利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析

中国农业气象 ( Chinese Journal of Agrometeorology) 2015 年doi: 103969/j issn1000 6362201503006辛敏 ， 仝宇欣 ， 杨其长 ， 等 利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析 J 中国农业气象 ， 2015， 36( 3) : 287 295利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析*辛 敏 ， 仝宇欣， 杨其长， 魏灵玲 ， 王 君 ， 卞中华( 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 /农业部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 ， 北京 100081)摘要 : 通过利用室外冷源空气协同空调进行植物工厂降温 ， 以仅使用空调降温的植物工厂为对照 ， 同时结合零浓度差 CO2施肥方法使植物工厂内外 CO2浓度保持一致 ， 调查引进室外冷源空气对植物工厂内空气温度 、饱和水汽压差 、CO2浓度 、降温设备的节能率 、性能系数 ( COP， coefficient of performance) 及奶油生菜产量和光合色素含量的影响 。结果表明 : ( 1) 引进室外冷源空气的降温方法可以将试验植物工厂内温度控制在目标范围 : 明期23 27、暗期 18 22， 外界温度越低 ， 温度变化幅度越大 ; 同时段试验植物工厂内的空气饱和水汽压差 ( 明期 1. 3 2. 7kPa， 暗期 1. 2 1. 9kPa) 高于对照 ( 明期 0. 3 1. 3kPa， 暗期 0. 3 0. 5kPa) ; 配合零浓度差 CO2施肥法基本能将明期大部分时段的 CO2浓度控制在与外界浓度相同范围内 ( 400 500molmol1) 。( 2) 试验期间 ， 与仅使用空调的降温方法相比 ， 引进室外冷源空气的方法能使植物工厂总耗电量节省 10. 8%， 其中试验植物工厂降温系统比对照节省了 66. 2%的耗电量 。( 3) 在外界温度 4 5以及显热比 0. 4 0. 9 的条件下 ， 引进室外冷源空气的风机性能系数为 19. 3 28. 9， 高于空调降温的 COP 值 ( 试验植物工厂为 5. 3 14. 7， 对照植物工厂为 5. 8 14. 9) 。( 4) 引进室外冷源空气的降温方法未对生菜产量和光合色素含量造成显著影响 。因此 ， 采用引进室外冷源空气的控制方法不仅可以节省植物工厂的降温耗电量 ， 还能提高降温设备的性能系数 ，取得显著的节能效果 。关键词 : 空调 ; 降温性能系数 ; 温度 ; CO2浓度 ; 节能eduction in Electric-energy Consumption for Cooling by Introducing OutsideCold Air in a Plant FactoryXIN Min， TONG Yu-xin， YANG Qi-chang， WEI Ling-ling， WANG Jun， BIAN Zhong-hua( Institute of Environment and Sustainable in Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Science/Key Laboratory for Energy Saving andWaste Disposal of Protected Agriculture， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China)Abstract: The commercial use of the plant factory( PF) with artificial light is limited because of its high operation costThus， in order to reduce electric-energy consumption for cooling and the operation cost， two PFs were used in thisstudy， in the experimental PF， a coupling control method by introducing outside cold air with fan together with airconditioner( AC) was employed for cooling， while in the control PF， only AC was used Null CO2concentrationdifference