基于熱交換的漂浮育苗溫室除濕系統(tǒng)研究

向陽(yáng)，曾超塵，曹凡，吳明亮

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

高濕環(huán)境抑制植物的蒸騰和光合作用，從而影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，并使病蟲(chóng)害加重[1–3]。目前, 采用開(kāi)門(mén)、開(kāi)窗、溫室“扒縫”等自然通風(fēng)手段對(duì)溫室進(jìn)行降濕處理，仍然是最普遍的除濕方式[4]。這些除濕方式對(duì)濕度的可控程度低，特別是在冬季，除濕度難以調(diào)控外，還對(duì)大棚溫度產(chǎn)生不利影響。針對(duì)大棚濕度的調(diào)控，J.B.Campen 等[5]在溫室天溝中安裝通有冷水的翅片管，濕空氣在翅片表面冷凝，降低了濕度，但該裝置遮擋了3%的采光，同時(shí)降低了大棚的內(nèi)部溫度，一定程度上影響了作物的生長(zhǎng)。陳正法等[6]研制了空氣循環(huán)式蓄熱除濕裝置，將晴天大棚的濕熱空氣強(qiáng)制抽送到安放在土壤中的多個(gè)冷凝管中，除濕及保溫效果良好，但該方法存在建設(shè)施工量大、成本高及管道易銹蝕的問(wèn)題；Rousse 等[7]針對(duì)加拿大魁北克的氣候條件，設(shè)計(jì)了一套通過(guò)交換室內(nèi)外空氣，并運(yùn)用熱交換原理回收室內(nèi)空氣熱量的除濕系統(tǒng)，能量回收效率最高可達(dá)84%。

大棚除濕原則上應(yīng)既降低相對(duì)濕度，又盡可能不引起溫度的變化[8–9]，同時(shí)，適度的強(qiáng)制通風(fēng)還應(yīng)有利于廢氣的排放[10]。筆者針對(duì)漂浮育苗溫室冬季濕度過(guò)高的問(wèn)題，基于空氣熱交換原理，研制了強(qiáng)制通風(fēng)保溫除濕系統(tǒng)，并在煙草漂浮育苗池進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 漂浮育苗溫室蒸發(fā)特性

漂浮育苗溫室用營(yíng)養(yǎng)液提供苗體生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分和水分[11]，棚內(nèi)水汽主要來(lái)源于基質(zhì)的水分蒸發(fā)和作物蒸騰作用的水分蒸發(fā)。冬季低溫時(shí)，使用增溫系統(tǒng)對(duì)漂浮育苗營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行加熱，可提供幼苗生長(zhǎng)的適宜溫度、縮短育苗期，并提高煙苗素質(zhì)[13]。采用這種增溫措施使水體溫度的增量比棚內(nèi)空氣溫度的增量要大，導(dǎo)致漂浮育苗池營(yíng)養(yǎng)液與棚內(nèi)空氣的溫度差維持在一個(gè)比較高的水平，增加了土壤水分蒸發(fā)速率和植物冠層蒸騰水分蒸發(fā)速率[12]，使得棚內(nèi)的濕度在開(kāi)啟增溫系統(tǒng)后維持在較高水平。

2 熱交換換氣除濕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 熱交換換氣除濕機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

熱交換換氣除濕機(jī)主要由風(fēng)機(jī)、換熱芯、表冷器等構(gòu)成，如圖1 所示?？紤]本研究的主要目的為除濕，選擇顯熱交換方式，除濕機(jī)熱交換芯選用鋁質(zhì)交叉板翅式結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)工作時(shí)，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)區(qū)風(fēng)機(jī)和室外出風(fēng)區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，室外低溫低濕空氣從室外進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，室內(nèi)進(jìn)風(fēng)口排出，室內(nèi)高溫高濕空氣從室內(nèi)出風(fēng)口進(jìn)入，室外出風(fēng)口排出。2 種空氣在熱交換鋁芯處交叉流通后，對(duì)高溫室內(nèi)空氣進(jìn)行能量的回收，使室外低溫空氣溫度上升。室外低溫空氣通過(guò)熱水循環(huán)流通的表冷器后再次提高溫度，進(jìn)入溫室大棚。

圖1 熱交換換氣除濕主機(jī)結(jié)構(gòu) Fig.1 The structure of heat-exchange ventilation dehumidifier

