風光互補的新型智能溫室大棚

蔡楦 周姣姣 申健 付胡鑫 黃鶯 張銘雨 盛富城 白軍

西藏農牧學院水利土木工程學院，林芝 860000

現階段，溫室大棚在設施農業中得到廣泛應用，它可實現反季節種苗繁育、農作物種植。在溫室大棚中，空氣溫濕度、光照、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等環境參數會嚴重影響農作物的生長[1.2]。由于傳統溫室大棚保溫、通氣能力差，供暖方式需消耗大量煤炭和電能。一方面藏區物質匱乏，地廣人稀，人工成本高；另一方面會產生大量二氧化碳和有害氣體，不利于碳中和的實現，無法及時滿足人們的生產需求，再加上后期新型材料的出現，高原地區風光互補智能溫室大棚的出現就成為了必然。

環境溫度嚴重影響農作物的生長，西藏地處我國西南邊陲，氣候帶分布復雜，全年氣候干冷，傳統的溫室大棚都是通過太陽收集熱量給大棚供暖，夜間溫度驟降可能會威脅到農作物的正常生長甚至死亡[3]。因此，風光互補的新型智能溫室大棚采用太陽能平板集熱器收集熱量，保溫水箱儲存能量，經智能溫度系統的控制為大棚持續供暖并合理配比溫室大棚內的溫度、水分、養分、二氧化碳濃度等，極大提高了農作物產量、降低了人工成本。

1 研究背景及意義

1.1 溫室大棚現狀

美國、德國、日本、荷蘭等一些國家早在20年代就開始研究將自動化應用于設施農業系統中。我國設施農業溫室大棚水平低，裝備落后，結構簡單，不環保，維護成本高，設施裝備研究起步較晚，經過了幾十年的發展，設施農業在硬件方面取得了一些成果，但在軟件方面還有待提高[4]。

目前溫室大棚在農業生產中發揮著重要作用。它們提供了一個受控的環境，可以調節溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等因素，從而優化植物生長條件。溫室大棚可以延長種植季節，保護作物免受惡劣天氣和害蟲的侵害，并提高產量和質量。近年來，溫室大棚技術不斷發展和創新。現階段溫室大棚已經逐漸采用先進的自動化系統，配備氣候控制設備、灌溉系統和光照設備等。采用了以上技術后，溫室大棚的生產效率得到了提升，同時還減少了能源消耗，并且使農業生產更加可持續和環保，同時也在節能保溫，采光、排水、殺菌等方面提升溫室大棚效率和性能。溫室大棚還被廣泛用于種植各種蔬菜、水果、花卉和草藥等植物。它們不僅可以提供新鮮的農產品，還可以滿足對反季節性商品的需求，實現機械化，提高質量，生產綠色無公害蔬菜。此外，溫室大棚還有助于種植適應非本地氣候條件的作物，促進了農業的多樣性和市場的多元化。溫室大棚的現狀是不斷發展和進步的，隨著技術的不斷創新，溫室大棚可以更好地滿足農業生產的需求，并為人們提供更多的新鮮農產品。溫室大棚將會成為未來農業發展的重要趨勢。

1.2 高海拔地區對新型智能溫室大棚的特殊需求

西藏地處我國西南邊疆，氣候條件較為惡劣，陽光輻射強烈，氣候干燥，晝夜溫差大，風力大，是一個典型的高原氣候。目前，區內的果蔬供應主要以內地運輸為主，又受交通不便等因素的影響，新鮮果蔬的供應受到很大限制。高海拔地區通常氧氣含量較低，大氣稀薄，會對作物生長產生影響。傳統的溫室大棚不能應對冷凍和極端寒冷的天氣，保持適宜的生長溫度，自動化水平低、人力作業、產量低[5]。因此，高海拔地區急需一種保溫性能好，能夠有效控制光照和濕度的智能溫室大棚，以抵御惡劣的自然環境和可能出現的自然災害。

