噴霧對溫室溫濕度影響的試驗研究

李景浩，朱德蘭

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌712100）

0 引 言

溫室大棚能夠為經濟作物提供良好的生長環境，其顯著的經濟效益和社會效益使得溫室栽培成為設施農業的重要組成部分[1,2]。其中，溫度和濕度是溫室內小氣候環境中最為重要的影響因子，溫濕度是否處于合理區間，直接關系到作物的生長狀態。夏季溫室易積聚大量多余的熱量，造成溫室內溫度極高，嚴重影響室內農作物的生長[3]。較高的濕度會影響植株的授粉，導致植株的葉片薄而軟，極易感染真菌類疾病[4]。

針對夏季溫室降溫的問題，眾多研究學者從溫室通風降溫、噴霧降溫、濕簾風機降溫以及遮陽降溫等方面開展了大量研究[5-14]。何科奭[15]研究表明，不同通風方式所形成的溫室環境差異較大，頂部和側部風口均開啟時，溫室通風率最高，導致室內外溫差最小，同時也能產生較為均勻的室內氣候，優于單開頂、側風口。楊家飛[16]研究表明，高溫天氣情況下，當濕簾風機降溫系統在密閉飼養蛋雞舍運行時，雞舍內溫度較舍外溫度低約5.4 ℃，舍內濕度較舍外平均增高14.81%；孫維拓[17]設計了日光溫室正壓濕簾冷風降溫系統，在典型夏季高溫白天，正壓濕簾冷風降溫系統配合遮陽網比采用自然通風配合遮陽網的對照區低5.4～11.1 ℃，比室外低2.4～5.4 ℃，降溫效果良好。張芳[18]在夏季典型晴天開展了噴霧降溫試驗，試驗結果表明，試驗溫室與對照溫室相比，氣溫分別要低3～6 ℃，空氣相對濕度分別增加10%～23.8%。綜上所述，前人針對如何降低溫室內溫度的問題進行了大量研究，但對于單噴頭最優使用工況的問題尚未很好解決，同時關于微噴頭霧化指標、噴霧時間和側窗開閉情況對溫室溫濕度的影響尚不明晰。

基于此，本文應用了微噴頭的噴霧降溫方式，對單噴頭噴霧降溫過程及效果進行探究。測試不同霧化指標下的單噴頭在雙拱雙膜溫室內，連續工作5、10和15 min，開啟或關閉側窗的組合模式下溫室內溫濕度的變化情況，以期為噴霧降溫提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點為西北農林科技大學旱區節水農業研究院（緯度34°20′N、經度108°24′E）。試驗溫室為雙拱雙膜大棚，屋脊為南北朝向，溫室長6.0 m，寬5.2 m，脊高4.0 m。拱架為鋼筋結構，溫室頂部配有紡織材料制成的保溫棉被（可調節展開或收起），透光材料為聚氯乙烯薄膜，且配有卷簾機、通風口、風機、濕簾等控制設備。

1.2 試驗設計

本試驗選取溫室常用的橙色單出口霧化噴頭作為試驗噴頭，噴嘴形狀為圓形，最大直徑1 mm，噴灑半徑為0.5～0.7 m，噴頭安裝在溫室內頂部中間位置，高度距地面3.5 m，安裝形式為下噴，試驗裝置包括蓄水池、變頻水泵、壓力傳感器、疊片式過濾器和電磁閥。噴頭的輸水管道布置在溫室頂部，支管上預留三通口以安裝霧化噴頭。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置及測點示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of test device and measuring points

本試驗設有4個因素，分別為水壓力（3水平）、噴嘴直徑（3 水平）、噴水時間（3 水平）和側窗開閉（2 水平），試驗共54組處理，見表1。

表1 試驗因素和水平Tab.1 Experimental factors and levels

1.3 測試指標

（1）室內外空氣溫濕度值。在溫室南北中間截面內布設溫濕度傳感器。溫室內試驗測點位置見圖1。空氣溫濕度傳感器（T1～T5）分別放置在溫室內距離左右兩側窗0.4、1.4 和2.4 m 遠處，離地高為1 m，用來監測溫室內生菜生長區的空氣溫濕度。室內采用RS-485 溫濕度傳感器，室外采用RSFSXCS超聲波一體式氣象站。

