吳玉發(fā)，蔣先平，沈林晨

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

設(shè)施園藝以其土地利用率高、環(huán)境相對(duì)可控、便于機(jī)械化操作和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。在我國，溫室蔬菜生產(chǎn)是設(shè)施園藝的主要形式。溫度是作物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，溫度調(diào)節(jié)也是設(shè)施栽培區(qū)別于露地栽培的顯著特征，如何通過優(yōu)化溫室結(jié)構(gòu)、研制降溫設(shè)備等提高溫室降溫性能，更好地調(diào)控和管理溫室環(huán)境一直是學(xué)者們探討的熱門問題。

華南地區(qū)溫室需要進(jìn)行通風(fēng)降溫時(shí)間長達(dá)9個(gè)月以上，針對(duì)夏季高溫高濕的氣候特點(diǎn)，采用通風(fēng)降溫、遮陽降溫、濕簾風(fēng)機(jī)降溫、噴霧降溫及天面噴淋降溫等單獨(dú)降溫和組合降溫的方法，展望通過基于溫室環(huán)境和對(duì)作物生長時(shí)序數(shù)據(jù)收集，借助人工智能，實(shí)現(xiàn)降溫裝備的精準(zhǔn)控制。

1 華南地區(qū)溫室常用的降溫方法

1.1 通風(fēng)降溫

通風(fēng)降溫是通過天窗、側(cè)窗的自然通風(fēng)或機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)的形式將溫室內(nèi)外的冷熱空氣進(jìn)行置換，達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的，同時(shí)還可補(bǔ)充CO2，是夏季常用的降溫手段。

1.1.1 自然通風(fēng)

自然通風(fēng)指利用自然風(fēng)壓、空氣溫差、空氣密度等對(duì)室內(nèi)區(qū)域進(jìn)行通風(fēng)輸氣，不消耗額外的能量，可以降低生產(chǎn)運(yùn)行成本，有研究表明自然通風(fēng)的效果與側(cè)窗及天窗的面積和位置、溫室的朝向、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因子有關(guān)[1]。程秀花[2]以venlo 型玻璃溫室建立的CFD 數(shù)值模型模擬結(jié)果表明天窗開口角度對(duì)室內(nèi)溫度分布有影響。趙融盛等[3]研究結(jié)果表明溫室最適合側(cè)通風(fēng)口高度為距地面60 cm。還有研究通過改變溫室結(jié)構(gòu)或開窗方式，如屋頂全開啟式溫室[4-5]、鋸齒形溫室[6]、后坡整體開窗式[7]、拱形溫室開窗、提高肩高等提高溫室通風(fēng)降溫能力。

1.1.2 機(jī)械通風(fēng)

當(dāng)溫室外空氣溫度低于溫室內(nèi)，且自然通風(fēng)降溫效果不好時(shí)，采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫室內(nèi)空氣流動(dòng)，增強(qiáng)溫室內(nèi)熱空氣與外界的對(duì)流換熱，提高降溫的效果。有理論介紹過華南溫室機(jī)械降溫設(shè)施的選擇、布置和參數(shù)等要求，分析了通風(fēng)降溫效果[8]，機(jī)械通風(fēng)降溫措施使溫室與外界的換氣量得到很大提高，同時(shí)還具有一定的除濕作用。

1.2 遮陽降溫

通過遮陽網(wǎng)遮陰，減少進(jìn)入溫室內(nèi)的太陽輻射，保證溫室作物正常生長，防止室內(nèi)溫度過高，遮陽降溫是一種較好的輔助降溫手段。

1.2.1 內(nèi)遮陽降溫

內(nèi)遮陽置于溫室屋頂和作物之間，可以減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，使大量熱量聚集在遮陽網(wǎng)與屋頂之間，形成一個(gè)高溫空間區(qū)域，上方區(qū)域溫度有時(shí)高達(dá)60 ℃[9-11]，通過屋頂天窗排走熱量。

1.2.2 外遮陽降溫

外遮陽是在溫室屋頂上方安裝固定或活動(dòng)式遮陽結(jié)構(gòu)，分為電動(dòng)或手動(dòng)2 種，通過卷放或者平拉的方式實(shí)現(xiàn)遮陽。外遮陽網(wǎng)本身的降溫效果有限，但是可以阻擋進(jìn)入溫室的太陽輻射，減少其他降溫措施的負(fù)荷，實(shí)際生產(chǎn)中通常和其他降溫形式組合使用，具有不錯(cuò)的降溫效果。汪波等對(duì)塑料薄膜大棚的遮陽網(wǎng)覆蓋方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，外遮陽方式比內(nèi)覆蓋、內(nèi)平覆蓋方式遮陽效果更佳[12-14]。胡建等試驗(yàn)證明在室內(nèi)氣流與外界氣流產(chǎn)生交換情況下，打開外遮陽能使室內(nèi)溫度降低到室外溫度以下，室內(nèi)溫度水平分布較為均勻，且對(duì)室內(nèi)濕度影響不大[15-20]。

