目前，在中國北京,、新疆,、寧夏等地開發(fā)建設(shè)了組裝式日光溫室（圖1），組裝式混凝土墻體溫室使用混凝土的預(yù)制板組裝而成,，預(yù)制板之間的縫隙用水泥粘合而成為整體,；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料組成的日光溫室安裝與運輸方便，密閉性好,。但組裝式混凝土墻體溫室的建造成本較高,，墻體的蓄熱、儲熱性能較差,；組裝式骨架外覆蓋滌棉材料溫室的后墻不具有蓄熱性能,，夜間室內(nèi)溫度過低。

圖1 組裝式日光溫室的應(yīng)用

組裝式日光溫室在其他國家也被應(yīng)用,，比如荷蘭,、日本等種植設(shè)施先進的國家。荷蘭的組裝式日光溫室采用板材拼接組成后墻（圖2a）,；日本的組裝式日光溫室是在改進的塑料大棚的北側(cè)加了一層保溫被覆蓋（圖2b）,。

圖2  組裝式日光溫室在其他國家的應(yīng)用

該研發(fā)團隊提出模塊化組裝式日光溫室建設(shè)思路，結(jié)合團隊前期研究成果——日光溫室后墻主動蓄放熱技術(shù),，將模塊化設(shè)計的理念和方法用于溫室中,，就是將溫室結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)裝備從工廠生產(chǎn)成模塊成品，一次性組裝在建設(shè)現(xiàn)場,，形成一個成熟的溫室生產(chǎn)建筑,。該溫室墻體由吸熱材料、蓄熱材料,、絕熱材料等組成,，結(jié)合主動蓄放熱技術(shù)后具有良好的蓄放熱效果（圖3）。將溫室生產(chǎn)建筑進行模塊化的革命,，即溫室建筑標(biāo)準(zhǔn)化,、生產(chǎn)裝備一體化，形成能夠快速高效生產(chǎn)的溫室建筑與裝備,，其優(yōu)勢如下：

（1）縮短溫室的設(shè)計和制造周期,，加快供貨速度，有利于市場競爭,，有助于溫室生產(chǎn)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。

（2）便于溫室更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā),，由于有許多現(xiàn)成的通用和專用模塊，減少了新產(chǎn)品開發(fā)的成本和周期,。

（3）通用和專用模塊一般在生產(chǎn)和使用中都經(jīng)過檢驗,，工藝完善，產(chǎn)品的質(zhì)量更易得到保障,。

（4）可以實現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計,，滿足不同區(qū)域、不同客戶的多品種需求,，提高了生產(chǎn)效率,，例如通過將溫室結(jié)構(gòu)的某個模塊的變化，就可實現(xiàn)溫室結(jié)構(gòu)的改變,。

（5）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計都是根據(jù)工程實踐,、經(jīng)過總結(jié)提高而編制成的，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制作構(gòu)配件和設(shè)備裝置,、零部件,，工人對生產(chǎn)操作、施工安裝都易于掌握,，因而可以不斷提高生產(chǎn)和施工安裝質(zhì)量,，有利于保證溫室工程的質(zhì)量。

（6）模塊化的溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件,，可以促進構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化,，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計生產(chǎn)構(gòu)配件,，便于預(yù)制廠統(tǒng)籌安排,，統(tǒng)一配料，可以大大節(jié)約建筑材料,。

（7）模塊化在溫室設(shè)計中的應(yīng)用,，也將先進技術(shù)推廣到更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，促進溫室結(jié)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計與溫室所用到的建筑材料的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,。

（8）有了溫室建筑構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,，工廠可以進行工廠化大批量生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的推廣也將大大加快溫室建造的速度,，從而促進溫室工業(yè)化的發(fā)展,。

在模塊化產(chǎn)品設(shè)計理論的指導(dǎo)下，對溫室進行組裝式設(shè)計,。首先給出了模塊化組裝式日光溫室的設(shè)計思路,，對溫室進行模塊劃分及模塊創(chuàng)建，并給出多種模塊化設(shè)計方法的設(shè)計思路,；然后對模塊化溫室進行了詳細設(shè)計,，包括墻體模塊,、骨架模塊、栽培設(shè)施模塊及環(huán)控模塊4個方面,。