2.2 基于單片機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)

換氣除濕監(jiān)控系統(tǒng)由ARM7 單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)和彩色觸摸屏組成(圖2)。系統(tǒng)通過(guò)多通道溫度及濕度傳感器實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和表冷盤(pán)供水溫度、供水流量參數(shù)，并傳送至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合人工對(duì)大棚相對(duì)濕度設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)，通過(guò)預(yù)置的控制算法對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、開(kāi)啟和結(jié)束以及表冷盤(pán)電磁閥的通斷等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。大棚的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息和除濕系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況都可以在觸摸顯示屏上觀察得到。通過(guò)觸摸顯示屏還能人工輸入目標(biāo)相對(duì)濕度，人工啟動(dòng)和關(guān)閉風(fēng)機(jī)和熱水閥，實(shí)現(xiàn)人工現(xiàn)場(chǎng)控制。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式界面 Fig.2 The interface of system operation mode

2.3 基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖3 所示。單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集環(huán)境及工作參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)提交到遠(yuǎn)程服務(wù)器并保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)器采用WEB 頁(yè)面提供數(shù)據(jù)顯示與查詢(xún)，以方便用戶(hù)使用。用戶(hù)可以使用電腦、智能手機(jī)等，上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁(yè)的設(shè)備，隨時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。用戶(hù)通過(guò)手機(jī)等終端設(shè)備(圖4)，查看溫室狀態(tài)與工作參數(shù)，并可遠(yuǎn)程開(kāi)啟或關(guān)閉溫室的熱水管路閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱系統(tǒng)的控制。

圖3 GPRS 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) Fig.3 Principle of GPRS remote monitoring system

圖4 手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面 Fig.4 Mobile remote monitoring interface

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

3.1 試驗(yàn)條件

2014年1月到3月，在湖南省衡陽(yáng)市煙草公司僚塘育苗基地進(jìn)行熱交換式除濕系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)。溫室大棚寬24 m，長(zhǎng)48 m, 內(nèi)設(shè)12個(gè)漂浮育苗營(yíng)養(yǎng)池。選取地理位置、外部環(huán)境相同的2個(gè)大棚，1個(gè)安裝除濕系統(tǒng)，另外1個(gè)作為對(duì)照大棚。

3.2 除濕效果

由于除濕系統(tǒng)一般在濕度較高時(shí)開(kāi)啟，在驗(yàn)證除濕效果時(shí)沒(méi)有再加熱新風(fēng)。表1 記錄1月23日至2月28日間開(kāi)啟除濕系統(tǒng)當(dāng)天記錄的各個(gè)時(shí)間段溫度和相對(duì)濕度的平均值。

不同天氣情況下，在除濕系統(tǒng)工作的時(shí)間段，試驗(yàn)大棚的相對(duì)濕度都低于對(duì)照大棚，平均降低了6.7%。2月13日為雨轉(zhuǎn)多云天氣，2個(gè)大棚相對(duì)濕度相差17.5%；相差最低的為2月22日，雨天，差值為0。說(shuō)明當(dāng)室外濕度較高時(shí)，采用換氣除濕效果不理想。

表1 試驗(yàn)大棚與對(duì)照大棚的相對(duì)濕度 Table 1 The humidity of experimentalgreenhouses and control ingreenhouse

3.3 能量回收效果

使用熱回收效率來(lái)衡量除濕系統(tǒng)的能量回收效果，熱回收效率=(進(jìn)入溫室的新風(fēng)溫度－溫室大棚外溫度)/(溫室大棚內(nèi)的溫度－溫室大棚外溫度)。熱回收效率列于表2。

表2 結(jié)果表明，進(jìn)入大棚的新風(fēng)溫度都高于大棚外空氣溫度，棚外空氣在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后溫度都有所上升，平均上升2.57℃。2月14日11：00 時(shí)上升了7.06℃，為最高上升值；2月13日17：00 時(shí)上升了1℃，為最低上升值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，平均熱回收效率為56.3%，最低為50.64%，最高為75.33%。

表2 試驗(yàn)大棚的熱回收效率 Table 2 The temperature of experimentalgreenhouses inside and outside and heat average recovery of system

