第36卷 第5期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 36 No 5 212 2020年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar 2020 光伏驅(qū)動(dòng)基質(zhì)控溫系統(tǒng)對(duì)溫室番茄根區(qū)的降溫效果 張 勇 倪欣宇 張柯新 許英杰 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)試驗(yàn)室 楊凌 712100 摘 要 在溫室中經(jīng)常出現(xiàn)短期或持續(xù)的高溫工況 通常溫室內(nèi)溫度環(huán)境調(diào)控的方法為整體降溫 該方法通常會(huì)出現(xiàn)無(wú) 法達(dá)到有效降溫或高能耗的問(wèn)題 為解決上述問(wèn)題 更好地實(shí)現(xiàn)溫室的周年生產(chǎn) 該研究提出了一種以光伏作為能量來(lái) 源 以無(wú)機(jī)相變材料作為儲(chǔ)能工質(zhì) 結(jié)合生態(tài)智能的環(huán)境控制策略 對(duì)番茄根區(qū)應(yīng)對(duì)高溫工況 實(shí)現(xiàn)安全連續(xù)生產(chǎn)進(jìn)行 了試驗(yàn)研究 結(jié)果表明 在溫度較高的夏季晴天需2次各約1 h的降溫 陰 雨天各僅需1次約1 h降溫 其余時(shí)段充分 利用系統(tǒng)的保冷作用即可達(dá)到維持作物舒適生長(zhǎng)環(huán)境的要求 在試驗(yàn)工況下 典型晴天 2018年7月18日 陰天 2018 年6月30日 雨天 2018年7月1日 與對(duì)照組溫度變化相比 該系統(tǒng)實(shí)際將試驗(yàn)組基質(zhì)的平均溫度分別降低了8 65 11 38 11 47 使番茄根區(qū)溫度在日間始終低于最高耐受溫度 33 夜間溫度控制在發(fā)育的最適溫度 22 左右 試驗(yàn)進(jìn)行到第17天時(shí)對(duì)照組植株全部死亡 試驗(yàn)組保持良好生長(zhǎng)狀況 該研究所提出的溫室控溫方法中 保溫種植槽單 位面積的制冷功率為510 42 W m2 基質(zhì)平均溫度降低9 03 實(shí)現(xiàn)了溫室能耗的大幅度降低 而且能夠長(zhǎng)時(shí)間維持降溫的 效果 使用生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫的方法和系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)在超低能耗條件下 解決溫室番茄的抗高溫安全生產(chǎn)問(wèn)題 關(guān)鍵詞 光伏 溫室 生態(tài)智能 根溫 相變材料 夏季 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 中圖分類號(hào) S625 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2020 05 0212 08 張 勇 倪欣宇 張柯新 許英杰 光伏驅(qū)動(dòng)基質(zhì)控溫系統(tǒng)對(duì)溫室番茄根區(qū)的降溫效果 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2020 36 5 212 219 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 http www tcsae org Zhang Yong Ni Xinyu Zhang Kexin Xu Yingjie Cooling performance for tomato root zone with intelligent ecological planting matrix temperature control system driven by photovoltaic in greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 5 212 219 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 http www tcsae org 0 引 言 截至2017年 中國(guó)設(shè)施園藝面積達(dá)370萬(wàn)hm2 約 占世界設(shè)施園藝總面積的80 43 居世界第一 1 在溫 室生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)短期或持續(xù)的高溫工況 很難實(shí)現(xiàn)溫 室周年供應(yīng) 而對(duì)設(shè)施內(nèi)溫度控制的研究當(dāng)前只側(cè)重于 設(shè)施內(nèi)作物冠層溫度的控制 其中較多的為利用遮陽(yáng) 2 和自然通風(fēng)進(jìn)行降溫 3 5 通常還會(huì)聯(lián)合對(duì)霧的控制改變 溫室內(nèi)溫度 6 10 還可以建造新的系統(tǒng)和控制設(shè)備來(lái)進(jìn)行 降溫 11 14 通過(guò)傳統(tǒng)降溫方式 雖降溫措施成本低 實(shí) 用性強(qiáng) 但總體來(lái)說(shuō)各降溫措施主要對(duì)溫室白天降溫 對(duì)夜間降溫效果明顯較差 王吉慶等 15 的研究指出當(dāng)單 位溫室面積實(shí)際制冷功率為157 5 W m2時(shí) 溫室內(nèi)平均 溫度較室外降低1 0 與此同時(shí) 利用水源熱泵 16 地 熱能的水平地埋管系統(tǒng) 17 光伏發(fā)電輔助閉式土壤 空氣 熱交換器 18 19 地下空氣通道 20 等熱交換系統(tǒng)也有降溫 收稿日期 2019 07 16 修訂日期 2020 02 11 基金項(xiàng)目 