喷雾对温室温湿度影响的试验研究_李景浩.pdf

节水灌溉 Water Saving Irrigation ISSN 1007 4929 CN 42 1420 TV 节水灌溉 网络首发论文 题目 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 作者 李景浩 朱德兰 网络首发日期 2022 02 21 引用格式 李景浩 朱德兰 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 J OL 节水灌溉 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 基金项目 国家重点研发计划 2021YFE0103000 陕西省重点研发计划 2020ZDLNY01 01 作者简介 李景浩 1997 男 硕士研究生 主要从事温室环境调控方面研究 E mail lijh0315 作者简介 朱德兰 1969 女 教授 博士生导师 主要从事节水灌溉与温室水肥及环境调控技术研究 E mail dlzhu 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 李景浩 1 2 朱德兰 1 2 1 西北农林科技大学水利与建筑工程学院 陕西杨凌 712100 2 西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室 陕西杨凌 712100 摘要 为降低夏季高温时温室内的温度 通过试验研究双拱双膜温室单喷头喷雾降温过程 探究单喷头不 同雾化指标 喷雾时长及侧窗开闭条件下的室内温湿度变化规律 结果表明 1 固定喷头工作时间和喷嘴直径 增大水压力 降温和增湿幅度增大 固定喷头工作时间和水压力 增大喷嘴直径 降温和增湿幅度增大 固定 相同的雾化指标 降温和增湿幅度随喷雾时间的延长而增加 2 当温室内初始温度为 40 喷雾 5min且关闭 侧窗时 设置不同水压力和喷嘴直径 温度降低 2 4 相对湿度增加 20 30 开启侧窗时 温度降低 5 7 相对湿度增加 5 10 喷雾的同时开启侧窗 可在降低温度的同时 降低室内增湿幅度 3 水压力 0 25MPa 喷嘴直径 0 75mm 喷雾时间 10min并配合侧窗通风为该试验降 温效果最优且能耗最低的工况 可为双拱双膜温 室夏季的快速降温提供参考 关键词 温室 喷雾时长 侧窗开闭 雾化指标 降温 能耗 中图分类号 S275 5文献标志码 A Experimental study on the effect of spraying on greenhouse temperature and humidity Authors Li Jinghao1 2 Zhu Delan 1 2 1 College of Water Resources and Architectural Engineering Northwest A 2 Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas Ministry of Education Northwest A Abstract In order to reduce the temperature in the greenhouse during the high temperature in summer the spray cooling process of a single nozzle in a double arch double membrane greenhouse was studied through experiments Explore the changing laws of indoor temperature and humidity under the conditions of different atomization indicators spray duration and side window opening and closing conditions of a single nozzle The results showed that 1 With fixed nozzle working time and nozzle diameter increasing the water pressure the cooling and humidifying range increased fixing the working time and water pressure of the nozzle increasing the nozzle diameter the cooling and humidifying range increased The same atomization index is fixed and the range of cooling and humidification