京鹏环球科技股份有限公司（以下简称“京鹏”）进行了单层玻璃铝天沟温室专用铝型材和新型耐候胶条密封技术的研发。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金结构件的需求日益增多，这主要由于铝合金具有重量轻，比强度大，可焊接性，易于冷热加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好的特点。

铝天沟其内部铝材形成一个中空结构，与上部两侧玻璃形成“V”字型进行排水。该中空腔室顶部的两角带有用于实现外联接的型耳，各型耳由上、下耳壁2部分组成，两型耳的上耳壁与中空腔室的顶面围设出雨水收集槽；各型耳的下耳壁与中空腔室的顶面围设出冷凝水收集槽。

铝天沟截面（图1～2）为具有中空结构的倒梯形，当有雨水时，该中空结构可以防止温室屋顶发生雨水渗漏等现象，还可减少温室内与温室外通过天沟进行热交换，损失温室内的热量；冷凝水收集槽截面类似带钩的倒“L”型，用于收集温室屋顶上凝集的冷凝水，通过底部的密封胶条连接在一起，构成内部中空的封闭结构，具有较好的隔热和防集露的特点。

2011年京鹏率先建立了国内第一个自主研发的铝天沟温室（图3），并在温室内进行了育苗、草莓种植、叶菜水培等试验，取得了良好的栽培效果。

推广情况

在日本、山西、甘肃、四川、辽宁、北京、山东等地累计推广铝天沟温室面积达120000 m2以上，实现经济效益12940万元。

典型案例介绍

2012年京鹏的铝天沟温室出口到日本（图4），第一期工程的建造面积为1152 m2，第二期工程的建造面积为14112 m2，主要用于高糖番茄种植。铝天沟的应用，解决了温室内冷凝水的收集问题，大大减少了热量损失，为温室内喜光植物提供了最佳的生长环境，从而促进了作物的快速、健康成长。

单层膜铝天沟温室的研究与推广

2016年京鹏进行了单层膜铝天沟温室专用铝型材和新型耐候胶条密封技术的研发。

铝天沟两端的侧卡槽分别连接棚头两侧的膜。卡膜槽由M5.5×19 mm自攻钉固定在横杆上，自攻钉间距为400 mm；侧面天沟处覆盖卡膜槽安装在天沟内侧，由M5.5×19 mm自攻钉固定，间距为400 mm左右；侧面天沟处卡膜槽在安装时卡槽边应超过天沟边沿，以防止天沟边沿将膜损坏。天沟间接缝和连接螺栓处擦干净后用双面胶条密封防漏。

光伏温室研究开发与应用

光伏温室特点与发电系统介绍

光伏温室特点

光伏温室将太阳能与设施建造相结合，是具有双重功效的创新型新能源生产工厂，它综合利用太阳能，实现了新能源热电联产，实现了设施农业领域发展低碳经济、节能减排的目标。①薄膜太阳电池组件以采光顶形式安装屋顶钢架上，朝向南侧。在不改变原有建筑风格和外观的前提下，设计安装太阳能光伏阵列的结构和布局，增强了屋顶使用功能。②铝型材与薄膜电池组件结合处均采用硅酮结构密封胶进行处理，具备较好的防结露性能，可大幅提高冬季保温性能，实现夏、冬季运行均显著节能。③太阳能薄膜发电温室将太阳能光伏电池发出的电能直接利用，避免了电能在运输过程中的损失。④光伏发电产生的绿色电力，可用于灌溉、环境调控等用途，可为作物提供适宜的生长环境，有利于作物的生长，提高作物产量。

发电系统介绍

太阳能光伏发电是利用光伏电池板直接将太阳辐射能转化为电能的发电方式。光伏发电系统通常由太阳能光伏电池组件、功率控制器、逆变器、蓄电池以及负载等部件组成[3]。

太阳能光伏发电的最核心器件是太阳能电池。当前应用于商业电站的太阳能电池分为晶硅电池和薄膜电池。晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，目前商业应用的光电转换效率为单晶硅16%～17%，多晶硅15%～16%。薄膜电池分为硅基薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池。由于薄膜电池的特有结构，在光伏建筑一体化方面，有很大的应用优势。太阳能光伏發电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统[4]。

独立光伏发电系统 独立光伏发电系统（图5）主要由太阳能光伏电池组件、控制器、蓄电池组、逆变器、直流负载、交流负载组成。控制器能自动防止蓄电池过充电和过放电。当光伏电池组件产生的电能不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池主要用来储存电能，在夜间或阴雨天时为负载供电。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。endprint

