魔兽世界工程学训练师:鸟巢温室的开发利用及效益评价(续1）

、鸟巢温室的技术原理及技术路线
自然界是最伟大的，它给人类科学的探索提供了最为直接的思路与启发，就如鸟巢温室，它其实融合了自然界鸟筑巢及蜂筑窝的原型技术之运用；鸟在树叉在悬崖等风吹雨打处能用最为简易的草与树枝构建起具有强大柔体抗性的巢穴，不得不令人深思，蜘蛛能用微米级的细丝构建起令飞虫难以挣扎的捕捉网，更是令人惊叹，其实这些都是自然界对力学美妙的最直接展示。其中鸟筑巢的三角交叉模式正是力学结构稳定性的铁三角原理，蜂窝与蜘蛛网的网格结构是张拉整体力学的充分诠释[7]；人类的伟大就是对自然的揭示及运用自然原理构建起现代科学之大厦；
鸟巢温室就是在这些自然启示的基础上，结合现代建筑力学与科学的设计工具所创造的一种仿自然而超自然的温室结构，它一反常规温室的常态局部力学模式，形成了能充分体现材料特性及整体张拉力学新结构模型，为温室的创建提供了充分的理论依据；首先从材料的运用上，一改传统温室的长程材料为短程材料，建造普通温室的管材大多6m长左右，这样的长程材料受到外界扭曲后容易变形，而采用1-2m长的管材，就得需用数倍的力量才能让其变形，这就是材料短程化后，使材料的力学得以最大化的发挥[8]；另外普通温室在材料组建时大多采用排列式组建，没有对材料进行三角交叉，形成局部的铁三角，这样也形成了普通温室局部受力后易变形的原因，而三角结构所形成的稳定性就可以轻松地解决外力变形的问题；从温室整体结构来说，鸟巢温室突破性地迈出了一大步，就是从传统温室的隧道形改为以半球形为主体基础的各种曲面异形温室，但以生产性为主要用途的温室设计大多采用球体结构，因为这种几何结构具有更大的优势。如材料优势，构建同样耕作空间，半球体结构比普通的温室结构至少可以节省30%-50%的表面积材料，因为球体具有空间最大化表面积最小化的几何特征[9]；其中空间最大化可以创造出更为空旷的耕作空间，表面积最小化可以达到外界最小的气候干扰，冬季寒冷季节夜晚的幅射降温减小，夏季外界热源传递输入的表面积也减小，这样更利于温室内温度的稳定，更为节能[10]。在同样空间温室情况下，这球体结构所受外界气候的影响干扰是最小的，可以节省至少30%-50%的温室能耗；表面积最小化的曲面球体结构，在温室的利用上还有一个很大的优势，就是它的迎风面与普通隧道形或其它形状的温室相比，球体曲面结构它的受风面是最小的，也就形成了球体最为抗风的特性[11]。这在农业生产上是极为重要的温室性能，可以适合在强风区建造鸟巢；三角交叉所构建的球体曲面结构，从力学角度为了，它充分地发挥了整体张拉力学，这是普通温室结构所不具备的，也就是象蜘蛛网一样，网一处受触，整个丝网应力，使温室像鸡蛋壳一样，形成了非常强大的鸡蛋壳效应，即使是薄薄的钙质结构，但一旦形成整体平衡张力，就是人也能踩踏而不破，力士手捏而不碎，这就是球体平衡张拉力的神奇效果[12]。所以鸟巢的球体温室通过科学的平衡力结构设计，所构建的张拉力与平衡力，能抵御强大的雪压与风袭，这是鸟巢温室强大抗灾能力形成的主要原因；这些结构上的突破为鸟巢温室构建起一个独特的强大的物理基础与空间，是普通构造温室所不能比拟的。那么这种结构是不是就没有软肋与弱点呢？也不是，这种纯三角构建的球体温室一旦居部受到外力的破坏，整体结构的张力失去后，就会像多米诺骨牌一样，出现连绵效应，会导到整体球体的塌陷[13]；基于这问题，我们就创造出了蜂窝结构与三角结构的空间桁架复合模式，这是蜂窝五边形六边形结构所体现的优势，通过五边形或者六边形的结构分区，形成了力学的局部最大化，一是增加了局部抗击力的数倍提高，二是即使局部结构破坏，也能抑制多米诺骨牌效应的发生，出现连续的塌陷，有利于进行局部维修而不影响整体。