increases with the extension of spraying time 2 When the initial temperature in the greenhouse is 40 spray for 5 minutes and close the side window set different water pressure and nozzle diameter the temperature will decrease by 2 4 and the relative humidity will increase by 20 30 when the side window is opened the temperature will decrease by 5 7 the relative humidity increases by 5 10 Opening the side windows while spraying can lower the temperature while reducing indoor humidification 3 Water pressure of 0 25MPa nozzle diameter of 0 75mm spraying time of 10min and side window ventilation are the working conditions with the best cooling effect and the lowest energy consumption in this test which can provide a reference for the rapid cooling of the double arch double film greenhouse in summer Keywords greenhouse spray time side window open and close atomization index cooling energy consumption 0引言 温室大棚能够为经济作物提供良好的生长环境 其显著的经济效益和社会效益使得温室栽培成为设施农业 网络首发时间 2022 02 21 17 49 00 网络首发地址 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 的重要组成部分 1 2 其中 温度和湿度是温室内小气候环境中最为重要的影响因子 温湿度是否处于合理区间 直接关系到作物的生长状态 夏季温室易积聚大量多余的热量 造成温室内温度极高 严重影响室内农作物的 生长 3 较高的湿度会影响植株的授粉 导致植株的叶片薄而软 极易感染真菌类疾病 4 针对夏季温室降温的问题 众多研究学者从温室通风降温 喷雾降温 湿帘风机降温以及遮阳降温等方面 开展了大量研究 5 14 何科奭 15 研究表明 不同通风方式所形成的温 室环境差异较大 顶部和侧部风口均开启 时 温室通风率最高 导致室内外温差最小 同时也能产生较为均匀的室内气候 优于单开顶 侧风口 杨家 飞 16 研究表明 高温天气情况下 当湿帘风机降温系统在密闭饲养蛋鸡舍运行时 鸡舍内温度较舍外温度低约 5 4 舍内湿度较舍外平均增高 14 81 孙维拓 17 设计了日光温室正压湿帘冷风降温系统 在典型夏季高温白 天 正压湿帘冷风降温系统配合遮阳网比采用自然通风配合遮阳网的对照区低 5 4 11 1 比室外低 2 4 5 4 降温效果良好 张芳 18 在夏季典型晴天开展了喷雾降 温试验 试验结果表明 试验温室与对照温室相比 气温 分别要低 3 6 空气相对湿度分别增加 10 23 8 综上所述 前人针对如何降低温室内温度的问题进行了 大量研究 但对于单喷头最优使用工况的问题尚未很好解决 同时关于微喷头雾化指标 喷雾时间和侧窗开闭 情况对温室温湿度的影响尚不明晰 基于此 本文应用了微喷头的喷雾降温方式 对单喷头喷雾降温过程及效果进行探究 测试不同雾化指标 下的单喷头在双拱双膜温室内 连续工作 5 10 和 15min 开启或关闭侧窗的组合模式下温室内温湿度的变化 情况 以期为喷雾降温提供理论依 据 1材料与方法 1 1试验区概况 试验地点为西北农林科技大学旱区节水农业研究院 纬度 34 20 N 经度 108 24 E 试验温室为双拱双膜 大棚 屋脊为南北朝向 温室长 6 0m 宽 5 2m 脊高 4m 拱架为钢筋结构 温室顶部配有纺织材料制成的保 温棉被 可调节展开或收起 透光材料为聚氯乙烯薄膜 且配有卷帘机 通风口 风机 湿帘等控制设备 1 2试验设计 本试验选取温室常用的橙色单出口雾化喷头作为试验喷头 喷嘴形状为圆形 最大直径 1mm 喷洒半径为 0 5 0 7m 喷头安装在温室内顶部中间位置 高度距地面 3 5m 安装形式为下喷 试验装置包括蓄水池 变频 水泵 压力传感器 叠片式过滤器和电磁阀 喷头的输水管道布置在温室顶部 支管上预留三通口以安装雾化 喷头 试验装置示意图如图 