溫室科研，讓工程為植物創造優良生長環境
——訪中國農業大學溫室工程與裝備團隊

長江蔬菜雜志社 賀歡

產業志

溫室科研，讓工程為植物創造優良生長環境
——訪中國農業大學溫室工程與裝備團隊

長江蔬菜雜志社 賀歡

溫室是設施園藝的關鍵裝備，通過聯合與其相關的多種工程技術手段，人們可以有效地控制設施內外物質與能量的轉移與平衡，提供植物生長發育所需的優良環境。如何采用有效的工程技術與裝備，以盡可能少的能量與物質投入，獲得室內優良的植物生長環境，實現植物產品的優質、高產，是國內外溫室工程界長期致力研究的問題。

中國農業大學溫室工程與裝備團隊，在溫室技術工程及裝備領域深耕探究近二十載，取得了豐碩的研究成果，尤其是在日光溫室光熱環境模擬分析、保溫覆蓋材料傳熱特性與保溫性能測試裝備、溫室太陽能利用技術與裝備、溫室環境綜合調控技術與生產管理配套裝備、溫室工程標準化等方面。

以軟件為載體，構建環境動態模型

日光溫室是一種獨具中國鮮明特色的栽培設施，蘊涵著我國勞動人民無窮的智慧。日光溫室借自然之光、蓄自然之熱，來維持作物生長對光、熱的需求，是一種高度節能環保的園藝設施，經濟效益顯著，對于蔬菜產業的發展意義重大，得到了廣泛應用。

然因有限的經驗、局限的理論，以現有的日光溫室設計方法，還不能保證建造出性能優良的日光溫室；并且使用過程中，冬季室內光照較弱、夜晚溫度過低、環境調控水平不高等情況仍普遍存在。極端天氣到來之日，防御低溫災害更是大量日光溫室力所不及之時。為此，國內眾多業內專家潛心研究，為提升日光溫室的室內環境水平與抵御災害天氣的能力，傾心傾力，默默耕耘以求成效。

在多年的溫室工程研究中，中國農業大學溫室工程與裝備團隊對日光溫室進行了全面、系統的分析。日光溫室作為一種特殊的建筑，其室內環境與復雜多變的外界條件、建筑體型、尺寸、墻體、屋面形式與材料、地面以及栽培的植物、生產中的管理方式等多種因素有關，如何優化設計才能獲得優良的性能，涉及材料、建筑、氣象、熱工以及園藝等多種專業領域，靠簡單的計算和分析很難準確地得到解決。團隊成員精心鉆研與剖析后，認為只有通過科學的理論，采用準確的物理和數學模型，在準確模擬的基礎上，結合一定的經驗和分析計算方法，才能掌握在各種條件下不同日光溫室設計方案所能形成的光、熱環境性能。

根據這個思路，團隊綜合應用工程熱物理、建筑光學、農業氣象以及園藝設施環境工程學等理論，對溫室環境模擬方法進行了集成創新。根據太陽光、熱輻射能量在日光溫室內傳遞、吸收、蓄積和釋放，溫室內外環境的能量與物質交換，室內空氣狀態變化等過程的規律，以及溫室內能量和物質平衡關系等日光溫室溫、光環境建成機制的理論，構建了日光溫室環境的動態模型。在此基礎上，進一步建立了日光溫室內各光、熱環境參數隨時間變化的模擬方法，并開發了此項成果的最終形式與載體——“日光溫室設計方案熱環境評價系統軟件”及“日光溫室光環境模擬與屋面形狀輔助設計軟件”，這是國內首次達到實用化的、可以在日光溫室工程設計與研究中應用的計算機輔助支持軟件。

此項科研成果首創了以日光溫室環境模型為核心內容與計算機模擬軟件為主要分析手段的日光溫室環境評價、設計方案優選的方法體系，可以有效地改變日光溫室設計建設主要依賴于有限經驗的現狀，為日光溫室的規劃、設計、建造以及環境預測與評價，提供了可行手段和實用工具，更為日光溫室科學化的發展提供了理論方法支撐。

創新節能構造，提高集熱蓄熱效用

日光溫室目前在集熱、蓄熱功能上仍存在嚴重不足，盡管白晝太陽熱能有較多富余，但夜間室內溫度仍經常達不到維持植物適宜生長的需求。針對日光溫室的現存不足，人們或采用傳統的加溫方式，或利用太陽熱能等可再生能源的新型加溫系統，但前者浪費能源、污染環境，后者投資運行成本高、安裝復雜、實際投入利用率低，皆不如意。

基于此種現狀，溫室工程與裝備團隊與北京中農富通園藝有限公司合作研發了“屋架組合管網太陽能集熱式日光溫室”，利用屋架白晝收集多余的太陽熱能用于夜間為溫室加溫——以水作為蓄熱介質，利用作為溫室結構構件的屋架組成太陽能集熱、貯熱和放熱加溫的管網系統，白晝收集和貯蓄多余的太陽熱能，夜間用于日光溫室加溫以及加熱灌溉用水等。由于其主要部分的集熱與放熱部件是利用了溫室結構自身具有的屋架，使用水作為蓄熱介質，具有用材少、設備安裝簡單、成本低等優點。試驗結果表明，屋架組合管網太陽能集熱式日光溫室具有顯著的集熱、蓄熱與放熱加溫的效果；與普通日光溫室相比，其夜間最低氣溫可提高3～5℃。