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2018TSCXL NY 05 05 寧夏回族自 治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目 2016BZ0901 節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與配套 技術(shù)開發(fā)研究 2017ZDXM NY 057 設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示 范 2016KTCL02 02 作者簡(jiǎn)介 張 勇 副教授 博士 主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑 園藝研究 Email Landscape 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員 張勇 E041200715S 潛力不足 建造成本高等缺點(diǎn) 很難應(yīng)用推廣 太陽(yáng)能作為最清潔 安全的可再生能源 既可在進(jìn) 行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中獲得額外的電能 也可緩解能源壓 力和增加土地利用率 21 將太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與溫室 的結(jié)合的技術(shù)已有很多并已基本成熟 22 25 相變材料 phase change material PCM 屬于功能材料 具有良好 的相變蓄熱能力 26 因此 該材料的應(yīng)用對(duì)節(jié)能減排方 面具有重要意義 針對(duì)日光溫室內(nèi)部光溫環(huán)境的研究側(cè)重于春 秋 冬 3個(gè)季節(jié) 而對(duì)日光溫室夏季氣候條件下溫室內(nèi)的溫度環(huán) 境監(jiān)測(cè)和分析很少 27 為此 本試驗(yàn)以低能耗 高效降溫 為核心 一方面對(duì)夏季日光溫室環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)分析空白進(jìn) 行了補(bǔ)充和細(xì)化 另一方面在充分發(fā)揮植物本身抗熱性能 的基礎(chǔ)上 提出在日光溫室內(nèi)通過(guò)光伏板供能的自動(dòng)控溫 裝置對(duì)番茄根部進(jìn)行降溫的新方法 在低設(shè)備投資 低能 量消耗及高效靈活控制方面均有一定的突破 通過(guò)本試驗(yàn) 的生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)達(dá)到了在夏季極端高溫條 件下 讓番茄安全越夏并開花結(jié)果的效果 1 材料與方法 1 1 供試材料 1 1 1 試驗(yàn)溫室 本試驗(yàn)溫室采用的是張勇等 28 30 設(shè)計(jì)的一種新型結(jié) 構(gòu)的蓄熱墻體日光溫室 如圖1所示 供試日光溫室位 第5期 張 勇等 光伏驅(qū)動(dòng)基質(zhì)控溫系統(tǒng)對(duì)溫室番茄根區(qū)的降溫效果 213 于陜西省楊凌示范區(qū)楊家莊西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)園 校外試驗(yàn)場(chǎng) 北緯34 17 21 33 東經(jīng)108 05 27 44 長(zhǎng) 度 試驗(yàn)溫室坐北朝南 東西延長(zhǎng)15 m 跨度9 m 脊 高4 5 m 透明覆蓋材料為 耐高溫聚酯 PET膜 本次 試驗(yàn)所搭建的溫控試驗(yàn)平臺(tái)及整個(gè)后期作物的培養(yǎng)均于 該溫室中進(jìn)行 圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)圖 29 Fig 1 Structure diagram of solar greenhouse 1 1 2 生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng) 生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示 光伏 板為整個(gè)系統(tǒng)唯一能量源 直接供系統(tǒng)直流壓縮機(jī)制冷 和為配套蓄電池充電 系統(tǒng)蓄電池容量為400 Ah 控 溫系統(tǒng)分為兩部分 第一部分由直流壓縮機(jī) 直流風(fēng)機(jī) 散熱器組成 圖2a 直流壓縮機(jī)外接銅管延長(zhǎng)至水箱 中對(duì)水箱中單獨(dú)封裝的總質(zhì)量為110 30 kg的無(wú)機(jī)相變材 料進(jìn)行降溫 銅管外露部分用聚氨酯包裹 防止冷量流 失 用以儲(chǔ)存冷量 相變材料質(zhì)量配比為 CaCl2 水 硼砂 337 5 241 5 1 放熱量148 30 J g 溫度區(qū)間 5 75 0 72 吸熱量130 10 J g 溫度區(qū)間26 32 35 41 第二部分主要由水箱 水泵和保溫種植槽組 成 圖1 水箱中的水通過(guò)相變材料箱的換熱系統(tǒng)與其 內(nèi)部的低溫相變?nèi)芤哼M(jìn)行熱量交換 并通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)進(jìn) 入外徑8 mm的種植槽底部銅管中 銅管在種植槽中的布 置如圖2b俯視圖所示 呈S型布置 共2層 每層4根 每根銅管之間間隔均為40 mm 具體保溫槽內(nèi)鋼管以及 溫度測(cè)點(diǎn)立面分布見圖2b主視圖 保溫種植槽底部為350 mm 4 000 mm EPS 聚苯乙 烯 夾心板 左右側(cè)面均為500 mm 4 000 mm尺寸的EPS 夾心板 厚度100 mm 用發(fā)泡聚氨酯填充各塊EPS夾 