半封闭温室在中国的工程实践_周长吉.pdf

现代化的大型连栋玻璃温室在我国改革开放以 来至少经历了 3 次发展高潮 改革开放初期的 20 世纪 80 年代前后 从保加利亚 罗马尼亚以及日 本等国引进建设的大面积连栋玻璃温室 由于冬季 加温能耗大 夏季降温困难 运行成本高等原因 几乎以全面失败而告终 周长吉和冯广和 2000 进入 21 世纪的 2000 年前后 从荷兰 西班牙等国 引进的大面积连栋玻璃温室以科技示范为立足点 虽然在生产中由于效益差而没有得到大面积推广 但确实带动了我国温室制造业的发展 使我国温室 主体结构以及遮阳保温幕 风机湿帘等温室配套设 备跻身世界市场 这一阶段由于对作物的基础研究 不足 温室的环境控制技术还主要依靠荷兰 以色 列等国进行配套 在 十三五 以来的第三次大面 积玻璃温室的发展中 主要从荷兰引进技术 而且 通过金融资本和上市企业的介入 大规模温室建设 已经步入了市场化运行的范畴 尤其是在国家耕地 政策限制越来越严格 人们对消费品品质要求越来 越高的新发展时期 连栋玻璃温室建设的规模越来 越大 管理的智能化 精细化和现代化水平越来越 高 并且伴随产量的提升和销售模式的改变 蔬菜 种植的效益也开始初现 李新旭 等 2018 未来 大规模连栋玻璃温室在我国还会有更大的发展空 间 每一次大规模连栋温室的发展都能给业界带来 新的机会和思考 同时也带动了行业的科技进步和 装备革新 半封闭温室是在荷兰国内全封闭温室研究失 败后 由 Certhon 温室制造公司将其 SuprimAir 环 境调控技术结合荷兰文洛型温室结构提出的一种 新型温室环境控制系统 我国从 2015 年前后从荷 兰学习引进 并进行种植试验 程智慧和仲丽洁 2013 丁小涛 等 2016 2018 和国产化工程设计 与性能测定 周增产 等 2018 2019 截至 2020 年底 我国全套引进以及国产化设计的半封闭温室 建设面积已逾百公顷 本文就这种新型温室的工作 原理及其在工程实践中的各种创新进行总结分析 可供工程设计参考和进一步研究应用 1 半封闭温室的工作原理与特点 传统的荷兰标准文洛型玻璃温室墙面不开窗 屋顶不配遮阳网 仅设屋面交错开窗 我国引进该 类型温室后 除了冬季的加温能耗巨高外 夏季降 温困难更是其难以推广的一个主要技术障碍 虽然 周长吉 男 博士 研究员 主要从事温室工程技术的研究 设计和标 准化工作 E mail zhoucj 收稿日期 2021 02 25 接受日期 2021 04 10 基金项目 农业农村部规划设计研究院自主研发项目 ZZYFXKFZ20 1902 半封闭温室是近年来在我国兴起并大规模建设的一种新型温室建筑与环境调控模式 具有气流输送 距离长 室内环境周年可调控的特点 非常适用于设施园艺大规模连片建设和周年生产 但由于对 其研究时间短 建设经验不足 半封闭温室工程设计还未形成通用设计方法和标准 本文在介绍半 封闭温室工作原理与特点的基础上 对国内建设的半封闭温室气候室的结构形式及其加温 降温 CO 2 配送等环境调控设备的设置方法进行了综述分析 可供类似工程设计参考 doi 10 19928 ki 1000 6346 2021 5015 半封闭温室在中国的工程实践 周长吉 李 艳 富建鲁 农业农村部规划设计研究院 北京 100125 1 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 2021 8 1 7 在国产化的进程中有的采用了屋顶遮阳网和屋脊双 侧的连续通风窗 使温室开窗面积与地面面积之比 由交错开窗的不足 30 提高到 60 以上 但仅靠 遮阳和屋面开窗的自然通风远达不到温室周年运行 通风降温的需要 所以 我国建设的连栋玻璃温室 大都配套湿帘风机降温系统 尤其在北方干热气候 条件下 配合屋顶遮阳 可彻底解决温室夏季运行 降温的问题 但配套湿帘风机降温系统的温室 从 湿帘侧到风机侧室内温差较大 风机与湿帘之间 的距离一般要求控制在 