method to maintain inside CO2concentration at the same level as that of atmosphere was used in both PFsThe effects of introducing outside cold air on the air temperature， vapor pressure deficit( VPD) ， CO2concentration，electric-energy consumption， coefficient of performance( COP) of AC and fan， yield and content of photosyntheticpigments of lettuce were investigated The results showed that: ( 1) inside air temperature could be maintained at thesuitable range( light period: 23 27， dark period: 18 22) for lettuce growth by introducing outside cold air VPDin the experimental PF( light period: 1. 3 2. 7kPa， dark period: 1. 2 1. 9kPa) was higher than that in the control PF( light period: 0. 3 1. 3kPa， dark period: 0. 3 0. 5kPa) Null CO2concentration difference method could maintain the* 收稿日期 : 2014 10 17通讯作者 。E-mail: tongyuxin caas cn; yangqichang caas cn基金项目 : 863 计划资助课题 ( 2013AA103007) ; 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所基本科研业务费项目( BSF201405)作者简介 : 辛敏 ( 1989 ) ， 女 ， 甘肃酒泉人 ， 主要从事植物工厂节能环境控制研究 。E-mail: xinmin0028163 com中 国 农 业 气 象 第 36 卷inside CO2concentration as the same level as that of atmosphere ( 2) The total electric-energy consumption was around10. 8% lower in the experimental PF than that in the control PF ( 3) When the outside air temperature ranged from 4to 5， the sensible heat factor ranged from 0. 4 to 0. 9， COP of the fan of 19. 3 28. 9 was higher than that of the ACs( 5. 3 14. 7 in the experimental PF; 5. 8 14. 9 in the control PF) ( 4) There were no significant differences on theyield and content of photosynthetic pigments of lettuce in two PFs The results indicate that PF cooling by introducingoutside cold air can be considered as an efficient method for reducing its electric-energy consumptionKey words: Air conditioner; Coefficient of Performance; Temperature; CO2concentration; Energy saving人工光植物工厂作为一种创新的植物生产模式 ，被公认为现代设施农业发展的最高级阶段 1。与传统农业相比 ， 其优势主要表现在 : 摆脱了自然环境的限制 ， 实现了周年稳定生产 ; 大幅提高了作物产量 、质量和投入资源 ( 土地 、水等 ) 的利用效率 ; 产品安全无污染 ， 可就近消费 ， 大大减少了从产地到餐桌的长途运输能耗 、物流成本和碳排放 ; 操作省力 ， 机械化程度高等 2。因此 ， 近年人工光植物工厂在国内外 ， 尤其是亚洲地区具有广泛的应用需求 3-4。然而 ， 植物工厂的推广应用也面临着诸多问题 ， 如成本过高 、能耗较大 、经济效益欠佳等 。