设施环境调控分析PPT课件

1、 四、设施光环境特点第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外地面上太阳辐射照度的计算 二、 进入设施内的太阳辐射计算第四节 设施光环境的调节 一、温室内的人工补光 二、人工光照的配置计算 三、光质调节 四、日长调节第1页/共45页第二章 设施热环境及其调节 第一节 热量传递的基本方式 第二节 辐射换热 第三节 导热 第四节 对流换热 第五节 温室热环境 一、温室传热与能量平衡 二、温室采暖热负荷 三、温室的节能保温 四、温室的降温调节第2页/共45页第三章 温室的气体环境与通风调节 第一节 温室通风概述 一、 温室通风换气的目的 二、 温室通风的设计要求 三、 通风的基本形式与特点 第二节

2、温室的必要通风量 一、 控制室温的必要通风量 二、 维持CO2浓度的必要通风量 三、 控制温室内湿度的必要通风量 第三节 温室通风 一、热压作用下的自然通风 二、风压作用下的自然通风 三、自然通风系统设置 四、温室的机械通风第3页/共45页第四章 温室环境自动控制 第一节 自动控制基本原理 第二节 设施环境常用控制器 第三节 设施环境自动调控系统第4页/共45页绪绪 论论 一、农业设施与设施环境1 1、农业设施 农业设施是能够提供适宜的生产环境等条件，具有特定生产功能的农业生产性建筑、配套设备的工程系统。2 2、农业设施的特点 （1 1）可以为各种农业生产对象提供比自然环境更加适宜的生产环境条

3、件，且可以调控环境。为此设施一般应具备建筑围护结构或具有围护作用的构造物，以形成与外界相对隔离的空间条件。 （2 2）依靠各种生产设备实现高效生产。第5页/共45页3 3、设施环境（农业生物环境） 农业生物环境一般分为： 物理环境：包括生物周围的温度、光照和热辐射、空气和水的运动状态等，其中由空气温度、湿度、热辐射、空气和水的流动等因素所构成的环境称为热环境。 化学环境：指生物周围空气、土壤和水中的化学物质成分组成。 生物环境：除农业生物个体以外的其他所有生物。包括空气、土壤、或水中的微生物，生物体内外的寄生物，以及周围的其他同类生物群体等。 第6页/共45页光照水和肥料温度CO2湿度温室的环

4、境调控应该实现以光照为主导因子的综合环境管理。温室的环境调控应该实现以光照为主导因子的综合环境管理。第7页/共45页 4 4、设施结构环境生物之间的相互关系 设施环境外界环境设施结构生物活动状态和代谢过程 设施结构决定了其环境性能，所以在设施环境调控之前，首先确定好的结构，才能做到环境调控的节能、低成本。第8页/共45页 5 5、设施环境调控的原理和方法（1 1）理论 1 1）质量守恒定律 2 2）热力学第一定律能量守恒定律 3 3）质热传递过程的理论 4 4）环境与生物间相互影响的生态学原理（2 2）方法 定量化描述生物与环境、外界环境与设施内部环境间的相互关系模型的建立及应用 采用工程化的

5、手段，利用专用设备来实现。第9页/共45页Control systemSimulationsMeasured valuesModelData Acquisition SystemDynamic Databasecompare27 Oct26 Oct28 Oct29 Oct30 Oct1 Nov2 Nov3 NovALLALLALLStress Detector # 17# 17 on Duty!Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es Lt d .Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es Lt d .Number of days an

6、alyzed: 7Number of alarms: 4DANGER!DANGER!My ComputerLPS #14LPS #17LPS #26LPS #99Alarm Diary9:00-12:00 Air VPD 2 kPa12:00-15:00 Leaf T 34 C Air VPD 4 kPa15:00-16:00 Air VPD 2 kPa Test # 1 negativeS SR RCrop第10页/共45页 现代化连栋温室的环境控制及其设备环境因子环境因子 控制设备控制设备光照光照人工光源、帘幕系统人工光源、帘幕系统温度温度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、采暖设备、

7、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋喷淋/喷雾系统喷雾系统CO2浓度浓度 CO2施肥系统、通风系统施肥系统、通风系统湿度湿度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋喷淋/喷雾系统喷雾系统第11页/共45页绪 论二、设施环境工程在农业生产中的作用 参考教材 P24第12页/共45页第一章 设施光照环境及其调控第一节 建筑日照的基本理论 一、地球的公转与太阳赤纬角 1、太阳赤纬角 太阳光线与地球赤道面的夹角 太阳直射光线投射到地球表面，光线与地面垂直处的地理纬度)365284360sin(45.23n)365172360cos(45.23n第13页/共45