心板間的縫隙 2 個(gè)保溫種植槽垂直于溫室后墻南北放 置 兩槽間距1 500 mm 置于溫室中央位置并裝入 130 mm厚度的基質(zhì) 基質(zhì)上蓋350 mm 3 800 mm EPS 板 并用電熱刀在指定位置分別開100 mm 100 mm開口 以便于作物種植 1 2 試驗(yàn)方法 為了最大程度地節(jié)能 本試驗(yàn)采用了生態(tài)智能的控 制策略對(duì)試驗(yàn)組基質(zhì)溫度進(jìn)行調(diào)控 該控制策略充分發(fā) 揮植物本身的耐熱特性 控制方式擬合生態(tài)的晝夜溫度 節(jié)律 即在正午時(shí)段將根區(qū)溫度控制在番茄根區(qū)最高溫 之下 33 保證其安全渡過(guò)正午高溫時(shí)段 而在夜間 充分利用溫室外界的相對(duì)低溫 將根區(qū) 50 100 mm距 基質(zhì)表面 溫度控制在最適溫度范圍 20 23 進(jìn) 而使其能在較低能耗下實(shí)現(xiàn)最適的夜間溫度 a 生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)降溫部分 a Cooling part of ecological intelligent substrate temperature control system b 保溫種植槽內(nèi)銅管布置和溫度測(cè)點(diǎn)圖 b Distribution of copper pipe and temperature measurement points in heat preservation tank 注 D0 D4 D8 D12分別為距離保溫槽底部0 40 80 120 mm處 Note D0 D4 D8 and D12 are 0 40 80 and 120 mm away from the bottom of the heat preservation tank respectively 圖2 生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng) Fig 2 Ecological intelligent substrate temperature control system 具體方法 直流壓縮機(jī)與光伏板直連 依照光伏最 大發(fā)電功率滿負(fù)荷制冷并將冷量存儲(chǔ)在相變材料中 多 余電量?jī)?chǔ)存在光伏板連接的蓄電池中 用以維持需要降 溫時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行 當(dāng)種植系統(tǒng)需要降溫時(shí) 開啟水 箱中的直流水泵 驅(qū)動(dòng)水通過(guò)試驗(yàn)組種植槽中的管路實(shí) 現(xiàn)對(duì)植栽根區(qū)降溫 同時(shí)在水箱中通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)與相 變材料的熱量交換 當(dāng)種植槽基質(zhì)根區(qū)核心溫度在白天 達(dá)到 30 3 入夜前達(dá)到 28 4 時(shí)直流水泵啟動(dòng) 直 至白天降至 27 2 夜晚 22 2 停止工作 其他時(shí)段 只需保溫即可 反復(fù)控制植物根區(qū)溫度在白天不超過(guò) 33 夜間處于22 左右的最適溫度下生長(zhǎng) 對(duì)照組的 保溫種植槽結(jié)構(gòu)及內(nèi)部基質(zhì)均與試驗(yàn)組相同 但其中無(wú) 管道鋪設(shè) 且不進(jìn)行任何降溫處理 僅對(duì)其中所種植番 茄進(jìn)行日常管理 1 2 1 測(cè)試儀器 基質(zhì)溫度采用T 型熱電偶溫度傳感器 精度 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 214 0 2 連接到34970A數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀 美國(guó)Agilent 公司生產(chǎn) 進(jìn)行測(cè)定 采用哈爾濱物格電子儀器公司生 產(chǎn)的多路環(huán)境測(cè)試儀 PDE KI 對(duì)室內(nèi)外光照及空氣溫 度 濕度進(jìn)行測(cè)定 其溫度測(cè)量精度為 0 5 測(cè)量范 圍為 30 60 相對(duì)濕度 RH 精度為 3 光照強(qiáng) 度測(cè)量范圍為0 200 000 lux 精度為 5 各監(jiān)測(cè)指標(biāo) 每隔10 min自動(dòng)記錄1次瞬時(shí)值 采用testo875 2ipro高 清晰紅外熱像儀 德圖儀器國(guó)際貿(mào)易 上海 有限公司 生產(chǎn) 視場(chǎng)角32 水平 23 垂直 像素為320 水 平 240 垂直 溫度測(cè)量范圍為 30 350 幀頻 范圍為9 33 Hz 工作溫度為 15 40 存儲(chǔ)溫度為 30 60 獲取番茄苗全株的熱象圖 比熱容采用XRY 蓄熱系數(shù)測(cè)試儀 湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn) 進(jìn) 行測(cè)定 1 2 2 溫室環(huán)境測(cè)定 由于中國(guó)大部分地區(qū)的日光溫室在夏季均面臨高溫 高濕的巨大考驗(yàn) 甚至由于高溫高濕無(wú)法正常使用 為模 擬系統(tǒng)在極端狀態(tài)下的有效性和可靠性 本試驗(yàn)采用了極 限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法 在試驗(yàn)期間溫室處于全密閉狀態(tài) 底 通風(fēng)及頂通風(fēng)和門等通風(fēng)裝置均處于全關(guān)閉狀態(tài) 遮陽(yáng)系 統(tǒng)以及濕簾等降溫設(shè)備也均未啟動(dòng) 即溫室內(nèi)為悶棚狀態(tài) 