西北日光溫室小氣候建模與仿真

摘要：針對溫室小氣候的基本特點，結(jié)合國際較新的熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)方法，根據(jù)西北地區(qū)夏季的溫室具體情況，建立了溫室的溫度、濕度模型。通過對模型的分析和仿真試驗，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：日光溫室；小氣候；系統(tǒng)建模

中圖分類號：Ｓ６２６．５；ＴＰ２７３＋．５文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）07－1465-05

Ｏｎ ｔｈｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ｏｆ Ｓｕｎｌｉｇｈｔ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ

ｉｎ ｔｈｅ Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｃｈｉｎａ

ＴＩＡＮ Ｙａ－ｌｉ１，ＹＡＮＧ Ｚｅ－ｌｉｎ２，ＬＩ Ｘｉａｎｇ－ｂａｉ2

（１． Ｎｉｎｇｘｉａ Industrial Vacational College，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎｉｎｇｘｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｎｃｈｕａｎ ７５００２１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ waｓ ａ ｎｏｎｓｔａｔｉｏｎａｒｙ， ｎｏｎｌｉｎｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｅａｔ ｌａｇ． Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｓｏｕｎｄ ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｍａｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｍｍｅｒ ｏｆ ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ ｃｈｉｎａ， ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｔｈｅ ｎｅｗ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｅａｔ ｂａｎｌａｎｃｅ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ were ｂａｓｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｆｏｒｍ ｗｈａｔ ｗｅｒｅ ｓｕｐｐｏｓｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｕｎｌｉｇｈｔ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ； ｍｉｃｒｏｃｌｉｍａｔｅ； ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ

溫室生產(chǎn)中，溫室環(huán)境涉及了很多的因素，而影響作物生長的氣候因素主要是溫度、濕度、光照和ＣＯ２濃度。這些環(huán)境因素之間并不是單個因素對溫室作物作用的累加，而是各環(huán)境因素共同對作物的產(chǎn)量和質(zhì)量起作用，它們相互聯(lián)系、相互促進和相互制約。為了提高對環(huán)境管理和控制的有效性，研究溫室小氣候和作物模型是非常必要的。掌握溫室環(huán)境因素的特點，為溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)控制提供了依據(jù)。為了更好地改進現(xiàn)有溫室，必須從溫室的小氣候模型進行分析，建造適合我國各地區(qū)氣候特點的不同溫室［１－５］。在過去的２０年里，荷蘭、以色列、法國、美國、比利時、加拿大、葡萄牙等國家對溫室小氣候模型進行了深入地研究，積累了很多寶貴的經(jīng)驗［６，７］，為溫室的建造和控制技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)和實際指導。

目前，溫室小氣候建模主要有３種方法：機理建模、線性模型參數(shù)辨識和非線性模型參數(shù)辨識［８］。機理建模方法基于傳熱學、傳質(zhì)學等物理學定律和蒸騰作用、呼吸作用、光合作用等作物生理學原理進行機理分析，通過能量平衡和物質(zhì)平衡建立溫室小氣候模型［９，１0］。采用機理模型能夠清楚地認知溫室小氣候的物理本質(zhì)，可以模擬溫室小氣候系統(tǒng)。本文就溫室小氣候模型的機理建模方法及西北地區(qū)夏季的溫室特點對模型進行合理簡化后，進行動態(tài)仿真。

１溫室系統(tǒng)機理模型

１．１試驗條件及方法

試驗在寧夏回族自治區(qū)銀川市寧夏農(nóng)業(yè)科學研究院內(nèi)的大型連棟溫室中進行。溫室為東西走向，覆蓋材料為雙層ＰＣ板。溫室南北方向共分為３跨，結(jié)構(gòu)單元跨度每跨長為１０．８ ｍ，溫室檐高３．５ ｍ。每區(qū)開間為５ ｍ，共１０開間，長為５０ ｍ。冬季用保溫幕來減少熱量損失，節(jié)約能源。夏季采用內(nèi)加濕簾——風機系統(tǒng)進行加濕控制，風機單獨工作時進行降溫控制。風機裝在溫室的北邊，濕簾裝在南邊。風機分為４組，每組４臺。根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的情況，開啟不同組數(shù)的風機，這樣可以實現(xiàn)較好的降溫效果，同時可節(jié)約能源。溫室內(nèi)空氣的溫濕度由裝在室內(nèi)的溫濕度傳感器檢測，通過計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動記錄保存數(shù)據(jù)。測量項目包括室外的溫度、濕度、風速、太陽總輻射和太陽平均輻射，基質(zhì)溫濕度，ＣＯ２濃度，光照強度等。