50 m 以内 这就大大限制 了连栋温室连片建设的规模 造成了土地资源的浪 费 建设成本的增加以及冬季加温能耗的攀升 为了提高温室建设的土地利用率 目前我国 连栋玻璃温室建设的最小规模均在 3 hm 2 以上 最 大的连片建设规模已达到 20 hm 2 基本建设单元为 5 7 hm 2 建设这种规模的温室 依靠传统的屋面 开窗自然通风系统很难满足其夏季降温的需要 风 机湿帘负压通风降温系统由于风机和湿帘之间的距 离过长 难以有效运行 且喷雾降温系统由于室内 湿度高 引发病害的风险高 生产管理者难以精准 调控 由此催生了一种正压通风降温系统的应用 所谓正压通风降温系统 就是用送风风机将经 过湿帘或其他冷源降温的湿冷或干冷空气吹送到温 室内 在送风风机的压力作用下 温室室内的空气 压力始终高于室外 在室内外空气压差的作用下将 室内高温空气排到室外 从而达到通风换气和降温 的作用 传统的负压通风系统使用的风机为低压大流量 轴流风机 这种风机流量大 但压力小 只能用于 负压排风而不能用于正压送风 用于正压送风的风 机必须是流量适宜且压力高的离心风机 配套送风 风管可将进风口的新风送到 100 m 以外的地方 由 此满足了温室大规模连片建设的需求 正压送风系统不仅适用于温室夏季的降温 而 且也适用于温室冬季的加温以及除湿和 CO 2 的配 送 将加温 降温 除湿以及 CO 2 配送等多种功 能的设备集合在一起 即形成一个设置在正压送风 风机之前的空气混合调节室 简称气候室 夏季降 温期间 打开气候室的湿帘降温系统和温室屋面通 风窗 正压送风风机从湿帘的出风侧将经过湿帘降 温的湿冷空气加压后 通过设置在种植床架下部的 均匀送风管道 从作物的根区吹送到作物冠层 气 流在自下而上的运动中将温室上部空间的热空气通 过屋面通风窗挤压出室外 其工作原理如图 1 a 所 示 冬季加温期间 关闭湿帘降温系统和屋面通风 窗 开启加温系统和 CO 2 配送系统 正压送风风机 将混合有 CO 2 的干热空气源源不断输送到种植床架 下部的均匀送风管道 热风通过作物根区再经过作 物冠层和温室上部空间降温后 回送到气候室重新 加热 实现室内空气封闭循环运动且高效节能 其 工作原理如图 1 b 夏季降温期间 正压送风系统从室外引进新鲜 空气 经过气候室降温送入温室并最终从温室屋面 通风窗排出 形成室内外空气交换的开放系统 冬 季温室加温期间 温室屋面通风窗和湿帘进风口完 全关闭 气候室和温室室内形成空气内循环 温室 内空气处于封闭循环系统 这种夏季开放 冬季封 闭的温室空气循环系统即称为半封闭系统 在气候 适宜的季节也可以同时关闭加温和降温系统 只按 封闭内循环状态运行配送 CO 2 可显著提高温室内 CO 2 浓度 从而有效提高温室内种植作物的产量和 品质 半封闭系统除夏季降温外 温室运行的大部分 时间屋面窗户处于关闭状态 由此可最大限度减少 室外空气进入温室室内 从而降低温室由于空气交 换产生的能量和 CO 2 损失 此外 温室内的空气由 于采用自下向上的送风系统 可以通过果菜作物内 部叶面 加速空气流动 提升作物叶面的蒸腾作用 与光合作用能力 由于空气由下向上流动 也能显 著减少由于太阳辐射作用而造成的温室沿高度方向 的温度梯度 从而保证了生产作物整体的生长环境 相对一致且稳定 由于系统运行温室内始终处于正 压状态 从而也有效避免了负压通风降温系统引入 病虫害的风险 与传统的文洛型温室相比 半封闭 温室结构几乎完全相同 但屋面开窗的面积可以更 小 气候室的存在使温室北部的保温得到进一步加 强 温室的整体保温性能更好 此外由于配套了温 室降温系统 温室可以实现越夏安全生产 延长夏 季生产周期 1 2 个月 半封闭温室与传统文洛型 温室相比 建设成本增加值仅在 5 以内 却可显 著提高温室的利用率 从而降低温室的折旧成本 以及提高温室作物的生产量 2 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 