試驗開始時，記錄試驗初始數據，試驗開始后30 min 內，每1 min 記錄一次溫濕度數據，監測數據自動保存在PC 端組態王軟件中，存儲頻率可根據需要任意設定，之后將采集完成的數據生成EXCEL 文件。試驗結束后，所有溫濕度數據均取均值處理。

（2）變頻水泵的電流和電壓值。在試驗過程中記錄變頻水泵的電流和電壓值，以計算不同工況下噴霧系統的能耗。

2 結果與分析

2.1 不同霧化指標對溫室內溫濕度的影響

為探究噴頭霧化指標H（m）/D（m）對溫室內溫濕度的影響，本文選擇2021年7月8日至7月10日15∶00～15∶30（室內外環境情況基本一致）側窗關閉時不同霧化指標下，噴霧5 min 的試驗數據進行分析。圖2 是溫室內的降溫增濕幅度變化圖。

由圖2（a）可知，各處理的降溫幅度均表現出明顯的先增大后趨于穩定并逐漸減小的規律性。這是由于噴霧開始，溫室中水霧的含量逐漸上升，水霧蒸發吸收的熱量逐漸大于溫室吸收的外部熱量，降溫幅度逐漸增大；隨后，降溫幅度開始趨于穩定并緩慢下降，這是由于溫室吸收外部熱量大于噴霧水霧蒸發吸收溫室內的熱量；各處理中，降溫幅度最大的為D3-30 處理（霧化指標為4×104），為5.4 ℃，降溫幅度與水壓力和噴嘴直徑均呈正相關。

圖2 晴天天氣情況下噴霧試驗結果Fig.2 Spray test results in sunny weather

由圖2（b）可知，溫室內增濕的變化趨勢與降溫的變化趨勢一致，增濕幅度先增大后趨于穩定并逐漸減小。各處理中，增濕幅度最大的為D3-30 處理，為25.9%，此時，溫室內的濕度可達到69%，作物長時間生存在高濕度的環境內，可能會引起多種病蟲害。增濕幅度最小的為D1-20 處理，為14%。同一噴嘴直徑下，水壓力越大即霧化指標越大，增濕幅度越大。同一水壓力下，噴嘴直徑越大即霧化指標越小，增濕幅度越大。

需要特別說明的是，D2-20 處理和D3-30 處理的霧化指標均為4×104，但兩個處理的降溫效果和增濕幅度卻不相同，這是因為這兩個處理相同時間內的噴霧量不同，噴霧量大的處理降溫效果優于噴霧量小的處理。

2.2 不同噴霧時長對溫室內溫濕度的影響

為了比較不同噴霧時長的降溫和增濕情況，依據同一時刻室外環境差異較小的原則，試驗時間選取了2021年6月30日到2021年7月2日連續3 天的數據進行分析。6月30日噴霧時間設定為5 min；7月1日噴霧時間設定為10 min；7月2日噴霧時間設定為15 min。噴嘴直徑均為0.5 mm，水壓力均為0.25 MPa，側窗關閉。

試驗期間，30日、1日和2日15∶00～15∶30 室外平均溫度分別為34.4、34.7 和34.8 ℃，室內初始時刻溫度分別為40.1、40.5和40.7 ℃，3次試驗室內外溫度基本一致。

