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第36卷 第5期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 5 212 2020年 3月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar 2020 光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果 张 勇 倪欣宇 张柯新 许英杰 西北农林科技大学园艺学院 农业农村部西北设施园艺工程重点试验室 杨凌 712100 摘 要 在温室中经常出现短期或持续的高温工况 通常温室内温度环境调控的方法为整体降温 该方法通常会出现无 法达到有效降温或高能耗的问题 为解决上述问题 更好地实现温室的周年生产 该研究提出了一种以光伏作为能量来 源 以无机相变材料作为储能工质 结合生态智能的环境控制策略 对番茄根区应对高温工况 实现安全连续生产进行 了试验研究 结果表明 在温度较高的夏季晴天需2次各约1 h的降温 阴 雨天各仅需1次约1 h降温 其余时段充分 利用系统的保冷作用即可达到维持作物舒适生长环境的要求 在试验工况下 典型晴天 2018年7月18日 阴天 2018 年6月30日 雨天 2018年7月1日 与对照组温度变化相比 该系统实际将试验组基质的平均温度分别降低了8 65 11 38 11 47 使番茄根区温度在日间始终低于最高耐受温度 33 夜间温度控制在发育的最适温度 22 左右 试验进行到第17天时对照组植株全部死亡 试验组保持良好生长状况 该研究所提出的温室控温方法中 保温种植槽单 位面积的制冷功率为510 42 W m2 基质平均温度降低9 03 实现了温室能耗的大幅度降低 而且能够长时间维持降温的 效果 使用生态智能种植基质控温的方法和系统 可以实现在超低能耗条件下 解决温室番茄的抗高温安全生产问题 关键词 光伏 温室 生态智能 根温 相变材料 夏季 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 中图分类号 S625 1 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 05 0212 08 张 勇 倪欣宇 张柯新 许英杰 光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果 J 农业工程学报 2020 36 5 212 219 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 http www tcsae org Zhang Yong Ni Xinyu Zhang Kexin Xu Yingjie Cooling performance for tomato root zone with intelligent ecological planting matrix temperature control system driven by photovoltaic in greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 5 212 219 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 05 024 http www tcsae org 0 引 言 截至2017年 中国设施园艺面积达370万hm2 约 占世界设施园艺总面积的80 43 居世界第一 1 在温 室生产中经常出现短期或持续的高温工况 很难实现温 室周年供应 而对设施内温度控制的研究当前只侧重于 设施内作物冠层温度的控制 其中较多的为利用遮阳 2 和自然通风进行降温 3 5 通常还会联合对雾的控制改变 温室内温度 6 10 还可以建造新的系统和控制设备来进行 降温 11 14 通过传统降温方式 虽降温措施成本低 实 用性强 但总体来说各降温措施主要对温室白天降温 对夜间降温效果明显较差 王吉庆等 15 的研究指出当单 位温室面积实际制冷功率为157 5 W m2时 温室内平均 温度较室外降低1 0 与此同时 利用水源热泵 16 地 热能的水平地埋管系统 17 光伏发电辅助闭式土壤 空气 热交换器 18 19 地下空气通道 20 等热交换系统也有降温 收稿日期 2019 07 16 修订日期 2020 02 11 基金项目 陕西省重点研发计划项目 2018TSCXL NY 05 05 宁夏回族自 治区重点研发计划重大项目 2016BZ0901 节能日光温室结构优化与配套 技术开发研究 2017ZDXM NY 057 设施农业采光蓄热技术提升研究与示 范 2016KTCL02 02 作者简介 张 勇 副教授 博士 主要从事温室建筑结构及光热环境和建筑 