溫室科研，讓工程為植物創(chuàng)造優(yōu)良生長(zhǎng)環(huán)境
——訪中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)

長(zhǎng)江蔬菜雜志社 賀歡

產(chǎn)業(yè)志

溫室科研，讓工程為植物創(chuàng)造優(yōu)良生長(zhǎng)環(huán)境
——訪中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)

長(zhǎng)江蔬菜雜志社 賀歡

溫室是設(shè)施園藝的關(guān)鍵裝備，通過(guò)聯(lián)合與其相關(guān)的多種工程技術(shù)手段，人們可以有效地控制設(shè)施內(nèi)外物質(zhì)與能量的轉(zhuǎn)移與平衡，提供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的優(yōu)良環(huán)境。如何采用有效的工程技術(shù)與裝備，以盡可能少的能量與物質(zhì)投入，獲得室內(nèi)優(yōu)良的植物生長(zhǎng)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)植物產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)外溫室工程界長(zhǎng)期致力研究的問(wèn)題。

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)，在溫室技術(shù)工程及裝備領(lǐng)域深耕探究近二十載，取得了豐碩的研究成果，尤其是在日光溫室光熱環(huán)境模擬分析、保溫覆蓋材料傳熱特性與保溫性能測(cè)試裝備、溫室太陽(yáng)能利用技術(shù)與裝備、溫室環(huán)境綜合調(diào)控技術(shù)與生產(chǎn)管理配套裝備、溫室工程標(biāo)準(zhǔn)化等方面。

以軟件為載體，構(gòu)建環(huán)境動(dòng)態(tài)模型

日光溫室是一種獨(dú)具中國(guó)鮮明特色的栽培設(shè)施，蘊(yùn)涵著我國(guó)勞動(dòng)人民無(wú)窮的智慧。日光溫室借自然之光、蓄自然之熱，來(lái)維持作物生長(zhǎng)對(duì)光、熱的需求，是一種高度節(jié)能環(huán)保的園藝設(shè)施，經(jīng)濟(jì)效益顯著，對(duì)于蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大，得到了廣泛應(yīng)用。

然因有限的經(jīng)驗(yàn)、局限的理論，以現(xiàn)有的日光溫室設(shè)計(jì)方法，還不能保證建造出性能優(yōu)良的日光溫室；并且使用過(guò)程中，冬季室內(nèi)光照較弱、夜晚溫度過(guò)低、環(huán)境調(diào)控水平不高等情況仍普遍存在。極端天氣到來(lái)之日，防御低溫災(zāi)害更是大量日光溫室力所不及之時(shí)。為此，國(guó)內(nèi)眾多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家潛心研究，為提升日光溫室的室內(nèi)環(huán)境水平與抵御災(zāi)害天氣的能力，傾心傾力，默默耕耘以求成效。

在多年的溫室工程研究中，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)對(duì)日光溫室進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的分析。日光溫室作為一種特殊的建筑，其室內(nèi)環(huán)境與復(fù)雜多變的外界條件、建筑體型、尺寸、墻體、屋面形式與材料、地面以及栽培的植物、生產(chǎn)中的管理方式等多種因素有關(guān)，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)才能獲得優(yōu)良的性能，涉及材料、建筑、氣象、熱工以及園藝等多種專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，靠簡(jiǎn)單的計(jì)算和分析很難準(zhǔn)確地得到解決。團(tuán)隊(duì)成員精心鉆研與剖析后，認(rèn)為只有通過(guò)科學(xué)的理論，采用準(zhǔn)確的物理和數(shù)學(xué)模型，在準(zhǔn)確模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合一定的經(jīng)驗(yàn)和分析計(jì)算方法，才能掌握在各種條件下不同日光溫室設(shè)計(jì)方案所能形成的光、熱環(huán)境性能。

根據(jù)這個(gè)思路，團(tuán)隊(duì)綜合應(yīng)用工程熱物理、建筑光學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象以及園藝設(shè)施環(huán)境工程學(xué)等理論，對(duì)溫室環(huán)境模擬方法進(jìn)行了集成創(chuàng)新。根據(jù)太陽(yáng)光、熱輻射能量在日光溫室內(nèi)傳遞、吸收、蓄積和釋放，溫室內(nèi)外環(huán)境的能量與物質(zhì)交換，室內(nèi)空氣狀態(tài)變化等過(guò)程的規(guī)律，以及溫室內(nèi)能量和物質(zhì)平衡關(guān)系等日光溫室溫、光環(huán)境建成機(jī)制的理論，構(gòu)建了日光溫室環(huán)境的動(dòng)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了日光溫室內(nèi)各光、熱環(huán)境參數(shù)隨時(shí)間變化的模擬方法，并開(kāi)發(fā)了此項(xiàng)成果的最終形式與載體——“日光溫室設(shè)計(jì)方案熱環(huán)境評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件”及“日光溫室光環(huán)境模擬與屋面形狀輔助設(shè)計(jì)軟件”，這是國(guó)內(nèi)首次達(dá)到實(shí)用化的、可以在日光溫室工程設(shè)計(jì)與研究中應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助支持軟件。

此項(xiàng)科研成果首創(chuàng)了以日光溫室環(huán)境模型為核心內(nèi)容與計(jì)算機(jī)模擬軟件為主要分析手段的日光溫室環(huán)境評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)方案優(yōu)選的方法體系，可以有效地改變?nèi)展鉁厥以O(shè)計(jì)建設(shè)主要依賴(lài)于有限經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，為日光溫室的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造以及環(huán)境預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，提供了可行手段和實(shí)用工具，更為日光溫室科學(xué)化的發(fā)展提供了理論方法支撐。

