全封閉日光溫室降溫技術(shù)的研究

王 婷，高俊明，周 瑩，馬金平，王雙喜

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

溫室CO2濃度是制約設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的因素之一，由于溫室的半封閉性，無(wú)法給溫室作物提供均衡、穩(wěn)定的CO2濃度，不適宜作物生長(zhǎng)；同時(shí)，半封閉性溫室與外界環(huán)境頻繁接觸，常常造成外界病蟲(chóng)害侵入，導(dǎo)致溫室內(nèi)化學(xué)農(nóng)藥的過(guò)多使用，給環(huán)境帶來(lái)了污染。國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者通過(guò)構(gòu)建全封閉日光溫室，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)CO2濃度的提高及無(wú)蟲(chóng)害生產(chǎn)，有利于作物生長(zhǎng)。全封閉溫室中，空氣流速慢，溫室效應(yīng)加劇，溫度極易升高，不利于作物生長(zhǎng)，溫室降溫技術(shù)成為重點(diǎn)[1]。目前，溫室降溫技術(shù)主要有通風(fēng)降溫、遮陽(yáng)降溫、蒸發(fā)降溫和機(jī)械制冷、熱交換等其它新型降溫技術(shù)[2-3]。張敏[4]等基于溝式栽培的全封閉溫室降溫方法的研究表明，在全封閉溫室中采用溝式栽培可解決溫室的高溫高濕問(wèn)題，提高作物水分生產(chǎn)率。李霞[5]等基于熱交換原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室小密閉環(huán)境的降溫除濕及水分的循環(huán)利用。李永欣等[6]溫室外遮陽(yáng)和屋頂噴淋降溫系統(tǒng)夏季降溫效果的研究表明，溫室噴淋降溫能耗小、成本低，降溫后室內(nèi)溫濕度分布均勻，并未大幅度增加。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于遮陽(yáng)降溫和蒸發(fā)降溫的原理，通過(guò)添加納米氧化錫銻透光隔熱涂料削弱透光率和高壓噴淋裝置兩方面形成雙重降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全封閉日光溫室的降溫及水分循環(huán)利用，對(duì)促進(jìn)夏季溫室作物的生長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)效益的提高有一定的實(shí)踐意義。

1 降溫系統(tǒng)概述

該全封閉溫室為磚混結(jié)構(gòu)，后墻為土質(zhì)墻體，溫室平面圖和側(cè)面圖如圖1和圖2所示。溫室進(jìn)出口與操作間相連，操作間內(nèi)配備消毒間，水、農(nóng)具、農(nóng)裝和工作人員需經(jīng)過(guò)紫外線消毒才能進(jìn)入溫室，室內(nèi)作物種植或播種前要進(jìn)行滅菌處理，外界空氣要經(jīng)過(guò)防病蟲(chóng)通風(fēng)換氣過(guò)濾裝置才能進(jìn)入溫室，從根源切斷了病蟲(chóng)害的轉(zhuǎn)播，形成了無(wú)蟲(chóng)害環(huán)境，即使噴淋降溫后產(chǎn)生的高濕環(huán)境也不會(huì)給溫室?guī)?lái)病蟲(chóng)害問(wèn)題。

圖1 溫室平面圖Fig.1 The floor plan of greenhouse

圖2 溫室側(cè)面圖Fig.2 The profile of greenhouse

納米氧化錫銻涂料是一種性能良好的透明隔熱涂料，具有可見(jiàn)光區(qū)透過(guò)率高，并有效阻斷紅外光區(qū)熱輻射的優(yōu)點(diǎn)，工藝簡(jiǎn)單，成本低，且節(jié)能環(huán)保[7]。噴淋降溫裝置是由感溫探頭、智能溫控開(kāi)關(guān)、柱塞泵、高壓輸水管、霧化噴嘴、冷凝水回收器、水過(guò)濾器及水箱8個(gè)部分組成的,各部分安裝位置如圖3所示。水管俯視圖如圖4所示。

夏季溫度過(guò)高時(shí)，將涂料涂在棚膜外表面，并在室內(nèi)溫度高過(guò)30℃時(shí)，進(jìn)行噴淋降溫。此時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通電源，高壓柱塞泵開(kāi)始工作，水箱中的水通過(guò)高壓柱塞泵輸送到噴頭，以細(xì)霧狀噴出，在蒸發(fā)過(guò)程吸收空氣中的熱量，多余的水霧通過(guò)回收裝置回歸到水箱再次利用。在冬季不噴涂料，只需采用噴淋裝置降溫。

