Watergy封閉式溫室的原理與應(yīng)用

張 誠(chéng) Guillermo Zaragoza 翁白莎 秦天玲

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038;2.卡雅瑪基金會(huì)科學(xué)研究院，西班牙阿爾梅里亞省)

1 概述

當(dāng)今世界，很多地區(qū)的水資源都極度匱乏，而農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占總用水量的70%，在發(fā)展中國(guó)家，這一數(shù)字甚至達(dá)到80%。因此，為減少農(nóng)業(yè)用水量，必須大幅度提高用水效率［1］。各國(guó)都在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式上尋求新的突破，而節(jié)水節(jié)能型溫室則成為關(guān)鍵途徑之一。

Watergy項(xiàng)目由歐盟能源、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃署提供資金，旨在建立一個(gè)能實(shí)現(xiàn)能源、食物和水供給多目標(biāo)為一體的綜合技術(shù)平臺(tái)。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了2個(gè)物理原型，一是位于西班牙南部的封閉式溫室，另一個(gè)是德國(guó)的綜合溫室節(jié)能建筑。本文系統(tǒng)介紹了西班牙南部封閉式溫室的原理、結(jié)構(gòu)與效益，以為我國(guó)溫室的建設(shè)與發(fā)展提供一定的參考。

2 基本技術(shù)原理

Watergy封閉式溫室由德國(guó)柏林科技大學(xué)與荷蘭瓦赫寧根大學(xué)共同設(shè)計(jì)完成，主要依賴太陽(yáng)能運(yùn)行。該溫室位于西班牙南部阿爾梅里亞省埃爾埃希多市的卡雅瑪爾基金會(huì)科學(xué)研究院，屬半干旱區(qū)，占地200 m2，由鍍鋅鐵框架和聚乙烯塑料頂棚組成，機(jī)理土壤層深20～30 cm，每平方米土壤表面約有5 kg有機(jī)物。第一輪作物為四季豆，第二輪為秋葵。溫室包括4個(gè)區(qū)域:種植區(qū)(plant area)、內(nèi)頂棚區(qū)(inner roof)、熱交換器(冷卻及加熱導(dǎo)管，cooling/heating duct)和土壤層(soil layer)。每個(gè)區(qū)域都有各自的水、熱平衡系統(tǒng)。冷卻管中的熱交換器由聚丙烯軟管制成，內(nèi)頂棚為種植區(qū)上方的透明塑料層，帶有噴灌系統(tǒng)。棚外置有3個(gè)水箱和1個(gè)收集排水的容器，3個(gè)水箱與冷卻/加熱導(dǎo)管相連。此外，溫室的水、熱、二氧化碳過(guò)程均由溫室外的兩個(gè)控制室控制，1個(gè)用于監(jiān)控氣溫、二氧化碳濃度和輻射，另一個(gè)負(fù)責(zé)監(jiān)控灌溉情況。

溫室充分利用太陽(yáng)能，使植被區(qū)和熱交換器間形成內(nèi)部空氣循環(huán)，避免使用熱泵進(jìn)行冷卻。白天，系統(tǒng)將熱量轉(zhuǎn)移出溫室并進(jìn)行儲(chǔ)存;夜間，利用外部?jī)?chǔ)存的熱量對(duì)溫室進(jìn)行加熱。封閉式溫室日間運(yùn)作模式見(jiàn)圖1。由圖1可知，日間，陽(yáng)光照射，種植區(qū)(plant area)氣溫上升(1);空氣受熱后上升，穿過(guò)內(nèi)頂棚區(qū)(inner roof)(2);噴灑的苦咸水/污水經(jīng)陽(yáng)光照射，蒸發(fā)水蒸氣上升(3);熱空氣進(jìn)入外管，受熱繼續(xù)上升(4);由于塔的頂端為封閉狀態(tài)，熱空氣進(jìn)入塔身的中央管道由熱交換器(cooling/heating duct)冷卻(5);冷卻處理后的冷凝水直接落入冷凝水收集器，冷卻后的空氣重新流入溫室(6)——完成了一次循環(huán)。

圖1 封閉式溫室日間水熱循環(huán)示意

作物生長(zhǎng)所需的二氧化碳由二氧化碳供給器自動(dòng)供給。日間，封閉的溫室里保持較高的二氧化碳濃度(約1‰)，主要用于提高光合作用效率和作物耐高溫能力。從園藝角度來(lái)看，封閉的溫室能夠提高作物產(chǎn)量，主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①通過(guò)調(diào)節(jié)氣候延長(zhǎng)作物的生產(chǎn)周期;②提高空氣中的二氧化碳濃度;③減少殺蟲(chóng)劑的使用［2］。