2 半封闭温室的结构与设备组成 与传统的文洛型温室相比 半封闭温室就是在 其一侧墙面 一般在北侧 增设了沿该墙面通长的 气候室 该气候室与温室间形成相对隔离的空间 在气候室的外墙侧安装湿帘 内墙 与温室的隔断 墙 侧安装送风风机 顶部设置与温室相连通的可 启闭的通风口 调节气候室内空气环境的加温 降温 除湿以 及 CO 2 配送的设备和方式 不同的工程有不同的做 法 由此也形成了不同的气候室形式与结构 2 1 气候室的形式与结构 气候室的功能是在相对封闭的空间内形成温室 降温 加温等环境调节所要求的均匀 稳定的混合 气体 并将其输送到温室内 气候室既是混合空气 的调节室 也是产生混合空气的设备房 由此 不 同的设备配置方案决定了气候室的形式与结构 以湿帘为降温设备的气候室 湿帘在温室 降温系统中的布置形式有两种 一种是安装在温室 的外侧墙面上 图 2 a 另一种是安装在独立的湿 帘箱的箱体上 图 2 b 对于冬季比较寒冷的地区 为了增强温室的保温 在温室外墙外侧还可增设缓 图 2 湿帘的安装方式 a 外墙湿帘 b 湿帘箱 c 走廊湿帘 a b c 图 1 半封闭温室工作原理 a 夏季降温开放运行状态 b 冬季加温封闭内循环状态 m Y Y a m Y Y b 3 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 冲走廊 图 2 c 湿帘仍设置在温室的外墙上 但 需要在走廊外墙上设置进风口 以保证湿帘运行中 能直接引入室外新鲜空气 为了保证湿帘在非运行 期间进风口的密封性 湿帘的外侧应安装可开闭的 通风窗 湿帘运行期间开启 湿帘停运期间关闭 为了减小走廊面积以节约用地 一般湿帘窗多采用 上下启闭的提拉窗 而走廊墙面的进风口则采用更 廉价的卷膜通风窗 采用墙面安装湿帘时 一般湿帘安装在温室的 北侧墙面 以减小气候室对室内作物采光的影响 为了将湿帘降温后的湿冷空气引入气候室 一般在 湿帘与温室作物生长区之间设置隔断墙 隔断墙要 与湿帘有一定距离 高度应高于种植作物的冠层 50 cm 以上 隔断墙顶部与湿帘上部温室墙体结构 之间设置气流内循环的可启闭通风口 由此形成湿 帘墙 隔断墙和通气口屋面组成的多开口且又能相 对封闭的气候室 内循环通风口屋面可以是水平设 置的平顶屋面 周长吉 2020 也可以是通风口 倾斜的折线形屋面 图 3 还可以是完全开口的 敞口屋面 图 4 图 3 内循环通风口倾斜的折线屋面气候室 a 夏季降温开放运行状态 b 冬季加温封闭内循环状态 c 内循环通风口关闭 实景图 a b c 图 4 敞口屋面气候室 a 夏季降温开放运行状态 b 冬季加温封闭内循环状态 c 内循环通风口敞开 实景图 a b c 对于敞口屋面气候室 为了能有效控制湿帘进 风和室内回风的风口启闭 设计者巧妙地用湿帘通 风口盖板兼作气候室屋顶通风口的窗扇 也就是将 传统的湿帘外侧窗改为了湿帘内侧窗 当盖板扣盖 湿帘进风口时 自然就将气候室屋面打开 而当打 开湿帘进风口时 盖板正好可以用来封闭气候室的 屋面 相比需要在湿帘进风口和气候室屋面分别设 置窗扇的固定屋面气候室 这种设计只用了 1 套开 窗系统兼顾完成了 2 项任务 是一种比较经济和优 化的设计方案 图 4 用湿帘箱降温的气候室 和墙面安装湿帘的气 候室一样 都结合了加温和 CO 2 配送的功能 但整 栋温室的气候室是由若干独立的气候箱组成 一般 每跨温室配置一组气候箱 气候箱可以全部置于温 室室外 也可以在温室内建设一个更大空间的气候 室 将气候箱和其他环境调控设备全部布置其中 图 2 b 图 5 在温室的外墙开设通风窗作为气候室 气候箱新风的引入口 在气候室与温室相连的隔墙 上开设通风窗用作气候室 气候箱空气内循环的进 风口 相比湿帘安装在温室墙面上的气候室 气候箱 式气候室占地面积大 设备投资较高 单台设备故 4 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 