连栋温室内置喷雾正压通风系统设计与应用_王思源.pdf

连栋温室内置喷雾正压通风系统设计与应用 王思源1 孙维拓2 高轶楠1 田兴武3 魏晓明2 王利春2 1 1 天津农学院园艺园林学院 天津 300384 2 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京 100097 3 宁夏吴忠国家农业科技园区管理委员会 吴忠 751199 摘 要 针 对 装 备 化 连 栋 温 室 正 压 通 风 降 温 系 统 由 于 湿 帘 面 积 受 限 导 致 的 冷 量 不 足 等 问 题 该 研 究 设 计 了 一 套 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 采 用 高 压 喷 雾 代 替 湿 帘 进 行 蒸 发 降 温 以 在 有 限 空 间 内 增 加 热 质 交 换 量 系 统 由 风 机 组 和 送 风 管 组 成 室 外 热 空 气 进 入 机 组 经 内 置 高 压 喷 雾 加 湿 降 温 再 由 地 埋 风 管 送 入 温 室 并 从 天 沟 下 方 向 跨 中 水 平 送 风 室 内 热 空 气 由 顶 窗 排 出 为 检 验 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 的 性 能 在 宁 夏 吴 忠 一 栋 连 栋 温 室 内 进 行 系 统 性 能 测 试 并 以 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 及 其 管 控 区 域 为 对 照 进 行 比 较 分 析 结 果 表 明 1 开 启 遮 阳 网 配 合 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 降 温 试 验 区 夏 季 白 天 08 00 18 00 平 均 气 温 维 持在31 6 以 内 比 室 外低3 5 比 对 照 区低1 5 平 均 空 气 相 对 湿 度为68 比 室 外高40个 百 分 点 平 均 空 气 水 蒸 气 饱 和 压 差 维 持在0 42 1 07 kPa 适 宜 于 作 物 生 长 发 育 试 验 区 东 西 方 向 末 端 出 风 口 风 速 分 布 均 匀 标 准 差 0 7 1 0 m s 南 北 两 端 风 速 相差4 1 6 0 m s 平 均 温 差达0 5 2 高 温 时 段 11 00 15 00 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 与 温 室 内 高 压 喷 雾 联 合 降 温 试 验 区 日 平 均 气 温 比 室 外低2 7 6 8 与 仅 运 行 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 相 比 降 温 幅 度 提升0 7 4 2 联 合 降 温 使 温 室 垂 直 方 向 环 境 分 布 更 加 均 匀 与 正 压 通 风 系 统 单 独 运 行 相 比 温 度 标 准 差 降低0 2 湿 度 标 准 差 降低1 7个 百 分 点 3 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 处 理 后 的 空 气 与 进 风 口 处 相 比 降温10 5 增湿54个 百 分 点 系 统 降 温 效 率达98 2 比 对 照 系 统高3个 百 分 点 系 统 耗 电 量 为 5 4 14 6 W m2 耗 水 量为0 046 0 076 g m2 s 该 研 究 将 为 装 备 化 连 栋 温 室 正 压 通 风 降 温 系 统 的 性 能 提 升 与 工 程 应 用 提供技术支撑 关键词 连栋温室 空气温度 空气湿度 正压通风 高压喷雾 湿帘 降温效率 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202410054 中图分类号 S625 5 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2025 10 0254 11 王 思 源 孙 维 拓 高 轶 楠 等 连 栋 温 室 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 设 计 与 应 用 J 农 业 工 程 学 报 2025 41 10 254 264 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202410054 http www tcsae org WANG Siyuan SUN Weituo GAO Yinan et al Design and application of a spray based positive pressure ventilation system for multi span greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2025 