《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，共36頁。 溫度是影響植物生長發(fā)育的最重要環(huán)境因素，植物在整個生命周期中的一切生物、化學過程，都必須在一定的溫度條件下進行。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。 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，共36頁。一、作物對溫度的要求 （一）溫度對作物生育的影響 溫室內(nèi)的氣溫、地溫對作物的光合作用、呼吸作用、光合產(chǎn)物的輸送、根系的生長和水分、養(yǎng)分的吸收均有著顯著的影響，為了使這些生長和生理作用過程能夠正常進行，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指標來表述，稱為“溫度三基點”。溫度三基點根據(jù)作物種類、品種、生育階段和生理活動的晝夜變化以及光照等條件而有不同。第3頁，共36頁。真正光合作用表觀光合作用呼吸作用圖1 溫度對植物光合強度及呼吸強度的影響第4頁，共36頁。蔬 菜 種 類生 長 時 期對 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 第5頁，共36頁。（二）溫室的溫度調(diào)控指標與變溫管理 研究結(jié)果表明，作物在一日內(nèi)對溫度的要求是變化的。晝夜不變的溫度管理方式，作物生長率比晝高夜低的管理方式低。進一步的研究表明，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)量累積起來的，而溫度對物質(zhì)生產(chǎn)的影響，是溫度對一日間光合作用、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，是要增加光合作用產(chǎn)物及促進產(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)不同時間的主要生育活動，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算機控制系統(tǒng)才能達到效果。第6頁，共36頁。低溫界限早晨加溫陰雨天輸送適溫日出時間正午抑制呼吸日落午夜抑制呼吸促進光合作用促輸送抑制呼吸高溫界限氣溫光合適溫換氣 晴天圖2 變溫管理模式第7頁，共36頁。二、溫室內(nèi)的能量傳遞與溫度特性 （一）溫室內(nèi)的熱量來源與溫室效應(yīng) 溫室內(nèi)的熱量來源主要是太陽輻射與加溫熱源。一般采暖系統(tǒng)的加溫熱量約為100300W/m2。 第8頁，共36頁。 溫室內(nèi)白晝在太陽輻射的作用下，可以達到遠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不同波長光熱輻射的選擇透過的特性，可以較好地透過大部分太陽輻射（波長3003000nm），使太陽輻射熱量大量進入溫室內(nèi)，而同時在不同程度上阻止室內(nèi)地面和植物等發(fā)出的長波輻射（波長300080000nm）透過傳出室外，部分阻止了溫室內(nèi)向室外長波輻射形式的熱量損失。 另一方面原因是因為溫室對空氣封閉的作用，室內(nèi)地面、植物等吸收太陽輻射熱量后，溫度升高，通過對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)，不會因空氣流動將熱量散失到室外。上述作用即是所謂“溫室效應(yīng)”。第9頁，共

6、36頁。 溫室是一個半封閉的系統(tǒng)，它在不停地與外界進行著物質(zhì)與能量的交換。在獲得太陽輻射熱和加溫熱量的同時，通過覆蓋材料的傳熱、通風和地面?zhèn)鳠岬韧緩?，向外界不斷傳出熱量。（二）溫室的傳熱與能量平衡第10頁，共36頁。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、照明），W； Qs溫室內(nèi)吸收的太陽輻射熱量，W； Qh加溫熱量，W； Qr作物、土壤等呼吸放熱量，W； Qvi通風氣流帶入的顯熱量，W； Qvo通風氣流帶出的顯熱量，W； Qw經(jīng)過覆蓋材料的傳熱量（對流、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與其他能量收支項相比很小，可忽略不計。故溫室的能量平衡關(guān)系可簡化為： Qs+Qh= (QvoQvi)+Qw+Qf+Qe W第11頁，共36頁。圖3 溫室中的能量傳遞與平衡 地中傳熱Qf通風Qvo長波輻射對流長波輻射對流通風Qvi太陽輻射吸收反射室內(nèi)反射蒸騰蒸發(fā)Qe加溫熱量QhQw Qs第12頁，共36頁。圖5 加溫溫室中夜間的能量傳遞對流30地中傳熱 10冷風滲透10長波輻射35對流45長波輻射50加溫熱量100冷風

8、滲透10地中傳熱100長波輻射45對流45長波輻射110對流-20圖4 不加溫溫室中夜間的能量傳遞第13頁，共36頁。（三）溫室的溫度特性 溫室內(nèi)的氣溫隨時間變化的特性 溫室內(nèi)的溫度狀況隨太陽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大體一致，最高、最低氣溫出現(xiàn)的時刻與露地大體相同，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，白晝室內(nèi)氣溫高，可基本滿足或甚至高于植物生長的要求，但夜間氣溫又易出現(xiàn)低于植物生長要求的情況。 對于加溫溫室，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，共36頁。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，但其代價是燃料能源的消耗和生產(chǎn)成本的增加。因此，必須適當選擇采暖方式、合理配置加溫設(shè)備，在滿足植物生長需要的同時，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輻射 溫室的采暖方式有熱風、熱水、蒸汽采暖，采用蒸汽加溫熱水的熱水采暖，蒸汽或熱水加熱空氣的熱風采暖，電熱采暖、輻射采暖、太陽能蓄熱采暖等多種，在我國農(nóng)村還廣泛采用爐灶煤火簡易采暖設(shè)施。第15頁，共36頁。采暖方式技術(shù)要點采暖效果控制性能維修管理設(shè)備費用其 它適用情況熱風采暖直接加熱空氣溫

