濕墊現(xiàn)代溫室夏季降溫技術(shù)研究

濕墊現(xiàn)代溫室夏季降溫技術(shù)研究

0加強溫室內(nèi)溫度的控制，防止作物生長發(fā)育中國大部分地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，夏季炎熱。溫室屬于半封閉系統(tǒng)，由于存在“溫室效應(yīng)”，在炎熱的夏季，即使打開所有的側(cè)窗和天窗，溫室的最高氣溫仍可能會超過40℃。而當(dāng)氣溫高于33℃以上時，已接近作物生育的高溫界限，將嚴重制約溫室內(nèi)作物的正常生長和發(fā)育。因此，夏季采取經(jīng)濟的降溫措施降低溫室內(nèi)的溫度，為作物提供一個良好的生長環(huán)境，以提高土地的利用率，一直是科技工作者致力于研究的問題。近年來，許多科技工作者通過艱苦的努力，在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大的成就。1通風(fēng)降溫1.1開天窗、側(cè)窗的通風(fēng)方式自然通風(fēng)是借助設(shè)施內(nèi)外的溫差產(chǎn)生的“熱壓”或外界自然風(fēng)力產(chǎn)生的“風(fēng)壓”促使空氣流動的一種通風(fēng)方式。由于自然通風(fēng)是所有降溫方式中最為經(jīng)濟的一種，自20世紀中期以來，各國科技工作者便對該種方式進行了深入研究。研究表明：自然通風(fēng)的效果與側(cè)窗及天窗的面積和位置、溫室的朝向、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因子有關(guān)；同時，開有兩邊側(cè)窗和天窗的溫室通風(fēng)效果優(yōu)于僅開兩側(cè)窗的溫室，其中僅開天窗的通風(fēng)效果最差。雖然自然通風(fēng)降溫能夠減少能耗、降低生產(chǎn)成本，但是由于夏季溫室內(nèi)外溫差較小，自然通風(fēng)達不到很好的降溫效果。而風(fēng)又是一種隨機現(xiàn)象，因此要合理地打開南北兩扇門，以加強空氣對流，實現(xiàn)良好的通風(fēng)效果。實際運用中，該法經(jīng)常與其他降溫方法綜合利用，降溫效果才會顯著。1.2風(fēng)機的選型和數(shù)量由于夏季室外溫度較高，溫室單靠自然通風(fēng)達不到降溫的目的，因此必須采用機械通風(fēng)（即風(fēng)機將電能或其它形式的能轉(zhuǎn)化為風(fēng)能）強迫空氣流動來進行溫室換氣，從而達到降溫的效果。一般情況下，機械通風(fēng)要比只用自然通風(fēng)降溫低3°～5℃。在機械通風(fēng)系統(tǒng)中，應(yīng)綜合考慮各種因素，合理選擇風(fēng)機的型號和數(shù)量。為此，可以采用多臺功率不同的風(fēng)機，適當(dāng)分組控制運行，以滿足不同情況的通風(fēng)要求。雖然機械通風(fēng)效果顯著，但是能耗較大，所以一般不單獨使用，往往和濕墊一起綜合使用，達到夏季溫室降溫的目的。2蒸發(fā)和降溫2.1濕墊降溫技術(shù)的發(fā)展?jié)駢|—風(fēng)機降溫系統(tǒng)是利用水蒸發(fā)時將空氣中的顯熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕岬脑磉M行降溫。自從20世紀50年代美國的研究者開始研究開發(fā)以來，濕墊裝置逐步實用、成熟并得到推廣；尤其在80年代初，歐美各國發(fā)展工廠化生產(chǎn)波紋紙質(zhì)濕墊，進行大面積的溫室降溫，這一系統(tǒng)便逐步推廣到日本及中東等許多國家。