1.冷水箱 2.閥門 3.軸流風(fēng)機(jī) 4.回風(fēng)管 5.噴頭 6.噴淋管 7.冷凝水收集器 8.冷凝水存儲(chǔ)箱 9.高壓水泵 10.熱水管 11.冷凝水收集器 12.閥門 圖3 降溫裝置安裝示意圖Fig.3 The installation diagram of cooling equipment

1.高壓噴頭 2.PE管 3.支管超高壓柱塞水泵 4.水箱 圖4 水管俯視圖Fig.3 The vertical view of pipe

2 降溫效果分析

2.1 理論依據(jù)

夏季溫室棚膜上噴涂納米氧化錫銻透光隔熱涂料時(shí)，涂料對(duì)紅外線和可見(jiàn)光具有選擇透過(guò)性。溫室涂膜后進(jìn)入棚內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度F為

F=(w1q1+w2q2)Q

式中F—射入溫室的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度(W/m2)；

w1—可見(jiàn)光的比重(%)；

q1—涂料對(duì)可見(jiàn)光的透光率(%)；

w2—紅外光的比重(%)；

q2—涂料對(duì)紅外光的透光率(%)；

Q—地表接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)。

冬季溫室棚膜不涂透光隔熱涂料時(shí)進(jìn)入棚內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度F為

F=wQ

式中w—溫室棚膜的透光率(%)。

射入溫室的太陽(yáng)輻射能，會(huì)被植株蒸騰、地表土壤、空氣共同吸收，如果溫室內(nèi)外存在溫差，土墻和溫室棚膜還會(huì)傳遞熱量。根據(jù)能量守恒定律，有

式中Q空氣—空氣吸收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)；

Q蒸騰—植物蒸騰作用吸收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)；

Q土壤—土壤吸收的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2)；

Q土墻—單位面積單位時(shí)間土墻傳遞的熱量(W/m2)；

Q棚膜—溫室棚膜單位面積單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量(W/m2)。

由上述可得

1)植物蒸騰作用，即

Q蒸騰=vrq

式中v—植物蒸騰速率[g/(s·m2)]；

r—植物有效葉面積指數(shù)；

q—水潛熱(2 257.6J/g)。

2)土壤傳導(dǎo)熱量，即

Q土壤=λ土壤(S土壤/h土壤)Δt土壤

式中λ土壤—土壤導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K2)]，即1m厚土層兩端溫差為1K時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)1m2該土壤傳遞的熱量；

S土壤—土壤的面積(m2)；

h土壤—土壤的厚度(m)；

Δt土壤—土壤兩個(gè)層面的溫差(K)。

3)土墻傳導(dǎo)熱量，即

Q土墻=λ土墻(S土墻/h土墻)Δt土墻

式中λ土墻—土墻導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m·K)]，即1m厚土層兩端溫差為1K時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)1m2該土墻傳遞的熱量；

S土墻—土墻的面積(m2)；

h土墻—土墻的厚度(m)；

Δt土墻—土墻兩個(gè)層面的溫差(K)。

4)溫室棚膜散熱，即

Q棚膜=KS棚膜Δt棚膜

式中K—棚膜散熱系數(shù)[W/(m·K2)]，即棚膜兩側(cè)溫差為1K時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)1m2該棚膜傳遞的熱量；

S棚膜—棚膜的面積(m2)；

Δt棚膜—棚膜兩個(gè)層面的溫差(K)。

當(dāng)Q空氣>0時(shí)，這些熱量會(huì)使空氣溫度升高，超過(guò)30℃后，需要用噴淋裝置噴細(xì)霧吸收這些熱量。所以有

Q噴淋=Q空氣

噴水吸收熱量公式為

Q噴淋=1000Mq/(S溫室t)

式中M—整個(gè)溫室噴水量(kg)；

S溫室—整個(gè)溫室面積(m2)；

t—噴水時(shí)間(s)。

可以推導(dǎo)出

M=Q噴淋S溫室t(1000q)

2.2 各時(shí)期噴水量的計(jì)算

在不同季節(jié)，射入地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同，同一時(shí)期各個(gè)溫室的植物生理期也不相同，所以不能計(jì)算出一個(gè)固定不變的噴水量，而是要根據(jù)各個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)，分別計(jì)算其噴水量。本文把噴水期分為夏季苗期、夏季成株期、冬季苗期、冬季成株期4個(gè)時(shí)期，分別進(jìn)行計(jì)算。

