温室环境温度控制方式研究进展
作者:齐振宇 浙江大学现代农业研究示范中心
2010-02-23 12:31:26
当前，全球经济高速发展并趋向一体化，世界各国都在寻求快速增强综合国力的有效途径，农业作为其他行业发展的基础，在经济发展中具有举足轻重的地位。因而，如何把以生物技术、信息技术为代表的高新技术应用于农业现代化建设，已成为各国关注的焦点。采用高新技术装备的设施农业因不受自然条件影响，能大幅度降低天灾风险，提供高土地利用率，高劳动生产率和单位面积成倍增收的优质农产品等诸多特点，已成为当今世界各国展示农业科技发展水平的重要标志，是农业发展中最具活力的新兴产业之一。设施农业是知识与技术高度密集的产业，集成了现代科技领域（如信息、生物、建筑、栽培、养殖、管理等现代科学技术），是现代农业的重要组成部分，具有高科技含量、高投入、高产出、高效益、易于集约化生产等特点。
我国人口众多，土地资源日益紧张，发展高产、高质的设施农业已成为缓解这一问题的有效途径。而在设施农业中现代化温室正以其耗能少、省人工、精准控制等方面的极大优势展示出其发展的巨大潜力。
现代化温室主要指大型（覆盖面积多为l hm2），环境基本不受自然气候影响，可自动化调控，能全天候进行园艺作物生产的连接屋面温室，是园艺设施的最高级类型。一个完整的现代化温室环控系统包括对温度、湿度、光照、CO2浓度、灌溉施肥、病虫害防治等方面的控制，而无论是植物生长的哪个时期，温度控制是其中最重要的参数。
1 温室温度控制概述
温室内温度控制对于温室内整个控制系统来说占有举足轻重的地位。根据实际需要可分为保温、加温和降温3种，主要通过覆盖膜、加热和通风来实现。夏季高温时控制温度的其他设备还包括：排风扇、湿帘一风机、屋顶喷淋、遮阳网和高压喷雾等。
加热系统是温室内最基本的设施，其加热方式主要有：热水管道加热和热风加热。前者有锅炉、锅炉房、调解组、连接附件及传感器、进水及回水主管、温室内的散热管组成，后者有热风炉、送气管道、附件及传感器等组成。首先要计算在最冷天气下通过结构本体的最大热损失，以此值为所需的加热负荷即可设计加热系统的容量，从而决定所需设备。
由于温室发展由温带或寒带需要加热的地区开始，因而温室加热技术的研究比降温技术要早得多也成熟得多。在高新技术不断发展的前提下，温室单位面积的投资不断升高，促使终年使用变为必须，另外，热带和亚热带地区基于栽培品质的提升与避免天灾，使用温室的趋势也逐年增加。
温室降温较常用方式有自然通风、强制通风、细雾降温、微雾降温及遮阳等几种。自然通风是指不需要人工动力，只靠气体压力差或风所引起的通风，自然通风装置包括顶窗和侧窗，以顶窗通风为主，屋顶通风口的面积和位置是室内降温程度的最大影响因子。强制通风是指依靠鼓风机等人工动力进行的通风。强制通风系统在温室一侧安装风扇，空气由另一侧的通风口进入，沿途吸热使空气不断加温，入、出口的空气温度差呈现温度梯度，一般其温度梯度不超过4℃。当只靠强制通风无法使温室温度维持在30℃以下时，则需采用蒸发冷却即在另一侧加装水帘的降温方法，水帘后方有可调开口面积大小的挡板，以调整通风量。这种负压式通风系统维持温室的气密性对于其降温效果影响很大，只有使所有进来的空气都经过水帘，才能发挥理想的降温效果。空气通过水帘的降温幅度一般在5℃以内。强制通风是温暖地区或季节较常用的方法，当未使用遮荫且温室高度约为2.5 m时，建议通风量为至少提供1次／min的同温室体积的空气交换量。
同时温室还可通过细雾，微雾及遮阳等措施来达到降温效果。细雾系统有降温和增湿两个作用，为使温室内温度分布比较均匀，通风系统的配合是必要的。当降温为细雾系统的目的时，必须将水分蒸发才有明显的降温效果。需要注意的是，细雾系统必须在天黑前就完全蒸发，以避免夜间湿度大、利于病虫害的发生。微雾系统有非常细微的雾粒尺寸，这些小颗粒的水分子可在空气中漂浮直到完全蒸发，可降低病虫害感染机率，具有温室内环境条件均一性好的特点。遮荫可降低温室内空气温度，但主要是缓解植物体在光照较强时受到的热胁迫和水逆境。
2 国内外温室温度控制系统的研究进展
