溫室蔬菜高架栽培CO2供氣負(fù)荷計(jì)算與設(shè)備選型方法

周長(zhǎng)吉，王 柳，田 婧，富建魯，張?jiān)录t

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所，北京100125）

0 引 言

大型連棟溫室生產(chǎn)科技含量高，受外界氣候變化影響小，單位面積土地用工量少、產(chǎn)出率高，產(chǎn)量、品質(zhì)穩(wěn)定，因此成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的代表。對(duì)溫室內(nèi)溫、光、水、肥、氣的自動(dòng)控制是大型連棟溫室高科技的重要表現(xiàn)，其中的“氣”包括了空氣、水汽和CO2氣。對(duì) CO2氣體的控制主要是控制其濃度。研究表明，適度增加CO2濃度可以提高園藝作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。溫室內(nèi)CO2的補(bǔ)充，中國(guó)長(zhǎng)期主要依靠施用有機(jī)肥，依靠微生物分解土壤中有機(jī)物釋放 CO2，或者是利用開(kāi)窗通風(fēng)從室外引入空氣補(bǔ)充，也個(gè)別利用化學(xué)反應(yīng)、CO2顆粒氣肥和鋼瓶裝液化CO2供氣[4]。大型連棟溫室蔬菜生產(chǎn)一般采用高架營(yíng)養(yǎng)液栽培，不施用有機(jī)肥，中國(guó)北方地區(qū)溫室冬季運(yùn)行考慮加溫成本，白天基本不開(kāi)窗或開(kāi)窗時(shí)間很短，由此使連棟溫室CO2的供應(yīng)受到極大限制。低CO2濃度環(huán)境下，即使再適宜的溫光條件，作物也難以合成充足的光合產(chǎn)物，導(dǎo)致落花落果、產(chǎn)量品質(zhì)降低。為此，目前新建的大型連棟溫室采用高架栽培蔬菜，都需要配套人工補(bǔ)充 CO2的設(shè)施。利用冬季溫室加溫時(shí)燃燒天然氣的副產(chǎn)物煙道尾氣進(jìn)行 CO2施肥不失為一種有效的做法，白天根據(jù)作物的需要燃燒天然氣給作物供 CO2，同時(shí)將多余熱量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)熱罐用于夜間溫室加溫，無(wú)需加溫時(shí)段則采用液化 CO2供氣，因此設(shè)計(jì)供氣設(shè)備的容量非常重要，容量過(guò)大不經(jīng)濟(jì)，過(guò)小則難以滿(mǎn)足需求。對(duì)于溫室CO2的補(bǔ)充，前人進(jìn)行了一些探索，李萍萍等[5]研究了不同溫度和光照強(qiáng)度下，不同 CO2濃度與光合速率的關(guān)系模型，也有學(xué)者基于離散曲率、支持向量機(jī)-改進(jìn)魚(yú)群算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和光溫耦合等建立一系列的控制模型[6-9]。這些模型重點(diǎn)在于描述CO2濃度和光合速率的關(guān)系以及CO2濃度的控制算法，對(duì)于CO2供氣設(shè)備容量設(shè)計(jì)選型的研究則處于空白。長(zhǎng)期以來(lái)由于中國(guó)溫室設(shè)計(jì)只注重室內(nèi)的溫光和作物的水肥控制，基本不配套專(zhuān)門(mén)的CO2供給設(shè)備，由此，在大型連棟溫室需要CO2供給時(shí)，缺少相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和設(shè)備配置的相關(guān)規(guī)范，給溫室工程的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。本文在研究溫室 CO2供應(yīng)模式的基礎(chǔ)上，探索建立溫室內(nèi) CO2動(dòng)態(tài)平衡模型，針對(duì)不同渠道的 CO2碳源和碳匯分析提出相應(yīng)的理論計(jì)算方法，為溫室 CO2供氣系統(tǒng)設(shè)備選型提供容量的計(jì)算方法。

1 CO2施肥條件下室內(nèi)CO2控制模型

所謂CO2施肥，就是在自然狀況下室內(nèi)CO2濃度較低的時(shí)段人為地向溫室內(nèi)補(bǔ)充CO2，使室內(nèi)CO2濃度維持在與溫度和光照強(qiáng)度相適應(yīng)的作物較強(qiáng)光合作用強(qiáng)度的水平，以增加作物光合作用產(chǎn)物積累，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.1 CO2恒定濃度控制模型

