《農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程》第4章溫室設(shè)施環(huán)境調(diào)節(jié)與2課件

1、第四章 溫室設(shè)施環(huán)境調(diào)節(jié)與控制第1頁(yè)，共36頁(yè)。 溫度是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的最重要環(huán)境因素，植物在整個(gè)生命周期中的一切生物、化學(xué)過程，都必須在一定的溫度條件下進(jìn)行。其它環(huán)境因子大多直接或間接通過與溫度條件相結(jié)合從而影響植物生長(zhǎng)。 而溫室最首要的基本功能則是可以突破自然條件的限制，可靠地提供滿足植物生長(zhǎng)的、優(yōu)于自然界溫度環(huán)境的條件。第二節(jié) 溫室溫度環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制第2頁(yè)，共36頁(yè)。一、作物對(duì)溫度的要求 （一）溫度對(duì)作物生育的影響 溫室內(nèi)的氣溫、地溫對(duì)作物的光合作用、呼吸作用、光合產(chǎn)物的輸送、根系的生長(zhǎng)和水分、養(yǎng)分的吸收均有著顯著的影響，為了使這些生長(zhǎng)和生理作用過程能夠正常進(jìn)行，必須為其提供必要的溫

2、度條件。 這樣的溫度條件可采用最低溫度、最適溫度和最高溫度三個(gè)指標(biāo)來(lái)表述，稱為“溫度三基點(diǎn)”。溫度三基點(diǎn)根據(jù)作物種類、品種、生育階段和生理活動(dòng)的晝夜變化以及光照等條件而有不同。第3頁(yè)，共36頁(yè)。真正光合作用表觀光合作用呼吸作用圖1 溫度對(duì)植物光合強(qiáng)度及呼吸強(qiáng)度的影響第4頁(yè)，共36頁(yè)。蔬 菜 種 類生 長(zhǎng) 時(shí) 期對(duì) 溫 度 的 要 求 （）適宜溫度最 高 溫 度最低溫度白 晝夜 間黃 瓜苗 期1925282215苗期到開始結(jié)瓜2028332215結(jié) 瓜 期2230382415番茄、辣椒苗 期1521261810苗期到開始結(jié)果1925282010結(jié) 果 期182630226茄 子苗 期162428

3、2015苗期到開始結(jié)果1826302015結(jié) 果 期2230342412菜 豆結(jié) 莢 前1723252015結(jié) 莢 后1826302212菠 菜122025142白菜、芹菜、窩苣、茴香、蒿子稈122430152蔬菜的溫度指標(biāo) 第5頁(yè)，共36頁(yè)。（二）溫室的溫度調(diào)控指標(biāo)與變溫管理 研究結(jié)果表明，作物在一日內(nèi)對(duì)溫度的要求是變化的。晝夜不變的溫度管理方式，作物生長(zhǎng)率比晝高夜低的管理方式低。進(jìn)一步的研究表明，作物的物質(zhì)生產(chǎn)總量，是由每天生產(chǎn)的物質(zhì)生產(chǎn)量累積起來(lái)的，而溫度對(duì)物質(zhì)生產(chǎn)的影響，是溫度對(duì)一日間光合作用、產(chǎn)物輸送與呼吸消耗的綜合影響。一日間溫度管理的目標(biāo)，是要增加光合作用產(chǎn)物及促進(jìn)產(chǎn)物的輸送、貯

4、藏和有效分配，抑制不必要的呼吸消耗。因此，應(yīng)根據(jù)作物在一日內(nèi)不同時(shí)間的主要生育活動(dòng)，采取不同的溫度水平，這樣的溫度管理方式稱為變溫管理。 變溫管理依賴于良好的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能達(dá)到效果。第6頁(yè)，共36頁(yè)。低溫界限早晨加溫陰雨天輸送適溫日出時(shí)間正午抑制呼吸日落午夜抑制呼吸促進(jìn)光合作用促輸送抑制呼吸高溫界限氣溫光合適溫?fù)Q氣 晴天圖2 變溫管理模式第7頁(yè)，共36頁(yè)。二、溫室內(nèi)的能量傳遞與溫度特性 （一）溫室內(nèi)的熱量來(lái)源與溫室效應(yīng) 溫室內(nèi)的熱量來(lái)源主要是太陽(yáng)輻射與加溫?zé)嵩?。一般采暖系統(tǒng)的加溫?zé)崃考s為100300W/m2。 第8頁(yè)，共36頁(yè)。 溫室內(nèi)白晝?cè)谔?yáng)輻射的作用下，可以達(dá)到遠(yuǎn)高于室外的氣溫條件。