1所示 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 1 蓄水池 2 变频水泵 3 压力传感器 4 电磁阀 5 雾化喷头 1 Reservoir 2 Variable frequency pump 3 Pressure sensor 4 Solenoid valve 5 Atomizing nozzle 图 1试验装置及测点示意图 Fig 1 Schematic diagram of test device and measuring points 本试验设有 4 个因素 分别为水压力 3 水平 喷嘴直径 3 水平 喷水时间 3 水平 和侧窗开闭 2 水平 试验共 54组处理 表 1试验因素和水平 Table 1 Experimental factors and levels 因素 水平 水压力 H MPa 0 20 0 25 0 30 喷嘴直径 D mm 0 25 D1 0 50 D2 0 75 D3 喷雾时长 T min 5 10 15 侧窗开闭 开 闭 1 3测试指标 1 室内外空气温湿度值 在温室南北中间截面内布设温湿度传感器 温室内试验测点位置见图 1 空气温湿度传感器 T1 T5 分别 放置在温室内距离左右两侧窗 0 4m 1 4m和 2 4m远处 离地高为 1 m 用来监测温室内生菜生长区的空气温 湿度 室内采用 RS 485温湿度传感器 室外采用 RS FSXCS超声波一体式气象站 试验开始时 记录试验初始数据 试验开始后 30min内 每 1min记录一次温湿度数据 监测数据自动保存 在 PC端组态王软件中 存储频率可根据需要任意设定 之后将 采集完成的数据生成 EXCEL文件 试验结束后 所有温湿度数据均取均值处理 2 变频水泵的电流和电压值 在试验过程中记录变频水泵的电流和电压值 以计算不同工况下喷雾系统的能耗 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 2结果与分析 2 1不同雾化指标对温室内温湿度的影响 为探究喷头雾化指标 H m D m 对温室内温湿度的影响 本文选择 2021年 7月 8日 10日 15 00 15 30 室内外环境情况基本一致 侧窗关闭时不同雾化指标下 喷雾 5min的试验数据进行分析 图 2 a 和 b 分别是温室内的降温增湿幅度变化图 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 1 2 3 4 5 6 降温幅度 时间 8 10 4 D 1 20 4 10 4 D 2 20 26667 D 3 20 1 10 5 D 1 25 5 10 4 D 2 25 33333 D 3 25 1 2 10 5 D 1 30 6 10 4 D 2 30 4 10 4 D 3 30 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 5 10 15 20 25 增湿幅度 时间 8 10 4 D 1 20 4 10 4 D 2 20 26667 D 3 20 1 10 5 D 1 25 5 10 4 D 2 25 33333 D 3 25 1 2 10 5 D 1 30 6 10 4 D 2 30 4 10 4 D 3 30 a 不同雾化指标的降温幅度 b 不同雾化指标的增湿幅度 图 2晴天天气情况下喷雾试验结果 Fig 2 Spray test results in sunny weather 由图 2 a 可知 各处理的降温幅度均表现出明显的先增大后趋于稳定并逐渐减小的规律性 这是由于喷 雾开始 温室中水雾的含量逐渐上升 水雾蒸发吸收的热量逐渐大于温室吸收的外部热量 降温幅度逐渐增 大 随后 降温幅度开始趋于稳定并缓慢下降 这是由于温室吸收外部热量大于喷雾水雾蒸发吸收温室内的热量 各处理中 降温幅度最大的为 D3 30处理 雾化指标为 4 104 为 5 4 降温幅度与水压力和喷嘴直径均呈正 相关 由图 2 b 可知 温室内增湿的变化趋势与降温的变化趋势一致 增湿幅度先增大后趋于稳定并逐渐减小 各处理中 增湿幅度最大的为 D3 30 处理 为 25 9 此时 温室内的湿度可达到 69 作物长时间生存在高 湿度的环境内 可能会引起多种病虫害 增湿幅度最小的为 D1 20 处理 为 14 同一喷嘴直径下 水压力越 大即雾化指标越大 增湿幅度越大 同一水压力下 喷嘴直径越大即雾化指标越小 增湿幅度越大 需要特别说明的是 D2 20处理和 D3 30处理的雾化指标均为 4 104 但两个处理的降温效果和增湿幅度却 不相同 这是因为这两个处理相同时间内的喷雾量不同 喷雾量大的处理增温效果优于喷雾量小的处理 2 2不同喷雾时长对温室内温湿度的影响 为了比较不同喷雾时长的降温和增湿情况 依据同一时刻室外环境差异较小的原则 试验时间选取了 2021 年 6月 30日到 2021年 7月 2日连续 3天的数据进行分析 6月 30日喷雾时间设 定为 5min 