在完全自主控制的 CO2施肥條件下，白天隨著太陽(yáng)升起，溫度和光照強(qiáng)度逐漸升高，溫室內(nèi) CO2濃度應(yīng)同步提高；當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到作物的適宜生長(zhǎng)溫度，光照強(qiáng)度達(dá)到作物光合作用的光飽和點(diǎn)附近（陰雨天氣條件下室內(nèi)光照強(qiáng)度可能達(dá)不到作物光合作用的光飽和點(diǎn)），室內(nèi) CO2濃度應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間維持在作物光合作用較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)水平；下午隨著光照強(qiáng)度的減弱和溫度降低，作物光合作用強(qiáng)度也逐漸下降，向溫室補(bǔ)充的 CO2也應(yīng)逐漸減少直到完全停止，室內(nèi) CO2濃度變化回到由作物呼吸作用主導(dǎo)的夜間模式，在緊閉門(mén)窗的條件下，室內(nèi) CO2濃度逐步升高。結(jié)合白天人工供氣和夜間作物呼吸的條件，可以得出溫室CO2晝夜變化的動(dòng)態(tài)模型如圖1所示。

圖1 CO2施肥條件下室內(nèi)CO2濃度控制模型Fig.1 Model for CO2 concentration controlling under condition of CO2 enrichment in greenhouse

模型將室內(nèi)CO2濃度變化分為3個(gè)時(shí)段：第1時(shí)段為CO2濃度上升期，從開(kāi)始向溫室補(bǔ)充CO2時(shí)刻t0起到CO2濃度穩(wěn)定時(shí)刻t1止，這段時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于溫室夜間積累CO2濃度C0的高低、太陽(yáng)升起后光照強(qiáng)度提升的速度以及CO2供氣的速度。理論上講這一階段CO2濃度提升的速度應(yīng)與作物光合作用的強(qiáng)度同步，陰雨天光照強(qiáng)度提升較慢時(shí)，CO2濃度上升期應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)，晴朗天氣光照強(qiáng)度提升較快時(shí)應(yīng)適當(dāng)縮短，具體時(shí)間的長(zhǎng)短應(yīng)與光照強(qiáng)度、CO2濃度和溫度綜合影響作物光合作用的曲線相匹配。補(bǔ)充 CO2的起始時(shí)刻t0，應(yīng)該在太陽(yáng)升起室內(nèi)保溫幕打開(kāi)后，要同時(shí)考慮保溫幕打開(kāi)前的 CO2濃度C0和室外光照的強(qiáng)度，如果C0較高，而室內(nèi)光照較弱，則暫時(shí)無(wú)需補(bǔ)充。

第2階段為CO2濃度穩(wěn)定期，室內(nèi)溫度適宜，光照強(qiáng)度在作物的光飽和點(diǎn)附近，室內(nèi) CO2濃度穩(wěn)定保持在較高水平。這一時(shí)段為作物光合作用的最佳期，或者說(shuō)是人工補(bǔ)充 CO2的最經(jīng)濟(jì)時(shí)段。這一時(shí)段的長(zhǎng)短對(duì)作物形成光合產(chǎn)物，提高作物產(chǎn)量具有至關(guān)重要的作用，主要取決于自然光照時(shí)間的長(zhǎng)短及其強(qiáng)度、人工補(bǔ)光的控制策略、溫室開(kāi)窗通風(fēng)排濕的要求以及作物光合和呼吸作用強(qiáng)度的變化速度。

第3階段為CO2濃度的自然變化期。這一時(shí)期，溫室停止CO2供氣，在作物光合作用下室內(nèi)CO2濃度從穩(wěn)定供氣階段的高濃度逐漸下降，直到呼吸作用占據(jù)主導(dǎo)地位后再次開(kāi)始回升至次日太陽(yáng)升起時(shí)的被動(dòng)補(bǔ)充 CO2最高濃度C0。

CO2濃度恒定控制策略就是以第2階段的 CO2濃度Cs為控制目標(biāo)，在白天作物光合作用旺盛的時(shí)段向溫室內(nèi)供應(yīng) CO2，保持室內(nèi)穩(wěn)定的 CO2濃度。但由于作物吸收CO2的強(qiáng)度與溫度和光照強(qiáng)度直接相關(guān)（圖2），除非CO2濃度高于飽和點(diǎn)，否則溫度和光照強(qiáng)度的任何變化都會(huì)影響CO2的濃度，實(shí)際上CO2濃度也在影響著作物的光飽和點(diǎn)。溫度、光照強(qiáng)度和 CO2濃度與光合作用強(qiáng)度是一種非常復(fù)雜的關(guān)系，要維持恒定的空氣 CO2濃度，必須根據(jù)光溫的變化精準(zhǔn)調(diào)控 CO2的供應(yīng)。此外，要維持 CO2濃度在飽和點(diǎn)以上，實(shí)際生產(chǎn)中也是一種不經(jīng)濟(jì)的方式，因此這種調(diào)控模式在大規(guī)模的溫室生產(chǎn)中難以實(shí)施，只有在嚴(yán)格溫光恒定控制的作物生理試驗(yàn)研究中才有可能采用這種供氣模式。

圖2 茄子光合強(qiáng)度與溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度的關(guān)系[10]Fig.2 Relationship between photosynthesis intensity of eggplant and temperature, light intensity and CO2 concentration

