夏季连栋温室主要降温技术

2019-08-09 16:36:02 0

连栋温室为代表的设施农业作为现代农业生产的主要形式之一,是有效提高土地产出率、资源利用率和劳动生产率的重要手段。温室中栽培的常见蔬菜适宜生长温度多在 30℃以下,白天最高温度不宜超过 35℃。若夏季温室内的温度接近甚至超过作物生育的高温界限,将严重制约温室内作物的正常生长和发育。因此,连栋温室降温技术是保证温室夏季正常运行的重要手段。

我国目前应用最多的 Venlo 型连栋温室引自荷兰。荷兰的温室产业居世界领先地位,降温技术也是不断的推陈出新。然而,两地的气候条件却存在一定差异。

荷兰属于温带海洋性气候,夏季室外温度基本保持在 30℃以下,历年平均日照时数 1 484h.我国大部分地区属于大陆季风性气候,冬冷夏热,四季分明,多数地区夏季室外气温平均在 35℃ 以上,中北部及西部地区年平均日照时数在 2 200h 以上。两国气候条件的差异决定了荷兰连栋温室的设计焦点在提高温室的采光性能,夏季降温难度较低;而我国连栋温室的夏季降温却面临高温和强日照辐射的双重考验,不采取任何降温措施的连栋温室,夏季室内温度极易达到 40℃以上。

由于设施蔬菜生产夏季的市场竞争优势较弱,如何实现可靠降温、为作物提供一个良好的生长环境,同时尽量降低温室夏季的运行成本,是摆在我国科研工作者和相关企业面前的一个严峻问题。因此,了解连栋温室夏季降温技术的最新发展情况,分析各降温技术的主要特点及在我国应用的适用性,做到因地制宜、合理配置,就显得尤为重要。

 1 通风降温

通风降温是温室最常用的降温措施,利用通风系统将温室内外的冷热空气进行有效置换,可使室内温度与外部温度接近,达到降温目的,同时补充 CO2.通风降温分为自然通风和强制通风。

自然通风

自然通风是最为经济的通风降温方式,在运行管理中优先启用。它利用温室内外的温差产生的“热压”或外界自然风力产生的“风压”促使空气流动.温室结构设计的合理性对自然通风效果的影响很大。一般开窗面积要求达到温室面积的 15% ~ 30%,顶窗和侧窗组合的开窗方式通风效果最佳.

为增大开窗面积,国内外温室公司和科研单位都在开窗形式上进行了许多创新。轨道式双向蝶形开窗系统就是一种开窗面积较大的开窗方式。荷兰 Prins Group 公司在河南焦作建设的西红柿高效生产温室项目中采用了双向蝶形条形开窗形式,其开窗面积已接近连续开窗,充足的自然通风面积配合高压雾喷和环流风机,即可将夏季温室内温度控制在 33℃以下,虽然略高于西红柿生长的适宜温度,但却将温室运行中降温所需的能耗降到了最低。

屋顶全开系统可实现温室顶部屋面整体开启,通风换气比接近 100% ,能快速除去温室内的高温高湿 空气,在外界环境适宜时获得优于普通温室的降温效果。同时,这种开窗方式还能满足花卉生产中对自然光照的特殊需求.但是,由于屋顶全开系统引自荷兰,因此未考虑外遮阳的安装,限制了该系统在国内的推广。

还有一种安装在温室立面的侧旋开窗系统,窗扇可开启至与墙面垂直,达到通风面积的最大化。侧旋开窗系统由减速电机驱动,可实现手动控制或计算机自动控制。通过在温室立面合理布置侧窗,可配合屋面顶窗实现更好的通风降温效果.采用的侧旋开窗系统。大面积的侧面开窗配合屋顶开窗、外遮阳、风扇及温室内景观水系,基本能够满足 80% 的夏季降温需求。

机械通风

自然通风对温室的使用和种植是非常必要的,但其降温效果受温室所处地理位置、地势和室外气候条件等因素影响较大。太阳辐射较大时,单纯利用自然通风降温,远不能满足植物生长所需温度要求.为了改善降温效果,通常会采取机械通风的方式。机械通风主要包括负压排风系统和空气内循环系统。

