收稿日期 2019 12 26 基金項目 安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計劃項目 gxyqZD2018134 安徽省質量工程項目 2016ckjh049 2017zhkt132 作者簡介 尹晶晶 1984 女 安徽六安人 講師 碩士 研究方向為農業(yè)自動化 一種新型作物溫室系統的設計 尹晶晶1 徐振峰2 1 安徽國防科技職業(yè)學院電氣技術學院 安徽六安237011 2 合肥學院電子信息與電氣工程系 安徽合肥230601 摘要 盡管我國溫室面積高居世界第一位 但是溫室系統很不規(guī)范 拱棚溫室造價低 但無法 進行自動化控制 現代化溫室可以實現自動控制 但造價非常高 為此 設計了一種新型作物溫室 系統 采用鍍鋅鋼管作為系統支架 采用薄膜作為覆蓋材料 溫室系統包括室內環(huán)境監(jiān)測傳感器 用以通風的南北側卷膜和頂部卷膜 外遮陽網 噴淋 加熱管道 保溫幕和CO2發(fā)生器 該溫室系 統兼顧了溫室建設成本與自動控制兩方面因素 為我國廣大地區(qū)的溫室建設提供了參考 關鍵詞 溫室 自動控制 能耗 中圖分類號 S625 1 文獻標識碼 B 文章編號 2096 790X 2020 05 0077 04 DOI 10 19576 j issn 2096 790X 2020 05 017 Design of a New Crop Greenhouse System Yin Jingjing1 Xu Zhenfeng2 1 School of Electrical Technology Anhui Vocational College of Defence Technology Lu an City Anhui Province 237011 2 Department of Electronic Information and Electrical Engineering Hefei University Hefei City Anhui Province 230601 Abstract China s greenhouse area is the largest in the world but the greenhouse system is not standardized Arched greenhouse has low cost but there is no automatic control Modern greenhouse can realize automatic con trol but the cost is very high Therefore a new crop greenhouse system is designed in this paper Galvanized steel pipe is used as system bracket and film is used as covering material The greenhouse system includes indoor envi ronmental monitoring sensors rolled films on the north and south sides and on the top for ventilation external shad ing net spraying heating pipe insulation curtain and CO2 generator Both the construction cost and automatic con trol are considered in the greenhouse system which provides a reference for greenhouse construction in vast areas of China Key words greenhouse automatic control energy consumption 0 引言 溫室是通過使用薄膜 玻璃等透明覆蓋材料而 形成的一個相對密閉的空間 通過合理調節(jié)室內環(huán) 境因子來實現作物反季節(jié)生產以及優(yōu)質高產 在上 世紀60年代 