與傳統溫室大棚相比，新型智能溫室大棚的種植基本不受外界環境的影響，在高原地區能給農作物提供最佳的生長的環境。智能化控制的溫室大棚相比于傳統溫室大棚產量和質量都有極大的提高，生產效率可以提高30%以上[6]。通過新型智能溫室大棚種植的果蔬，不僅可以提高農作物的產量，還可以反季節種植，讓農戶一年四季都可以吃到新鮮的果蔬。由于藏區晝夜溫差大，反季節種植對大棚溫度、土壤濕度等參數的要求較高，需要輔助設備為農作物提供適應的生長環境，因此智能化的溫室大棚成為了必然[7]。

2 設計原理

隨著社會經濟的發展，人們越來越注重環境保護，風光互補的新型發電系統逐漸出現在了人們的視野中，然而單獨的風力發電和太陽能發電存在不穩定性，將風能和太陽能結合在一起組成的風光發電系統被人們廣泛應用于生產中[8]。在大棚周圍安裝風力發電機，扇葉旋轉的機械能通過電機轉化成電能儲存在蓄電池內，太陽輻射照射集熱器表面，被集熱器表面鍍膜吸收后沿內管壁傳遞到管內的水。管內水吸熱后溫度上升，比重減小而上升，形成向上的動力，水會在集熱器內逐漸升溫，達到一定溫度后由水泵泵入保溫水箱。藏區空氣稀薄，紫外線強烈，白天可打開遮光布給植物殺菌消毒。在智能溫度系統的控制下，當棚內溫度低于農作物生長所需要的溫度時，控制器打開保溫水箱與肋片散熱器之間的閥門，利用肋片散熱器將水的熱量換入棚內空氣中，以達到農作物生長所需的溫度，另外可以控制水流大小來控制換熱量從而控制不同的溫度。肋片散熱器出口流過的水重新進入集熱系統，以形成循環，保持大棚溫度恒定。使新型智能溫室大棚在沒有電的情況下也可以正常工作，方便用戶日常使用。除此之外，溫室大棚還安裝有土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2濃度傳感器，這些裝置可遠程實時監測大棚內作物生長情況，農戶可借助手機實時發布命令控制相關設備，以達到適合農作物生長的環境，并為綠色果蔬種植奠定了良好的種植基礎[9]。

圖1 溫室大棚模型圖Figure 1 Greenhouse model diagram

3 結構設計

3.1 風光互補發電系統

將風光互補發電系統應用于智能溫室大棚，不但能完全脫離電網，自主供電，還更加低碳環保，因此新型智能溫室大棚是將可再生能源用于設施農業生產的最高效、清潔的方式［10］。藏區地廣人稀，很多農戶住在遠離電網覆蓋的山區，目前，區內的果蔬供應主要以內地運輸為主，加上昂貴的運費，農戶很難吃上新鮮的果蔬，針對上述問題筆者設計出了一種風光互補的新型智能溫室大棚，來緩解高海拔地區人員因氣候環境、特殊地理位置等因素造成新鮮果蔬嚴重供應不足的問題。

風光互補發電控制技術是目前應用前景最廣闊的一種清潔能源利用技術。在溫室大棚頂部和側面分別安裝風力發電機和太陽能板，風能通過交流風機將風能轉化為電能在經過逆變器將電能儲存在蓄電池中；同時通過太陽能電池板將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池中，有風的時候充分利用風能，無風的情況下充分利用太陽能，從而能夠為系統提供源源不斷的電能支持，實現清潔能源的有效轉化［11］。由于風能和太陽能發電的互補性，使得系統在不同的天氣條件下提供穩定的電力供應，給溫室大棚供電的同時也可滿足用戶日常照明。用風光互補發電系統代替傳統的風能發電系統或者太陽能發電系統，使溫室大棚可以脫離電網供電成為自給自足的獨立式發用電系統，這在供電極為不方便的偏遠藏區尤為適用［12］。同時將多余的電能通過逆變器儲存在蓄電池中，在夜間為大棚持續供電。此外，這種系統還可以提高發電效率和穩定性，減少對傳統能源的依賴，降低對環境的影響，促進可持續發展。在“雙碳”目標指引下，為我國實現碳達峰、碳中和目標打下良好的基礎。