圖3（a）為6月30日到7月2日15∶00～15∶30 試驗溫室內溫度的變化。6月30日到7月2日15∶00～15∶30 的試驗溫室初始溫度與最低溫度的差值即降溫幅度分別為3.7、5.2 和6.7 ℃。降溫幅度最大值均出現在噴霧結束后3 min左右，之后開始趨于穩定并緩慢下降。其中，噴霧15 min 的處理保持較高降溫幅度的時間最長，達到8 min，噴霧5 min和10 min的處理分別為4 min和6 min，這是由于噴霧時間長，溫室內的空氣水霧含量較高，可以更好地抵御外部高溫，從而延長降溫的效果。僅從降溫效果上看，噴霧時間為15 min 的噴霧模式降溫效果更好，且持續時間更長。

圖3 晴天天氣情況下不同噴霧時長試驗結果Fig.3 Test results of different spray times in sunny weather

圖3（b）為6月30日到7月2日15∶00～15∶30 試驗溫室內濕度的變化。6月30日-7月2日15∶00～15∶30 的試驗溫室初始濕度與最高濕度的差值即增濕幅度分別為19.7%、26.1%和35.9%。增濕幅度變化趨勢同降溫幅度，隨著噴霧時間增加，其相對濕度也隨之增加。雖然噴霧15 min 降溫效果最好，但其濕度也是增加最明顯的，噴霧15 min 的處理溫室內最高濕度可達65.9%，噴霧5 min 和10 min 處理溫室內最高濕度分別為49.7%和56.1%，但由于長時間處于高濕環境，會抑制植株正常的水分蒸騰，誘發病蟲害，故從噴霧降溫增濕可控性來說，噴霧時間為10 min的噴霧模式降溫效果更好。

2.3 側窗開閉對溫室內溫濕度的影響

本試驗選取6月20日（開啟側窗）和7月1日（關閉側窗）2天的試驗數據并對其分別進行處理分析，比較在晴天天氣情況下，噴嘴直徑為0.5 mm，水壓力為0.25 MPa，開啟側窗和關閉側窗溫室噴霧10 min 后30 min 內溫室內溫濕度的變化情況。2次試驗室內外環境基本一致，室內初始溫度分別為38.4和37.9 ℃，相對濕度分別為31.6%和33.1%。

由圖4（a）可以看出晴天時側窗開閉情況不同，溫室內溫度變化規律不同。在試驗30 min 內晴天開啟側窗溫度下降幅度大于關閉側窗溫度下降幅度，其下降幅度在結束噴霧2 min 后最高可達7.6 ℃，而關閉側窗溫度下降幅度最高為5.2 ℃。開始噴霧后，開啟側窗比關閉側窗降溫速率更快，到達最高點后，開啟側窗處理降溫幅度開始出現下降，直至28 min 時趨于穩定，降溫幅度最終為5.6 ℃，這是因為，噴霧結束后，風帶走了溫室內過多的水蒸氣，導致溫度小幅回升，最終趨于穩定。關閉側窗處理降溫幅度到達最高點后開始趨于穩定并緩慢下降。開啟側窗的降溫效果要優于關閉側窗的情況，降溫幅度差值最終為1.2 ℃。

圖4 晴天天氣情況下不同通風情況試驗結果Fig.4 Test results of different spray times in sunny weather

晴天天氣情況下，側窗開閉不同，溫室內濕度變化出現顯著差異。由圖4（b）不難得出，關閉側窗時的相對濕度增量（26.1%）遠大于開啟側窗時的相對濕度增量（7.4%）。探究其原因，關閉側窗時，溫室內部空間相對封閉，空氣流動性很低，噴霧產生的水霧經過蒸發形成水蒸氣，水蒸氣聚集在整個溫室內，導致溫室內的濕度上升幅度較大；開啟側窗時，溫室內通風情況良好，水霧蒸發吸熱，吸收了溫室內部的熱量，相較于室外，溫室內部濕度較高，自然通風使空氣流動，將室內高濕空氣排出，再補充進入室外較干燥空氣，以實現降溫的同時，濕度不會明顯上升。