我國溫室主要是薄膜覆蓋的拱形大 棚 規(guī)模小 水平低 且室內環(huán)境難以調控 改革開 放之后 我國先后從日本 歐美地區(qū)引進大量現代化 溫室 但由于缺乏現代化溫室的管理經驗 沒有考慮 配套的種植品種和配套技術 再加上對我國氣候條 件的認識不充分 結果大部分溫室都不能正常運 行 1 上世紀末 國內許多地方先后花巨資從以色 列 荷蘭等國家購買成套溫室設施 2 由于氣候差 異 管理水平及理念的不同 大部分溫室的生產效果 并不理想 為此 農業(yè)部于1999年發(fā)布了 關于加 強溫室引進管理工作的通知 要求各地進一步規(guī) 范引進工作 提高引進溫室的經濟效益 3 雖然經 過40多年的發(fā)展 我國溫室面積已躍居世界第一 位 但溫室生產與管理水平仍與發(fā)達國家有很大差 距 這導致了溫室生產水平和經濟效益明顯低于荷 蘭 以色列等發(fā)達國家 由于溫室建設及生產受到氣候 建設成本 管理 第22卷 第5期 Vol 22 No 5 黃河科技學院學報 JOURNAL OF HUANGHE S在夜間 三側墻釋 放熱量 向陽面同時覆蓋有保溫被以維持一定的室 內溫度 與拱棚溫室相比 日光溫室配備了部分環(huán) 境調控設備 例如有的日光溫室?guī)в芯砟C 加熱爐 等設備 通過人工按動相關按鈕以實現設備的動 作 自動化程度依然很低 連棟溫室是現代化溫室 一般采用玻璃 陽光板等材料覆蓋 室內通常安裝有 多種環(huán)境調控設備 占地面積大 自動化程度高 不 過 連棟溫室的建設成本非常高 國內連棟溫室多用 于種植名貴花卉以及用于科學研究等 由于普通百 姓難以承受其高昂的造價和運行成本等 因此連棟 溫室在國內的普及率并不高 1 2 室內受控環(huán)境因子 影響室內作物生長的主要環(huán)境因子包括室內空 氣溫度 相對濕度 光照度和CO2氣體濃度 作物 的光合作用 呼吸作用 光合產物的輸送以及養(yǎng)分的 吸收等都需要在一定溫度條件下進行 在自然界氣 候條件的各種環(huán)境因素中 溫度條件因晝夜 季節(jié)和 地區(qū)的不同而發(fā)生變化的范圍很大 這是露地種植 不能進行作物周年生產的最重要原因 4 因此 室 內空氣溫度是溫室小氣候環(huán)境控制中關注最多的環(huán) 境因子 相對濕度對作物光合作用 養(yǎng)分吸收等均有所 影響 過高或過低的相對濕度都不利于作物生長 如果溫室內相對濕度過高 作物的蒸騰作用將會受 到抑制 從而阻礙根系對養(yǎng)分的吸收和輸送 導致光 合強度下降 持續(xù)高濕環(huán)境還容易滋生各種真菌疾 病 以及導致作物莖葉生長過旺 影響開花結實 反 之 過低的相對濕度容易導致水分脅迫以及氣孔關 閉 從而減少光合作用 如果相對濕度過低 而同時 日照強烈 氣溫較高的話 作物將會因失水過多而造 成暫時或永久萎蔫 光不僅是植物進行光合作用等基本生理活動的 能量源 也是植物花芽分化 開花結果等形態(tài)建設和 控制生長過程的信息源 植物利用光能進行光合作 用 從而把CO2和水轉化為碳水化合物 在高緯度 地區(qū)的冬季 太陽光照不僅強度弱 而且光照時間也 較短 因此室內光照強度和光照時間均不能滿足作 物生長需求 需要進行補光 而在低緯度的亞熱帶 熱帶地區(qū)的夏季 晴朗白天的太陽輻射很強 過強的 太陽光不僅會灼傷室內作物 還會導致室內溫度過 高 則需要遮陽操作 以減少進入溫室的太陽光輻射 CO2氣體是作物進行光合作用的原材料 其濃 度直接影響作物光合作用的強度和物質產生的效 率 由于溫室空間的有限性和密封性 室內空氣中 的CO2濃度不像外界空氣中那樣穩(wěn)定 在夜間 作 物因呼吸而釋放出CO2氣體 因此夜間室內CO2氣 體濃度要高于外界空氣 而在白天日出之后 作物 由于光合作用而大量消耗室內CO2氣體 其濃度迅 速降低 通常1 2 h之后 室內CO2氣體就會降低 到室外的濃度水平 到正午時 密閉溫室中CO2氣 體濃度遠低于大氣中的濃度 4 這種情況下 則需 要補充室內CO2氣體 由于溫室小氣候環(huán)境的相對密封性 當白天太 陽輻射較強時 室內溫度 濕度 CO2氣體濃度等都 具有較大波動 一方面 需要合理地控制相關設備 動作 以便把室內主要環(huán)境因子控制在設定范圍內 另一方面 需要考慮溫室建設費用和運行費用等問 