能耗问题一直是植物工厂发展的瓶颈 ， 尤其是以电能消耗为主的人工光植物工厂 ， 能耗成本居高不下严重影响了其商业化进程 。研究显示 ， 能耗成本占人工光植物工厂运行成本的 30% 50% 5-6。人工光植物工厂的能耗主要来自于人工光源及室内温度调节 ， 其中温度调节主要为降温 ， 降温能耗约占全年空调能耗的 90%。因此 ， 减少人工光植物工厂降温能耗是降低其运行成本的关键 7-8。人工光植物工厂主要采用具有加热 、制冷 、送风等多项功能的空调进行室内温度调节 2， 9， 其节能水平用性能系数 ( COP) 来衡量 。理论上 ， 空调在其制冷负荷 60% 80%运行时 ， COP 值最高 10。然而 ， 在实际生产中 ， 为使人工光植物工厂内温度可以周年控制在目标范围内 ， 空调功率的选择一般以能满足植物工厂内最大负荷时的功率为依据 。而实际上 ， 植物工厂内制冷负荷远小于空调的制冷功率 ， 空调长期处于低效率运行状态 ， 尤其是在室外温度较低的冬天或制冷负荷较低的暗期 。在这种情况下 ， 不但会造成空调的频繁启动 ， 增大压缩机的磨损程度 ， 还会增加空调耗电量 ， 造成能源的浪费 11。因此 ， 如何使空调减少频繁启停次数 ， 保持在高 COP 下运行是降低植物工厂降温能耗的关键 。中国北方地区 ， 春 、秋 、冬三季的室外温度一般都低于植物工厂内植物生长所需温度 ， 即存在室外冷源 。王君等 12研究证明了充分利用室外冷源空气降温方法的可行性 ， 但对降温设备的性能系数及其影响因素未作深入分析 ， 对引入室外空气造成的环境因子的变化及其对植物生长的影响也未加考虑 。因此 ， 本试验拟采用引进室外冷源空气的降温方法来控制植物工厂温度 ， 为了减少 CO2的逸散损失 ，结合零浓度差 CO2施肥方法 ， 即将 CO2浓度控制在室外的浓度水平 13。着重研究引进室外冷源空气对植物工厂内环境因子 ( 温度 、VPD、CO2浓度 ) 、降温设备节能率及其性能系数的影响 ， 分析其影响因素 ， 并调查引进室外冷源空气与零浓度差 CO2施肥方法对生菜产量和光合色素含量的影响 。1 材料与方法1. 1 试验设计试验于 2013 年 11 月 13 日 12 月 18 日在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所两个相同的植物工厂 ( 3957'N， 11619'E) 内进行 。植物工厂规格均为 3. 5m 3. 0m 2. 5m( 长 宽 高 ) 。植物工厂内部有空调 、光源 、营养液池 、栽培槽 、泡沫板 、水泵 、CO2钢瓶等设备 ， 每个植物工厂内可种植生菜 720株 。其中一个为试验植物工厂 ， 顶部安装一台风机用以引进室外冷源空气 ( FY-25LD2C， 广东产 ) ， 风量为250m3h1， 功率为 90W。另一个为对照 ， 除无风机外 ， 其它设备与试验植物工厂相同 。两个植物工厂装有同一型号的空调 ( FTXN32KV2C，北京产 ) ， 制冷功率为 1100W。试验期间通过布设于室内外的温湿度传感器 ( HY-102， 北京产 ) 的实时观测 ， 与植物工厂内温度设定值进行对比 ， 控制风机和空调的开启和关闭 ， 实现对室内温度的调控 。两个植物工厂明期 CO2浓度均采用零浓度差的方式控制 ， 即通过布设在植物工厂内部的 CO2浓度传感器 ( GMT222， 芬兰 ) 的实时观测 ， 与室外 CO2浓度值进行对比 ， CO2自动控制系统通过控制钢瓶的开启和关闭 ， 以及质量流量控制计 ( HTK20131101， 韩国 ) 的开度大小来实现室内外空气中 CO2浓度保持相同水平 。当室内 CO2浓度低于室外时 ， 自动控制系统控制 CO2钢瓶开启 ， 根据差值大小控制质量流量控制计的开度 ， 直到 CO2浓度与室外水平相同时停止 。882第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析CO2施放装置结构见图 1。为使植物工厂内部 CO2气体分布均匀 ， 采用 6 条 3mmPE 管作为气体施放管道 ， 分别延伸到每层栽培架 ， 并在管路上钻孔以保证气体施放均匀度 。由于试验植物工厂要引入外源冷空气 ， 因此 ， 其内部 CO2的补充实际来源于外界空气和钢瓶的补充 ， 而对照植物工厂内 CO2则完全来源于钢瓶 。试验期间植物工厂内种植奶油生菜 ， 采用穴盘育苗 ， 待生菜生长到一叶一心 ( 约 15d) 后 ， 将其移栽至植物工厂内 ， 栽培期为 35d。每个植物工厂栽培面积为7. 2m2( 2m 0. 6m 3 2， 长 宽 层数 架子组数 ) ，栽培密度为 25 株 m2。试验期间明期设定为 9: 00 23: 00， 暗期为 23: 00 次日 9: 00。栽培光源采用 24W的三基色荧光灯 ( YZ24-T5， 广州产 ) ， 每个植物工厂安装荧光灯管 72 根 ， 照明总功率为 1728W。光照强度和光周期分别为 150molm2s1和 14hd1。1. 2 测量指标及方法1. 2. 