一种新型作物温室系统的设计.pdf

收稿日期 2019 12 26 基金项目 安徽省高校优秀青年人才支持计划项目 gxyqZD2018134 安徽省质量工程项目 2016ckjh049 2017zhkt132 作者简介 尹晶晶 1984 女 安徽六安人 讲师 硕士 研究方向为农业自动化 一种新型作物温室系统的设计 尹晶晶1 徐振峰2 1 安徽国防科技职业学院电气技术学院 安徽六安237011 2 合肥学院电子信息与电气工程系 安徽合肥230601 摘要 尽管我国温室面积高居世界第一位 但是温室系统很不规范 拱棚温室造价低 但无法 进行自动化控制 现代化温室可以实现自动控制 但造价非常高 为此 设计了一种新型作物温室 系统 采用镀锌钢管作为系统支架 采用薄膜作为覆盖材料 温室系统包括室内环境监测传感器 用以通风的南北侧卷膜和顶部卷膜 外遮阳网 喷淋 加热管道 保温幕和CO2发生器 该温室系 统兼顾了温室建设成本与自动控制两方面因素 为我国广大地区的温室建设提供了参考 关键词 温室 自动控制 能耗 中图分类号 S625 1 文献标识码 B 文章编号 2096 790X 2020 05 0077 04 DOI 10 19576 j issn 2096 790X 2020 05 017 Design of a New Crop Greenhouse System Yin Jingjing1 Xu Zhenfeng2 1 School of Electrical Technology Anhui Vocational College of Defence Technology Lu an City Anhui Province 237011 2 Department of Electronic Information and Electrical Engineering Hefei University Hefei City Anhui Province 230601 Abstract China s greenhouse area is the largest in the world but the greenhouse system is not standardized Arched greenhouse has low cost but there is no automatic control Modern greenhouse can realize automatic con trol but the cost is very high Therefore a new crop greenhouse system is designed in this paper Galvanized steel pipe is used as system bracket and film is used as covering material The greenhouse system includes indoor envi ronmental monitoring sensors rolled films on the north and south sides and on the top for ventilation external shad ing net spraying heating pipe insulation curtain and CO2 generator Both the construction cost and automatic con trol are considered in the greenhouse system which provides a reference for greenhouse construction in vast areas of China Key words greenhouse automatic control energy consumption 0 引言 温室是通过使用薄膜 玻璃等透明覆盖材料而 