3 實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 水循環(huán)過(guò)程

在水生產(chǎn)方面，封閉式溫室的最終理念是將雨水、污水和鹽水轉(zhuǎn)化為純凈水。Watergy溫室來(lái)水的主要途徑有:①生活廢水，即由家庭使用后直接排放出的水;②海水或鹽水;③土壤和植物的蒸騰量。整個(gè)溫室水凈化工程的核心技術(shù)還是以溫濕氣體及太陽(yáng)能收集塔為基礎(chǔ)，伴隨著物理和生物原理作用。

進(jìn)入溫室的水量包括:①灌溉用水。主要是由灌溉控制室控制，從外部抽水進(jìn)入溫室，并采用滴灌技術(shù)進(jìn)行灌溉;②溫室內(nèi)二級(jí)收集區(qū)內(nèi)的噴頭出水。這部分水主要作為白天降溫和增加濕度使用，污水和海水都可以作為水源;③與冷卻/加熱塔相連接的水。溫室外設(shè)置了3個(gè)15 L的水罐，它們與冷卻/加熱塔相連，主要是起到白天冷卻和晚上加熱的作用。該水循環(huán)是完全密閉的，所以水量永遠(yuǎn)保持平衡。④植物和土壤的蒸騰水量。一部分的水量會(huì)被直接送到冷卻/加熱塔內(nèi)，形成冷凝，而另一部分沒(méi)有進(jìn)入塔內(nèi)的，會(huì)在溫室膜內(nèi)形成水珠并落入二級(jí)收集區(qū)，最后由收集槽匯集起來(lái)，用作灌溉用水。

從溫室排出的水量包括:①土壤滲水。這主要是灌溉后水滲入地下而形成的下滲水，不過(guò)這部分水也被最底層的塑料膜收集并輸送到收集罐中，而收集的水又會(huì)被自動(dòng)抽回到灌溉水塔中循環(huán)利用，所以這部分水也可以視作封閉的。②冷凝水。冷凝水是從冷卻/加熱塔底部流出的水，這些水會(huì)被收集主要用作灌溉用水，而冷凝水就是上面提到的蒸餾水。

可以看出封閉式溫室的水循環(huán)是全封閉的。灌溉用水可以被土壤下滲水回收裝置吸收，二級(jí)回收區(qū)的噴頭噴出的一部分水被冷卻/加熱吸收塔形成冷凝水，一部分又從回收槽內(nèi)回收被重新利用，而植物和土壤的蒸騰水也被吸收塔吸收最終成為凝結(jié)水的一部分。此外，二級(jí)回收區(qū)噴頭出水可以利用污水和鹽水，這樣經(jīng)過(guò)蒸騰作用，水蒸氣經(jīng)過(guò)浮力最后被回收塔吸收，而污水中的重物質(zhì)就沉積在塑料膜上，只需要經(jīng)常更換二級(jí)回收區(qū)的膜就可以進(jìn)行水凈化處理。而最終這部分蒸騰水會(huì)與土壤和植物的蒸騰量一起進(jìn)入吸收塔，并經(jīng)冷卻處理成為冷凝水落入吸收槽內(nèi)。試驗(yàn)證明，這部分水的水質(zhì)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于處理前的水質(zhì)。

從封閉式溫室所擁有的水凈化處理功能可以看出，溫室可以從水消耗者變?yōu)榧儍羲a(chǎn)者。越是日照強(qiáng)烈的地區(qū)，越會(huì)產(chǎn)生更多的植物土壤蒸發(fā)，從而也就會(huì)有更多的蒸騰水排出，這也就是為什么會(huì)將封閉式溫室放置在干旱少雨、日照強(qiáng)烈的西班牙南部。

3.2 能量循環(huán)過(guò)程

能量管理的目的主要是通過(guò)以水為基礎(chǔ)的蓄能器調(diào)節(jié)溫室中的溫度。Watergy能量管理主要有兩種形式:一種是在地中海地區(qū)使用的晝夜溫度收集器，即在白天對(duì)溫室進(jìn)行冷卻而在夜晚對(duì)溫室加熱;另一種是在歐洲中部地區(qū)使用的季節(jié)性的能量存儲(chǔ)裝置，即收集夏天熱量，為冬天的溫室和周邊的居民樓提供熱量服務(wù)。