负压排风系统。负压排风系统主要用于加强温室内空气与外界的对流,一般采用温室专用低压大流量轴流风机,通过负压排风的方式来提高温室内外空气置换效率,提高降温效果[1 - 6].该系统虽然会消耗一定能源,但通风效果可靠,且便于按需调节和控制。室外温度不高于 30℃、光照强度小于 50 000lx 的天气情况下,可使温室内平均气温低于室外 2 ~3℃[11].但是,这种方式在高温条件下降温效果也不明显,因此多与蒸发降温方式配合使用,以实现夏季温室降温需求。

空气内循环系统。空气内循环系统主要用于改善温室内空气的流动状况,包括安装于作物上方的环流风机和安装在栽培槽底部的通风管道。

一般认为,环流风机的作用只是让温室内的空气流动、充分混合,以提高温室内温度、湿度和 CO2浓度的均匀性,但实际上环流风机也可以实现一定的降温效果。温室内空气恒定低速流动,可通过降低叶面湿度来提高光合作用效率,有助于提高蒸发量,降低植物自身的温度,同时也降低了温室内温度。

在产品方面,不同厂家不同型号的产品风量和射程有一定的差距。其中,国产风机有效射程多在 15m左右,而进口风机可达到 45m.数字风扇可通过数字控制和来自于每台风扇的速度反馈来保证温室内每 个角落的风扇都保持相同的风速,让空气均衡流通。

通风管道多用于对温度控制和产量要求较高的高效栽培温室,一般放置在栽培槽底部,可与环流风机相连,也可作为空调系统的末端。通过在作物底部创造垂直慢速的气流环境,来实现作物根区的局部降温。这种方法可以大大降低病毒和霉菌的产生,将作物对降温的需求最小化,从而节约能源,还可用作 CO2的输送管道。

2 蒸发降温

蒸发降温是现代温室夏季生产环境调控中应用最为广泛和有效的降温技术之一,主要包括湿帘 - 风机降温系统、高压喷雾降温系统和屋顶喷淋降温系统。

湿帘 - 风机降温系统

湿帘 - 风机降温系统以其经济节能和环保性能在我国农业生产温室中大量采用,按其工作方式不同可分为分负压通风降温与正压通风降温两种。

负压通风降温即将风机和湿帘分别安装在温室相对的两面墙上,工作时风机将温室内的空气抽出,形成负压区,迫使外部空气从湿帘面进入,流经多孔湿润的湿帘表面,水分蒸发吸热,使进入温室内的空气温度降低。这种方式对温室密封性要求较高,且系统运行时在气流方向上会形成温度梯度。湿帘面和风机面之间的距离有一定限制。

正压通风降温的常用设备为湿帘冷风机,一般多用于畜禽舍的降温。风机运行时,冷风机腔内产生负压,机外空气通过机体上 3 个湿帘面进入腔内,经降温后的冷风从出风口吹出送入室内,驱赶室内的热空气,使其从门窗等通风口排出室外,从而降低室内温度。由于风机、湿帘组合在一个机体中,使用安装比较灵活,用于小区域或局部区域的降温,可获得良好的降温效果。

由于是利用蒸发降温的原理,因此湿 - 帘风机降温系统只能将温室内的干球温度降低至略高于室外湿球温度 1 ~2℃的水平.然而在实际运行中,受空气流速、湿帘换热效率等因素影响,湿帘的蒸发降温效率一般在 60% ~ 80%.这一特性就决定了该系统在我国北方干燥气候环境下降温效果显着,而在南方高温高湿环境下降温效果略显不足.湿帘 - 风机负压降温系统在北方地区的有效降温距离一般为48m,在南方地区根据实际温湿度情况会有所变化。

高压喷雾降温系统

高压喷雾降温是另一种常用的蒸发降温方式。在设施园艺技术较为发达的日本,其推广面积约是湿帘风机系统的 5 倍.高压喷雾降温系统中,水经过滤系统后进入高压泵,在高压(4MPa 以上)下通过管路流过孔径非常小的喷嘴(直径为 15μm)形成直径为 20μm 以下的微细雾滴,雾滴弥漫整个温室与空气混合,利用水的蒸发潜热,大量吸收空气中的热量,从而达到降温目的.

