人工休眠大樱桃设施环境调控系统的研发_别雯璐.pdf

农业科学 农业与技术 人工休眠大樱桃设施环境调控系统的研发 别雯璐 曲航 高辉 张忠炜 崔波 鲁东大学能源动力与电气工程学院 烟台 山东鑫光节能科技有限公司 烟台 摘 要 目前常规的大棚樱桃在春节期间难以满足市场需求 供不应求的现状导致我国春节期间需要依赖进口高 价车厘子 本研究提出了一套融合人工休眠与设施环境精准调控的大樱桃反季节栽培系统 基于山东省烟台市福 山区高疃镇下疋山夼村气象条件与优质大樱桃物候期特征 建立了温室热平衡模型 定量分析了贯流放热 缝隙 放热与地中传热等冷负荷构成 并设计了地上与地下协同的温湿度调控设备 通过分阶段降温 每日 启动人工休眠 将休眠期控制在 休眠温度维持在 左右 配合热泵与保温措施 实现从休眠 至采收全程 的环境精准管理 使樱桃采收期提前至 月中下旬春节消费高峰 研究结果表明 该系统可有 效调控樱桃物候进程 显著提升设施栽培的经济效益 为我国大樱桃反季节生产提供了可靠的技术路径 关键词 人工休眠 大樱桃 设施环境 热平衡模型 精准调控 中图分类号 文献标志码 收稿日期 基金项目 山东省中小企业创新能力提升工程 项目编号 作者简介 别雯璐 女 硕士在读 研究方向 设施农业环境调控 通信作者曲航 男 博士 副教授 研究方向 栽培设施环境调控技术 农业与技术 农业科学 大樱桃素有 春果第一枝 的美誉 是我国北方 落叶果树中继中国樱桃之后果实成熟最早的果树树 种 经济价值素来很高 但近年来随着种植面积的逐 步扩大 集中上市导致采收期大樱桃果的价格受到冲 击 与露地栽培相比 大棚设施栽培除具备避雨 防 鸟 防霜冻的优势外 还可实现樱桃的促早熟反季上 市 常规的大樱桃设施栽培至多将采收期从 月中下 旬提前至 月上旬 我国最重要节日 春节前夕成 为空档期 市场为智利进口的车厘子所占据 进口车 厘子价格昂贵 而且樱桃本身不耐储存 跨洋运输时 间长 其品质无法和刚采收的鲜果相比 山东烟台 龙口 泰安 威海等地是我国主要的 大樱桃产地 本研究立足于补足目前设施栽培大樱桃 上市时间的短板 提出了一种通过人工休眠及设施温 湿度环境控制技术 将大樱桃上市时间提前到 月中 下旬春节前的消费高峰 从而大幅度提高经济效益 设备布置图见图 图 图 地上温湿度控制设备 大樱桃的物候期特性及所处气象条件 露地栽培大樱桃其采收期 以烟台地区为例 红灯 齐早 等早熟品种一般在 月下旬 月上 旬 美早 布鲁克斯 等中熟品种在 月上旬 中旬 萨米脱 雷尼 等晚熟品种在 月中旬 月下旬 常规的大樱桃设施栽培通过改变其生长发育 的环境因子 可使大樱桃成熟期比露地提前 左 右 而大樱桃温室强制休眠技术可使大樱桃采收期进 一步大幅提前 于春节上市 图 地下温湿度控制设备 不同品种大樱桃的发育期时间不同 对气象条件 的需求也存在一定差异 大樱桃的生长物候期可分为 休眠期 花芽 萌动 期 开花期 幼果期 膨大 期 采收期 采收后进入花芽分化期及花器形成期 营养储备期 以山东烟台 辽宁大连等主产区的核 心栽种品种 美早 大樱桃为例 其从休眠期至采收 期各阶段适宜气象指标见表 大樱桃的物候期农业气象指标 自然条件下 樱桃树需在 以下低温条件下 累积 以完成冬季休眠 而在我国北方许 多地区包括项目所在地烟台市 低于 的时间段 长于果树自然休眠的时间 因此 