溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)與裝備

溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)與裝備--我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展與設(shè)施工程領(lǐng)域研究課題中國農(nóng)業(yè)大學(xué)馬承偉一、我國設(shè)施園藝的發(fā)展概況（一）現(xiàn)代設(shè)施園藝發(fā)展的幾個歷史階段（二）園藝設(shè)施發(fā)展規(guī)模與構(gòu)成情況（三）設(shè)施園藝環(huán)境工程技術(shù)與裝備的發(fā)展概況二、設(shè)施園藝發(fā)展中存在問題和發(fā)展趨勢（一）設(shè)施園藝發(fā)展中存在的問題（二）設(shè)施園藝生產(chǎn)發(fā)展趨勢三、國外設(shè)施園藝生產(chǎn)的幾個特點四、我國設(shè)施園藝工程領(lǐng)域近年的研究課題（一）設(shè)施園藝工程的發(fā)展趨勢和研究方向（二）地源熱泵在溫室采暖中的應(yīng)用（三）植物工廠與閉鎖型植物生產(chǎn)系統(tǒng)（四）LED新型光源的研究與應(yīng)用前景（五）垂直農(nóng)業(yè)（六）節(jié)能日光溫室的提高與發(fā)展（七）設(shè)施工程標(biāo)準(zhǔn)化與計算機信息技術(shù)應(yīng)用一、我國設(shè)施園藝的發(fā)展概況50年代出現(xiàn)塑料薄膜，應(yīng)用于蔬菜和育秧小拱棚

60年代中期吉林長春市郊建成中國第一個塑料大棚1.現(xiàn)代設(shè)施園藝的萌芽期（20世紀(jì)50～60年代）（一）現(xiàn)代設(shè)施園藝發(fā)展的幾個歷史階段

2.現(xiàn)代設(shè)施園藝的初創(chuàng)期（20世紀(jì)70年代）塑料大棚塑料薄膜日光溫室逐漸推廣20世紀(jì)80年代初設(shè)施園藝面積達(dá)到萬公頃

改進(jìn)成功節(jié)能型日光溫室

在中國北緯32°~41°地區(qū)在基本不加溫的條件下，進(jìn)行喜溫蔬菜越冬生產(chǎn)節(jié)能型日光溫室與塑料大棚大規(guī)模發(fā)展3.現(xiàn)代設(shè)施園藝第一個發(fā)展高潮期（20世紀(jì)80年代～90年代初）1996年設(shè)施園藝面積達(dá)80余萬公頃為80年代初的100多倍引進(jìn)國外大型現(xiàn)代化連棟溫室“九五”、“十五”期間（1996～2005）實施“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”項目4.現(xiàn)代設(shè)施園藝第二個發(fā)展高潮期（20世紀(jì)1990年代中期～2005年）2005年設(shè)施園藝面積達(dá)到260萬公頃為80年代初的370倍

、1996年的倍

引進(jìn)國外大型現(xiàn)代化連棟溫室荷蘭Venlo型溫室以色列塑料溫室以色列塑料溫室法國充氣溫室韓國多層覆蓋溫室美國充氣溫室加拿大水培溫室工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程

一批適合中國不同地區(qū)氣候特點、能有效調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的現(xiàn)代化大型溫室及相關(guān)設(shè)施研制推廣

節(jié)能型日光溫室進(jìn)一步改進(jìn)，采用新型材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增加環(huán)境調(diào)控設(shè)施，性能進(jìn)一步提高新型節(jié)能日光溫室獲得更大規(guī)模推廣普及設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展得到國家和各地方高度重視，眾多科研項目開展、設(shè)施建設(shè)和設(shè)施生產(chǎn)發(fā)展興旺園藝設(shè)施規(guī)模（2006年274萬公頃）繼續(xù)擴(kuò)大在節(jié)能技術(shù)、設(shè)施配套裝備、無土栽培技術(shù)與裝備、新型人工光源與育苗植物工廠、日光溫室工程優(yōu)化、無線及網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測控制、設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化工程、環(huán)境模擬與計算機輔助設(shè)計等方面取得一系列顯著進(jìn)展遼寧、山東等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，從設(shè)施建設(shè)、生產(chǎn)和銷售，已形成基本完備的生產(chǎn)、流通和技術(shù)服務(wù)的社會體系5.現(xiàn)代設(shè)施園藝提高發(fā)展期（2006年～）園藝設(shè)施總面積的發(fā)展（二）園藝設(shè)施發(fā)展規(guī)模與構(gòu)成情況園藝設(shè)施總面積居世界第一中國各類園藝設(shè)施面積比例（2008年）

我國園藝設(shè)施以蔬菜設(shè)施為主、占設(shè)施總面積95%以上，但近年來設(shè)施果樹、花卉和觀賞園林等設(shè)施也在快速發(fā)展。中國各類園藝設(shè)施的逐年增長情況中國設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的有關(guān)數(shù)據(jù)蔬菜設(shè)施面積/蔬菜總用地面積： 1/6設(shè)施蔬菜播種面積/蔬菜總播種面積： 1/4設(shè)施蔬菜產(chǎn)量/蔬菜總產(chǎn)量 超過1/3設(shè)施蔬菜產(chǎn)值/蔬菜總產(chǎn)值 1/2中國蔬菜總產(chǎn)量/世界蔬菜總產(chǎn)量 1/2上?！爸悄苄汀边B棟塑料溫室華北型連棟溫室華東連棟塑料溫室華南型溫室1.多種類型與用途大型連棟溫室開發(fā)和普及