下的無(wú)其他任何降溫措施的極端高溫高濕環(huán)境 在供試溫室內(nèi)部布置3個(gè)溫濕度測(cè)點(diǎn) 2個(gè)光照測(cè)點(diǎn) 溫濕度測(cè)點(diǎn)分別布置在溫室長(zhǎng)度方向4等分截面處 跨 度方向中部 位于地面以上1 500 mm高度 光照測(cè)點(diǎn)在 溫室長(zhǎng)度方向1 2等分截面處 跨度方向3等分截面處 兩 試驗(yàn)保溫種植槽中間 位于地面以上500 mm高度處 與 試驗(yàn)保溫種植槽高度持平 1 2 3 基質(zhì)溫度處理 因番茄根部為須根 故選取距基質(zhì)表面50 mm 離 保溫種植槽底部80 mm 即D8 深度的溫度為標(biāo)準(zhǔn)作為 根區(qū)溫度參考溫度 簡(jiǎn)稱根區(qū)核心溫度 利用上文所述 控制原理對(duì)試驗(yàn)組基質(zhì)進(jìn)行溫度控制 由于試驗(yàn)期間基質(zhì) 于處于幾乎是密閉狀態(tài)的保溫種植槽中 故除植物吸收 外 基質(zhì)蒸發(fā)相對(duì)較少 故3 4 d進(jìn)行1次澆水 分別于 澆水 澆水前測(cè)量 當(dāng)天和第2天07 00測(cè)量基質(zhì)濕度 將安捷倫傳感器探頭埋于保溫槽內(nèi)待測(cè)溫度基質(zhì)層 深度 即測(cè)量分別距槽底0 D0 40 D4 80 D8 120 mm D12 基質(zhì)表層 的基質(zhì)溫度 見圖2b 基 質(zhì)濕度測(cè)點(diǎn)為保溫種植槽縱向三等分截面 橫向及豎向 二等分截面處 對(duì)照組測(cè)點(diǎn)位置與試驗(yàn)組相同 1 2 4 植株管理 番茄幼苗 金棚14 6 西安金鵬種苗有限公司 于7 月6日移栽入試驗(yàn)槽中 選取長(zhǎng)勢(shì)相近的24棵番茄苗分 別栽種試驗(yàn)組與對(duì)照組的保溫種植槽中 每組12棵 除 對(duì)試驗(yàn)組降溫外 所有植株統(tǒng)一進(jìn)行常規(guī)田間管理 1 3 數(shù)據(jù)處理 本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin SPASS22 0以及Excel進(jìn) 行數(shù)據(jù)分析及二維圖表的制作 2 結(jié)果與分析 2 1 室內(nèi)外光照強(qiáng)度 濕度對(duì)比分析 圖3分別為3種典型天氣下當(dāng)日00 00 24 00間的 室 內(nèi)外光照及溫濕度變化曲線 由圖3所示 3種典型 天氣狀況下 室內(nèi)外光照及溫濕度變化曲線在06 00 20 00期間總體呈現(xiàn)為拋物線型 其余時(shí)段變化較為平緩 晴天曲線較平滑 陰天和雨天氣曲線波動(dòng)相對(duì)較多 典型晴天的室內(nèi)外光照強(qiáng)度 濕度對(duì)比分析如圖3a 所示 室內(nèi) 外光強(qiáng)從06 30開始劇烈升高 在12 20達(dá) 到當(dāng)日峰值分別為41 266 69 078 lux 至20 00時(shí)光強(qiáng) 降至平穩(wěn) 濕度均從06 30開始下降 且室外濕度降低幅 度大于室內(nèi) 室內(nèi) 外濕度分別在13 10和17 00時(shí)達(dá)到 最低點(diǎn)27 38 09 00 17 00室外濕度始終高于室內(nèi) 17 00后室內(nèi) 外濕度開始增加 室內(nèi)濕度增加速率明顯 高于室外 產(chǎn)生明顯差異 典型陰天的室內(nèi)外光照強(qiáng)度 濕度對(duì)比分析如圖3b 所示 室內(nèi) 外光強(qiáng)從06 30開始劇烈升高 在12 50均 達(dá)到當(dāng)日峰值分別為40 898 76 092 lux 至20 00時(shí)光 強(qiáng)降至平穩(wěn) 濕度均從06 30開始下降 分別在13 30和 15 00時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)27 3 44 0 08 30 17 30室內(nèi)濕 度明顯低于室外濕度 17 30后室內(nèi)濕度開始高于室外 且差距逐漸增大 圖3 不同天氣光照強(qiáng)度和濕度變化 Fig 3 Changes in illuminance and humidity in different weather conditions 第5期 張 勇等 光伏驅(qū)動(dòng)基質(zhì)控溫系統(tǒng)對(duì)溫室番茄根區(qū)的降溫效果 215 典型雨天的室內(nèi)外光照強(qiáng)度 濕度對(duì)比分析如圖3c 所示 室內(nèi) 外光強(qiáng)從06 30劇烈升高 在14 10達(dá)到當(dāng) 日峰值分別為34 073 68 532 lux 降至20 00曲線均變 為平穩(wěn) 09 00 16 00有較明顯波動(dòng) 濕度均從06 30開 始下降 分別在14 10和17 30時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)32 3 40 0 2 2 不同深度基質(zhì)溫度的對(duì)比分析 試驗(yàn)中基質(zhì)始終處于相對(duì)密閉的保溫種植槽中 蒸 發(fā)量較小 且其濕度的維持是為了準(zhǔn)確保持基質(zhì)的儲(chǔ)熱 能力和維持番茄正常生長(zhǎng)的土壤含水率 故將試驗(yàn)組和 對(duì)照組基質(zhì)水分含量始終控制在同一水平 相對(duì)于基質(zhì) 溫度的變化 濕度變化相對(duì)較小 因此濕度單獨(dú)測(cè)量 不做比較分析 將其始終控制在62 左右 圖4為3種典型天氣下的不同深度基質(zhì)溫度及室 內(nèi)外溫度的變化曲線圖 由圖4可以看出 在06 00 19 00 之間室內(nèi)外溫度呈近似拋物線形狀 室內(nèi)峰值及變化幅 度顯著高于室外 且3 d中每天的24 