此外，為進一步提高太陽能利用率、改善日光溫室的熱環境，減少惡劣天氣對栽培作物的影響，團隊又在提高日光溫室墻體的保溫蓄熱性方面進行了研究。通常，為了加強墻體蓄熱性能，很多人會選擇加厚墻體這一方法，但這只能徒增占地面積，增加造價，加厚的墻體深處的材料也并未全部參與蓄熱放熱過程，效果不甚理想。

為此，團隊對后墻構造方法進行改進，采用了一種特殊的中空墻體構造。該墻體中空部分與溫室內部相通，利用室內與墻體中空部分空氣的溫度差異，形成二者之間的空氣流通。這樣，白晝室內高溫的空氣就可以將多余熱量帶入墻體中貯存起來；夜間通過空氣的流通，將貯存在中空墻體的熱量傳回溫室內。經試驗測試，該墻體構造可以顯著提升墻體內的溫度水平，調動墻體深層的材料參與蓄、放熱過程，對溫室夜間的加熱效果明顯，是一種經濟有效的節能構造。

填補領域空白，首創傳熱性能測試臺

為了給溫室覆蓋材料保溫性的研究和測評提供必要的技術手段，溫室工程與裝備團隊開發了國內首臺溫室覆蓋材料傳熱和保溫性能測試的專用設備——溫室覆蓋材料傳熱性能測試臺。測試臺是在總結吸收過去相關實驗研究和建筑圍護材料熱工性能測試設備經驗的基礎上，針對溫室等農業設施覆蓋材料特有的傳熱方式和工作環境特點而研究開發的。

該測試臺可全面模擬和實現接近溫室覆蓋材料實際工作的環境條件，真實地反映各種因素對覆蓋材料傳熱的影響，尤其是實現了對天空輻射背景和室外風速的模擬，這是對溫室覆蓋材料傳熱測試技術和方法的重要改進與發展創新。測試系統可實現穩定的測試狀態，測試結果一致可靠，測試條件參數可根據需要在較大范圍內有效調控，滿足相關科研和工程測試工作的需要。2005年9月經國家教育部組織的專家鑒定，認為該設備“填補了我國溫室覆蓋材料傳熱性能測試設備與技術的空白，總體技術達到國際先進水平。”

首臺溫室覆蓋材料保溫性能測試臺研制完成以后，團隊又在提高測試精度和自動化測試水平等方面進行了改進和完善。目前該測試臺可自動完成測試狀態調整、穩定狀態判別、數據讀取和處理、計算測試結果、生成和存儲測試報告、向不在測試現場的研究人員發送測試完成的通知短信等工作。溫室覆蓋材料傳熱性能測試臺現已推廣至山東、新疆和北京等地，并承接了來自全國各地大量的測試任務，滿足了近年來亟需開展的日光溫室保溫被等溫室覆蓋材料保溫性測試鑒定工作的需要。

溫室覆蓋材料保溫性能測試臺

直射變散射，調控溫室光環境

光是植物生長發育過程中的重要環境因子之一，不僅是植物光合作用的直接能源，還以環境信號的形式作用于植物并調節其生長發育的過程。溫室栽培條件下，由于植物密植以及溫室骨架遮光等原因，在以直射光為主的太陽輻射條件下，番茄、黃瓜等高大植物冠層空間往往會因上述各種遮擋出現光照分布不均的問題：一方面冠層中下層光照不足，另一方面冠層頂部又有可能因太陽輻射過強而導致葉片灼傷。

合理、有效利用太陽輻射，是溫室光環境調控的重要課題，因此溫室工程與裝備團隊從改善冠層空間光分布、提高太陽能利用效率出發，開展了“散射光覆蓋材料溫室應用效果及相關機理”的研究。研究主要是基于具有一定霧度、但是并不降低可見光透過率的散射光薄膜材料進行的。研究結果表明，具有散射光特性的薄膜，可以有效提高溫室中番茄、黃瓜等高大作物冠層中下部的光照水平，抑制夏季冠層高溫，促進作物生長發育，提高種植產量和品質。該研究為調控溫室光環境的空間分布提供了新的思路。

以上所述成果驕人，卻還僅僅是團隊多年勤勉攻關的一部分。自2000年以來，在溫室技術工程及裝備領域，中國農業大學溫室工程與裝備團隊共獲得授權國家發明專利30余項、實用新型專利40余項、軟件著作權近30項；發表研究論文500余篇；主編教材及專著6部、參編12部；主持制定國家標準2項、行業標準1項。其中，主持或參與完成的研究成果獲得國家科技進步二等獎2項，國家重點科技攻關計劃優秀成果獎1項，農業部神農中華農業科技獎二等獎2項，教育部科技進步二等獎2項，北京市科技進步二等獎4項、三等獎4項，其他省部級科技進步獎1項……榮譽的背后，沉淀的是一份份執著與堅守，凝聚的是整個團隊十余人共同的信念與意志。而今，他們榮耀之下仍不改初心，為著這份心中為傲的科研事業仍在探索前行著。

10.3865/j.issn.1001-3547.2017.12.001