1 测量指标温湿度 、CO2浓度分别由温湿度传感器和 CO2浓度传感器测得 ， 并由数据采集器记录 。试验植物工厂内布置温湿度测点 5 个 ， 分别位于风机和空调室内进 、出风口以及植物工厂中间位置 ， 高度为 1. 5m。对照植物工厂内布置温湿度测点 3 个 ， 分别位于空调进 、出风口以及植物工厂中间位置 ， 高度为 1. 5m。在室外布置一个测点 ， 位于植物工厂围护结构外侧 ， 高度为 1. 5m。CO2浓度测点有 3 个 ， 试验植物工厂和对照植物工厂内各一个 ， 均位于植物工厂中间位置 ，在围护结构外侧布置一个测点 ， 高度均为 1m。数据采集间隔为 1min。共装有 7 个电表 ( KW8115， 日本产 ) 分别计量两个植物工厂的光源 、空调 、风机及总耗电量 。图 1 CO2施肥装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of the CO2enrichment system每隔 7d 分别取试验和对照处理中的 6 株生菜用电子天平称量植株叶片和根鲜重 ， 烘箱温度设定为70， 将鲜样品放入烘箱烘干 72h 后取出 ， 称量叶片和根干重 。同时另各取 6 株生菜的叶片 ， 采用 95%乙醇浸取比色法测定叶绿素含量 14。1. 2. 2 计算方法( 1) 试验植物工厂降温耗电量节省率 =WCK WEWCK100 ( 1)式中 ， 为试验植物工厂降温耗电量节省率 ( %) ;WCK为对照植物工厂耗电量 ( kWh) ， 指电表记录数据 ; WE为试验植物工厂耗电量 ( kWh) ， 指电表记录数据 。( 2) 降温性能系数 ( COP 值 )COP 值用焓差法进行计算 15-18， 每 10min 计算一次 。COP =QP( 2)式中 ， Q 为制冷量 ( kW) ; P 为降温设备输入功率( kW) 。Q =q( I1 I2)v( 1 + X)( 3)式中 ， q 为测点处的风量 ( m3s1) ， 以空调和风机的额定风量计算 ， 空调为 0. 08m3s1， 风机为0. 07m3s1; I1为内部进风口空气焓值 ( kJkg1) ;I2为内部出风口空气焓值 ( kJkg1) ; 为测点处空气比容 ( m3kg1) ; X 为绝对湿度 ( kgkg1) 。P =Wt0( 4)式中 ， W 为降温设备 ( 空调或风机 ) 的耗电量 ， 指t0时间段内电表记录数据的差值 ( kWh) ; t0表示时间 ( h) ， 每 10min 计算一次 ， 所以 t0为 1/6h。由经验公式可得温度 T 对应的水蒸气饱和压力Ps 为ln( Ps) =C1T+C2+C3T +C4T2+C5T3+C6ln( T) ( 5)式中 ， Ps 表示水蒸气饱和压力 ( Pa) ， 即相对湿度为 100%的空气水蒸气分压 ; T 为温湿度传感器测得的温度对应的开氏温度值 ( K) ， 每 1min 记录一次 ， 取10min 之内平均值 ; C1= 5800. 2206; C2=1. 3914993;C3= 0. 04860239; C4= 0. 41764768 104; C5=0. 14452093 107; C6=6. 5459673。水蒸气的分压力 Pv( Pa) 为Pv =Ps ( 6)982中 国 农 业 气 象 第 36 卷式中 ， 表示温湿度传感器测得的相对湿度( %) ， 每 1min 记录一次 ， 取 10min 之内的平均值 。空气饱和水汽压差 VPD( Vapor Pressure Deficit)( kPa) ， 即相对湿度为 100% 的空气水蒸气分压与空气水蒸气分压之差 ， 用来衡量室内植物蒸腾和水蒸气蒸发速率 ， 即VPD = ( Ps Pv) /1000 ( 7)绝对湿度 X 为X =0. 622PvP0 Pv( 8)式中 ， X 表示空气绝对湿度 ( kgkg1) ; P0为标准大气压 ， 101325Pa。焓值计算方法为I =1. 01t +0. 001X( 2500 +1. 84t) ( 9)I 表示空调 、风机进 、出风口的焓值 ( kJkg1) ， t表示温湿度传感器测得的摄氏温度值 ( ) 。湿空气比容 为v =T3. 48P00. 00132Pv( 10)式中 ， 表示测点处空气比容 ( m3kg1) 。( 3) 本研究中涉及的潜热量和显热比的计算Q1=q( X1 X2) ( 11)式中 ， Q1表示潜热量 ( kW) ; 代表水的汽化潜热 ， 取 25时的数值 2400kJkg1; 代表空气密度( kgm3) ， 由于空气密度与空气比容互为倒数 ， 所以 取 1/; X1、X2分别表示进 、出风口绝对湿度 ( kgkg1) 。显热比 SHF( Sensible Heat Factor， SHF) 指空气温度及湿度变化时 ， 针对全热量变化的显热量占总热量的比率 ， 即SHF =1 Q1Q( 12)1. 3 数据处理数据的处理及分析利用 Microsoft Excel 2007 和SAS 8. 0 软件完成 。2 结果与分析2. 