具有蒸发冷却功能的设施及智能控温系统设计_王嘉梁.pdf

设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 34 35 农业工程技术 设施农业 摘要 为了解决传统玻璃温室 大棚等栽培设施夏季温度过高 不利于农作物生长的问题 本研究设计了一种具备蒸发冷却功能 的设施控温系统 该系统通过在大棚内部布设通风系统和喷淋降 温系统 利用风管向棚内通入空气或者通过喷淋嘴喷淋水实现蒸 发降温 基于温室温度控制要求 构建以PLC为核心的温室温 度控制系统 用户可以通过手机 APP 或电脑网对温控装置进行 实时调控 从而达到降低大棚内部温度的目的 关键词 设施 蒸发冷却 PCL 控制 风扇 喷淋 中图分类号 S2 S6 近年来 设施作为实现跨季节农业生产的重要设施 尤其 是无卷帘系统的塑料大棚在中国应用非常广泛 已成为农业生产 体系中的关键组成部分 1 设施的 温室效应 在冬季是优势 但在夏季却成为严峻的挑战 当夏季光照过强时 大量太阳能在 棚内积聚 导致棚内温度急剧升高 远超农作物适宜生长范围 2 若无有效的降温措施 设施内温度可在短时间内升至40 以上 而多数蔬菜 花卉等经济作物的适宜生长温度为20 30 过 高的设施内温度会引发一系列问题 植物生理障碍 具体表现 为叶片灼伤 蒸腾作用过盛导致萎蔫 光合作用效率降低 生 长发育停滞 高温会抑制植物的正常生长发育 造成果实小 品质差 病虫害高发 高温高湿环境极易滋生病菌和虫害 因此 研发高效的大棚降温设施 已成为当前农业生产中亟待 解决的问题 3 5 目前 国内外学者对夏季温室降温方法开展了大量研究 国 内研究方向包括如通过地埋管和地埋管换热器联合 6 湿帘风 机 7 正压通风 8 封闭水墙 9 后墙自走式雾化 10 外遮阳 和屋顶喷淋 11 水源热泵 12 遮阳网 喷雾一水膜等方法降温 国外学者对温室控制研究相对少一些 主要集中在风塔与蒸发冷 却相结合 基于蓄水池的热交换 通风等方法 13 14 不同降温技术的适用性存在差异 例如使用地埋管 地埋管 换热器联合系统 可利用土壤蓄冷特性实现稳定降温 需要2 3 m深地埋施工 管道布设施工和成本比较高 通风降温法是将 棚内被日光加热的空气从棚内强制排出 其安装容易且安装成本 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 具有蒸发冷却功能的设施及智能控温系统设计 王嘉梁 刘学翱 北方工业大学机械与材料工程学院 北京 100144 低廉 但需配被专用风道 且存在制冷量有限的短板 遮光降温 技术可通过遮阳网等材料来阻挡阳光 一定程度上抑制了设施内 温度的上升 但易因遮光过度导致光量不足 进而对作物光合作 用与生产发育 封闭水墙循环系统是利用水温差实现降温 无湿 度增量 但需配置循环水泵 能效比较低 后墙自走式雾化降温 方法需要铺设导轨系统 整体造价较高 且其故障率比固定式雾 化喷淋高 水源热泵降温则需稳定的水源 同时要严格控制回灌 温差 应用条件相对苛刻 针对现有技术的局限性 本文设计了一套基于物联网技术的 大棚智能温度控制系统 该系统通过风机通风与喷淋降温的协同 作用实现蒸发冷却功能 并以PLC 可编程逻辑控制器 作为下 位机与云平台构建智能调控框架 实现对大棚温度的精准 自动 调控 为作物创造最佳的生长环境 为温室夏季降温难题提供科 学可行的解决方案 15 18 1 具有蒸发冷却功能的设施设计 本系统采用 风机通风 与 喷淋降温 相结合的物理降温 方案 能够充分发挥两者的协同效应 实现 1 1 2 的降温效果 风机通风是利用风机产生气流 加速室内空气与物体表面的对流 换热 带走积聚的热量 风机提供的强劲气流 极大地加快了水 雾的蒸发速度 使降温效果更迅速 更明显 能够防止局部过湿 将降温后的凉爽空气均匀地输送到整个空间 避免水雾聚集滴落 在湿度较高的环境下 通风可以排出因蒸发而增加的湿气 维持 一个适宜的湿度水平 保证持续的蒸发降温能力 喷淋降温通过 高压喷嘴将水雾化成直径极小的微米级水雾颗粒 这些水雾在空 气中迅速蒸发 吸收大量的热量 水的汽化潜热 从而显著降 低周围空气的温度 具有蒸发冷却功能的智能设施结构如图1所示 该系统通 过在大棚内部设置风管和喷淋嘴 