換熱式除濕系統(tǒng)工作，使大棚內(nèi)外的空氣進(jìn)行交換，保證了棚內(nèi)空氣的新鮮。在煙苗6 葉期，按照YC/T142—1998，對(duì)試驗(yàn)和對(duì)照大棚的24個(gè)苗池的煙苗的莖高和莖圍進(jìn)行了采樣測(cè)量，與對(duì)照相比，試驗(yàn)大棚煙苗莖高增加了0.4 mm，莖圍增加了0.6 mm。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)熱交換原理，針對(duì)漂浮育苗大棚的內(nèi)外環(huán)境因素，綜合經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性，研制了熱交換式除濕系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明：除濕系統(tǒng)在不同的天氣都有一定的除濕能力，試驗(yàn)大棚較對(duì)照大棚相對(duì)濕度平均降低6.7%，但除濕能力會(huì)受到大棚外空氣相對(duì)濕度的影響；系統(tǒng)熱回收能力較好，大棚內(nèi)溫度較大棚外的溫度平均升高2.57℃，平均熱回收效率為59.35%；除濕促進(jìn)了煙苗的莖高和莖圍的增加。

冬季漂浮育苗大棚長(zhǎng)期處于高濕狀態(tài)，除濕量大，所以風(fēng)機(jī)一般處于滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致大棚內(nèi)外空氣交換的速率變大，過(guò)高的空氣交換速率影響了冷熱空氣在交換芯的充分接觸，從而影響熱回收效率，導(dǎo)致能量的散失，造成浪費(fèi)。需要針對(duì)漂浮育苗棚中水汽的產(chǎn)生速率，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行合理 分配。

熱交換式除濕系統(tǒng)的除濕能力對(duì)外部低濕空氣有一定的依賴(lài)性，隨著外部空氣相對(duì)濕度的升高，系統(tǒng)的除濕能力將會(huì)逐漸減弱。針對(duì)這一現(xiàn)象，綜合系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)適當(dāng)加入冷凝或使用全熱交換等輔助除濕方式來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的除濕效果；增加空氣均衡調(diào)控系統(tǒng)，使溫室大棚相對(duì)濕度和溫度調(diào)控更加均勻，保證系統(tǒng)運(yùn)行效果均衡。

[1] Bakker J C．Analysis of humidity effects ongrowth and production ofglasshouse fruit vegetables[D]. Wagenin-gen：Dissertation，Agricultural University(The Netherlands), 1991．

[2] Mortensen L M．Effect of relative humidity ongrowth and flowering of somegreenhouse plants[J]．Scientia Hortic，1986，29：301–307．

[3] 洪傳學(xué)，肖悅巖，曾十邁，等．黃瓜霜霉病流行過(guò)程的定量分析[J]．植物保護(hù)學(xué)報(bào)，1990 17(3)：263–267．

[4] 李天來(lái)．日光溫室和大棚蔬菜栽培[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1997：56–57．

[5] Campen J B，Bot G P A．Dehumidification ofgreenhouse at northern latitudes[J]．Biosystems Engineering，2003(4): 487–493．

[6] 陳正法，梁稱(chēng)福，李文祥，等．空氣循環(huán)式塑料大棚蓄熱除濕裝置及運(yùn)行效果[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(3)：158–163．

[7] Rousse D R，Martin D Y，Theriault R，et al．Heat recovery ingreenhouses：A practical solution[J]．Applied Thermal Engineering，2000，20：687–706．

[8] 張芝富．日光溫室冬季管理中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]．中國(guó)蔬菜，1998(6)：59．

[9] 陳端生．中國(guó)節(jié)能型日光溫室建筑與環(huán)境研究進(jìn)展[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1994，10(1)：123–128．

[10] 張亞紅，陳端生．日光溫室空氣濕度環(huán)境及除濕技術(shù)研究Ⅱ．強(qiáng)制通風(fēng)的降濕效果及效應(yīng)[J]．寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(2)：46– 50．

[11] 彭細(xì)橋，吳踐志，陸中山，等．我國(guó)煙草漂浮育苗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀、研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J]．中國(guó)煙草學(xué)報(bào)，2010，6(3)：90．

[12] 希勒爾D．土壤和水[M]．華孟，葉和才譯．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1983：199–247．

[13] 蔣篤忠，聶新柏，成勍松，等．烤煙漂浮育苗水體增溫技術(shù)的應(yīng)用[J]．農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2014(4)：53–56．

[14] 鄒華生，鐘理，伍欽，等．流體力學(xué)與傳熱[M]．廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004．