晝夜能量?jī)?chǔ)存器既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，使用范圍也非常廣泛，特別在晝夜溫差比較大的地區(qū)，使用效果會(huì)更好，因?yàn)榘滋旄嗟哪芰靠梢员皇占?，而夜晚能量可以得到充分釋放。圖2解釋了封閉式溫室的能量?jī)?chǔ)存情況，白天收集的熱能可以被輸送到外部的儲(chǔ)存罐中，而到了夜晚溫度降低到一定程度時(shí)儲(chǔ)存罐就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，將溫室加熱到恒定溫度。此外，一個(gè)備用收集器被設(shè)置在溫室外部，以防在太陽(yáng)光不夠強(qiáng)烈時(shí)可以將溫室溫度加熱到一定程度，保證作物不受到影響。

3.3 關(guān)鍵核心技術(shù)

Watergy項(xiàng)目建立了一種全新的以濕潤(rùn)空氣循環(huán)為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能收集排放系統(tǒng)，該系統(tǒng)是整個(gè)Watergy項(xiàng)目的技術(shù)核心之一，如圖2。

圖2 封閉式溫室核心控制技術(shù)

收集器由一個(gè)太陽(yáng)能收集塔組成，塔內(nèi)的冷卻管由一個(gè)空氣-水的熱量轉(zhuǎn)換裝置和一個(gè)熱量蓄能器構(gòu)成。在封閉式溫室中，植物區(qū)的空氣由于受太陽(yáng)光照射，在浮力作用下上升到二級(jí)收集區(qū)，并在持續(xù)加熱的情況下直至溫室頂部。因?yàn)檎麄€(gè)溫室是封閉的，所以熱空氣會(huì)直接進(jìn)入到溫濕空氣及太陽(yáng)能收集塔中。與此同時(shí)，植物和土壤的蒸騰量將加入到這一過(guò)程當(dāng)中，即成為濕氣，并上升到溫室頂部。此外，二級(jí)收集區(qū)的另一個(gè)加濕裝置(主要由噴頭組成)將在白天定時(shí)開(kāi)啟，這一是為了給溫室降溫，二是增加空氣濕度。最終，溫度濕度極高的氣團(tuán)就會(huì)進(jìn)入太陽(yáng)能收集塔內(nèi)，而此時(shí)內(nèi)設(shè)的熱交換機(jī)開(kāi)始冷卻空氣。經(jīng)過(guò)冷卻處理，部分空氣直接凝結(jié)成蒸餾水并與熱交換過(guò)程中的剩余熱量被直接輸送到溫室外部的能量吸收罐和蒸餾水儲(chǔ)存罐中。而一部分沒(méi)有凝結(jié)成水的干冷空氣又回到了溫室的植物區(qū)，整個(gè)過(guò)程再次開(kāi)始循環(huán)。

在夜間，整個(gè)流程與白天正好相反，熱空氣交換機(jī)將加熱空氣，以維持作物生長(zhǎng)需要。總之，熱交換器是整個(gè)溫室小氣候的核心，加熱和冷卻時(shí)常出現(xiàn)，而溫室的小氣候主要受熱交換器吸收或釋放的空氣所控制。

4 效益分析

封閉式溫室于2004年夏建造完成，之后直到2005年春季一直處于測(cè)試和調(diào)試階段。在整個(gè)測(cè)試階段經(jīng)歷了大概3個(gè)月，種植作物選取的是法國(guó)大豆，一種抗高溫作物。最終測(cè)試結(jié)果非常樂(lè)觀，大豆產(chǎn)量3 kg/m2，高于普通種植條件下冬季溫室產(chǎn)量。此外，作物健康狀況良好，在沒(méi)有使用任何化學(xué)藥劑處理的情況下，無(wú)任何病蟲(chóng)害現(xiàn)象發(fā)生。在4個(gè)月內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的蒸發(fā)蒸騰總量大概為400 L/m2，而這些蒸騰量在整個(gè)系統(tǒng)中都可以被循環(huán)使用。而對(duì)一些收集的水體進(jìn)行的周循環(huán)分析顯示，水質(zhì)效果良好(氯含量低于0.05 mg/L，100 mL的水中大腸菌類少于3種)。2006年經(jīng)研究結(jié)果表明，進(jìn)入和排出溫室的水量基本持平，而水利用率為97.64%［3］。