度过自然休眠期的 树体 还有一段时间处于环境低温所控制的被迫休眠 状态 这种情况对于人工休眠的樱桃树来说则不存 在 表 大樱桃生长期各阶段棚室内环境温湿度及地温指标 气象指标休眠期萌芽期开花期幼果期膨大期采收期 温度 湿度 地温 农业科学 农业与技术 当地气象条件 项目所在地位于山东省烟台市福山区高疃镇下疋 山夼村 烟台市属于暖温带大陆 性季风气候 全市年平均降水量为 主要集 中在 月 占年总降水量的 年平均气温 年平均相对湿度 年平均日照时数 太阳辐射总量年平均值 年 平均风速内陆地区 沿海地区 烟台的年平均气温 最冷的 月 平均温度 最热的 月 平均温度 全市平均无 霜期 图 烟台福山区全年各月份平均温度 设施环境调控系统的设计 人工休眠设施大樱桃生长物候期的确定 为获得最大的经济效益 将人工休眠大樱桃的上 市时间初步确定在 年农历小年前 周的 月 日 自 年 月 日开始人工制冷休眠 为减少 短时间大幅度降温对果树的伤害 以每天 的降 温幅度将棚内温度降低到 以下 耗时 月 日开始保持棚内温度进行人工休眠 见图 参照相 关文献 将人工休眠期时长确定在 至 月 日结束 休眠结束后开始升温 营造适宜大 樱桃果树生长发育的物候条件 历经萌芽期 开花 期 幼果期及膨大期等阶段 历时 通过在大棚顶部及侧面覆盖棉被的方式减少樱桃 大棚的冷量耗散 以直接膨胀式热泵辅以地埋管水源 热泵机组进行制冷 人工休眠的设施环境目标温度设 置为 项目所在地烟台市福山区 月和 月平 均气温分别为 和 人工休眠自 月下旬 开始 以每天 的降温幅度将棚内温度降低至目 标温度 保持 的休眠温度 至 月中旬休眠结 束开始升高棚温 按照大樱桃物候期环境温度要求控 制棚内温度 烟台 月 月及 月的月均气温 分别为为 及 须开启热泵维持 棚内较高的温度 从开始人工休眠至樱桃采收的时间 周期为 樱桃上市时间在 月中旬前后 图 人工休眠制冷装置 人工强制制冷选择在上一年已经进行提早生产的 温室进行 棚内樱桃树为树龄 年的 行株距为 南北行 长 宽 脊高 侧高 棚体积约 大棚概况及温度调节措施 温室大棚方位坐北朝南 东西延长 为钢骨架砖 墙日光温室 墙体为 层砖墙内夹聚苯乙烯泡沫塑料 板 防寒沟亦采用苯板作为隔热层 大棚覆盖物按 棉被设计 棉被结构分为 层 分别为 防雨布 珍珠棉 即 保 温棉毡 喷胶棉 拉力毡 在后面的计算中 厚度及 导热系数取值见表 温室大棚的热平衡模型 建立温室大棚的热平衡模型 该热平衡是温室内 外错综复杂的热交换的结果 在白天及夜间呈现不同 规律 白天 太阳辐射透过草苫后分别转化为地中 传热 缝隙放热 贯流放热 同时 温室内还存在土 壤水分蒸发 果树叶面水分蒸腾及水分凝结所导致的 热量交换 见图 夜间太阳辐射为零 室内热量仍 然通过缝隙放热 贯流放热及地中横向放热向外散 失 同时地中在白天蓄存的热量也会回补到空气中 见图 忽略水分蒸发 蒸腾 凝结的潜热传热及果树生 长对应的热量 温室大棚的冷量散失有通过地中土 壤 冷风渗透和围护结构覆盖层散失 个主要途径 农业与技术 农业科学 按照热平衡理论建立温室大棚的热平衡方程 式中 为透射到温室中的太阳辐射能 为温室围护结构中的贯流放热量 为室内土壤 的地中传热量 温室的缝隙放热量 图 温室大棚白天热平衡图 图 温室大棚夜间热平衡图 设计参数及冷负荷计算 