这种蜂窝结构与三角结构的复合结构，所形成的空间桁架式鸟巢温室，具有数倍于单独三角结构的抗性，是当前温室中抗击强度最大的温室，这种复合结构为鸟巢更大空间的构建提供了最为科学的力学基础，可以在原来三角结构的基础上，构建出更大更为壮观的温室结构，为单体温室空间的最大化突破奠定了基础，从原来的单体200m2到现在的2000m2，使可建的单体温室大小提高了10倍；这种基于蜂窝结构与鸟巢三角结构为基础的球体温室在农业生产的气候调节上有哪些方面优势呢，这是研究与生产者最为关注的问题，通过近三年的研究及生产试验，总结出以下几大优势，也通过设计上的创新组合，完善了新型温室产能与运用效果的最佳化最大化，现把鸟巢型温室的科学构造与气候调节优势归纳如下，以供生产及科研借鉴。
、鸟巢温室的光效应
光环境对农业生产来说是极为重要的，是绿色植物进行生物转化的基础，它直接关系到植物的产量与质量；那么鸟巢温室具有哪些光优势与特点呢，普通温室在建造时常受冬季太阳光日偏角的影响而需要确定温室的走向，如南方温室大多采用南北走向，而北方温室一般采用东西走向，而球体温室是一个多面体结构，不需考虑温室座向的同时，它每个细分体的三角形切面结构，能为光照的入射提高垂直的照射角[14]。也就是太阳光照和角度不管是哪个方向与高度入射，三角切面构建的鸟巢球体，它总有一个面是与光照射垂直的，这样就使温室的光摄入效果达到最佳，而且入射的光线进入球体的多面体内部结构后，可以通过不断的反射而创造最佳的柔性漫光效果，就如影棚光一样，没有温室内的光阴影，这是普通温室所不具备的特点。能为作物生长创造出最佳的光环境，能使光资源缺乏的地区或季节，得到最佳的光利用。这种光效果的创造更利于温室内空间的立体设计耕作，也更利于作物对光有效幅射的最大化利用及生物转化。
、鸟巢温室的保温效应与新型保温技术的组合创新
鸟巢温室的球体表面积具有最小化的幅射散热效应，所以寒季低温来袭的夜晚，与相同空间的温室进行比较，鸟巢型的热散发损失是最小的，同比条件下，可以节省30%的温室能源[15]。在相同空间下，球体构造的温室，在南方地区早晨太阳出来前进行室温比较，球体鸟巢温室比普通温室至少高3-5℃以上；这是结构变化后对温室所产生的影响效应；同时鸟巢温室在冬季的白天，它还具有最佳的光摄入角，与多角度的光射入面与点，所以能充分发挥光照捕获效应，产生最佳的聚热效果；所以在寒季的白天鸟巢具有升温快的优势，这也是球体结构的光聚效果在温室上的体现；那么温室除了具有优势的结构外，要达到最佳的气候调节效果，还得结合保温技术，传统温室的结构大多采用草帘或者是棉被保温，那么在球面上覆盖保温材料在操作技术上有一定的难度，不像隧道形温室覆盖物操作那么方便[16]；蜂窝型的鸟巢结构的保温可以采用以下二种创新组合技术，一是双层膜充气保温，二是填充肥皂泡实现绝缘保温。长江以南气候下，一般采用双层膜的空气夹层保温即可，因为鸟巢构造除了覆外膜外，还可以在空间桁架为基础的内蜂窝结构上安装卡槽覆盖内膜，这样自然就形成了具有30-50cm厚空间桁架的双层充气夹层，达到双层膜的保温效果。每增一层膜所产生的效应大概可以提高5℃，那么在长江以南地区的气候条件下，通过双膜覆盖则基本可回避极低气温对作物的寒害冻寒影响；肥皂泡保温是新型的创新保温方式，它是基于球形温室独特构造所开发的保温模式，而且具有超强的保温性，与方便实用的使用性，更是一种节能环保可持续循环的技术[17]；以下作简要的介绍。