5、首先，玻璃、塑料薄膜或板材等溫室透明覆蓋材料具有對(duì)不同波長(zhǎng)光熱輻射的選擇透過的特性，可以較好地透過大部分太陽(yáng)輻射（波長(zhǎng)3003000nm），使太陽(yáng)輻射熱量大量進(jìn)入溫室內(nèi)，而同時(shí)在不同程度上阻止室內(nèi)地面和植物等發(fā)出的長(zhǎng)波輻射（波長(zhǎng)300080000nm）透過傳出室外，部分阻止了溫室內(nèi)向室外長(zhǎng)波輻射形式的熱量損失。 另一方面原因是因?yàn)闇厥覍?duì)空氣封閉的作用，室內(nèi)地面、植物等吸收太陽(yáng)輻射熱量后，溫度升高，通過對(duì)流等方式將熱量傳遞給室內(nèi)空氣，使室內(nèi)氣溫升高，而由于溫室的相對(duì)封閉性，內(nèi)外空氣交換量很小，使溫度升高了的空氣得以聚集室內(nèi)，不會(huì)因空氣流動(dòng)將熱量散失到室外。上述作用即是所謂“溫室效應(yīng)”。第9頁(yè)，共

6、36頁(yè)。 溫室是一個(gè)半封閉的系統(tǒng)，它在不停地與外界進(jìn)行著物質(zhì)與能量的交換。在獲得太陽(yáng)輻射熱和加溫?zé)崃康耐瑫r(shí)，通過覆蓋材料的傳熱、通風(fēng)和地面?zhèn)鳠岬韧緩剑蛲饨绮粩鄠鞒鰺崃?。（二）溫室的傳熱與能量平衡第10頁(yè)，共36頁(yè)。根據(jù)能量守恒的原理，溫室內(nèi)的能量平衡關(guān)系可表達(dá)為下式所示。 Qm+Qs+Qh+Qr+Qvi = Qvo+Qw+Qf+Qe+Qp W式中Qm設(shè)備發(fā)熱量（電機(jī)、照明），W； Qs溫室內(nèi)吸收的太陽(yáng)輻射熱量，W； Qh加溫?zé)崃?，W； Qr作物、土壤等呼吸放熱量，W； Qvi通風(fēng)氣流帶入的顯熱量，W； Qvo通風(fēng)氣流帶出的顯熱量，W； Qw經(jīng)過覆蓋材料的傳熱量（對(duì)流、輻射），W； Qf地中傳

7、熱量，W； Qe溫室內(nèi)水份蒸發(fā)吸收的潛熱，由通風(fēng)排出室外，W； Qp溫室內(nèi)植物光合作用耗熱量，W。 在一般溫室中，設(shè)備發(fā)熱量Qm、作物、土壤等呼吸放熱量Qr、植物光合作用耗熱量Qp與其他能量收支項(xiàng)相比很小，可忽略不計(jì)。故溫室的能量平衡關(guān)系可簡(jiǎn)化為： Qs+Qh= (QvoQvi)+Qw+Qf+Qe W第11頁(yè)，共36頁(yè)。圖3 溫室中的能量傳遞與平衡 地中傳熱Qf通風(fēng)Qvo長(zhǎng)波輻射對(duì)流長(zhǎng)波輻射對(duì)流通風(fēng)Qvi太陽(yáng)輻射吸收反射室內(nèi)反射蒸騰蒸發(fā)Qe加溫?zé)崃縌hQw Qs第12頁(yè)，共36頁(yè)。圖5 加溫溫室中夜間的能量傳遞對(duì)流30地中傳熱 10冷風(fēng)滲透10長(zhǎng)波輻射35對(duì)流45長(zhǎng)波輻射50加溫?zé)崃?00冷風(fēng)