適應(yīng)各地條件的多種類型大型連棟溫室發(fā)展成熟，獲得大量普及，國產(chǎn)連棟溫室占90%以上，已形成滿足國內(nèi)需求的大型溫室和配套設(shè)備研制和生產(chǎn)能力，部分產(chǎn)品出口國外。（三）設(shè)施園藝環(huán)境工程技術(shù)與裝備的發(fā)展概況文洛（Venlo）型溫室

文洛（Venlo）型溫室

屋面全開型溫室

育苗溫室

水培蔬菜溫室

花卉溫室

植物檢疫隔離溫室

科學(xué)實驗溫室

觀賞溫室

生態(tài)餐廳溫室

2.各類溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)與設(shè)施開發(fā)和應(yīng)用采暖系統(tǒng)圓翼型散熱器

燃油熱風(fēng)爐

燃煤熱風(fēng)爐

采暖設(shè)施溫室保溫技術(shù)與設(shè)施紅外反射材料保溫幕

充氣保溫覆蓋

日光溫室復(fù)合材料保溫被

遮陽技術(shù)與設(shè)施

外遮陽網(wǎng)

鍍鋁膜內(nèi)遮陽幕

內(nèi)遮陽網(wǎng)

通風(fēng)技術(shù)與設(shè)施機械通風(fēng)自然通風(fēng)通風(fēng)技術(shù)與設(shè)施降溫技術(shù)與設(shè)施濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)降溫技術(shù)與設(shè)施噴霧降溫系統(tǒng)人工光照CO2施用設(shè)備CO2施肥技術(shù)與設(shè)備溫室灌溉施肥設(shè)備營養(yǎng)液施用設(shè)備與自動控制系統(tǒng)移動噴灌設(shè)備土壤消毒設(shè)備自動施肥機穴盤種苗生產(chǎn)工廠化育苗技術(shù)和育苗設(shè)施植物組織培養(yǎng)育苗工廠化育苗穴盤苗移植設(shè)備幼苗嫁接機器人自動化播種機育苗設(shè)施立柱式栽培有機型基質(zhì)無土栽培循環(huán)式海綿基質(zhì)栽培深液流浮板水培多種形式的無土栽培技術(shù)與設(shè)施高效利用溫室內(nèi)空間的立體栽培無土栽培基質(zhì)消毒及營養(yǎng)液消毒循環(huán)設(shè)備環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)基于無線傳輸或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臏厥疫h(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)二、設(shè)施園藝發(fā)展中存在問題和發(fā)展趨勢1.設(shè)施園藝生產(chǎn)水平和生產(chǎn)效益有待提高溫室蔬菜的產(chǎn)量一般只有20~30kg/m2，而荷蘭、日本等設(shè)施園藝生產(chǎn)發(fā)達(dá)國家為40～70kg/m2甚至更高。勞動生產(chǎn)率低，在一般農(nóng)村，每人只能經(jīng)營1畝地左右的園藝設(shè)施，遠(yuǎn)低于荷蘭、日本等設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國家。主要原因：設(shè)施園藝生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模小設(shè)施簡陋，環(huán)境控制和生產(chǎn)管理的自動化程度較低生產(chǎn)技術(shù)水平較低（一）設(shè)施園藝發(fā)展中存在的問題2.設(shè)施園藝專用的優(yōu)良作物品種缺少。3.設(shè)施園藝植物的環(huán)境生理基礎(chǔ)研究薄弱，設(shè)施種植生產(chǎn)缺少科學(xué)和規(guī)范化的管理。設(shè)施園藝植物生長的環(huán)境條件、參數(shù)的變化對植物生理和產(chǎn)量以及品質(zhì)的作用，較多地參考國外資料。缺少對生產(chǎn)進(jìn)行精確量化指導(dǎo)的基礎(chǔ)資料。生產(chǎn)管理主要局限于各生產(chǎn)者的有限經(jīng)驗。對溫室中的光、溫、水、氣等環(huán)境因素綜合考慮、實行全面綜合的最優(yōu)化控制方法的系統(tǒng)研究不夠。沒有確立科學(xué)基礎(chǔ)上的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)規(guī)范化種植管理標(biāo)準(zhǔn)模式。4.園藝生產(chǎn)設(shè)施和配套設(shè)備總體水平低，環(huán)境調(diào)控能力和控制水平低，大型溫室耗能高。簡易設(shè)施為園藝設(shè)施的主要組成部分，其環(huán)境調(diào)控能力較低，抵御自然災(zāi)害的能力差，遇寒潮襲擊和大雪連陰天氣，設(shè)施內(nèi)較易出現(xiàn)過低的氣溫，使種植的植物受到凍害。簡易設(shè)施夏季還不能有效控制設(shè)施內(nèi)環(huán)境條件達(dá)到植物生長要求，難以進(jìn)行周年生產(chǎn)，降低了設(shè)施的利用率。大型連棟溫室生產(chǎn)的加溫年耗煤量約為900～1500t/hm2，冬季加溫耗能費用約占總生產(chǎn)成本的30%～70%，導(dǎo)致了溫室的運行費用高，經(jīng)濟(jì)效益差。環(huán)境調(diào)控設(shè)施配套性差，環(huán)境工程設(shè)計不合理的問題突出。5.設(shè)施工程標(biāo)準(zhǔn)化程度低，設(shè)計、制造和施工建設(shè)水平有待提高我國設(shè)施工程尚未形成系統(tǒng)完備的設(shè)計、制造、施工和驗收的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。