日光溫室后墻自走式霧化降溫機(jī)夏季降溫效果評(píng)價(jià)

馬永杰, 王星怡, 韓聰穎, 藺玉紅, 馬 慧, 張雪艷

(寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021)

0 引 言

【研究意義】日光溫室由于其能為作物提供適宜穩(wěn)定的生長環(huán)境，提升作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，已經(jīng)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要類型[1]。但在北方夏季溫室內(nèi)常常超過40℃，這已經(jīng)超過了大多數(shù)園藝作物的高溫界限，溫室高溫嚴(yán)重影響了溫室植物的正常生長[2]。在夏季溫室生產(chǎn)中，通過適當(dāng)?shù)臏厥覛夂蚩刂疲捎貌煌慕禍胤椒ǎ梢匝娱L夏季栽培期，獲得適宜植物生長的溫室氣候條件。在為作物提供正常生長環(huán)境的前提條件下，研究其降溫措施的合理有效性和經(jīng)濟(jì)性是提高溫室生產(chǎn)效率的重要手段，在有效避夏季溫室資源浪費(fèi)的同時(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室越夏生產(chǎn)和提高溫室利用效率具有重要意義[3]。【前人研究進(jìn)展】溫室降溫技術(shù)可分為通風(fēng)(自然和強(qiáng)制)、遮陽、蒸發(fā)冷卻和復(fù)合系統(tǒng)(熱交換器)[4]。其中蒸發(fā)冷卻被認(rèn)為是最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法[5]。如周偉、汪小旵等[6]基于CFD對(duì)Venlo溫室夏季組合降溫措施模擬進(jìn)行了研究，通過自然通風(fēng)、外遮陽+自然通風(fēng)、外遮陽+自然通風(fēng)+噴霧不同降溫措施對(duì)溫室綜合降溫效果的貢獻(xiàn)率研究，得出3種降溫措施下霧化貢獻(xiàn)率最低，這是因?yàn)樵谀戏捷^高的濕度影響了噴霧降溫效率。張芳等[7]利用計(jì)算流體力學(xué)，模擬自然通風(fēng)條件下及噴霧降溫條件下的大跨度溫室內(nèi)的環(huán)境分布，分析了60 s開300 s關(guān)、90 s開300 s關(guān)和120 s 開 300 s 關(guān)3種噴霧運(yùn)行模式噴霧蒸發(fā)冷卻效率，從降溫效果及噴霧蒸發(fā)冷卻效率結(jié)合分析得出，120 s開300 s關(guān)的降溫效果最為理想。在霧滴粒徑方面，有研究表明，霧滴直徑在15 μm左右，冷霧能快速蒸發(fā)，且不浸濕地面。霧滴大小主要由噴頭決定，霧化降溫噴頭結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)噴頭，在保證霧滴粒徑大小的同時(shí)還要防止堵塞[8]。影響霧化效果的另一個(gè)因素是霧化機(jī)的水壓，前人研究表明，霧化壓力低于110 kPa時(shí)，降溫幅度隨著壓力的增加而升高，反之，則降溫效果趨于平滑；濕度隨壓力增大而不斷增加，綜合考慮溫度和濕度2個(gè)因素，噴霧壓力為100～120 kPa最為合適[9]。【本研究切入點(diǎn)】盡管前人對(duì)霧化降溫各方面影響因素做了大量研究，但仍存在以下問題：夏季7、8月氣溫高時(shí)，溫室內(nèi)每隔30～60 min就要進(jìn)行噴霧降溫，而目前大多數(shù)的溫室以人工控制噴霧為主，不但控制精度低且人工成本高，影響作物成活率和后續(xù)生長[10]。目前大多數(shù)溫室利用噴頭進(jìn)行霧化，容易造成堵塞。研究以自主研發(fā)的后墻自走式霧化降溫機(jī)為材料，選取典型連續(xù)高溫天氣，系統(tǒng)分析霧化機(jī)械1 d內(nèi)不同時(shí)間段不同霧化模式(霧化時(shí)間和霧化間隔)的降溫效果，分析了霧化過程中溫室垂直和水平方向的溫濕度變化，明確不同時(shí)段的最佳降溫的運(yùn)行模式。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用自主研發(fā)的設(shè)施懸掛自走式霧化降溫、噴藥、噴肥一體裝置，總計(jì)9種運(yùn)行模式，在夏季晴天高溫條件下開展降溫效果評(píng)價(jià)試驗(yàn)。為越夏生產(chǎn)溫室合理霧化降溫以及為霧化機(jī)改進(jìn)和智能化運(yùn)行提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 溫 室