8、滲透10地中傳熱100長(zhǎng)波輻射45對(duì)流45長(zhǎng)波輻射110對(duì)流-20圖4 不加溫溫室中夜間的能量傳遞第13頁(yè)，共36頁(yè)。（三）溫室的溫度特性 溫室內(nèi)的氣溫隨時(shí)間變化的特性 溫室內(nèi)的溫度狀況隨太陽(yáng)輻射和室外氣溫的變化而呈現(xiàn)晝夜和季節(jié)的變化。室內(nèi)氣溫變化與室外氣溫變化趨勢(shì)大體一致，最高、最低氣溫出現(xiàn)的時(shí)刻與露地大體相同，但不加溫溫室中氣溫的變化幅度比露地大得多，日溫差約可達(dá)2030，主要是白晝氣溫比室外高得多。晝高夜低、大溫差是室內(nèi)氣溫的突出特點(diǎn)，白晝室內(nèi)氣溫高，可基本滿足或甚至高于植物生長(zhǎng)的要求，但夜間氣溫又易出現(xiàn)低于植物生長(zhǎng)要求的情況。 對(duì)于加溫溫室，原則上可以按作物要求控制室內(nèi)氣溫的變化，夜間

9、加溫使室內(nèi)最低氣溫大幅度提高，日氣溫差減小。第14頁(yè)，共36頁(yè)。三、溫室采暖 溫室采暖是冬季溫室內(nèi)溫度環(huán)境調(diào)控的最有效手段，但其代價(jià)是燃料能源的消耗和生產(chǎn)成本的增加。因此，必須適當(dāng)選擇采暖方式、合理配置加溫設(shè)備，在滿足植物生長(zhǎng)需要的同時(shí)，應(yīng)注意盡可能節(jié)省能源，避免生產(chǎn)成本的過多增加。（一）溫室采暖方式室外太陽(yáng)輻射 溫室的采暖方式有熱風(fēng)、熱水、蒸汽采暖，采用蒸汽加溫?zé)崴臒崴膳羝驘崴訜峥諝獾臒犸L(fēng)采暖，電熱采暖、輻射采暖、太陽(yáng)能蓄熱采暖等多種，在我國(guó)農(nóng)村還廣泛采用爐灶煤火簡(jiǎn)易采暖設(shè)施。第15頁(yè)，共36頁(yè)。采暖方式技術(shù)要點(diǎn)采暖效果控制性能維修管理設(shè)備費(fèi)用其 它適用情況熱風(fēng)采暖直接加熱空氣溫

10、度穩(wěn)定性差，停機(jī)后溫度降低快預(yù)熱時(shí)間短，升溫快不用水，容易操縱比熱水采暖便宜得多不用配管和散熱器，作業(yè)性好，燃燒空氣由室內(nèi)補(bǔ)充時(shí)必須通風(fēng)換氣各種溫室及塑料大棚等園藝設(shè)施，尤其適用于短期臨時(shí)加溫?zé)崴膳捎?080熱水，通過室內(nèi)散熱器自然放熱，或用熱交換器強(qiáng)制換熱吹送熱風(fēng)因所用溫度低，加熱緩和，水熱容量大，熱穩(wěn)定性好，停機(jī)后保溫性強(qiáng)預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，可根據(jù)負(fù)荷的變動(dòng)改變熱水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)對(duì)鍋爐要求比蒸汽采暖低，水質(zhì)處理較容易須采用配管和散熱器，設(shè)備費(fèi)用較高在寒冷地區(qū)管道怕凍，必須充分保溫防護(hù)大型溫室蒸汽采暖采用100110蒸汽，可轉(zhuǎn)換成熱水和熱風(fēng)采暖余熱少，停機(jī)后保溫性差預(yù)熱時(shí)間短，自動(dòng)控制稍難對(duì)鍋爐要

