第36卷 第12期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 12 212 2020年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun 2020 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 摘 要 針對(duì)溫室CO2供給設(shè)備容量設(shè)計(jì)缺乏相關(guān)理論和設(shè)備配置的相關(guān)規(guī)范 在分析CO2恒定濃度控制模型 低濃度 控制模型 恒定供氣流量控制模型的基礎(chǔ)上 探索建立了溫室內(nèi)CO2平衡模型 結(jié)合作物對(duì)CO2的需求和大型連棟溫室 蔬菜高架栽培的土壤CO2釋放量低等特點(diǎn) 提出了溫室CO2施肥供氣負(fù)荷計(jì)算方法 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 為相應(yīng)設(shè)備的設(shè)計(jì)選型提供了理 論依據(jù) 以栽培面積49 200 m2 容積329 640 m3的文洛型溫室為案例 采用該文建立模型進(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 6 m3 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 6 m3 m3 條件下 則需要配備容積為20 m3的儲(chǔ)液罐 實(shí)際運(yùn)行情況表明 該文建立的CO2施肥供氣負(fù)荷計(jì)算與設(shè)備選型方法切 實(shí)可行 滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求 關(guān)鍵詞 溫室 光合作用 CO2施肥 模型 負(fù)荷 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 中圖分類號(hào) S626 5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 12 0212 09 周長(zhǎng)吉 王柳 田婧 等 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 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 12 212 220 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 http www tcsae org Zhou Changji Wang Liu Tian Jing et al Calculation method for CO2 supply load of vegetable spatial soilless culture greenhouse and equipment matching J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 12 212 220 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 http www tcsae org 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 白天基本不開窗或開窗時(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 收稿日期 2020 03 19 修訂日期 2020 05 21 基金項(xiàng)目 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)項(xiàng)目 ZZYFXKFZ201902 作者簡(jiǎn)介 周長(zhǎng)吉 博士 研究員 主要從事溫室工程技術(shù)的研究 設(shè)計(jì)和 標(biāo)準(zhǔn)化工作 Email zhoucj 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 門的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) 第12期 周長(zhǎng)吉等 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 213 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 注 t0為開始向溫室補(bǔ)充CO2時(shí)刻 t1為CO2濃度開始穩(wěn)定時(shí)刻 t2為開始 停止供氣時(shí)刻 C0為溫室夜間積累CO2濃度 CL為溫室內(nèi)最低CO2濃度 Cs為CO2穩(wěn)定濃度 Note t 0 means the beginning of supplying CO2 to greenhouse t1 means the beginning of steady CO 2 supplying t2 means the beginning of stopping CO2 supplying C 0 means CO2 concentration accumulated during nighttime in greenhouse C L means the least CO2 concentration in greenhouse Cs means the steady CO 2 concentration 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)保溫幕打開后 要同時(shí)考慮保溫幕打開前的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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 214 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)定值的信息后打開供氣閥門 向溫室持續(xù)供氣一定時(shí)間后自動(dòng)關(guān)閉閥門即可 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 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)間打開或關(guān)閉供氣閥門 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 V C Qs Qa Qp Qr Qv Qf 1 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 C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 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 第12期 周長(zhǎng)吉等 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 215 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 Qp r Qp Qr 2 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 V C Qa Qf Qp r 3 或?qū)⑵浔磉_(dá)為瞬時(shí)動(dòng)態(tài)變化模型為 a f p rd dCV q t q t q tt 4 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 qf W N V Ci Co 5 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 6 m3 m3 考慮到近年來(lái)空氣中CO2濃度增加 2018年已超過(guò)400 10 6 m3 m3 12 室外CO2濃度Co可取 400 10 6 m3 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 溫室類型 Greenhouse type 風(fēng)速 Wind speed m s 1 換氣次數(shù) Air change rate h 1 0 70 0 90 0 89 1 45 1 70 1 56 普通玻璃溫室 Ordinary glass greenhouse 3 20 3 50 2 90 0 0 0 7 2 0 4 3 2 1 3 2 5 7 2 5 3 4 5 2 2 6 密封尖屋頂玻璃溫室Sealed