對園藝設(shè)施及設(shè)備技術(shù)性能和質(zhì)量的檢測、設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境的測定評價缺乏系統(tǒng)完備的檢測鑒定儀器設(shè)備等技術(shù)條件，目前國內(nèi)還沒有健全該領(lǐng)域權(quán)威的技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督檢測和設(shè)施生產(chǎn)環(huán)境評測機構(gòu)。6.設(shè)施園藝環(huán)境工程的基礎(chǔ)研究薄弱，相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)資料、技術(shù)數(shù)據(jù)缺少，溫室工程規(guī)劃、開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)過程的信息化技術(shù)水平很低。未形成加溫、通風(fēng)、降溫等環(huán)境調(diào)控理論體系，溫室規(guī)劃、開發(fā)和設(shè)計缺少理論指導(dǎo)、缺少技術(shù)數(shù)據(jù)資料，方法不規(guī)范。溫室工程規(guī)劃、開發(fā)、設(shè)計、建設(shè)過程中，還缺少可以利用的數(shù)據(jù)庫和專用設(shè)計軟件。（二）設(shè)施園藝生產(chǎn)發(fā)展趨勢設(shè)施園藝生產(chǎn)經(jīng)營向?qū)I(yè)化、集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展。設(shè)施園藝生產(chǎn)工藝向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。提高土地利用率，園藝設(shè)施要充分利用非耕地資源。設(shè)施園藝產(chǎn)品在進(jìn)一步提高產(chǎn)量的同時，注重優(yōu)質(zhì)、安全、風(fēng)味和營養(yǎng)等，提高品質(zhì)。進(jìn)一步發(fā)展園藝專用植物品種，尤其是必須大力開發(fā)我國特有的品種，改變大多數(shù)優(yōu)良品種依賴進(jìn)口的局面。（二）設(shè)施園藝生產(chǎn)發(fā)展趨勢設(shè)施園藝由生產(chǎn)蔬菜向花卉、苗木、食用菌和藥材等發(fā)展。在城市近郊，園藝設(shè)施生產(chǎn)與餐飲、觀光旅游項目相結(jié)合。無土栽培技術(shù)更大規(guī)模普及。植物組織培養(yǎng)等育苗技術(shù)更多采用。建立、健全設(shè)施園藝生產(chǎn)中的包括設(shè)施建設(shè)、良種和資材供應(yīng)、栽培技術(shù)、植保技術(shù)、加工、銷售各環(huán)節(jié)的技術(shù)、物資和信息的社會服務(wù)體系。三、國外設(shè)施園藝生產(chǎn)的幾個特點1.完備的環(huán)境調(diào)控裝備以高投入創(chuàng)造植物最佳生長環(huán)境實現(xiàn)高產(chǎn)出2.經(jīng)營規(guī)模不斷擴(kuò)大依靠規(guī)模效應(yīng)實現(xiàn)規(guī)模效益日本：溫室經(jīng)營規(guī)模平均2000m2/戶以上，經(jīng)營規(guī)模5000m2/戶以上的農(nóng)戶達(dá)到8%以上，并有不斷增加的趨勢。荷蘭：溫室經(jīng)營規(guī)模平均8500m2/戶，經(jīng)營規(guī)模仍在逐年增大。3.科學(xué)規(guī)范化的生產(chǎn)工藝精細(xì)化的管理實現(xiàn)高效率的生產(chǎn)4.普遍采用無土栽培方式生產(chǎn)5.較高的生產(chǎn)自動化水平6.計算機技術(shù)、信息技術(shù)更多應(yīng)用到環(huán)境調(diào)控、生產(chǎn)管理、市場營銷等生產(chǎn)、流通環(huán)節(jié)四、我國設(shè)施園藝工程領(lǐng)域近年的研究課題（一）設(shè)施園藝工程的發(fā)展趨勢和研究方向⑴園藝設(shè)施由數(shù)量增長向水平提高方向發(fā)展，完善環(huán)境調(diào)控技術(shù)與設(shè)施的配套，提高環(huán)境調(diào)控能力和控制水平。⑵研究開發(fā)適合我國國情、滿足多樣化生產(chǎn)要求、性能優(yōu)異的溫室及環(huán)境調(diào)控、生產(chǎn)管理裝備。⑶提高園藝設(shè)施的設(shè)計、制造、安裝施工的水平，園藝設(shè)施及配套設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化方向發(fā)展，進(jìn)一步降低溫室建造成本。⑷加強溫室節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地和有效利用可再生能源、自然資源的技術(shù)研究，進(jìn)一步提高水、土地和光、熱資源利用率。保溫覆蓋技術(shù)及材料適應(yīng)不同使用要求的高效供熱方式與設(shè)備太陽能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能的有效利用溫室內(nèi)環(huán)境的合理調(diào)控和管理

園藝設(shè)施充分利用非耕地土地資源

節(jié)水技術(shù)與設(shè)施研究開發(fā)⑸日光溫室改進(jìn)和提高進(jìn)一步發(fā)展適應(yīng)各地不同氣候條件和滿足多方面使用要求、形式與結(jié)構(gòu)多樣化的優(yōu)良性能日光溫室采用新型墻體材料，改進(jìn)墻體構(gòu)造進(jìn)一步提高日光溫室蓄熱作用，更有效利用太陽能保溫被與卷鋪機構(gòu)開發(fā)應(yīng)用日光溫室建造方案與參數(shù)的優(yōu)化增設(shè)環(huán)境調(diào)控裝備提高環(huán)境調(diào)控水平