h內(nèi)的室內(nèi)溫度始 終高于室外溫度 2 2 1 典型晴天 由圖4a可以得出 典型晴天的室內(nèi) 外最高溫度分 別為66 10 43 25 當(dāng)日15 00時(shí) 試驗(yàn)組D8處溫度 到達(dá)30 85 此時(shí)進(jìn)行當(dāng)日第1次降溫 持續(xù)運(yùn)行1 h 至16 00時(shí)D8處溫度降至26 93 壓縮機(jī)停止后持續(xù) 降溫30 min后為25 04 降溫時(shí)段降了3 92 總共 降低5 81 試驗(yàn)組D0及D4處溫度曲線呈直線急劇下 降 降溫結(jié)束后30 min內(nèi)溫度持續(xù)降低但不明顯 16 30 后溫度開始逐漸回升 19 00進(jìn)行第2次降溫 持續(xù)1 h 第2次降溫 試驗(yàn)組D8溫度從26 23 降至20 00的 21 94 降低了4 29 后持續(xù)降至最低20 89 共降 低5 34 次日03 00時(shí)溫度緩慢回升至24 23 試驗(yàn) 組D0 D4雖起始溫度不同但與15 00的降溫部分曲線同 樣呈直線下降 20 00時(shí)降溫結(jié)束后溫度持續(xù)下降30 min 后開始回升 但回升速率明顯低于降溫速率 23 00后溫 度回升曲線趨于平緩 故試驗(yàn)組D8 處溫度變化趨勢(shì)與 D0 D4相同 但溫度變化幅度更小且曲線更平緩 D12 處從第一次降溫開始一直呈緩慢下降趨勢(shì) 22 00開始趨 于平穩(wěn) 與試驗(yàn)組相比 對(duì)照組各深度基質(zhì)溫度均未有 明顯變化 且不同深度溫度差別不大且全部高于試驗(yàn)組 所有深度處的基質(zhì)溫度 且始終高于30 而對(duì)照組在 00 00 10 00期間溫度曲線始終呈小幅度下降 而后開始 緩慢上升至18 30后再度緩慢下降 不同深度基質(zhì)溫度僅 在09 00 19 00之間有較為明顯差別 試驗(yàn)組和對(duì)照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為31 9 和36 7 最低溫度分別為21 4和30 5 且試驗(yàn)組 D8處24 h間未超過(guò)33 夜間幾乎始終處于最適溫度 而對(duì)照組所有深度溫度曲線均處于試驗(yàn)組之上 且高于 30 2 2 2 典型陰天 由圖4b可以得出 典型陰天的室內(nèi) 外最高溫度分 別為64 20 38 40 僅在19 00進(jìn)行了1次降溫 試驗(yàn) 組各不同深度處的溫度曲線在00 00 15 00之間的變化 趨勢(shì)及溫度與7月18日相似 15 00后除D12曲線有小 幅度升高又下降的趨勢(shì)外 其他各深度曲線仍逐漸上升 且數(shù)值較為接近 19 00開始降溫后試驗(yàn)組D8處從19 00的30 70 至 20 00的25 43 降低了5 27 至最低點(diǎn)23 23 共 降低7 47 而后溫度極緩慢回升至次日03 00 為 25 13 試驗(yàn)組D0和D4處溫度直線下降 20 00時(shí)降 溫結(jié)束后30 min內(nèi)溫度沒(méi)有太大改變 然后溫度呈對(duì)數(shù) 曲線逐漸升高 23 00后曲線趨于平緩 試驗(yàn)組D0 D4 與D8處溫度變化趨勢(shì)大致相同 但溫度變化幅度更小且 曲線更平緩 D12處始終呈緩慢下降趨勢(shì) 22 00開始趨 于平穩(wěn) 試驗(yàn)組和對(duì)照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為30 70 和38 03 最低溫度分別為22 03 和31 93 且試 驗(yàn)組D8處溫度在24 h內(nèi)始終符合試驗(yàn)要求而對(duì)照組溫 度過(guò)高 2 2 3 典型雨天 典型雨天僅在19 00進(jìn)行了1次降溫 各溫度變化如 4c所示 當(dāng)日最高室內(nèi) 外溫度分別為57 58 38 10 整體試驗(yàn)組和對(duì)照組溫度變化曲線均與陰天差別不大 試驗(yàn)組D8處從19 00的31 37 降到20 00的25 97 降低了5 40 停止后持續(xù)降溫至最低點(diǎn)23 80 共降 低7 57 而后的溫度回升十分緩慢 至次日03 00為 25 40 對(duì)照組所有深度基質(zhì)溫度亦始終高于30 試驗(yàn)組和對(duì)照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為31 37 和37 70 最低溫度分別為23 00和32 43 試驗(yàn)組 D8處溫度始終符合試驗(yàn)要求 對(duì)照組溫度過(guò)高 2 3 根區(qū)溫度指標(biāo)分析 為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性及普遍性 本文對(duì)3種典 型天氣各做了3次重復(fù)試驗(yàn) 并記錄數(shù)據(jù) 對(duì)D8處溫度 的日最高 最低溫度及其日較差 日最高溫與最低溫之 差 和日平均溫度分別求平均值 如圖5所示 由圖5 可以得出 3種天氣下 試驗(yàn)組最大值分別為31 26 29 92 27 89 對(duì)照組最大值分別為 37 77 35 68 33 89 即試驗(yàn)組比對(duì)照組分別低6 51 5 76 6 00 進(jìn)行降 溫處理的試驗(yàn)組3種天氣下D8處日最高 最低溫度以及 日平均溫度均明顯低于對(duì)照組溫度 而日較差明顯高于 對(duì)照 試驗(yàn)組的平均溫度維持在25 26 之間 穩(wěn)定程 度高于對(duì)照組 除根區(qū)核心溫度外 本文還對(duì)基質(zhì)整體溫度進(jìn)行了 分析計(jì)算 為準(zhǔn)確反映基質(zhì)溫度分布 將試驗(yàn)組每相鄰 2個(gè)深度測(cè)點(diǎn)的平均溫度作為該層基質(zhì)的平均溫度 再 對(duì)不同層的平均溫度2 