題 由于這兩個方面具有很強的沖突性 因此溫室 建設還有巨大的提升空間 2 溫室系統的設計思路 從農業(yè)自動化與建設成本等方面考慮 溫室系 統設計應遵循以下原則 1 新型溫室系統需要為 實現環(huán)境調控自動化而提供條件 因此溫室系統中 應當安裝有一定種類和數量的調控設備 2 為了 便于普及和廣泛使用 溫室系統的建設成本不能過 高 3 在溫室生產過程中 應盡可能減少其運行成 本 4 溫室生產不應當僅滿足蔬菜或作物的反季 節(jié)生產 而應當盡量實現全年生產 根據以上分析 溫室系統具有以下組成部分 87黃河科技學院學報 2 1 室內環(huán)境監(jiān)測系統 由于溫室環(huán)境自動控制系統應建立在環(huán)境因子 自動采集的基礎上 因此溫室系統中應該包括室內 環(huán)境監(jiān)測系統 根據以上分析 需要監(jiān)測的室內環(huán) 境因子應包括室內空氣溫度 相對濕度 光照度和 CO2濃度 對于我國絕大部分地區(qū)來說 由太陽光 而產生的光照度基本上能夠滿足溫室作物的生長需 求 因此可以不必對室內照度進行監(jiān)測 2 2 通風窗 在眾多設備中 天窗和側窗是非常重要的設備 打開天窗或側窗 可以實現室內外空氣對流 從而達 到降溫 除濕以及調節(jié)室內CO2氣體等目的 開窗 通風幾乎不消耗電能源 而且投資省 因此是非常經 濟的溫室環(huán)境調控方式 不過 自然通風的能力有 限 而且通風效果受室外風速 風向等因素影響 與 通風窗相比 開啟風扇進行通風 被稱為機械通風或 強制通風 具有通風能力強 效果穩(wěn)定等優(yōu)點 但 是 機械通風因風扇的持續(xù)轉動而不斷消耗電能 長 時間運行會增加溫室運行成本 所以 在溫室系統 中應當盡可能采用開窗通風方式 2 3 遮陽網 在亞熱帶和熱帶地區(qū)夏季晴朗的白天 太陽輻 射很強 大量的太陽輻射能量穿過透明覆蓋層進入 溫室從而引起室內溫度升高 遮陽就是采用不透光 或透光率低的材料遮擋陽光 阻止多余的太陽輻射 進入溫室 一方面達到降溫的目的 另一方面又能防 止植物被陽光曝曬 遮陽方法主要有室外遮陽 室 內遮陽和屋頂刷白3種方式 5 與后兩種遮陽方式 相比 外遮陽效果更好 且使用方便 當然 外遮陽的 建設成本略高 不過 與開窗通風一樣 遮陽網僅在 其短暫的運動過程中消耗電能源 而在絕大部分時 間內處于靜止狀態(tài) 不消耗任何能源 因此 在溫室 生產過程中 當需要降溫等操作時應當充分利用遮 陽網 2 4 噴淋裝置 從降溫的角度來看 在炎熱的夏季 同時展開遮 陽網和打開通風窗或風扇 室內溫度也不能夠降低 至合適的范圍內 此時 可以采取蒸發(fā)降溫的方式 蒸發(fā)降溫主要包括濕簾降溫和噴霧降溫兩種方 式 6 濕簾降溫在實際應用中多與負壓機械通風 系統組合使用 稱為濕簾 風扇降溫系統 其特點是 降溫速度快 但分布不均勻 且運行能耗大 噴淋降 溫是另一種蒸發(fā)降溫方式 它是采用液力或氣力等 方法 向空氣中直接噴入霧滴 通過其蒸發(fā)來實現降 溫的目的 所噴出的霧滴越小 霧滴與空氣接觸的 表面積就越大 從而就越利于蒸發(fā)降溫 噴淋降溫 運行能耗低 降溫效果均勻 但降溫速度低于濕簾降 溫 從運行能耗和降溫均勻性來看 應采用噴淋降 溫方式 2 5 加熱裝置 在我國大部分地區(qū)的冬季 當種植喜低溫作物 時 通過設置良好的密閉性 許多溫室冬季可以不安 裝加熱設備 不過 為了確保溫室作物在極端寒冷 天氣情況仍能夠正常生長 溫室系統中應當設置部 分加熱設備 目前 溫室中常用的加熱方式主要有 熱風采暖 熱水采暖和火爐采暖等 7 熱風采暖具 有預熱時間短 升溫快 易操作等優(yōu)點 但溫度穩(wěn)定 性差 停機后溫度下降快 熱水采暖因水的熱容量 大 因此預熱時間較長 但停機后的保溫性非常好 火爐采暖具有較好保溫性和輻射加熱效果 設備費 用低且易維護 不過 火爐采暖不易實現自動控制 而且在使用時必須注意通風以防止煤氣中毒 綜上 分析 采用熱水采暖方式比較合適 2 6 保溫幕 對于冬季溫室保溫來說 設置保溫幕具有重要 意義 參考日光溫室結構 在寒冷季節(jié) 可以在溫室 北側以及東西兩側分別覆蓋保溫幕或保溫被 當覆 蓋保溫幕或撤銷保溫幕時 需要一定的人力勞動 當覆蓋或撤銷完畢之后 不再需要人力勞動 