溫室溫度控制系統(tǒng)及控制方法的研究

何禹　李敏　李建軍　李延國　黃雷　劉柱

摘 要：溫室環(huán)境控制系統(tǒng)由空氣循環(huán)系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。分為2個(gè)階段：定期把溫室內(nèi)的空氣排出溫室外面；將溫室外面空氣吸入溫室內(nèi)，交替置換通過加熱處理的室外冷空氣。另外，第一階段的空氣相對濕度要大于預(yù)定的相對濕度，以控制溫室內(nèi)部的溫度和相對濕度的相對穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：環(huán)境控制；加熱；溫度；相對濕度

中圖分類號：S625.51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131021

引言

溫室內(nèi)植物在生長過程中經(jīng)過光合作用和蒸騰，溫度和相對濕度會(huì)發(fā)生變化，影響植物健康生長。光合作用是植物將二氧化碳和水轉(zhuǎn)換為有機(jī)物，并釋放出氧氣的生化過程。蒸騰作用是指土壤中的水分經(jīng)由植物表面，以水蒸氣狀態(tài)散失到大氣中的過程，植物通過根系吸水、體內(nèi)輸水和葉面氣孔開放等過程，從土壤中代謝所需的營養(yǎng)和水分，來營養(yǎng)它們的葉子和其它器官。相對濕度，是指空氣中的水分在凝結(jié)成液態(tài)之前，每單位體積最大含水量與同溫度下飽和空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量之比。

植物只能在一定的溫度和相對濕度范圍內(nèi)才能夠茁壯成長，否則不能就健康生長，甚至出現(xiàn)病態(tài)。植物對溫度和相對濕度的變化非常敏感，必須提供人工監(jiān)測，在大多數(shù)溫室內(nèi)種植多葉植物和蔬菜，溫度需要保持在18～22℃之間，相對濕度保持在75%～82%之間，才能保證植物健康生長。

在封閉的溫室環(huán)境中，相對濕度增加，導(dǎo)致水份從土壤里的蒸騰變得很難控制。通常采用控制溫室內(nèi)的相對濕度的措施，把溫室中潮濕的熱空氣定期釋放出去，替換吸入溫室外冷空氣。此過程空氣溫度和相對濕度都會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，所以溫室的管控需要消耗很多的能量，費(fèi)用支出也是比較昂貴的。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

溫室溫濕度控制系統(tǒng)由空氣循環(huán)系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。技術(shù)關(guān)鍵就是控制溫室溫度和相對濕度，通過定期將溫濕的空氣排放到溫室外面，并置換通過加熱處理的室外冷空氣，當(dāng)溫濕的空氣排出時(shí)，溫室溫濕度控制系統(tǒng)引進(jìn)適度加熱的室外空氣。該方法，對控制溫室內(nèi)溫度和相對濕度的波動(dòng)具有顯著功效。

熱交換系統(tǒng)通過選擇“通風(fēng)”模式或“維護(hù)”模式進(jìn)行操作?？諝庋h(huán)系統(tǒng)和熱量交換系統(tǒng)包括2個(gè)階段，第一階段熱空氣流出時(shí)使用制冷劑，制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量通過熱交換機(jī)用于第二階段加熱溫室外面進(jìn)入溫室的冷空氣。通過大功率的散熱器和排氣風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中相對較長的空氣管道，排氣熱交換器選擇性地驅(qū)動(dòng)溫暖潮濕的空氣從溫室內(nèi)排出溫室外，或把外面的空氣引入溫室中。換熱器包括可控制溫室外面冷空氣通過高效的散熱器入口和較長的空氣管道進(jìn)入熱換熱系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。