濕墊風(fēng)機降溫系統(tǒng)能將溫室內(nèi)的空氣干球溫度降低到略高于室外濕球溫度l°～2℃的水平。我國自20世紀80年代初引進美國的濕墊降溫裝置以來，對該技術(shù)進行了消化吸收，并進一步在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、設(shè)計方法以及應(yīng)用等方面進行了深入研究。1988年，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)成功研制了適合我國溫室的濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)，通過了農(nóng)業(yè)部新產(chǎn)品鑒定并投入使用，成為目前溫室夏季通風(fēng)降溫的最佳組合模式。多年來的生產(chǎn)實踐表明，該系統(tǒng)不但在我國北方地區(qū)降溫效果極為顯著，而且在長江流域以南地區(qū)及東南沿海一帶的高溫季節(jié)也是適用的。即使是在夏季高溫天氣，空氣溫度通過濕墊后一般都可以降低4°～7℃。該系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、能耗較低、成本低廉、產(chǎn)冷量大及運行可靠等優(yōu)點，設(shè)備費僅相當(dāng)于空調(diào)的1/7，運行費僅為空調(diào)的1/10。合理設(shè)計與運行的濕墊，其蒸發(fā)降溫效率可達75%～90%，通過阻力損失約為10～40Pa。同時，該系統(tǒng)還存在有待改進的問題：在長期的使用中，空氣中塵垢的附著與水中鹽類的沉積會降低濕墊的使用效果，增大通風(fēng)阻力甚至產(chǎn)生部分堵塞；濕墊使用后會產(chǎn)生收縮與變形，且其表面常常積聚水垢和水苔，這樣大大減弱了吸水性，縮小了過流斷面面積，致使?jié)駢|阻力增加，降低了降溫效率，造成濕墊必須頻繁定期更換(波紋紙質(zhì)濕墊一般5年更換一次)，使系統(tǒng)運行成本增加；鹽類與塵污在水中不斷積聚將使循環(huán)水水質(zhì)變差，需經(jīng)常更換水，使耗水量增加。這些領(lǐng)域今后還期待進行更加深入的研究，優(yōu)化濕墊—風(fēng)機降溫系統(tǒng)。2.2高壓噴霧降溫技術(shù)水霧是一些懸浮在氣體（通常指空氣）中的小水滴，根據(jù)其液滴的大小不同，可以分為干霧、濕霧、彌霧、細霧、粗霧等5種類型，霧滴粒徑依次增大，因此可以根據(jù)不同的使用要求選擇不同的霧種。產(chǎn)生人工水霧的常用技術(shù)有液力霧化、氣力霧化、離心式霧化、二相流霧化和超聲波霧化等多種方式，不同的霧化技術(shù)對產(chǎn)生水霧的設(shè)備和投資亦各不相同。高壓噴霧降溫也稱冷霧降溫（如圖1所示），是目前在溫室中應(yīng)用的較先進降溫方法。普通的水經(jīng)過系統(tǒng)自身配備過濾系統(tǒng)后進入高壓泵，水在很高的壓力(4MPa以上)下通過管路流過孔徑非常小的噴嘴(直徑為15μm)，形成直徑為20μm以下的細霧滴（干濕霧）；霧滴彌漫整個溫室與空氣混合，利用水的蒸發(fā)潛熱特點，大量吸收空氣中的熱量，從而達到降溫的目的。該項技術(shù)已在江蘇和浙江等地多點示范應(yīng)用，取得了較好的效果。由于高壓噴霧產(chǎn)生的霧滴粒徑非常小，霧粒懸浮在空氣中，在它下落到地面之前就已蒸發(fā)，不會引起地表濕度過高，且蒸發(fā)速度快，降溫效率高達95%，而濕墊—風(fēng)機降溫系統(tǒng)的降溫效率只有80%左右；用水少，噴灑流量小，作物發(fā)病率的可能性??