园艺研究 Email Landscape 中国农业工程学会高级会员 张勇 E041200715S 潜力不足 建造成本高等缺点 很难应用推广 太阳能作为最清洁 安全的可再生能源 既可在进 行农业生产的过程中获得额外的电能 也可缓解能源压 力和增加土地利用率 21 将太阳能光伏发电技术与温室 的结合的技术已有很多并已基本成熟 22 25 相变材料 phase change material PCM 属于功能材料 具有良好 的相变蓄热能力 26 因此 该材料的应用对节能减排方 面具有重要意义 针对日光温室内部光温环境的研究侧重于春 秋 冬 3个季节 而对日光温室夏季气候条件下温室内的温度环 境监测和分析很少 27 为此 本试验以低能耗 高效降温 为核心 一方面对夏季日光温室环境指标监测分析空白进 行了补充和细化 另一方面在充分发挥植物本身抗热性能 的基础上 提出在日光温室内通过光伏板供能的自动控温 装置对番茄根部进行降温的新方法 在低设备投资 低能 量消耗及高效灵活控制方面均有一定的突破 通过本试验 的生态智能种植基质控温系统达到了在夏季极端高温条 件下 让番茄安全越夏并开花结果的效果 1 材料与方法 1 1 供试材料 1 1 1 试验温室 本试验温室采用的是张勇等 28 30 设计的一种新型结 构的蓄热墙体日光温室 如图1所示 供试日光温室位 第5期 张 勇等 光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果 213 于陕西省杨凌示范区杨家庄西北农林科技大学园艺学园 校外试验场 北纬34 17 21 33 东经108 05 27 44 长 度 试验温室坐北朝南 东西延长15 m 跨度9 m 脊 高4 5 m 透明覆盖材料为 耐高温聚酯 PET膜 本次 试验所搭建的温控试验平台及整个后期作物的培养均于 该温室中进行 图1 日光温室结构图 29 Fig 1 Structure diagram of solar greenhouse 1 1 2 生态智能种植基质控温系统 生态智能种植基质控温系统设计如图2所示 光伏 板为整个系统唯一能量源 直接供系统直流压缩机制冷 和为配套蓄电池充电 系统蓄电池容量为400 Ah 控 温系统分为两部分 第一部分由直流压缩机 直流风机 散热器组成 图2a 直流压缩机外接铜管延长至水箱 中对水箱中单独封装的总质量为110 30 kg的无机相变材 料进行降温 铜管外露部分用聚氨酯包裹 防止冷量流 失 用以储存冷量 相变材料质量配比为 CaCl2 水 硼砂 337 5 241 5 1 放热量148 30 J g 温度区间 5 75 0 72 吸热量130 10 J g 温度区间26 32 35 41 第二部分主要由水箱 水泵和保温种植槽组 成 图1 水箱中的水通过相变材料箱的换热系统与其 内部的低温相变溶液进行热量交换 并通过水泵驱动进 入外径8 mm的种植槽底部铜管中 铜管在种植槽中的布 置如图2b俯视图所示 呈S型布置 共2层 每层4根 每根铜管之间间隔均为40 mm 具体保温槽内钢管以及 温度测点立面分布见图2b主视图 保温种植槽底部为350 mm 4 000 mm EPS 聚苯乙 烯 夹心板 左右侧面均为500 mm 4 000 mm尺寸的EPS 夹心板 厚度100 mm 用发泡聚氨酯填充各块EPS夹 心板间的缝隙 2 个保温种植槽垂直于温室后墙南北放 置 两槽间距1 500 mm 置于温室中央位置并装入 130 mm厚度的基质 基质上盖350 mm 3 800 mm EPS 板 并用电热刀在指定位置分别开100 mm 100 mm开口 以便于作物种植 1 2 试验方法 为了最大程度地节能 本试验采用了生态智能的控 制策略对试验组基质温度进行调控 该控制策略充分发 挥植物本身的耐热特性 控制方式拟合生态的昼夜温度 节律 即在正午时段将根区温度控制在番茄根区最高温 之下 33 保证其安全渡过正午高温时段 而在夜间 充分利用温室外界的相对低温 将根区 50 100 mm距 基质表面 温度控制在最适温度范围 20 23 进 而使其能在较低能耗下实现最适的夜间温度 a 生态智能种植基质控温系统降温部分 a Cooling part of ecological intelligent substrate temperature control system b 保温种植槽内铜管布置和温度测点图 b Distribution of copper pipe and temperature measurement points in heat preservation tank 注 D0 D4 D8 D12分别为距离保温槽底部0 40 80 120 mm处 Note D0 D4 D8 and D12 are 0 40 80 and 120 mm away from the bottom of the heat preservation tank