１．２溫室溫度機理模型

溫室環(huán)境中各環(huán)境因素之間是相互作用的，溫室環(huán)境中既存在物理現(xiàn)象，又存在著一些植物的生理現(xiàn)象。因此，要對溫室環(huán)境建立一個全面的、完整的模型是相當困難的。國際上對此的研究已進行了很多年，直至熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)方法的引入，為溫室建模提供了一種新的思路。１９９１年Ｂｏｔ、１９９３年Ｂｏｕｌａｒｄ和Ｂａｉｌｌｅ用能量和物質(zhì)平衡方程來描述溫室氣候［１1－１４］。根據(jù)溫室的熱平衡穩(wěn)定狀態(tài)原理，可以得出溫室氣體溫度的動態(tài)方程式：

ΔＱ＝Ｑｒａｄ＋Ｑｈｅａｔ＋Ｑｖｅｎｔ＋Ｑｃａｃ＋Ｑｃｒａｄ＋Ｑｓｏｉｌ＋Ｑｌｅａｆ－Ｑｃｏｏｌ－Ｑｔｒａｎ－Ｑｐ （１）

其中，ΔＱ為溫室空氣的顯熱增量，Ｑｒａｄ為太陽光照輻射能量，Ｑｈｅａｔ為加熱能量，Ｑｖｅｎｔ為通風熱交換能量，Ｑｃａｃ為與外界熱傳導能量，Ｑｃｒａｄ為長波輻射能量，Ｑｓｏｉｌ為與土壤熱交換能量，Ｑｌｅａｆ為室內(nèi)空氣與作物葉面的熱傳導能量，Ｑｃｏｏｌ為降溫設(shè)備所帶走的能量，Ｑｔｒａｎ為作物蒸騰所需要的能量，Ｑｐ為作物光合作用所需能量。

假設(shè)溫室內(nèi)部空氣、水蒸氣混合分布均勻，將溫室內(nèi)部空氣視為一個整體，則溫室內(nèi)溫度的變化由溫室小氣候系統(tǒng)中能量的變化決定。根據(jù)氣候條件，對式（1）模型可以作進一步簡化。因為是日光溫室所以不考慮加熱能量，同時忽略葉面熱傳導、光合作用、作物蒸騰等對溫度的微小影響，最后得到簡化模型為：

ΔＱ＝Ｑｒａｄ＋Ｑｖｅｎｔ＋Ｑｃａｃ＋Ｑｃｒａｄ－Ｑｃｏｏｌ （２）

將上述各項的計算公式代入（２）式，導出試驗溫室能量平衡方程：

ＶρＣｐ＝ＡｓＩａτａ＋ρＣｐ?準ｖｅｎｔ（Ｔｉ－Ｔｏ）＋ε１２Ａｓσ（Ｔｉ４－Ｔｏ４）＋ＡｓＫｇ（Ｔｉ－Ｔｏ）－（２ ５０１－２．３６Ｔａｖｇ）?準ｖｅｎｔρ（ｘａ－ｘｂ）（３）

其中，反映了溫室內(nèi)溫度的變化率，V為溫室容積（ｍ３），ρ為空氣密度（ｋｇ／ｍ３），Ｃｐ是空氣中熱含量［Ｊ／（ｋｇ·ｋ）］，Ａｓ是溫度覆蓋材料表面積（ｍ２），Ｉａ是室外總輻射強度（Ｗ／ｍ２），τａ是覆蓋材料表面積總的透光率，?準ｖｅｎｔ是總通風量（ｍ３／ｓ），ε１２是表面之間的發(fā)射率，由它們各自的發(fā)射率系數(shù)ε１和ε２決定，相應的關(guān)系式為ε１２＝（ε１－１＋ε２－１－１）－１，ＡＳ為表面之間的接觸面積（ｍ２）。σ是Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚmａｎｎ常數(shù)［Ｗ／（ｍ２·ｋ４）］，Ｋｇ為溫室大棚的傳熱系數(shù)［Ｗ／（ｍ２·ｋ）］，Ｔｉ、Ｔｏ分別為室內(nèi)、外溫度（Ｋ），Ｔａｖｇ為溫室內(nèi)平均溫度（℃），ｘａ、ｘｂ為通過濕簾前后空氣的含濕量（％）。