并网光伏发电系统 由太阳能光伏电池组件、控制器、并网逆变器、负载组成。并网光伏发电系统（图6）将光伏电池组件产生的电能不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用可再生能源所发出的电力，减小能量损耗，降低系统成本。并网光伏发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源，降低整个系统的负载缺电率。

光伏温室研究重点

863课题“植物工厂化生产低碳设施与装备研究”中光伏温室研究内容

开发适用于植物工厂化生产的太阳能薄膜光伏发电系统。将非晶硅太阳能电池技术引入温室设施，研究光伏发电系统与温室结构的配套技术。

太阳能非晶硅薄膜电池组件（图7）是太阳能光伏发电系统的核心部件。根据项目需求，课题组在天威非晶硅电池组件原有技术基础上进行了优化设计，提高了电池组件的透光率和光能利用率，该系列透光组件通过利用先进稳定的PECVD、LPCVD、激光划刻、封装技术以及严格的在线监测系统，来保证大尺寸透光薄膜组件的高质量，结合建造的低碳示范连栋温室，课题组优化设计的整个光伏电站采用光伏电池组件峰值功率为90 Wp的太阳能电池组件，光伏电站总装机容量为18.72 kWp，系统日平均发电量为60 kW·h，年平均发电总量为23390 kW·h。

该太阳能非晶硅薄膜组件具有以下主要优势：高效率和稳定的输出功率；高温和弱光效应下的优异表现；高性价比和能量回收期短；快速、方便和灵活的安装方式；阴影遮盖环境下比晶体硅具有更优异的表现；而且不同规格的透光率可供选择。

课题组对光伏组件铺设与建筑一体化设计采用光伏采光顶的形式。即将薄膜太阳电池组件以采光顶形式安装温室屋顶钢架上，朝向南侧，与地面倾角33°，在不改变原有建筑风格和外观的前提下，设计安装太阳能光伏阵列的结构和布局，增强屋顶使用功能。

光伏温室建筑一体化设计

光伏建筑一体化（BIPV）发电系统，就是利用安装在建筑物或与建筑物结合在一起的太阳能电池的光电效应，直接把太阳能这种可再生能源的辐射能转变成电能的一种发电方式，它所生成的电能经过与其相配套的逆变控制器的转换，直接满足该建筑的用电需求[5]。根据不同植物对光照的不同需求，电池组件有以下3种排列方式（图8）。

整个光伏电站安装薄膜太阳能光伏电池组件208块，选用每块光伏电池组件的峰值功率为90 Wp，玻璃尺寸长1300 mm，宽1100 mm，光伏电站总装机容量为18.72 kWp。薄膜太阳电池组件以采光顶形式安装屋顶钢架上，朝向南侧，与地面间倾角23°，在不改变原有建筑风格和外观的前提下，设计安装太阳能光伏阵列的结构和布局，增强屋顶使用功能。

铝型材与薄膜电池组件结合处均采用硅酮结构密封胶进行处理，具备较好的防结露性能，大幅提高其冬季保温性能，实现夏、冬季运行均显著节能[6]。

光伏温室主要类型及特点

光伏温室按照结构可分为日光温室光伏温室和连栋光伏温室；按照光伏电池种类可分为晶硅光伏温室和薄膜光伏温室。

日光温室光伏温室多采用一面为采光面，一面为保温面设计，可以根据采光和用电需求设置光伏电板的放置，光伏電板放在采光面，则温室属于全遮光型；放置在保温面则为半遮光型。日光温室光伏温室采光性比较差，适合喜阴植物的育苗，如蘑菇、生姜、菊芋类等。

连栋光伏温室主要用于花卉和育苗。主体结构以铝合金和镀锌钢材为主，透明的墙体材料以薄膜、太阳板或玻璃为主，温室内具有多种智能管理系统，如CO2调节系统、通风系统、智能控温系统、病虫害防治系统、灌溉系统等，为温室提供智能管理，正是基于这种智能管理系统使连栋光伏温室具有投入大、效益高、产量高的特点[7]。

晶硅光伏温室中的电池组件为晶体硅电池，因其不具有透光性，因此在太阳光谱透过性方面不能为植物生长带来额外的帮助。但晶体硅电池有发电效率高、每Wp成本低、单位面积装机容量高等优点，在不影响植物光照需求的情况下，其透光比例可按需调整定制。

薄膜光伏温室中的电池组件为薄膜电池，由于薄膜电池具有很好的透光性，可透过400～800 nm可见光，对紫外线和红外线能起到有效的阻止作用，白天能阻止紫外线对植物伤害、避免过多热量进入温室，晚上同样能阻止室内红外热量向外辐射，起到很好的保温隔热作用。薄膜电池具有弱光性好、可发电时间长、其透光光谱有益于植物生长等优点，但也存在发电效率低、每Wp成本高、单位面积装机容量低等缺点，因此需根据整个光伏温室系统的规划设计和应用需求来综合评估选定[8]。