3.2 供熱循環系統

溫室大棚供熱量包括［13］：（1）室內照明、人員、設備散熱；（2）熱物料散熱量等；（3）太陽能及風能發電存儲的電能。其中利用太陽能及風能轉換而來的能量在夜間供入溫室的最多。

太陽能平板集熱器通過太陽輻射充分吸收熱量，將熱能存儲在儲能水箱中。由于藏區晝夜溫差大，夜間溫度驟降，為保證溫室大棚內溫度保持恒定，溫度傳感器接收信號后向控制器發送指令，控制器通過電磁閥控制循環水泵通過肋片散熱器給大棚快速升溫，達到適合作物生長的溫度時斷開水泵。當儲能水箱中的熱水快用盡時，蓄電池供電給電加熱設備加熱水為儲能水箱持續供水。本產品結合當地氣候條件，日照時間長，風能資源豐富，充分利用風能和太陽能等清潔能源，采用太陽能集熱器收集能量，保溫水箱儲存能量，經智能溫度系統的控制下為大棚持續供暖。

3.3 光照系統

光照是植物生長和發育過程中非常重要的因素之一，光照充足時，植物能夠進行充分的光合作用，從而促進生長和產生充足的能量和養分。溫室大棚智能光照控制系統是一種利用先進的技術和傳感器來監測和控制溫室大棚內的光照條件的系統。該系統可以根據植物的需求和環境條件自動調整光照強度和持續時間，并適當給溫棚內種植物殺菌消毒，以提供最佳的生長條件。光照傳感器實時測量溫室大棚內的光照水平，并將數據傳輸給控制系統。控制系統根據光照傳感器的數據和預設的參數，自動調整LED燈、遮光布設備的工作狀態。利用智能光照控制系統，可根據植物的生長周期和需求，調整光照的強度和持續時間。農戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的光照條件，提供適合植物生長的環境。這不但能夠改善生產，而且能夠節約能源，降低人為干擾。

3.4 通風系統

該系統可以根據植物的需求和環境條件自動調整濕度水平，以提供最佳的生長條件。濕度傳感器測量溫室大棚內的濕度水平，并將數據傳輸給控制系統。控制系統根據濕度傳感器的數據和預設的參數，根據植物的生長周期和需求，自動調整噴霧裝置或排風扇設備的工作狀態。利用智能濕度系統，農戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的濕度條件，提供適合植物生長的環境。這有助于預防濕度過高或過低引發的病蟲害問題，提高植物的生長健康程度，進而提高產量和質量。此外，智能濕度系統還可以提高工作效率和節省人力成本。

同時可以監測溫室內的二氧化碳濃度，并根據植物的需求和環境條件自動調整二氧化碳濃度，以促進植物的生長和發育。二氧化碳傳感器測量溫室大棚內的二氧化碳濃度，并將數據傳輸給控制系統。控制系統根據二氧化碳傳感器的數據和預設的參數，自動打開排風扇或二氧化碳噴嘴設備的工作狀態。通過智能二氧化碳系統，農戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的二氧化碳濃度，提供最佳的生長環境。在二氧化碳濃度不足的情況下，補充二氧化碳可以促進植物的光合作用，增強植物的生長速度和產量。此外，智能二氧化碳系統還可以提高能源利用效率，減少二氧化碳的浪費。

3.5 智能控制系統

溫室大棚智能控制系統是通過應用先進的技術和傳感器來監測和調節溫室大棚內的環境參數，以實現自動化的控制和優化植物生長的系統。該系統可以根據植物的需求和環境條件，自動控制溫室大棚內的溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等參數，為植物提供最佳的生長條件。通過溫室大棚智能控制系統，農戶可以實現對溫室大棚環境的精確控制，在果蔬種植的過程中，通過針對不同果蔬生長條件要求設定不同信息，同時進行高精度計算，為果蔬生長提供最適宜的條件，保證果蔬充分吸收養料，從而提高產量、質量和效益，節約能源和勞動成本。并將監測的數據上傳至云端，農戶能夠根據傳感器采集的數據對農作物的生長環境進行實時監測調整，實現農作物的精細化管理，降低種植成本。該智能控制系統能有效提高農業生產效率，為服務農業生產提供更多選擇，具有良好的應用價值與發展前景［14，15］。