試驗(yàn)地位于寧夏銀川市賀蘭縣寧夏園藝產(chǎn)業(yè)園4號(hào)日光溫室(38°26′N，105°53′E)。溫室南北走向，長60 m，跨度7 m，脊高3.4 m，溫室為拱形鋼骨架結(jié)構(gòu)，覆蓋材料為單層0.08 mm的PO塑料薄膜。上下通風(fēng)口最大開度為0.9 m。溫室內(nèi)部靠北墻過道寬1 m，過道與栽培區(qū)域由玻璃墻隔斷；栽培區(qū)從東至西由玻璃墻隔斷為4 個(gè)區(qū)域，試驗(yàn)選擇區(qū)間1、2、3區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，區(qū)間4為對(duì)照區(qū)域[11]。圖1

圖1 試驗(yàn)溫室三維立體Fig.1 Three-dimensional view of the experimental greenhouse

1.1.2 儀 器

試驗(yàn)選擇8月室外氣溫較高，且持續(xù)高溫誤差較小的3 d進(jìn)行，利用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的EC-JWSM-3AT型溫濕度傳感器(濕度0～100%RH，準(zhǔn)確度：±1%RH；溫度0～50℃，準(zhǔn)確度：±0.5℃)對(duì)溫室溫濕度信息每1 min采集一次，采用記錄儀上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和動(dòng)態(tài)變化分析。每個(gè)區(qū)間布置5個(gè)溫濕度傳感器，每個(gè)傳感器可同時(shí)測量溫度和濕度；水平方向2個(gè)測量點(diǎn)，分別位于距地面高0.5 m，距后墻走道外沿2和4 m處。垂直方向3個(gè)測量點(diǎn)，分別位于距地面高0.5、1.5、2.5 m，距后墻走道外沿3 m處。其中垂直方向0.5 m與水平方向3 m共用一個(gè)測點(diǎn)。圖2

圖2 溫室試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)和溫濕度傳感器分布示意Fig.2 Schematic diagram of greenhouse test area design and temperature and humidity sensor distribution

1.1.3 霧化降溫系統(tǒng)

霧化降溫機(jī)由行走導(dǎo)軌、行走裝置、噴灑裝置、供液裝置、控制裝置等部分組成。裝置行走導(dǎo)軌架安裝在溫室大棚骨架的下方，總長60 m，寬度0.1 m，中間有若干吊支架固定；霧化系統(tǒng)由行走裝置通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)在行走導(dǎo)軌上移動(dòng)，行走速度可調(diào)節(jié)；供液水箱與霧化風(fēng)機(jī)連接，供液水箱儲(chǔ)水量為0.03 m3，霧化風(fēng)機(jī)由供液水泵供水，水泵流量為200 L/h，為防止水泵空轉(zhuǎn)，水箱內(nèi)安裝有水位開關(guān)；霧化風(fēng)機(jī)為圓形，直徑0.37 m，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。