8、页三、太阳高度角和方位角四、斜面太阳入射角b与其他角度之间的关系)cos(sincoscossincosefcacab五、日出、日没时刻 )tantan(cos10t第14页/共45页第二节 设施光环境特征 一、与设施内环境相关的光、热辐射 1、电磁波谱 2、太阳辐射的光谱能量分布（教材P144150） 3、常温物体的热辐射第15页/共45页第16页/共45页黑体常温下的热辐射波谱010203040020406080100波长(m)辐射力(W/m2m)第17页/共45页 不同波长的光热辐射对植物及环境的作用长波红外辐射mm第18页/共45页m W/m1khcexphc220520bTM普朗克定

9、律（黑体的单色辐射力） 波长，m； T 热力学温度，K； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； k 玻尔兹曼常数（1.380710-23J/K）； c0 真空中的光速（2.9979108m/s）第19页/共45页Km 6 .2897 maxT 维恩位移定律（最大辐射力对应的波长）第20页/共45页第二节 设施光环境特征 二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量 1 1、辐射（能）通量 单位为W W。 2 2、辐照度（辐射能通量密度）单位为W/m2W/m2。 3 3、光通量 按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量( (辐射功率) )，光源在单位时间内, ,向周围空间辐射出的使人眼产生光感

10、的能量, ,称为光通量,单位为lmlm： 光通量和辐射通量这两个非常相似的概念， 错误地认为既然光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，光通量就是辐射通量。 光通量是一个包含着主客观双重因素的物理量 辐射通量虽然是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人们的主观感觉视觉的强度（即明亮程度） 4 4、光照度 受照平面上接受的光通量面密度（单位面积光通量），单位：lxlx； 5 5、光合有效辐射照度 PAR PAR ：（Photosynthetically Active RadiationPhotosynthetically Active Radiation）

11、单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射（400400700nm700nm）的能量。单位：W/m2W/m2 6 6、光合有效光量子流密度 PPFDPPFD或PPFPPF，单位：mol/m2smol/m2s第21页/共45页第二节 设施光环境特征 三、各种光辐射度量单位的相互关系一个光量子所具有的能量为： J hc)( q 式中 波长，m； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）。第22页/共45页1、光合有效辐射照度与光合有效光量子流密度间的换算设光合有效辐射照度为Ea（W/m2）；光合有效光量子流密度为Ep（mol/m2s）；换算系数为

12、Ep=kapEa，即kap=Ep/Ea（mol/s）/ W；单色光的辐射照度分布密度为E（W/m2m）；光合有效辐射的波长范围为a-b（m）；则：2a W/mdbaEEsmol/m dhcN10 d/hcN10 d)(N102A6A6A6pbababaEEqEE第23页/共45页式中 波长，m； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）； NA 阿伏加德罗常数（6.0221023 mol-1），因此：W)mol/s( dd108.36 dd10022.6109979.210626.610 dd10/babababababa6238346A6ap

13、apEEEEEEhcNEEk第24页/共45页近似估计：对于日光，如按在400700nm范围内E为常量估计，W)mol/s( 598.4210)400700( 108.36 2 108.36 )(2108.36 2108.36 dd 108.36 dd108.36 /96ab6ab2a2b62666apapbabababababaEEEEEEk第25页/共45页2、光合有效辐射照度与光照度间的换算换算系数为Ev=kavEa， )lx/(W/m dd)( d1d)(12e,e,me,e,mavavbabababaVKAVKAEEk式中 e,波长为的单色光的辐射能通量，W/m (W)； V()标准

14、光度观测者明视觉光谱光视效率； Km 最大光谱光视效能，Km = 683 lm/W。根据有关资料，对于日光，kav = 238 lx / (W/m2)，即：光合有效辐射照度 1W/m2 = 238 lx 光照度第26页/共45页3、光照度与光合有效光量子流密度间的换算换算系数为Ep=kvpEv，即:s/lxmol/m 2avapavapvpvpkkEEEEEEk对于日光，kvp = kap / kav = 4 / 238 = 0.0168 mol/m2s / lx，即光照度 1 lx = 0.0168 mol/m2s 光合有效光量子流密度第27页/共45页 对应量 已知量光照度lx光合有效辐射