11、求高，水質(zhì)處理不嚴(yán)時(shí)，輸水管容易被腐蝕比熱水采暖貴可作土壤消毒，散熱管較難配置適當(dāng)，容易產(chǎn)生局部高溫大型溫室群，在高差大的地形上建造的溫室第16頁(yè)，共36頁(yè)。采暖方式技術(shù)要點(diǎn)采暖效果控制性能維修管理設(shè)備費(fèi)用其 它適用情況電熱采暖用電熱溫床線和電暖風(fēng)采暖器加溫停機(jī)后缺少保溫性預(yù)熱時(shí)間短，控制性最好使用最容易設(shè)備費(fèi)用低耗電多、費(fèi)用大、不經(jīng)濟(jì)小型溫室、育苗溫室、地中加溫、輔助采暖輻射采暖用液化石油氣紅外燃燒取暖爐停機(jī)后缺少保溫性，可升高植物體溫度預(yù)熱時(shí)間短，控制容易使用方便、容易設(shè)備費(fèi)用低耗氣多，大量用不經(jīng)濟(jì)，可利用于CO2施肥臨時(shí)輔助采暖火爐采暖用地爐或鐵爐，燒煤，用煙道散熱供暖封火時(shí)仍有一定保溫

12、性，有輻射加熱效果預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，管理費(fèi)勞力，不易控制較容易維護(hù)，但操作費(fèi)工設(shè)備費(fèi)用低必須注意通風(fēng)，防止煤氣中毒土溫室，大棚短期加溫第17頁(yè)，共36頁(yè)。（二）溫室熱風(fēng)采暖系統(tǒng) 熱風(fēng)采暖的熱媒是空氣，其優(yōu)點(diǎn)是使用靈活性大，熱風(fēng)直接加熱溫室空氣，熱風(fēng)溫度一般比室溫高2040，加溫迅速，升溫快。熱風(fēng)采暖系統(tǒng)的設(shè)備較簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，按設(shè)備折舊計(jì)算的每年費(fèi)用，大約只有熱水采暖系統(tǒng)的1/5。熱風(fēng)采暖設(shè)備還具有安裝方便，方便移動(dòng)使用等優(yōu)點(diǎn)。其主要缺點(diǎn)是因空氣熱容量小，室溫隨采暖系統(tǒng)運(yùn)行與否波幅較大。因此熱風(fēng)采暖尤其適用于只進(jìn)行短期臨時(shí)加溫的溫室。 第18頁(yè)，共36頁(yè)。 熱風(fēng)采暖系統(tǒng)還有用熱水或蒸汽通過熱交換設(shè)備（

13、暖風(fēng)機(jī)）加熱空氣的方式，適用于已配有熱水或蒸汽集中供暖系統(tǒng)的情況。 為提高系統(tǒng)熱效率，燃油暖風(fēng)機(jī)或燃煤熱風(fēng)爐通常直接設(shè)置在溫室內(nèi)，其熱利用效率可達(dá)70%90%。 熱風(fēng)采暖系統(tǒng)送出的熱風(fēng)必要流量Lh可采用下式計(jì)算： m3/s式中Qh溫室設(shè)計(jì)采暖負(fù)荷，W； ra空氣密度，kg/m3； cp空氣的定壓質(zhì)量比熱，cp1030J/(kg)； ti室內(nèi)氣溫，； th熱風(fēng)爐出口熱風(fēng)溫度，。 第19頁(yè)，共36頁(yè)。四、溫室的保溫節(jié)能（一） 溫室的保溫 通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)覆蓋層的熱量散失是溫室熱損失的主要部分，一般占總熱損失的60%以上，多數(shù)情況占75%以上，因此，減少該部分熱量損失是溫室保溫技術(shù)的重點(diǎn)。其技術(shù)措施有采