研究開發(fā)日光溫室輕簡化管理作業(yè)的各類裝備⑹聲頻和其他物理農(nóng)業(yè)技術(shù)用于提高設(shè)施作物產(chǎn)量和植物病蟲害防治⑺計算機監(jiān)測與控制技術(shù)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、分布式、遠(yuǎn)程監(jiān)控方向發(fā)展。溫室環(huán)境監(jiān)測專用傳感器數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)硬件開發(fā)基于無線或網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹参锷L和生產(chǎn)過程的計算機遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)植物生長和生理（形態(tài)、營養(yǎng)等）狀況的非接觸無損檢測（圖像、顏色、光譜、葉面電位…….）⑻溫室工程標(biāo)準(zhǔn)化以及計算機信息技術(shù)應(yīng)用溫室工程標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)（標(biāo)準(zhǔn)研究、制定與實施）溫室設(shè)計、工程建設(shè)輔助軟件（結(jié)構(gòu)設(shè)計、通風(fēng)、采暖等環(huán)境工程設(shè)計、溫室工程預(yù)算等）的研究開發(fā)CFD方法在溫室研究和工程設(shè)計中的應(yīng)用溫室規(guī)劃建設(shè)、設(shè)計的數(shù)據(jù)庫（氣象資料、溫室結(jié)構(gòu)類型、覆蓋材料與結(jié)構(gòu)材料、環(huán)境調(diào)控設(shè)備、材料與設(shè)備市場信息）開發(fā)植物生長模型和溫室環(huán)境模型以及專家決策支持系統(tǒng)將得到研究、開發(fā)，在溫室規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)、環(huán)境與生產(chǎn)的智能化監(jiān)控中逐步應(yīng)用（二）地源熱泵在溫室采暖中的應(yīng)用地源熱泵溫室加溫與降溫系統(tǒng)≈15-18℃恒溫冬季-10℃熱泵工質(zhì)溫度>40℃≈15-18℃恒溫夏季30℃空調(diào)(熱泵)工質(zhì)溫度<10℃熱泵工作原理放熱壓縮機蒸發(fā)器冷凝器膨脹閥高壓高溫高壓低溫低壓低溫低壓低溫吸熱熱量流動方向低溫?zé)嵩锤邷責(zé)嵩礈厥业卦礋岜眉訙叵到y(tǒng)冬季地源熱泵系統(tǒng)供熱的運行方式1/4熱量來自設(shè)備消耗電能換熱器放熱壓縮機蒸發(fā)器冷凝器膨脹閥高壓高溫高壓低溫低壓低溫低壓低溫吸熱3/4熱量來自地層換向閥換向閥供暖室內(nèi)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)夏季地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)的運行方式換熱器放熱壓縮機蒸發(fā)器冷凝器膨脹閥高壓高溫高壓低溫低壓低溫低壓低溫吸熱換向閥換向閥空調(diào)室內(nèi)中國農(nóng)大上莊實驗站采用地源熱泵供暖的溫室地源熱泵機房地源熱泵在溫室中的應(yīng)用溫室中的冷、暖供風(fēng)設(shè)備中國農(nóng)科院植物工廠地源熱泵供熱系統(tǒng)地源熱泵節(jié)能的分析地源熱泵系統(tǒng)供熱的能效比：一般地源熱泵系統(tǒng)COP≈4空氣源熱泵系統(tǒng)COP≈2地源熱泵系統(tǒng)空調(diào)的能效比：一般地源熱泵系統(tǒng)COP≈4空氣源熱泵系統(tǒng)COP直接燃燒（效率100%）獲29.3MJ熱量鍋爐集中供暖（效率70%）獲20.5MJ熱量電供暖（COP=1）獲8.91MJ熱量空氣源熱泵（COP=2）獲17.83MJ熱量地源(埋管)熱泵（COP=4）獲35.65MJ熱量1kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒熱量=29.3MJ度電=8.91MJ以不同方式燃燒1kg標(biāo)準(zhǔn)煤獲取的熱量：發(fā)電即，提供熱量Q所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤：鍋爐集中供暖（效率70%）為：Q/20.5kg地源熱泵供暖（COP=4）為：Q/35.65kg地源熱泵供暖與鍋爐集中供暖相比，節(jié)能率為：①節(jié)能減排（實際一般可達(dá)40%以上）②加溫運行效果穩(wěn)定，調(diào)控容易③不會污染農(nóng)業(yè)設(shè)施建設(shè)地區(qū)（對大城市城郊有特別意義）④同一套系統(tǒng)可兼用于加溫和降溫（但溫室夏季降溫冷負(fù)荷大，用于夏季降溫不經(jīng)濟(jì)）⑤地源熱泵用于農(nóng)業(yè)設(shè)施冬季采暖的費用略高于燃煤采暖，而低于燃?xì)獠膳纾员本┑貐^(qū)為例，采暖的單位溫室面積費用：燃煤約為70元/m2，燃?xì)鉃?00元/m2，地源熱泵為85元/m2地源熱泵用于農(nóng)業(yè)設(shè)施采暖的優(yōu)點與問題⑥建設(shè)費用較高單位溫室面積所需供熱系統(tǒng)建設(shè)費用：燃煤熱水采暖系統(tǒng)約為450～500元/m2地源熱泵供熱系統(tǒng)約為600元/m2

其中： 室外工程（打井等）： 33%

熱泵機組： 25%

機房設(shè)備： 16%

溫室內(nèi)末端設(shè)備（風(fēng)機盤管等）：16%

其他： 10%（三）植物工廠與閉鎖型植物生產(chǎn)系統(tǒng)植物工廠——采用功能全面和高精度的人工環(huán)境調(diào)控技術(shù)與裝備、以高密度、高度自動化的工業(yè)化方式進(jìn)行植物生產(chǎn)的園藝設(shè)施。植物工廠的特點：可以實現(xiàn)完全不受外界條件影響的植物周年生產(chǎn)能量和物質(zhì)內(nèi)部循環(huán)利用的封閉式系統(tǒng)，資源消耗低采用高度密集的立體化栽培方式，空間利用率高可以實現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化的計劃生產(chǎn)實現(xiàn)高品質(zhì)和高效率的植物生產(chǎn)產(chǎn)品安全無污染(無農(nóng)藥使用)勞動強度低，工作環(huán)境舒適植物工廠的核心技術(shù)：