自人们开始利用温室种植作物以来，最初的意图就是要在寒冷区域或季节升高温度，以创造适应于植物生长的环境。因此，温度控制系统是人们最早进行开发的温室控制系统，这方面的研究一直以来都是温室控制系统中的热点。目前温室发展先进的国家，争相研究适于现代化温室的简单易行的结构和先进设备，均向着节约能源途径以及更加周密考虑环境保护措施的方向发展。
2.1 保温和升温 目前，在能源日益紧缺的严峻形势下，出于节约能源的考虑，如何利用尽可能少的能源来达到温室环境控制的要求，已成为各国研究的热点和重点。从保温和升温方面所作的研究主要从3个方向展开：（1）从保温角度着手研究，（2）寻求新的能源，（3）完善原有的设施系统。其中对于新能源方面的研究比较多。
2.1.1 保温。Bilat Cemek 等（2006年）以茄子的各种性状为依据，研究了温室不同覆盖物的保温效果以及对茄子生长的作用，结果表明，在双层聚乙烯为覆盖材料的温室内茄子的产量和品质均为最佳，因而双层聚乙烯材料得到了强力推荐。荷兰目前的温室内多应用顶部双层保温系统，大部分温室立面配置卡绢纺的内保温木系统，既可增加温室的保温性能，又可减少室内补光灯对周围环境带来的光污染，温室顶部采用双层保温系统。我国在温室保温方面也进行了诸如新材料的应用研究，温祥珍和李亚灵针对大型温室保温难的问题，提出了将纺织材料应用于温室保温，并对各种材料的保温性能和对湿度的影响作了比较，为保温材料的选择提供了依据。倪金卫等（2005年）对温室中普遍存在的结露现象进行了试验分析，通过对双层薄膜温室内自然结露和人工结露两种情况的室内最低温度同室外进行对比测试，对结露时间早晚对双层非充气塑料薄膜保温效果的影响进行了分析，结果表明：（1）结露对双层塑料薄膜保温性能存在不利的影响，结露时间早，温室内最低温度比结露时间晚的低，但幅度不大；（2）双层塑料薄膜的保温性能与夹层内空气的相对湿度有关，空气相对湿度增大时，保温性能降低。奚雷等对渭南市农科所创造的“棚中棚、三层膜”式保温体系进行了试验，结果表明此保温体系保温效果好，对温室内作物生长发育更加安全有利。适宜的保温帘揭盖时间对室内作物生长及温室的保温性能有很大影响，尤其对冬季温室生产影响显著。
2.1.2 新能源。科学家们一直致力于寻求新能源方面的探索，并取得了一些成果。20世纪80年代，Paul V．Nelson 预言利用太阳能加热是一个十分值得研究的方向，同时提供了当时已有的太阳能加热系统，大体有太阳能收集装置、热量储存装置、温室内热循环装置、备用热量供应装置以及控制元件组成。之后，科学家们在寻求新能源、试图找到节省能源的新途径方面展开了更加深入的研究，其中，从太阳能的利用以及地热系统两个方面着手的研究比较多。太阳能可以说是随处可得的能源，鉴于这个优势，太阳能利用一直以来都备受关注。科学家们采取了多种途径寻找多种介质来储备太阳能。采用太阳能增温的温室主要有主动式和被动式两种。M．Santamouris 等综述了被动式太阳能温室集热调温系统的技术现状，将被动式太阳能温室分为水贮热、潜贮热、岩床贮热、埋入管道的土壤贮热及其它贮热5种类。Singh and Tiwari （2000年）研究了北墙储热系统与太阳能地热系统（ground air collector，GAC）系统相结合对温室温度的影响，结果表明，运用这种整合方式能够使温室内温度高于室外20℃。Dilip Jain 和 G．N．Tiwari 对太阳能地热系统做了进一步的建模分析，并以实验验证了其模型，结果表明，利用模型计算出的植物和温室内的温度能够很好的与实际值相吻合。
目前，太阳能不仅应用于温室加热，还有学者利用太阳能对温室进行制冷方面探索。P．A．Davies 和 P．R．Knowtes 提出并以实验验证了一种温室干燥制冷与灌溉整合系统的可行性，该系统包括利用太阳能将海水进行脱盐用于温室灌溉，并以此得到盐卤用于温室制冷，同时解决了灌溉和制冷问题，这项技术在滨海地区或水质含盐量高的地区具有发展前景。当然，该系统目前处于起步阶段，仍有许多需要改进之处，如海水中除了盐分外的其他杂质的处理问题等。我国也有这方面的研究，但其温室仅用于提供高温蒸发苦咸水以净化水源之用，并未用于栽培植物。