高压喷雾降温系统的喷嘴一般均布于温室上部,能够形成空间上比较均一的温、湿度分布[12].系统理论上最大降温极限为室内湿球温度,与通风系统配合能够降低室温 3 ~8℃。

但该系统需要配置高压雾化喷头和管网,对水质和过滤系统、喷嘴、加压设备要求较高。若造成温室内部湿度过高,植物易受病菌感染.

屋顶喷淋降温系统

屋顶喷淋一般用于北方灰尘较大及南方潮湿地区玻璃连栋温室屋面的清洗,借助该套系统还可以在夏季高温时期通过屋顶喷水蒸发实现降温目的。另外,不同于其他蒸发降温系统,屋顶喷淋不会造成温室内部湿度的增加,但只能降低温室顶部的空气温度。有试验研究表明:采用自然通风并结合外遮阳、室外屋顶喷淋措施可明显降低室内温度,最大温差4. 4℃ ,且不会造成温室内湿度显着增加.

除湿降温系统

为了提高南方高温高湿地区蒸发降温的效果,可采取先对空气进行除湿处理,再进入湿帘 - 风机蒸发降温系统的方式来获得更大的降温幅度。除湿的方法从原理上分有升温除湿、通风除湿、冷凝除湿、溶液除湿、固体除湿和干式除湿。其中,除湿量较大、适用于降温除湿的主要有冷凝除湿和溶液除湿。

冷凝除湿的原理主要用于家用和工业用除湿机,由风扇将潮湿空气抽入机内,通过热交换器,将空气中的水分冷凝为水珠,干燥的空气排出机外,如此循环使室内湿度降低。这种方式的设备初期投入和运行费用较高,难以在大面积温室生产中推广。

遮阳降温

遮阳降温的主要原理是通过遮阳材料降低进入温室内的太阳辐射强度或者减少温室的太阳辐射时间.无论是通风降温还是蒸发降温,与遮阳降温系统配合使用都能获得更好的降温效果.遮阳降温的形式包括幕帘系统、覆盖材料和喷涂降温涂料等。

幕帘系统

用于遮阳降温的幕帘系统主要为外遮阳和内遮阳。外遮阳安装在温室外部,能从根本上减少进入温室的太阳辐射热量和太阳光线,遮阳降温效果最好。

内遮阳安装在温室内部,主要是与外遮阳配合使用防止强光灼伤植物,单独使用不能起到降温效果,但夜间可用于保温。

从幕布的材质上分,常见的遮阳幕布主要有黑色针织遮阳幕、铝箔遮阳幕和黑白双面遮阳幕。

黑色针织遮阳幕作为外遮阳幕布在我国被普遍采用,具有经济、轻便耐用的特点,但其遮阳率不准确,强太阳辐射下遮阳降温效果欠佳。

铝箔反射遮阳幕由编织线将铝箔条编结为开孔结构,可反射掉不需要的太阳辐射,明显降低室内温度。由于铝箔较好的热辐射反射特性,该类型的遮阳幕更多地被用于内遮阳保温幕,兼具白天遮阳与夜间保温的双重功能。

黑白双面遮阳幕采用编织线和上表面白色、下表面黑色的聚烯烃薄膜编织而成,用于外遮阳系统,白色上表面反射光照和热量,可有效降低进入温室的热辐射;黑色下表面阻挡多余的光照,同时透过部分有效光。该类型遮阳幕在太阳辐射强的广西玉林地区连栋温室上使用起到了很好的遮阳降温效果。

从幕布的安装方式上,除了常见的托/压幕线系统外,还有仅需要一层幕线的折叠式外遮阳幕,即遮阳幕本身具有折叠性,安装时利用挂钩挂在幕线下。这种安装方式使幕布具有更好的抗风性,且收拢体积小、整齐美观,适用于我国西北、沿海等易受大风影响同时对外遮阳系统需求较大地区。

内外遮阳幕在为温室带来一定遮阳降温效果的同时也存在一些问题:首先,每一层幕帘系统都需要一套专门的驱动和控制系统,外遮阳系统还需要专门的外遮阳骨架,不仅增加了建设成本和施工复杂程度,还削弱了温室的抗风性能;其次,为了保证降温效果,可能导致温室内光照强度已无法满足作物正常生长需求。

遮阳涂料

作为幕帘系统的替代方案,在屋面甚至温室侧墙喷涂遮阳涂料可应对夏季高温季节的遮阳降温问题。

有试验证明,涂料覆盖相比遮阳网覆盖更有助于改善中午强光时辣椒的光合作用.