1.2 CO2低限濃度控制模型

低限濃度控制模型就是將室內(nèi) CO2濃度控制在人為設(shè)定的作物光合速率較高且較經(jīng)濟(jì)的最低濃度之上，不論環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度如何變化，室內(nèi) CO2濃度始終維持在不低于設(shè)定控制指標(biāo)的水平。

和恒定濃度控制模型不同的是這種控制模型在工程設(shè)計(jì)中控制邏輯簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、造價(jià)低廉，調(diào)整 CO2濃度設(shè)定值，也能保證作物較高的光合作用強(qiáng)度。但這種模型中CO2濃度設(shè)定值帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性和人為因素，溫室中CO2濃度始終處在變化之中，對(duì)CO2利用的有效性和經(jīng)濟(jì)性缺乏精準(zhǔn)的判斷。為有效利用 CO2，提高作物的光合同化積累，工程設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中可根據(jù)作物的光合作用模型，按照光合作用強(qiáng)度設(shè)計(jì)梯級(jí)變化的CO2控制策略（圖 3）。和恒定濃度控制模型相同的是這種控制模型也需要經(jīng)常調(diào)整CO2的供應(yīng)量，對(duì)CO2供氣源的要求較高，一般適用于液化 CO2供氣系統(tǒng)。實(shí)際控制中只要在獲得 CO2濃度低于設(shè)定值的信息后打開(kāi)供氣閥門(mén)向溫室持續(xù)供氣一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)即可，是一種間歇式自動(dòng)控制模式（如圖4）。

圖3 CO2低限濃度控制模型的梯級(jí)控制策略Fig.3 Stepped control strategy for CO2 concentration controlling with low range concentration control model

圖4 應(yīng)用低限濃度控制模型的溫室內(nèi)CO2濃度變化Fig.4 Changes of CO2 concentration in greenhouse by using low range concentration control model

1.3 恒定CO2供氣流量控制模型

恒定供氣流量控制模型就是保持 CO2供氣量恒定，不論溫室內(nèi)溫度和光照如何變化，CO2的供氣流量不隨時(shí)間變化。

這種控制模型在工程上實(shí)行起來(lái)最為簡(jiǎn)便，只要按照設(shè)定時(shí)間打開(kāi)或關(guān)閉供氣閥門(mén)，其他控制設(shè)備可一概省略。因此，這種控制模型非常適合天然氣鍋爐回收煙道尾氣進(jìn)行溫室 CO2施肥的熱氣聯(lián)供系統(tǒng)，在不考慮經(jīng)濟(jì)因素的條件下也同樣適合于液態(tài)CO2供氣系統(tǒng)。

由于作物光合作用強(qiáng)度受溫度和光照強(qiáng)烈影響，恒定供氣模型下溫室內(nèi) CO2濃度將隨光照強(qiáng)度和溫度的提高而降低，反之，當(dāng)溫度降低或光照強(qiáng)度減弱后，CO2濃度則升高，所以室內(nèi)CO2濃度也是在隨時(shí)變化的。

這種控制模型由于 CO2濃度始終是隨溫度和光照強(qiáng)度而變化，雖然在溫室中溫度可以自主控制，但光照強(qiáng)度在不同的季節(jié)、不同天氣條件以及同一天中不同的時(shí)刻變化都很大，如何控制 CO2供應(yīng)量使作物獲得較高的光合作用同化量，是工程設(shè)計(jì)中研究的重點(diǎn)。

2 溫室內(nèi)CO2平衡模型

在一個(gè)半封閉的作物生產(chǎn)溫室中，CO2的收支平衡如圖5。以室內(nèi)空氣中CO2濃度為控制對(duì)象，CO2源包含作物呼吸作用產(chǎn)生的 CO2、土壤微生物分解有機(jī)物產(chǎn)生的CO2、室內(nèi)CO2濃度低于室外時(shí)通風(fēng)換氣或冷風(fēng)滲透進(jìn)入溫室的CO2以及外界補(bǔ)充的CO2；溫室空氣中CO2支出的途徑主要是作物光合作用吸收的CO2和室內(nèi)CO2濃度高于室外時(shí)通風(fēng)換氣或冷風(fēng)滲透溢出溫室的CO2。由此，溫室內(nèi)CO2濃度的動(dòng)態(tài)平衡可表述為

式中V為溫室容積，m3，由于CO2的密度比空氣大，一般都會(huì)沉積在地面附近，對(duì)高架栽培的作物很難依靠自主擴(kuò)散分散到作物冠層中，為此，在實(shí)際運(yùn)行中溫室設(shè)置了水平環(huán)流風(fēng)機(jī)和垂直環(huán)流風(fēng)機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行強(qiáng)制擾動(dòng)，這樣CO2將會(huì)彌漫在溫室中，工程設(shè)計(jì)將V取為整個(gè)溫室容積也是基于這種實(shí)際情況；ΔC為溫室內(nèi)CO2濃度變化量，m3/m3；Qs為土壤中有機(jī)物經(jīng)微生物分解釋放的CO2，m3；Qa為外界人工補(bǔ)充的CO2，m3；Qr為作物呼吸作用放出的CO2，m3；Qv為溫室開(kāi)窗通風(fēng)交換的CO2，m3；Qf為溫室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面縫隙冷風(fēng)滲透交換的CO2，m3；Qp為作物光合作用吸收的CO2，m3；當(dāng)溫室內(nèi)CO2濃度大于室外時(shí)Qv和Qf為負(fù)值。

