全封闭日光温室降温技术的研究

王 婷，高俊明，周 莹，马金平，王双喜

(山西农业大学 a.工学院；b.农学院，山西 太谷 030801)

0 引言

温室CO2浓度是制约设施农业发展的因素之一，由于温室的半封闭性，无法给温室作物提供均衡、稳定的CO2浓度，不适宜作物生长；同时，半封闭性温室与外界环境频繁接触，常常造成外界病虫害侵入，导致温室内化学农药的过多使用，给环境带来了污染。国内诸多学者通过构建全封闭日光温室，实现温室内CO2浓度的提高及无虫害生产，有利于作物生长。全封闭温室中，空气流速慢，温室效应加剧，温度极易升高，不利于作物生长，温室降温技术成为重点[1]。目前，温室降温技术主要有通风降温、遮阳降温、蒸发降温和机械制冷、热交换等其它新型降温技术[2-3]。张敏[4]等基于沟式栽培的全封闭温室降温方法的研究表明，在全封闭温室中采用沟式栽培可解决温室的高温高湿问题，提高作物水分生产率。李霞[5]等基于热交换原理实现了对温室小密闭环境的降温除湿及水分的循环利用。李永欣等[6]温室外遮阳和屋顶喷淋降温系统夏季降温效果的研究表明，温室喷淋降温能耗小、成本低，降温后室内温湿度分布均匀，并未大幅度增加。本文在前人研究的基础上，基于遮阳降温和蒸发降温的原理，通过添加纳米氧化锡锑透光隔热涂料削弱透光率和高压喷淋装置两方面形成双重降温系统，实现全封闭日光温室的降温及水分循环利用，对促进夏季温室作物的生长和经济效益的提高有一定的实践意义。

1 降温系统概述

该全封闭温室为砖混结构，后墙为土质墙体，温室平面图和侧面图如图1和图2所示。温室进出口与操作间相连，操作间内配备消毒间，水、农具、农装和工作人员需经过紫外线消毒才能进入温室，室内作物种植或播种前要进行灭菌处理，外界空气要经过防病虫通风换气过滤装置才能进入温室，从根源切断了病虫害的转播，形成了无虫害环境，即使喷淋降温后产生的高湿环境也不会给温室带来病虫害问题。

图1 温室平面图Fig.1 The floor plan of greenhouse

图2 温室侧面图Fig.2 The profile of greenhouse

纳米氧化锡锑涂料是一种性能良好的透明隔热涂料，具有可见光区透过率高，并有效阻断红外光区热辐射的优点，工艺简单，成本低，且节能环保[7]。喷淋降温装置是由感温探头、智能温控开关、柱塞泵、高压输水管、雾化喷嘴、冷凝水回收器、水过滤器及水箱8个部分组成的,各部分安装位置如图3所示。水管俯视图如图4所示。

夏季温度过高时，将涂料涂在棚膜外表面，并在室内温度高过30℃时，进行喷淋降温。此时，温控开关自动接通电源，高压柱塞泵开始工作，水箱中的水通过高压柱塞泵输送到喷头，以细雾状喷出，在蒸发过程吸收空气中的热量，多余的水雾通过回收装置回归到水箱再次利用。在冬季不喷涂料，只需采用喷淋装置降温。

1.冷水箱 2.阀门 3.轴流风机 4.回风管 5.喷头 6.喷淋管 7.冷凝水收集器 8.冷凝水存储箱 9.高压水泵 10.热水管 11.冷凝水收集器 12.阀门 图3 降温装置安装示意图Fig.3 The installation diagram of cooling equipment