喷涂遮阳涂料在荷兰是夏季普遍采用的一种降温方式[2].涂料形态有液态和粉剂,部分性能也不尽相同。有的产品可随时间均匀消退,有的具有一定的抗风化性能;有的产品仅起到遮光作用;有的不仅能反射热辐射、还能提供散射光。

遮阳降温涂料一般在夏季高温季节来临前喷涂,遮阳率可通过配比不同的施用浓度来灵活调整,预期寿命从 1 ~ 6 个月不等。遮光季节结束后,再用专门的清洗剂清洗或待其自然消退。荷兰的连栋温室由于没有外遮阳,连片规模也较大,常用屋面清洗车或无人机进行大面积喷涂,清洗时使用屋面清洗车进行清洗。

我国的连栋温室普遍配置有外遮阳系统,因此该类遮阳涂料在我国的应用目前还多限于日光温室和单栋拱棚,仅在一些花卉生产连栋温室有少量应用[2].喷涂方法为手动或自动喷雾机。

覆盖材料

连栋温室的覆盖材料主要有薄膜、PC 板和玻璃,大多都不具备遮阳降温功能,但是目前市场上也出现了一些新产品。

例如,沙伯基础创新塑料 PC 板材系列产品中有一种隔热板,它在没有抗 UV 涂层的一面有特殊的隔热涂层,可选择性地阻挡红外光波长,而对可见光保持较高的透过率。由于太阳辐射的热量主要集中在红外线谱带,因此产生了隔热效果。

此外,美国 V - Kool 公司推出的 V - Kool70 无色玻璃贴膜也是应用类似的原理。其贴在温室玻璃上不会影响玻璃的清晰度,在不影响可见光进入温室的前提下,将太阳能和紫外线辐射阻挡在外,从而起到降温效果。这种贴膜的使用寿命长达 20 年。

以上两种新的覆盖材料均能在不影响温室光照强度的情况下降低室内温度,且不需要额外增加任何系统,安装完成后也不需要再进行任何操作,可以说是连栋温室夏季降温的最佳选择。但是,由于这些新材料生产成本较高,目前还未被市场接受,降温效果尚未经实践检验。同时,其对热辐射的阻隔性能可能会对温室冬季生产带来一些不利影响。

新能源空调系统

为形成规模化效应,用于作物高效栽培的连栋温室都要求有一定的体量,以提高灌溉系统利用率和土地利用率,便于机械化操作和自动化管理,从而提高单位面积产量;而我国普遍采用的湿帘 - 风机降温系统,由于其有效降温距离的限制,在大型化连栋温室中不再适用。

目前,荷兰的连栋温室大量采用类似于空调系统的空气处理单元(ATU)及配套冷源来解决这一问题。

空气处理单元包括制冷模块、加热模块、变频控制风扇、进风口、出风口和风管.为了降低温室的运行成本,在冷源的选用上引入了地源热泵技术、含水层储能技术、回灌技术等新能源技术。由于我国独特的气候条件,温室运行的能源消耗比欧洲或日本要高出1 /2 ~ 3 /4,因此对新能源技术的需求更为迫切.地源热泵技术、含水层储能技术和热电联产等技术的综合使用,可大大提高一次能源的利用效率,降低温室运行成本和温室气体排放,改善温室内环境,提高产品品质和产量。

地源热泵

地源热泵技术是利用浅层土壤(200m 以内)或地下水作为空调热源或冷源,通过输入少量高品位能源(如电能)实现低品位能源向高品位能源的转移。冬季,热泵将土壤或水源中的热量送入温室内;夏季,温室内的热量被热泵转移到土壤或水中,实现夏季降温,而地下获得的能量将在冬季得到利用,如此周而复始。

