湿垫现代温室夏季降温技术研究

湿垫现代温室夏季降温技术研究

0加强温室内温度的控制，防止作物生长发育中国大部分地区为大陆性季风气候，冬季寒冷，夏季炎热。温室属于半封闭系统，由于存在“温室效应”，在炎热的夏季，即使打开所有的侧窗和天窗，温室的最高气温仍可能会超过40℃。而当气温高于33℃以上时，已接近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，夏季采取经济的降温措施降低温室内的温度，为作物提供一个良好的生长环境，以提高土地的利用率，一直是科技工作者致力于研究的问题。近年来，许多科技工作者通过艰苦的努力，在该领域已经取得了巨大的成就。1通风降温1.1开天窗、侧窗的通风方式自然通风是借助设施内外的温差产生的“热压”或外界自然风力产生的“风压”促使空气流动的一种通风方式。由于自然通风是所有降温方式中最为经济的一种，自20世纪中期以来，各国科技工作者便对该种方式进行了深入研究。研究表明：自然通风的效果与侧窗及天窗的面积和位置、温室的朝向、结构参数等因子有关；同时，开有两边侧窗和天窗的温室通风效果优于仅开两侧窗的温室，其中仅开天窗的通风效果最差。虽然自然通风降温能够减少能耗、降低生产成本，但是由于夏季温室内外温差较小，自然通风达不到很好的降温效果。而风又是一种随机现象，因此要合理地打开南北两扇门，以加强空气对流，实现良好的通风效果。实际运用中，该法经常与其他降温方法综合利用，降温效果才会显著。1.2风机的选型和数量由于夏季室外温度较高，温室单靠自然通风达不到降温的目的，因此必须采用机械通风（即风机将电能或其它形式的能转化为风能）强迫空气流动来进行温室换气，从而达到降温的效果。一般情况下，机械通风要比只用自然通风降温低3°～5℃。在机械通风系统中，应综合考虑各种因素，合理选择风机的型号和数量。为此，可以采用多台功率不同的风机，适当分组控制运行，以满足不同情况的通风要求。虽然机械通风效果显著，但是能耗较大，所以一般不单独使用，往往和湿垫一起综合使用，达到夏季温室降温的目的。2蒸发和降温2.1湿垫降温技术的发展湿垫—风机降温系统是利用水蒸发时将空气中的显热转变为潜热的原理进行降温。自从20世纪50年代美国的研究者开始研究开发以来，湿垫装置逐步实用、成熟并得到推广；尤其在80年代初，欧美各国发展工厂化生产波纹纸质湿垫，进行大面积的温室降温，这一系统便逐步推广到日本及中东等许多国家。湿垫风机降温系统能将温室内的空气干球温度降低到略高于室外湿球温度l°～2℃的水平。我国自20世纪80年代初引进美国的湿垫降温装置以来，对该技术进行了消化吸收，并进一步在结构优化、设计方法以及应用等方面进行了深入研究。1988年，北京农业工程大学成功研制了适合我国温室的湿帘风机降温系统，通过了农业部新产品鉴定并投入使用，成为目前温室夏季通风降温的最佳组合模式。多年来的生产实践表明，该系统不但在我国北方地区降温效果极为显著，而且在长江流域以南地区及东南沿海一带的高温季节也是适用的。即使是在夏季高温天气，空气温度通过湿垫后一般都可以降低4°～7℃。该系统具有设备简单、能耗较低、成本低廉、产冷量大及运行可靠等优点，设备费仅相当于空调的1/7，运行费仅为空调的1/10。合理设计与运行的湿垫，其蒸发降温效率可达75%～90%，通过阻力损失约为10～40Pa。