1 引进冷源空气的降温效果分析试验植物工厂内的温度设定值为明期 25， 允许波动范围为 2， 引进室外冷源空气的具体控制方法为 : 设定明期风机启动温度为 24， 当外界温度低于 24 而内部温度高于 24 时 ， 开启风机引进室外冷源空气 ， 直到室内温度下降至允许范围 ( 即 23 27) 时 ， 风机自动关闭 ; 若室内温度无法控制在允许范围 ， 即室内温度高于 26时 ， 风机关闭同时启动空调降温 。对照植物工厂的温度设定与试验植物工厂一致 ， 但仅采用空调控制温度 。暗期温度设定值为20， 允许波动范围为 2， 风机启动设定值为19， 控制方法与明期一致 。由图 2a1、b1 可见 ， 在室外温度较高的 12 月 3 日和温度较低的 12 月 13 日 ，采用引进室外冷源空气的方法均可将试验植物工厂的温度控制在 : 明期 23 27， 暗期 18 22。但与对照相比 ， 由于试验植物工厂引进室外冷源空气的风机采用 on/off 控制并与空调协同工作 ， 导致植物工厂内温度波动较大 。由图 2a2、b2 可见 ， 在控制温度的同时 ， 试验植物工厂内空气饱和水汽压差 VPD 的变化区间为 : 明期1. 3 2. 7kPa、暗期 1. 2 1. 9kPa， 高于对照的明期0. 3 1. 3kPa、暗期 0. 3 0. 5kPa， 这是由于试验植物工厂引进室外低湿的冷源空气 ， 在降温同时也降低了室内湿度 。图 2a3、b3 表明 ， 采用零浓度差 CO2施肥方法均能使两个植物工厂内明期 CO2浓度基本保持与室外相同水平 ( 400 500molmol1) ， 但在用液态 CO2进行施肥时产生了 50 100molmol1的过冲现象 。对比分析图 2a 和图 2b 可见 ， 试验期间 ， 外界温度越低 ( 12 月 13 日 ， 图 2b) ， 试验植物工厂的温度波动幅度越大 ， 说明引进室外冷源空气的降温方法作用越明显 ， 植物工厂主要由风机降温 ; 反之 ， 外界温度越高 ( 12 月 3 日 ， 图 2a) ， 试验植物工厂的温度波动幅度越小 ， 且越接近对照的变化趋势 ， 说明此时引进室外冷源空气降温方法的作用不明显 ， 植物工厂主要由空调降温 。与温度变化趋势相同 ， 外界温度越低 ， VPD和 CO2浓度的波动幅度就越大 。2. 2 引进冷源空气降温的节能效果分析2. 2. 1 降温设备耗电量表 1 以室外温度较高 ( 12 月 3 日 ) 和较低 ( 12 月13 日 ) 的两天为例 ， 分析了不同室外温度对降温设备启停次数和耗电量的影响 。在 12 月 3 日 ， 当室外平均温度为 8. 32时 ， 试验植物工厂降温设备的耗电量比对照节省了 0. 56kWh。而在 12 月 13 日 ， 当室外平均温度为 3. 48时 ， 试验植物工厂降温设备的耗电量比对照节省了 1. 18kWh。与室外温度较低的12 月 13 日相比 ， 室外温度较高的 12 月 3 日风机和空调的启动次数分别高出 2. 5 和 3. 7 倍 ， 试验和对照植物工厂降温设备耗电量分别高出 3. 3 和 1. 2 倍 。可见 ， 引进室外冷源空气可减少降温耗电量 ， 且随着室外温度降低 ， 降温设备的启停次数和降温耗电量可大大减少 。092第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析图 2 不同外界温度下 12 月 3 日 ( a) 和 12 月 13 日 ( b) 试验和对照植物工厂内空气温度 ( 1) 、VPD( 2) 和 CO2浓度 ( 3) 的变化Fig. 2 Variation of air temperature( 1) ， VPD( 2) and CO2concentration( 3) inside and outside PFs on December 3( a) andDecember 13( b)表 1 不同外界温度下植物工厂降温设备启动次数及耗电量的比较Table 1 Compare of the number of on/off operation and electric-energy consumption of fan and air conditioners( ACs) forcooling in both PFs with different outside air temperature日期 ( 月 日 )Date( mm-dd)外界平均温度 OT( )试验风机启动次数 NOFE试验空调启动次数 NOAE试验风机耗电量EFE( kWh)试验空调耗电量EAE( kWh)对照空调耗电量EAC( kWh)12 03 8. 32 42 74 0. 32 0. 94 1. 8212 13 3. 48 17 20 0. 18 0. 2 1. 