我国最近几年也开展了太阳能利用方面的研究，其中对于太阳能地热温室的研究比较多。白生菊等（1995年）通过选择合理的室内外计算温度，对太阳能地热温室的主要构件，如太阳能集热器、地下埋管等的设计进行了分析，并提出今后对于该类温室的研究应着重建立数学模型，编制统一的优化设计程序等方面的建议。党建国等（1996年）研制了太阳能地下长期蓄热系统，利用温室深层土壤在夏秋季将太阳能
储存于深层土壤中，到冬季再向温室浅层土壤补充供热，以提高温室的浅层地温，改善温室中作物的生长环境。蒋锦标等（2001年）利用太阳能地下热交换系统将日光温室内上部多余的热量通过风机导入地下管道，从而降低白天温室内高温，升高地温，夜间再将贮存的热量放出，达到提高室温的目的。刘圣勇等（2003年）以黄瓜生长季节的实验为基础，得出太阳能地下蓄热、加热系统温室与煤炉地上加热系统温室相比，地温平均提高4.4℃，产量提高21％以上的结论。此结论进一步表明，利用太阳能地下蓄热、加热系统可有效提高温室地温以提高作物产量，同时还可减少有害气体排放量，能取得较好的经济效益和环境效益。
另外，国内科研人员对于将太阳能用于温室其他方面也进行了不同层次的研究。目前，一种国内技术领先的高科技产品——太阳能微电脑温室综合控制器，在兰州通过科技成果鉴定，并已进行工业化生产。这种控制器利用单晶硅太阳能电池板对充电电池充电，作为SN9858单片机、电动水阀驱动电路、通风电机驱动电路及磁保持阀驱动电路的电源，实现了温室内的测试和定时灌溉。同时，还留有控制卷帘机的接口，既能适应温室的基本参数测控，又有可扩展的余地。这种设计新颖、运作稳定可靠的控制器，能有效地解决现有技术成本过高的问题。
地能系统也是一种具有相当潜力的新型高效、低耗、环保的温度控制系统。所谓地能系统，是利用一定深度的地下水、土壤温度的恒定性进行能量的储蓄和释放，可同时具有加热和降温的目的，冬季把高于环境温度的地能中的热能取出来供给温室内加温，夏季则把温室内的热能取出来释放到低于环境温度的地能中，这样在冬夏负荷相平衡的情况下，使地源系统中的大地起到了蓄能器的作用，可大大减少对化石燃料的消耗，减少对环境的污染，符合人类可持续发展的要求。国外已对这方面进行了研究，G．N．Tiwari等对地热能（geothermal energy）系统和土壤一空气换热器（earth-air heat exchanger）的温度控制效果、地表空气收集器与土壤一空气换热器的效果进行了比较，并建立模型，结果表明地热系统、地表空气收集器调节温度能力要强于土壤一空气换热器，同时地热系统的温度波动也小，但是，在地热资源缺乏的地区，使用土壤一空气换热器也是可行的。随后，他们又对土壤一空气换热器进行了改进，结果显示，在控制温
度时调整管道的直径和高度等参数以及管内空气流动的速度来达到更加理想的温度控制效果是可行的，更细、更长的管道通路，更慢的空气流动速度能达到冬天升温、夏天降温的效果。另外，他们还将保温膜也考虑进模型中进行了建模运算和实验验证。V．P．Sethi 和S．K．Sharma 利用地下蓄水层水温相对恒定的特点，将加热制冷合二为一，并对系统进行了实验验证以及经济效益评估，结果表明该系统可将温室内
温度冬季保持高于外界温度7～9℃，夏季低于外界6～7℃。
2.1.3 完善原有系统。在新能源研究方兴未艾之时，因其多处于研究阶段，在实际应用中并未能大规模推广，大多仍采用传统方法，所以如何对于传统的控制系统进行改进也是具有相当的研究价值。A．Baille等分析了热风加热的温室在冬季气候条件下夜间的能量平衡，认为提高能量使用效率的途径包括加强温室的密封性能，减少通过保温膜或者其他覆盖材料的热量散失，提高土壤的日间储热效率以在夜间释放保温等方面。
2.2 降温