由資料得，華北地區(qū)夏至最高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到900W/m2；冬至最高太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為375W/m2。

2.2.1 夏季涂料涂膜

夏季涂料涂膜時(shí)，射入溫室的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度(溫室薄膜涂抹厚度為60μm時(shí)，對(duì)可見(jiàn)光平均透光率達(dá)到71.3%，而紅外光區(qū)達(dá)到39.7%[8])為

1)夏季苗期降溫噴霧量計(jì)算。苗期植株葉面積系數(shù)小，蒸騰作用吸收的熱量可忽略不計(jì)。如果外界氣溫溫度為30℃，要用噴淋降溫裝置將溫室內(nèi)溫度也控制在30℃以內(nèi)，這時(shí)室內(nèi)外溫差為0℃，土墻、溫室棚膜導(dǎo)熱終止。

當(dāng)土壤導(dǎo)熱系數(shù)λ土壤=1.4W/(m·K)時(shí)[9]，噴霧裝置蒸發(fā)吸收熱量為

整個(gè)溫室每分鐘降溫噴霧耗水量為

2)夏季成株期降溫噴霧量計(jì)算。成株期植物有很強(qiáng)的蒸騰作用，蒸騰速率達(dá)0.008 1g/(s·m2)。如果外界氣溫溫度為30℃，要用噴淋降溫裝置將溫室內(nèi)溫度也控制在30℃以內(nèi)，這時(shí)室內(nèi)外溫差為0℃，土墻、溫室棚膜導(dǎo)熱終止。此時(shí)，噴霧裝置蒸發(fā)吸收熱量為

整個(gè)溫室每分鐘耗水量為

2.2.2 冬季涂料不涂膜

太陽(yáng)高度角存在周期性變化：從冬至到夏至，太陽(yáng)高度角逐漸變大，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也逐漸變大；從夏至到冬至，太陽(yáng)高度角逐漸變小，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也逐漸變小。所以，有必要計(jì)算冬季溫室苗期、成株期對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的最低要求，以此大致確定給苗期、成株期植物噴霧降溫的周期，以及判斷同一時(shí)期的苗期、成株期植物是否需要噴霧降溫[10-11]。

冬季涂料不涂膜時(shí)，溫室需要以最低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算。假設(shè)溫室內(nèi)仍然為30℃，溫室外為5℃，土墻、溫室棚膜會(huì)傳遞熱量[土墻導(dǎo)熱系數(shù)為0.75W/(m·K)]；溫室棚膜傳熱系數(shù)為6.8W/(m2·K)[12-13]。

溫室土墻面積為

S土墻=100×3+10×3=330m2

溫室棚膜面積為

1)冬季苗期需要最低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。冬季溫室棚膜不涂透光隔熱涂料時(shí),苗期植物需要的最低(蒸騰作用忽略不計(jì)，不考慮噴霧降溫)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為

2)冬季成株期需要最低太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。冬季溫室棚膜不涂透光隔熱涂料時(shí),成株期植物需要的最低(不考慮噴霧降溫)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為

此時(shí)，射入溫室的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為

F=wQ=303.75W/m2

3)冬季苗期降溫噴霧量計(jì)算，即

整個(gè)溫室每分鐘耗水量為

4)冬季成株期降溫噴霧量計(jì)算。由對(duì)冬季需要最低太陽(yáng)輻射量的計(jì)算可知：射入溫室的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于461.87W/m2時(shí)，溫室溫度達(dá)到30℃，需要噴淋降溫；小于461.87W/m2時(shí)，溫室溫度不能達(dá)到30℃，不需要噴淋降溫。

3 結(jié)論與討論

1) 全封閉溫室采用納米氧化錫銻涂料和高壓噴淋降溫裝置降溫，可在夏季室內(nèi)溫度高于35℃時(shí)將室溫降到30℃以下，既不大幅地增加溫室濕度，也能實(shí)現(xiàn)水分的循環(huán)利用，促進(jìn)了作物的生長(zhǎng)；冬季射入溫室的太陽(yáng)輻射大于461.87W/m2，溫室室溫才能超過(guò)30℃時(shí)，只采用噴淋降溫裝置即可將室溫降到適宜溫度。

2) 全封閉溫室的封閉性使得溫室內(nèi)CO2濃度的調(diào)控及溫室作物的無(wú)病蟲(chóng)生產(chǎn)更易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)室內(nèi)水分的蒸發(fā)被限制在有限的空間內(nèi)，可以經(jīng)濟(jì)有效的降溫除濕、回收循環(huán)水資源。

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