10、度穩(wěn)定性差，停機后溫度降低快預(yù)熱時間短，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)補充時必須通風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加溫熱水采暖采用6080熱水，通過室內(nèi)散熱器自然放熱，或用熱交換器強制換熱吹送熱風因所用溫度低，加熱緩和，水熱容量大，熱穩(wěn)定性好，停機后保溫性強預(yù)熱時間長，可根據(jù)負荷的變動改變熱水溫度進行調(diào)節(jié)對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)備費用較高在寒冷地區(qū)管道怕凍，必須充分保溫防護大型溫室蒸汽采暖采用100110蒸汽，可轉(zhuǎn)換成熱水和熱風采暖余熱少，停機后保溫性差預(yù)熱時間短，自動控制稍難對鍋爐要

11、求高，水質(zhì)處理不嚴時，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，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，共36頁。采暖方式技術(shù)要點采暖效果控制性能維修管理設(shè)備費用其 它適用情況電熱采暖用電熱溫床線和電暖風采暖器加溫停機后缺少保溫性預(yù)熱時間短，控制性最好使用最容易設(shè)備費用低耗電多、費用大、不經(jīng)濟小型溫室、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后缺少保溫性，可升高植物體溫度預(yù)熱時間短，控制容易使用方便、容易設(shè)備費用低耗氣多，大量用不經(jīng)濟，可利用于CO2施肥臨時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仍有一定保溫

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

13、暖風機）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，燃油暖風機或燃煤熱風爐通常直接設(shè)置在溫室內(nèi)，其熱利用效率可達70%90%。 熱風采暖系統(tǒng)送出的熱風必要流量Lh可采用下式計算： m3/s式中Qh溫室設(shè)計采暖負荷，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熱風爐出口熱風溫度，。 第19頁，共36頁。四、溫室的保溫節(jié)能（一） 溫室的保溫 通過圍護結(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。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波輻射分光透射率 第20頁，共36頁。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，共36頁。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，共36頁。多層覆蓋保溫 多層覆蓋可有效減少溫室通過覆蓋層的對流與輻射傳熱損失，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)或覆蓋層熱阻進行評價，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進行評價，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，共36頁。 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，共36頁。 綴鋁膜保溫幕 由于鋁箔和鍍鋁膜對長波輻射具有很高反射率，用于溫室活動保溫幕具有很好保溫效果。但其透氣、透濕性差，直

18、接用作保溫簾時易導致室內(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波輻射反射率和優(yōu)良保溫性能的同時，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，共36頁。（二）合理設(shè)計與管理采暖設(shè)施 溫室采暖系統(tǒng)的設(shè)計與使用中的調(diào)控管理也將對能耗與運行成本產(chǎn)生較大影響。 準確計算采暖負荷與配置采暖系統(tǒng)，可避免過量配置產(chǎn)生的浪費現(xiàn)象。散熱器應(yīng)合理布置，以達到室內(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行供暖系統(tǒng)的合理布置。第26頁，

19、共36頁。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，共36頁。供暖與補光第28頁，共36頁。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 溫室的加溫能源，在國外多為石油和天然氣，我國主要使用煤炭。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、保護環(huán)境的需要。因此，世界各國都開展了利用可再生能源如太陽能、風能、地熱能和生物質(zhì)能等作為溫室加溫能源的研究，其中最有普遍應(yīng)用前景的是太陽能和生物質(zhì)能（沼氣等）。第29頁，共36頁。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 太陽能貯存利用技術(shù)與設(shè)施

20、太陽能是地球上最廉價、最普遍存在的清潔能源，但由于其時間性和能量密度較低的特點，有效收集和存貯是其利用技術(shù)上的難點所在。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力燃料，也可用于溫室加溫。在獲得能源的同時，使有機廢棄物得到處理，獲得優(yōu)質(zhì)的肥料并保護了環(huán)境。第30頁，共36頁。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（自然通風與機械通風）、蒸發(fā)降溫（濕墊與噴霧降溫等）和遮陽等三方面的技術(shù)和設(shè)備。其中通風與蒸發(fā)降溫的內(nèi)容詳見本教材的其他章節(jié)，以下僅對溫室的遮陽技術(shù)與設(shè)備進行闡述。1、自然通風（側(cè)窗、頂窗開窗系統(tǒng)）2、機械通風3、蒸發(fā)降溫（濕簾風機降溫系統(tǒng)）4、噴霧降溫5、內(nèi)部攪動風扇6、外遮陽系統(tǒng)7、內(nèi)遮陽系統(tǒng)8、覆蓋材料上噴涂遮陽材料 第31頁，共36頁。風機濕簾降溫系統(tǒng)第32頁，共36頁。 強烈的太陽輻射熱通過透明覆蓋材料大量進入溫室內(nèi)，這是夏季