圖5 溫室中CO2的收支平衡Fig.5 Income and expenditure of CO2 in greenhouse

大型連棟溫室生產(chǎn)多采用高架栽培方式，栽培架下鋪設(shè)地布，走道基本是混凝土地面，這種生產(chǎn)模式下，地面土壤不施有機(jī)肥也不耕作，高架栽培多以巖棉和椰糠為基質(zhì)，以無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液灌溉，由此通過(guò)地面土壤和栽培基質(zhì)釋放進(jìn)溫室的 CO2將受到極大限制。為此，在地面鋪設(shè)地布的高架基質(zhì)栽培溫室中，從土壤和基質(zhì)中釋放的CO2在工程設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)，即Qs=0。

溫室通風(fēng)的主要目的是降溫排濕，從室外引進(jìn)新鮮空氣補(bǔ)充室內(nèi)CO2只是其附帶功能，在沒(méi)有人工補(bǔ)充CO2的條件下，通過(guò)通風(fēng)換氣確實(shí)也是補(bǔ)充室內(nèi) CO2的重要途徑，但在人工補(bǔ)充CO2時(shí)，由于室內(nèi)CO2濃度一般要高于室外，開(kāi)窗通風(fēng)反而會(huì)降低室內(nèi) CO2濃度，所以，在人工補(bǔ)充CO2期間應(yīng)關(guān)閉窗戶(hù)，由此，在工程設(shè)計(jì)中，CO2供氣階段可不考慮通風(fēng)換氣形成的室內(nèi)外氣流交換，即Qv=0。

作物光合作用吸收CO2，而呼吸作用釋放CO2，在同一植株體上這2種作用是同時(shí)發(fā)生的。白天光照條件下，光合作用占主導(dǎo)地位，作物吸收 CO2大于釋放 CO2，表現(xiàn)為凈吸收 CO2；夜間光照強(qiáng)度在作物光補(bǔ)償點(diǎn)以下，光合作用停止而呼吸作用占主導(dǎo)作用，表現(xiàn)為呼吸釋放CO2。對(duì)于人工補(bǔ)充CO2系統(tǒng)，研究的目標(biāo)是白天作物的凈光合量，也就是光合作用吸收與呼吸作用釋放 CO2間的差值Qp-r。

綜上，對(duì)于地面鋪設(shè)地布采用高架基質(zhì)栽培方式的大型連棟溫室，白天溫室內(nèi)CO2平衡的模型將可以簡(jiǎn)化為

或?qū)⑵浔磉_(dá)為瞬時(shí)動(dòng)態(tài)變化模型為

式中dC為CO2濃度瞬時(shí)變化值，m3/m3；dt為變化時(shí)段，h；qa(t)為隨時(shí)間變化的CO2動(dòng)態(tài)供氣量，m3/h；qf(t)為動(dòng)態(tài)冷風(fēng)滲透量，m3/h；qp-r(t)為動(dòng)態(tài)凈光合同化量，m3/h。

3 自然光照條件下CO2模型的供氣量解析

3.1 冷風(fēng)滲透交換的CO2(qf)

冷風(fēng)滲透是通過(guò)門(mén)窗以及溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的縫隙產(chǎn)生的室內(nèi)外氣體交換，一般按照單位時(shí)間內(nèi)溫室的換氣次數(shù)計(jì)算。單位時(shí)間內(nèi)室內(nèi)外空氣的換氣次數(shù)乘以室內(nèi)外CO2濃度差即可獲得通過(guò)冷風(fēng)滲透交換的CO2量，即：

式中qf為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)冷風(fēng)滲透交換的CO2量，m3/h；W為冷風(fēng)滲透換氣風(fēng)速影響因子；N為單位時(shí)間內(nèi)溫室冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)，h-1；Ci、Co為室內(nèi)外空氣中 CO2濃度，m3/m3。

式（5）中溫室容積V可以通過(guò)溫室的幾何尺寸計(jì)算出來(lái)；室內(nèi)CO2濃度為設(shè)計(jì)控制值Ci，根據(jù)種植作物品種、溫室運(yùn)行期間的光照和溫度控制水平確定。綜合考慮作物的光合作用速率（圖6）[11]和經(jīng)濟(jì)性等因素實(shí)際生產(chǎn)中Ci一般可取（600～800）×10-6m3/m3，最大不超過(guò)1 500×10-6m3/m3；考慮到近年來(lái)空氣中CO2濃度增加，2018年已超過(guò)400×10-6m3/m3[12]，室外CO2濃度Co可取400×10-6m3/m3。