一方面借助风管向大棚内通 入空气 加速空气流通 另一方面 通过喷淋嘴喷淋水 利用 水分蒸发吸收热量的原理降低棚内温度 该装置包括 储存 蒸发水的储存槽 用于存储降温所需的蒸发用水 加压泵 对储水池内的蒸发水进行加压 为喷淋系统提供动力 蒸发 水供应管线 配备多组带孔的喷嘴 将加压后的蒸发水输送至 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 36 37 设施装备工程 Agricultural Equipment 棚内空间 风道 其沿着温室的长度方向布设 引入外部空气 并通过在下部预设间隔的排气孔向棚内输送气流 空气管道 通过轴流风扇将外部空气供应到空气管道中 再由空气排放孔 排出 并与附近喷嘴喷射的水雾混合 利用蒸发冷却控制温室 内的温度 图1 设施结构设计示意图 图2 基于物联网的PLC智能控温系统架构图 风机通风系统设计 在大棚两端 或侧面 配置大功率负压 轴流风机 通过强制抽风 将棚内高温 闷热的空气快速排出 同时在大棚另一侧 负压风机的对侧 设有进风口 进风口引入 外界相对凉爽的空气 形成空气对流 此系统主要利用风冷效应 带走热量 兼具降低棚内湿度 该方法可实现降温均匀 能有效 排除有害气体 补充CO 2 喷淋降温系统 包括通过高压水泵 过滤系统 雾化喷嘴 自 动控制系统等 高压水泵提供足够的水压 通常为7 10 MPa 并设有精密过滤器 防止喷嘴堵塞 管网系统采用不锈钢或PVC 管道组成 大棚内部顶端安装系列雾化喷头 将水高度雾化 产 生微米级干雾 这些水雾在空气中快速蒸发 吸收大量的热量 利 用水的汽化潜热 从而显著降低周围空气的温度 自动控制系 统是核心部分 包括温湿度传感器 定时器和控制器 该方法降 温速度快 效果明显 尤其在干燥炎热天气下 可短时间使棚内 温度降低5 8 协同工作模式 风机通风与喷淋降温系统采用智能协同控制 策略 系统预设温度阈值智能选择工作模式 当温度轻度超标时 优先启动风机通风 若温度持续升高或外界环境本身炎热 则联 动启动喷淋系统 通过 蒸发吸热 强制排风 的组合方式 实 现高效降温 2 基于物联网的 PLC 智能控温系统设计 本设计的基于物联网 IoT 的控温系统部署在温室环境中 由传感部分 控制部分和执行部分组成 系统的主要单元包括 温室边框 风机 风机 供电线 喷嘴 控制器 传感器单元 空气排出口 横梁 蒸发供水线 物联网微控制器 K型热电偶传感器 Wi Fi连接 物联网云平 台以及用户界面 其中K型热电偶传感器用于采集空气 微气候 温度数据 并实时向微控制器报告其收集到的数据 微控制器通 Wi Fi热点 4G 5G或以太网 将收集到的数据直接传输到云平台 用户可通过手机APP或电脑网页端 随时随地远程查看大棚的实 时温度 设备运行状态 历史数据曲线等 用户可根据需要 远 程手动强制开启或关闭设备 同时 系统还具备报警功能 当温 度异常或设备故障时 将通过短信 APP推送等方式向用户发送 预警信息 大棚温控系统分为两级架构 上层是监控部分 通过触摸屏 或移动终端APP 实现棚内温度的实时监测 数据可视化及远程 控制 下层是主控板下位机 以单片机AT89S52作为主控芯片 实现温度数据采集 模糊控制算法的执行和对执行机构的控制 上下层通过物联网通信模块实现数据的实时互联 10 保障系统 智能化与自动化运行 2 1 系统架构 本系统以集成物联网技术的智能控制层为核心 其架构如图 2所示 2 1 1 感知层 感知层通过在大棚内均匀布设温度传感器 实时采集环境 温湿度数据 为系统控制提供基础的决策依据 同时布设光照 强度传感器 实时监测太阳辐射强度 将其作为预测性控制的 输入参数 2 1 2 控制核心 PLC 可编程逻辑控制器 PLC控制中心是系统的核心控制单元 负责接收所有传感器 的数据 并执行预设的控制逻辑 相比传统单片机 PLC具备可 靠性高 抗干扰能力强 适用于工业环境等优势 能确保大棚系 统在潮湿 多尘环境下稳定运行 2 1 3 控制逻辑 系统采用阈值分级控制策略 用户通过触摸屏或手机APP 设定作物所需的温度上限和温度下限 例如 设定温度上限为 30 温度下限为25 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 