高效節(jié)能的人工光源營養(yǎng)液栽培設(shè)備及其配套技術(shù)節(jié)能環(huán)境調(diào)控技術(shù)智能化的環(huán)境調(diào)控和生產(chǎn)管理技術(shù)目前植物工廠存在的主要問題：

設(shè)備的成本偏高能耗（主要是人工光照）和運行成本較高中國農(nóng)科院實驗植物工廠全人工光照植物工廠（長春）——中國農(nóng)科院北京通州植物工廠——北京農(nóng)機化研究所古在豐樹教授閉鎖型育苗生產(chǎn)系統(tǒng)的研究開發(fā)者設(shè)施園藝界著名學(xué)者原日本千葉大學(xué)園藝學(xué)部長日本千葉大學(xué)校長閉鎖型植物生產(chǎn)系統(tǒng)閉鎖型育苗生產(chǎn)系統(tǒng)是技術(shù)成熟且具有良好經(jīng)濟(jì)性已具備實用普及條件的育苗專用植物工廠環(huán)境自動控制箱營養(yǎng)液供給裝置閉鎖型育苗生產(chǎn)系統(tǒng)采用與外界隔離的封閉構(gòu)造盡量避免與外界進(jìn)行能量和物質(zhì)交換采用完全人工調(diào)控環(huán)境閉鎖型植物生產(chǎn)系統(tǒng)的特點與生產(chǎn)優(yōu)勢

設(shè)備配置方面的特點

不需要溫室中必需的遮光、通風(fēng)換氣、保溫簾和采暖等設(shè)備，系統(tǒng)簡化。但增加了空調(diào)、人工光照等設(shè)備。能源消耗方面的特點與溫室相比，減少了加溫能源（照明設(shè)備成為加溫?zé)嵩矗?，既使在寒冷地區(qū)的冬季，明期不加溫即可維持系統(tǒng)內(nèi)所需溫度。除寒冷地區(qū)的冬季外，暗期可以依靠攪拌風(fēng)機的發(fā)熱量，而不另行加溫。因為不進(jìn)行換氣，所以沒有風(fēng)機運轉(zhuǎn)的能耗和費用。但增加了照明及制冷的電力消耗量及費用。閉鎖型植物生產(chǎn)系統(tǒng)的特點與生產(chǎn)優(yōu)勢育苗質(zhì)量高，生產(chǎn)效率提高，育苗周期縮短30%。生產(chǎn)穩(wěn)定，完全不受季節(jié)影響，便于組織工廠化的生產(chǎn)。單位面積育苗生產(chǎn)效率為溫室的7～11倍，顯著節(jié)省生產(chǎn)用地，而且對土地要求低，低質(zhì)量用地均可利用。節(jié)水，用水量僅為溫室的1/20。施用CO2的利用效率高達(dá)87%。幾乎無營養(yǎng)液流失，不污染環(huán)境，施肥量減少30%左右。病蟲害發(fā)生少，農(nóng)藥用量減少為溫室中的1/10。節(jié)省勞力，工作環(huán)境舒適，勞動輕松。空調(diào)絕熱箱體風(fēng)機營養(yǎng)液CO2熒光燈中農(nóng)型人工光照密閉式工廠化育苗設(shè)備中農(nóng)型（暫定名）工廠化育苗設(shè)備技術(shù)參數(shù)與性能育苗架4列、7層共56單元

單臺設(shè)備一次育苗數(shù)量萬株光照強度50～250mol/(m2?s)空氣溫度5～35℃相對濕度60%～80%CO2濃度300～2000L/L育苗區(qū)氣流速度～中農(nóng)型人工光照密閉式工廠化育苗設(shè)備外景人工光照密閉式工廠化育苗設(shè)備育苗架4列、7層共56單元全人工光照育苗專用植物工廠中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院人工光照密閉式工廠化育苗設(shè)備育苗生產(chǎn)試驗人工光照密閉式工廠化育苗設(shè)備經(jīng)濟(jì)性問題設(shè)備投資成本：

略低于相同生產(chǎn)能力的育苗連棟溫室運行生產(chǎn)成本：水、肥和農(nóng)藥的費用顯著低于溫室育苗

加溫、通風(fēng)的能耗和費用低于溫室育苗

人工光照的能耗及費用較高（四）LED新型光源的研究與應(yīng)用前景LED光源的特點：單色性，波譜域?qū)拑H±20nm左右沒有中、長波紅外輻射（對光合作用無效）的能量浪費，發(fā)熱少，可實現(xiàn)近距離補光（提高光利用效率）輻射效率和光量子效率高

↓節(jié)能性高問題：單一光色能否滿足植物生長的需求？

紅、藍(lán)光色恰是對植物有較高光合作用效率的兩種光色

實驗證明，很多植物可以在只有紅、藍(lán)兩種光色（采用適當(dāng)比例）的情況下，正常生長。

但有些植物在有其他少量光色的情況下，生長更好。不同光色的多種器件，可按需要組合不同單色（如紅＋藍(lán)）的LED滿足植物光合作用對光譜的需要

單體尺寸小，便于組合和使設(shè)備小型化；使用壽命長（5萬小時以上）；價格高，尤其是藍(lán)色LED目前價格較貴。幾種人工光源的發(fā)光效率及光照強度換算LED人工光源工廠化育苗設(shè)備采用LED新型光源進(jìn)行育苗的試驗新型光源LED具有節(jié)省光照能源40%~50%的效果（五）垂直農(nóng)業(yè)（Verticalfarming）