中国奥运水立方的覆膜技术就是采用众多气泡膜的多边形组合，这种可充气的中间夹层的气泡可以有效的阻隔热的幅射传递；采用肥皂水吹成直径0.8cm的气泡，形成了大量的空气静止层，而静止空气具有极低的导热系统，从而形成了良好的绝缘隔热效果。根据这一原理，于温室的夹层间填充厚度约50cm的肥皂气泡，而且是流体状充斥无断层，根据每个气泡的热绝缘值r=1计算，50cm的肥皂泡就可以产生R值为40的效果[18]，相当于数十层玻璃的隔热效果，而且这种气泡覆盖的方式是动态的，可人为操作或自动控制，更重要的是它的成本低，肥皂泡老化破裂成水后又可以收集循环利用，大大降低了保温覆盖的成本；这种肥皂泡填充的方式为温室的极寒区应用提供了技术支撑，可以在零下30℃的低温区使用，达到温室周年生产的效果[19]；目前气泡温室已于黑龙江大庆农科院及河南温县等地运用中试，表现出良好的保温效果，是普通保温棉被覆盖所不可比拟的；这种气泡填充覆盖的方式它不仅适合于冬季夜晚的覆盖保温，其实还可以用在夏季高温天气的覆盖遮阴，这种遮阴所产生的效果也是普通遮阴网覆盖法所达不到的，它可以透入可见光形成漫射效果，而可以把热效应的红外光过滤[20]，也可以阻挡外温室热量的传输，是一种不影响光合作用的遮光新技术，就如自然界的云朵漂移，创造最佳的温室光环境；
、温室内蓄热系统的设计
在全球能源危机的背景下，温室的节能显得极为重要，如果还是采用传统的思路，寒季的加温将成为农产品生产的主要成本，也成为能源浪费的主要环节；温室的性能除了上述的围障保温外，要达到节能的效果，更重要是要充分利用可持续的太阳光能源，只有的光幅射能得以充分利用才是最终低碳减排的关键[21]；传统温室除了北方有土墙的日光温室以外，大多数的温室没有良好的蓄热系统，一遇寒冷，大多只依赖于燃油或者煤能源，使温室的运行成本大大提高；北方土墙式日光温室之所以在冬季达到节能效果，主要是因为厚实北墙的土蓄热，这种朝南的土墙设计白天可以吸收大量的太阳热幅射，一到晚上夜温渐渐降低时它可以缓缓释放潜热，从而达到温度的缓冲与能源节省的效果[22]；最近北方有些地区开发石头作墙建成的石头温室其实也是利用石头的白天吸热晚上放热的特性来达到温室的温度缓冲与节能的效果；而鸟巢温室则引入了水蓄热系统，因为自然界中，水的比热是土与石头的三至五倍[23]，也就是让水升高一度或降低一度温度，它所吸收与释放的热量是土及石头的三倍，这样我们就可以利用更少体积的水达到类似日光温室土墙的蓄热效果；水在鸟巢温室中可以采用中心水体法，也可以利用鸟巢四周排列涂黑水袋或水柱的方法。一般要达到良好的蓄热效果，通常需要50-100kg/m2的水[24]，这些水系的设计，可以于鸟巢温室中心留出10%（占温室面积）的地面面积，用铁丝网围池覆膜的方法来构建，这种方式成本低建造方便，而且最好把膜涂成黑色，让它于白天吸收更多的热量，也可以环绕鸟巢温室的一周，排列水柱或水袋，水柱或袋的直径为0.5m-0.8m，高1m，紧密排列，建造时可以先设钢构围栏，然后排列水袋或水柱，就像给温室安装了大型的太阳能热水器。这些黑色的水容器具有强大的蓄热性，可以使温室的耗能降低70%以上[25]。
、利用球体温室的烟囱效应科学设计通风排气系统
