半封闭温室设计与应用_周增产.pdf

北 方 园 艺 设施园艺 第一作者简介 周增产 男 博士 教授级高级工程 师 研究方向为设施农业 收稿日期 半封闭温室设计与应用 周 增 产 赵 静 李 秀 刚 卜 云 龙 张 江 峰 兰 立 波 北京京鹏环球科技股份有限公司 北京 北京市植物工厂工程技术研究中心 北京 摘 要 以北京京鹏环球科技股份有限公司为神州绿鹏农业科技有限公司设计建造的 半封闭温室项目为例 论述了半封闭温室的结构设计特点 对半封闭温室的夏季降温进行测 试与分析 结果表明 半封闭温室具有良好的降温效果 平均降温 温室内温度 湿 度 风速均匀性较高 节能效果显著 关键词 半封闭温室 设施农业 节能 中图分类号 文献标识码 文章编号 我国温室大棚是栽培起源最早的国家 但近 代的设施农业起步较晚 世纪 年代还 处于设施农业的低级阶段 在 世纪 年 代相继出现日光温室和塑料大棚 此后便在温室 数量 面积和内容设施水平上快速发展 近代温 室的发展经历了改良型日光温室 大型玻璃温室 和现代化温室 个阶段 出于节能降本的考虑 按照外形划分的连栋温室逐渐成为温室市场的主 流产品 但大型连栋温室的夏季降温一直是困扰 设施农业的一个难题 据报道 世纪初 出于 节能的需求 一种具有 种通风方式的新型半封 闭式温室被提出 荷兰 美国等国家开始研发设计 并建造半封闭温室 现已在美国 土耳其 澳大利 亚 法国 荷兰等国被推广应用 与传统温室相比 半封闭温室的通风方式可 节能 其中具有代表性的有荷兰温室设 计商 荷兰 公司 荷 兰老牌温室建造商 集团 规模型的半封闭 温室包括美国亚利桑那州的 农场 图 位于 占地 其中包括 半封闭温室 美国德克萨斯州的 农场 位于 占地面积 番茄年产 量超 其中半封闭温室 美 国加利福尼亚州的 农场 位于 占地 其中 为半封闭温 室 该农场另有 在加拿大 主产西红柿和 黄瓜 荷兰 公司在 年于日本山梨县 建造的半封闭温室达 由于半封闭温室在 国外的发展良好 降温效果和增收效果均比较显 著 我国也开始逐渐进行引进与推广 然而单 纯依靠外籍设计建造商 并不能真正解决温室的 能耗与降温问题 必须通过自己团队的建设才能 攻克难关 真正将优秀技术消化吸收 创造属于自 己的技术 形成中国创造的品牌 半封闭温室的设计 半封闭温室的设计原则 与传统温室相比 半封闭温室可以更精确地 控制温度 湿度和 浓度 不仅可以加温 还能 降温 半封闭温室内具有正压特征 内部保持 正压 不易产生虫病 采用风道快速送风 实现温室内部条件的均匀性 常规文洛温室的通 风率为 于此相比 半封闭温室的通 风率低 为 左右 由于窗户较少 提高了 和热能的转换率 以便高效节能 常规温室风机和 湿帘分布在温室两端 距离一般不超过 风 机端和湿帘端温差 温差较大 半封闭温 图 国外半封闭温室气候走廊及内部作物实景图 室开间距离可达 可以规模化建设 半封闭 还具有高产高品质的特性 比常规文洛式温室增 产 左右 由此不难发现 半封闭温室是具有 高可控性 高均匀环境条件 低通风率 正压高效 节能的一种新型温室 图 半封闭温室的结构组成及特点 京鹏科技公司设计的新型半封闭温室主要由 冷热源系统 送风系统 出风系统组成 目前设施 园艺界的半封闭温室正压送风首部常用的系统有 