１．３溫室濕度機理模型

溫室小氣候的物理過程如開窗通風、覆蓋材料的冷凝、作物的蒸騰和土壤的蒸發(fā)、濕簾水蒸發(fā)引起的物質(zhì)交換，用不同的符號來表示溫室內(nèi)水蒸氣產(chǎn)生和損失，從而建立的溫室物質(zhì)（水蒸氣）平衡如圖１。

溫室內(nèi)的潛熱（水蒸氣）平衡用來描述溫室單位面積內(nèi)絕對濕度的變化率。根據(jù)溫室的物質(zhì)平衡建立動態(tài)模型如下：

ΔＥ＝Ｅｔ（Ｅｓｏｉｌ＋Ｅｔｒａｎ）＋Ｅｖｅｎｔ＋Ｅｃｏｎｄ＋Ｅｃｏｏｌ（４）

其中，Ｅｔ為作物蒸騰作用釋放的水汽量和土壤表面水汽蒸發(fā)量之和［ｋｇ／（ｍ２·ｓ）］；Ｅｖｅｎｔ為通風換氣損失水汽量［ｋｇ／（ｍ２·ｓ）］；Ｅｃｏｎｄ為在覆蓋層內(nèi)表面冷凝損失的水汽量［ｋｇ／（ｍ２·ｓ）］；Ｅｃｏｏｌ為溫室薄霧化或者濕簾產(chǎn)生的水汽量［ｋｇ／（ｍ２·ｓ）］。

根據(jù)對溫室的研究，在白天，覆蓋材料的內(nèi)表面幾乎不發(fā)生冷凝現(xiàn)象；然而在晚上水蒸氣在覆蓋材料內(nèi)表面的冷凝不可忽略，但因為主要是針對夏天進行控制，忽略在覆蓋層內(nèi)表面冷凝損失的水汽量。如果在灌溉的無土栽培或者土壤和底土層用白色的發(fā)射表面覆蓋溫室中，土壤水汽的蒸發(fā)可以忽略。另外在玻璃溫室中，土壤的水汽蒸發(fā)也可以忽略［１５］。可進一步簡化模型如下：

ΔＥ＝Ｅｔｒａｎ＋Ｅｖｅｎｔ＋Ｅｃｏｏｌ（５）

將上述各項的計算公式代入（５）式得：

++（６）

其中，Ｋｓ為冠層消光系數(shù)，Ｒｎ為冠層上方的凈輻射，ｅ為實際水汽壓（ｋＰａ），ｒｓ為氣孔阻力（ｓ／ｃｍ），ｒｂ為葉表面邊界層的空氣動力學阻力，γ為水蒸發(fā)的能量系數(shù)，ＬＡＩ（ｌｅａｆ ａｒｅａ ｉｎｄｅｘ）為葉面積系數(shù)，ρ為空氣密度（ｋｇ／ｍ３），Ｃｐ是空氣中熱含量［Ｊ／（ｋｇ·ｋ）］，Ｔａｖｇ為平均溫度（℃），?準ｖｅｎｔ為總通風量（ｍ３／ｓ），Ａｄ為溫室地表面積，ｘｉ為室內(nèi)濕度，ｘｏ為室外濕度，ρｏ為室外空氣密度（ｋｇ／ｍ３），ｘａ、ｘｂ分別為濕簾前后空氣的含濕量（％）。

２模型仿真

為了驗證模型的可行性，能體現(xiàn)夏季溫室內(nèi)的各個物理過程，如考慮室外輻射、作物蒸騰作用散發(fā)水汽量、蒸汽加熱、數(shù)據(jù)的連貫性等因素，綜合比較以上因素，選擇2009年７月１７日的數(shù)據(jù)進行模擬仿真。這段期間白天室外的太陽輻射大，室外風速穩(wěn)定，溫室內(nèi)的溫濕度穩(wěn)定，符合作物生長要求，它具有典型的溫室夏季運行特征和外界氣候條件。溫室模型的具體參數(shù)見表1。

