戴云新，劉燕，陶先東，張雪峰，楊錦華，胡桂華

（南通市蔬菜科學(xué)研究所，江蘇南通 226007）

南通市是農(nóng)業(yè)大市，蔬菜、瓜果、苗木種植產(chǎn)業(yè)已逐具規(guī)模，雖然已成為設(shè)施規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)項(xiàng)目集聚地、投資地、產(chǎn)業(yè)發(fā)展地。但設(shè)施栽培還是以避雨、防風(fēng)保溫的葉菜等低端品種為主，農(nóng)業(yè)設(shè)施科技含量低，栽培管理主要靠經(jīng)驗(yàn)，致使設(shè)施產(chǎn)出的品質(zhì)、效益始終處于低水平[1-2]。因此，如何利用綠色、節(jié)能的能源要素，使溫室作物不受外界氣候影響，實(shí)現(xiàn)周年精準(zhǔn)生產(chǎn)，是南通市設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色節(jié)能、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。

傳統(tǒng)溫室控溫的方法有遮陽、通風(fēng)及水霧控制，一些溫室會(huì)建造新的系統(tǒng)和控制設(shè)備[3-5]。傳統(tǒng)的控溫方式雖然成本低、易操作，但效果不佳，尤其是南通地區(qū)，夏季最高氣溫在40℃以上，冬季最低氣溫在-5℃以下，遮陰、排風(fēng)、噴霧、水簾等傳統(tǒng)方式很難將室溫控制在20～30℃，不利于植物生長[6-9]。有溫室采用空調(diào)系統(tǒng)控溫，然而溫室內(nèi)外溫差大，空調(diào)能耗高、效率低，無法適應(yīng)商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用[10-11]。

近年來，有研究發(fā)現(xiàn)，利用地源熱泵機(jī)組進(jìn)行控溫有較好的效果[12]。地源熱泵機(jī)組充分利用了淺層地能，其屬于綠色節(jié)能設(shè)施，具有安裝成本低、能耗少、控溫效果好的特點(diǎn)[13-15]。南通地區(qū)擁有豐富的地下水層，具有8～10m 土壤下的地下水，能吸收太陽能、地?zé)崮?，而蘊(yùn)藏的低品位熱能（18℃左右）。利用熱泵技術(shù)，將這種可再生的低品味能量提升為高品位能量，再釋放到使用環(huán)境中的一種節(jié)能方式，有別于傳統(tǒng)深層（大于30m）的地?zé)崮?，不涉及深水層，基本不受地域和氣候影響，溫度相對恒定，是一種非常重要的綠色節(jié)能新能源[16]。然而由于維護(hù)費(fèi)時(shí)、壽命較短，一直未能普及應(yīng)用。

通過對南通市蝴蝶蘭培養(yǎng)溫室在全年不同溫度比較傳統(tǒng)控溫系統(tǒng)、小型空調(diào)系統(tǒng)、小型地源熱泵機(jī)組、中型地源熱泵機(jī)組進(jìn)行了控溫和能耗的對比試驗(yàn)，篩選出一套適合南通地區(qū)溫室周年生產(chǎn)節(jié)能環(huán)控方案。