植物種植向多層立體空間發(fā)展，通過在人工修筑的多層建筑里模擬農(nóng)業(yè)生物的生長環(huán)境，大幅度提高土地利用效率。氣霧栽培水培基質(zhì)栽培太陽能光伏發(fā)電沿著垂直外墻設(shè)置的薄膜太陽能電池帶苗圃焚化爐接受凈化后的城市污水雨水儲存槽品質(zhì)實驗室餐館和雜貨鋪一座30層樓高的垂直農(nóng)場剖面設(shè)想圖

運用太陽能以及焚化植物廢棄物產(chǎn)生的電力供應(yīng)農(nóng)場運行，采用多種高效栽培技術(shù)；利用收集的雨水及城市污水凈化后的水源用于灌溉，減少水資源浪費；樓下的雜貨鋪和餐館可直接向大眾提供新鮮食物。垂直農(nóng)場（美國）

最早期的城市農(nóng)場設(shè)計方案之一，由設(shè)計師克里斯-雅克布斯和迪克森-戴斯波米爾共同設(shè)計完成。在塔形建筑物頂部，有一個巨大的太陽能電池板，可以隨著太陽位移而轉(zhuǎn)動。窗戶也很特別，具有防污染功能，不易凝結(jié)水珠，為了讓其中生長的植物能夠照射到更多的陽光。垂直農(nóng)場內(nèi)部情景空中農(nóng)場(加拿大)

由加拿大滑鐵盧大學(xué)的高登-格拉夫設(shè)計，旨在幫助喜歡綠色的加拿大人實現(xiàn)在城市里植物作物和能源自給自足。在“空中農(nóng)場”設(shè)計方案中，這棟55層建筑表面覆蓋一層植被。這種水耕農(nóng)場通過燃燒自身的農(nóng)場廢物進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的能量可以滿足整棟建筑50%的能源需求，而另一半的能源則來自城市廢物。垂直城市農(nóng)場（紐約）

美國AC工作室為紐約堅尼街而設(shè)計的一種獨特城市農(nóng)場，與其他的垂直農(nóng)場不同的是，“垂直城市農(nóng)場”并不依附于任何一棟建筑，它是一種自由站立的結(jié)構(gòu)，由支柱支撐。在作物生長區(qū)之下，則是農(nóng)民的買賣市場。（六）節(jié)能日光溫室的提高與發(fā)展1.日光溫室的性能及環(huán)境形成機理在中國北緯32°~41°甚至43°的地區(qū)，日光溫室能夠在不用加溫或僅有極少量加溫的條件下，進(jìn)行嚴(yán)寒冬季的喜溫蔬菜生產(chǎn)。日光溫室在白晝依靠墻體和地面吸收并蓄積太陽熱能，在夜間，墻面和地面成為加溫的熱源，將蓄積的熱量釋放回溫室，在再加上溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)的良好保溫性能，從而能夠維持室內(nèi)適于園藝作物生長的環(huán)境條件。日光溫室可在不加溫情況下，平均維持高于室外21~25℃的室內(nèi)氣溫，夜間最低氣溫高于室外最低氣溫15~20℃SN室外最低氣溫-15~-10℃室內(nèi)無加溫最低氣溫5~10℃⑴日光溫室的室內(nèi)氣溫晴天:白天室內(nèi)最高氣溫高于室外最高氣溫25~30℃

夜間室內(nèi)最低氣溫高于室外最低氣溫18~20℃25~30℃18~20℃陰天:白天室內(nèi)最高氣溫高于室外最高氣溫18~22℃

夜間室內(nèi)最低氣溫高于室外最低氣溫15~18℃18~22℃15~18℃⑵日光溫室熱環(huán)境的形成機理①日光溫室南向的采光屋面有利透光，遮蔭構(gòu)件和設(shè)備少，透光率高日光溫室比普通溫室的平均透光率高15%以上平均透光率45%~60%普通溫室60%~80%日光溫室②日光溫室北墻具有增加溫室內(nèi)太陽輻射熱接收量的作用在冬季的白晝，日光溫室內(nèi)吸收的太陽輻射熱量比相同地面面積的普通溫室多40%~70%地面接受的太陽輻射北墻面接受的太陽輻射（增加部分）SNa③日光溫室墻體與屋面具有良好的保溫性日光溫室圍護(hù)覆蓋層傳熱系數(shù)遠(yuǎn)低于普通溫室，保溫性明顯要高得多全部圍護(hù)覆蓋的平均傳熱系數(shù)3~5W/(m2·℃)

普通溫室1.2~1.6W/(m2·℃)

日光溫室④日光溫室墻體蓄熱和加溫的作用在白天，日光溫室北墻可以吸收并蓄積太陽熱量SN1/3~1/21/2~2/3150~350W/m2100~250W/m2夜間，墻體將白晝蓄積的熱量逐漸釋放回溫室內(nèi)，釋放的熱量可以使室內(nèi)氣溫提高4~8℃SN8~60W/m210~30W/m2④日光溫室墻體蓄熱和加溫的作用遼沈Ⅰ型日光溫室遼沈Ⅲ型日光溫室遼沈地區(qū)日光溫室2.日光溫室形式與結(jié)構(gòu)的發(fā)展遼寧地區(qū)土墻日光溫室北京地區(qū)