障会影响一跨温室内作物的供气 运行风险也较高 以热泵和制冷机调节空气温度的气候室 当温室的热源和冷源不是采用锅炉和湿帘 而是采 用地源热泵或制冷机时 由于取消了墙面湿帘 大 大简化了气候室的结构 使原来的大空间气候室演 变成以管道为单元的气流混合与输送管 图 6 这种结构将室外新风 室内回风以及加温 降 温 CO 2 配送等功能全部集中配套在 1 根送气管道 上 丁小涛 等 2016 2018 用一块导流板或其 他的风口控制阀来控制新风和回风进入主管 主管 上连接空气过滤器 冷热交换器及 CO 2 配送管等 在风管与温室内作物栽培架下的均匀送风管道连接 处安装送风风机 其中冷热交换器可以是分体式串 联或并联连接 也可以是一体化集成设备 当需要 降温时停止供热 而需要加温时则停止供冷 无论 是降温 加温期间还是 CO 2 配送期间 温室的屋 面窗户和新风口都应处于关闭状态 以节约能源 只有当室外气温适宜 温室不需要强制加温和降温 时 方可关闭室内回流口 打开室外新风口和屋 面通风窗 依靠室外的自然环境进行温室的自然通 风 降温并补充 CO 2 这种结构完全取消了湿帘降 温系统的气候室建筑结构 大大节省了温室建筑空 间 增加了温室有效种植面积 提高了温室建设的 土地利用率 但由于温室运行的加温 降温都需要 开启热泵或制冷机 电能消耗量较大 也直接影响 了温室的生产效益 具体设计中应根据建设地区的气候条件和温室 生产作物对环境的要求综合分析 统筹核算 以经 济效益为中心 合理选择气候室的结构形式 2 2 气候室设备配置 调节气候室空气环境的设备主要包括加温设 备 降温设备和 CO 2 配送设备 更加精细的环境控 制还包括除湿设备 将气候室调节混合后的空调气 体输送到温室内作物生长区域 还需要配套送风风 机和均匀送风管道 其中降温设备主要有湿帘和制 冷机组及配套的冷交换器 其布置形式见 2 1 图 6 地源热泵和制冷机调节空气温度的气候室结构 图 5 湿帘箱降温的气候室结构 5 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 加温设备 加温设备是提高送风温度的热 源 加热设备的热量可以是来自锅炉或其他换热设 备的热水或蒸汽 也可以是直接用电对空气进行加 温后的热风 提高送风管内空气温度的方法有两种 一种 是对气候室内空气进行整体加温 风机从气候室内 抽取热空气送入作物区的均匀送风管道 另一种是 在送风风机进气口前对吸入风机的空气进行局部 加温 气候室内空气整体加温的方法主要是在气候室 内均匀布置光管散热器和圆翼散热器 图 7 a 或 布置其中一种 向其供应热水或蒸汽即可 对于送 风风机前空气局部加温的方式 可同样采用热水或 蒸汽 用供回水主管 图 7 b 将热水或蒸汽输送 到每个送风风机 在风机口增设换热盘管 图 7 c 在气流进入风机的过程中与换热盘管进行热量交 换 从而提高空气温度 同理 在风机进气口前加 设电加热丝替代换热盘管 即可实现用电直接加热 空气的目的 比较两种加温的方式可以看出 风机送风口空 气局部加温的换热效率高于气候室空间整体加温 从节能的角度出发 设计中应尽量采用风机进气口 局部加温的方式 CO 2 供气管 CO 2 的供气碳源可以是天然 气燃烧锅炉后经检验合格的烟道尾气 也可以是 液态 CO 2 经气化和调压后的纯 CO 2 气 周长吉 2020 气态 CO 2 经管道输送到气候室后 导入温 室内送风管道的方式可以是置于送风风机的进气 口 也可以置于送风风机的送风口 对于湿帘安装在墙面上降温的气候室 CO 2 输 送管往往是直接将 CO 2 供给到气候室内送风风机的 进气口 可以在每台送风风机口设置 1 个 CO 2 送风 管 图 8 a 也可以在相邻 2 台送风风机之间设置 1 个 CO 2 送风管 图 8 b 依靠送风风机进气口的 图 8 CO 2 供气的方式 a 设置在送风风机进气口 b 设置在相邻送风风机之间 c 