1.3 濕簾風(fēng)機(jī)降溫

濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)是在溫室一側(cè)安裝風(fēng)機(jī)，另一側(cè)安裝一種多孔吸水的材料，使通過濕簾進(jìn)入室內(nèi)的空氣帶有大量水汽，利用水汽的蒸發(fā)帶走大量熱量。濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能夠有效降低溫室室內(nèi)溫度，是大型溫室中運(yùn)用較為成熟和廣泛的降溫方式，程秀花以venlo 型玻璃溫室建立的CFD 數(shù)值模型驗(yàn)證與溫室內(nèi)氣流流動(dòng)過程一致，結(jié)果表明采用濕簾-風(fēng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)控，較自然通風(fēng)調(diào)控方式室溫可降低10 ℃左右。

1.4 噴霧降溫

噴霧降溫是使用特定技術(shù)將水形成直徑非常小的細(xì)霧滴，通過霧滴與溫室內(nèi)空氣混合，利用水的蒸發(fā)散熱來降溫的一種降溫方法。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的霧化方式為壓力霧化，將水經(jīng)過過濾系統(tǒng)后進(jìn)入高壓泵，通過孔徑非常小的噴嘴形成細(xì)霧滴。張芳等提出了一種噴霧降溫方法，溫室試驗(yàn)區(qū)比對(duì)照區(qū)溫度降低最高達(dá)6 ℃[21]。丁德志等在南昌地區(qū)設(shè)計(jì)了一種霧化降溫系統(tǒng)，噴霧后普遍能降溫7～8 ℃，改善了花卉作物夏季生長環(huán)境[22]。這種方法所產(chǎn)生的霧滴直徑很小，用水量少，降溫效果好，對(duì)溫室內(nèi)濕度增加不多，一般只比對(duì)照溫室高20%左右[23]。

在遮陽網(wǎng)上噴霧降溫，減弱了對(duì)溫室下部相對(duì)濕度的影響，降溫幅度比單靠遮陽網(wǎng)時(shí)提高1～5 ℃，且溫濕度分布比較均勻[24]。王本根等的試驗(yàn)表明采用內(nèi)遮網(wǎng)上噴霧降溫可使溫度比室外氣溫下降2.4～6.5 ℃，相對(duì)濕度只增加了10%左右，但是垂直溫差可達(dá)8～10 ℃[25]。

1.5 噴淋降溫

在溫室的屋頂或遮陽網(wǎng)上噴灑水，通過水層吸收一部分太陽輻射和形成遮陰，通過增加與空氣的接觸面積提高水的蒸發(fā)率來達(dá)到降溫效果。屋頂噴淋增加了屋頂?shù)南鄬?duì)濕度，對(duì)室內(nèi)濕度影響并不大，避免了濕度過高對(duì)植物生長的不利影響。

2 常用降溫方法的應(yīng)用和存在的問題

2.1 通風(fēng)降溫

自然通風(fēng)降溫在室外的溫度不超過30 ℃的情況下適用[8]，如室外溫度過高，外界熱空氣進(jìn)入溫室，達(dá)不到降溫目的。我國夏季大部分地區(qū)風(fēng)速較小，在外界氣溫過高，僅利用自然通風(fēng)降溫很難滿足植物生長的需要。

一般采用自然通風(fēng)降溫的設(shè)施以單棟小型為主，最好的降溫效果可達(dá)室內(nèi)外溫差3～5℃。機(jī)械通風(fēng)時(shí)，當(dāng)基本通風(fēng)量超過0.05 m3/m2·s 時(shí)，風(fēng)機(jī)降溫效果也不再明顯[10]。

2.2 遮陽降溫

在遮陽網(wǎng)展開時(shí)，會(huì)阻礙溫室內(nèi)散熱，室內(nèi)的溫度不降反升，袁培等的試驗(yàn)表明，內(nèi)外遮陽裝置同時(shí)開啟和只開啟外遮陽裝置時(shí)，室內(nèi)空氣溫度均低于內(nèi)遮陽裝置單獨(dú)開啟時(shí)[13]，所以內(nèi)遮陽一般不用于夏季溫室的降溫，一般用于冬季的內(nèi)保溫。

外遮陽降溫，減少太陽光進(jìn)入溫室內(nèi)，減少熱輻射，使溫室內(nèi)平均溫度降低，在華南地區(qū)廣泛應(yīng)用，成為防災(zāi)保護(hù)的一項(xiàng)重要的技術(shù)措施。外遮陽的降溫效果優(yōu)于內(nèi)遮陽，但要求外遮陽材料伸縮性小、抗老化，構(gòu)架堅(jiān)固。

2.3 濕簾風(fēng)機(jī)降溫

濕簾風(fēng)機(jī)降溫效果的影響因素有很多，降溫效果與過簾風(fēng)速有直接關(guān)系，研究表明濕簾的過簾風(fēng)速在1.0～1.5 m/s 之間時(shí)降溫作用最佳[17]。楊涓等對(duì)比了2個(gè)降溫效果不同的溫室，分析了風(fēng)機(jī)的位置、高度、數(shù)量、規(guī)格等對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響[18]。濕簾風(fēng)機(jī)的有效降溫區(qū)域一般為40 m 左右，在高溫高濕環(huán)境下的南方地區(qū)會(huì)更低。趙成等[19]試驗(yàn)表明，在高溫高濕的南方地區(qū)，濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)能提供25 m左右的有效降溫區(qū)域。