glass greenhouse with pointed roof 2 hm2 4 6 7 2 3 7 0 60 0 85 0 75 1 55 1 75 1 17 普通塑料溫室 Ordinary plastic greenhouse 3 80 4 10 2 13 0 60 0 85 0 75 1 5 1 70 1 20 密封塑料薄膜溫室 Sealed plastic greenhouse 10 hm2 3 80 4 10 2 10 0 60 0 90 0 68 1 90 2 30 1 17 小型塑料薄膜溫室 Small plastic greenhouse 3 00 3 40 1 67 注 內(nèi)外數(shù)據(jù)分別為最大和平均風(fēng)速 Note The values in and out of bracket mean maximum and average wind speed respectively 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 新溫室 New greenhouse 舊溫室 Old greenhouse 資料來(lái)源 Source 溫室形式 Greenhouse type 換氣次數(shù) Air change rate h 1 溫室形式 Greenhouse type 換氣次數(shù) Air change rate h 1 單層玻璃 玻璃搭 接縫隙不密封 1 25 維護(hù)保養(yǎng)好 1 50 單層玻璃 玻璃搭 接縫隙密封 1 00 維護(hù)保養(yǎng)差 2 00 4 00 塑料薄膜覆蓋 0 60 1 00 PC板覆蓋 1 00 文獻(xiàn) 14 Reference 14 單層玻璃上覆蓋塑 料薄膜 0 90 玻璃或玻璃鋼 0 75 1 5 玻璃溫室 維護(hù)良好 1 2 文獻(xiàn) 15 16 Reference 15 16 雙層充氣膜 0 5 1 0 玻璃溫室 維護(hù)不良 2 4 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 216 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)谻O2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 風(fēng)速 Wind speed m s 1 風(fēng)速影響因子 Wind speed impact factor W 6 71 1 00 8 97 1 04 11 18 1 08 13 41 1 12 15 65 1 16 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 qp r As LAI qpr 6 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 菜類為最大 葉菜和根莖類蔬菜較小 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 3 m3 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 3 m3 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 文獻(xiàn)來(lái)源Source 文獻(xiàn)原始數(shù)據(jù) Original data from reference 折算為統(tǒng)一單位Converted into a unit of unity 10 3 m3 m 2 h 1 備注 Note 16 0 002 0 004 ft3 h ft2 0 609 6 1 219 2 13 5 8 10 3kg m2 h 2 529 1 4 046 5 工程設(shè)計(jì)值 10 1 8 g m2 h 0 505 8 4 046 5 工程設(shè)計(jì)值 10 24 2 mol s m2 1 951 49 番茄光飽和點(diǎn)時(shí) 18 37 kg hm2 h 1 871 52 實(shí)際觀測(cè)單葉最大值 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 d 0dCt 7 式 4 變?yōu)?a f p rq q q 8 即 a i o LAI s prq C C N W V A q 9 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 第12期 周長(zhǎng)吉等 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 217 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)算出鍋爐滿足 溫室CO2供給需求的最小熱功率 QB 33qa B 10 式中QB為鍋爐產(chǎn)熱量 MJ h B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)液罐的充滿度 即可計(jì)算出儲(chǔ)液罐的容積 VLCO2 ntCO2qa 560 11 式中VLCO2為CO2儲(chǔ)液罐的容積 m3 為CO2儲(chǔ)液罐的 充滿度 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)開間 跨度方向總長(zhǎng)度為240 m 開間方向總長(zhǎng)度 為205 m 地面總面積49 200 m2 圖8 溫室開間方向 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4個(gè)直徑8 mm圓孔 圖8 溫室計(jì)算模型 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 6 m3 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 6 m3 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 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 218 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 B 100 按照式 10 可計(jì)算出燃 氣鍋爐供應(yīng)CO2需要的功率為2 64 104 MJ 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 室內(nèi)CO2體 積分?jǐn)?shù) Inside CO 2 concentration Ci 10 6m3 m 3 室外CO2體 積分?jǐn)?shù) Outdoor CO 2 concentration Co 10 6m3 m 3 換氣次數(shù) Air change rate N h 1 風(fēng)速影響 因子 Wind speed impact factor W 葉面積指數(shù)Leaf area index LAI 凈光合速率Net photosynthe sis rate q pr 10 3 m3 m 2 h 1 600 400 1 1 5 3 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?爐 白天運(yùn)行1臺(tái)鍋爐即可基本滿足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 6 m3 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 6 m3 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容積的車載灌裝CO2 罐 一次有效容量為22 4 m3 滿足設(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 6 m3 m3以上 設(shè) 計(jì)滿足設(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 CO2儲(chǔ)液罐充滿度Fullness of CO 2 storage tank CO2儲(chǔ)液罐補(bǔ)充 周期 Supplement time of CO2 storage tank n d 每天CO2供氣 時(shí)間 CO 2 supply time of each day t CO2 h d 1 CO2供氣負(fù)荷 CO 2 supply load q a m3 h 1 80 3 4 726 液化CO2儲(chǔ)罐的容積與周轉(zhuǎn)