并入送风风机出流中 a b c 图 7 加热设备布置形式 a 光管散热器和圆翼散热器 b 供回水主管 c 风机换热盘管 a b c 圆翼散热器 光管散热器 供回水主管 换热盘管 负压 将 CO 2 吸入作物栽培架下的均匀送风管道 对于湿帘箱降温的气候室 由于气候室内空间 较大 可将 CO 2 缓冲罐一并布置于气候室中 从 CO 2 缓冲罐引出的 CO 2 气体可以直接注入送风风机 的送风侧管道内 在送风管内与空调气体混合 再 分送到作物栽培架下的均匀送风管道中 对于以热 泵为冷热源的管道式气候室系统 可将 CO 2 输送管 直接连接在送风主管上 随着空调混合气流一并送 入均匀送风管道 图 8 c 送风风机 送风风机是温室正压通风系统 的动力源 其作用是将室外新风或温室内回风抽吸 到气候室内 经过加温和降温设备调节后与配送的 6 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角 CO 2 混合 统一输送到作物栽培区的均匀送风管道 中 按功能要求 送风风机一般安装在均匀送风管 道的起始进气端 图 9 a b 其类型主要有仅送 风的单机 以及将风机和冷热交换器集合为一体的 复合机 对于湿帘箱气候室的送风风机 一般是将送 风风机安装在气候箱内 将气候箱内经过湿帘降温 或加温管加温的调节气体抽出气候箱 在送风风机 的出风口安装引风管 引风管再进行二次分流将混 合调节的气体分送到作物种植区的均匀送风管道中 图 9 c 送风管 送风管是将气候室内经过调节混 合后的空气均匀输送到作物生产区的气流输送管 道 传统的送风管为帆布材料圆筒管道 在其表 面的双侧开设出风小孔 使主送风管内的气流通过 小孔射流溢出送风管 该射流气流具有一定初速 度 在离开送风管进入温室后可冲击和扰动室内气 流运动 一般作物区的均匀送风管设置在作物栽培架的 下方 图 10 a 气流自下而上运动扰动作物区内 空气 可加速作物叶面蒸腾和 CO 2 吸收 也可促使 温室内温度分布更均匀 若作物的种植方式不是吊 架式栽培 而是地面土壤或基质栽培或移动苗床栽 培 主要用于育苗 水培叶菜和盆花栽培等 均 匀送风管道在地面没有安装空间时 也可将送风管 布置在空中 图 10 b 为了减少对作物的遮光 图 9 送风风机的设置形式 a 热交换送风风机 b 通风送风风机 c 大功率送风风机 a b c 一般采用透光塑料膜制作送风管 对于吊架高度小于送风管主管直径的种植模 式 送风管不能直接设置在吊架下部时 也可以将 主送风管埋设在地下 并用支管将主管气流引出地 面 采用支管射流的方式将主管气流均匀释放到温 室作物栽培区 图 10 c 参考文献 程智慧 仲丽洁 2013 半封闭温室小气候改变对番茄发育及果 实产量和保健化合物含量的交互影响 论文评述 中国蔬菜 2 1 3 丁小涛 周强 何立中 潘烨 余纪柱 2016 半封闭温室迷你黄 瓜岩棉栽培技术 中国蔬菜 6 91 95 丁小涛 金海军 杨少军 何立中 余纪柱 周强 2018 半封闭 温室夏季降温及黄瓜光合特性的研究 上海农业学报 34 4 58 64 李新旭 王艳芳 李红岺 2018 蔬菜工厂化生产 一 北京市大 型连栋温室蔬菜工厂化生产情况 中国蔬菜 7 83 87 周长吉 冯广和 2000 引进温室带给中国设施园艺现代化的思 考 沈阳农业大学学报 31 1 23 25 周长吉 2020 引进荷兰大规模连栋玻璃温室长季节栽培番茄的 工艺与设备配置 CO 2 施肥系统 农业工程技术 40 28 10 15 周增产 赵静 李秀刚 王文山 董微 兰立波 2018 半封闭温 室夏季降温试验 农业工程 8 2 46 49 周增产 赵静 李秀刚 卜云龙 张江峰 兰立波 2019 半封闭 温室设计与应用 北方园艺 6 69 76 图 10 送风管的设置形式 a 作物栽培架下送风管 b 空中送风管 c 埋入地下的送风管 a b c 7 中 国 蔬 菜 CHINA VEGETABLES 产业广角