形成的一个相对密闭的空间 通过合理调节室内环 境因子来实现作物反季节生产以及优质高产 在上 世纪60年代 我国温室主要是薄膜覆盖的拱形大 棚 规模小 水平低 且室内环境难以调控 改革开 放之后 我国先后从日本 欧美地区引进大量现代化 温室 但由于缺乏现代化温室的管理经验 没有考虑 配套的种植品种和配套技术 再加上对我国气候条 件的认识不充分 结果大部分温室都不能正常运 行 1 上世纪末 国内许多地方先后花巨资从以色 列 荷兰等国家购买成套温室设施 2 由于气候差 异 管理水平及理念的不同 大部分温室的生产效果 并不理想 为此 农业部于1999年发布了 关于加 强温室引进管理工作的通知 要求各地进一步规 范引进工作 提高引进温室的经济效益 3 虽然经 过40多年的发展 我国温室面积已跃居世界第一 位 但温室生产与管理水平仍与发达国家有很大差 距 这导致了温室生产水平和经济效益明显低于荷 兰 以色列等发达国家 由于温室建设及生产受到气候 建设成本 管理 第22卷 第5期 Vol 22 No 5 黄河科技学院学报 JOURNAL OF HUANGHE S在夜间 三侧墙释 放热量 向阳面同时覆盖有保温被以维持一定的室 内温度 与拱棚温室相比 日光温室配备了部分环 境调控设备 例如有的日光温室带有卷膜机 加热炉 等设备 通过人工按动相关按钮以实现设备的动 作 自动化程度依然很低 连栋温室是现代化温室 一般采用玻璃 阳光板等材料覆盖 室内通常安装有 多种环境调控设备 占地面积大 自动化程度高 不 过 连栋温室的建设成本非常高 国内连栋温室多用 于种植名贵花卉以及用于科学研究等 由于普通百 姓难以承受其高昂的造价和运行成本等 因此连栋 温室在国内的普及率并不高 1 2 室内受控环境因子 影响室内作物生长的主要环境因子包括室内空 气温度 相对湿度 光照度和CO2气体浓度 作物 的光合作用 呼吸作用 光合产物的输送以及养分的 吸收等都需要在一定温度条件下进行 在自然界气 候条件的各种环境因素中 温度条件因昼夜 季节和 地区的不同而发生变化的范围很大 这是露地种植 不能进行作物周年生产的最重要原因 4 因此 室 内空气温度是温室小气候环境控制中关注最多的环 境因子 相对湿度对作物光合作用 养分吸收等均有所 影响 过高或过低的相对湿度都不利于作物生长 如果温室内相对湿度过高 作物的蒸腾作用将会受 到抑制 从而阻碍根系对养分的吸收和输送 导致光 合强度下降 持续高湿环境还容易滋生各种真菌疾 病 以及导致作物茎叶生长过旺 影响开花结实 反 之 过低的相对湿度容易导致水分胁迫以及气孔关 闭 从而减少光合作用 如果相对湿度过低 而同时 日照强烈 气温较高的话 作物将会因失水过多而造 成暂时或永久萎蔫 光不仅是植物进行光合作用等基本生理活动的 能量源 也是植物花芽分化 开花结果等形态建设和 控制生长过程的信息源 植物利用光能进行光合作 用 从而把CO2和水转化为碳水化合物 在高纬度 地区的冬季 太阳光照不仅强度弱 而且光照时间也 较短 因此室内光照强度和光照时间均不能满足作 物生长需求 需要进行补光 而在低纬度的亚热带 热带地区的夏季 晴朗白天的太阳辐射很强 过强的 太阳光不仅会灼伤室内作物 还会导致室内温度过 高 则需要遮阳操作 以减少进入温室的太阳光辐射 CO2气体是作物进行光合作用的原材料 其浓 度直接影响作物光合作用的强度和物质产生的效 率 由于温室空间的有限性和密封性 室内空气中 的CO2浓度不像外界空气中那样稳定 在夜间 作 物因呼吸而释放出CO2气体 因此夜间室内CO2气 体浓度要高于外界空气 而在白天日出之后 作物 由于光合作用而大量消耗室内CO2气体 其浓度迅 速降低 通常1 2 h之后 室内CO2气体就会降低 到室外的浓度水平 到正午时 密闭温室中CO2气 体浓度远低于大气中的浓度 4 这种情况下 则需 要补充室内CO2气体 由于温室小气候环境的相对密封性 当白天太 阳辐射较强时 室内温度 湿度 CO2气体浓度等都 具有较大波动 一方面 需要合理地控制相关设备 动作 以便把室内主要环境因子控制在设定范围内 