5 應(yīng)用前景及存在問(wèn)題

Watergy項(xiàng)目是一個(gè)理想化的建筑結(jié)構(gòu)，雖然在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用空間，但也存在不少問(wèn)題。

(1)造價(jià)比較昂貴。雖然Watergy的建筑結(jié)構(gòu)成本不高，但由于對(duì)太陽(yáng)光的照射強(qiáng)度有要求，所以目前必須使用聚乙烯材料的膜，而這種膜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后會(huì)老化，阻礙光線直接照射，直接影響作物生長(zhǎng)。目前解決這個(gè)問(wèn)題的唯一途徑就是定期更換膜，但這也大大增加了建設(shè)管理成本。所以，研究人員正在積極尋找透氣性更好、成本更為低廉、使用年限較長(zhǎng)的替代品。此外，核心技術(shù)溫濕空氣及太陽(yáng)能收集排放系統(tǒng)的造價(jià)也比較昂貴。所以要將Watergy推廣到千家萬(wàn)戶，如何在保證質(zhì)量的同時(shí)又能降低成本是Watergy研究人員面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

(2)穩(wěn)定性較差。Watergy項(xiàng)目是一個(gè)非常理想化的產(chǎn)品，各個(gè)環(huán)節(jié)都緊密相連，一旦一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題可能會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)作。雖然目前Watergy只是處于研究階段，但是在今后的推廣工作中如何使Watergy成為一種既穩(wěn)定，又易操作、管理的系統(tǒng)也是要解決的主要問(wèn)題之一。

6 結(jié)語(yǔ)

Watergy封閉式溫室所具備的優(yōu)勢(shì)不是單一的，它不僅僅是一個(gè)能量和水的封閉系統(tǒng)。與傳統(tǒng)溫室相比，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)理念先進(jìn)。以溫濕氣體及太陽(yáng)能收集器為核心而設(shè)計(jì)的3種模型都具有很強(qiáng)的超前意識(shí)，項(xiàng)目通過(guò)較為簡(jiǎn)單的原理搭建了一個(gè)可以將各種資源整合在一起的技術(shù)平臺(tái)，在大大降低了工程造價(jià)的同時(shí)，達(dá)到了節(jié)水節(jié)能的目的。

(2)封閉式結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的溫室必須具備相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備，所以無(wú)法采用封閉式結(jié)構(gòu)。開(kāi)放式結(jié)構(gòu)不僅加強(qiáng)了植被的呼吸作用，降低了溫室溫度，同時(shí)還增加了病蟲(chóng)害發(fā)生的可能性，并使大量的蒸騰水自然流失。Watergy項(xiàng)目采用全封閉式結(jié)構(gòu)(也裝有應(yīng)急通風(fēng)口)，這樣就形成了特有的小氣候，節(jié)省了溫室的水汽和能量，此外更增加了植物的生長(zhǎng)周期。封閉式溫室不僅結(jié)構(gòu)是封閉的，而且水循環(huán)和能量循環(huán)也是封閉的。這不僅大大降低了水耗，提高了用水效率，還將能量存儲(chǔ)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了真正的可持續(xù)利用。

(3)水處理功能。在封閉式結(jié)構(gòu)中，冷卻/加熱塔的利用使水處理非常簡(jiǎn)單，而這在開(kāi)放式的溫室中是不可能的。這種技術(shù)不僅可以在溫室中得到利用，今后還可以在建筑房屋中廣泛推廣使用。

(4)能量控制。溫濕氣體及太陽(yáng)能收集器可以存儲(chǔ)白天產(chǎn)生的熱能，以便在冬天加熱房屋和夜晚加熱溫室。這種節(jié)能方式正好是目前各國(guó)大力倡導(dǎo)的。

(5)自動(dòng)化控制水平高。無(wú)論是水、能、電，還是CO2輸入都由電腦控制，這樣就真正形成了數(shù)字化管理。

［1］ D.Renault，W.W.Wallender.Nutritional water productivity and diets［J］.Agricultural Water Management，2000，45(3):275-296.

［2］ Zaragoza G，Buchholz M，Jochum P，et al.Watergy Project:Towards a rational use of water in greenhouse agriculture and sustainable architecture［J］.Desalination，2007，211:296-303.

［3］ 張誠(chéng)，賀超興，Guillermo Zaragoza，等.基于蒸散平衡的封閉式溫室節(jié)水效果分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(12):259-264.