56Note: OT is the average air temperature outside PF， NOFE is the number of on/off operation of fan in the experimental PF， NOAE is the number of on/off opera-tion of AC in the experimental PF， EFE is the electric-energy consumed by fan in the experimental PF， EAE is the electric-energy consumed by AC in the ex-perimental PF， EAC is the electric-energy consumed by AC in the control PF192中 国 农 业 气 象 第 36 卷表 2 比较了生菜从定植 收获的整个生长周期 ( 35d) 内 ， 试验和对照两个植物工厂内总耗电量 、人工光和降温设备耗电量 。分析可知 ， 试验植物工厂总耗电量为 591. 3kWh， 比 对 照 节 约10. 8%。两个植物工厂人工光源完全相同 ， 其照明设备耗电量基本一致 。与对照相比 ， 试验植物工厂内空调节约了 46. 6kWh 的耗电量 ， 节省率达到 69. 8%。而由风机和空调组成的降温系统比仅用空调降温节省了 44. 2kWh 的耗电量 ， 节省率达 66. 2%。试验植物工厂降温设备耗电量仅占总耗电量的 3. 8% ; 而对照植物工厂中空调耗电量占总耗电量的 10. 1%。表 2 两个植物工厂内光源和降温设备耗电量的比较 ( kWh)Table 2 Compare of the electric-energy consumed by lighting andcooling equipments in the experimental and control PF( kWh)总耗电量TEC光源耗电量ECL空调耗电量ECAC风机耗电量ECF试验Experimental591. 3 554. 9 20. 2 2. 4对照Control662. 6 558. 8 66. 8Note: TEC is total electric-energy consumption， ECL is electric-energy con-sumed by lighting， ECAC is electric-energy consumed by AC， ECF is elec-tric-energy consumed by fan2. 2. 2 降温设备性能系数 ( COP)由图 3 可知 ， 当室外温度在 4 5变化时 ， 试验植物工厂风机的 COP 为 19. 3 28. 9， 平均值为23. 8; 空调的 COP 值为 5. 3 14. 7， 平均值为 10. 9;对照植物工厂的空调 COP 值为 5. 8 14. 9， 平均值为 9. 4。在相同室外温度下 ， 风机的 COP 值远高于试验和对照植物工厂内空调的 COP 值 ， 且两个植物工厂内降温设备的 COP 值均随着室外空气温度升高而降低 。可见 ， 室外温度越低 ， 引进室外冷源空气进行植物工厂降温的节能效果越好 。随着室外温度的升高 ， 风机的 COP 值逐渐下降 ， 仅利用风机进行降温不能将室内温度控制在目标温度范围内 ， 需使用空调协同运行才能达到降温的目的 ， 致使两个植物工厂降温设备的 COP 值逐渐趋于一致 ， 其节能效果也逐渐降低 。降温设备 COP 除受其运行时室外温度影响外 ，还受到显热比 SHF 值的影响 。降温设备的总制冷量为调节处理潜热和显热能力的总和 ， 而 SHF 值为显热量在总制冷量中所占的比例 19-20。SHF 值表征制冷设备的除湿能力 ， 在一定范围内 ， 设备 SHF 值越小 ， 其除湿能力和除湿效率越高 21。如图 4 所示 ，SHF 在 0. 4 0. 9 变化时 ， SHF 越低 ， 风机降温性能系数和空调 COP 值越高 ， 即除湿能力越高 ， 降温设备性能系数越高 ， 运行越节能 。SHF 相同时 ， 风机的降温性能系数远高于空调 ， 即要达到相同的除湿效果 ， 使用风机比使用空调更节能 。图 3 降温设备性能系数随外界温度的变化趋势Fig. 3 Variation of the coefficient of performance( COP) forcooling of ACs and fan with the outside air temperature图 4 降温设备性能系数随显热比的变化趋势Fig. 4 Variation of the coefficient of performance( COP)for cooling of ACs and fan with the sensible heat factor2. 3 引进冷源空气降温对生菜生物量及光合色素含量的影响分析2013 年 11 月 13 日 12 月 18 日试验期间 ， 试验和对照植物工厂内除 VPD 有较大差异外 ， 其它环境因子如温度 、CO2浓度以及光环境等差异较小 。