圖6 不同CO2濃度對(duì)應(yīng)的光合作用速率預(yù)測(cè)[11]Fig.6 Real relationship between CO2 and photosynthetic rate

冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)N理論上可根據(jù)溫室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的縫隙類(lèi)型、大小和長(zhǎng)度以及室內(nèi)外空氣壓差計(jì)算確定，但由于溫室面積較大，對(duì)縫隙的孔口阻力也較難確定，一般都是在試驗(yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上給出經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)值。王鼎盛[13]給出了不同風(fēng)速條件下，不同類(lèi)型、不同規(guī)模溫室試驗(yàn)測(cè)定的換氣次數(shù)（表1）。由表1可見(jiàn)，在相同風(fēng)速條件下，不同類(lèi)型溫室之間換氣次數(shù)存在差異，玻璃溫室高于塑料溫室；同種類(lèi)型溫室，隨著風(fēng)速的加大換氣次數(shù)隨之增大；密封良好的溫室換氣次數(shù)要小于普通溫室；規(guī)模較小的溫室比大規(guī)模溫室換氣次數(shù)少。

表1 不同類(lèi)型和規(guī)模溫室在不同風(fēng)速下的冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)[13]Table 1 Air change rate of different types and scales greenhouses by air infiltration under different wind speed conditions

為便于工程設(shè)計(jì)，美國(guó)溫室制造業(yè)協(xié)會(huì)[14]和美國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)[15-16]分別給出了新舊溫室在無(wú)風(fēng)條件下的冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)設(shè)計(jì)值（表2）。對(duì)比表1和表2，可以明顯看出美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)給出的設(shè)計(jì)值要遠(yuǎn)小于王鼎盛的試驗(yàn)值。為此，筆者建議，在采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)盡量取設(shè)計(jì)值的上限值。

表2 不同類(lèi)型新舊溫室在無(wú)風(fēng)條件下的冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)設(shè)計(jì)值Table 2 Design values of air change rate of different types new and old greenhouses by air infiltration under still-air condition

表 2給出的冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)是基于無(wú)風(fēng)條件，對(duì)于風(fēng)速持續(xù)超過(guò)6.7m/s的地區(qū)，冷風(fēng)滲透換氣次數(shù)應(yīng)乘以風(fēng)速影響因子W（表3）進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)用室外風(fēng)速可按當(dāng)?shù)?CO2施肥季節(jié)各月平均最大風(fēng)速中的最大值取值或按一定保證率下的概率統(tǒng)計(jì)值確定。

表3 冷風(fēng)滲透換氣風(fēng)速影響因子[14]Table 3 Wind speed impact factor for air change by air infiltration

3.2 作物光合吸收和呼吸釋放CO2間的差值（qp-r）

理論上，某段時(shí)間作物光合凈吸收 CO2的量為作物葉片面積與單位葉面積凈光合速率的乘積。作物葉面積可用葉面積指數(shù)與種植地面面積的乘積求得。為此，單位時(shí)間內(nèi)作物的凈光合量可表達(dá)為

式中As為溫室種植面積，m2；LAI為作物葉面積指數(shù)；qpr為單位葉面積作物的凈光合速率，m3/(m2·h)。

作物葉面積指數(shù)，一般的果菜如番茄、茄子等，LAI大都在3～4之間，而高架栽培的，可達(dá)到5～6[17]。作物光合產(chǎn)物隨葉面指數(shù)增大也會(huì)出現(xiàn)飽和（圖7）[18]，過(guò)高的葉面積指數(shù)反而使呼吸消耗增大，不利于作物凈光合產(chǎn)物累積。由圖 7可見(jiàn)，一般盛果期作物葉面積指數(shù)應(yīng)控制在5.0以下。

圖7 葉面積指數(shù)與總光合量、總干物質(zhì)量和維持呼吸關(guān)系[18]Fig.7 Relationships between leaf area index (LAI) and gross photosynthesis, biomass and maintenance respiration

作物單位面積凈光合速率除了與葉面積指數(shù)相關(guān)外，還與光照強(qiáng)度、溫度、作物品種、營(yíng)養(yǎng)水平、生育階段等有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，蔬菜中單位面積凈光合率以果菜類(lèi)為最大，葉菜和根莖類(lèi)蔬菜較小。由于測(cè)試作物品種和條件不同，不同文獻(xiàn)報(bào)道的作物單位面積凈光合速率有較大差異（表 4），范圍在(0.5～4.0)×10-3m3/(m2·h)，最大值是最小值的 8倍，對(duì)工程設(shè)計(jì)而言，數(shù)據(jù)離散度大，精準(zhǔn)設(shè)計(jì)就有很大的難度。對(duì)照番茄在光飽和點(diǎn)的光合速率和王鼎盛[13]、周長(zhǎng)吉[10]提出的工程設(shè)計(jì)值，考慮工程設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，筆者認(rèn)為(2～4)×10-3m3/(m2·h)為可取的數(shù)值范圍。