；運作節(jié)水、節(jié)能、無污染，系統(tǒng)投資小、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便且運行費用低。2.3采用逆氣流方向噴霧系統(tǒng)，提高降溫效率集中霧化降溫系統(tǒng)是在溫室的進風(fēng)口處集中噴霧對進入室內(nèi)的空氣降溫處理的蒸發(fā)降溫系統(tǒng)，如圖2所示。未蒸發(fā)完的霧滴可落入下部循環(huán)水池重復(fù)使用，避免了在室內(nèi)直接噴霧時霧滴淋濕植物與地面的問題。在入口的氣流組織上，該裝置采用逆氣流方向噴霧，從而增強了霧滴與氣流間的熱質(zhì)交換，達到了提高降溫效率的目的。與前面的高壓噴霧系統(tǒng)相對比，對噴霧細化的要求大大降低，可采用低壓噴霧并放寬對噴霧設(shè)備的要求，設(shè)備投資與運行費用大大降低。馬承偉等人對這一系統(tǒng)進行了實際生產(chǎn)條件下的夏季降溫試驗，取得了明顯的效果：系統(tǒng)降溫效果良好，通風(fēng)阻力小，不會產(chǎn)生室內(nèi)持續(xù)高濕狀況；室內(nèi)相對濕度為7O%～95%，通風(fēng)總壓力損失為40.3Pa；在0.1～O.2的較低水氣比情況下，其降溫效率可達8O%以上；室內(nèi)平均氣溫要低于室外氣溫2°～5.5℃，比單純采用機械通風(fēng)時低4°～7.5℃。其中也存在的不足之處，如在出口氣流中夾帶著少量粗霧滴，增加了溫室內(nèi)的濕度，容易導(dǎo)致病蟲害的發(fā)生。2.4后蒸發(fā)降溫法前面所討論的幾種降溫方法在高溫低濕的北方地區(qū)應(yīng)用效果非常明顯，但是在我國高溫高濕的南方地區(qū)(如武漢、南京等地)的應(yīng)用效果并不理想。從焓濕圖可知，在溫度一定時，低濕度的空氣對應(yīng)的濕球溫度較低，從而使直接蒸發(fā)降溫系統(tǒng)獲得的降溫幅度較大；而高濕度的空氣對應(yīng)的濕球溫度較高，同時由于直接蒸發(fā)降溫的方式會進一步增加溫室內(nèi)空氣的相對濕度，所以直接蒸發(fā)降溫法不能滿足夏季高溫高濕地區(qū)溫室的降溫要求。根據(jù)張繼元等人的研究，除濕降溫系統(tǒng)主要由濕墊、風(fēng)機、除濕室、除濕劑再生子系統(tǒng)組成，如圖3所示。除濕降溫系統(tǒng)是在濕墊—風(fēng)機降溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個除濕室，濕空氣經(jīng)過除濕室后，除濕劑吸收水分而逐漸被稀釋，而使空氣濕度下降。該降溫系統(tǒng)經(jīng)過趙純清等人的實驗研究，取得了較為理想的效果。濕度為75%左右的空氣經(jīng)除濕處理后，其濕度可降低到5O%左右，除濕降溫系統(tǒng)的降溫幅度在10℃左右。在本系統(tǒng)中，考慮到投資成本，一般選擇價格低廉、吸濕效果好、溶解性好和可再生的工業(yè)用氯化鈣作為除濕劑，除濕劑的濃度一般配制成45%左右。除濕降溫系統(tǒng)不僅可解決高溫高濕條件下溫室降溫難的問題，而且可以降低溫室內(nèi)的濕度，降低溫室內(nèi)作物的發(fā)病率，為作物生長提供適宜的濕度環(huán)境。2.5噴霧—霧簾降溫系統(tǒng)霧簾降溫系統(tǒng)是在溫室中試驗的一種新型蒸發(fā)降溫方式，它主要由噴霧裝置與水膜構(gòu)成，如圖4所示。噴出的霧滴僅限于屋面與水簾之間的夾層空間中，空氣由天窗吸入，在夾層中經(jīng)水蒸發(fā)降溫后進入溫室。