respectively 图2 生态智能种植基质控温系统 Fig 2 Ecological intelligent substrate temperature control system 具体方法 直流压缩机与光伏板直连 依照光伏最 大发电功率满负荷制冷并将冷量存储在相变材料中 多 余电量储存在光伏板连接的蓄电池中 用以维持需要降 温时系统的正常运行 当种植系统需要降温时 开启水 箱中的直流水泵 驱动水通过试验组种植槽中的管路实 现对植栽根区降温 同时在水箱中通过换热器实现与相 变材料的热量交换 当种植槽基质根区核心温度在白天 达到 30 3 入夜前达到 28 4 时直流水泵启动 直 至白天降至 27 2 夜晚 22 2 停止工作 其他时段 只需保温即可 反复控制植物根区温度在白天不超过 33 夜间处于22 左右的最适温度下生长 对照组的 保温种植槽结构及内部基质均与试验组相同 但其中无 管道铺设 且不进行任何降温处理 仅对其中所种植番 茄进行日常管理 1 2 1 测试仪器 基质温度采用T 型热电偶温度传感器 精度 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 214 0 2 连接到34970A数据自动采集仪 美国Agilent 公司生产 进行测定 采用哈尔滨物格电子仪器公司生 产的多路环境测试仪 PDE KI 对室内外光照及空气温 度 湿度进行测定 其温度测量精度为 0 5 测量范 围为 30 60 相对湿度 RH 精度为 3 光照强 度测量范围为0 200 000 lux 精度为 5 各监测指标 每隔10 min自动记录1次瞬时值 采用testo875 2ipro高 清晰红外热像仪 德图仪器国际贸易 上海 有限公司 生产 视场角32 水平 23 垂直 像素为320 水 平 240 垂直 温度测量范围为 30 350 帧频 范围为9 33 Hz 工作温度为 15 40 存储温度为 30 60 获取番茄苗全株的热象图 比热容采用XRY 蓄热系数测试仪 湘潭市仪器仪表有限公司生产 进 行测定 1 2 2 温室环境测定 由于中国大部分地区的日光温室在夏季均面临高温 高湿的巨大考验 甚至由于高温高湿无法正常使用 为模 拟系统在极端状态下的有效性和可靠性 本试验采用了极 限状态的设计方法 在试验期间温室处于全密闭状态 底 通风及顶通风和门等通风装置均处于全关闭状态 遮阳系 统以及湿帘等降温设备也均未启动 即温室内为闷棚状态 下的无其他任何降温措施的极端高温高湿环境 在供试温室内部布置3个温湿度测点 2个光照测点 温湿度测点分别布置在温室长度方向4等分截面处 跨 度方向中部 位于地面以上1 500 mm高度 光照测点在 温室长度方向1 2等分截面处 跨度方向3等分截面处 两 试验保温种植槽中间 位于地面以上500 mm高度处 与 试验保温种植槽高度持平 1 2 3 基质温度处理 因番茄根部为须根 故选取距基质表面50 mm 离 保温种植槽底部80 mm 即D8 深度的温度为标准作为 根区温度参考温度 简称根区核心温度 利用上文所述 控制原理对试验组基质进行温度控制 由于试验期间基质 于处于几乎是密闭状态的保温种植槽中 故除植物吸收 外 基质蒸发相对较少 故3 4 d进行1次浇水 分别于 浇水 浇水前测量 当天和第2天07 00测量基质湿度 将安捷伦传感器探头埋于保温槽内待测温度基质层 深度 即测量分别距槽底0 D0 40 D4 80 D8 120 mm D12 基质表层 的基质温度 见图2b 基 质湿度测点为保温种植槽纵向三等分截面 横向及竖向 二等分截面处 对照组测点位置与试验组相同 1 2 4 植株管理 番茄幼苗 金棚14 6 西安金鹏种苗有限公司 于7 月6日移栽入试验槽中 选取长势相近的24棵番茄苗分 别栽种试验组与对照组的保温种植槽中 每组12棵 除 对试验组降温外 所有植株统一进行常规田间管理 1 3 数据处理 本文试验数据采用Origin SPASS22 0以及Excel进 行数据分析及二维图表的制作 2 结果与分析 2 1 室内外光照强度 湿度对比分析 图3分别为3种典型天气下当日00 00 24 00间的 室 内外光照及温湿度变化曲线 由图3所示 3种典型 天气状况下 室内外光照及温湿度变化曲线在06 00 20 00期间总体呈现为抛物线型 其余时段变化较为平缓 晴天曲线较平滑 阴天和雨天气曲线波动相对较多 典型晴天的室内外光照强度 湿度对比分析如图3a 所示 室内 外光强从06 30开始剧烈升高 在12 20达 到当日峰值分别为41 266 69 078 lux 至20 00时光强 降至平稳 湿度均从06 30开始下降 且室外湿度降低幅 度大于室内 室内 外湿度分别在13 10和17 00时达到 最低点27 38 09 00 17 00室外湿度始终高于室内 17 00后室内 外湿度开始增加 室内湿度增加速率明显 高于室外 产生明显差异 典型阴天的室内外光照强度 