且無運 行能耗 因此 對于許多溫室來說 在冬季可以增設 保溫幕以實現溫室保溫功能 2 7 CO2發(fā)生器 當溫室內CO2氣體濃度過低時 需要增加其濃 度以保證作物正常的光合作用 通風換氣是最常用 且最經濟的方法 不過 溫室在冬季進行通風換氣 的次數與時間非常有限 因此 當室內CO2氣體低 于室外空氣中的濃度水平時 應當適當補充室內 CO2氣體 增施CO2氣體 可以采用固態(tài)CO2 液態(tài) CO2以及增施有機肥等 5 從成本和使用方便程度 兩方面考慮 建議采用液體CO2增施方式 通過電 磁閥容易實現液態(tài)CO2瓶的自動開關控制 3 設計實施 根據上述設計分析 設計了一款溫室系統 其三 維結構如圖1所示 橫切面結構如圖2所示 溫室 大小可以參考現有溫室 溫室長度一般不超過 60m 寬度在6 12m之間 檐高不應低于3m 具體 長度可以根據實際情況而定 溫室架構采用鍍鋅鋼 管 以增強其堅硬程度和抗風雪能力 采用薄膜材 料覆蓋 在確保一定保溫功能的前提下 盡量降低建 設成本 97尹晶晶 等 一種新型作物溫室系統的設計 圖1 溫室立體結構 圖2 溫室橫切面結構 在該溫室中心處設置有傳感器系統 用于實時 監(jiān)測室內空氣溫度 相對濕度和CO2氣體濃度 由 于卷膜通風比傳統窗戶的通風效果更好 因此采用 卷膜的形式設有南北側窗和頂窗 當需要通風換氣 時 通過電機帶動卷軸 以開啟部分或全部側窗和頂 窗 為了避免室內溫濕度的劇烈波動 側窗和頂窗 的開口大小均可以連續(xù)調節(jié) 盡管遮陽有多種形 式 但外遮陽效果更好 且使用方便 因此在該系統 中設置了外遮陽網 主要目的是用于遮陽降溫 為 了避免極端高溫情況 設置了噴淋裝置 以進行蒸發(fā) 降溫 在保溫方面 參考日光溫室的特點 采用具有 一定厚度的泡沫板等 設置了外保溫幕 在溫室東 西側墻 北側墻與頂部北側面覆蓋外保溫幕 能夠取 得一定的保溫效果 深秋或初冬季節(jié)時的氣溫較低 覆蓋該保溫幕 在春季 當氣溫逐漸回暖 則撤去該 保溫幕 為了給室內作物提供適宜的生長環(huán)境 除 了保溫幕之外 還設置了熱水加熱管道 與其他設 備相比 熱水加熱的能耗要高得多 其操作也相對復 雜 因此 在寒冷的冬季 采取保溫措施之后 室內 溫度仍不能滿足作物生長時 才啟動熱水管道進行 加熱 最后 溫室內還設置CO2發(fā)生器 采用液體 瓶裝CO2即可 便于實現自動控制 以及具有方便 移動與更換等優(yōu)點 CO2增施主要在冬季白天使 用 在冬季 溫室絕大部分時間都處于密閉狀態(tài) 在白天時段 室內CO2氣體因作物光合作用而迅速 減少 此時 啟動液體CO2瓶的閥門 在其他季節(jié) 尤其是夏季 通風窗很多時候都處于打開狀態(tài) 此時 不會進行CO2增施操作 4 結語 針對我國現有溫室種類及其存在的問題 設計 了一種新型作物溫室系統 采用鍍鋅鋼管作為系統 支架 采用薄膜作為覆蓋材料 溫室系統包括室內 環(huán)境監(jiān)測傳感器 用以通風的南北側卷膜和頂部卷 膜 外遮陽網 噴淋 加熱管道 保溫幕和CO2發(fā)生 器 該溫室系統兼顧了溫室建設成本與自動控制兩 方面因素 具有投資少 能耗低等優(yōu)點 為我國廣大 地區(qū)的溫室建設提供了參考 參考文獻 1 周長吉 馮廣和 引進溫室?guī)Ыo中國設施園藝現代化的思考 J 沈陽農業(yè)大學學報 2000 31 1 23 25 2 洪大起 關于引進國外大型溫室設施的探討 J 農村機械化 1998 4 7 8 3 王松濤 引進 給我們帶來了什么 我國引進溫室工作綜述 J 農業(yè)機械 2000 11 7 4 馬承偉 農業(yè)生物環(huán)境工程 M 北京 中國農業(yè)出版社 2005 5 鄒志榮 邵孝侯 設施農業(yè)環(huán)境工程學 M 北京 中國農業(yè)出版社 2008 6 SETHI V P SHARMA S K Survey of cooling technologies for worldwide agricultural greenhouse applications J Solar Energy 2007 81 12 1447 1459 7 吳靜怡 金鼎 溫室加熱方案選擇 J 農村實用工程技術 2001 1 8 9 08黃河科技學院學報