41 10 254 264 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202410054 http www tcsae org 0 引 言 中 国 连 栋 温 室 规 模 逐 渐 扩 大 但 夏 季 温 室 降 温 困 难 已 成 为 温 室 作 物 长 季 节 栽 培 的 瓶 颈 问 题 在 众 多 降 温 技 术 中 直 接 蒸 发 冷 却 技 术 成 本 低 降 温 效 率 高 1 是 调 控 温 室 环 境 的 有 效 手 段 主 要 包 括 湿 帘 风 机 和 高 压 喷 雾 研 究 表 明 湿 帘 风 机 系 统 在 不 同 地 区 不 同 湿 帘 结 构 及 通 风 速 率 下 均 具 有 明 显 的 降 温 增 湿 效 果 2 4 尤 其 适 用 于 炎 热 干 燥 地 区 5 然 而 湿 帘 风 机 的 负 压 通 风 方 式 存 在 以 下 局 限 性 湿 帘 到 风 机 的 气 温 梯 度 过 大 温 差 通 常 为 4 9 5 6 降 温 效 果 受 温 室 长 度 限 制 降 温 能 力 易 受 室 外 空 气 湿 度 影 响 当 室 外 相 对 湿 度 超过90 时 室 内 外 最 大 温 差 仅为1 7 系 统 运 行 时 室 内 空 气 为 负 压 对温室气密性要求较高 8 9 m 与 育 苗 温 室 中 用 于 喷 灌 增 湿 的 低 压 弥 雾 系 统 不 同 高 压 喷 雾 系 统 喷 洒 高 蒸 发 率 的 细 水 滴 直 径 为 2 60 通 过 细 水 滴 蒸 发 吸 热 降 低 室 内 空 气 温 度 并 提 升 相 对 湿 度 10 相 比 自 然 通 风 温 室 高 压 喷 雾 系 统 可 使 室 内 气 温 降低8 空 气 蒸 汽 压 差 降低55 11 虽 然 高 压 喷 雾 系 统 的 降 温 性 能 不 及 湿 帘 风 机 等 系 统 12 但 由 于 其 成 本 较 低 常 与 其 他 降 温 技 术 结 合 使 用 ARBEL等 13 将 喷 雾 系 统 与 强 制 通 风 结 合 可 获得28 8 的 温 室 平 均 气 温 比 室 外 降 低 约 8 3 相 对 湿 度 达 到 80 MCCARTNEY等 14 将 自 然 通 风 和 喷 雾 系 统 相 结 合 室 内 气 温 比 室 外 降低1 9 12 6 相 对 湿 度 增加1 4 31 2 高 压 喷 雾 系 统 虽 能 有 效 降 温 但 其 传 热 传 质 过 程 较 为 复 杂 喷 嘴 形 式 15 喷 雾 压 力 16 及 间 隔 时 间 17 等 都 会 对 喷 雾 热 交 换 效 率 产 生 影 响 实 际 生 产 中 温 室 内 置 高 压 喷 雾 系 统 易 导 致 室 内 空 气 湿 度 过 大 且 其 单 独 降 温能力有限 难以保障作物安全越夏 为 克 服 湿 帘 风 机 和 高 压 喷 雾 等 连 栋 温 室 降 温 措 施 在 高 温 季 节 降 温 效 果 不 理 想 的 问 题 2015年 前 后 中 国 从 荷 兰 引 进 了 正 压 通 风 系 统 正 压 通 风 系 统 可 保 证 室 内 环 境 均 匀 性 其 送 风 距 离 可达100 250 m 7 有 潜 力 节 约 能 源 与 水 资 源 消 耗 18 还 可 防 止 昆 虫 和 真 菌 孢 子 进 入 温 收稿日期 2024 10 10 修订日期 2025 04 11 基金项目 北 京 市 农 林 科 学 院 创 新 能 力 建 设 专 项 KJCX20240405 宁 夏 回 族 自 治 区 重 点 研 发 计 划 项 目 2022BBF02023 2023BCF01047 山 东 省重点研发计划项目 2022CXGC020708 4 作者简介 王思源 研究方向为设施园艺 Email yuan623226 通信作者 王 利 春 正 高 级 工 程 师 研 究 方 向 为 设 施 园 艺 工 程 与 智 能 装 备 Email wwllcc 868 第 41 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol 41 No 10 254 2025 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2025室 19 此 外 正 压 通 风 系 统 对 温 室 的 降 温 幅 度 比 负 压 湿 帘 风 机 提高0 3 20 采 用 正 压 通 风 系 统 的 温 室 其 作 物 产 量 较 自 然 通 风 温 室 提升15 20 21 然 而 现 有 正 压 通 风 系 统 多 采 用 空 气 处 理 走 廊 系 统 组 件 集 成 度 低 管 控 难 度 大 为 此 笔 者 所 在 研 究 团 队 开 发 了 一 种 高 度 集 成 化 装 备 化 的 连 栋 温 室 正 压 通 风 系 统 22 该 系 统 虽 然 在 示 范 应 用 中 效 果 良 好 但 仍 存 在 内 置 湿 帘 面 积 