湿度对比分析如图3b 所示 室内 外光强从06 30开始剧烈升高 在12 50均 达到当日峰值分别为40 898 76 092 lux 至20 00时光 强降至平稳 湿度均从06 30开始下降 分别在13 30和 15 00时达到最低点27 3 44 0 08 30 17 30室内湿 度明显低于室外湿度 17 30后室内湿度开始高于室外 且差距逐渐增大 图3 不同天气光照强度和湿度变化 Fig 3 Changes in illuminance and humidity in different weather conditions 第5期 张 勇等 光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果 215 典型雨天的室内外光照强度 湿度对比分析如图3c 所示 室内 外光强从06 30剧烈升高 在14 10达到当 日峰值分别为34 073 68 532 lux 降至20 00曲线均变 为平稳 09 00 16 00有较明显波动 湿度均从06 30开 始下降 分别在14 10和17 30时达到最低点32 3 40 0 2 2 不同深度基质温度的对比分析 试验中基质始终处于相对密闭的保温种植槽中 蒸 发量较小 且其湿度的维持是为了准确保持基质的储热 能力和维持番茄正常生长的土壤含水率 故将试验组和 对照组基质水分含量始终控制在同一水平 相对于基质 温度的变化 湿度变化相对较小 因此湿度单独测量 不做比较分析 将其始终控制在62 左右 图4为3种典型天气下的不同深度基质温度及室 内外温度的变化曲线图 由图4可以看出 在06 00 19 00 之间室内外温度呈近似抛物线形状 室内峰值及变化幅 度显著高于室外 且3 d中每天的24 h内的室内温度始 终高于室外温度 2 2 1 典型晴天 由图4a可以得出 典型晴天的室内 外最高温度分 别为66 10 43 25 当日15 00时 试验组D8处温度 到达30 85 此时进行当日第1次降温 持续运行1 h 至16 00时D8处温度降至26 93 压缩机停止后持续 降温30 min后为25 04 降温时段降了3 92 总共 降低5 81 试验组D0及D4处温度曲线呈直线急剧下 降 降温结束后30 min内温度持续降低但不明显 16 30 后温度开始逐渐回升 19 00进行第2次降温 持续1 h 第2次降温 试验组D8温度从26 23 降至20 00的 21 94 降低了4 29 后持续降至最低20 89 共降 低5 34 次日03 00时温度缓慢回升至24 23 试验 组D0 D4虽起始温度不同但与15 00的降温部分曲线同 样呈直线下降 20 00时降温结束后温度持续下降30 min 后开始回升 但回升速率明显低于降温速率 23 00后温 度回升曲线趋于平缓 故试验组D8 处温度变化趋势与 D0 D4相同 但温度变化幅度更小且曲线更平缓 D12 处从第一次降温开始一直呈缓慢下降趋势 22 00开始趋 于平稳 与试验组相比 对照组各深度基质温度均未有 明显变化 且不同深度温度差别不大且全部高于试验组 所有深度处的基质温度 且始终高于30 而对照组在 00 00 10 00期间温度曲线始终呈小幅度下降 而后开始 缓慢上升至18 30后再度缓慢下降 不同深度基质温度仅 在09 00 19 00之间有较为明显差别 试验组和对照组24 h内D8处最高温度分别为31 9 和36 7 最低温度分别为21 4和30 5 且试验组 D8处24 h间未超过33 夜间几乎始终处于最适温度 而对照组所有深度温度曲线均处于试验组之上 且高于 30 2 2 2 典型阴天 由图4b可以得出 典型阴天的室内 外最高温度分 别为64 20 38 40 仅在19 00进行了1次降温 试验 组各不同深度处的温度曲线在00 00 15 00之间的变化 趋势及温度与7月18日相似 15 00后除D12曲线有小 幅度升高又下降的趋势外 其他各深度曲线仍逐渐上升 且数值较为接近 19 00开始降温后试验组D8处从19 00的30 70 至 20 00的25 43 降低了5 27 至最低点23 23 共 降低7 47 而后温度极缓慢回升至次日03 00 为 25 13 试验组D0和D4处温度直线下降 20 00时降 温结束后30 min内温度没有太大改变 然后温度呈对数 曲线逐渐升高 23 00后曲线趋于平缓 试验组D0 D4 与D8处温度变化趋势大致相同 但温度变化幅度更小且 曲线更平缓 D12处始终呈缓慢下降趋势 22 00开始趋 于平稳 试验组和对照组24 h内D8处最高温度分别为30 70 和38 03 最低温度分别为22 03 和31 93 且试 验组D8处温度在24 h内始终符合试验要求而对照组温 度过高 2 2 3 典型雨天 典型雨天仅在19 00进行了1次降温 各温度变化如 4c所示 当日最高室内 外温度分别为57 58 38 10 整体试验组和对照组温度变化曲线均与阴天差别不大 