种 一种是采用风机盘管提供 地源热泵或中央 空调 冷热源 另一种采用湿帘蒸发降温提供冷 源 以锅炉热水提供热源 前一种形式投资大 运 行费用高 后一种投资小 运行费用低 当然后一 种温度可控精确性稍弱 但是对于大型生产温室 可以满足要求 通常选用第二种 图 冷源系统结构及特点 冷源系统包括湿帘系统和热泵空调系统 热 源系统包括锅炉热水和热泵空调系统 湿帘系统 是利用水的蒸发降温原理实现降温目的 湿帘由 加入特殊化学原料的纤维纸浆加工成波纹状的纤 维纸 经过粘贴而成的 其具有很好的吸湿性和 湿挺性 化学成分不会随水流 气流的作用而分 解 在温室走廊外侧 配置 高湿帘 湿帘 厚度 湿帘外配置防虫网 卡簧卡槽固定 配置湿帘喷淋清洗系统 安装外翻窗系统 湿帘水 池设计在温室走廊地下 当风机启动时 湿帘内 外的气压差迫使室外干热空气穿过湿帘介质进入 正压送风系统走廊 水膜上的水会吸收空气中的 热量进而蒸发成水蒸汽 带走大量的潜热 使经过 图 半封闭温室内部效果图 湿帘的空气温度降低 在风机的作用下 这些被 降低温度的空气源源不断的进入温室 从而达到 室内降温的目的 气温下降时则采用锅炉热水提 供热源 送风系统结构及特点 新型半封闭温室由新型湿帘系统 循环水系 统 正压送风机组成湿帘正压送风系统 图 送风系统为风机和风道 其中风机根据风量和风 压可选择常规风机和变频风机 风道根据直径和 出风口的布置方式不同 可选择单风道和双风道 种 布置方式通常由温室棚头走廊进入果菜区的 方向布置栽培槽 在栽培槽下布置大流量风机 每 个栽培底部配有一套送风系统 风机的计算与选 北 方 园 艺 月 下 图 半封闭温室送风系统原理图 择依靠风量与风压 风道类型包括单风道和双风 道 通过风道直径和送风方式可以计算风量 温室 的出风口根据窗户的大小与数量有所不同 送风走 廊可按照设计需求自定义 一 般 为 或 出风系统结构及特点 出风系统为带防蚊网的顶窗 图 温室顶 部配备有齿轮齿条电动开窗通风机构 窗口配设 风琴折叠式防虫网 实现顶部开窗 使温室内外空 气形成对流 达到除湿 降温 防虫的效果 开窗 机构包括控制箱 电机 行程限位开关 齿轮齿条 套 传动连接部件等组件 采用荷兰进口温室开 窗专用减速电机 电机配备行程限位装置 自动停 止 限位准确 运行平稳可靠 图 半封闭温室效果图 半封闭温室环境控制模式 空气循环再利用 该新型半封闭温室的环境控制方式与传统温 室有所区别 新型半封闭温室可以通过空气循环 实现温室中空气能量和湿度的交换 在作物生长 期间 温室端部的风机将空气吹入栽培槽下的风 道内 然后通过风道的风孔均匀进入温室内 这样 一来 每株植物均能获得等量的 新鲜 空气 同时 促进温室的微气候环境 图 降温方式 温室内降温方式可以通过高压雾喷系统和湿 帘风机 种方式实现 图 高压雾喷系统是通 过水在高温时蒸发吸收周围大量的热量 从而降 低空气中的温度 同时提高温室内的湿度 另一 种是通过计算机先进的软件模块控制湿帘风机系 统 种方式的选择可根据室外光照强度和空气 温度湿 度 自 主 选 择 比 较 而 言 湿 帘 风 机 效 果 较好 第 期 北 方 园 艺 图 半封闭温室空气循环原理图 图 半封闭温室环境控制原理图 通风换气方式 温室内通风系统可以精确控制进入温室的外 