2.1墻體模塊

◎墻體模塊介紹

溫室墻體模塊主要起到蓄熱,、保溫與承重的作用，可以在白天吸收并蓄積太陽輻射熱量,，在晚上緩慢釋放出來,，并且可以防止室內(nèi)熱量流失，保持室內(nèi)氣溫維持在較高水平,；另外墻體還是溫室系統(tǒng)的受力體系,，是溫室覆蓋材料、環(huán)境控制設(shè)備和灌溉設(shè)備,、作物懸掛等栽培設(shè)施得以安裝的基礎(chǔ),。

日光溫室墻體主要類型有土墻、磚墻以及多種材料組成的復(fù)合墻體,。土墻一般是使用挖掘機挖土堆推成的寬厚墻體,，由于墻體材料易獲得、成本低,、保溫蓄熱性能好,，被廣大農(nóng)民接納使用。但是這類墻體占地大,，土地利用率低,，墻體表面容易被雨水沖淋及凍脹侵蝕致使墻體老化脫落甚至崩塌，因此很多地方用外形美觀,、耐久性好的紅磚墻代替,。磚墻具有更好的保溫蓄熱效果，但是施工建造費工,，造價較高,，大概5~10年才能回本。而復(fù)合墻體材料是由蓄熱層,、保溫層和絕熱層組成,，建筑方便，性能好,，但是其較大的成本限制了其推廣應(yīng)用,。

模塊化組裝式土墻溫室（圖4）的墻體使用速土成型機（陜西楊凌旭榮農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，以下簡稱“成型機”）建造,，把原本松軟的土壤加入一定的固化材料及水,，加入到成型機里，通過巨大的壓力使土壤變得密實，得到規(guī)格符合日光溫室墻體建造要求的擠塑速土塊,，經(jīng)測試其強度可滿足溫室墻體要求,，可直接拼接在一起用于溫室墻體的建設(shè)。一臺成型機生產(chǎn)規(guī)格為1.2m×1.2m×1.2m的土塊用時約8min,，大大節(jié)省了溫室墻體建造時間,，并且減少了墻體厚度，節(jié)省了建造用土和人力,。建設(shè)完成后可在外側(cè)增附一層保溫板或其他覆蓋物,，可以有效進行保溫和防止雨水沖淋，降低了成本并增加了美觀度,。

將擠塑速土塊（干）,、擠塑速土塊（濕）與夯土墻、碾壓墻土塊進行對比,，測試結(jié)果如表1所示,，擠塑速土塊（干）比人工電夯的夯土墻密度提高7.8%，無側(cè)限抗壓強度提高11.8%,；比流行的推土機碾壓的碾壓墻密度提高13.5%,，無側(cè)限抗壓強度提高90%；提高了日光溫室后墻的蓄熱能力（土壤密度越大,，蓄熱性能越好）和強度穩(wěn)定性,。因此，擠塑速土塊強度優(yōu)于夯土墻,，即使剛制出的濕土塊也優(yōu)于當(dāng)前普遍使用的碾壓墻,。

◎土墻模塊化組裝式日光溫室優(yōu)勢與應(yīng)用

蓄放熱性能好  土的可塑性、蓄熱性較好,，結(jié)合運用吸熱,、蓄熱、散熱的原理制作溫室土墻模塊,，并且內(nèi)有蓄熱通風(fēng)管道,，能更好地進行蓄熱與通風(fēng)，使溫室內(nèi)氣溫保持在適宜水平,。

就地取材  制作墻體用料99%是土、沙,、石,，可就地取材建造，代替了過去的土墻,、磚墻,。

成本顯著降低  墻體以土為原材料加少量固化材料及水，采用工廠化生產(chǎn)溫室骨架,，使整個溫室的造價下降40%左右,，克服了溫室價格高,、經(jīng)濟效益差的頑疾。

機械化大幅度提高溫室建造效率  全程機械制造,，建造速度是原有建造效率提高5倍以上,。

節(jié)約土地資源、更加環(huán)保  用土,、沙,、石混合制作的墻體，不僅節(jié)約了墻體的占地面積,，也省去了制磚時用電,、燒煤的能量消耗和污染，而且節(jié)能環(huán)保,，可以在沙漠,、戈壁、鹽堿地上建造,，對中國非耕地的利用有著十分重要的意義,。