在通風(fēng)操作模式下，溫室溫濕度控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)溫室內(nèi)濕熱空氣通過排氣散熱器排到溫室外面，并驅(qū)動(dòng)進(jìn)氣風(fēng)扇系統(tǒng)將溫室外面空氣吸入溫室，通過散熱器交替排放溫室內(nèi)氣體和吸入空氣。通風(fēng)時(shí)，散熱器制冷液體吸收被排放的熱空氣熱量，通過通風(fēng)散熱器到進(jìn)氣散熱器，制冷系統(tǒng)傳輸這部分被提取的熱量并用于進(jìn)氣散熱器循環(huán)加熱進(jìn)氣風(fēng)扇系統(tǒng)吸入溫室的冷空氣。也就是說，排氣熱交換器冷卻通風(fēng)空氣溫度的幅度可等于外部空氣的溫度，進(jìn)氣散熱器加熱空氣可達(dá)到溫室所需的溫度范圍。

在維護(hù)操作模式下，溫室溫濕度控制系統(tǒng)控制溫室運(yùn)行在植物健康生長所需的范圍內(nèi)。通過相對緩慢而穩(wěn)定地將大量室外空氣加熱，加熱后的熱空氣進(jìn)入溫室。溫室溫濕度控制系統(tǒng)控制進(jìn)氣和排氣風(fēng)扇系統(tǒng)來引入外部空氣進(jìn)入溫室并加熱到所需的溫室溫度。外部空氣進(jìn)入的速度決定了溫室內(nèi)的氣壓，保證溫室內(nèi)氣壓略大于大氣壓力。隨之而來的就是溫室內(nèi)空氣泄漏，空氣泄漏的速度等于空氣流入溫室的速度。制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能同時(shí)被用于加熱流入的溫室外面空氣。

進(jìn)入維護(hù)模式時(shí)，需要通過開關(guān)來控制通風(fēng)的持續(xù)時(shí)間和頻率。溫室溫濕度控制系統(tǒng)控制溫室的溫度和相對濕度。

溫室溫濕度控制系統(tǒng)包括2組換熱器，每組換熱器包括散熱器和驅(qū)使空氣流動(dòng)進(jìn)行散熱的風(fēng)扇系統(tǒng)；第一組換熱器為制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑在2組換熱器之間循環(huán)流動(dòng)；加熱器可加熱制冷劑；控制器在通風(fēng)模式下，加熱器加熱制冷劑，第一和第二風(fēng)扇系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)從外面流入的空氣，通過散熱器獲得制冷劑的熱量。維護(hù)模式使用第一風(fēng)扇系統(tǒng)，空氣從內(nèi)部流向溫室外面，通過散熱器時(shí)，制冷系統(tǒng)儲(chǔ)存了散出的熱量；通風(fēng)系統(tǒng)使用第二個(gè)風(fēng)扇系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)溫室外面的空氣流入溫室，并在通過進(jìn)氣散熱器，獲取儲(chǔ)存在制冷系統(tǒng)中的熱量。當(dāng)然也可以選擇第三換熱器控制溫室內(nèi)的熱空氣，它包括散熱器，接收第二風(fēng)扇系統(tǒng)通過加熱制冷劑得到的空氣，再通過散熱器加熱，然后流入溫室里面。該裝置的流量控制是可控制的?？蛇x則在通風(fēng)模式下，控制器控制流體閥門，連接第一制冷系統(tǒng)和第二制冷系統(tǒng)。

在維護(hù)模式下，控制器控制第三熱交換器，極大地避免吸收溫室內(nèi)的熱量。控制器能夠控制溫室內(nèi)的熱空氣，當(dāng)內(nèi)部空氣溫度下降到低于預(yù)定的最低溫度時(shí)，第三熱交換器可加熱溫室內(nèi)空氣。控制器還可控制風(fēng)扇系統(tǒng)，第一換熱器和第二換熱器將大量的成正比的空氣按照平均流量吸入溫室內(nèi)?？蛇x流量在2500m3/h至3000m3/h?；?000m3/h 至3500m3/h，或等于約3000 m3/h。

在溫室中如果相對濕度大于預(yù)定的最低相對濕度，那么控制器將控制設(shè)備運(yùn)行在通風(fēng)模式下?？刂破骺梢园垂潭〞r(shí)間切換通風(fēng)模式和維護(hù)模式的間隔。在通風(fēng)操作模式下，重復(fù)頻率可為1Hz/h。也可以使用控制器來操作，控制2種模式的開始和結(jié)束時(shí)間。