受 限 导 致 供 冷 潜 力 不 足 等 问 题 无 法 满 足 温 室 的 冷 负 荷 需 求 为 提 升 装 备 化 连 栋 温 室 正 压 通 风 系 统 的 降 温 性 能 本 研 究 参 考 集 中 雾 化 降 温 技 术 23 设 计 了 一 套 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 spray based positive pressure ventilation system SPVS 该 系 统 将 正 压 通 风 与 高 压 喷 雾 相 结 合 以 系 统 内 置 高 压 喷 雾 替 代 湿 帘 增 加 热 质 交 换 量 解 决 湿 帘 面 积 受 限 导 致 的 供 冷 不 足 问 题 该 研 究 以 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 wet pad based positive pressure ventilation system WPVS 作 为 对 照 分 析 温 室 降 温 效 果 和 系 统 降 温 性 能 并 测 试 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 与 室 内 高 压 喷 雾 联 合 降 温 的 应 用 效 果 以 期 为 连 栋 温 室 正 压 通 风 系 统 的 工程应用提供理论支撑 1 材料与方法 1 1 试验温室 供 试 温 室 位 于 宁 夏 回 族 自 治 区 吴 忠 市 孙 家 滩 国 家 现 代 农 业 产 业 园 106 25 E 37 55 N 南 北 走 向 东 西 长80 m 南 北长54 m 东 侧 设 备 间宽4 m 温 室 采 用 大 屋 面 设 计 共4跨 每 跨 一 个 屋 脊 跨度17 m 跨 间 天 沟宽2 m 肩高3 m 脊高7 9 m 种 植 面 下沉1 m 屋 面 倾角30 顶 部 覆盖5 mm超 白 香 梨 减 反 射 散 射 钢 化 玻 璃 四 周 为 5 6 5 mm中 空 钢 化 玻 璃 天 沟由50 mm 厚1级 聚 苯 板 外 覆 镀 锌 钢 板 制 成 骨 架为Q35B钢 设 备 间 东 西 侧 墙 体 设有13个 单 层 推 拉 塑 钢 窗 连 通 温 室 栽 培 区 设 备 区 与 室 外 用 于 切 换 温 室 空 气 内 外 循 环 温 室 配有75 遮 阳 率 铝 箔 圆 丝 外 遮 阳 系 统 每 跨 两 侧 屋 面 各开一排顶窗 最大张开角度23 1 2 设备结构 1 2 1 正压通风系统 内 置 喷 雾 和 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 由 风 机 组 和 送 风 管 道 两 部 分 组 成 风 机 组 包 括 初 效 过 滤 段 增 湿 降 温 段 表 冷 换 热 段 以 及 风 机 送 风 段 初 效 过 滤 段 采 用 尼 龙 网 过 滤 空 气 高 压 喷 雾 风 机 组 的 增 湿 降 温 段 均 匀 布 置 高 压 喷 嘴 湿 帘 风 机 组 增 湿 降 温 段 由 湿 帘 和 两 台 水 泵 组 成 图1 为内置喷雾和内置湿帘正压通风系统风机组内部结构 风 机 选 型 是 温 室 正 压 通 风 系 统 设 计 的 关 键 步 骤 参 考 温 室 通 风 降 温 设 计 标 准 24 和 文献 25 关 于 正 压 通 风 连 栋 温 室 冷 负 荷 的 计 算 方 法 结 合 当 地 气 候 特 征 与 栽 培 需 求 选 定 250 W m2作 为 温 室 夏 季 降 温 冷 负 荷 Qc W m2 正 压 通 风 系 统 的 设 计 通 风 量 fps m3 s 以 及 温室降温所需比通风量 gv ps m s 由下式计算 26 f ps g v ps A f 1 g v ps 1 air C pa t g t eva Q c 2 t eva t a ps t a t a wb 3 t a wb t a arctan 0 152 h 100 8 314 1 2 arctan t a h 100 arctan h 100 1 676 0 004 h 100 3 2 arctan 0 023h 100 4 686 4 式中 Af为 温 室 地 表 面 积 m2 tg为 室 内 空 气 设 计 温 度 ta为 室 外 空 气 设 计 温 度 teva为 经 过 蒸 发 降 温 后 的 湿 冷 空 气 温 度 air为 空 气 密 度 取1 3 kg m3 Cpa为 空 气 定 压 比 热 容 取1 006 J kg ps为 系 统 降 温 效 率 取0 9 ta wb为 室 外 空 气 湿 球 温 度 h100为 室外空气相对湿度的100倍 a 内置喷雾正压通风系统风机组 a Air handling unit of spray based positive pressure ventilation system SPVS b 内置湿帘正压通风系统风机组 b Air handling unit of wet