15、照度W/m2光合有效光量子流密度mol/m2.s总短波辐射照度W/m2光照度1 lx 10.00420.0040.01680.0180.01光合有效辐射照度PAR 1 W/m2 23825014.04.62.38光合有效光量子流密度PPFD 1 mol/m2.s 59.555.60.250.2210.595总短波辐射照度1 W/m2 1000.421.681第28页/共45页四、设施光环境特点1、光照强度 室内光照强度比自然光弱。2、光照时数 室内光照时数受到温室类型的影响3、光质 主要影响380nm以下紫外光的透过率，大多不能透过310nm以下紫外光。 影响红外光的透过率。4、光分布 室内光

16、照分布不均匀。 第29页/共45页第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外水平地面上太阳辐射照度的计算 （一）太阳常数 在大气层外，平均日地距离处，垂直于辐射传播方向上单位面积1个小时内测得的太阳辐照度为1353W /m2 ，称为太阳常数，以J0表示。 实际上大气层外的太阳辐照度随着日地距离的改变，在一定范围内变化。一年中第n天在法向平面上的大气层外的辐照度 Jon为： )365360cos033. 01 (0nJJon （二）室外水平面上的直射光辐射照度 见教材P151公式48aPrrJJadsinsin/1200第30页/共45页第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外水平地面上太阳辐

17、射照度的计算 （三）室外水平面上的散射光辐射照度 见教材P151公式49PPHJJasln4 . 111sin2 . 1sin0 （四）室外水平面上的总辐射照度 sdJJJ第31页/共45页第三节 进入设施内的太阳辐射计算 二、影响室内光照环境的主要因素见教材P152-154 三、室内总辐射照度的计算见教材P154-155第32页/共45页 第四节 设施光环境的调节一、温室内的人工补光 1. 对人工光源的要求 光谱性能：富含400500nm蓝紫光和600700nm橙红光 适当的红色、蓝色光比例（R / B比） 适当的红光（600700nm）远红光（700800nm）比例（R / FR比） 具有

18、其他特定要求的光谱（如补充紫外的不足等） 效率：发出的光合有效辐射量与消耗功率之比 可视光效率（光效率） lm / W 光合有效辐射效率（辐射效率） mW / W 光合有效光量子效率（光量子效率） (mol/s) / W或mol / J 其他：使用寿命、价格等 2. 人工光源的种类第33页/共45页 第四节 设施光环境的调节一、温室内的人工补光 3. 人工光源的光照配置 （1） 点光源照度的逐点计算法 照射到微元面积dA上的光辐射通量为d时，该微元面积上的照度为： d/dAE cos/ d dAA 式中 dA 面积dA在垂直于光源方向的平面上的投影，m2； 光源对于入射平面的入射角；Idd式中

19、 I 光源在计算方向的发光强度，cd（坎德拉）； d 微元面积dA对应的立体角； 2/ d dRA R 光源到照射面的距离，m。第34页/共45页则： 22coscos/ ddRIARAIE采用n个光源时，计算点的照度为：niiiiRIE2cos第35页/共45页（2） 线光源照度的逐点计算法 计算条件：线光源平行于被照面第36页/共45页日 光白炽灯卤钨灯高压水银荧光灯白色荧光灯金属卤灯高压钠灯低压钠灯效率光效率lm/W（100）1719607087106143光合有效辐射效率mW/W（420）68190270300光量子效率mol/s)/W（1.68）0.340.871.241.48光照单

20、位转换klx转换为W/m2(PAR)4.242.73.12.8W/m2(PAR)转换为mol/m2s454.64.65klx转换为mol/m2s16.82012.414.314几种人工光源的发光效率及光照强度换算第37页/共45页二、温室光照环境的调控开发和选用合适的温室覆盖材料温室设计建设方面采用合理的方位与温室结构人工调控： 光量调控 遮光与补光 补光又分为光合作用补光（高光强）和光周期 补光（低光强） 光周期调控 遮光调节，延长暗期 补光调节，延长光照时间（整晚补光、早晚延 长补光和夜间间断补光） 光质调控 采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源 补光；采用满足要求的具有特定光谱透过率的 覆盖材料 第38页/共45页（一）光照强度的调控1、提高温室内光强主要措施 透明覆盖材料的选择 透明材料理想的透光特性为： 300nm 300nm 低透光率（免伤害植物和覆盖材料老化、减少病虫害等） 300300400nm 400nm 高透光率，有利植物成形、花果着色、VCVC、VDVD合成 400400700nm 700nm 高透光率， （有利光合作用） 7007003000nm 3000nm 要求高透光率，以利于室内增温；当有室内降温要求 时，应为低透光率 3000nm 3000nm 低透过率