表4 文獻(xiàn)研究的作物凈光合速率Table 4 Net photosynthetic rates recorded in different articles

3.3 人工補(bǔ)充CO2負(fù)荷（qa）

3.3.1 恒定CO2濃度控制模式下的供氣量

在恒定CO2濃度控制模式下

由于控制Ci為常量，不隨時(shí)間變化，由此，在一定溫度范圍內(nèi)，設(shè)備的供氣量實(shí)際上與作物光合同化量同步。在達(dá)到光合作用的飽和點(diǎn)后，設(shè)備的供氣量可按CO2飽和濃度計(jì)算；在未達(dá)到飽和點(diǎn)之前，可近似地按照CO2同化量與光照強(qiáng)度線性關(guān)系估算，也就是設(shè)備的供氣量與作物光照強(qiáng)度成正比。在設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)可按種植季節(jié)溫室建設(shè)地區(qū)平均最高光照強(qiáng)度下作物光合作用飽和CO2濃度確定供氣量。顯然，這種設(shè)計(jì)方法 CO2供氣設(shè)備的余量較大，不是一種經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。

3.3.2 低限CO2濃度模式下的供氣量

低限CO2濃度控制模式摒棄了恒定CO2濃度控制模式中以光合作用飽和點(diǎn)需要的 CO2濃度為控制目標(biāo)的不經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)思想，而是采用了光合作用高效區(qū)（即作物凈光速率隨 CO2濃度變化曲線斜率最大的區(qū)域）的CO2濃度為控制對(duì)象，并將其設(shè)定為最低控制濃度。應(yīng)該說(shuō)這是一種最高效的CO2施肥策略。

以溫室生產(chǎn)地區(qū)春秋季平均最高光照強(qiáng)度為基礎(chǔ)，根據(jù)作物光合作用曲線確定作物光合作用高效區(qū)內(nèi) CO2同化量，帶入式（9）可確定出最小供氣流量qa。

3.3.3 恒定CO2供氣流量控制模式下的供氣量

在恒定 CO2供氣流量控制模式下，qa為常量。由于作物光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度的變化而變化，恒定的CO2氣流供應(yīng)肯定無(wú)法適應(yīng)隨時(shí)變化的作物光合作用對(duì) CO2需求量的變化。為此，在工程設(shè)計(jì)中也采用與低限 CO2濃度控制相同的模式，只是將其最低 CO2濃度控制點(diǎn)設(shè)為作物凈光速率隨 CO2濃度變化曲線由迅速增加向趨近飽和變化的拐點(diǎn)，據(jù)此來(lái)計(jì)算設(shè)備的供氣能力。與保持低限CO2濃度控制模式的變量供氣相比，恒定供氣流量模式下的供氣量較大，能使室內(nèi)保持更高的CO2濃度。

4 CO2施肥供氣設(shè)備容量確定

在溫室 CO2施肥最大供氣負(fù)荷確定后，選擇多大容量的供氣設(shè)備是 CO2施肥設(shè)備選型的主要任務(wù)。中國(guó)大型連棟溫室高架種植蔬菜常用的 CO2供氣設(shè)備主要有天然氣鍋爐和液化 CO2罐。前者是將天然氣在熱水鍋爐中燃燒后回收煙氣，經(jīng)有害氣體檢測(cè)合格后作為 CO2碳源供給溫室，在供熱的同時(shí)獲得 CO2，是一種天然氣資源能源和 CO2綜合利用的良好經(jīng)濟(jì)模式，荷蘭等國(guó)家甚至采用熱電聯(lián)產(chǎn)，將發(fā)電、供熱和回收利用 CO2結(jié)合為一體，將天然氣資源從物質(zhì)和能量 2個(gè)方面開(kāi)發(fā)利用到了極致；后者是將灌裝低溫高壓液態(tài) CO2工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)減壓和加熱后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后通過(guò)管道輸送到溫室的一種供氣方式，這種供氣方式氣體純度高，不需要有害氣體監(jiān)測(cè)即可直接使用在溫室中。

4.1 天然氣鍋爐煙氣回收補(bǔ)充溫室CO2的鍋爐功率計(jì)算

熱水鍋爐是以單位時(shí)間（1 h）產(chǎn)出熱量的多少劃分規(guī)格的。天然氣的熱值為35 MJ/m3，按照天然氣標(biāo)準(zhǔn)組分（甲烷85%、乙烷9%、丙烷3%、丁烷1%）計(jì)算，1m3

天然氣完全燃燒后產(chǎn)生的CO2為1.16 m3，由此，可根據(jù)溫室 CO2的設(shè)計(jì)供氣負(fù)荷，按式（10）計(jì)算出鍋爐滿(mǎn)足溫室CO2供給需求的最小熱功率。