pad based positive pressure ventilation system WPVS 3 2 1 8 5 6 7 9 4 11 10 1 喷 雾 增 湿 降 温 段 2 表 冷 换 热 段 3 风 机 送 风 段 4 湿 帘 增 湿 降 温 段 5 喷 嘴 6 初效过滤段 过滤网 7 进风口 8 离心风机 9 出风口 10 水泵 11 湿帘 1 Spray humidification and cooling section 2 Surface cooling and heat exchange section 3 Fan air supply section 4 Wet pad humidification and cooling section 5 Nozzle 6 Primary filtration section filter screen 7 Air inlet 8 Centrifugal fan 9 Air outlet 10 Water pump 11 Wet pad 图1 正压通风系统风机组结构示意图 Fig 1 Schematic diagram of the air handling units in positive pressure ventilation systems 基 于 当 地 室 外 环 境 历 史 数 据 及 番 茄 生 长 适 宜 环 境 条 件 室 内 空 气 设 计 温 度取32 室 外 空 气 设 计 温 度 取 35 相 对 湿 度取30 计 算 得 出 采 用 正 压 通 风 系 统 的 试 验 连 栋 温 室 降 温 所 需 比 通 风 量为0 022 m s 综 合 考 虑 风 压 风 量 能 耗 与 投 资 成 本 试 验 温 室 选 用 额 定 送 风 量为6 5万m3 h 机 外 静 压为750 Pa的 内 置 喷 雾 和 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统各1套 略 低 于 设 计 通 风 量 离 心 风 机可变频调节 额定功率37 kW 为 保 证 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 降 温 效 率 满 足 系 统 设 计 制 冷 量 需 求 需 计 算 内 置 喷 雾 所 需 总 喷 雾 量 并 据 此 进 行 喷 雾 雾 化 机 和 喷 头 的 设 备 选 型 内 置 喷 雾 设 备 的 设 计喷雾量 mf kg s 可由下式计算 m f air C pa t a t eva f ps f L 5 式中 f为 喷 雾 设 备 蒸 发 冷 却 效 率 取0 65 27 L为 水 的 第 10 期 王思源等 连栋温室内置喷雾正压通风系统设计与应用 255 蒸发潜热量 取值2 26 106 J kg 针 对 额 定 送 风 量为6 5万m3 h的 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 内 置 喷 雾 设 备 的 设 计 喷 雾 量 计 算 值为0 186 kg s 即 11 2 L min 实 际 安 装 的 雾 化 主 机 额 定 供 水 量为30 L min 额 定 功 率为3 0 kW 配 套 变 频 器 同 时 内 置 喷 雾 设 备 采 用 红 宝 石 钻 针 单 喷 嘴 单 只 喷 雾 量为0 17 L min 均 匀 布置160个 喷 头 孔径0 2 0 3 mm 所 安 装 的 内 置 喷 雾 设 备 喷 雾 量 高 于 设 计 喷 雾 量 有 利 于 进 一 步 提 升 系 统 降温效率 保证对温室足够的制冷量 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 增 湿 降 温 段 的 湿 帘 由 厂 家 直 接 配 型 湿 帘高2 550 mm 宽2 200 mm 厚100 mm 配套2台 循 环 水 泵 单 台 水 泵 最 大 流量9 m3 h 最 大 扬 程7 5 m 额 定 功率250 W 为 扩 展 机 械 制 冷 或 加 温 功 能 两 套 正 压 通 风 系 统 均 配 套 安 装 额 定 功 率为307 07 kW的 表冷器 如图2所 示 为 降 低 系 统 静 压 损 失 保 证 气 流 均 匀 分 布 每 台 风 机 组 出 风 口 分 别 连 接 一条 1 000 mm玻 璃 钢 送 风 主 管 延 伸 至 温 室 南 侧 再 分 出4条 南 北 向 600 mm送 风 支 管 分 布 于 每 跨 东 西 两 侧 埋 于 天 沟 下 支 管 末 端 变 径至 350 mm 每 条 送 风 支 管 设 48个 150 mm末端出风口 伸出地面约250 mm 6 9 5 4 1 3 8 7 2 10 1 温 室 栽 培 区 2 温 室 设 备 间 3 WPVS风 机 组 4 SPVS风 机 组 5 出 风 口 6 送 风 主 管 7 送 风 支 管 8 末 端 出 风 口 9 末 端 出 风 口 与 支 管 连 接 细 节 10 设 