溫室農業空調系統的設計與通風管理措施

□文/趙二慶

設施農業不僅是當下現代農業的具體體現，也反映了一個國家在農業方面的發展水平，同時也是農業可以高效、優質產出的必然要求［1］。而溫室農業作為最重要部分也已備受人們的關注［2］。目前，隨著世界人口的快速增長和耕地面積的逐步減少，溫室農業在很大程度上解決了土地的利用率和作物種植密度，這樣不僅加大了作物的區域適應性，同時也使得耕地面積縮減、人口增長之間的矛盾得到有效緩解［3］。隨著我國國民經濟和科技水平的快速發展，我國的農業也逐漸朝著現代化農業方面發展，設施農業的面積也得到了快速增長［4］。

溫室作為半封閉系統，它在調整溫度和濕度上有著很大不足，但溫室的氣候環境卻直接決定著作物的生長情況，尤其在夏季溫室中作物的生長發育直接受溫室自身產生的“溫室效應”所影響。此外，農作物所產出的大量水蒸氣會直接增加溫室濕度，而濕度過重的話就不但會影響到農作物的生長發育，還很容易使作物出現各種問題，如真菌病、葉片壞死、作物缺鉀等問題。因此，溫室內對濕度的要求應該控制在作物適合生長的范圍內。當前，國內外科研人員已經對溫室中的降溫除濕系統做了大量研究，并獲得很好的研究成果。基于此，提出了一種新的溫室降溫除濕系統，這種系統也就是改進后的單效溴化鋰吸收式系統，通過把溫室內環境當作系統的蒸發器，而吸收器可以吸收溫室水蒸氣，溶液通過熱交換器轉換后傳送到發生器。可見，該系統整體就是一個生態循環系統，首先由農作物蒸騰消耗掉一定水分，然后再返回至溫室中灌溉作物，這樣看來，該系統既符合了溫室在夏季時所要求的溫濕度，也能滿足冬季對溫濕度的要求。

一、用于溫室農業的空調系統設計

（一）溫室空調系統工作原理

為了能更符合溫室環境需求，可以將該系統的溫室環境當作蒸發器系統，而吸收器系統中的濃縮溶液通過直接吸收溫室氣體中的水分，并在吸收器系統中完成熱交換以實現所需的溫度。發生器在冬季時會處于低壓狀態，這時泵會將發生器內的高濃度溶液傳送至吸收器；而吸收器在夏季時會處于低壓狀態，這就要求在吸收器的出口位置安裝泵，那么發生器中的蒸汽經過注入的冷水會變冷卻，再返回到溫室中用于灌溉農作物。（如圖1所示）

圖1 溫室空調系統原理

在冬季時，截止閥1 和3、泵1 等設備會關閉。此時，吸收器中的濃溶液會從發生器傳送過來，吸收水蒸氣后變成稀溶液。在這個過程中所釋放的熱量可以為溫室提供熱量。稀溶液經過與發生器中流入到熱交換器內的濃溶液進行熱量交換后，溫度會直接降低然后再流入發生器中。這時，稀溶液在吸收過熱源熱量后會發生某種變化，然后出現大量水蒸氣，并使得稀溶液通過某種方式轉為濃溶液。濃溶液在經過熱交換器由泵2 直接傳輸到吸收器，而水蒸氣則直接會被傳輸至冷凝器中冷卻后由泵3傳輸到溫室中對農作物進行灌溉。

在夏季時，截止閥2 和泵2 則會處于關閉狀態。在吸收器中，由發生器傳送的濃溶液經過吸收水蒸氣成為稀溶液。在注入冷卻水并與溫室空氣進行熱交換后，會通過泵1 將稀溶液傳送到熱交換器內進行交換，之后再送到發生器。而稀溶液在吸收注入的熱水熱量后發生沸騰，此時就會形成大量的水蒸氣。稀溶液在吸收水蒸氣后會變為濃溶液；發生器剩余的水蒸氣將被傳送至冷凝器內進行冷凝，然后通過泵3 將水傳輸到溫室內對農作物進行灌溉。