圖2 溫室大棚原理圖Figure 2 Schematic diagram of a greenhouse

4 數學模型

依據相關傳熱學知識，一般的熱量傳遞有三種方式即熱輻射、熱對流、熱傳導三種，而本設計互補溫室大棚主要為解決夜間農作生長需求，故本設計不涉及三種傳熱方式中的熱輻射，只有熱對流、熱傳導兩種傳熱過程。

圖3 溫室大棚傳熱模型簡圖Figure 3 Schematic diagram of the heat transfer model of a greenhouse

4.1 熱傳遞

互補溫室大棚的外圍結構主要作用是夜間通過肋片散熱器等輸暖設備得來的熱量將溫室大棚的溫度維持在農作物的生長需求所規定的溫度，然而由于高原的惡劣天氣特別是夜間時分，溫室大棚外部環境的溫度急劇下降，導致外圍結構也不能完全將阻擋住這種來自大自然的影響，這種溫度驟降也將會影響到溫室大棚內部的某些微小環境，并且由于溫室大棚夜間為密封狀態，故其內部氣流速度將會非常緩慢，但是又與外部環境的影響，其內部也將會進行一定范圍內的自然對流，即熱對流，同時根據傳熱學相關知識，溫室大棚外圍結構由于與外部環境巨大的溫降而引起的強氣流有一定的作用，并且由于溫室內外較大的溫度差異，這將會導致一定的能量傳遞損失，即外圍結構的熱傳遞。而依據傳熱學理論，由熱傳遞引起的能量交換可以用以下式子來表示即：

式中，λ——材料導熱系數，W/（m·k)；

tin——室內溫度，℃；

tout——室外溫度，℃；

δ——材料厚度，mm。

4.2 外圍結構壁面的對流換熱系數

對流換熱是熱量傳遞中較為常見的現象，其可以理解為流體能量傳遞的宏觀運動的一種現象，這種現象在生活中也能夠時常見到，但是其形成過程一般伴隨著多種運動的進行，這樣就導致了對流換熱計算時受到了多種影響因素，因此將會非常麻煩，故根據相關經驗公式，此互補溫室大棚外圍結構的對流換熱系數可如下公式計算［14］：

式中，v——室外風速，m/s；

4.3 邊界條件

對于外圍護結構由于室內溫度保持一定的恒定值故采用第三類邊界條件，而根據外圍結構邊界面的熱平衡，其溫室內部傳向邊界面的流體的熱流密度應該等于邊界面傳遞給附近流體的熱流密度，且此過程為穩態的對流換熱過程，則由傅里葉定律與牛頓冷卻公有：

式中，λ——熱導率，W/（m·k)；

h——對熱交換系數，穩態對流換熱故為常數；

tw——邊界溫度；

tf——室內流體溫度。

5 結語

綜上所述，該溫室大棚在傳統溫室大棚上進行了較大的構造改動，相較于舊式大棚有了更多創新點。將物聯網技術與智能控制技術相結合，對溫室大棚內果蔬進行遠程智能監控，農戶通過檢測裝置和自動控制系統實現可視化果蔬種植，提高監測精度；同時建立換熱數學模型，實現精確的棚內環境調控，從根本上解決土壤溫度控制不均勻的問題，為果蔬種植增值提效，推動現代農業發展。風光互補的新型智能溫室大棚更注重利用清潔能源實現環境保護，在國家大力推進碳達峰、碳中和的背景下，該溫室大棚可為“碳減排”貢獻我們高原的“雪域力量”［9.16，17］。