14、用保溫性好的覆蓋材料和采用多層覆蓋等。溫室的覆蓋材料及其保溫性幾種塑料薄膜的長(zhǎng)波輻射分光透射率 第20頁(yè)，共36頁(yè)。覆 蓋 材 料厚 度（mm）吸收率透射率反射率輻射特性指數(shù)干燥狀態(tài)內(nèi)側(cè)附著水滴(推測(cè)值)PE（聚乙烯）薄膜0.050.050.850.1-0.75-0.4-0.250.100.150.750.1-0.65-0.35-0.2EVA（醋酸乙烯）薄膜0.050.150.750.1-0.65-0.35-0.20.100.350.550.1-0.45-0.25-0.15PO（聚乙烯-醋酸乙烯復(fù)合）薄膜0.0750.350.600.300.500.1-0.2-0.40.150.600.300

15、.1-0.2PVC（聚氯乙烯）薄膜0.050.450.450.1-0.35-0.2-0.10.100.650.250.1-0.15-0.1-0.05覆蓋材料的紅外輻射特性 第21頁(yè)，共36頁(yè)。覆 蓋 材 料厚 度（mm）吸收率透射率反射率輻射特性指數(shù)干燥狀態(tài)內(nèi)側(cè)附著水滴(推測(cè)值)硬質(zhì)聚酯片材0.050.60.30.1-0.2-0.15-0.050.10.80.10.1000.1750.850.050.10.050.10.05不織布0.900.10.10.90.10.10.05玻 璃0.950.050.050.05硬質(zhì)板（玻璃纖維增強(qiáng)丙烯板、丙烯板、聚碳酸酯板等）0.900.10.10.05混鋁

16、聚乙烯膜0.650.750.250.350.250.350.10.15鍍鋁膜聚丙烯面層0.150.250.750.850.70.8(該面層向外)0.550.7(該面層向外)聚乙烯面層0.250.400.600.750.650.75(該面層向外)0.50.65(該面層向外)第22頁(yè)，共36頁(yè)。多層覆蓋保溫 多層覆蓋可有效減少溫室通過覆蓋層的對(duì)流與輻射傳熱損失，是最常用的保溫措施，保溫效果顯著。有固定覆蓋、內(nèi)外活動(dòng)保溫幕簾和室內(nèi)地面棚、膜覆蓋等多種形式。溫室覆蓋層保溫性能可用傳熱系數(shù)或覆蓋層熱阻進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用節(jié)能措施后的效果則用節(jié)能率或稱熱節(jié)省率a進(jìn)行評(píng)價(jià)，其定義為： a = (Q1Q2)/Q1

17、式中Q采用節(jié)能措施前的傳熱量； Q2采用節(jié)能措施后的傳熱量。針對(duì)保溫覆蓋，則有 a = (K1K2)/K1 式中K1采用保溫覆蓋前的覆蓋層傳熱系數(shù)，W/(m2s)； K2采用保溫覆蓋后的覆蓋層傳熱系數(shù)，W/(m2s)。第23頁(yè)，共36頁(yè)。 雙層充氣膜保溫覆蓋 近年在溫室覆蓋材料中，中空塑料板材，尤其是中空聚碳酸酯板（PC板）得到較多應(yīng)用，其保溫機(jī)理與雙層充氣膜相似，有雙層(一層空氣)與三層(二層空氣)二種 圖 雙層充氣膜保溫覆蓋示意圖圖中空聚碳酸酯板（PC板）第24頁(yè)，共36頁(yè)。 綴鋁膜保溫幕 由于鋁箔和鍍鋁膜對(duì)長(zhǎng)波輻射具有很高反射率，用于溫室活動(dòng)保溫幕具有很好保溫效果。但其透氣、透濕性差，直