2 控制系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，為溫室的溫濕度控制系統(tǒng)，操作該系統(tǒng)以保持溫室內(nèi)的溫度和相對濕度，工作原理如圖所示。

圖中：1.常規(guī)溫室；2.窗戶；3.排氣風(fēng)扇；4.左山墻；5.右山墻；6.溫室溫濕度控制系統(tǒng)；7.溫度監(jiān)測傳感器；8、相對濕度監(jiān)測傳感器；9.溫濕度控制器；10.內(nèi)部換熱器；11.制冷劑加熱器；12.散熱器；13.進(jìn)口管道；14.出口管道；15.散熱器風(fēng)機(jī)；16.分流通風(fēng)管；17.通風(fēng)管；18.空氣流出通風(fēng)管箭頭；19.圖圖2運(yùn)行程序圖；20.模塊；21.模塊；22.判斷模塊；23.模塊；24.模塊；25.判斷模塊；26.模塊；27.模塊；28.判斷模塊；29.溫室相對濕度變化曲線；30.溫室溫度變化曲線；31.溫室內(nèi)空氣的相對濕度函數(shù)曲線；32.溫室內(nèi)空氣的溫度函數(shù)曲線；33.溫室外空氣的相對濕度的函數(shù)曲線；34.溫室外空氣的溫度的函數(shù)曲線。

如上圖，將圖1和圖2進(jìn)行對比。針對傳統(tǒng)的常規(guī)溫室溫濕度控制系統(tǒng)的組件和操作進(jìn)行描述和詳細(xì)說明。圖3和圖4針對傳統(tǒng)的溫濕度控制系統(tǒng)，圖1所示為溫室環(huán)境中的相對濕度和空氣溫度。

圖1所示，排氣風(fēng)扇3安裝在溫室內(nèi)相對的左山墻4和右山墻5上。溫室1包括常規(guī)溫室溫濕度控制系統(tǒng)6，控制溫室的溫度和相對濕度。溫室溫濕度控制系統(tǒng)6包括內(nèi)部換熱器10，用于把溫室內(nèi)空氣加熱到所需的溫度；然后通過溫室1內(nèi)空氣通風(fēng)管16輸送到溫室內(nèi)不同的區(qū)域；還有溫室內(nèi)溫度監(jiān)測傳感器7和溫室內(nèi)相對濕度監(jiān)測傳感器8，分別用于溫室內(nèi)加熱的空氣的溫度監(jiān)測和相對濕度監(jiān)測；控制器9，控制這套溫濕度控制系統(tǒng)，包括窗戶2和排氣風(fēng)扇3及溫室內(nèi)溫度監(jiān)測傳感器7和溫室內(nèi)相對濕度監(jiān)測傳感器8。

內(nèi)部熱交換器10，包括散熱器12和制冷回流系統(tǒng)。制冷回流系統(tǒng)又包括制冷劑加熱器11，用于加熱制冷劑；還有制冷劑泵使制冷劑進(jìn)出散熱器12。制冷回流系統(tǒng)通過進(jìn)口和出口管道13和14，分別連接到散熱器12。內(nèi)部換熱器10通過兩個(gè)散熱器風(fēng)機(jī)15，可驅(qū)動(dòng)空氣通過散熱器11。制冷劑流經(jīng)散熱器11后，空氣被加熱到所需的溫度。被加熱的制冷劑通過進(jìn)口管道13進(jìn)入散熱器12，溫室內(nèi)的熱空氣通過散熱器風(fēng)機(jī)15，熱量被儲(chǔ)存，用于加熱被冷卻的制冷劑，然后通過散熱器12和出口管道14回到制冷回流系統(tǒng)，然后再次回流進(jìn)制冷劑加熱器11，再次被制冷劑加熱器11加熱。在圖1中所示，制冷劑加熱器11位于溫室1中接近內(nèi)部換熱器10。但在實(shí)際應(yīng)用中，制冷劑加熱器11一般設(shè)在溫室1外，并且遠(yuǎn)離溫室。制冷劑加熱器11也可以設(shè)在溫室1內(nèi)的。