通风除了影响温度外，还影响到作物光合作用的二氧化碳流通，当温室通风条件差时，作物容易得病。而且在夏季高温天气，如果没有良好的通风，温度的骤热会给作物生长带来生理压力，而严重影响生长发育，严重时会出现高温灼伤，当温室温度超过35度时，大多数作物会出现午休现象[26]；普通温室的通风采用掀膜透气或者排风扇主动通风，而鸟巢温室与普通温室结构不同，它可以轻松地实现对流通风而无需太多的动力；因球形的圆顶结构，会使热空气上升聚顶，只需于温室的顶部开窗透气，于温室的下方开设入风口，就会像烟囱一样，源源不断地外排热空气；更为巧妙的是风从下窗口吹进后会在球体内产生涡旋加强效应，使风速加快，更利于顶窗的热气流外排，这种通风设计无需动力，不像传统的隧道式温室需要排风扇的动力辅助，因传统温室大多采用横向排风，而球体温室结构使自然气流作用下不需动力就可以实现垂直的纵向通风；那么窗的启闭如何去控制呢，传统的温室大多采用手动方式，或者电动功能结合，而鸟巢型温室的新设计，我们创新性地开发了无动力智能顶杆系统，只需每扇窗安装一至二根顶杆就可以实现自动启闭[27]；当温度高时自动顶开窗户，当温度下降至一定范围，顶杆在弹簧作用下收缩关闭，而且更重要的是顶杆是可以调节范围的，可以设定温度值，这种无需电动力的智能系统，主要是根据乙醚热胀冷缩的原理开发，在顶杆的尾端注入乙醚气体，当温度升高时，产生气压把伸缩杆顶开，从而实现开窗动作；当气温下降，乙醚气压消除，顶杆上的弹簧则收缩把窗户关闭，可以通过乙醚气室端的螺栓退进退出的方式来调节启闭温度；这种无动力系统具有智能化程度高而且稳定无故障的优势，特别在鸟巢温室上的运用意义重大，因为鸟巢温室顶窗通常在十多米的高处，这么高的窗户如果采用人工启闭会非常麻烦，如果采用电动，一旦停电也难以开启与关闭；
、冷却塔技术结合使鸟巢温室的封闭栽培成为可能
普通温室一到盛夏季节，只能掀膜或者启动湿帘与排风系统，与外界的空气交换量极大，虽然温室下降，但同时也带入了大量的病虫源，这是当前温室栽培难以实现免农药生产的关键原因；如果采用相对封闭的方式，又会导致温室温度过高的问题；当前降温也有采用温室的顶微喷弥雾，但这种方式会使温室空间的湿度提高或者叶片沾水，而使病害感染传播的机率增加；鸟巢型温室利用它的高旷性，与热量的聚顶性，再结合上下对流的通风优势，采用了中心布设冷却塔的方式进行降温，这种方式也有点类似于人工瀑布及工业上运用的冷却塔；于温室中心水体的上方安装水幕系统或者喷淋喷头，把地下水引入温室顶部，尔后从高10m以上的地方如瀑布般的泻流而下，这种水幕或瀑布其水珠大，不会使温室湿度提高过多，而且在这么高的行程下坠过程中与热空气发生了热交换，从而使空气温度下降，下降后的空气又把热流上推，周而复始形成了上下对流，热气通过顶窗外排，与水发生热交换的冷空气下沉，从而形成了自然的对流交换式降温[28]；尽管夏日温度高，但地下水的温度始终是较为稳定，十多度的地下水进入30℃多度的温室环境中，可以产生非常高效的热交换效应；如果在没有地下水资源的情况下，可以于温室外建一较大的水池，并安装喷泉式散热泵，从温室水体中溢流出来的水，通过散热池的降温，又可以返回人工瀑布冷却系统，从而达到温室内外热交换的效果，这种以水作为载体进行交换式降温的方式，不需要温室有太大的通风量，可以大大减少病虫入侵的机率，是实现免农药生产的关健。
、拟森林系统在鸟巢温室气候调节上运用