试验组D8处从19 00的31 37 降到20 00的25 97 降低了5 40 停止后持续降温至最低点23 80 共降 低7 57 而后的温度回升十分缓慢 至次日03 00为 25 40 对照组所有深度基质温度亦始终高于30 试验组和对照组24 h内D8处最高温度分别为31 37 和37 70 最低温度分别为23 00和32 43 试验组 D8处温度始终符合试验要求 对照组温度过高 2 3 根区温度指标分析 为确保试验数据的可靠性及普遍性 本文对3种典 型天气各做了3次重复试验 并记录数据 对D8处温度 的日最高 最低温度及其日较差 日最高温与最低温之 差 和日平均温度分别求平均值 如图5所示 由图5 可以得出 3种天气下 试验组最大值分别为31 26 29 92 27 89 对照组最大值分别为 37 77 35 68 33 89 即试验组比对照组分别低6 51 5 76 6 00 进行降 温处理的试验组3种天气下D8处日最高 最低温度以及 日平均温度均明显低于对照组温度 而日较差明显高于 对照 试验组的平均温度维持在25 26 之间 稳定程 度高于对照组 除根区核心温度外 本文还对基质整体温度进行了 分析计算 为准确反映基质温度分布 将试验组每相邻 2个深度测点的平均温度作为该层基质的平均温度 再 对不同层的平均温度2 次平均得到该组基质的整体平 均温度 对照组计算方法相同 具体各温度值见表1 从表1 中可直观的得到各深度测点测得温度及基质整 体的平均温度 故由表1得出 本系统典型晴 阴 雨 天降温期间实际将试验组基质的平均温度 典型晴天降 温2次 故此处为2次的平均值 分别降低了8 65 11 38 11 47 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 216 注 ED0 ED4 ED8 ED12分别为试验组D0 D4 D8 D12处 CD0 CD4 CD8 CD12分别为对照组D0 D4 D8 D12处 Note ED0 ED4 ED8 and ED12 are the positions of experimental group D0 D4 D8 and D12 respectively CD0 CD4 CD8 and CD12 are the positions of control group D0 D4 D8 and D12 respectively 图4 典型天气室内外温度与基质温度的变化曲线 Fig 4 Variation curve of indoor and outdoor temperature and matrix temperature in typical weathers 注 不同字母表示各组别间差异显著 P 0 05 Note Different letters indicate significant different among groups at 0 05 level 图5 典型天气根区核心温度 D8处 极值 平均值及日较差 Fig 5 Maximum minimum average and diurnal range of temperature in the root core zone D8 of typical weathers 表1 典型天气不同时刻下各测点温度降低情况 Table 1 Reduced temperature of each measurement point at different times in typical weathers 降温Reduced temperature 时刻 Time 试验组 Experimental group 对照组 Control group 2018 07 18 16 00 8 83 0 20 2018 07 18 20 00 8 42 0 15 2018 06 30 20 00 11 66 0 28 2018 07 01 20 00 17 85 0 37 2 4 试验番茄生长状态分析 2 4 1 植株热场分布及分析 图6a为从植株顶端的热象俯视图 表现了植株的热 场分布情况 由图可知 进行降温处理后的试验组植株 根部温度最低 由根部向上温度逐渐升高 而未降温的 对照组植株整株均呈现相对高温状态 图6b为分别在试验组及对照组随机选取3株植株的 热象主视图 由图可以看出试验组的保温种植槽内温度 较低 植株底部茎秆温度也相对较低 对照组槽内温度 较高 且植株整体温度较高 图6 植株热场分布图 Fig 6 Thermal field distibution of plants 2 4 2 植株生理含水量分析 7月22日 对照组番茄植株全部死亡 试验组植株 全部存活 在试验组与对照组各取一株该组别内最壮的 苗进行对比 并分别对其根 茎 叶的干 鲜质量及含 水率进行了对比 得到结果如下表2 表2 不同根温处理下植株各部分含水率 Table 2 Water content