未蒸發(fā)的水滴由水簾承接并匯入水槽回收，這完全防止了水滴淋濕作物與地面；同時，被水濕潤的水簾表面還是一個很大的蒸發(fā)表面，夾層具有阻擋輻射熱進入溫室的作用。浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程研究所苗香雯教授等在自然通風(fēng)溫室中進行了噴霧—水膜降溫系統(tǒng)的試驗，采用了圖5所示的降溫系統(tǒng)。在水膜降溫設(shè)施的通水管加裝噴頭進行噴霧時，由于水滴的霧化，使水的蒸發(fā)加速進行；同時，未完全汽化的霧滴落在水膜材料上形成第二次蒸發(fā)散熱，降溫效果進一步提高。實驗結(jié)果表明：降溫效果好(可使室內(nèi)溫度在秋初高溫季節(jié)降到作物生長的允許溫度30°～32℃；不增加溫室內(nèi)的濕度，可控制在50%～70%之內(nèi)；光照適宜，有利于作物進行光合作用；能源消耗甚少，對溫室密封和結(jié)構(gòu)無特殊要求等優(yōu)點。3減少溫室內(nèi)溫度太陽輻射的質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運行過程中，可根據(jù)需要對通過圍護結(jié)構(gòu)進入溫室內(nèi)的太陽光的質(zhì)(光譜組成-光質(zhì))和量(太陽光透入溫室的數(shù)量)進行調(diào)節(jié)，即能反射大部分紅外太陽輻射，且覆蓋在溫室頂部的薄層液膜能夠根據(jù)作物種類和生長階段選擇性地透過所需波長的可見光和紫外線，增加光路長度和對太陽光的總反射系數(shù)，從而減少溫室所需冷負荷，實現(xiàn)改善溫室內(nèi)的太陽光質(zhì)，同時降低溫室內(nèi)溫度。實驗結(jié)果表明，溫室頂內(nèi)表面溫度可降低13°～15℃，作物上層葉表面溫度降低8°～10℃,溫室內(nèi)氣溫降低7°～9℃；與室外相對比，系統(tǒng)降低的總太陽輻射強度為40%～50%，降低直射輻射強度為32%～37%。4溫室夏季降溫技術(shù)重慶市位于青藏高原與長江中下游平原之間過渡地帶的四川盆地的西南部，東與陜西、湖北、湖南交界，南靠貴州，西面和北面與四川接壤。重慶離海洋較遠，氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候，冬暖夏熱，年平均氣溫在18℃左右，夏季最高氣溫平均在27°～29℃。因地理位置特殊，重慶市夏季氣候悶熱，大部分地區(qū)夏季平均相對濕度在63%～75%，成為長江三大“火爐”之一。7月和8月是重慶的最熱月份，極端最高氣溫38°～40℃，部分地區(qū)甚至高達42℃和43℃。因此，溫室夏季的降溫顯得尤為重要。以7月份為例，室外溫度通常在29°～40℃范圍內(nèi)，若僅僅依靠單純的自然通風(fēng)或機械通風(fēng)，降溫效果不明顯，甚至反而會出現(xiàn)增溫的現(xiàn)象，根本無法滿足作物的生長要求，所以必須依靠綜合降溫系統(tǒng)來實現(xiàn)降溫的目的。經(jīng)研究，采用濕墊—風(fēng)機降溫系統(tǒng)（外遮陽）可使溫室內(nèi)溫度降低4°～8℃，相對濕度增加5%～10%；采用高壓噴霧降溫系統(tǒng)（外遮陽），溫室內(nèi)溫度可降低5°～9℃，相對濕度增加3%～6%；采用除濕降溫系統(tǒng)（外遮陽），室內(nèi)溫度可降低3°～6℃，相對濕度降低7%～10%。通過分析，綜合考慮重慶的氣候條件、系統(tǒng)投資、后期維護費用、運行費用以及降溫效果對溫室濕度的影響等各種因素，在重慶采用濕墊—風(fēng)機降溫系統(tǒng)的效果較為理想