日光溫室一種典型的磚墻日光溫室SN8~10m0.5~0.8m3~4m1~1.5m前(南)屋面后(北)屋面草簾或保溫被后(北)墻山東厚土墻大跨下沉式日光溫室山東厚土墻大跨下沉式日光溫室山東厚土墻大跨下沉式日光溫室山東厚土墻大跨下沉式日光溫室1.5~3mSN5~8m4~5m10~14m0.5~1m走道南北雙連跨（陰陽型）日光溫室陽棚的用途與普通日光溫室相同陰棚對于墻體北面有保溫的作用陰棚內(nèi)光照條件較差，溫度低，但高于露地，用于種植不需光照或?qū)庹找蟮偷淖魑铮缡秤镁?、喜陰葉菜、花卉等可顯著提高土地利用率陽棚陰棚

南北雙連跨（陰陽型）日光溫室

保溫被內(nèi)置型(薊春型)日光溫室可有效防止保溫被或草簾被雨雪浸濕和大風(fēng)掀起內(nèi)層薄膜可以自由開閉，有效調(diào)控室內(nèi)溫濕度環(huán)境屋面保溫性顯著提高山地（坡地）日光溫室選擇在向陽背風(fēng)的南向山坡建設(shè)（偏東、偏西不超過15°）優(yōu)點:土地利用率高日照時間長、光照條件好保溫性能好山地（坡地）日光溫室（陜西安塞縣）西北集雨型日光溫室西北地區(qū)利用卵石建設(shè)的日光溫室存在的問題日光溫室多數(shù)由農(nóng)戶自行建造，建設(shè)很不規(guī)范，建造方案不合理、性能差的日光溫室還較多土地利用率低，一般<50%日光溫室北側(cè)陰影部分的土地不能有效利用日光溫室夜間室內(nèi)溫度仍普遍偏低，尤其在寒潮、連續(xù)陰天等不利天氣情況下，一些日光溫室室內(nèi)氣溫降低到5℃以下，使作物受到凍害溫室概況1月室外日最低氣溫(℃)1月室內(nèi)日最低氣溫(℃)夜間室內(nèi)與室外日平均氣溫差(℃)建設(shè)地點跨度(m)屋脊高度(m)墻體類型平均墻厚(m)地面下沉(m)最低平均最低平均最高最低平均山東壽光310.04.5土墻3.51.0-16.0-9.610.913.027.211.120.5山東壽光212.04.4土墻4.11.6-16.0-11.18.111.326.111.020.4山東壽光17.62.7土墻1.0(外堆土)0.0-16.0-11.16.510.125.110.319.6河北棗強8.54.4土墻3.50.6-16.5-10.47.29.122.910.718.0北京房山211.04.5土墻3.51.0-23.4-13.74.98.223.08.717.6北京房山17.53.0磚墻0.80.0-23.4-13.72.86.326.57.917.7山西曲沃10.54.8土墻4.01.2-15.0-7.38.210.722.710.717.0天津17.43.2磚墻0.60.0-22.3-12.90.85.523.16.716.6天津27.13.2磚墻0.60.0-21.0-13.12.25.524.87.316.1北京房山38.53.3磚墻0.50.0-23.4-13.7-1.33.921.66.215.7山西新絳9.04.0土墻3.40.6-12.6-6.85.98.118.48.113.9河北滿城7.03.5磚墻0.60.0-17.3-11.2-0.33.317.94.613.13.墻體材料及構(gòu)造墻體的作用：蓄熱與保溫理想的墻體材料及構(gòu)造：內(nèi)側(cè)蓄熱性和外側(cè)保溫性良好的異質(zhì)材料復(fù)合墻體SN南屋面外保溫覆蓋物北屋面北墻蓄熱性良好的材料保溫性良好的材料土墻與石砌體墻：蓄熱性良好，保溫性差，承載力差，但就地取材、造價低廉，可依靠大厚度解決保溫性較差問題，但占地較多，土地利用率低。粘土磚墻：蓄熱性良好，強度和承載能力高，保溫性較差，通常與發(fā)泡聚苯板（或其他保溫材料）共同組成復(fù)合墻體。造價高，且耗費土地資源。日光溫室墻體替代材料混凝土空心砌塊→熱工性能特點：保溫性較好

蓄熱性較差承重能力低于粘土磚，但價格略低，砌筑施工速度快空心混凝土砌塊（不填實）發(fā)泡聚苯乙烯板填土（或其他填充材料）空心混凝土砌塊（填實）SN4.增加蓄熱，有效利用太陽能的探索⑴外部增設(shè)太陽能集熱與蓄熱設(shè)備⑵內(nèi)部墻面水道蓄熱⑶相變潛熱材料蓄熱西北農(nóng)林大學(xué)填充相變潛熱蓄熱材料砌塊的墻體復(fù)合相變墻體板復(fù)合相變砂漿相變材料與砂漿北京工業(yè)大學(xué)被動式相變蓄熱墻體相變蓄熱墻體日光溫室效果夜間，相變蓄熱墻體表面溫度比普通磚墻高2℃～5℃，在晴好天氣時其差值更高夜間，相變蓄熱墻體日光溫室內(nèi)土壤溫度比普通日光溫室高1℃晴天夜間，相變蓄熱墻體日光溫室內(nèi)氣溫比普通日光溫室高1～2.5℃陰天夜間，相變蓄熱墻體日光溫室內(nèi)氣溫比普通日光溫室高2℃以上對比原狀況15℃35℃