7月 1日喷雾时间 设定为 10min 7月 2日喷雾时间设定为 15min 喷嘴直径均为 0 5mm 水压力均为 0 25MPa 侧窗关闭 试验期间 30日 1日和 2日 15 00 15 30室外平均温度分别为 34 4 34 7和 34 8 室内初始时刻温度 分别为 40 1 40 5和 40 7 三次试验室内外温度基本一致 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 1 2 3 4 5 6 7 降温幅度 时间 5m in 10m in 15m in 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 5 10 15 20 25 30 35 40 增湿幅度 时间 5m in 10m in 15m in a 不同喷雾时间降温幅度 b 不同喷雾时间增湿幅度 图 3晴天天气情况下不同喷雾时间试验结果 Fig 3 Test results of different spray times in sunny weather 图 3 a 为 6月 30日到 7月 2日 15 00 15 30试验温室内温度的变化 6月 30日到 7月 2日 15 00 15 30 的试验温室初始温度与最低温度的差值即降温幅度分别为 3 7 5 2和 6 7 降温幅度最大值均出现在喷雾结束 后 3 分钟左右 之后开始趋于稳定并缓慢下降 其中 喷雾 15min 的处理保持较高降温幅度的时间最长 达到 8分钟 喷雾 5min和 10min的处理分别为 4分钟和 6分钟 这是由于喷雾时间长 温室内的空气水雾含量较高 可以更好地抵御外部高温 从而延长降温的效果 仅从降温效果上看 喷雾时间为 15min 的喷雾模式降温效果 更好 且持续时间更长 图 3 b 为 6月 30日到 7月 2日 15 00 15 30试验温室内湿度的变化 6月 30日 7月 2日 15 00 15 30 的试验温室初始湿度与最高湿度的差值即增湿幅度分别为 19 7 26 1和 35 9 增湿幅度变化趋势同降温幅度 随着喷雾时间增加 其相对湿度也随之增加 虽然喷雾 15min 降温效果最好 但其湿度也是增加最明显的 喷 雾 15min的处理温室内最高湿度可达 65 9 喷雾 5min和 10min处理温室内最高湿度为 49 7 和 56 1 但由 于长时间处于高湿环境 会抑制植株正常的水分蒸腾 诱发病虫害 故从喷雾降温增湿可控性来说 喷雾时间 为 10min的喷雾模式降温效果更好 2 3侧窗开闭对温室内温湿度的影响 本试验选取 6 月 20 日 开启侧窗 和 6 月 31 日 关闭侧窗 2 天的试验数据并对其分别进行处理分析 比较在晴天天气情况下 喷嘴直径为 0 5mm 水压力为 0 25MPa 开启侧窗和关闭侧窗温室喷雾 10min后 30min 内温室内温湿度的变化情况 2 次试验室内外环境基本一致 室内初始温度分别为 38 4 和 37 9 相对湿度分 别为 31 6 和 33 1 由图 4 a 可以看出晴天时侧窗开闭情况不同 温室内温度变化规律不同 在试验 30min内晴天开启侧窗 温度下降幅度大于关闭侧窗温度下降幅度 其下降幅度在结束喷雾 2min 后最高可达 7 6 而关闭侧窗温度下 降幅度最高为 5 2 开始喷雾后 开启侧窗比关闭侧窗降温速率更快 到达最高点后 开启侧窗处理降温幅度 开始出 现下降 直至 28min时趋于稳定 降温幅度最终为 5 6 这是因为 喷雾结束后 风带走了温室内过多 的水蒸气 导致温度小幅回升 最终趋于稳定 关闭侧窗处理降温幅度到达最高点后开始趋于稳定并缓慢下降 开启侧窗的降温效果要优于关闭侧窗的情况 降温幅度差值最终为 1 2 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 1 2 3 4 5 6 7 8 降温幅度 时间 开启侧窗 关闭侧窗 15 00 15 05 15 10 15 15 15 20 15 25 15 30 0 5 10 15 20 25 30 增湿幅度 时间 开启侧窗 关闭侧窗 a 开启 关闭侧窗喷雾降温幅度 b 开启 关闭侧窗喷雾增湿幅度 图 4晴天天气情况下不同通风情况试验结果 Fig 4 Test results of different spray times in sunny weather 晴天天气情况下 侧窗开闭不同 温室内湿度变化出现显著差异 由图 4 b 不难得出 关闭侧窗时的相 对湿度增量 26 1 远大于开启侧窗时的相对湿度增量 7 4 探究其原因 关闭侧窗时 温室内部空间相 对封闭 空气流动性很低 喷雾产生的水雾经过蒸发形成水蒸气 水蒸气聚集在整个温室内 导致温室内的湿 度上升幅度较大 开启侧窗时 温室内通风情况良好 水雾蒸发 吸热 吸收了温室内部的热量 相较于室外 温室内部湿度较高 自然通风使空气流动 将室内高湿空气排出 再补充进入室外较干燥空气 以实现降温的 同时 湿度不会明显上升 2 4不同处理下的能耗对比 