部空气体积 排除温室外的热能和温室内空气的 湿度 通风控制包括 个阶段 第一阶段是打开 窗户使外部空气进入温室 第二个阶段是提高风 机转速 将风送入温室 控制软件通过控制通风 侧窗来实现第一阶段 通过控制风机来实现第二 阶段 图 除湿方式 当温室内湿度超过农艺师的设定值后 环境 控制系统会通过调整温室侧窗 循环窗和顶窗的 位置来调节温室内湿度 图 当室外空气被吸 入温室时启动通风模式 风机湿帘降温模式或者除 湿模式 温室结构允许最大正压为 通过打开温室顶窗来降低温室内的正压 出于安 全考虑 每栋温室内均会安装气压传感器 传感器 会在气压过高时报警 并打开温室顶窗 图 图 半封闭温室换气 除湿模拟图 半封闭温室的应用案例 北京京鹏科技公司于 年率先进行半封 闭温室的研发设计建造 应用到神州绿鹏项目 用 于航天新品种选育 年首个自主知识产权的 半封闭温室开始运行 进行番茄和柿子椒品种选 育 年北京中农富通园艺有限公司设计建 造了规 模 型 半 封 闭 温 室 部 分 技 术 引 自 荷 兰 公司 同年 海升集团斥资聘 请荷兰顶级智能玻璃温室设计商 全程设 计搭建 建造所需的所有材料 全部从荷兰原装进 口 建造了亚洲单体最大的半封闭温室 其中种植区 结构组成 由北京京鹏环球科技股份有限公司为神舟绿 鹏农业科技股份公司设计的新型半封闭温室 图 建在北京通州于家务 温室总面积为 北 方 园 艺 月 下 温室脊高 肩高 跨宽 开间 内 部分成 个区 果菜一车间 果菜二车间 北侧配 置 宽送风走廊 可做生产参观使用 走廊长 度 图 西北角布置 个控制室 西南角布 置 个更衣室 更衣室东侧布置风淋室 东南角布 置 个附属用房 图 神州绿鹏半封闭温室 温室走廊屋顶和控制室顶部采用多晶硅光伏 板系统 体现低碳环保节能 果菜生产车间顶部采 用 单层超白减反射散射钢化玻璃 分区之 间隔断采用 浮法玻璃 四周立面采用 双层中空钢化玻璃温室幕墙覆盖 温室天 沟使用新型铝天沟结构 温室顶部配备有齿轮齿 条电动开窗通风机构及折叠防虫网 实现顶部开 窗 使温室内外空气形成对流 达到除湿降温防虫 的效果 由温室棚头走廊进入果菜区的方向布置 栽培槽 在栽培槽底下布置大流量风机 每个栽培 槽底下配一套风机送风系统 风机参数请见下 文 风道直径 湿帘配置在温室走廊外 侧 配置 高湿帘 湿帘厚度 湿帘外 配置防虫网 卡簧卡槽固定 安装外翻窗系统 在 温室走廊地下配置湿帘水池 其他配套系统包 括 外遮阳 内遮阳 二层保温 果菜无土栽培系 统 种补光系统 水肥一体化系统和环境自动调 控系统 最终体现低碳环保和智慧理念 图 神舟绿鹏半封闭温室气候走廊 温室夏季降温测试 分别对半封闭温室内的温度 湿度 透光情况 及风速进行测试 温 湿度测定 使用精创 温湿度记录仪 室外选择 个点 温室走 廊选择 个点 半封闭温室中选择试验区 以作物 顶端 中端 底端为垂直测试测试点 标号 以靠近风机 风道中端 风道末端为水平测试 点 标号 每个区有 个测试点 其中作物 中端与风道中端为同一点 记录当天 的温湿度变化 间隔 记录 次 测 试布点如图 所示 温室透光性能测试 使用 照度计 对温室内外的光照强度进行测定 室外光照点选 择 个 室内采用 点随机选样发 同时注意避开 遮挡物 