1.高压喷头 2.PE管 3.支管超高压柱塞水泵 4.水箱 图4 水管俯视图Fig.3 The vertical view of pipe

2 降温效果分析

2.1 理论依据

夏季温室棚膜上喷涂纳米氧化锡锑透光隔热涂料时，涂料对红外线和可见光具有选择透过性。温室涂膜后进入棚内太阳辐射强度F为

F=(w1q1+w2q2)Q

式中F—射入温室的太阳能辐射强度(W/m2)；

w1—可见光的比重(%)；

q1—涂料对可见光的透光率(%)；

w2—红外光的比重(%)；

q2—涂料对红外光的透光率(%)；

Q—地表接受的太阳辐射强度(W/m2)。

冬季温室棚膜不涂透光隔热涂料时进入棚内太阳辐射强度F为

F=wQ

式中w—温室棚膜的透光率(%)。

射入温室的太阳辐射能，会被植株蒸腾、地表土壤、空气共同吸收，如果温室内外存在温差，土墙和温室棚膜还会传递热量。根据能量守恒定律，有

式中Q空气—空气吸收的太阳辐射强度(W/m2)；

Q蒸腾—植物蒸腾作用吸收的太阳辐射强度(W/m2)；

Q土壤—土壤吸收的太阳辐射强度(W/m2)；

Q土墙—单位面积单位时间土墙传递的热量(W/m2)；

Q棚膜—温室棚膜单位面积单位时间传导的热量(W/m2)。

由上述可得

1)植物蒸腾作用，即

Q蒸腾=vrq

式中v—植物蒸腾速率[g/(s·m2)]；

r—植物有效叶面积指数；

q—水潜热(2 257.6J/g)。

2)土壤传导热量，即

Q土壤=λ土壤(S土壤/h土壤)Δt土壤

式中λ土壤—土壤导热系数[W/(m·K2)]，即1m厚土层两端温差为1K时，单位时间内1m2该土壤传递的热量；

S土壤—土壤的面积(m2)；

h土壤—土壤的厚度(m)；

Δt土壤—土壤两个层面的温差(K)。

3)土墙传导热量，即

Q土墙=λ土墙(S土墙/h土墙)Δt土墙

式中λ土墙—土墙导热系数[W/(m·K)]，即1m厚土层两端温差为1K时，单位时间内1m2该土墙传递的热量；

S土墙—土墙的面积(m2)；

h土墙—土墙的厚度(m)；

Δt土墙—土墙两个层面的温差(K)。

4)温室棚膜散热，即

Q棚膜=KS棚膜Δt棚膜

式中K—棚膜散热系数[W/(m·K2)]，即棚膜两侧温差为1K时，单位时间内1m2该棚膜传递的热量；

S棚膜—棚膜的面积(m2)；

Δt棚膜—棚膜两个层面的温差(K)。

当Q空气>0时，这些热量会使空气温度升高，超过30℃后，需要用喷淋装置喷细雾吸收这些热量。所以有

Q喷淋=Q空气

喷水吸收热量公式为

Q喷淋=1000Mq/(S温室t)

式中M—整个温室喷水量(kg)；

S温室—整个温室面积(m2)；

t—喷水时间(s)。

可以推导出

M=Q喷淋S温室t(1000q)

2.2 各时期喷水量的计算

在不同季节，射入地面的太阳辐射强度不同，同一时期各个温室的植物生理期也不相同，所以不能计算出一个固定不变的喷水量，而是要根据各个时期的特点，分别计算其喷水量。本文把喷水期分为夏季苗期、夏季成株期、冬季苗期、冬季成株期4个时期，分别进行计算。

由资料得，华北地区夏至最高太阳辐射强度达到900W/m2；冬至最高太阳辐射强度为375W/m2。

2.2.1 夏季涂料涂膜

夏季涂料涂膜时，射入温室的太阳能辐射强度(温室薄膜涂抹厚度为60μm时，对可见光平均透光率达到71.3%，而红外光区达到39.7%[8])为

1)夏季苗期降温喷雾量计算。苗期植株叶面积系数小，蒸腾作用吸收的热量可忽略不计。如果外界气温温度为30℃，要用喷淋降温装置将温室内温度也控制在30℃以内，这时室内外温差为0℃，土墙、温室棚膜导热终止。

当土壤导热系数λ土壤=1.4W/(m·K)时[9]，喷雾装置蒸发吸收热量为

整个温室每分钟降温喷雾耗水量为

2)夏季成株期降温喷雾量计算。成株期植物有很强的蒸腾作用，蒸腾速率达0.008 1g/(s·m2)。如果外界气温温度为30℃，要用喷淋降温装置将温室内温度也控制在30℃以内，这时室内外温差为0℃，土墙、温室棚膜导热终止。此时，喷雾装置蒸发吸收热量为

整个温室每分钟耗水量为

2.2.2 冬季涂料不涂膜

太阳高度角存在周期性变化：从冬至到夏至，太阳高度角逐渐变大，到达地面的太阳辐射强度也逐渐变大；从夏至到冬至，太阳高度角逐渐变小，到达地面的太阳辐射强度也逐渐变小。所以，有必要计算冬季温室苗期、成株期对太阳辐射强度的最低要求，以此大致确定给苗期、成株期植物喷雾降温的周期，以及判断同一时期的苗期、成株期植物是否需要喷雾降温[10-11]。

冬季涂料不涂膜时，温室需要以最低太阳辐射强度计算。假设温室内仍然为30℃，温室外为5℃，土墙、温室棚膜会传递热量[土墙导热系数为0.75W/(m·K)]；温室棚膜传热系数为6.8W/(m2·K)[12-13]。

温室土墙面积为

S土墙=100×3+10×3=330m2

温室棚膜面积为

1)冬季苗期需要最低太阳辐射强度。冬季温室棚膜不涂透光隔热涂料时,苗期植物需要的最低(蒸腾作用忽略不计，不考虑喷雾降温)太阳辐射强度为

2)冬季成株期需要最低太阳辐射强度。冬季温室棚膜不涂透光隔热涂料时,成株期植物需要的最低(不考虑喷雾降温)太阳辐射强度为

此时，射入温室的太阳辐射强度为

F=wQ=303.75W/m2

3)冬季苗期降温喷雾量计算，即

整个温室每分钟耗水量为

4)冬季成株期降温喷雾量计算。由对冬季需要最低太阳辐射量的计算可知：射入温室的太阳辐射强度大于461.87W/m2时，温室温度达到30℃，需要喷淋降温；小于461.87W/m2时，温室温度不能达到30℃，不需要喷淋降温。

3 结论与讨论

1) 全封闭温室采用纳米氧化锡锑涂料和高压喷淋降温装置降温，可在夏季室内温度高于35℃时将室温降到30℃以下，既不大幅地增加温室湿度，也能实现水分的循环利用，促进了作物的生长；冬季射入温室的太阳辐射大于461.87W/m2，温室室温才能超过30℃时，只采用喷淋降温装置即可将室温降到适宜温度。

2) 全封闭温室的封闭性使得温室内CO2浓度的调控及温室作物的无病虫生产更易实现，同时室内水分的蒸发被限制在有限的空间内，可以经济有效的降温除湿、回收循环水资源。

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