霧化裝置開啟，引流水泵將水引入霧化機(jī)盛液槽，風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下將引流裝置噴出的液體噴射到離心擋水盤上，在離心擋水盤的作用下從離心擋水盤的邊沿流出，網(wǎng)狀的外防護(hù)支架位于離心擋水盤的前部，外防護(hù)支架的邊沿的內(nèi)緣大于擋水盤的外緣，以形成水霧噴出的環(huán)形通道，外防護(hù)支架的邊沿的內(nèi)緣上均勻間隔有若干凸起，從離心擋水盤流出的液體沖到凸起上被打散成水霧，并使水霧在風(fēng)機(jī)葉片的作用下向前噴出，水霧與空氣混合，利用水蒸發(fā)潛熱的特點(diǎn)，在風(fēng)力的作用下帶走溫室內(nèi)熱空氣。圖3

圖3 霧化降溫機(jī)實(shí)物Fig.3 Real thing of automization cooling machine

1.2 方 法

設(shè)置霧化機(jī)分別運(yùn)行4、8、12 min，分別間隔20、40、60 min。共設(shè)置了9種運(yùn)行模式：4-20、4-40、4-60、8-20、8-40、8-60、12-20、12-40、12-60分別代表以上9種運(yùn)行模式。試驗(yàn)在每天09:30～17:30溫室內(nèi)溫度較高時(shí)間進(jìn)行，09:30～12:00為上午階段，12:00～14:00為中午階段，14:00～17:00為下午階段。

1.3 數(shù)據(jù)處理

每個(gè)處理有3個(gè)重復(fù)，使用Excel 2016與SPSS 25進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作圖軟件采用Origin 2018，溫室三維立體圖采用SketchUp 2019進(jìn)行繪制，霧化區(qū)和對(duì)照區(qū)溫濕度分別為各霧化處理3 d的平均值，降溫增濕幅度為霧化機(jī)運(yùn)行期內(nèi)霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)差值。通過單因素ANOVA進(jìn)行分析，采用Tukey分析進(jìn)行P< 0.05水平的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧化機(jī)整體降溫增濕效果

研究表明，3 d室內(nèi)最高溫均超過40℃，濕度最低值都在25%以下。整個(gè)高溫期內(nèi)霧化區(qū)間濕度比對(duì)照區(qū)高出3%～6%。其中3 d濕度最大值分別在出現(xiàn)10:13，濕度為64.5%；10:16 am，濕度為60.5%；09:50，濕度61.9%；且濕度最大值均出現(xiàn)在第一區(qū)間垂直方面2.5 m處。3 d濕度最小值分別出現(xiàn)在14:51，濕度23.3%；14:20，濕度21.4%；14:20，濕度23.3%；棚內(nèi)最高溫分別出現(xiàn)在13:58，溫度43.7℃；14:21，溫度45.2℃；14:12，溫度47.3℃；最高溫都出現(xiàn)在垂直高0.5 m處，濕度最小值均出現(xiàn)在對(duì)照區(qū)間垂直0.5 m處，在14:00～14:50這一時(shí)間段內(nèi)，棚內(nèi)溫度達(dá)到最大，濕度最低；對(duì)照區(qū)濕度低主要是沒有進(jìn)行霧化降溫，0.5 m處溫度濕度低主要是這一時(shí)間段內(nèi)環(huán)境氣溫達(dá)到最高，再加上地面的太陽輻射熱量導(dǎo)致這一水平溫度高濕度低。圖4

圖4 霧化區(qū)和對(duì)照區(qū)3 d平均溫濕度變化Fig. 4 Change of average temperature and humidity in atomization cooling and control regions

2.2 不同運(yùn)行模式不同時(shí)間段降溫增濕效果

研究表明，上午階段溫室環(huán)境溫濕度變化幅度大，溫度1 h上升4.5℃，濕度1 h下降8.2%，上午進(jìn)行霧化降溫，環(huán)境溫濕度變化影響降溫效果。霧化4 min降溫0.6～1.2℃，增濕2.5%～4.8%；霧化8 min降溫1.2～2.5℃，3.1%～6.7%；霧化12 min降溫1.3～2.5℃，增濕4.0%～7.2%。12-40運(yùn)行模式的溫度降幅最大，且降幅顯著高于4-20、4-40、4-60、8-20運(yùn)行模式，與8-40、8-60、12-20、12-60運(yùn)行模式差異不顯著。12-60運(yùn)行模式增濕效果最好，均顯著高于其他處理。綜合降溫增濕效果分析，在上午階段運(yùn)行12 min，間隔60 min運(yùn)行模式最佳。圖5