式中QB為鍋爐產(chǎn)熱量，MJ/h；ηB為鍋爐中天然氣燃燒的完全度，%。

按照1 MJ/h=278 W和1 t/h蒸發(fā)量≈0.7 MW的換算系數(shù)，可分別計(jì)算出鍋爐的功率和額定蒸發(fā)量。

鍋爐功率的選擇除了考慮 CO2供給外，還要考慮溫室的采暖負(fù)荷，取二者的大者作為選用鍋爐的依據(jù)。如果 CO2供氣的鍋爐功率遠(yuǎn)小于用采暖熱負(fù)荷計(jì)算的鍋爐功率，應(yīng)按照CO2供氣鍋爐功率單配一臺(tái)鍋爐，白天CO2供氣時(shí)僅啟動(dòng)這臺(tái)鍋爐運(yùn)行，在夜間供熱高峰期可參與其他供熱鍋爐一并供熱。

4.2 液化CO2補(bǔ)充溫室CO2的罐體容積確定

液化CO2罐體的容量是以罐體容積或盛裝CO2的質(zhì)量為依據(jù)選擇設(shè)備規(guī)格的。1m3液態(tài)CO2轉(zhuǎn)化為常壓氣態(tài)CO2的體積將變?yōu)?60 m3，或者說(shuō)，常溫常壓下，1 t液態(tài)二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)CO2的體積為509 m3[19]。根據(jù)上述計(jì)算獲得的溫室供氣量，考慮每天的供氣時(shí)間以及更換或補(bǔ)充氣罐的周期，可計(jì)算出液態(tài)CO2的體積或質(zhì)量，再考慮儲(chǔ)液罐的充滿(mǎn)度，即可計(jì)算出儲(chǔ)液罐的容積

式中VLCO2為CO2儲(chǔ)液罐的容積，m3；η為CO2儲(chǔ)液罐的充滿(mǎn)度，%，一般為70%～80%；n為CO2儲(chǔ)液罐的更換或補(bǔ)充周期，d，可取3～7 d，如果供氣濃度低或每天供氣時(shí)間短，也可取為15～20 d；tCO2為溫室每天CO2供氣的時(shí)間，h/d，可取4～6 h/d。

為保證 CO2的可靠供給，設(shè)計(jì)CO2儲(chǔ)液罐時(shí)應(yīng)選 2個(gè)，用氣量少時(shí)可一備一用，用氣高峰期可多臺(tái)同時(shí)使用。在生產(chǎn)管理中如果 CO2空罐的補(bǔ)充或更換安排在下午或夜間作業(yè)，也可不必考慮增加備用儲(chǔ)罐。

5 案例實(shí)證

為了驗(yàn)證上述計(jì)算方法的可靠性，本文以北京某企業(yè)引進(jìn)荷蘭玻璃溫室高架種植番茄為工程案例，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 溫室模型

溫室采用文洛型結(jié)構(gòu)，跨度9.6 m，開(kāi)間5.0 m，檐高6.3 m，脊高7.1 m，每跨3個(gè)小屋脊。溫室共25跨，41個(gè)開(kāi)間，跨度方向總長(zhǎng)度為240 m，開(kāi)間方向總長(zhǎng)度為205 m，地面總面積49 200 m2（圖8）。溫室開(kāi)間方向中部設(shè)走道，走道寬5 m。室內(nèi)種植番茄采用吊架基質(zhì)栽培，栽培床下部滿(mǎn)鋪地布。

為保證均勻送氣，CO2輸送管沿作物栽培架長(zhǎng)度方向布置在每個(gè)栽培架下，輸送管采用透明塑料軟管，每跨布置6根，間距1.6 m，每根軟管上間隔500 mm沿管周均勻開(kāi)4個(gè)直徑8 mm圓孔。

圖8 溫室模型Fig.8 Greenhouse model

按照上述溫室模型，溫室的總?cè)莘eV為329 640 m3，扣除走道后溫室種植地面積As為48 000 m2。

5.2 CO2供氣負(fù)荷

圖9為北京2020年3月份全月室外的平均光照強(qiáng)度和最大光照強(qiáng)度。由圖 9可見(jiàn)，平均光照強(qiáng)度基本處于200 W/m2左右，最大光照強(qiáng)度在400 W/m2上下，溫室平均透光率按 80%計(jì)算，室內(nèi)作物的最大光照強(qiáng)度可維持在 300 W/m2以上。故取溫室設(shè)計(jì)室內(nèi)光照強(qiáng)度為300 W/m2，按照?qǐng)D3的階梯控制模式，室內(nèi)CO2濃度控制水平為600×10-6m3/m3，與圖6對(duì)照，該濃度也正好在作物光合作用的高效區(qū)域。

按照保證600×10-6m3/m3的CO2低限供氣需求，式（9）的計(jì)算參數(shù)按表 5取值后，計(jì)算得 CO2供氣負(fù)荷為786 m3/h，取整后為800 m3/h。

