《农业生物环境工程》第4章温室设施环境调节与2课件

1、第四章 温室设施环境调节与控制第1页，共36页。 温度是影响植物生长发育的最重要环境因素，植物在整个生命周期中的一切生物、化学过程，都必须在一定的温度条件下进行。其它环境因子大多直接或间接通过与温度条件相结合从而影响植物生长。 而温室最首要的基本功能则是可以突破自然条件的限制，可靠地提供满足植物生长的、优于自然界温度环境的条件。第二节 温室温度环境的调节与控制第2页，共36页。一、作物对温度的要求 （一）温度对作物生育的影响 温室内的气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长和水分、养分的吸收均有着显著的影响，为了使这些生长和生理作用过程能够正常进行，必须为其提供必要的温

2、度条件。 这样的温度条件可采用最低温度、最适温度和最高温度三个指标来表述，称为“温度三基点”。温度三基点根据作物种类、品种、生育阶段和生理活动的昼夜变化以及光照等条件而有不同。第3页，共36页。真正光合作用表观光合作用呼吸作用图1 温度对植物光合强度及呼吸强度的影响第4页，共36页。蔬 菜 种 类生 长 时 期对 温 度 的 要 求 （）适宜温度最 高 温 度最低温度白 昼夜 间黄 瓜苗 期1925282215苗期到开始结瓜2028332215结 瓜 期2230382415番茄、辣椒苗 期1521261810苗期到开始结果1925282010结 果 期182630226茄 子苗 期162428

3、2015苗期到开始结果1826302015结 果 期2230342412菜 豆结 荚 前1723252015结 荚 后1826302212菠 菜122025142白菜、芹菜、窝苣、茴香、蒿子秆122430152蔬菜的温度指标 第5页，共36页。（二）温室的温度调控指标与变温管理 研究结果表明，作物在一日内对温度的要求是变化的。昼夜不变的温度管理方式，作物生长率比昼高夜低的管理方式低。进一步的研究表明，作物的物质生产总量，是由每天生产的物质生产量累积起来的，而温度对物质生产的影响，是温度对一日间光合作用、产物输送与呼吸消耗的综合影响。一日间温度管理的目标，是要增加光合作用产物及促进产物的输送、贮

4、藏和有效分配，抑制不必要的呼吸消耗。因此，应根据作物在一日内不同时间的主要生育活动，采取不同的温度水平，这样的温度管理方式称为变温管理。 变温管理依赖于良好的计算机控制系统才能达到效果。第6页，共36页。低温界限早晨加温阴雨天输送适温日出时间正午抑制呼吸日落午夜抑制呼吸促进光合作用促输送抑制呼吸高温界限气温光合适温换气 晴天图2 变温管理模式第7页，共36页。二、温室内的能量传递与温度特性 （一）温室内的热量来源与温室效应 温室内的热量来源主要是太阳辐射与加温热源。一般采暖系统的加温热量约为100300W/m2。 第8页，共36页。 温室内白昼在太阳辐射的作用下，可以达到远高于室外的气温条件。

5、首先，玻璃、塑料薄膜或板材等温室透明覆盖材料具有对不同波长光热辐射的选择透过的特性，可以较好地透过大部分太阳辐射（波长3003000nm），使太阳辐射热量大量进入温室内，而同时在不同程度上阻止室内地面和植物等发出的长波辐射（波长300080000nm）透过传出室外，部分阻止了温室内向室外长波辐射形式的热量损失。 另一方面原因是因为温室对空气封闭的作用，室内地面、植物等吸收太阳辐射热量后，温度升高，通过对流等方式将热量传递给室内空气，使室内气温升高，而由于温室的相对封闭性，内外空气交换量很小，使温度升高了的空气得以聚集室内，不会因空气流动将热量散失到室外。上述作用即是所谓“温室效应”。第9页，共