通過散熱器12加熱的空氣被吹出內(nèi)部換熱器10，再通過兩側(cè)的通風(fēng)管17，可選則地進(jìn)入與之相連的分流通風(fēng)管16。分流通風(fēng)管16通常由塑料薄膜或紡織物制成，可擴(kuò)大熱交換器產(chǎn)出的熱空氣的流量。分流的通風(fēng)管16上有一些洞，可以便于熱空氣的流出，及時(shí)與溫室空氣混合，盡快達(dá)到溫室所需的空氣溫度和相對濕度?？諝饬鞒鐾L(fēng)管箭頭18表示空氣流出通風(fēng)管的狀態(tài)。在圖1中熱空氣流出內(nèi)部換熱器10，直接流入通風(fēng)管16。

溫室溫濕度控制系統(tǒng)6中的溫濕度控制器9，可選擇定期替換從外面流入的空氣并加熱，以控制溫室中的溫度和相對濕度。按照常規(guī)的方法，圖2所示的控制系統(tǒng)運(yùn)行流程圖，控制系統(tǒng)流程19用于指工藝流程圖和它所代表的組件。

參看溫濕度控制系統(tǒng)6，在流程圖19中，當(dāng)有足夠的陽光照射溫室，溫室的空氣溫度高于所需值時(shí)，程序即進(jìn)入數(shù)據(jù)流圖19中所示的模塊20。溫濕度控制器9關(guān)閉內(nèi)部換熱器10，溫濕度控制系統(tǒng)6不再給溫室1中的空氣加熱。

在模塊21，溫濕度控制器9根據(jù)需要獲取從溫度監(jiān)測傳感器7獲得的溫室1的空氣溫度測量值“T”。再由判斷模塊22的控制器確定是否測得的溫度“T”小于預(yù)定的最低氣溫。最低氣溫取決于溫室中的植物類型，許多植物在最低氣溫等于20℃時(shí)，最適宜生長。如果判斷模塊22的溫濕度控制器3確定“T”小于最低氣溫，一般這種情況可能發(fā)生在黃昏，溫濕度控制器進(jìn)入模塊23，并打開溫室1中的內(nèi)部換熱器10，加熱空氣，使溫度高于最低氣溫。內(nèi)部換熱器通常通過散熱器12（圖1），打開散熱器風(fēng)機(jī)15和啟動(dòng)制冷劑回流系統(tǒng)。此后，溫濕度控制器7可選則進(jìn)入模塊24。

如果判斷模塊22檢測到溫度小于最低氣溫，即按照前面流程操作。但假設(shè)溫濕度控制器9檢測到溫度大于或等于最低氣溫，溫濕度控制器即跳過模塊23，進(jìn)入模塊24。

進(jìn)入模塊24，不論溫濕度控制器9是否跳過了模塊23，控溫濕度制器都會(huì)從相對濕度監(jiān)測傳感器8和判斷模塊25中獲取溫室1中空氣的相對濕度值，溫濕度控制器會(huì)比較相對濕度值和溫室所需最大相對濕度值的限度值。在判斷模塊25，溫濕度控制器可選則按照選擇預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔確認(rèn)溫室相對濕度。檢測相對濕度值可來源于模塊24采集的數(shù)據(jù)。經(jīng)過這段時(shí)間，加熱從外面流入的空氣，如果大于最大相對濕度值，就需要進(jìn)入26模塊通風(fēng)置換空氣。但如果判斷模塊25檢測到相對濕度值小于最大相對濕度值，溫濕度控制器9即會(huì)選擇跳過模塊26，并進(jìn)入到模塊27。

模塊27的控制器獲取溫度測量值，判斷模塊28確定溫度是否小于預(yù)定的最低氣溫。如果溫度大于預(yù)定的最低氣溫，溫濕度控制器返回到模塊20，并關(guān)閉內(nèi)部換熱器10。另一方面，溫濕度控制器9還會(huì)返回到模塊24，獲得最新測量到的相對濕度值，以確定新的相對濕度值是否大于最大相對濕度值。如果在判斷模塊25的溫濕度控制器9，確定相對濕度值大于最大相對濕度值，為了阻止溫室內(nèi)的空氣過于潮濕，溫濕度控制器9即會(huì)啟動(dòng)模塊26，給溫室1換氣，以降低溫室內(nèi)的濕度。要完成更換，溫濕度控制器9通過打開窗戶2，并控制排氣風(fēng)扇3從溫室1里面排出空氣，從外面打開的窗口2可通過通風(fēng)直接置換空氣。