另一方面 需要考虑温室建设费用和运行费用等问 题 由于这两个方面具有很强的冲突性 因此温室 建设还有巨大的提升空间 2 温室系统的设计思路 从农业自动化与建设成本等方面考虑 温室系 统设计应遵循以下原则 1 新型温室系统需要为 实现环境调控自动化而提供条件 因此温室系统中 应当安装有一定种类和数量的调控设备 2 为了 便于普及和广泛使用 温室系统的建设成本不能过 高 3 在温室生产过程中 应尽可能减少其运行成 本 4 温室生产不应当仅满足蔬菜或作物的反季 节生产 而应当尽量实现全年生产 根据以上分析 温室系统具有以下组成部分 87黄河科技学院学报 2 1 室内环境监测系统 由于温室环境自动控制系统应建立在环境因子 自动采集的基础上 因此温室系统中应该包括室内 环境监测系统 根据以上分析 需要监测的室内环 境因子应包括室内空气温度 相对湿度 光照度和 CO2浓度 对于我国绝大部分地区来说 由太阳光 而产生的光照度基本上能够满足温室作物的生长需 求 因此可以不必对室内照度进行监测 2 2 通风窗 在众多设备中 天窗和侧窗是非常重要的设备 打开天窗或侧窗 可以实现室内外空气对流 从而达 到降温 除湿以及调节室内CO2气体等目的 开窗 通风几乎不消耗电能源 而且投资省 因此是非常经 济的温室环境调控方式 不过 自然通风的能力有 限 而且通风效果受室外风速 风向等因素影响 与 通风窗相比 开启风扇进行通风 被称为机械通风或 强制通风 具有通风能力强 效果稳定等优点 但 是 机械通风因风扇的持续转动而不断消耗电能 长 时间运行会增加温室运行成本 所以 在温室系统 中应当尽可能采用开窗通风方式 2 3 遮阳网 在亚热带和热带地区夏季晴朗的白天 太阳辐 射很强 大量的太阳辐射能量穿过透明覆盖层进入 温室从而引起室内温度升高 遮阳就是采用不透光 或透光率低的材料遮挡阳光 阻止多余的太阳辐射 进入温室 一方面达到降温的目的 另一方面又能防 止植物被阳光曝晒 遮阳方法主要有室外遮阳 室 内遮阳和屋顶刷白3种方式 5 与后两种遮阳方式 相比 外遮阳效果更好 且使用方便 当然 外遮阳的 建设成本略高 不过 与开窗通风一样 遮阳网仅在 其短暂的运动过程中消耗电能源 而在绝大部分时 间内处于静止状态 不消耗任何能源 因此 在温室 生产过程中 当需要降温等操作时应当充分利用遮 阳网 2 4 喷淋装置 从降温的角度来看 在炎热的夏季 同时展开遮 阳网和打开通风窗或风扇 室内温度也不能够降低 至合适的范围内 此时 可以采取蒸发降温的方式 蒸发降温主要包括湿帘降温和喷雾降温两种方 式 6 湿帘降温在实际应用中多与负压机械通风 系统组合使用 称为湿帘 风扇降温系统 其特点是 降温速度快 但分布不均匀 且运行能耗大 喷淋降 温是另一种蒸发降温方式 它是采用液力或气力等 方法 向空气中直接喷入雾滴 通过其蒸发来实现降 温的目的 所喷出的雾滴越小 雾滴与空气接触的 表面积就越大 从而就越利于蒸发降温 喷淋降温 运行能耗低 降温效果均匀 但降温速度低于湿帘降 温 从运行能耗和降温均匀性来看 应采用喷淋降 温方式 2 5 加热装置 在我国大部分地区的冬季 当种植喜低温作物 时 通过设置良好的密闭性 许多温室冬季可以不安 装加热设备 不过 为了确保温室作物在极端寒冷 天气情况仍能够正常生长 温室系统中应当设置部 分加热设备 目前 温室中常用的加热方式主要有 热风采暖 热水采暖和火炉采暖等 7 热风采暖具 有预热时间短 升温快 易操作等优点 但温度稳定 性差 停机后温度下降快 热水采暖因水的热容量 大 因此预热时间较长 但停机后的保温性非常好 火炉采暖具有较好保温性和辐射加热效果 设备费 用低且易维护 不过 火炉采暖不易实现自动控制 而且在使用时必须注意通风以防止煤气中毒 综上 分析 采用热水采暖方式比较合适 2 6 保温幕 对于冬季温室保温来说 设置保温幕具有重要 意义 参考日光温室结构 在寒冷季节 可以在温室 北侧以及东西两侧分别覆盖保温幕或保温被 当覆 盖保温幕或撤销保温幕时 需要一定的人力劳动 当覆盖或撤销完毕之后 