圖5 不同運(yùn)行模式上午階段降溫增濕效果Fig.5 Cooling and humidifying effects of different operation modes in the morning

中午高溫時(shí)霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)差異相對(duì)上午階段的小，此時(shí)溫室內(nèi)溫度達(dá)到40℃以上，濕度為25%～30%，運(yùn)行4 min只能降溫0.2～0.8℃，增濕3.5%～4.7%；運(yùn)行8 min降溫1.0～1.8℃，增濕4.1%～6.2%；運(yùn)行12 min降溫1.5～2.0℃，增濕4.5%～5.8%。8-20運(yùn)行模式與霧化4 min的3種模式相比降溫幅度與增濕幅度均達(dá)到顯著水平；與霧化12 min 3種運(yùn)行模式差異不顯著，因此在中午當(dāng)霧化時(shí)間從4 min增加到8 min時(shí)能夠提降溫增濕，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間增加到12 min時(shí)并不能繼續(xù)提高降溫增濕效果。中午階段運(yùn)行8 min間隔20 min效果最好。圖6

下午階段運(yùn)行4 min降溫0.7～1.7℃，增濕4.5%～7.2%；運(yùn)行8 min降溫1.0～2.7℃，增濕4.7%-5.6%；運(yùn)行12 min，降溫2.5～4.5℃，增濕6.7%～8.3%。運(yùn)行4 min和8 min的降溫增濕效果差異較小，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間增加為12 min時(shí)，降溫增濕幅度大幅提高，在降溫方面，12-20運(yùn)行模式降溫幅度最大，與其他運(yùn)行模式差異達(dá)顯著水平；增濕效果方面，12-20與4-20、12-40、12-60差異不顯著，與其他運(yùn)行模式差異顯著。在下午增加霧化時(shí)間可以快速的降低溫室內(nèi)1 d積累的熱量，達(dá)到降溫增濕效果。下午運(yùn)行12 min，間隔20 min效果最好。圖7

圖6 不同運(yùn)行模式中午階段降溫增濕效果Fig.6 Cooling and humidifying effects of different operation modes at noon

圖7 不同運(yùn)行模式下午階段降溫增濕效果Fig.7 Cooling and humidifying effects of different operation modes in the afternoon

2.3 霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)水平方向溫濕度變化

研究表明，水平方向霧化區(qū)間溫度：4 m>2 m>3 m，而對(duì)照區(qū)溫度為：3 m>4 m>2 m；霧化區(qū)濕度：3 m>4 m>2 m，對(duì)照區(qū)濕度：2 m>4 m>3 m。霧化區(qū)間水平3 m處溫度最低，濕度最大，濕度最大比2 m處高4.0%；對(duì)照區(qū)3 m處溫度最高，濕度最小，霧化機(jī)集中霧化區(qū)域在水平3 m處；霧化機(jī)功率太小或者水霧霧粒太大，水平4 m以外的地方霧化效果不是很明顯。圖8

圖8 霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)水平方向溫濕度變化Fig. 8 Changes of temperature and humidity in the horizontal level in automization cooling and control regions