（二）熱力計算

1.系統模型。經過對單效溴化鋰吸收式系統模型的改進，將原有系統中的蒸發器替換為整個溫室環境，而吸收器通過吸收溫室內的濕空氣中的水蒸氣，可以確保整個系統的正常運行。

在夏季時，單效溴化鋰吸收式系統在循環運行過程中，將會把溫室替換成蒸發器，而根據某個已實施的溫室農業項目的作業經驗與《實用制冷與空調工程手冊》［5］對本次的空調系統進行了熱力計算。

2.數學模型的建立。在構建數學模型前，因為系統自身在運行過程中有著很多不確定性，若是完全根據系統的實際運行情況來構建模型的話，這樣將會加大構建模型的難度。因此進行了以下假設：（1）系統在實際運行過程中會忽略各種器件造成的壓力損失和熱量損失；（2）系統往往會忽視流體的動能和勢能；（3）系統運行穩定時吸收器、發生器的溶液處于平衡狀態；（4）系統中各個部件不會與環境進行交換；（5）吸收器與蒸發器的壓力相同，發生器與冷凝器的壓力相同；（6）各個部件的溴化鋰溶液都處于飽和狀態；（7）節流過程可以視為等焓過程，泵在升壓的時候溫度不會發生變化，但會忽略掉泵的耗能。

在冬季制熱條件下，需要將其切換到另一個系統，該系統類似于溫室系統的二級熱泵系統。熱水溫度要控制在95℃，溫水溫度需控制在70℃。而假設熱水的出口溫度達到100℃時，就需要對其進行熱計算，而冷水的入口溫度則與夏季相同，至于其他的參數可按照具體技術手冊［5］來選擇，從而獲得加熱條件下的COP 指數值。另外，在進行計算和模擬過程中，得知該系統在冬季和夏季時最關鍵問題在于，在冬季時候吸收器、蒸發器的壓力，在加熱時的壓力要比在制冷時的壓力高出很多。故而，在剛開始搭建系統的時候，對吸收器和蒸發器則應參照冬季和夏季工況中壓力最大的情況來實施制作和選擇。

二、溫室農業通風方式

（一）機械通風方式

通常不會在進風口位置設置風機，這是為了避免送風直面吹向植物。一般情況下，進風口都會采用側窗，且側窗開度可按照需求來調整開口大小。對排風機應將其設置在另一側位置，并為排風機配有止回閥和風量調節大小的裝置，當啟動排風機時，止回閥則會自動開啟。為了確保溫室內進風、排風順暢，進風、排風的方向必須和溫室中植物的田埂方向相同，也就是田埂間的人行通道就是氣流的主要通道。另外，由于有些溫室是連棟的，深度較大，那么進風、排風的位置就會距離很遠，間距通常在30～60厘米之間，并在溫室中部適當位置安裝幾臺勻風機。勻風機不僅能有效地解決溫室中的氣流不暢問題，也能讓溫室整體溫度分布均勻，更有益于植物的生長。

（二）自然通風方式

自然通風主要是運用溫室內設計的側窗、天窗等位置來實現。這樣的通風模式相對前面所說的機械通風模式，優勢在于能節約一定投資成本與運行管理費用等。另外，這種自然通風的方式，基本只有中檔和低檔的溫室會選擇使用。這種方式的通風也可以分兩種，即側面進風和排風的方式以及側面進風和頂部排風的方式。

三、結語

綜上所述，根據夏季、冬季的溫濕度不同要求，提出了一種有效的溫室農業空調系統。針對該系統進行研究分析，構建了單一溴化鋰質量守恒方程，進行了簡單的熱力計算。以此來證明該系統作為溫室資源的最大利用生態循環系統是可行的。在冬季和夏季的時候可以共享一套系統，也能有效地節省設備的成本和投資。同時對當前所追求的綠色、生態、現代化的溫室而言，這個溫室農業空調系統有著極大的應用價值。相信它在未來將會成為重點推廣的技術之一。