濕簾風(fēng)機(jī)降溫增加室內(nèi)濕度，在達(dá)到一定濕度后，降溫效果減弱，且容易引發(fā)植物病害，影響植物蒸騰作用等生理活動(dòng)。

2.4 噴霧降溫

與濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相比，噴霧降溫更迅速，可以形成空間上較為均一的溫濕度環(huán)境，但是由于其本身的降溫原理，導(dǎo)致其對(duì)噴嘴孔徑、噴霧壓力、增壓設(shè)備和過濾水水質(zhì)等要求較高，導(dǎo)致成本較高，難以大面積使用，沒有充分霧化的水滴淋在植物表面會(huì)影響植物生長。

2.5 噴淋降溫

屋頂噴淋降溫需要遮陽網(wǎng)長時(shí)間處于濕潤狀態(tài)，對(duì)遮陽網(wǎng)的耐久性能要求較高，此外，當(dāng)風(fēng)力較強(qiáng)時(shí)，遮陽網(wǎng)和水膜形成的降溫效果將無法有效影響室內(nèi)溫度的下降，其降溫效果有較大不確定性[22]。另外，考慮安裝費(fèi)以及定期清除屋頂積累的水垢等雜質(zhì)的工作，且水質(zhì)較硬的區(qū)域需要對(duì)水進(jìn)行軟化處理后再使用，推廣具有一定的限制性。

3 解決措施

華南地區(qū)的溫室一般都配備自然通風(fēng)與外遮陽，降溫效果要求高一些的溫室配置濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、空調(diào)降溫以及其他機(jī)械降溫設(shè)備。

在華南地區(qū)夏季室外溫度較高，通風(fēng)降溫不能滿足要求，要采用濕簾風(fēng)機(jī)降溫。針對(duì)濕度增高對(duì)降溫效果的影響，增加了除濕室和除濕劑再生子系統(tǒng)，其原理是空氣中的水蒸氣在經(jīng)過除濕劑后被吸收，濕度降低后再通過濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到進(jìn)一步降溫的目的，滿足高溫高濕地區(qū)夏季降溫的要求。從使用方法角度，可考慮濕簾風(fēng)機(jī)和機(jī)械通風(fēng)間隔使用，控制室內(nèi)的濕度[17]。

生產(chǎn)中更多用到的是組合降溫措施，試驗(yàn)表明，組合降溫效果優(yōu)于單一措施，不過具體實(shí)施辦法應(yīng)結(jié)合作物生長特點(diǎn)，考慮開啟時(shí)間和能量消耗的因素。鄭慧珍[25]設(shè)計(jì)了一套降溫控制系統(tǒng)，在盡量低成本、低能耗的情況下，調(diào)節(jié)通風(fēng)、遮陽、濕簾風(fēng)機(jī)、微霧設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)降溫效果較明顯、適合作物生長要求的微氣候環(huán)境。劉妍華[26]建立了華南地區(qū)溫室環(huán)境調(diào)節(jié)試驗(yàn)平臺(tái)，研究了開窗、外遮陽網(wǎng)、屋頂噴淋、濕簾風(fēng)機(jī)、室內(nèi)噴霧5 種單項(xiàng)調(diào)節(jié)措施以及外遮陽分別與開窗、濕簾風(fēng)機(jī)、天面噴淋結(jié)合的3 種組合措施對(duì)室內(nèi)溫濕度的影響。研究結(jié)果表明，組合降溫效果一般優(yōu)于單一降溫技術(shù)，但能耗也更高，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮各影響因素，根據(jù)溫室用途和作物生長特性等，選擇經(jīng)濟(jì)有效的降溫技術(shù)，在夏季達(dá)到良好的降溫效果。

4 結(jié)論與展望

組合降溫可以彌補(bǔ)單項(xiàng)降溫措施的不足，增強(qiáng)降溫效果。在實(shí)際生產(chǎn)過程中要根據(jù)地理氣候條件、作物種類需求、建設(shè)投資、管理運(yùn)行費(fèi)用等選擇合適的降溫方式。

隨著溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，還會(huì)不斷有新的降溫技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用于溫室，為夏季溫室降溫問題提供更好的借鑒和參考。

基于溫室環(huán)境和作物時(shí)序數(shù)據(jù)，采用人工智能算法優(yōu)化溫室環(huán)境控制，達(dá)到高效節(jié)能的降溫效果。在溫室部署各種傳感器（空氣溫度，濕度，CO2，營養(yǎng)液EC、pH，植物溫度以及光照度），通過溫室控制系統(tǒng)收集一系列傳感器數(shù)據(jù)，并上傳于數(shù)據(jù)平臺(tái)用于數(shù)據(jù)分析建模，建好模型再下達(dá)指令控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)使降溫組合裝備精準(zhǔn)執(zhí)行。