of different part of plants under different root temperature treatments 根Root 茎Stem 叶Leaf 组别 Group 鲜质量Fresh weight g 干质量Dry weight g 含水率 Water content 鲜质量Fresh weight g 干质量Dry weight g 含水率Water content 鲜质量Fresh weight g 干质量Dry weight g 含水率 Water content E 2 35 0 54 77 02 22 81 2 29 89 96 28 43 5 12 81 99 C 0 46 0 14 69 57 1 69 1 04 38 46 2 86 2 34 18 18 注 E为试验组 C为对照组 Note E represents experimental grou C represents control group 第5期 张 勇等 光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果 217 试验中所有植株在试验开始时生长状况相同 由表2 得出 在试验进行一段时间后 对照组植株根 茎 叶 部分的鲜质量均远低于试验组 对照组根部含水量略低 于试验组 而茎 叶部分含水量均远低于试验组 由表 观亦可明确判定对照组植株已完全死亡 而试验组植株 仍具有生命活力 由此得出 经过根部降温处理的植株 的根 茎 叶的生长情况明显优于对照组 2 5 能耗分析 试验采用的多晶硅光伏板单块峰值功率为275 W 试 验总共用8块多晶硅光伏板 装机功率2 200 W 蓄电池 参数为12 V 400 Ah 试验用直流压缩机制冷额定功率为 930 W 能效比2 68 直流风机功率115 W 直流水泵功 率180 W 经测量 每个槽中基质总质量为210 kg 经测 得平均含水率为56 基质比热容为2 649 70 J kg K 每次工作时间1 h 相关能量计算方程为 计算中温度数 据以7月18日第1次降温为例 1 1 2E c m T T 1 62 33 6 10 cop10PE t 压 2 63 33 6 10 10P P PE t 压 水泵风机 3 式中E1为保温种植槽中基质每次降温所需能量 J E2 为压缩机输出的能量 J E3为每次降温所有机械总耗能 J c为基质实测比热容 J kg K m为基质总质量 kg T1和 T2分别为试验组和对照组降温时段分层后槽内基 质平均温差 其中 T1 Ta Tb Ta 30 59 Tb 21 76 Ta Tb分别为试验组降温时段分层后槽内基质 降温开始时刻的平均温度 降温结束时刻的平均温度 T2 Tc Td Tc 35 67 Td 35 87 Tc Td分别 为对照组降温时段分层后槽内基质降温开始时刻的平均 温度 降温结束时刻的平均温度 P压为直流压缩机 输出功率 W cop为能效比 t为直流压缩机工作时间 h P风机为直流风机功率 W P水泵为直流水泵功率 W 经计算得出E1 E2 E3分别为5 03 106 8 97 106 4 41 106 J 将生态智能种植基质控温系统消耗能量转化 为基质冷量的效率 E1与E2的比值 为0 56 Qiu 等 31 对西北地区日光温室短季节栽培番茄高 产种植密度研究结果显示 适宜的番茄种植密度为 4 4 5 6株 m2 故以5株 m2计算 本试验以每组12株 番茄计算 经计算 保温种植槽单位面积的制冷功率为 510 42 W m2 基质平均温度降低9 03 用于基质冷却的冷量初期贮藏于相变材料箱中的相 变材料中 且一般可对全部相变材料制冷存入冷量 以 便及时取用 为防止冷量损失等情况的产生 也为了使 之适用于类似文中典型晴天的需对根区进行2次降温的 情况 本次使用相变材料质量较大 确保了储存冷量大 于1次制冷过程基质所需冷量 储存于相变材料中的冷量 1E蓄冷可用式 4 说明 11E Q m 吸蓄冷 4 式中Q吸为储存于相变材料中的相变材料的吸冷量 J 实际取值为148 30 J g m1为实际应用的相变材料总质量 实际取值为110 30 kg 经计算得出 1E蓄冷 16 36 106 J 远大于每次降温所有机械总耗能E3 故在各种天气状况 下 所用相变材料均可放出足够的冷量保障系统运行 3 讨 论 在本试验条件下 未进行降温处理的番茄植株仅存 活了17 d 而在第17天时 根部进行降温处理过的植株 长势良好 仅少部分顶端叶片有高温灼伤 叶片略卷曲 茎部及根部未呈现出明显影响 且后期试验组植株均正 常开花结果 王吉庆等 15 的研究指出当单位温室面积实际制冷功 率为157 50 W m2时 温室内平均温度较室外降低1 且当降温设备停止运行后无法长时间保持已有制冷效 果 而且在其研究中未对番茄实际生产效果进行论述 实际效果不得而知 而本生态智能种植基质控温系统中 保温种植槽单位面积的制冷功率为510 