5.3 設(shè)備容量

5.3.1 燃?xì)忮仩t容量

燃?xì)忮仩t燃燒天然氣，回收燃燒尾氣進(jìn)行溫室 CO2供氣。這是典型的恒定氣流供應(yīng)模式。設(shè)天然氣在鍋爐中可實(shí)現(xiàn)完全燃燒，ηB=100%，按照式（10）可計(jì)算出燃?xì)忮仩t供應(yīng) CO2需要的功率為 2.64×104MJ/h，相當(dāng)于7.3 MW或10.5 t/h。

圖9 北京2020年3月室外平均和最大光照強(qiáng)度Fig.9 Average and maximum light intensity outside greenhouse in Beijing, in March, 2020

表5 模型溫室計(jì)算參數(shù)Table 5 Calculation parameters for model greenhouse

按照溫室采暖熱負(fù)荷計(jì)算，單位面積的熱負(fù)荷為240 W/m2，總熱負(fù)荷為11.8 MW，折合16.87 t/h。考慮輔助建筑的采暖后實(shí)際配置鍋爐為2臺(tái)10 t/h燃?xì)鉄崴仩t，白天運(yùn)行1臺(tái)鍋爐即可基本滿(mǎn)足CO2供氣的需要。

溫室實(shí)際運(yùn)行情況如圖10。由圖10可見(jiàn)，盡管CO2濃度在隨著光照強(qiáng)度的增加不斷變化，但最低濃度基本維持在600×10-6m3/m3以上。實(shí)際運(yùn)行與設(shè)計(jì)基本相符。

圖10 溫室實(shí)際運(yùn)行中CO2濃度的變化Fig.10 Changes of CO2 concentration in actual operation greenhouse

5.3.2 液化CO2儲(chǔ)液罐容積

液化CO2罐是一種補(bǔ)充CO2的輔助系統(tǒng)。為了節(jié)省投資，實(shí)際設(shè)計(jì)中溫室的低限CO2濃度按500×10-6m3/m3計(jì)算得CO2供氣負(fù)荷為726 m3/h。供應(yīng)液化CO2儲(chǔ)液罐容積的計(jì)算參數(shù)如表6，按照式（11）計(jì)算得CO2罐體容積為20 m3。實(shí)際運(yùn)行中采用了28 m3容積的車(chē)載灌裝CO2罐，一次有效容量為22.4 m3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖4是本設(shè)計(jì)的實(shí)際運(yùn)行情況，由圖 4可見(jiàn)，在間歇供氣的條件下，室內(nèi)CO2濃度基本控制在了500×10-6m3/m3以上。設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)行需要。

表6 CO2儲(chǔ)液罐罐體容積計(jì)算參數(shù)Table 6 Calculation parameters for liquid CO2 storage tank volume

液化 CO2儲(chǔ)罐的容積與周轉(zhuǎn)時(shí)間和每天的供氣時(shí)長(zhǎng)緊密相關(guān)，設(shè)計(jì)中可根據(jù)當(dāng)?shù)匾夯?CO2供應(yīng)的便利性和控制供氣的濃度和時(shí)長(zhǎng)綜合確定。

6 結(jié) 論

1）本文在分析CO2施肥恒定濃度控制模型、低限濃度控制模型和恒定供氣流量控制模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合作物生長(zhǎng)對(duì) CO2需求規(guī)律和大型連棟溫室蔬菜高架栽培的土壤CO2釋放量低等特點(diǎn)，建立了溫室內(nèi)CO2動(dòng)態(tài)平衡模型；以天然氣鍋爐的回收煙氣和液態(tài) CO2為氣源，提出了以CO2供應(yīng)為目標(biāo)的天然氣鍋爐功率和液態(tài)CO2儲(chǔ)液罐容積計(jì)算方法，為溫室 CO2供氣負(fù)荷計(jì)算和系統(tǒng)設(shè)備選型提供了方法。

2）以栽培面積49 200 m2，容積329 640 m3的文洛型溫室為案例，采用本文建立模型進(jìn)行計(jì)算表明，在 CO2施肥恒定流量控制模式下，設(shè)定最低控制 CO2體積分?jǐn)?shù)為600×10-6m3/m3條件下，白天僅需運(yùn)行1臺(tái)額定蒸發(fā)量為10 t/h的天然氣鍋爐就可滿(mǎn)足CO2施肥需求。用液化CO2施肥，在CO2低濃度控制模式下，設(shè)定最低控制CO2體積分?jǐn)?shù)為 500×10-6m3/m3條件下，則需要配備容積為20 m3的儲(chǔ)液罐。實(shí)測(cè)溫室內(nèi)CO2濃度曲線表明，通過(guò)本文建立的模型計(jì)算選擇的 CO2供氣設(shè)備型號(hào)，能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。可為同類(lèi)工程設(shè)計(jì)提供參考。

致謝：張志強(qiáng)工程師為本論文制作了插圖，特此表示感謝！