备间外侧窗 1 Greenhouse cultivation area 2 Greenhouse equipment room 3 Air handling unit of WPVS 4 Air handling unit of SPVS 5 Air outlet 6 Main ventilation duct 7 Branch ventilation duct 8 Terminal air outlet 9 Connection detail between terminal air outlet and branch duct 10 Side vents of the equipment room 图2 风机组与风管布局 Fig 2 Air handling unit and ductwork layout 根 据 风 机 组 与 风 管 布 局 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 管 控 温 室 东 侧 两 跨 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 管 控 温 室 西 侧 两 跨 系 统 运 行 时 气 流 组 织 方 式 为 室 外 热 空 气 由 设 备 间 外 侧 窗 进 入 设 备 间 的 风 机 组 经 风 机 组 内 置 高 压 喷 雾 或 湿 帘 加 湿 降 温 再 由 地 埋 风 管 送 入 温 室 并 从 天 沟 下 方向跨中水平送风 室内热空气由顶窗排出 1 2 2 温室高压喷雾系统 温 室 内 高 压 喷 雾 系 统 采 用 的 雾 化 主 机 额 定 功 率为 5 5 kW 额 定 供 水 量为50 L min 工 作 电压380 V 配 套 变 频 器 温 室 栽 培 区 均 匀 安装320个 双 喷 嘴 高 压 喷 头 喷 头 夹角120 孔 径为0 2 0 3 mm 考 虑 降 温 与 控 湿 需 求 试 验 期 间 喷 雾 时 间 设 定 为 工作4 min 停止1 min 1 3 试验方法 供 试 连 栋 温 室 以 第 二 跨 天 沟 走 廊 为 界 分 为 东 西 两 区 西 区 3 4跨 为 内 置 喷 雾 正 压 通 风 系 统 降 温 试 验 区 东 区 1 2跨 为 内 置 湿 帘 正 压 通 风 系 统 降 温 对 照 区 两区之间悬挂塑料薄膜进行隔断 在2022年8月5日 8月17日 2023年7月9日 7月20日及2023年7月23日 8月2日 开展3次 系 统 测 试 每 阶 段 选取10个 晴 天 进 行 分 析 其 中 2022年 8月5日 8月17日 温 室 适 时 使 用 外 遮 阳 试 验 期 间 试 验 与 对 照 系 统 运 行 时 间为08 00 18 00 两 系 统 根 据 地 区 气 候 变 化 对 温 室 环 境 进 行 变 频 控 制 10 00 15 00 室 外 气 温 接近35 相 对 湿 度约30 风 机 频 率 设 为 45 Hz 其 余 时 间 段 08 00 10 00和 15 00 18 00 风 机 频 率 调 整为30 Hz 正 压 通 风 系 统 风 机 频 率 设 置 见 图3 07 10 07 11 07 12 07 13 07 14 07 15 07 16 07 17 07 18 07 19 07 20 07 09 07 21 0 10 20 30 40 50 风机频率Fan frequency Hz 风机频率Fan frequency Hz 风机频率Fan frequency Hz 日期Date 日期Date 日期Date 07 24 07 25 07 26 07 27 07 28 07 29 07 30 07 31 08 01 08 02 07 23 08 03 0 10 20 30 40 50 08 05 08 06 08 07 08 08 08 09 08 10 08 11 08 12 08 13 08 14 08 15 08 16 08 17 08 18 0 10 20 30 40 50 a 2023 07 09 00 00 2023 07 21 00 00 b 2023 07 23 00 00 2023 08 03 00 00 c 2022 08 05 00 00 2022 08 18 00 00 图3 正压通风系统测试期间风机频率设置 Fig 3 Fan frequency settings of the positive pressure ventilation systems during tests 为 测 试 系 统 与 温 室 内 高 压 喷 雾 联 合 降 温 效 果 在 运 行 试 验 系 统的10个 晴 天 中 选 取 连续5个 晴 天 2022 年8月 12日 8月 17日 2023年7月 16日 7月 20日 2023年7月 28日 8月2日 的 高 温 时 段 11 00 15 00 开 启 温 室 内 高 压 喷 雾 系 统 温 室 内 高 压 喷雾运行状态详见图4 256 农业工程学报 http www tcsae org 2025 年