2.4 霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)垂直方向溫濕度變化

研究表明，垂直方向霧化區(qū)間溫度：0.5 m>1.5 m>2.5 m，對(duì)照區(qū)：0.5 m>2.5 m>1.5 m；霧化區(qū)濕度：2.5 m>1.5 m>0.5 m，對(duì)照區(qū)濕度：1.5 m>2.5 m>0.5 m。霧化區(qū)垂直方向2.5 m處溫度比0.5 m處平均低2.3℃，濕度平均高5.4%，最大溫差為3.1℃，最大濕度差為6.9%；從圖9a、b可以看出最大溫濕度差值都出現(xiàn)在14:00～14:30，該時(shí)間段溫室溫濕度達(dá)到1 d的峰值，在溫室溫濕度達(dá)到峰值時(shí)垂直方向霧化降溫能夠起到較好的降溫效果。圖9

2.5 最佳運(yùn)行模式降溫增濕效果評(píng)價(jià)

研究表明，在上午階段得出霧化12 min，間隔60 min增濕效果最好，上午10:04～11:16這段時(shí)間霧化12 min后溫度降低、濕度增大，10:16霧化結(jié)束時(shí)霧化區(qū)濕度比對(duì)照區(qū)高出13.0%，溫度低2.5℃，降溫效果顯著；等待60 min后霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度相差0.8℃，霧化區(qū)濕度仍能保持比對(duì)照區(qū)高出5.4%。在保證降溫增濕效果的前提下，考慮到運(yùn)行成本和對(duì)霧化機(jī)的保護(hù)上午階段12-60運(yùn)行模式合理。

中午階段溫室內(nèi)的溫度達(dá)到最大，濕度最低，此時(shí)通過持續(xù)霧化很難達(dá)到理想的降溫效果，可通過合理間斷的霧化來保持溫度恒定，霧化8 min后霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)能夠保持1.6℃的溫度差值和8.3%的濕度差值，隨著氣溫的升高12 min后霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)溫度相同，濕度差值縮小為2.8%。因此中午為保證有效的降溫增濕應(yīng)該調(diào)整運(yùn)行時(shí)間為8 min，間隔12 min較為合理。

下午雖然外界環(huán)境溫度降低，但1 d的高溫使得溫室內(nèi)積累大量熱量且處于密閉環(huán)境，短時(shí)間內(nèi)溫度很難降低，通過持續(xù)的霧化能夠使溫室濕度回升溫度下降；運(yùn)行12 min后霧化區(qū)溫度下降1.4℃，濕度增加8.0%，間隔20 min后霧化區(qū)溫濕度回升達(dá)到與對(duì)照區(qū)相同，此時(shí)繼續(xù)采用12-20運(yùn)行模式能夠使得溫度下降，濕度增加。下午階段最佳運(yùn)行模式為運(yùn)行12 min，間隔20 min。圖10-12

3 討 論

周年高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)是日光溫室的發(fā)展方向[12]。日光溫室在夏季生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)持續(xù)性高溫或低濕狀況，對(duì)作物生長極為不利[13]。高溫一方面使作物呼吸速率增強(qiáng)，導(dǎo)致干物質(zhì)積累減少，影響果實(shí)品質(zhì)；另一方面使蒸騰作用加快，溫室內(nèi)濕度降低，嚴(yán)重時(shí)可造成作物枯死[14]。試驗(yàn)在自然通風(fēng)的情況下利用自主研發(fā)霧化機(jī)對(duì)溫室進(jìn)行霧化降溫，使其能正常組織生產(chǎn)，從而提高周年利用率[15]。

圖9 霧化區(qū)與對(duì)照區(qū)垂直方向溫濕度變化Fig.9 Changes of temperature and humidity in the vertical level between the in atomization and control regions