20℃35℃對比原狀況33℃33℃14℃18℃白晝溫室內(nèi)氣溫

20℃以上時補水箱自然對流管道泵強制對流白晝增強墻體和地下蓄熱的技術(shù)方案⑷構(gòu)件集熱式日光溫室的實驗對比原狀況14℃10℃

17℃14℃

對比原狀況14℃11℃16℃14℃

夜間溫室內(nèi)氣溫

9℃以上補水箱自然對流構(gòu)件集熱式日光溫室在夜間提高墻體和地下放熱能力的作用構(gòu)件集熱系統(tǒng)5.復(fù)合材料保溫被的研究開發(fā)保溫主體材料:

再生棉（毛）氈發(fā)泡塑料（PE等）不織布、晴綸棉面料：（承受拉力、防水等）化纖防水布增強保溫性的材料層：薄膜（阻隔空氣對流）鋁反射膜（減少紅外輻射散熱）6.卷簾機的發(fā)展頂部支架卷繩式卷簾機端部伸縮擺桿卷軸式卷簾機中部折臂卷軸式卷簾機

中部拱形軌道卷軸式卷簾機

7.提高日光溫室環(huán)境綜合調(diào)控能力增加機械通風(fēng)、降溫設(shè)備增加遮陽設(shè)施增加開窗機構(gòu)

CO2施肥（秸稈生物反應(yīng)堆等）技術(shù)的采用無土栽培技術(shù)的采用環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的采用植物聲頻技術(shù)實驗與應(yīng)用增加機械通風(fēng)、降溫與遮陽設(shè)施，抑制室內(nèi)高溫，解決日光溫室夏季使用的環(huán)境調(diào)控問題電動開窗機構(gòu)，提高環(huán)境調(diào)控效果和工作效率循環(huán)式海綿基質(zhì)栽培日光溫室中的無土栽培試驗有機型基質(zhì)無土栽培8.日光溫室熱環(huán)境模擬評價和優(yōu)化軟件研究工作的介紹日光溫室的設(shè)計、建造與新材料開發(fā)應(yīng)用等方面，目前還多是依據(jù)有限的經(jīng)驗，缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和科學(xué)的方法，其性能潛力還未得到充分發(fā)揮。日光溫室內(nèi)環(huán)境影響因素眾多，其形成機理是涉及多專業(yè)領(lǐng)域理論知識的復(fù)雜問題，難以用簡單的計算和分析準(zhǔn)確定量地加以解決。研究日光溫室科學(xué)的分析和設(shè)計方法，是設(shè)施農(nóng)業(yè)工程工程界的一項很有意義的工作。

日光溫室熱環(huán)境模擬評價和優(yōu)化軟件，是采用科學(xué)的理論，創(chuàng)造的日光溫室輔助設(shè)計的工具，其作用為：預(yù)測在一定的溫室建造方案和室外氣象條件下，日光溫室內(nèi)熱、濕環(huán)境狀況。為日光溫室設(shè)計與建設(shè)方案合理性提供較為準(zhǔn)確量化的分析評價方法和工具。為日光溫室墻體和保溫覆蓋材料開發(fā)、構(gòu)造設(shè)計提供準(zhǔn)確量化的分析評價方法和工具。日光溫室熱環(huán)境理論模型總體方案——

采用模塊化結(jié)構(gòu)蒸騰蒸發(fā)模塊Qe熱、質(zhì)平衡濕空氣狀態(tài)太陽輻射模塊室外氣象條件評價與優(yōu)化(指標(biāo)與方法)墻體傳熱模塊Qw地中傳熱模塊Qs覆蓋層傳熱模塊Qg通風(fēng)模塊

Qv日光溫室總能量微分方程日光溫室室內(nèi)氣溫ti隨時間變化的推移式（ti0——初始?xì)鉁卅——時間步長）日光溫室熱環(huán)境模擬輸出參數(shù)與評價指標(biāo)：

①墻體內(nèi)沿墻體厚度方向的溫度分布；②地下土壤不同部位的溫度分布；③墻體吸熱、放熱或傳出室外的熱量；④地中土壤吸熱或放熱量；⑤通過前屋面覆蓋層傳出的熱量；⑥室內(nèi)（任意時刻、最高、最低）空氣溫度；⑦室內(nèi)（任意時刻、最高、最低）空氣濕度。

日光溫室熱環(huán)境模擬預(yù)測系統(tǒng)軟件幾種材料墻體內(nèi)表面放熱強度的晝夜變化（晴天+陰天）

幾種材料墻體的日光溫室室內(nèi)氣溫晝夜變化（晴天+陰天）

1.溫室工程行業(yè)相關(guān)國家和部頒標(biāo)準(zhǔn)⑴已發(fā)布和在制訂中的溫室相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18621-2002 溫室通風(fēng)降溫設(shè)計規(guī)范GB/T18622-2002 溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載GB/T19165-2003 日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求GB/T19561-2004 寒地節(jié)能日光溫室建造規(guī)程GB/T23393-2009設(shè)施園藝工程術(shù)語2009年項目 溫室節(jié)能設(shè)計通則2010年項目 濕簾性能檢測方法（七）設(shè)施工程標(biāo)準(zhǔn)化與計算機信息技術(shù)應(yīng)用⑵已發(fā)布的溫室相關(guān)機械工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T10286-2001 日光溫室結(jié)構(gòu)JB/T10288-2001 連棟溫室結(jié)構(gòu)JB/T10292-2001 溫室工程術(shù)語JB/T10294-2001 濕簾降溫裝置JB/T10296-2001 溫室電氣布線設(shè)計規(guī)范JB/T10297-2001 溫室加溫系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范JB/T10306-2001 溫室控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范⑶已發(fā)布的和在制訂中的溫室相關(guān)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T610-2002 日光溫室技術(shù)條件NYJ/T06-2005 連棟溫室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)NYJ/T07-2005日光溫室