研究成果与光伏温室推广应用

研究进程与成果

2012年启动光伏温室的开发，研发期间获得授权专利1项，发表论文5篇，获得创新产品奖1项。

光伏温室推广情况

在西藏、山东、北京、昆山、江苏等地进行了光伏温室推广，累计推广面积70000 m2以上，实现经济效益14500万元。

典型案例介绍

（1）通州基地低碳物联网温室

京鹏与北京市农业机械研究所共建的光伏低碳物联网温室屋顶以采光顶方式安装透光型薄膜太阳能电池组件，达到总装机容量为18.74 kWp；利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电逆变为交流电，并入到办公楼接入的市电网低压配电侧中使用；同时系统具备储能系统，市电停电时系统能继续供给重要负载用电，并且继续使用太阳能产生的电能。

该光伏低碳物联网温室（图9）面积为3024 m2，分为生产区和附属用房二大部分，其中生产区由3个果菜生产区、工厂化育苗区、草莓生产区和高档花卉生产区组成，附属用房由东部附属用房、缓冲间、中间走廊与西部接待控制室组成。光伏低碳物联网温室主要用于工厂化种苗繁育、高档花卉、果菜、草莓生产，体现了低碳节能、精准远程控制、自动化育苗装备等现代设施农业高新技术。endprint

溫室太阳能光伏发电系统由薄膜太阳电池组件、屋面安装钢架结构、并网逆变器、交（直）流配电设备、数据采集监控系统、双向逆变充电一体机、蓄电池组、线缆及电缆桥架等组成。

（2）北京金风光伏温室

京鹏在北京大兴区建设了面积为3456 m2的光伏温室（图10），规格参数：跨宽12 m，开间8 m，肩高6 m，脊高6.9 m。内部种植区分为几字形栽培槽西红柿种植区、A字架草莓种植区、控根容器黄瓜种植区、叶菜水培区、土壤种植区。主要用于高档花卉、果菜、草莓生产，体现了低碳节能、精准远程控制等现代设施农业高新技术。

光伏温室屋顶以采光顶方式安装透光型薄膜太阳能电池组件，达到总装机容量为71.55 kW；利用并网逆变器将太阳能电池组件产生的直流电逆变为交流电，并入到办公楼接入的市电网低压配电侧中使用；同时系统具备储能系统，市电停电时系统能继续供给重要负载用电。温室四周外立面采用5+9A+5 mm双层中空钢化玻璃及爪件密封，温室顶部朝南侧坡面覆盖太阳能薄膜发电板。顶部北侧采用8 mm双层PC板覆盖。配置了通风系统、内遮阳保温系统、内循环系统、湿帘风机降温系统、全自动智能温室控制系统，确保温室生产高效运行。

结论

从长远发展看，中国温室市场发展潜力巨大，温室用户也趋于理智和成熟，普遍要求温室区域布局合理和对当地气候条件适应性的科学化以及温室应用技术的普及化。以标准、节能、环保为核心的生产温室必将有广阔的发展前景。

参考文献

[1]王丽艳，邱立春，郭树国.我国温室发展现状与对策[J].农机化研究，2008（10）：207-209.

[2]张日新，张跃峰.温室节能技术[J].中国花卉园艺，2013（6）：48-49.

[3]张跃峰，张日新.太阳能技术在温室中的应用[J].农业工程技术（温室园艺），2011，31（13）：46-47.

[4]赵争鸣，刘建政，孙晓英，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005：20-26.

[5]韩利，艾芊.光伏技术在节能建筑中的应用[J].建筑节能，2009（2）：4-12.

[6]董微，周增产，卓杰强，等.光伏低碳温室设计与应用[J].农业工程，2013，4（3）：54-57.

[7]刘立功，赵连法，刘超，等.光伏太阳能温室的特点及应用前景[J].中国蔬菜，2013（8）：1-4.

[8]王瑞英.太阳能光伏发电设计与应用[J].智能建筑与城市信息，2009（7）：100-103.

Research on Standardized Production Greenhouse

Zhou Zengchan， Dong Wei， Bu Yunlong， Li Xiugang， Lan Libo， Liu Shuili

（Beijing Kingpeng International Hi-tech Corporation， Beijing Plant Engineering Technology Research Center， Beijing 100094， China）

【Abstract】The development direction of greenhouse is briefly discussed. The characteristics and structure of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced. The typical demonstration examples of aluminum gutter greenhouse and photovoltaic greenhouse are introduced.endprint