2.4 不同處理下的能耗對比

不同工況的降溫幅度不同，能耗也不盡相同。表2是初始溫度為40 ℃，不同工況下降溫幅度達到5 ℃時的變頻水泵功率、時間和能耗值。

由表2可知，變頻水泵的功率與水壓力和噴嘴直徑均呈正相關，變頻水泵的功率隨著水壓力和噴嘴直徑的增大而增大。同一水壓力下，增大噴嘴直徑會增加流量，即變頻水泵功率會增大，噴嘴直徑0.50 mm 和0.75 mm 下的功率僅比0.25 mm增加0.81%和1.23%，增幅不大。同一噴嘴直徑下，增大水壓力也會導致流量增大，變頻水泵功率增大，水壓力0.25 MPa和0.30 MPa 下的功率比0.20 MPa 增加17.07%和35.98%，增幅明顯。改變水壓力引起的變頻水泵功率的變化要遠大于改變噴嘴直徑的影響，變頻水泵功率更多的取決于水壓力。

表2 不同工況下降溫幅度達到5 ℃時的變頻水泵功率、時間和能耗值Tab.2 Current,voltage and power values of variable frequency water pumps with different working pressure and nozzle diameter

不同工況下降溫幅度達到5 ℃時，能耗最低的為噴嘴直徑0.75 mm，水壓力0.25 MPa 處理，為562.2 kJ。在該處理下，僅用時474 s 降溫幅度便達到5 ℃。初始溫度為40 ℃時，同一噴嘴直徑下，降溫幅度達到5 ℃的時間隨著水壓力的增大而減小；同一水壓力下，降溫幅度達到5 ℃的時間隨著噴嘴直徑的增大而減小。時間與水壓力和噴嘴直徑均呈負相關。

式（1）為水壓力和噴嘴直徑與能耗進行的多項式函數擬合方程，其決定系數R2為0.98，表明擬合公式可以很好地反映水壓力和噴嘴直徑與能耗的關系。

式中：E為噴霧系統能耗，kJ；H為水壓力，m；D為噴嘴直徑，mm。以噴霧系統在初始溫度為40 ℃時降溫5 ℃的耗電量最低為評價標準，能耗最低的處理僅耗電0.156 kWh，結合楊凌當地電價0.5元/kWh，可以得出，降溫電費成本為0.078元，噴霧系統運行成本低。因此，在降溫效果相近的情況下，基于節約能源的目的，應優先考慮降低水壓力和增大噴嘴直徑。

3 結 論

在不同霧化指標、噴霧時間和側窗開閉情況下，對噴霧對溫室溫濕度的影響進行了試驗研究，得出以下結論：

（1）噴霧降溫的原理是水霧蒸發吸熱，不同霧化指標下的噴霧對溫室內的溫濕度的影響有顯著性差異，水壓力越大（霧化指標越大）、噴嘴直徑越大（霧化指標越小），即同一時間內噴出的水霧越多，降溫效果越明顯。初始溫度為40 ℃時開啟噴霧（噴嘴直徑為0.75 mm，壓力0.30 MPa，時間5 min），降溫幅度最高可達5.4 ℃，降溫效果最明顯，增濕幅度變化趨勢同降溫趨勢。在降溫5℃的情況下，使整個噴霧系統的能耗最低，以噴嘴直徑為0.75 mm，壓力0.25 MPa最為合適。

（2）不同噴霧時長的噴霧對溫室內溫濕度的影響有顯著性差異，噴霧時間越長，降溫效果越明顯，可以更好的抵御高太陽輻射值，但長時間噴霧會導致溫室內濕度過高，造成植物病蟲害，故連續噴霧10 min最為合適。

（3）側窗開閉情況不同，噴霧對溫室內溫濕度的影響有顯著性差異；相同噴霧時間下，開啟側窗的降溫情況（5～7 ℃）優于關閉側窗且相對濕度上升幅度小（5%～10%）。因此，噴霧時應開啟側窗，降溫更顯著。

（4）水壓力0.25 MPa、噴嘴直徑0.75 mm、噴霧時間10 min 并配合側窗通風為該試驗降溫效果最優且能耗最低的工況，可為雙拱雙膜溫室夏季的快速降溫提供參考。