次平均得到該組基質(zhì)的整體平 均溫度 對(duì)照組計(jì)算方法相同 具體各溫度值見表1 從表1 中可直觀的得到各深度測(cè)點(diǎn)測(cè)得溫度及基質(zhì)整 體的平均溫度 故由表1得出 本系統(tǒng)典型晴 陰 雨 天降溫期間實(shí)際將試驗(yàn)組基質(zhì)的平均溫度 典型晴天降 溫2次 故此處為2次的平均值 分別降低了8 65 11 38 11 47 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 216 注 ED0 ED4 ED8 ED12分別為試驗(yàn)組D0 D4 D8 D12處 CD0 CD4 CD8 CD12分別為對(duì)照組D0 D4 D8 D12處 Note ED0 ED4 ED8 and ED12 are the positions of experimental group D0 D4 D8 and D12 respectively CD0 CD4 CD8 and CD12 are the positions of control group D0 D4 D8 and D12 respectively 圖4 典型天氣室內(nèi)外溫度與基質(zhì)溫度的變化曲線 Fig 4 Variation curve of indoor and outdoor temperature and matrix temperature in typical weathers 注 不同字母表示各組別間差異顯著 P 0 05 Note Different letters indicate significant different among groups at 0 05 level 圖5 典型天氣根區(qū)核心溫度 D8處 極值 平均值及日較差 Fig 5 Maximum minimum average and diurnal range of temperature in the root core zone D8 of typical weathers 表1 典型天氣不同時(shí)刻下各測(cè)點(diǎn)溫度降低情況 Table 1 Reduced temperature of each measurement point at different times in typical weathers 降溫Reduced temperature 時(shí)刻 Time 試驗(yàn)組 Experimental group 對(duì)照組 Control group 2018 07 18 16 00 8 83 0 20 2018 07 18 20 00 8 42 0 15 2018 06 30 20 00 11 66 0 28 2018 07 01 20 00 17 85 0 37 2 4 試驗(yàn)番茄生長(zhǎng)狀態(tài)分析 2 4 1 植株熱場(chǎng)分布及分析 圖6a為從植株頂端的熱象俯視圖 表現(xiàn)了植株的熱 場(chǎng)分布情況 由圖可知 進(jìn)行降溫處理后的試驗(yàn)組植株 根部溫度最低 由根部向上溫度逐漸升高 而未降溫的 對(duì)照組植株整株均呈現(xiàn)相對(duì)高溫狀態(tài) 圖6b為分別在試驗(yàn)組及對(duì)照組隨機(jī)選取3株植株的 熱象主視圖 由圖可以看出試驗(yàn)組的保溫種植槽內(nèi)溫度 較低 植株底部莖稈溫度也相對(duì)較低 對(duì)照組槽內(nèi)溫度 較高 且植株整體溫度較高 圖6 植株熱場(chǎng)分布圖 Fig 6 Thermal field distibution of plants 2 4 2 植株生理含水量分析 7月22日 對(duì)照組番茄植株全部死亡 試驗(yàn)組植株 全部存活 在試驗(yàn)組與對(duì)照組各取一株該組別內(nèi)最壯的 苗進(jìn)行對(duì)比 并分別對(duì)其根 莖 葉的干 鮮質(zhì)量及含 水率進(jìn)行了對(duì)比 得到結(jié)果如下表2 表2 不同根溫處理下植株各部分含水率 Table 2 Water content of different part of plants under different root temperature treatments 根Root 莖Stem 葉Leaf 組別 Group 鮮質(zhì)量Fresh weight g 干質(zhì)量Dry weight g 含水率 Water content 鮮質(zhì)量Fresh weight g 干質(zhì)量Dry weight g 含水率Water content 鮮質(zhì)量Fresh weight g 干質(zhì)量Dry weight g 含水率 Water content E 2 35 0 54 77 02 22 81 2 29 89 96 28 43 5 12 81 99 C 0 46 0 14 69 57 1 69 1 04 38 46 2 86 2 34 18 18 注 E為試驗(yàn)組 C為對(duì)照組 Note E represents experimental grou C represents control group 第5期 張 勇等 光伏驅(qū)動(dòng)基質(zhì)控溫系統(tǒng)對(duì)溫室番茄根區(qū)的降溫效果 217 試驗(yàn)中所有植株在試驗(yàn)開始時(shí)生長(zhǎng)狀況相同 由表2 得出 在試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后 對(duì)照組植株根 莖 葉 部分的鮮質(zhì)量均遠(yuǎn)低于試驗(yàn)組 對(duì)照組根部含水量略低 于試驗(yàn)組 而莖 葉部分含水量均遠(yuǎn)低于試驗(yàn)組 由表 觀亦可明確判定對(duì)照組植株已完全死亡 而試驗(yàn)組植株 仍具有生命活力 由此得出 經(jīng)過(guò)根部降溫處理的植株 的根 莖 葉的生長(zhǎng)情況明顯優(yōu)于對(duì)照組 