不再需要人力劳动 且无运 行能耗 因此 对于许多温室来说 在冬季可以增设 保温幕以实现温室保温功能 2 7 CO2发生器 当温室内CO2气体浓度过低时 需要增加其浓 度以保证作物正常的光合作用 通风换气是最常用 且最经济的方法 不过 温室在冬季进行通风换气 的次数与时间非常有限 因此 当室内CO2气体低 于室外空气中的浓度水平时 应当适当补充室内 CO2气体 增施CO2气体 可以采用固态CO2 液态 CO2以及增施有机肥等 5 从成本和使用方便程度 两方面考虑 建议采用液体CO2增施方式 通过电 磁阀容易实现液态CO2瓶的自动开关控制 3 设计实施 根据上述设计分析 设计了一款温室系统 其三 维结构如图1所示 横切面结构如图2所示 温室 大小可以参考现有温室 温室长度一般不超过 60m 宽度在6 12m之间 檐高不应低于3m 具体 长度可以根据实际情况而定 温室架构采用镀锌钢 管 以增强其坚硬程度和抗风雪能力 采用薄膜材 料覆盖 在确保一定保温功能的前提下 尽量降低建 设成本 97尹晶晶 等 一种新型作物温室系统的设计 图1 温室立体结构 图2 温室横切面结构 在该温室中心处设置有传感器系统 用于实时 监测室内空气温度 相对湿度和CO2气体浓度 由 于卷膜通风比传统窗户的通风效果更好 因此采用 卷膜的形式设有南北侧窗和顶窗 当需要通风换气 时 通过电机带动卷轴 以开启部分或全部侧窗和顶 窗 为了避免室内温湿度的剧烈波动 侧窗和顶窗 的开口大小均可以连续调节 尽管遮阳有多种形 式 但外遮阳效果更好 且使用方便 因此在该系统 中设置了外遮阳网 主要目的是用于遮阳降温 为 了避免极端高温情况 设置了喷淋装置 以进行蒸发 降温 在保温方面 参考日光温室的特点 采用具有 一定厚度的泡沫板等 设置了外保温幕 在温室东 西侧墙 北侧墙与顶部北侧面覆盖外保温幕 能够取 得一定的保温效果 深秋或初冬季节时的气温较低 覆盖该保温幕 在春季 当气温逐渐回暖 则撤去该 保温幕 为了给室内作物提供适宜的生长环境 除 了保温幕之外 还设置了热水加热管道 与其他设 备相比 热水加热的能耗要高得多 其操作也相对复 杂 因此 在寒冷的冬季 采取保温措施之后 室内 温度仍不能满足作物生长时 才启动热水管道进行 加热 最后 温室内还设置CO2发生器 采用液体 瓶装CO2即可 便于实现自动控制 以及具有方便 移动与更换等优点 CO2增施主要在冬季白天使 用 在冬季 温室绝大部分时间都处于密闭状态 在白天时段 室内CO2气体因作物光合作用而迅速 减少 此时 启动液体CO2瓶的阀门 在其他季节 尤其是夏季 通风窗很多时候都处于打开状态 此时 不会进行CO2增施操作 4 结语 针对我国现有温室种类及其存在的问题 设计 了一种新型作物温室系统 采用镀锌钢管作为系统 支架 采用薄膜作为覆盖材料 温室系统包括室内 环境监测传感器 用以通风的南北侧卷膜和顶部卷 膜 外遮阳网 喷淋 加热管道 保温幕和CO2发生 器 该温室系统兼顾了温室建设成本与自动控制两 方面因素 具有投资少 能耗低等优点 为我国广大 地区的温室建设提供了参考 参考文献 1 周长吉 冯广和 引进温室带给中国设施园艺现代化的思考 J 沈阳农业大学学报 2000 31 1 23 25 2 洪大起 关于引进国外大型温室设施的探讨 J 农村机械化 1998 4 7 8 3 王松涛 引进 给我们带来了什么 我国引进温室工作综述 J 农业机械 2000 11 7 4 马承伟 农业生物环境工程 M 北京 中国农业出版社 2005 5 邹志荣 邵孝侯 设施农业环境工程学 M 北京 中国农业出版社 2008 6 SETHI V P SHARMA S K Survey of cooling technologies for worldwide agricultural greenhouse applications J Solar Energy 2007 81 12 1447 1459 7 吴静怡 金鼎 温室加热方案选择 J 农村实用工程技术 2001 1 8 9 08黄河科技学院学报