圖10 上午12-60降溫增濕效果Fig.10 Cooling and humidifying effect at 12-60 am

圖11 中午8-20降溫增濕效果Fig.11 Cooling and humidifying effect at 8-20 am

圖12 下午12-20降溫增濕效果Fig.12 Cooling and humidifying effect at 12-20 am

研究表明，上午階段運(yùn)行12 min，間隔60 min降溫增濕效果最好，主要因?yàn)樯衔鐪厥覂?nèi)溫度上升較快，需要增加霧化時(shí)間來達(dá)到有效降溫，間隔時(shí)間長說明溫室內(nèi)還沒有達(dá)到持續(xù)高溫狀態(tài)，室內(nèi)水分蒸發(fā)較小，較長的間隔時(shí)間能夠滿足溫室環(huán)境濕度要求，這與張芳[16]研究關(guān)于不同循環(huán)噴霧模式降溫效果，當(dāng)室內(nèi)氣溫升高時(shí)，適當(dāng)增加噴霧時(shí)間利于降溫以及提高噴霧蒸發(fā)效率相一致。霧化降溫的原理是利用水蒸發(fā)吸熱從而帶走大量溫室熱量。但由于夏季室外空氣高溫干燥，溫室內(nèi)存在低濕脅迫，噴出的水霧大部分用于補(bǔ)充室內(nèi)濕度，很少部分的用于蒸發(fā)吸熱[11]。中午需要采用霧化8 min，間隔20 min這種霧化時(shí)間相對(duì)較長間隔時(shí)間短的運(yùn)行模式來保證溫室內(nèi)濕度的補(bǔ)給。下午最佳運(yùn)行模式為運(yùn)行12 min，間隔20 min，在9種運(yùn)行模式中這是霧化時(shí)間最長間隔時(shí)間最短的運(yùn)行模式。下午階段溫室內(nèi)溫度達(dá)到一天內(nèi)最高值，濕度達(dá)到最低值，通過增加霧化時(shí)間減少間隔時(shí)間來降溫增濕效果最好[17]。

在霧化降溫過程中，溫室室內(nèi)的溫濕度存在垂直和水平方向梯度變化的現(xiàn)象[18]。霧化效果主要由大量集中的噴霧量決定，霧化機(jī)的霧化量和噴霧距離取決于霧化機(jī)本身的功率。水平3 m處降溫增濕效果明顯，霧化機(jī)集中霧化區(qū)域在水平3 m處。相比于垂直方向，水平方向各梯度的變化不明顯，Aahmed H等[19]的研究結(jié)果表明，在干旱地區(qū)蒸發(fā)冷卻溫室中，在垂直方向變化遠(yuǎn)大于水平方向的變化。在垂直方向，2.5 m處降溫增濕效果最好，一方面是因?yàn)?.5 m處距離地面近，地面太陽輻射量大；1.5 m處植株莖葉密集，空氣不易流通，霧化機(jī)的水霧在下落過程中蒸發(fā)或者被植株遮擋所導(dǎo)致，另一方面是因?yàn)殪F化機(jī)高度在2～2.5 m，與J. Xu等[20]研究結(jié)果循環(huán)風(fēng)機(jī)可以降低溫室較高部分的空氣溫度結(jié)果相一致。

在溫室內(nèi)溫度超過40℃條件下，與對(duì)照區(qū)相比，該霧化機(jī)能夠達(dá)最高降溫2.3℃，增濕11%的降溫增濕效果。但是仍存在霧化機(jī)運(yùn)行與間隔時(shí)間不夠細(xì)化、中午超高溫時(shí)降溫增濕效果不明顯等問題，后續(xù)研究需要在得出的最佳運(yùn)行模式基礎(chǔ)上進(jìn)行更為細(xì)致精確的研究，中午溫度過高時(shí)可采用基于光照的75%遮陽系統(tǒng)與霧化結(jié)合進(jìn)行綜合調(diào)控[21]。

4 結(jié) 論

日光溫室后墻自走式霧化降溫機(jī)在夏季高溫情況下，上午最佳運(yùn)行模式為運(yùn)行12 min，間隔60 min；中午為運(yùn)行8 min，間隔20 min；下午為運(yùn)行12 min，間隔20 min；水平方向3 m處霧化降溫效果最好，平均降溫1.3℃，增濕7.6%；垂直方向2.5 m處的降溫效果最好，可降溫2.3℃，增濕11%。