6、36页。 温室是一个半封闭的系统，它在不停地与外界进行着物质与能量的交换。在获得太阳辐射热和加温热量的同时，通过覆盖材料的传热、通风和地面传热等途径，向外界不断传出热量。（二）温室的传热与能量平衡第10页，共36页。根据能量守恒的原理，温室内的能量平衡关系可表达为下式所示。 Qm+Qs+Qh+Qr+Qvi = Qvo+Qw+Qf+Qe+Qp W式中Qm设备发热量（电机、照明），W； Qs温室内吸收的太阳辐射热量，W； Qh加温热量，W； Qr作物、土壤等呼吸放热量，W； Qvi通风气流带入的显热量，W； Qvo通风气流带出的显热量，W； Qw经过覆盖材料的传热量（对流、辐射），W； Qf地中传

7、热量，W； Qe温室内水份蒸发吸收的潜热，由通风排出室外，W； Qp温室内植物光合作用耗热量，W。 在一般温室中，设备发热量Qm、作物、土壤等呼吸放热量Qr、植物光合作用耗热量Qp与其他能量收支项相比很小，可忽略不计。故温室的能量平衡关系可简化为： Qs+Qh= (QvoQvi)+Qw+Qf+Qe W第11页，共36页。图3 温室中的能量传递与平衡 地中传热Qf通风Qvo长波辐射对流长波辐射对流通风Qvi太阳辐射吸收反射室内反射蒸腾蒸发Qe加温热量QhQw Qs第12页，共36页。图5 加温温室中夜间的能量传递对流30地中传热 10冷风渗透10长波辐射35对流45长波辐射50加温热量100冷风

8、渗透10地中传热100长波辐射45对流45长波辐射110对流-20图4 不加温温室中夜间的能量传递第13页，共36页。（三）温室的温度特性 温室内的气温随时间变化的特性 温室内的温度状况随太阳辐射和室外气温的变化而呈现昼夜和季节的变化。室内气温变化与室外气温变化趋势大体一致，最高、最低气温出现的时刻与露地大体相同，但不加温温室中气温的变化幅度比露地大得多，日温差约可达2030，主要是白昼气温比室外高得多。昼高夜低、大温差是室内气温的突出特点，白昼室内气温高，可基本满足或甚至高于植物生长的要求，但夜间气温又易出现低于植物生长要求的情况。 对于加温温室，原则上可以按作物要求控制室内气温的变化，夜间

9、加温使室内最低气温大幅度提高，日气温差减小。第14页，共36页。三、温室采暖 温室采暖是冬季温室内温度环境调控的最有效手段，但其代价是燃料能源的消耗和生产成本的增加。因此，必须适当选择采暖方式、合理配置加温设备，在满足植物生长需要的同时，应注意尽可能节省能源，避免生产成本的过多增加。（一）温室采暖方式室外太阳辐射 温室的采暖方式有热风、热水、蒸汽采暖，采用蒸汽加温热水的热水采暖，蒸汽或热水加热空气的热风采暖，电热采暖、辐射采暖、太阳能蓄热采暖等多种，在我国农村还广泛采用炉灶煤火简易采暖设施。第15页，共36页。采暖方式技术要点采暖效果控制性能维修管理设备费用其 它适用情况热风采暖直接加热空气温

10、度稳定性差，停机后温度降低快预热时间短，升温快不用水，容易操纵比热水采暖便宜得多不用配管和散热器，作业性好，燃烧空气由室内补充时必须通风换气各种温室及塑料大棚等园艺设施，尤其适用于短期临时加温热水采暖采用6080热水，通过室内散热器自然放热，或用热交换器强制换热吹送热风因所用温度低，加热缓和，水热容量大，热稳定性好，停机后保温性强预热时间长，可根据负荷的变动改变热水温度进行调节对锅炉要求比蒸汽采暖低，水质处理较容易须采用配管和散热器，设备费用较高在寒冷地区管道怕冻，必须充分保温防护大型温室蒸汽采暖采用100110蒸汽，可转换成热水和热风采暖余热少，停机后保温性差预热时间短，自动控制稍难对锅炉要