2.2.1 自然通风。在自然通风方面，Nederhoff（1985）和Barber（1984）分别从实际和理论上用CO2等气体浓度变化来分析温室自然通风效果的可行性。采用上述方法，Papadakis（1986年）测量和分析了带有顶窗和侧窗的温室的空气交换速率，结果表明，空气交换速率取决于室外风速和开窗面积的大小，并认为顶窗或顶窗加侧窗的通风效果要好于只用侧窗的结构。Albright（2002年）的研究指出屋顶开口面积占温室面积的比例对室内空气温度影响极大，假设进入室内太阳能辐射量为500W／m2，其中65％供室内水分蒸发使用，其余35％由室内空气吸收。结果造成室内空气温度越高，当屋顶开口面积占温室面积的1／10以上时，其室内、外温差可维持在5℃以内。在无风或低风速情况下，空气进出口高度差与温差所造成的密度差是室内空气对流的驱动力，也是热气排出、新鲜空气吸入的形成原因。入射太阳能越大，造成温差越大，越有助于这种现象的提升。在较大风速下，风向、温室座落、通风口与风速是空气浮力以外的决定因子。通风系统、可收放遮荫系统与细雾或微雾系统的整合控制，提供控制温室设施内微气候的弹性，这种整合控制能力的提高将成为未来努力的方向。
2.2.2 微雾系统。微雾系统（fog cooling system）具有非常细微的雾粒（2～60 µm），使得这些小颗粒的水分子不会停留在结构表面或植物叶面上，可在空气中漂浮直到完全蒸发，从而降低病虫害感染机率，同时比风扇一湿帘制冷系统更能提供均一的温室内温度、湿度等环境条件并且更节省能源等优点，因而越来越受到重视。在20世纪80年代已有相关研究，之后，这方面逐渐成为研究的热点问题。A·Arbel等建立了模拟微雾系统的数学模型，通过实验验证，模型所得数据能与实际值较好吻合，同时还利用数学模型验证了在同样条件下微雾系统的温度分布比湿帘一风机系统要更加均匀，随后，他们又进行了微雾系统与强制通风系统结合运用于温室制冷的研究，采用这一系统，夏季正午温室内温度和相对湿度可分别保持在28℃和80％，并且在关闭风机时温室内气候条件能达到高度一致的效果。Abdel-Ghany和T．Kozai（2006年）通过重新定义制冷效率并对微雾系统的制冷效率进行了计算，结果表明其制冷效率高于其他制冷系统。同时，在实践过程中，科学家们还注意到一些细节问题。H．Toida 等（2006年）对微雾系统中干球温度计可能会有水分吸附其上，而造成其温度与湿球温度计相接近的问题进行了研究，通过在干球温度计外部覆盖一层不影响其温度测量的遮蔽物来防止这一现象的发生。
为了达到最佳温度控制效果，多种系统的整合及多种方式的综合运用已成为未来发展的方向。目前方式多集中于将升温与降温结合，太阳能地热系统与土壤一空气换热器结合等。升温与降温结合多为利用一个系统的稳定性或可逆过程来实现，如利用海水或含盐量高的水中盐分的吸潮和蒸发干燥过程，利用地下水温的恒定性等来实现。
3 结语
温室设施在过去多集中在温带与寒带地区使用，因而其温度控制多集中于加温和保温方面。目前由于其较高的经济效益已经得到肯定，在热带、亚热带地区的使用也日益普及，降温设施以及控制系统正日益受到人们的关注。检疫用途、研究用途与组织培养苗在温室内的驯化栽培等，都需要具有更高品质环控技术的温室设计，这类温室的需求也会呈现增长态势。对高品质的观赏植物和蔬果作物的全球市场需求会不断扩大，未来l0年全球温室面积仍将不断扩大，尤其是在热带与亚热带地区的发展中国家。在温室工程领域的研究发展上，在旧有技术中寻求改善，多会针对减轻原有技术的环保问题，新技术的发展更不能忽略对环境的影响先进的温度控制系统必须整合多种数学模型，包括能量守恒模式、质量守恒模式、作物生长模式与经济效益评估模式。根据温室所在地的气象资料，栽培作物的需求与所执行的控制策略，加热与降温的成本等均可以评估。根据作物生长模式与市场销售行情，上述控制条件下的作物产量与产值等也可以预测，从而达到最合理的生产配比。
随着科技的发展，温室温度控制系统将向着力求以最小化的投入（能源、资金等）达到最精确的监测和控制，从而进一步获得最大化的产量与最优化的品质，同时向达到或接近零污染的方向发展。
上海农业科技. 2007（6）：16-18
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