2.2骨架模塊

溫室骨架模塊的首要功能就是實現(xiàn)支撐作用，承擔(dān)所有的荷載,，搭建一個空間以便植物的生長,。所以這些承力體系是由溫室骨架組成的用來抵抗各種豎向或橫向作用的平面或空間體系，圍護體系和與這些體系有直接關(guān)系的配套機構(gòu)等,。承重體系包括門架,、托架、檁—椽結(jié)構(gòu)構(gòu)成,。溫室骨架模塊必須包括屋架,、立柱、檁條和天溝等主要的受力構(gòu)件,，還應(yīng)包括聯(lián)系上述主要構(gòu)件,、保證溫室整體剛度的結(jié)構(gòu)支撐體系。

傳統(tǒng)的溫室骨架是在現(xiàn)場臨時放樣進行加工,，費時費事,。現(xiàn)在骨架采用加工廠加工完成（包括焊接、沖孔,、鍍鋅等施工工藝）后運至施工現(xiàn)場,，與基礎(chǔ)連接處采用螺栓連接，非基礎(chǔ)位置采用自攻螺釘連接,，避免焊接,，減少骨架施工周期和安裝成本（圖5）。

2.3栽培設(shè)施模塊

傳統(tǒng)的土壤栽培在生產(chǎn)中難以解決水分、空氣,、養(yǎng)分供應(yīng)的矛盾,，往往無法使作物根系處于適宜的環(huán)境條件下，從而影響作物生長,。而無土栽培作為一種新的栽培方式,，現(xiàn)在正被人們廣泛應(yīng)用。它可以有效避免土壤栽培的弊端,，發(fā)揮作物的生長潛力,，使植物生長量大大提高。所以,，栽培模塊就是以現(xiàn)有的無土栽培技術(shù)為依托,，實現(xiàn)栽培系統(tǒng)可組裝、可調(diào)控的應(yīng)用,。

◎基質(zhì)培

基質(zhì)培是現(xiàn)在推廣面積最大的栽培方式,，它是將作物的根系固定在有機或無機的基質(zhì)中，通過滴灌或細流灌溉的方法,，供給作物營養(yǎng)液,。主要是有機生態(tài)型基質(zhì)培，還有基質(zhì)袋培,、立體培,、巖棉培等形式（圖6）。使用固體基質(zhì)栽培具有性能穩(wěn)定,、設(shè)備簡單,、投資少、管理容易及不易傳染根系病害等優(yōu)點,，是現(xiàn)在使用較為廣泛的栽培方式,。

◎水培

水培主要有營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT，NutrientFilmTechnique）和深液流技術(shù)（DFT,，DeepFlowTechnique）（圖7）,。營養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT）的特點是循環(huán)供液的液流呈膜狀，僅以數(shù)毫米厚的淺液流流經(jīng)栽培槽底部,，水培作物的根墊底部接觸淺液流吸水,、吸肥，上部暴露在濕氣中吸氧,，較好地解決了根系吸水與吸氧的矛盾,。深液流技術(shù)（DFT）的循環(huán)營養(yǎng)液深大約5~10cm。中國開發(fā)研制的浮板毛管技術(shù)（FCH）就是深液流技術(shù)（DFT）的一種形式,，它的特點是在栽培槽中設(shè)置濕氈分根裝置，既解決了根系水氣矛盾，又有一定深度的營養(yǎng)液,，不怕短期停電（24h以上）,，根際環(huán)境穩(wěn)定，易于調(diào)控（冬季于栽培床內(nèi)鋪電熱線加溫,，夏天鋪設(shè)塑料軟管通深井水降溫）,。

近些年來水肥一體化系統(tǒng)是涉及到農(nóng)田灌溉與作物栽培等的農(nóng)業(yè)綜合新技術(shù)。它借助壓力系統(tǒng)(或地形自然落差),，將可溶性固體或液體肥料,，按土壤養(yǎng)分含量和作物種類的需肥規(guī)律和特點，配兌成的肥液與灌溉水一起,，通過可控管道系統(tǒng)供水,、供肥，水肥相融后,，通過管道,、噴槍或噴頭形成噴灌、均勻,、定時,、定量，噴灑在作物發(fā)育生長區(qū)域,，使主要發(fā)育生長區(qū)域土壤始終保持疏松和適宜的含水量,，同時根據(jù)不同的作物的需肥特點和土壤條件把水分、養(yǎng)分定時定量,，按比例直接提供給作物（圖8）,。可以達到省肥節(jié)水,、省工省力,、降低濕度、減輕病害,、增產(chǎn)高效的作用,。