同时，该系统还存在有待改进的问题：在长期的使用中，空气中尘垢的附着与水中盐类的沉积会降低湿垫的使用效果，增大通风阻力甚至产生部分堵塞；湿垫使用后会产生收缩与变形，且其表面常常积聚水垢和水苔，这样大大减弱了吸水性，缩小了过流断面面积，致使湿垫阻力增加，降低了降温效率，造成湿垫必须频繁定期更换(波纹纸质湿垫一般5年更换一次)，使系统运行成本增加；盐类与尘污在水中不断积聚将使循环水水质变差，需经常更换水，使耗水量增加。这些领域今后还期待进行更加深入的研究，优化湿垫—风机降温系统。2.2高压喷雾降温技术水雾是一些悬浮在气体（通常指空气）中的小水滴，根据其液滴的大小不同，可以分为干雾、湿雾、弥雾、细雾、粗雾等5种类型，雾滴粒径依次增大，因此可以根据不同的使用要求选择不同的雾种。产生人工水雾的常用技术有液力雾化、气力雾化、离心式雾化、二相流雾化和超声波雾化等多种方式，不同的雾化技术对产生水雾的设备和投资亦各不相同。高压喷雾降温也称冷雾降温（如图1所示），是目前在温室中应用的较先进降温方法。普通的水经过系统自身配备过滤系统后进入高压泵，水在很高的压力(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以下的细雾滴（干湿雾）；雾滴弥漫整个温室与空气混合，利用水的蒸发潜热特点，大量吸收空气中的热量，从而达到降温的目的。该项技术已在江苏和浙江等地多点示范应用，取得了较好的效果。由于高压喷雾产生的雾滴粒径非常小，雾粒悬浮在空气中，在它下落到地面之前就已蒸发，不会引起地表湿度过高，且蒸发速度快，降温效率高达95%，而湿垫—风机降温系统的降温效率只有80%左右；用水少，喷洒流量小，作物发病率的可能性小；运作节水、节能、无污染，系统投资小、结构简单、维修方便且运行费用低。2.3采用逆气流方向喷雾系统，提高降温效率集中雾化降温系统是在温室的进风口处集中喷雾对进入室内的空气降温处理的蒸发降温系统，如图2所示。未蒸发完的雾滴可落入下部循环水池重复使用，避免了在室内直接喷雾时雾滴淋湿植物与地面的问题。在入口的气流组织上，该装置采用逆气流方向喷雾，从而增强了雾滴与气流间的热质交换，达到了提高降温效率的目的。与前面的高压喷雾系统相对比，对喷雾细化的要求大大降低，可采用低压喷雾并放宽对喷雾设备的要求，设备投资与运行费用大大降低。马承伟等人对这一系统进行了实际生产条件下的夏季降温试验，取得了明显的效果：系统降温效果良好，通风阻力小，不会产生室内持续高湿状况；室内相对湿度为7O%～95%，通风总压力损失为40.3Pa；在0.1～O.2的较低水气比情况下，其降温效率可达8O%以上；室内平均气温要低于室外气温2°～5.5℃，比单纯采用机械通风时低4°～7.5℃。其中也存在的不足之处，如在出口气流中夹带着少量粗雾滴，增加了温室内的湿度，容易导致病虫害的发生。2.4后蒸发降温法前面所讨论的几种降温方法在高温低湿的北方地区应用效果非常明显，但是在我国高温高湿的南方地区(如武汉、南京等地)的应用效果并不理想。从焓湿图可知，在温度一定时，低湿度的空气对应的湿球温度较低，从而使直接蒸发降温系统获得的降温幅度较大；而高湿度的空气对应的湿球温度较高，同时由于直接蒸发降温的方式会进一步增加温室内空气的相对湿度，所以直接蒸发降温法不能满足夏季高温高湿地区温室的降温要求。根据张继元等人的研究，除湿降温系统主要由湿垫、风机、除湿室、除湿剂再生子系统组成，如图3所示。除湿降温系统是在湿垫—风机降温系统的基础上增加了一个除湿室，湿空气经过除湿室后，除湿剂吸收水分而逐渐被稀释，而使空气湿度下降。