地源热泵技术能源利用率高,排放低,且具有加温制冷双重功能,已被广泛用于各种建筑物的制冷供暖,在温室生产中也有了一些探索性的应用。例如,马承伟等使用地源热泵技术对日光温室冬季加温,试验数据显示地源热泵加温系统 COP 最低 3. 36,最高7. 52,平均为 5. 83,棚内气温和浅层地温均有明显提高,可满足严寒冬季蔬菜生产的温度要求[23].北京市西三旗生态温室餐厅、宽沟温室餐厅均已采用地源热泵空调系统,北京国际鲜花港也采用的是地源热泵辅助天然气供暖系统.

但总体来看,由于地源热泵空调系统初期设备投入成本较高,目前应用较少。如果能针对温室特点,优化设计、完善相关技术,减少初期投资,在温室生产中的应用前景将更加广阔.

含水层储能

含水层储能(ATES)是利用地下水在含水层中流速慢和水温变化小的特点,用管井回灌的方法,将大气环境中冬季的“冷”和夏季的“热”季节性地储存在地下含水层中,需要时再抽取使用,实现冬季的供热和夏季的供冷[23,25].这项可再生能源新技术可比常规地源热泵节能 20% ~ 30% ,具有能效高、环保性能好及一机多用等特点。

含水层储能技术可广泛应用于工艺冷却、办公楼及大型建筑、热电厂等能源需求量较大的领域,以降低生产成本和维护费用。荷兰已有 2 000 个多地下含水层储能系统在运行,第一个项目至今已有 20 年历史。我国在 20 世纪 60 年代曾大规模的应用含水层储能技术来解决上海地区纺织厂的供冷问题,后来推广到全国 10 多个城市,但由于国家水资源政策的调整和技术本身的局限性,从 20 世纪 90 年代开始,这项技术的应用又逐渐萎缩。

某农业示范基地的空调系统,采用原装进口的荷兰含水层储能系统和水蓄冷技术,将这一技术成功的应用到了温室生产当中,实现了地下水 100%对井回灌,ATES 系统节能率 80% .这一案例无疑为该技术在我国温室行业的应用推广打开了一扇大门。5 结论与建议不同的降温技术受其降温原理限制,均有一定的局限性,单纯地采用某种降温方式很难达到理想的降温效果和温室运行的各方面需求。降温技术的采用需要根据地区气候条件、种植作物类型和温室系统性能等因素综合考虑选择。

首先,根据不同地区的气候资源,选择适用的降温技术对于保障温室生产的正常运行、降低建设和运行成本有着重要意义。我国西北及东北大部分地区夏季日平均温度不高,高温天气持续时间较短,夏季降温可以自然通风为主,辅以高压喷雾、屋面顶喷淋和环流风机。华北、黄淮、江汉、江淮、江南及华南部分地区夏季需降温日数在 80 天左右,最高温度较高,夏季高温时段降温需开启幕帘系统配合湿帘 - 风机降温系统、空气内循环系统等;而华南的广东和广西部分地区及海南地区日平均温度高、高温天气持续时间长、空气湿度大,是降温难度最大的地区,夏季降温采取通风、蒸发、遮阳等手段都难以取得理想的降温效果,建议配备新能源空调系统或除湿设备。

其次,根据温室用途和作物的生长特性制定合理的降温策略也是必要的。育苗温室、实验温室等对温度调控的要求较高,因此需配套较完善的降温系统,以便于灵活组合使用,达到预期降温效果。高效栽培温室由于作物自身的蒸腾降温,温室降温需求相对较小,可根据当地气候条件和种植作物对高温的耐受性选择部分降温手段,以尽量降低温室的建设和运行成本。由于夏季蔬菜价格偏低,设施生产没有市场竞争优势,因此可以考虑在夏季高温月份安排换茬、休棚和消毒,省去强制降温的运行成本。花卉生产温室、展览温室对于温度的可控性要求最高,根据投入产出比和生产必要性分析,可考虑配备新能源空调系统。