在自然界中森林生态系统与所营造的气候是相对稳定的，利用鸟巢温室的高旷性，可以根据不同的光生态层次布局立体化的空间，在自然界森林系统中，具有多层林冠所构建的多元化生态系统，具有强大的生态及气候稳定性，而且各生态层之间产生相互的协同共生促进关系，使单位面积的生物产出量数倍于当前农业温室的线性耕作[29]；鸟巢温室的高度大多在10m以上，可以容纳乔木、灌木、藤本等高层作物，当空间全部布满绿色植物后，等于给温室安装上巨大表面积的蒸腾降温系统，所以自然界中森林气候往往较为稳定，盛夏高温对林分茂盛的区域胁迫性影响不大，林冠下的生物照常生长发育良好；拟自然森林系统是结合耕作需要所形成的人工模拟系统，它不能混交杂合太多无用的树种，需以生产农作物与蔬菜瓜果等经济植物为主要目标，但同时又得达到多层次冠层的效果，为单位面积的最大产出额提供生物质基础；当前用于鸟巢温室复合多元化耕作系统的建立主要有以下几种：A、是中温室高4m-5m处进行吊顶分层，把温室分为二层楼结构，同样采用三角形网架式钢构技术，并在吊顶钢架上铺设铁丝网，可以透光但又能承重与走人，这样就可以在吊顶二楼栽培喜阳的瓜果植物或者攀爬的藤本植物（如葡萄、百香果、猕猴桃等）；这些植物繁茂的枝叶为底层的叶绿蔬菜或者喜阴耐阴经济植物提供遮阴，同时也为光幅射的充分转化生物质提供了大量的光合生态层[30]；也可以采用钢结构技术构建高大的模拟钢构树，利用钢架树作为攀爬架，让瓜果藤蔓攀架而长，形成如自然界森林系统中的高大乔木，以占领与营造出良好的上层光合空间，为生物量最大化捕获利用更多的有效光幅射；通过森林系统的营造，鸟巢温室内各种经济植物各得其所，气候调节更为容易。在不需太多装备与能源投入的情况下，就可以实现夏季的降温；其实降温过程除了遮阴与蒸腾降温外，还与温室内总含水量的提高有关（包括水体水、营养液水、及生物含水量等）；布满空间的绿色植物含有大量的水，所起的缓冲作用也是较大的贡献。这种拟森林系统在普通低矮的温室中较难构建，会影响通风与透光，而鸟巢温室特有的空间构造，为森林系统构建提供条件；这种利用植物空间布局所产生的降温与遮光技术也可以叫做蓝绿技术[31]，都是生物技术的科学运用，也是生态型温室构建的重要设计技术。
、蓝绿藻培养技术对温室能源及气候调节的贡献。
在上述提到的蓝绿技术中，绿代表着植物的遮阴与降温，蓝则是运用蓝绿藻来实现生物质能源的转换；在温室设计中为了达到最佳的蓄热调温系统，大多引入水为载体的蓄热系统；那么如何充分利用水体，就成为高效节能的一个重要技术；其实水不仅仅是蓄热与放热的载体，其实它还可以通过水系统的科学设计成为栽培蓝绿藻获取生物质能源的重载体；在世界上最初出现的植物其实就是海洋中的蓝绿藻，这些看起来很不起眼的生物，其实是世界上生长速度最为的植物，它以无性繁殖的方式进行快速分裂，在条件最为适合的环境中，24h它的生物量可以提高一倍；但限于自然界的水域，因温度、光照、水质等因素难以最优化而影响它固有的生长速度；如果在温室中进行科学设计与调节，可以产生惊人的生物增长量[32]；在上述已论及的水蓄热系统中，四周的水体可以设计成藻培育生长系统，只需把透明的薄膜柱体底部连通形成一个水培循环系统，通过水循环与曝气溶入更多的二氧化碳，通过加入有机废物的发酵液作为营养源，就可以成为藻生长的良好系统；这种管柱式的培育系统其效率数倍于传统的池塘系统，因池塘只有表层是光照充足的光合层，越深处藻的生长因光照不足而越受抑制[33]；而这种管柱式的水体四周透明，光照摄入量大而且较为均匀，非常有利于藻类的生长；这些在管柱中培育的藻可以通过简易的循环过滤收获，收获后的藻可以用普通的榨油机获取藻油，这些生物油可以作为冬季加温的燃料；另外一种设计是，利用温室的内夹层薄膜为水循环的承载体，水通过内膜的表面缓缓地均匀地从薄膜上流下，就像水培蔬菜的NFT系统，它具有充足的光照射，而且如果往密封的夹层膜空间内输入更多的二氧化碳，更有利于藻的生长，这种利用内膜流水培养的方式既生长了藻，又起到了很好的光过滤与降温效果，可谓是一举两得之招。