该降温系统经过赵纯清等人的实验研究，取得了较为理想的效果。湿度为75%左右的空气经除湿处理后，其湿度可降低到5O%左右，除湿降温系统的降温幅度在10℃左右。在本系统中，考虑到投资成本，一般选择价格低廉、吸湿效果好、溶解性好和可再生的工业用氯化钙作为除湿剂，除湿剂的浓度一般配制成45%左右。除湿降温系统不仅可解决高温高湿条件下温室降温难的问题，而且可以降低温室内的湿度，降低温室内作物的发病率，为作物生长提供适宜的湿度环境。2.5喷雾—雾帘降温系统雾帘降温系统是在温室中试验的一种新型蒸发降温方式，它主要由喷雾装置与水膜构成，如图4所示。喷出的雾滴仅限于屋面与水帘之间的夹层空间中，空气由天窗吸入，在夹层中经水蒸发降温后进入温室。未蒸发的水滴由水帘承接并汇入水槽回收，这完全防止了水滴淋湿作物与地面；同时，被水湿润的水帘表面还是一个很大的蒸发表面，夹层具有阻挡辐射热进入温室的作用。浙江大学农业生物环境工程研究所苗香雯教授等在自然通风温室中进行了喷雾—水膜降温系统的试验，采用了图5所示的降温系统。在水膜降温设施的通水管加装喷头进行喷雾时，由于水滴的雾化，使水的蒸发加速进行；同时，未完全汽化的雾滴落在水膜材料上形成第二次蒸发散热，降温效果进一步提高。实验结果表明：降温效果好(可使室内温度在秋初高温季节降到作物生长的允许温度30°～32℃；不增加温室内的湿度，可控制在50%～70%之内；光照适宜，有利于作物进行光合作用；能源消耗甚少，对温室密封和结构无特殊要求等优点。3减少温室内温度太阳辐射的质量调节系统在运行过程中，可根据需要对通过围护结构进入温室内的太阳光的质(光谱组成-光质)和量(太阳光透入温室的数量)进行调节，即能反射大部分红外太阳辐射，且覆盖在温室顶部的薄层液膜能够根据作物种类和生长阶段选择性地透过所需波长的可见光和紫外线，增加光路长度和对太阳光的总反射系数，从而减少温室所需冷负荷，实现改善温室内的太阳光质，同时降低温室内温度。实验结果表明，温室顶内表面温度可降低13°～15℃，作物上层叶表面温度降低8°～10℃,温室内气温降低7°～9℃；与室外相对比，系统降低的总太阳辐射强度为40%～50%，降低直射辐射强度为32%～37%。4温室夏季降温技术重庆市位于青藏高原与长江中下游平原之间过渡地带的四川盆地的西南部，东与陕西、湖北、湖南交界，南靠贵州，西面和北面与四川接壤。重庆离海洋较远，气候属亚热带季风性湿润气候，冬暖夏热，年平均气温在18℃左右，夏季最高气温平均在27°～29℃。因地理位置特殊，重庆市夏季气候闷热，大部分地区夏季平均相对湿度在63%～75%，成为长江三大“火炉”之一。7月和8月是重庆的最热月份，极端最高气温38°～40℃，部分地区甚至高达42℃和43℃。因此，温室夏季的降温显得尤为重要。以7月份为例，室外温度通常在29°～40℃范围内，若仅仅依靠单纯的自然通风或机械通风，降温效果不明显，甚至反而会出现增温的现象，根本无法满足作物的生长要求，所以必须依靠综合降温系统来实现降温的目的。经研究，采用湿垫—风机降温系统（外遮阳）可使温室内温度降低4°～8℃，相对湿度增加5%～10%；采用高压喷雾降温系统（外遮阳），温室内温度可降低5°～9℃，相对湿度增加3%～6%；采用除湿降温系统（外遮阳），室内温度可降低3°～6℃，相对湿度降低7%～10%。通过分析，综合考虑重庆的气候条件、系统投资、后期维护费用、运行费用以及降温效果对温室湿度的影响等各种因素，在重庆采用湿垫—风机降温系统的效果较为理想