11、求高，水质处理不严时，输水管容易被腐蚀比热水采暖贵可作土壤消毒，散热管较难配置适当，容易产生局部高温大型温室群，在高差大的地形上建造的温室第16页，共36页。采暖方式技术要点采暖效果控制性能维修管理设备费用其 它适用情况电热采暖用电热温床线和电暖风采暖器加温停机后缺少保温性预热时间短，控制性最好使用最容易设备费用低耗电多、费用大、不经济小型温室、育苗温室、地中加温、辅助采暖辐射采暖用液化石油气红外燃烧取暖炉停机后缺少保温性，可升高植物体温度预热时间短，控制容易使用方便、容易设备费用低耗气多，大量用不经济，可利用于CO2施肥临时辅助采暖火炉采暖用地炉或铁炉，烧煤，用烟道散热供暖封火时仍有一定保温

12、性，有辐射加热效果预热时间长，管理费劳力，不易控制较容易维护，但操作费工设备费用低必须注意通风，防止煤气中毒土温室，大棚短期加温第17页，共36页。（二）温室热风采暖系统 热风采暖的热媒是空气，其优点是使用灵活性大，热风直接加热温室空气，热风温度一般比室温高2040，加温迅速，升温快。热风采暖系统的设备较简单，费用低，按设备折旧计算的每年费用，大约只有热水采暖系统的1/5。热风采暖设备还具有安装方便，方便移动使用等优点。其主要缺点是因空气热容量小，室温随采暖系统运行与否波幅较大。因此热风采暖尤其适用于只进行短期临时加温的温室。 第18页，共36页。 热风采暖系统还有用热水或蒸汽通过热交换设备（

13、暖风机）加热空气的方式，适用于已配有热水或蒸汽集中供暖系统的情况。 为提高系统热效率，燃油暖风机或燃煤热风炉通常直接设置在温室内，其热利用效率可达70%90%。 热风采暖系统送出的热风必要流量Lh可采用下式计算： m3/s式中Qh温室设计采暖负荷，W； ra空气密度，kg/m3； cp空气的定压质量比热，cp1030J/(kg)； ti室内气温，； th热风炉出口热风温度，。 第19页，共36页。四、温室的保温节能（一） 温室的保温 通过围护结构覆盖层的热量散失是温室热损失的主要部分，一般占总热损失的60%以上，多数情况占75%以上，因此，减少该部分热量损失是温室保温技术的重点。其技术措施有采

14、用保温性好的覆盖材料和采用多层覆盖等。温室的覆盖材料及其保温性几种塑料薄膜的长波辐射分光透射率 第20页，共36页。覆 盖 材 料厚 度（mm）吸收率透射率反射率辐射特性指数干燥状态内侧附着水滴(推测值)PE（聚乙烯）薄膜0.050.050.850.1-0.75-0.4-0.250.100.150.750.1-0.65-0.35-0.2EVA（醋酸乙烯）薄膜0.050.150.750.1-0.65-0.35-0.20.100.350.550.1-0.45-0.25-0.15PO（聚乙烯-醋酸乙烯复合）薄膜0.0750.350.600.300.500.1-0.2-0.40.150.600.300

15、.1-0.2PVC（聚氯乙烯）薄膜0.050.450.450.1-0.35-0.2-0.10.100.650.250.1-0.15-0.1-0.05覆盖材料的红外辐射特性 第21页，共36页。覆 盖 材 料厚 度（mm）吸收率透射率反射率辐射特性指数干燥状态内侧附着水滴(推测值)硬质聚酯片材0.050.60.30.1-0.2-0.15-0.050.10.80.10.1000.1750.850.050.10.050.10.05不织布0.900.10.10.90.10.10.05玻 璃0.950.050.050.05硬质板（玻璃纤维增强丙烯板、丙烯板、聚碳酸酯板等）0.900.10.10.05混铝

16、聚乙烯膜0.650.750.250.350.250.350.10.15镀铝膜聚丙烯面层0.150.250.750.850.70.8(该面层向外)0.550.7(该面层向外)聚乙烯面层0.250.400.600.750.650.75(该面层向外)0.50.65(该面层向外)第22页，共36页。多层覆盖保温 多层覆盖可有效减少温室通过覆盖层的对流与辐射传热损失，是最常用的保温措施，保温效果显著。有固定覆盖、内外活动保温幕帘和室内地面棚、膜覆盖等多种形式。温室覆盖层保温性能可用传热系数或覆盖层热阻进行评价，采用节能措施后的效果则用节能率或称热节省率a进行评价，其定义为： a = (Q1Q2)/Q1