模塊27的溫濕度控制器9獲取溫度測量值，如果溫度大于預(yù)定的最低氣溫，控制器返回到模塊20，并關(guān)閉內(nèi)部換熱器10。經(jīng)確認(rèn)阻止判斷模塊28，如果溫度小于預(yù)定的最低氣溫，內(nèi)部控制器9回到23模塊繼續(xù)加熱空氣。一般來講從外面吸入溫室1的空氣相對比較寒冷，通常會(huì)大大低于最低氣溫。如果立即用外界空氣替換溫室內(nèi)的空氣，溫室里的空氣溫度會(huì)低于最低氣溫。一段空氣置換之后，判斷模塊28的內(nèi)部控制器9一般多次返回到模塊24，循環(huán)于模塊24和判斷模塊28塊之間，加熱溫室20的空氣，直至判斷模塊28檢測到溫室內(nèi)的空氣溫度大于所需的最低溫度。

圖3和圖4中曲線29和30分別表示溫室1內(nèi)部和外部的空氣相對濕度和溫度。溫室溫濕度控制系統(tǒng)6的操作參照運(yùn)行程序19。在曲線29和30中，溫室內(nèi)空氣的相對濕度函數(shù)曲線31和溫室內(nèi)空氣的溫度函數(shù)曲線32用粗實(shí)線表示兩天內(nèi)溫室內(nèi)空氣的相對濕度和溫度的函數(shù)曲線。圖表的橫坐標(biāo)以小時(shí)為單位，顯示時(shí)間。點(diǎn)溫室外空氣的相對濕度的函數(shù)曲線33和溫室1外部空氣的溫度的函數(shù)曲線34顯示在相同的兩天內(nèi)溫室外空氣的相對濕度和溫度的函數(shù)，平均每晝夜循環(huán)熱交換器運(yùn)作大約7h。

從圖中可以看到，在溫室1中，空氣相對濕度和溫度的周期性波動(dòng)。重復(fù)將溫室內(nèi)部潮濕的熱空氣置換濕度相對較低的室外空氣，即會(huì)有節(jié)奏地產(chǎn)生相對較大的振幅。溫度在14～21℃之間波動(dòng)，幅度大約在7℃左右。相對濕度在75%～95%之間波動(dòng)，幅度大約在20%左右。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1 第1階段

定期把溫室內(nèi)的空氣排向溫室外，第2階段，將溫室外面空氣吸入溫室內(nèi)，這時(shí)需要加熱空氣。第1階段和第2階段之間，溫室外面的空氣進(jìn)入到溫室內(nèi)時(shí)需要對空氣進(jìn)行加熱；另外，第1階段的相對濕度要大于預(yù)定的相對濕度。

3.2 第1階段和第2階段

按固定時(shí)間間隔進(jìn)行切換。

3.3 第1階段結(jié)束時(shí)

及時(shí)啟動(dòng)第2個(gè)階段，保證經(jīng)過加熱的空氣足量進(jìn)入溫室。

3.4 溫室溫濕度控制系統(tǒng)

第2個(gè)階段進(jìn)入溫室的空氣，按進(jìn)入空氣比例控制進(jìn)入溫室平均流量的。

4 結(jié)論

4.1 該系統(tǒng)能夠通過溫室的管控將溫室內(nèi)潮濕的熱空氣排出溫室外面

并交替置換通過加熱處理的室外冷空氣，消耗能量少，費(fèi)用支出少。

4.2 該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高

能夠有效的控制溫室內(nèi)的溫濕度，使植物生長處于最佳狀態(tài)，不需要人為去干涉就能滿足溫室生產(chǎn)需求，提高產(chǎn)量。

作者簡介：何禹（1970-），女，本科，長春市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，工程師。研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域科研、推廣工作。