2 5 能耗分析 試驗(yàn)采用的多晶硅光伏板單塊峰值功率為275 W 試 驗(yàn)總共用8塊多晶硅光伏板 裝機(jī)功率2 200 W 蓄電池 參數(shù)為12 V 400 Ah 試驗(yàn)用直流壓縮機(jī)制冷額定功率為 930 W 能效比2 68 直流風(fēng)機(jī)功率115 W 直流水泵功 率180 W 經(jīng)測(cè)量 每個(gè)槽中基質(zhì)總質(zhì)量為210 kg 經(jīng)測(cè) 得平均含水率為56 基質(zhì)比熱容為2 649 70 J kg K 每次工作時(shí)間1 h 相關(guān)能量計(jì)算方程為 計(jì)算中溫度數(shù) 據(jù)以7月18日第1次降溫為例 1 1 2E c m T T 1 62 33 6 10 cop10PE t 壓 2 63 33 6 10 10P P PE t 壓 水泵風(fēng)機(jī) 3 式中E1為保溫種植槽中基質(zhì)每次降溫所需能量 J E2 為壓縮機(jī)輸出的能量 J E3為每次降溫所有機(jī)械總耗能 J c為基質(zhì)實(shí)測(cè)比熱容 J kg K m為基質(zhì)總質(zhì)量 kg T1和 T2分別為試驗(yàn)組和對(duì)照組降溫時(shí)段分層后槽內(nèi)基 質(zhì)平均溫差 其中 T1 Ta Tb Ta 30 59 Tb 21 76 Ta Tb分別為試驗(yàn)組降溫時(shí)段分層后槽內(nèi)基質(zhì) 降溫開始時(shí)刻的平均溫度 降溫結(jié)束時(shí)刻的平均溫度 T2 Tc Td Tc 35 67 Td 35 87 Tc Td分別 為對(duì)照組降溫時(shí)段分層后槽內(nèi)基質(zhì)降溫開始時(shí)刻的平均 溫度 降溫結(jié)束時(shí)刻的平均溫度 P壓為直流壓縮機(jī) 輸出功率 W cop為能效比 t為直流壓縮機(jī)工作時(shí)間 h P風(fēng)機(jī)為直流風(fēng)機(jī)功率 W P水泵為直流水泵功率 W 經(jīng)計(jì)算得出E1 E2 E3分別為5 03 106 8 97 106 4 41 106 J 將生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)消耗能量轉(zhuǎn)化 為基質(zhì)冷量的效率 E1與E2的比值 為0 56 Qiu 等 31 對(duì)西北地區(qū)日光溫室短季節(jié)栽培番茄高 產(chǎn)種植密度研究結(jié)果顯示 適宜的番茄種植密度為 4 4 5 6株 m2 故以5株 m2計(jì)算 本試驗(yàn)以每組12株 番茄計(jì)算 經(jīng)計(jì)算 保溫種植槽單位面積的制冷功率為 510 42 W m2 基質(zhì)平均溫度降低9 03 用于基質(zhì)冷卻的冷量初期貯藏于相變材料箱中的相 變材料中 且一般可對(duì)全部相變材料制冷存入冷量 以 便及時(shí)取用 為防止冷量損失等情況的產(chǎn)生 也為了使 之適用于類似文中典型晴天的需對(duì)根區(qū)進(jìn)行2次降溫的 情況 本次使用相變材料質(zhì)量較大 確保了儲(chǔ)存冷量大 于1次制冷過(guò)程基質(zhì)所需冷量 儲(chǔ)存于相變材料中的冷量 1E蓄冷可用式 4 說(shuō)明 11E Q m 吸蓄冷 4 式中Q吸為儲(chǔ)存于相變材料中的相變材料的吸冷量 J 實(shí)際取值為148 30 J g m1為實(shí)際應(yīng)用的相變材料總質(zhì)量 實(shí)際取值為110 30 kg 經(jīng)計(jì)算得出 1E蓄冷 16 36 106 J 遠(yuǎn)大于每次降溫所有機(jī)械總耗能E3 故在各種天氣狀況 下 所用相變材料均可放出足夠的冷量保障系統(tǒng)運(yùn)行 3 討 論 在本試驗(yàn)條件下 未進(jìn)行降溫處理的番茄植株僅存 活了17 d 而在第17天時(shí) 根部進(jìn)行降溫處理過(guò)的植株 長(zhǎng)勢(shì)良好 僅少部分頂端葉片有高溫灼傷 葉片略卷曲 莖部及根部未呈現(xiàn)出明顯影響 且后期試驗(yàn)組植株均正 常開花結(jié)果 王吉慶等 15 的研究指出當(dāng)單位溫室面積實(shí)際制冷功 率為157 50 W m2時(shí) 溫室內(nèi)平均溫度較室外降低1 且當(dāng)降溫設(shè)備停止運(yùn)行后無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持已有制冷效 果 而且在其研究中未對(duì)番茄實(shí)際生產(chǎn)效果進(jìn)行論述 實(shí)際效果不得而知 而本生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)中 保溫種植槽單位面積的制冷功率為510 42 W m2 基質(zhì)平 均溫度降低9 03 且夏季高溫晴天共2 h降溫處理 其他天氣僅需1 h降溫 當(dāng)天內(nèi)其他時(shí)段無(wú)需其他處理即 可保持基質(zhì)溫度處于適宜作物生長(zhǎng)范圍 即本試驗(yàn)使用8 塊275 W的光伏板控制了210 kg的基質(zhì)溫度 且試驗(yàn)期 間停止降溫后可持續(xù)保證降溫效果 所栽植番茄成功越 夏并開花結(jié)果 本試驗(yàn)各部分能量均有一定富余量 故 實(shí)際中或可達(dá)到更好的使用效果 更加節(jié)能 該能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)整個(gè)溫室空氣進(jìn)行降溫所需能 耗 同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了在高溫高濕環(huán)境下的溫室精準(zhǔn)控溫 而且相較于其他基質(zhì)降溫方式本試驗(yàn)系統(tǒng)采用以光伏為 電力能源驅(qū)動(dòng)制冷設(shè)備的方式 