17、式中Q采用节能措施前的传热量； Q2采用节能措施后的传热量。针对保温覆盖，则有 a = (K1K2)/K1 式中K1采用保温覆盖前的覆盖层传热系数，W/(m2s)； K2采用保温覆盖后的覆盖层传热系数，W/(m2s)。第23页，共36页。 双层充气膜保温覆盖 近年在温室覆盖材料中，中空塑料板材，尤其是中空聚碳酸酯板（PC板）得到较多应用，其保温机理与双层充气膜相似，有双层(一层空气)与三层(二层空气)二种 图 双层充气膜保温覆盖示意图图中空聚碳酸酯板（PC板）第24页，共36页。 缀铝膜保温幕 由于铝箔和镀铝膜对长波辐射具有很高反射率，用于温室活动保温幕具有很好保温效果。但其透气、透湿性差，直

18、接用作保温帘时易导致室内湿度过大。因此，采用将其裁割成数毫米宽的窄条，并用纤维线将其并排编织起来的方法生产的织物，称为缀铝膜，这种覆盖材料在具有较高长波辐射反射率和优良保温性能的同时，又有一定的透气、透湿性，有利于降低室内湿度，近年逐步得到广泛采用，多用作温室的内保温幕。图 缀铝膜保温幕第25页，共36页。（二）合理设计与管理采暖设施 温室采暖系统的设计与使用中的调控管理也将对能耗与运行成本产生较大影响。 准确计算采暖负荷与配置采暖系统，可避免过量配置产生的浪费现象。散热器应合理布置，以达到室内温度的均匀合理分布。应根据温室内栽培植物的要求选用合理的供暖方式与进行供暖系统的合理布置。第26页，

19、共36页。温室2温室3温室1锅炉四通阀全开四通阀全闭中间调节位回水供水预混组混合组混合组混合组图 比例调节阀热水供暖调节系统第27页，共36页。供暖与补光第28页，共36页。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 温室的加温能源，在国外多为石油和天然气，我国主要使用煤炭。减少这些燃料在温室生产中的消耗，不仅能降低温室生产成本，而且是节约地球上有限的资源、保护环境的需要。因此，世界各国都开展了利用可再生能源如太阳能、风能、地热能和生物质能等作为温室加温能源的研究，其中最有普遍应用前景的是太阳能和生物质能（沼气等）。第29页，共36页。（三）新能源（可再生能源）的有效利用 太阳能贮存利用技术与设施

20、太阳能是地球上最廉价、最普遍存在的清洁能源，但由于其时间性和能量密度较低的特点，有效收集和存贮是其利用技术上的难点所在。沼气的利用与种养结合生态温室 将人畜粪便和作物秸秆等农业废弃物进行发酵获得的沼气是一种高品位的气体燃料，可作为生活用能和动力燃料，也可用于温室加温。在获得能源的同时，使有机废弃物得到处理，获得优质的肥料并保护了环境。第30页，共36页。五、温室降温技术与设备 温室的降温是温室温度环境调控的另一方面重要内容。 降低温室内温度的环境调控主要采用通风（自然通风与机械通风）、蒸发降温（湿垫与喷雾降温等）和遮阳等三方面的技术和设备。其中通风与蒸发降温的内容详见本教材的其他章节，以下仅对温室的遮阳技术与设备进行阐述。1、自然通风（侧窗、顶窗开窗系统）2、机械通风3、蒸发降温（湿帘风机降温系统）4、喷雾降温5、内部搅动风扇6、外遮阳系统7、内遮阳系统8、覆盖材料上喷涂遮阳材料 第31页，共36页。风机湿帘降温系统第32页，共36页。 强烈的太阳辐射热通过透明覆盖材料大量进入温室内，这是夏季