２．１溫度模型仿真

圖２為溫度仿真模型圖，由于溫度模型比較復雜，通風量與室內(nèi)溫度不是線性關(guān)系，由溫室數(shù)學模型可以看出它是一個非線性對象，模型不能顯式地給出通風量與室內(nèi)溫度Ｔｉ之間的關(guān)系，室內(nèi)溫度同時還受室外太陽輻射與室外溫度Ｔｏ的影響。為了便于理解與仿真，每個公式用一個ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ表示，再依照各子系統(tǒng)間變量的控制關(guān)系，建立被控對象溫室內(nèi)環(huán)境溫度溫室小氣候系統(tǒng)模型，模型的等式用變量時間步長（Ｖａｒｉｂｌｅ－ｓｔｅｐ）的ｏｄｅ４５（Ｄｏｒｍａｎｄ－Ｐｒｉｎｃｅ）算法積分，積分初始值為２２。為了簡化，最大步長０．０１，最小步長、初始步長、絕對誤差均設(shè)為自動，相對誤差為1×1０－３。

２．２濕度模型仿真

圖3的濕度仿真模型圖是根據(jù)式（６）的公式所得。由于濕度模型不能顯式地給出通風量與室內(nèi)濕度Ｒｈｉ之間的關(guān)系，室內(nèi)溫度同時還受太陽凈輻射、室外濕度與室外溫度Ｔｏ的影響。為了便于理解，采用ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ對各個小模塊進行表示，再依照各子系統(tǒng)間變量的控制關(guān)系，建立被控對象溫室內(nèi)環(huán)境濕度溫室小氣候系統(tǒng)模型，模型的等式用變量時間步長（Ｖａｒｉｂｌｅ－ｓｔｅｐ）的ｏｄｅ４５（Ｄｏｒｍａｎｄ－Ｐｒｉｎｃｅ）算法積分。為了簡化被控對象溫室內(nèi)環(huán)境濕度溫室小氣候系統(tǒng)模型，最大步長設(shè)為０．０１，最小步長、初始步長、絕對誤差均設(shè)為自動，相對誤差為1×1０-３，積分初始值為８１。

３結(jié)果與分析

圖4為采用物理模型方式建立的溫室內(nèi)模擬溫度和測量溫度仿真結(jié)果。其中，虛線表示模擬溫度曲線，實線表示實測溫度曲線。從圖中可以看出，模擬溫度最大值和最小值都在作物生長允許的范圍之內(nèi)，仿真得到的模擬和實測溫度之間的均方根誤差為２．８３３，模擬溫度曲線與實測溫度曲線比較吻合。

由圖５可知，經(jīng)模型模擬出的溫室內(nèi)濕度，基本符合溫室的濕度規(guī)律，由于晚上植物的呼吸作用，所以夜間溫室的濕度相對較高，白天植物進行光合作用，所以下午溫室內(nèi)的濕度相對較低。同時，實測溫室內(nèi)濕度與通過模型模擬出溫室內(nèi)濕度進行對比可知，模擬溫室內(nèi)濕度可以反映溫室內(nèi)的變化趨勢，仿真得到的模擬和實測溫度之間的均方根誤差為２．７７２。模擬溫度曲線與實測溫度曲線比較吻合。同時，模擬的溫室內(nèi)濕度曲線比實際測得濕度曲線在最高濕度處相差３％～５％。

圖６為風機在不同時刻的開啟組數(shù)，根據(jù)西北地區(qū)夏季的氣候特點知：當溫度大于３３℃時，相對濕度降低到５０％左右。因此當運行濕簾——風機降溫系統(tǒng)時，溫室外的溫度往往比較高。然而此時室外的相對濕度較低，經(jīng)過濕簾前后的絕對濕度將變化較大。濕簾——風機降溫系統(tǒng)濕簾水蒸發(fā)量Ｅｃｏｏｌ較大，降溫能量Ｑｃｏｏｌ較大。所以，濕簾——風機降溫系統(tǒng)在夏季溫室降溫中效果比較明顯。

４小結(jié)

針對西北地區(qū)夏季的氣候特點，在機理建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際溫室控制設(shè)備對于多變量的大慣性、非線性，并且有耦合、延遲等現(xiàn)象的溫室系統(tǒng)，建立溫濕度簡化模型，并通過實測數(shù)據(jù)對模型進行了試驗驗證。結(jié)果表明，該模型能較好地預測西北地區(qū)夏季溫室內(nèi)植物的溫度和濕度。同時由溫室內(nèi)實測數(shù)據(jù)與預測數(shù)據(jù)對比圖可知，該模型能夠很好地反映溫室的溫濕度狀態(tài)。這為溫室內(nèi)溫、濕度的監(jiān)控提供了良好的信息基礎(chǔ)。

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