烟台市夏季通风温度 夏季空气调节日平均 温度 极端最高温度 最热月月平均室 外计算相对湿度 夏季通风室外计算相对湿度 采取循序渐进的形式以避免对树体的低温冷害 第 天每 降温 第 天每天降温 第 天每天降温 至第 天降至 后期 可置入冰块保温 温度保持在 温室大棚内制 冷工况设计温度按照 选取 月 日烟台市的日 最高温度 最低气温 室外设计温 度按 选取 启用制冷系统后 制冷机产生的冷量介入温室大 棚的热平衡 地中传热 缝隙放热 贯流放热的热量 传递方向发生逆转 温室大棚的冷负荷 计算公式 缝隙放热量 即冷风渗透放热 计算公式 null null 式中 为每小时换气次数 温室在密不透风时 按照 次 计算 为温室体积 为空气 比热 为室外空气容重 为室内气温 为室外气温 计算结果 土壤传导得热 包括土壤上下层之间垂直方向 的传热和水平方向的横向传热 前者并不直接传到室 外 真正传到室外的是土壤中横向传导的那一部分 土壤传导得热量的计算 可参照我国民用建筑中关于 土壤得热量得计算公式 null null 式中 代表土壤传热得热量 代表第 区的地面传热系数 见表 代表 第 区的地面面积 分别为温室室内外制 冷设计温度 表 室内不同地带的传热系数 地带传热系数 第 地带 第 地带 第 地带 第 地带 计算结果 按此模型该值偏小 按下 文贯流换热量的 取值 为 贯流放热量 计算公式 null null 式中 代表贯流放热系数 传热系数 代表温室围护结构 屋面 墙面 门 窗等 的表面积 温室大棚表面积为 为分别为温室室内外的计算温 度 为不同温度方位的修正系数 贯流放热系数计算公式 式中 代表围护结构内表面的换热系数 取 代表围护结构外表面的换热系 数 取 代表围护结构第 层的 热阻 农业科学 农业与技术 温室大棚对应建材的热物性按照表 选取 表 大棚棉被各层的热物性 材料名称导热系数 比热 比重 防雨布 珍珠棉 双层保温棉针刺毡 针刺毡 针刺毡 珍珠棉 珍珠棉 珍珠棉 防潮 膜 亲肤无纺布 本项计算未考虑空气层 空气层达到一定厚度 时 热阻值大小几乎不随空气层厚度而变化 测试数据及测试结果分析 本研究建设了占地面积超过 的大樱桃温室 大棚 对温室大棚内的空气源热泵加循环泵 太阳能 集热器加能量回收装置等设备进行智慧控制 该樱桃大棚通过智能化节能控制管理系统 安装 了传感器仪表 智能控制柜 应用服务器等基础硬件 设施 采用物联网 大数据 云平台等技术 基于果 树生理学对温室环境温室度进行精准控制 实现对樱 桃大棚的冷热源 温湿度调节 能量回收等系统设备 的集中监测和远程控制 选用仪表见表 表 计量仪表 序号测试项目仪表设备名称仪表型号 电量智能电表 室内温度 室外温度 温度传感器 江森 注 上述计量表均在线计量表 本次比对试验数据计量仪表均采用系统在线计量 仪表 年 月 日 月 日 测 定大樱桃设施环境调控系统实际工况测试耗电量 室 内外温度 温室大棚主机 水泵 风机系统工频运行 通过本次对福山区高疃镇上山夼村大樱桃设施环 境调控系统实际工况和热泵单一工况进行比对试验测 试 详情见表 实际工况用电量 热泵 单一工用电量 节约电量为 能耗提升率 节电率为 热泵能效比提升率 提升率为 实际 工室内环境平均温度 实际工况室外环境平均 温度 温湿度调控精度满足要求 表 测试数据计算表 序号项目符号来源数据 