在鸟巢温室的最外沿地缘处构建集水槽，收集膜流水并统一回流至地下蓄水池，收集的水又得以再次循环，这样就可以间歇性地让水中的藻得以曝光，对光合的影响较小，因为光合作用本身需要光暗期的交替[34]；另外回流的收集池建于地下，有利于温度稳定，与夏日的降温，因藻在过高的温度下会抑制发育与生长。这种利用夏季充足过剩的光照作为能源，转化为生物质能，再于寒季作为加温燃料使用，是一种异季的能量贮藏与运用，是一种最可持续的方法，也是未来获取生物质能源最为有效的简易措施，它比种植其它的生物质能源植物效率要高数十倍甚至上百倍，估计此设计将会成为未来生态温室构建的最重要能源解决方案。
、空间电场技术在鸟巢温室技术中的运用
在自然界生物进化过程中都离不开地球电磁场的作用，所以生物的磁效应自然也成为生物生理效应的一部份；在球形的鸟巢温室中，空间电场的构建较为简单，只需在温室的顶部中心位置悬挂放电球，利用温室的钢构外壳接地，自然就形成了空间电场；空间电场强度达到一定域值后，可以发挥它的物理杀菌作用，使浮动于空气中的细菌真菌得以消除；同时在放电过程中电击空气还可以产生部份氧化氮，作为植物生长的叶面肥被吸收，犹如自然界的雷电效果[35]；当温室内湿度过高雾气笼罩时，开启电场还可以除雾作用，让空气变得透澈；经多年研究与生产实践运用，电场对作用范围的植物叶片，具有促进气孔开度，加快二氧化碳吸收的功能，所以电场在温室中运用常常也作为促进光合，加快二氧化碳吸收的重要辅助措施，形成了电场与二氧化碳气肥同补的技术体系。空间电场防病促长装置在鸟巢温室中的运用可以有效控制病害的滋生与传播，是实现作物健生栽培的一项必不可少的物理农业措施，在没有任何化学残留的情况下有效达到防病促长效果；生产使用时一般在上午光合作用效率最高的8-10点左右开启，能大大加快光合效率促进生物转化；也可以用于阴天的弱光天气，在光强不足情况下，开启电场有类似于强化光照促进碳同化的效果，在连续阴天影响作物生长时，可以通过电场的作用得以缓减[36]。
、水循环技术的结合运用
水资源是农业生产的重要基础，目前淡水资源中70%的水是用于农业灌溉用水，传统温室用水量大而且没有循环利用，达不到有效节水的目的；而球形鸟巢在设计时，把水循环作为一项重要的技术得以结合；一是利用鸟巢温室地缘一周设计雨水收集槽，集雨面收集的雨水直接进入温室中心的水体，可以作为养殖、降温、及栽培用水，这些雨水如果要作为生活之用可以再流经温室一周的砾质沙培槽进行人工湿地过滤，就可以成为生活用水，也可以作为无土栽培用水；降雨量大的地区只需收集雨水就可以满足鸟巢温室内无土栽培的用水需要；另外鸟巢温室是一个球体的蒸馏器，水分经蒸发后在球体大棚内遇膜会凝结成水珠，就像是一个太阳能蒸馏器，水蒸气凝成水珠后通过弧形薄膜重力作用下滑，又可以于温室地缘处的收集槽收集而重复利用，这种球形的温室结构可以有效地作为太阳能蒸馏器使用，特别适合于水资源缺乏地区获取空气中蓄存水蒸气的收集装置；现在科学家已形成一个大胆的构想，就是利用球形温室的太阳能蒸馏优势，把海水引入沙漠，再经海水蒸发蒸馏收集获取淡水，在沙漠上建立温室，这种球形的温室具有高效的蒸馏取水效果，它将为未来的沙漠绿化起到重要的作用.