36 37 农业工程技术 设施农业 图3 基于物联网的PLC智能控温系统工作流程图 自动决策 当检测温度 30 所有设备关闭 当30 检测温度 35 PLC启动一级风机进行通风 当35 检 测温度 40 PLC启动所有风机进行强力通风 当检测温度 40 PLC判定仅靠通风已无法有效降温 随即在启动全部 风机的同时 开启喷淋系统 进行蒸发降温 当检测温度回落 30 时 PLC依次关闭喷淋系统和风机 2 2 系统工作流程 本设施控温系统主要由单片机 温度传感器 显示模块 报警模块和降温模块组成 其工作流程如下 首先 利用温度 传感器采集大棚的温度数据 并将从传感器中读取的数据进行 整合后发送至物联网云平台 通过模糊控制器从云平台获得这 些温度数据 作为模糊控制器的输入数据 其次 采用一套 已实现并定义的模糊控制方法对数据进行分析 以评估是否 需要控制设备来调节温室内的温度 数据评估完成后 平台将 提供结果指示需要激活哪个控制设备 第三 输出命令到PLC 控制中心 控制中心会根据接受到的命令给控制调节器下达指 令 控制设备将被激活 启动相应的降温设备 直至将大棚内 的温度降到指定温度 为作物生长提供最佳的温度水平 只要 系统已启动并运行 这一过程会持续重复 系统工作流程如图 3所示 实现对大棚内部温度的自动检测 为后续数据处理和控制提供 基础 显示模块 用于显示当前环境温度 并监控降温系统组件的 运行状态 对异常运行状态发出实时警报 降温系统模块 由轴流风机 风道 蒸发供水线 水泵 加 压泵 喷嘴等组成 用于执行控制系统的操作指令 实现大棚内 精确降温 移动端APP模块 采用手机APP控制模式 可直接与云端服 务器通讯 界面实时刷新大棚温度数据以及设备运行状态 支持 用户通过触控操作远程控制设备启停 为用户提供灵活的决策与 调控渠道 3 实际应用效果 本文设计的 风机通风 喷淋降温 智能设施控温系统 是 一种兼顾降温效率与环境稳定性的优质物理降温方案 为棚内种 植打造了高效且稳定的生长微环境 其协同逻辑和技术优势十分 突出 为了验证该系统的控温精确性和可行性 本研究在温室中 对该系统进行了测试 该温室位于山东省某农业园区内 是中国 北方设施农业核心产区 测试温室采用双坡面钢管框架结构 温室外侧采用全覆盖式高透光率的塑料膜 温室长约为50 m 宽约为6 m 脊高3 2 m 有效种植面积300 m 2 棚内均匀布置 5个温湿度监测点 分别位于棚体前端 中端 后端及两侧边缘 距地面高1 2 m 即作物生长关键区域 测试温室周边100 m 范围内无高大建筑物 树木及其他温室设施 无遮挡物影响日照 与气流 园区内无工业污染源 空气质量良好 测试时间为11 00 15 00 该时段为当地夏季温室温度最 高 日照最强的时段 符合系统 高温启动 的设计场景 测试 结果显示 当温室内温度升至40 以上时 系统自动启动高压 喷淋 雾滴在空气中快速汽化 瞬间吸收大量热量 同时 大功 率风机同步运转 强劲气流不仅将水雾蒸发效率提升30 以上 还快速破除棚内 热死角 将凉爽空气均匀输送至棚内每一 处角落 20 min内即可将棚内温度从40 降至适宜作物生长的 28 左右 降温幅度远超单一通风或喷淋方案 在控湿层面 该 系统的协同优势也很突出 风机持续排出因蒸发产生的多余湿气 将棚内相对湿度稳定在60 75 的黄金区间 既杜绝了单纯喷 淋导致的局部过湿 叶面结露 病害滋生问题 又避免了单一风 机通风造成的作物失水 土壤干硬隐患 4 结语 针对夏季高温这一核心问题 本文设计了具有蒸发冷却功能 2 3 系统模块设计 主控模块采用基于PLC的PID控制技术 通过热敏电阻检测 温度 利用PID算法调节风机风量和降温系统的启停 实现对温 度的精准控制 采集与分析模块 通过实时的环境温度数据采集 将上传到 云平台内的数据进行分析 根据系统设置的温度阈值判断是否需 要降温 传感器采集模块 传感器为控制器提供对象状态参数 使 执行机构工作在正常状态 温度检测采用RS485 NTC温度传感器 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 38 39 设施装备工程 Agricultural Equipment 的设施系统 