实际工况开始电量 在线 实际工况结束电量 在线 实际工况用电量 单一工况用电量 在线 实际工况制热量 在线 单一工况制热量 在线 工频工况室外平均温度 在线 工频工况室内平均温度 在线 节电量 对比单一热泵 节电率 结论与展望 通过建立温室热平衡模型与定量计算分析 对人 工休眠结合设施环境精准调控技术体系的科学性与可 行性进行了分析和验证 基于福山区高疃镇上山夼村 该地气象条件建立的模型分析表明 在设定室外设计温 度 室内目标温度 的制冷工况下 温室总冷负 荷主要由缝隙放热 贯流放热 及地中传热 构成 计算所得总冷负荷约 为制冷设备选型与系统设计提供了精确依 据 通过所设计的 分阶段降温诱导休眠 精准升温调控物候 全程 技术路 径 配合热泵机组与多层复合保温材料 导热系数 组成的调控系统 实现了棚内环 境从休眠期到采收期的全程可控管理 理论计算与工 程分析均表明 该系统能够有效满足大樱桃各物候阶 段的温湿度需求 特别是将需冷量积累精确控制在 左右 从而成功将采收期提前至春节前夕 月中下旬 基于山东烟台地区气候条件及主栽品种的物候特 性 所建立的温室热平衡模型能够定量解析制冷期主 要冷负荷构成 包括贯流放热 缝隙放热与地中传 热 为环境调控系统的设计提供了可靠的理论依据 提出的 分阶段降温启动休眠 精 准升温管理物候 全程 技术路径 在理论 计算与流程设计层面证明了将大樱桃采收期提前至 农业与技术 农业科学 月中下旬 春节前夕 的可行性 本研究设计了地上与地下协同的温湿度调控设 备 并结合覆盖保温 热泵机组等手段 形成了完整 的环境控制解决方案 该方案不仅能满足休眠期低温 积累的精准需求 还能保障生长季各物候阶段从萌 芽 开花 幼果和膨大的适宜温湿度环境 体现了对 设施樱桃周年生产关键环节的全程可控性 通过将上市时间精准定位至春节消费高峰 该系 统有望使设施大樱桃的经济价值实现数倍乃至十数倍 的提升 这不仅能有效填补国内春节档期优质鲜果的 市场空档 减少对进口车厘子的依赖 也为产区农民 增收和产业升级提供了强有力的技术支撑 本研究为我国北方地区设施大樱桃的超早熟反季 节生产提供了一套从理论到实践 具备操作性的完整 技术参考 未来研究可从以下方面深入 开展田间实 证 监测实际能耗与果树生理响应 进一步优化模型 参数与控制策略 评估该技术在不同品种 不同气候 区域的适应性与经济性 探索系统智能化升级 集成 物联网与人工智能技术 实现环境预测与自适应调 控 进一步提升系统的精准度与普及性 本研究所提出的人工休眠大樱桃设施环境调控系 统在技术上可行 经济上潜力巨大 为破解我国春节 期间优质大樱桃供应难题 推动设施园艺产业高质量 发展提供了具有重要应用价值的技术路径 参考文献 周晓丽 吴宁强 刘跃峰 渭北大樱桃种植与气象 北 京 气象出版社 北京 杨洪强 果树生理学 北京 中国农业出版社 高东升 王海波 李宪利 等 甜樱桃芽自然休眠诱导与解除 的生理机制研究 园艺学报 张亚红 陈端生 刘洪 日光温室温湿度环境动态模拟模型的 研究 农业工程学报 冯青春 王秀 姜凯 等 基于模型预测控制的温室环境优化 调控系统 农业机械学报 宋怀波 何东健 张海辉 等 基于数字孪生的设施蔬菜智 慧生产管理系统 农业工程学报 霍治国 李茂松 王丽 等 中国主要设施农业气象灾害风 险评价与区划 中国农业科学 责任编辑 钱海林