2.4環(huán)控模塊

目前，基于單片機,、PLC,、CAN總線、RS485總線,、ARM9處理器,、ZigBee、OSGi網(wǎng)關(guān),、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等軟硬件控制在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用成熟,，也逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是溫室生產(chǎn)中,，并統(tǒng)一稱為“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”。但由于該系統(tǒng)對操作者的使用技能要求較高,，而且安裝成本與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際并不匹配,，所以在一定程度上脫離了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際，導(dǎo)致使用效果并不理想,，推廣困難,。

為適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，通過對現(xiàn)有溫室大棚廣泛調(diào)研,，建立不同作物專家管理軟件,，并特制定本環(huán)境控制模塊，可實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)環(huán)境的精確監(jiān)測,、自動上報及控制,、對作物生長過程和勞動作業(yè)過程的視頻監(jiān)控、生產(chǎn)指導(dǎo),。對物聯(lián)網(wǎng)的3個層次分別進行模塊化安裝及使用,。其中感知層主要采用針對溫室內(nèi)溫光水氣肥五大環(huán)境因子的超低功耗的的傳感器模塊，通過節(jié)能電池供電,；傳輸層采用安裝及管理最為便捷的無線傳輸模塊,，溫室內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)匯集到云端、推送到手機,，便于實時監(jiān)控,；應(yīng)用層采用系統(tǒng)自動調(diào)控和人工干預(yù)相結(jié)合的方式控制，通過對云端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行分析,，借助專家系統(tǒng)平臺,，可以優(yōu)化種植技術(shù)，達到持續(xù)增收增產(chǎn)目的,。

◎物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)

在每個溫室內(nèi)分別部署1套環(huán)境精確監(jiān)測設(shè)備（圖9）,，其中1套監(jiān)測類型為5類（空氣溫濕度、CO2濃度,、光輻射強度,、土壤溫度、土壤水分）,，室外部署1套自動氣象站監(jiān)測類型為9類（空氣溫度,、空氣濕度、土壤溫度,、土壤水分,、CO2濃度、光輻射強度,、風(fēng)速,、風(fēng)向,、降雨量）。同時通過無線自組網(wǎng)的輸出控制模塊（控制卷簾,、風(fēng)機通風(fēng),、加熱,、加濕等）,，實現(xiàn)溫室大棚的智能化控制。在管理室部署管理計算機1臺,，可實現(xiàn)對基地的現(xiàn)場管理,。

◎物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)平臺

分配基地（區(qū)域）管理員賬號，并進行基地信息,、權(quán)限配置,，使環(huán)境信息能夠上報平臺，控制指令能夠有效執(zhí)行（圖10）,?；贐/S架構(gòu)提供遠程管理服務(wù)，登錄網(wǎng)址,，輸入用戶名密碼,，即可實現(xiàn)環(huán)境信息查看、遠程控制,、超限預(yù)警,、視頻監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)分析等功能模塊等網(wǎng)絡(luò)服務(wù),。適配Android軟件系統(tǒng),，實現(xiàn)隨時隨地的移動客戶端管理平臺。

模塊化組裝式日光溫室建設(shè)是一場創(chuàng)新性工業(yè)化的變革,，是中國日光溫室轉(zhuǎn)型升級的手段,，也是實現(xiàn)現(xiàn)代化溫室建設(shè)的有效途徑。機械設(shè)備替代人,，設(shè)備控制環(huán)境與栽培系統(tǒng)是發(fā)展的方向,，是提高生產(chǎn)效率、土地產(chǎn)出率和資源利用率的最佳方式,。

模塊化組裝式日光溫室擁有廣闊的發(fā)展前景,，但其仍然處于比較新的發(fā)展階段，還有很長的路要走,。首先要確定一個標(biāo)準(zhǔn),，包括測試不同土質(zhì)配方與強度、確定骨架標(biāo)準(zhǔn)與栽培設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),、建立專家系統(tǒng)等,，來確定一個普遍的標(biāo)準(zhǔn),，以便于模塊化組裝溫室的推廣。然后根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)建成溫室后驗證其保溫性,、抗災(zāi)性,、投入產(chǎn)出比和作物生長與產(chǎn)量等，以確定其應(yīng)用范圍,。最后用適宜的結(jié)果在不同區(qū)域進行示范帶動周邊發(fā)展,，形成良好的經(jīng)濟效益和社會生態(tài)效益。