由表3 可见 ， 两个植物工厂中生菜叶鲜重和干重 、根鲜重和干重 、叶绿素 a、b 和类胡萝卜素的含量亦均无显著性差异 ， 说明两种温度控制方法对生菜的生长和品质无显著影响 ， VPD 的差异不会对生菜生长产生显著影响 。292第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空气的植物工厂降温节能效果分析表 3 两个植物工厂生菜生物量及叶片光合色素含量的比较Table 3 Compare of yield and content of photosynthetic pigments of lettuce in both PFs叶鲜重LFW( g)叶干重LDW( g)根鲜重FW( g)根干重DW( g)叶绿素 a 含量Chla( mgg1)叶绿素 b 含量Chlb( mgg1)类胡萝卜素含量CC( mgg1)试验 Experimental 50. 59a 2. 42a 3. 65a 0. 23a 0. 25a 0. 15a 0. 04a对照 Contorl 54. 12a 2. 58a 3. 58a 0. 17a 0. 22a 0. 14a 0. 05a注 : 小 、大写字母分别表示处理间在 0. 05、0. 01 水平上的差异显著性 。Note: Lowercase and capital letter indicate the difference significance between PFs at 0. 05 and 0. 01 level， respectively LFW is leaf-fresh-weight， LDW is leaf-dry-weight， FW is root-fresh-weight， DW is root-dry-weight， Chla is chlorophyll a content， Chlb is chlorophyll b content， CC is carotenoid content3 结论与讨论3. 1 结论( 1) 试验期间两个典型日的观测结果说明 ， 引进室外冷源空气可以将植物工厂内部温度控制在 : 明期23 27、暗期 18 22; 饱和水汽压差控制在 ， 明期1. 3 2. 7kPa、暗期 1. 2 1. 9kPa， 高于对照的明期0. 3 1. 3kPa、暗期 0. 3 0. 5kPa; 配合零浓度差 CO2施肥法基本能将明期大部分时段的 CO2浓度控制在与外界浓度相同范围内 ( 400 500molmol1) 。( 2) 从生菜定植到收获的 35d 内 ， 与仅使用空调的降温方法相比 ， 采用引进室外冷源空气的降温方法使植物工厂总耗电量节省 10. 8%， 其中由风机和空调组成的降温系统节省了 66. 2%的电量 ， 用于降温的耗电量占总耗电量的比重从 10. 1%下降至 3. 8%。( 3) 在外界温度 4 5 以及显热比 0. 4 0. 9条件下 ， 风机和空调的降温性能系数随外界温度和显热比升高而降低 。其中试验植物工厂空调 COP 值为5. 3 14. 7， 对照为 5. 8 14. 9。风机的降温性能系数为 19. 3 28. 9， 远高于空调的 COP 值 。( 4) 引进室外冷源空气的降温方法未对生菜产量和光合色素含量造成显著影响 。3. 2 讨论3. 2. 1 植物工厂内环境因子的变化及其对生菜产量和品质的影响试验植物工厂中 ， 采用引进室外冷源空气方法协同空调降温使明期温度与对照基本一致 ， 但波动较大 ， 暗期温度则略低于对照 。在植物生长适宜温度范围内 ， 降低暗期温度可以促进光合碳同化物在植物中的分配 ， 降低暗呼吸 ， 从而促进植物生长 。严妍等 22研究表明 ， 暗期温度从 20降至 15， 生菜地上部干鲜重 、根干鲜重 、叶片数和叶面积均无显著性变化 。本研究结果与此一致 ， 由于本试验中暗期温度均控制在设定范围内 ， 满足植物生长需要 ， 因此未对生菜产量和品质造成显著影响 。引进室外低温 、低湿的冷源空气在降低室内温度的同时 ， 也改变了室内空气饱和水汽压差 ( VPD) 和CO2浓度 。VPD 值的大小会影响植物气孔导度 ， 从而影响植物光合速率和蒸腾速率 。Korner 等 23研究表明 ， VPD 值过低 ， 会降低植物蒸腾作用 ， 提高植物病虫害的发生几率 ， 从而降低植物产量和品质 ; VPD 值过高则会降低植物气孔导度 ， 甚至导致气孔关闭 ， 降低植物内外水蒸气和 CO2的交换速率 ， 从而降低植物光合速率和蒸腾速率 。awson 等 24研究表明 ， 当 VPD在 0. 8 2. 7kPa 范围内变化时 ， 不会影响小麦 、大豆 、向日葵等植株的光合速率 、气孔导度和植物体内部的水分扩散 。Mortensen 25研究表明 ， 当 VPD 从 1kPa 下降至 0. 4kPa 时 ， 对盆栽植物的生长影响较小 。Grange 等 26研究表明 ， VPD 在 0. 2 1. 0kPa 范围内变化时 ， 对番茄的生长发育无显著影响 。本研究中 ，VPD 变化范围为 0. 3 2. 7kPa， 也未