42 W m2 基质平 均温度降低9 03 且夏季高温晴天共2 h降温处理 其他天气仅需1 h降温 当天内其他时段无需其他处理即 可保持基质温度处于适宜作物生长范围 即本试验使用8 块275 W的光伏板控制了210 kg的基质温度 且试验期 间停止降温后可持续保证降温效果 所栽植番茄成功越 夏并开花结果 本试验各部分能量均有一定富余量 故 实际中或可达到更好的使用效果 更加节能 该能耗远远小于对整个温室空气进行降温所需能 耗 同时也实现了在高温高湿环境下的温室精准控温 而且相较于其他基质降温方式本试验系统采用以光伏为 电力能源驱动制冷设备的方式 大大提高了该系统的绿 色节能性能 系统相变材料的使用及保温种植槽的构建 均使本系统蓄冷能力较高 而且在实践生产中能够进行 离网运行 提高了系统在分散分布温室中运用的经济性 和可靠性 为模拟系统在极端状态下的有效性和可靠性 本试 验采用了极限状态的设计方法 即试验系统在相对极端 状态下的性能 进而保障系统在非极端情况下的可靠性 和节能性 因此当系统在高温状态时能够将根区温度控 制到适合温度范围 在实际生产条件下系统可以消耗更 少的能耗就能实现控制根区温度的目的 但仅对番茄苗 期的根区低能耗控温下安全越夏的相关内容进行了研 究 对于结合通风 遮阳和其他调节改善温室内部环境 措施的温室环境下进行根部温度控制的夏季降温及冬季 升温效果以及多因子耦合的根区温度处理效果有待进一 步的研究 由于项目地选择的不同 环境条件不同 本 系统可根据实际情况改变相变材料种类和用量 4 结 论 1 本生态智能控温系统有效地实现了在温室高温工 况下的植栽根区温度的控制 在晴 阴 雨天各取连续3 d 试验组根区 D8处 平均最高温度分别为31 26 29 92 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 218 27 89 比对照组分别低6 51 5 76 6 00 在典型 晴 阴 雨天 室内最高温度分别为66 10 64 20 57 58 的工况下 与对照组温度变化相比 该系统降温期间实 际将试验组基质的平均温度分别降低了8 65 11 38 11 47 2 本生态智能控温系统确保了试验番茄在极端高温 的工况下 正常生长和开花结果 通过试验对比分析 仅通过根部温度控制装置对番茄根部进行降温的方法对 番茄成功越夏产生了极明显的效果 生长状况相同的植 株 在试验进行17 d时 试验组与对照组的根 茎 叶 的鲜质量产生了较大的差异 且从外观 热像图的分析 均可得出对照组植株已经死亡 而试验组长势良好并最 终正常开花结果 3 本生态智能控温系统实现了低能耗温室制冷 在 本试验工况下 温室番茄安全抗高温每天运行1 h 需 4 41 106 J 能量 保温种植槽单位面积的制冷功率为 510 42 W m2 基质平均温度降低9 03 参 考 文 献 1 瞿剑 中国设施园艺面积世界第一 N 科技日报 2017 08 22 2019 05 06 2 Li Yongxin Li Baoming Wang Chaoyuan et al Effects of shading and roof sprinkling in venlo type greenhouse in summer J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2002 18 5 127 130 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 英文 J 农业工程学报 2002 18 5 127 130 in English with Chinese abstract 3 Mutwiwa U N Elsner B V Tantau J H et al Cooling naturally ventilated greenhouses in the tropics by near infra red reflection J Acta Horticulturae 2007 801 259 266 4 Li Angui Huang Lin Zhang Tongfeng Field test and analysis of microclimate in naturally ventilated single sloped greenhouses J Energy and Buildings 2017 138 479 489 5 Fuchs M Dayan E Presnov E Evaporative cooling of a ventilated greenhouse rose crop J Agricultural greenhouse ecological intelligence root temperature phase change materials PCM summer