1 材料方法

1.1 溫度數(shù)據(jù)收集

對南通市5 個(gè)觀測站近10 年日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

1.2 溫室升溫、降溫

試驗(yàn)于2020 年在南通市通州區(qū)平東鎮(zhèn)蝴蝶蘭溫室進(jìn)行，溫室面積為2400m2。溫室升溫控溫試驗(yàn)主要有“雙層密封薄膜+內(nèi)保溫網(wǎng)”“小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)”2 種方案，當(dāng)外界溫度低于5℃時(shí)，溫室可達(dá)到最高溫度，每種方案重復(fù)5d 以上。降溫控溫方案主要有“溫室雙層密封薄膜+內(nèi)外遮陽網(wǎng)”“空調(diào)機(jī)組+內(nèi)外遮陽網(wǎng)”“小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+棚頂高壓霧化降溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)”“中型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+棚頂高壓霧化降溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)”4 種方案，當(dāng)外界環(huán)境溫度超過35℃時(shí)，溫室可達(dá)到最低溫度，每種方案重復(fù)5d 以上。各機(jī)組9：00 開始滿負(fù)荷運(yùn)行，并統(tǒng)計(jì)幾種方案的耗電功率，包括地源熱泵配套的井泵、散熱風(fēng)機(jī)等設(shè)備。其中，小型地源熱泵機(jī)組單臺(tái)功率為5kw、數(shù)量為12 臺(tái)；中型地源熱泵機(jī)組單臺(tái)功率為34kw、數(shù)量為2 臺(tái)；空調(diào)機(jī)組單臺(tái)功率為5kw、數(shù)量為24 臺(tái)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的分析和處理采用Excel 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并畫圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 南通地區(qū)全年氣溫分析

通過統(tǒng)計(jì)南通地區(qū)10 年不同季節(jié)溫度（見圖1），發(fā)現(xiàn)平均氣溫在1.5～30.1℃：春秋季表現(xiàn)出明顯的相似性，日平均氣溫5～25℃；夏季（6～8 月）平均氣溫22～30.1℃；冬季（11 月－翌年1 月）平均氣溫1.5～15℃。當(dāng)環(huán)境溫度在5～30℃時(shí)，溫室控溫相對容易，不需進(jìn)行復(fù)雜的控溫措施。

圖1 近10 年南通市日溫度變化情況

進(jìn)一步分析近10 年南通市日最高和最低溫度在該范圍的天數(shù)發(fā)現(xiàn)，有55%（148d）不需要進(jìn)行復(fù)雜的控溫措施，另有100d 的最低氣溫在5℃以下，65d 的最高氣溫超過30℃（見圖2）。

圖2 近10 年內(nèi)南通市不同類型日溫度的天數(shù)統(tǒng)計(jì)

因此，將南通市溫室的周年控溫方案分為3 個(gè)類型（見表1）分別進(jìn)行研究，第一種類型是每年的4 月中旬－6 月中旬及9 月初－11 月下旬，共計(jì)5 個(gè)月時(shí)間。這段時(shí)間日溫度在5～30℃，主要包括春季的后半部分、初夏及秋季。第二種類型是夏季高溫期，一般發(fā)生在每年的6 月下旬－8 月末，日最高溫度達(dá)35℃以上，溫室需進(jìn)行降溫處理。第三種類型主要發(fā)生在冬季低溫期，集中在每年的12 月－翌年4 月初，最低溫度可達(dá)5℃以下，需要進(jìn)行升溫控溫。

表1 近10 年南通市日溫度統(tǒng)計(jì)及類型劃分

2.2日溫度在5～30℃的控溫處理

在5～30℃溫度范圍內(nèi)可采用傳統(tǒng)的控溫方案，當(dāng)溫室內(nèi)溫度達(dá)到25℃以上時(shí)可采用布置內(nèi)外遮陽網(wǎng)+水簾+強(qiáng)排風(fēng)系統(tǒng)的方式，當(dāng)溫室內(nèi)溫度在15℃以下時(shí)，可采用雙層密封薄膜+內(nèi)保溫網(wǎng)的方式，該方案能耗低、效果好且易于實(shí)施和推廣（圖3）。經(jīng)過對蝴蝶蘭培養(yǎng)溫室的控溫研究發(fā)現(xiàn)，本方法能有效控制溫室內(nèi)溫度在20～25℃。