不同工况的降温幅度不同 能耗也不尽相同 表 2 是初始温度为 40 不同工况下降温幅度达到 5 时的 变频水泵功率 时间和能耗值 表 2不同工况下降温幅度达到 5 时的变频水泵功率 时间和能耗值 Table 2 Current voltage and power values of variable frequency water pumps with different working pressure and nozzle diameter 水压力 H m 喷嘴直径 D mm 水泵功率 P W 时间 T s 能耗 E kJ 20 0 25 1006 715 719 3 20 0 50 1014 621 629 7 20 0 75 1018 594 604 7 25 0 25 1177 576 678 0 25 0 50 1181 525 620 0 25 0 75 1186 474 562 2 30 0 25 1368 525 718 2 30 0 50 1376 481 661 9 30 0 75 1380 442 610 0 由表 2 可知 变频水泵的功率与水压力和喷嘴直径均呈正相关 变频水泵的功率随着水压力和喷嘴直径的 喷雾对温室温湿度影响的试验研究 增大而增大 同一水压力下 增大喷嘴直径会增加流量 即变频水泵功率会增大 喷嘴直径 0 50mm和 0 75mm 下的功率仅比 0 25mm增加 0 81 和 1 23 增幅不大 同一喷嘴直径下 增大水压力也会导致流量增大 变频 水泵功率增大 水压力 0 25MPa和 0 30MPa下的功率比 0 20MPa增加 17 07 和 35 98 增幅明显 改变水压 力引起的变频水泵功率的变化要远大于改变喷嘴直径的影响 变频水泵功率更多的取决于水压力 不同工况下降温幅度达到 5 时 能耗最低的为喷嘴直径 0 75mm 水压力 0 25MPa 处理 为 562 2kJ 在 该处理下 仅用时 474s降温幅度便达到 5 初始温度为 40 时 同一喷嘴直径下 降温幅度达到 5 的时间 随着水压力的增大而减小 同一水压力下 降温幅度达到 5 的时间随着喷嘴直径的增大而减小 时间与水压 力和喷嘴直径均呈负相关 式 1 为水压力和喷嘴直径与能耗进行的多 项式函数拟合方程 其决定系数 R2为 0 98 表明拟合公式可 以很好地反映水压力和喷嘴直径与能耗的关系 2 2 6 1 4 8 9 4 1 8 4 2 8 8 7 3 2 5 8 6 7 4 1 0 0 3 8 6 7 1 6 7 1 0E H D H D 1 式中 E为喷雾系统能耗 kJ H为水压力 m D为喷嘴直径 mm 以喷雾系统在初始温度为 40 时降 温 5 的耗电量最低为评价标准 能耗最低的处理仅耗电 0 156kW h 结合杨陵当地电价 0 5元 kW h 可以得 出 降温电费成本为 0 078元 喷雾系统运行成本低 因此 在降温效果相近的情况下 基于节约能源的目的 应优先考虑降低水压力和增大喷嘴直径 3结论 在不同雾化指标 喷雾时间和侧窗开闭情况下 对喷雾对温室温湿度的影响进行了试验研究 得出以下结 论 1 喷雾降温的原理是水雾蒸发吸热 不同雾化指标下的喷雾对温室内的温湿度的影响有显著性差异 水 压力越大 雾化指标越大 喷嘴直径越大 雾化指标越小 即同一时间内喷出的水雾越多 降温效果越明显 初始温度为 40 时开启喷雾 喷嘴直径为 0 75mm 压力 0 30MPa 时间 5min 降温幅度最高可达 5 4 降 温效果最明显 增湿幅度变化趋势同降温趋势 在降温 5 的情况下 使整个喷雾系统的能耗最低 以喷 嘴直 径为 0 75 mm 压力 0 25MPa最为合适 2 不同喷雾时长的喷雾对温室内温湿度的影响有显著性差异 喷雾时间越长 降温效果越明显 可以更 好的抵御高太阳辐射值 但长时间喷雾会导致温室内湿度过高 造成植物病虫害 故连续喷雾 10min最为合适 3 侧窗开闭情况不同 喷雾对温室内温湿度的影响有显著性差异 相同喷雾时间下 开启侧窗的降温情 况 5 7 优于关闭侧窗且相对湿度上升幅度小 5 10 因此 喷雾时应开启侧窗 降温更显著 4 水压力 0 25MPa 喷嘴直径 0 75 mm 喷雾时间 10min并配合侧窗通风为该试验降温效果最优且能耗 最低的工况 可为双拱双膜温室夏季的快速降温提供参考 参考文献 1 何南思 温室大棚环境参数控制 D 沈阳工业大学 2014 2 GONG X W QIU R J SUN J S et al Evapotranspiration and crop coefficient of tomato grown in a solar greenhouse under full and deficit irrigation J Agricultural Water Management 2020 235 106154 3 刘雪丽 付友生 刘新亮 降温技术在温室夏季生产中的应用 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