18、接用作保溫簾時(shí)易導(dǎo)致室內(nèi)濕度過大。因此，采用將其裁割成數(shù)毫米寬的窄條，并用纖維線將其并排編織起來(lái)的方法生產(chǎn)的織物，稱為綴鋁膜，這種覆蓋材料在具有較高長(zhǎng)波輻射反射率和優(yōu)良保溫性能的同時(shí)，又有一定的透氣、透濕性，有利于降低室內(nèi)濕度，近年逐步得到廣泛采用，多用作溫室的內(nèi)保溫幕。圖 綴鋁膜保溫幕第25頁(yè)，共36頁(yè)。（二）合理設(shè)計(jì)與管理采暖設(shè)施 溫室采暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用中的調(diào)控管理也將對(duì)能耗與運(yùn)行成本產(chǎn)生較大影響。 準(zhǔn)確計(jì)算采暖負(fù)荷與配置采暖系統(tǒng)，可避免過量配置產(chǎn)生的浪費(fèi)現(xiàn)象。散熱器應(yīng)合理布置，以達(dá)到室內(nèi)溫度的均勻合理分布。應(yīng)根據(jù)溫室內(nèi)栽培植物的要求選用合理的供暖方式與進(jìn)行供暖系統(tǒng)的合理布置。第26頁(yè)，

19、共36頁(yè)。溫室2溫室3溫室1鍋爐四通閥全開四通閥全閉中間調(diào)節(jié)位回水供水預(yù)混組混合組混合組混合組圖 比例調(diào)節(jié)閥熱水供暖調(diào)節(jié)系統(tǒng)第27頁(yè)，共36頁(yè)。供暖與補(bǔ)光第28頁(yè)，共36頁(yè)。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 溫室的加溫能源，在國(guó)外多為石油和天然氣，我國(guó)主要使用煤炭。減少這些燃料在溫室生產(chǎn)中的消耗，不僅能降低溫室生產(chǎn)成本，而且是節(jié)約地球上有限的資源、保護(hù)環(huán)境的需要。因此，世界各國(guó)都開展了利用可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能等作為溫室加溫能源的研究，其中最有普遍應(yīng)用前景的是太陽(yáng)能和生物質(zhì)能（沼氣等）。第29頁(yè)，共36頁(yè)。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 太陽(yáng)能貯存利用技術(shù)與設(shè)施

20、太陽(yáng)能是地球上最廉價(jià)、最普遍存在的清潔能源，但由于其時(shí)間性和能量密度較低的特點(diǎn)，有效收集和存貯是其利用技術(shù)上的難點(diǎn)所在。沼氣的利用與種養(yǎng)結(jié)合生態(tài)溫室 將人畜糞便和作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行發(fā)酵獲得的沼氣是一種高品位的氣體燃料，可作為生活用能和動(dòng)力燃料，也可用于溫室加溫。在獲得能源的同時(shí)，使有機(jī)廢棄物得到處理，獲得優(yōu)質(zhì)的肥料并保護(hù)了環(huán)境。第30頁(yè)，共36頁(yè)。五、溫室降溫技術(shù)與設(shè)備 溫室的降溫是溫室溫度環(huán)境調(diào)控的另一方面重要內(nèi)容。 降低溫室內(nèi)溫度的環(huán)境調(diào)控主要采用通風(fēng)（自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)）、蒸發(fā)降溫（濕墊與噴霧降溫等）和遮陽(yáng)等三方面的技術(shù)和設(shè)備。其中通風(fēng)與蒸發(fā)降溫的內(nèi)容詳見本教材的其他章節(jié)，以下僅對(duì)溫室的遮陽(yáng)技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行闡述。1、自然通風(fēng)（側(cè)窗、頂窗開窗系統(tǒng)）2、機(jī)械通風(fēng)3、蒸發(fā)降溫（濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)）4、噴霧降溫5、內(nèi)部攪動(dòng)風(fēng)扇6、外遮陽(yáng)系統(tǒng)7、內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)8、覆蓋材料上噴涂遮陽(yáng)材料 第31頁(yè)，共36頁(yè)。風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)第32頁(yè)，共36頁(yè)。 強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射熱通過透明覆蓋材料大量進(jìn)入溫室內(nèi)，這是夏季