记录 的光照变化 间隔 测试 次 风机风速测试 使用台湾衡欣 风速 仪 测试湿帘风机开始后 以 为测试点 温室内随机选取 条风道进行风 速试验并记录 温度及湿度变化 由图 可知 温室内温度随外部温度变化而 第 期 北 方 园 艺 图 半封闭温室测试布点图 图 半封闭温室内外温度变化对比 波动 经过测试分析 当天测试期间温室外的平 均温度 走廊平均温度 走廊平均 降温 果菜一区种植西红柿 温室内中心 测试点平均温度 平均降温 果菜 二区种 植 菜 椒 温 室 内 中 心 测 试 点 平 均 温 度 平均降温 个温室内平均降 温 测试数据表明 果菜一区垂直测试最 高点与最低点温差 果菜二区垂直测试最高 点与最低点温差 果菜一区水平测试近风 机点与远离风道点温差 果菜二区水平测 试近风机点与远离风道点温差 果菜一区 最高降温 最低降温 果菜二区 最 高降温 最低降温 由图 可知 湿度最高的测试点为走廊 走 廊有湿帘 通过水泵供水降温 故湿度最高 室外 图 半封闭温室内外湿度变化对比 湿度最低 经过测试分析 走廊平均湿度 室外平均湿度 温室平均湿度 测 试结果表明 果菜一区垂直测试高点平均湿度 北 方 园 艺 月 下 垂直测试低点平均湿度 中心水 平测试点平均湿度为 果菜二区垂直测 试高点平均湿度 垂直测试低点平均湿度 中心水平测试点平均湿度为 温 室内湿度变化趋势随高度增加而减小 光照强度测试 光照强度对植物的生长发育影响很大 在一 定光照度范围内 随着光照度的增加 光合速率也 相应增加 由图 可知 测试当天 光照强度随时间变化 经测试 温室内平 均光 照 强 度 室外平均光照强度 透光率为 风机风速测试 温室使用风机型号 电机功率 风压 电压 转速为 标准风量 经过测试 由表 可 知 距风机 不同距离下的风速 基本均匀 风量为 送风性能良好 虽与标准风量略有区别 但要考虑风压损失 也属 合理 送风性能均匀对温室的降温有促进作用 图 半封闭温室内外光照强度对比 表 半封闭温室平均风速 风速 平均风速 果菜一区 果菜二区 图 半封闭温室实景测试图 结论 北京京鹏环球科技股份有限公司承建的神舟 绿鹏半封闭温室 自 年投入使用以来 温室 性能良好 期间因为风量问题 更换过新的风机 更换后的风机稳定性较好 图 适宜设施 作物的栽培 半封闭温室是近年才进入到我国 的 现在的建设面积还不是很大 主要在华北地区 进行推广 从试验结果分析 半封闭温室具有良好的 降温效果 在室外平均温度 时 温室内测 试平均温度 平均降温 温室内温 度 湿度 风速均匀性较高 半封闭温室适合规模化生产需要 与普通 第 期 北 方 园 艺 图 半封闭温室作物生长图 温 室相比 温室内部温度均匀度高 节能效果明 显 且夏季运行防虫效果好 半封闭温室内作物生长状态良好 具有高 产高品质的特性 比常规文洛式温室增产 左 右 参考文献 丁 小涛 周强 何立中 等 半封闭温室迷你黄瓜岩棉栽培技 术 中国蔬菜 侯 欣 王秀峰 魏珉 等 不同光照条件下硝酸盐胁迫对黄瓜 幼苗生长及光合特性的影响 山东农业科学 胥 芳 蔡彦文 陈教料 等 湿帘 风 机降温下的温室热 流场 模拟及降温系统参数优化 农业工程学报 王 柔夫 荷兰高科技的半封闭式温室重在创新 中国农 资 北 方 园 艺 月 下