圖3 傳統(tǒng)控溫方式在5～30℃時(shí)的控溫效果

2.3日最高溫度在35℃以上的降溫控溫處理

當(dāng)最高溫度超過30℃時(shí)，傳統(tǒng)方案不能很好地進(jìn)行降溫控制，設(shè)計(jì)了溫室雙層密封薄膜+內(nèi)外遮陽網(wǎng)（方案一）、空調(diào)機(jī)組+內(nèi)外遮陽網(wǎng)（方案二）、小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+棚頂高壓霧化降溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（方案三）、中型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+棚頂高壓霧化降溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)（方案四）4 種方案，在2020 年8 月最高氣溫達(dá)35℃以上的22d中對比了4 種方案的降溫控溫效果及成本能耗。從圖4a 可看出中型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+棚頂高壓霧化降溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控溫效果最好，溫室雙層密封薄膜+內(nèi)外遮陽網(wǎng)的方案及空調(diào)機(jī)組+內(nèi)外遮陽網(wǎng)的方案控溫效果最差，并不能將溫室內(nèi)溫度降到30℃以下，而能耗和成本方面，小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)總投資要少于中型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)（圖4b）。且其投資較小、安裝使用方便、配電和用電量較低，制冷降溫加溫啟動(dòng)迅速，氣候高溫和低溫時(shí)熱效能高，當(dāng)溫室生產(chǎn)需要夏季白天降溫至26℃以下時(shí)效果較好，更利于在農(nóng)戶及公司中小規(guī)模溫室推廣。但其要定期清理清洗水源機(jī)組熱量交換器，因?yàn)闇\層水源泥沙含量大，設(shè)備平時(shí)維護(hù)較頻繁費(fèi)工，使用壽命相對較短。中型地源熱泵機(jī)組系統(tǒng)由于其投資額大、配電要求大、安裝復(fù)雜的缺點(diǎn)更適宜在大型溫室中實(shí)施。另外，兩種降溫控溫方式由于不能控溫在30℃以內(nèi)，不推薦使用，且空調(diào)機(jī)組方案投資額大、用電量極大，在中型和大型溫室中并不適用。

圖4 不同降溫方案的效果和能耗

2.4日最低溫度在5℃以下的升溫控溫處理

當(dāng)外界環(huán)境溫度在10℃以下時(shí)，就需要進(jìn)行升溫控溫，比較了傳統(tǒng)的雙層密封薄膜+內(nèi)保溫網(wǎng)方式和小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)的溫控差異，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外溫低于5℃時(shí)，傳統(tǒng)方案并不能保證溫室內(nèi)溫度達(dá)到15℃以上，而小型地源熱泵機(jī)組控溫系統(tǒng)+室內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)方案可輕松將溫室內(nèi)溫度上升至20℃（見圖5）。

圖5 不同升溫方案的效果

3 討論與結(jié)論

本研究為南通地區(qū)溫室周年生產(chǎn)、高產(chǎn)高效，如蝴蝶蘭、番茄、黃瓜等作物生長不再受溫度限制（在夏季溫室降溫到26℃以下，冬季加溫至18℃以上），根據(jù)南通地區(qū)自古以來的淺層水資源自然優(yōu)勢，探索了南通地區(qū)溫室降溫加溫模式，且特有的綠色節(jié)能。通過分析各種強(qiáng)制降溫加溫方法主要設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了夏季降溫和冬季加溫環(huán)控最適合本地區(qū)的節(jié)能方案：夏季氣溫超過35℃時(shí)，結(jié)合自然通風(fēng)降溫、內(nèi)外遮陽網(wǎng)、水簾風(fēng)機(jī)強(qiáng)制降溫、棚頂霧化蒸騰降溫、淺水源小型熱泵機(jī)組主動(dòng)降溫等；冬季氣溫低于5℃時(shí)采用多層保溫、淺水源小型熱泵機(jī)組主動(dòng)加溫；春秋兩季以傳統(tǒng)控溫方式為主。本研究將為本地區(qū)溫室種植設(shè)施周年生產(chǎn)提供一個(gè)綠色節(jié)能的溫室環(huán)控方案。