大大提高了該系統(tǒng)的綠 色節(jié)能性能 系統(tǒng)相變材料的使用及保溫種植槽的構(gòu)建 均使本系統(tǒng)蓄冷能力較高 而且在實(shí)踐生產(chǎn)中能夠進(jìn)行 離網(wǎng)運(yùn)行 提高了系統(tǒng)在分散分布溫室中運(yùn)用的經(jīng)濟(jì)性 和可靠性 為模擬系統(tǒng)在極端狀態(tài)下的有效性和可靠性 本試 驗(yàn)采用了極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法 即試驗(yàn)系統(tǒng)在相對(duì)極端 狀態(tài)下的性能 進(jìn)而保障系統(tǒng)在非極端情況下的可靠性 和節(jié)能性 因此當(dāng)系統(tǒng)在高溫狀態(tài)時(shí)能夠?qū)⒏鶇^(qū)溫度控 制到適合溫度范圍 在實(shí)際生產(chǎn)條件下系統(tǒng)可以消耗更 少的能耗就能實(shí)現(xiàn)控制根區(qū)溫度的目的 但僅對(duì)番茄苗 期的根區(qū)低能耗控溫下安全越夏的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研 究 對(duì)于結(jié)合通風(fēng) 遮陽(yáng)和其他調(diào)節(jié)改善溫室內(nèi)部環(huán)境 措施的溫室環(huán)境下進(jìn)行根部溫度控制的夏季降溫及冬季 升溫效果以及多因子耦合的根區(qū)溫度處理效果有待進(jìn)一 步的研究 由于項(xiàng)目地選擇的不同 環(huán)境條件不同 本 系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況改變相變材料種類和用量 4 結(jié) 論 1 本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了在溫室高溫工 況下的植栽根區(qū)溫度的控制 在晴 陰 雨天各取連續(xù)3 d 試驗(yàn)組根區(qū) D8處 平均最高溫度分別為31 26 29 92 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 218 27 89 比對(duì)照組分別低6 51 5 76 6 00 在典型 晴 陰 雨天 室內(nèi)最高溫度分別為66 10 64 20 57 58 的工況下 與對(duì)照組溫度變化相比 該系統(tǒng)降溫期間實(shí) 際將試驗(yàn)組基質(zhì)的平均溫度分別降低了8 65 11 38 11 47 2 本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)確保了試驗(yàn)番茄在極端高溫 的工況下 正常生長(zhǎng)和開花結(jié)果 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析 僅通過(guò)根部溫度控制裝置對(duì)番茄根部進(jìn)行降溫的方法對(duì) 番茄成功越夏產(chǎn)生了極明顯的效果 生長(zhǎng)狀況相同的植 株 在試驗(yàn)進(jìn)行17 d時(shí) 試驗(yàn)組與對(duì)照組的根 莖 葉 的鮮質(zhì)量產(chǎn)生了較大的差異 且從外觀 熱像圖的分析 均可得出對(duì)照組植株已經(jīng)死亡 而試驗(yàn)組長(zhǎng)勢(shì)良好并最 終正常開花結(jié)果 3 本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低能耗溫室制冷 在 本試驗(yàn)工況下 溫室番茄安全抗高溫每天運(yùn)行1 h 需 4 41 106 J 能量 保溫種植槽單位面積的制冷功率為 510 42 W m2 基質(zhì)平均溫度降低9 03 參 考 文 獻(xiàn) 1 瞿劍 中國(guó)設(shè)施園藝面積世界第一 N 科技日?qǐng)?bào) 2017 08 22 2019 05 06 2 Li Yongxin Li Baoming Wang Chaoyuan et al Effects of shading and roof sprinkling in venlo type greenhouse in summer J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2002 18 5 127 130 李永欣 李保明 王朝元 等 Venlo型溫室外遮陽(yáng)和屋頂 噴淋系統(tǒng)夏季降溫效果 英文 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2002 18 5 127 130 in English with Chinese abstract 3 Mutwiwa U N Elsner B V Tantau J H et al Cooling naturally ventilated greenhouses in the tropics by near infra red reflection J Acta Horticulturae 2007 801 259 266 4 Li Angui Huang Lin Zhang Tongfeng Field test and analysis of microclimate in naturally ventilated single sloped greenhouses J Energy and Buildings 2017 138 479 489 5 Fuchs M Dayan E Presnov E Evaporative cooling of a ventilated greenhouse rose crop J Agricultural greenhouse ecological intelligence root temperature phase change materials PCM summer