提出了风机与喷淋联合降温方案 并构建了以PLC 为控制核心 物联网云平台为管理大脑的智能控温系统 实现 了以下目标 智能化与自动化 系统能自主响应环境变化 完全无需人工干预 实现24 h无人值守 大大节省人力成本 精准控制 基于精确的传感器数据和PLC的可靠逻辑 温度 控制精准 避免了传统人工经验的滞后性和不准确性 高效 节能 采用风机与喷淋的阶梯式启停策略 优先使用能耗较低 的通风 在必要时再联动耗水耗能的喷淋系统 实现了能源的 按需分配 远程运维 物联网技术的融入打破了地域限制 管 理者可远程实时监控 调控棚内温度 提升了管理效率 真正做 到了 运筹帷幄之中 决胜千里之外 本系统基于上述设计 通过自动化与信息化的融合 不仅能够有效解决高温胁迫问题 保障作物的健康生长 还通过自动化与信息化手段 推动了传统 农业大棚向现代化 智慧化的转型升级 该系统具有高效降温 成本低廉 改善环境 配置灵活等特点 有较高的推广应用价值 参考文献 1 王吉庆 张百良 几种降温措施在温室夏季降温中的应用研 究 J 农业工程学报 2006 22 9 257 260 2 刘文一 覃柳娜 智能温室自动栽培系统 J 丝路视野 2018 34 246 3 张华涛 宿峰 张健 等 PLC智能温度控制系统在农业大 棚中的应用 J 集成电路应用 2023 40 3 318 319 4 陈一飞 路河 刘柏成 等 日光温室草莓立体栽培智能控 制系统 J 农业工程学报 2013 29 S1 184 189 5 周伟 吕全贵 李雪莲 等 基于物联网的日光温室环境智 能监控系统研究与应用 J 物联网技术 2017 7 5 97 99 6 黄浩 胡自成 郭屹博 等 新型温室温度控制系统的夏季 降温效果试验研究 J 江西农业学报 2025 37 6 60 67 7 高振军 李斯亮 司长青 等 湿帘风机安装高度对Venlo温 室降温效果分析 J 农业工程学报 2022 38 z1 257 264 8 孙园朝 日光温室正压通风降温性能测试及CFD模拟研 究 D 新疆 石河子大学 2024 9 孙维拓 陈晓丽 杨其长 等 水墙封闭温室夏季降温特 性 J 农业工程学报 2016 32 8 162 170 10 马永杰 王星怡 韩聪颖 等 日光温室后墙自走式雾化 降温机夏季降温效果评价 J 新疆农业科学 2022 59 4 1016 1024 11 李永欣 李保明 王朝元 等 Venlo型温室外遮阳和屋 顶喷淋系统夏季降温效果 J 农业工程学报 2002 18 5 127 130 12 孙维拓 张义 杨其长 等 基于水源热泵的日光温室夏季 夜间降温试验 J 农业现代化研究 2017 38 5 885 892 13 张伟建 王新忠 李亮亮 等 夏季屋顶全开型温室遮阳 网降温调控的CFD分析 J 江苏农业科学 2017 45 19 253 256 14 Faniyi B Luo Z h A Physics Based Modelling and Control of Greenhouse System Air Temperature Aided by IoT Technology J Energies 16 6 March 2023 15 诸葛林巍 基于云存储和PLC的现代农业大棚自动控制设 计 J 现代农业科技 2016 14 187 188 16 王宜雷 朱恒 胡程磊 基于PLC的果园精准灌溉施肥系 统设计与应用 J 农业工程技术 2024 44 8 12 16 17 韩瑞华 PLC在温室温度控制系统中的应用 J 昆明理工大 学学报 理工版 2004 29 2 114 117 18 吴鹏 基于单片机的温室大棚自动控制系统的设计 J 办 公自动化 2021 26 6 62 64 项目支持 国家自然科学基金 52375004 北方工业大 学青年科研专项 2025NCUTYRSP007 虚拟现实技术与 系统全国重点实验室开放课题 No VRLAB2025C14 作者简介 王嘉梁 山东潍坊人 主要从事机械自动化 机 器人研究工作 通信作者 刘学翱 男 讲师 工学博士 安徽定远人 主要从事先进机器人技术 仿生机器人研究工作 引用信息 王嘉梁 刘学翱 具有蒸发冷却功能的设施及智能控温系统设 计 J 农业工程技术 2026 46 12 35 38