創(chuàng)新節(jié)能構(gòu)造，提高集熱蓄熱效用

日光溫室目前在集熱、蓄熱功能上仍存在嚴(yán)重不足，盡管白晝太陽(yáng)熱能有較多富余，但夜間室內(nèi)溫度仍經(jīng)常達(dá)不到維持植物適宜生長(zhǎng)的需求。針對(duì)日光溫室的現(xiàn)存不足，人們或采用傳統(tǒng)的加溫方式，或利用太陽(yáng)熱能等可再生能源的新型加溫系統(tǒng)，但前者浪費(fèi)能源、污染環(huán)境，后者投資運(yùn)行成本高、安裝復(fù)雜、實(shí)際投入利用率低，皆不如意。

基于此種現(xiàn)狀，溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)與北京中農(nóng)富通園藝有限公司合作研發(fā)了“屋架組合管網(wǎng)太陽(yáng)能集熱式日光溫室”，利用屋架白晝收集多余的太陽(yáng)熱能用于夜間為溫室加溫——以水作為蓄熱介質(zhì)，利用作為溫室結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屋架組成太陽(yáng)能集熱、貯熱和放熱加溫的管網(wǎng)系統(tǒng)，白晝收集和貯蓄多余的太陽(yáng)熱能，夜間用于日光溫室加溫以及加熱灌溉用水等。由于其主要部分的集熱與放熱部件是利用了溫室結(jié)構(gòu)自身具有的屋架，使用水作為蓄熱介質(zhì)，具有用材少、設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，屋架組合管網(wǎng)太陽(yáng)能集熱式日光溫室具有顯著的集熱、蓄熱與放熱加溫的效果；與普通日光溫室相比，其夜間最低氣溫可提高3～5℃。

此外，為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能利用率、改善日光溫室的熱環(huán)境，減少惡劣天氣對(duì)栽培作物的影響，團(tuán)隊(duì)又在提高日光溫室墻體的保溫蓄熱性方面進(jìn)行了研究。通常，為了加強(qiáng)墻體蓄熱性能，很多人會(huì)選擇加厚墻體這一方法，但這只能徒增占地面積，增加造價(jià)，加厚的墻體深處的材料也并未全部參與蓄熱放熱過(guò)程，效果不甚理想。

為此，團(tuán)隊(duì)對(duì)后墻構(gòu)造方法進(jìn)行改進(jìn)，采用了一種特殊的中空墻體構(gòu)造。該墻體中空部分與溫室內(nèi)部相通，利用室內(nèi)與墻體中空部分空氣的溫度差異，形成二者之間的空氣流通。這樣，白晝室內(nèi)高溫的空氣就可以將多余熱量帶入墻體中貯存起來(lái)；夜間通過(guò)空氣的流通，將貯存在中空墻體的熱量傳回溫室內(nèi)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該墻體構(gòu)造可以顯著提升墻體內(nèi)的溫度水平，調(diào)動(dòng)墻體深層的材料參與蓄、放熱過(guò)程，對(duì)溫室夜間的加熱效果明顯，是一種經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)能構(gòu)造。

填補(bǔ)領(lǐng)域空白，首創(chuàng)傳熱性能測(cè)試臺(tái)

為了給溫室覆蓋材料保溫性的研究和測(cè)評(píng)提供必要的技術(shù)手段，溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)溫室覆蓋材料傳熱和保溫性能測(cè)試的專(zhuān)用設(shè)備——溫室覆蓋材料傳熱性能測(cè)試臺(tái)。測(cè)試臺(tái)是在總結(jié)吸收過(guò)去相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和建筑圍護(hù)材料熱工性能測(cè)試設(shè)備經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施覆蓋材料特有的傳熱方式和工作環(huán)境特點(diǎn)而研究開(kāi)發(fā)的。

該測(cè)試臺(tái)可全面模擬和實(shí)現(xiàn)接近溫室覆蓋材料實(shí)際工作的環(huán)境條件，真實(shí)地反映各種因素對(duì)覆蓋材料傳熱的影響，尤其是實(shí)現(xiàn)了對(duì)天空輻射背景和室外風(fēng)速的模擬，這是對(duì)溫室覆蓋材料傳熱測(cè)試技術(shù)和方法的重要改進(jìn)與發(fā)展創(chuàng)新。測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)試狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果一致可靠，測(cè)試條件參數(shù)可根據(jù)需要在較大范圍內(nèi)有效調(diào)控，滿足相關(guān)科研和工程測(cè)試工作的需要。2005年9月經(jīng)國(guó)家教育部組織的專(zhuān)家鑒定，認(rèn)為該設(shè)備“填補(bǔ)了我國(guó)溫室覆蓋材料傳熱性能測(cè)試設(shè)備與技術(shù)的空白，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”

首臺(tái)溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)試臺(tái)研制完成以后，團(tuán)隊(duì)又在提高測(cè)試精度和自動(dòng)化測(cè)試水平等方面進(jìn)行了改進(jìn)和完善。目前該測(cè)試臺(tái)可自動(dòng)完成測(cè)試狀態(tài)調(diào)整、穩(wěn)定狀態(tài)判別、數(shù)據(jù)讀取和處理、計(jì)算測(cè)試結(jié)果、生成和存儲(chǔ)測(cè)試報(bào)告、向不在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的研究人員發(fā)送測(cè)試完成的通知短信等工作。溫室覆蓋材料傳熱性能測(cè)試臺(tái)現(xiàn)已推廣至山東、新疆和北京等地，并承接了來(lái)自全國(guó)各地大量的測(cè)試任務(wù)，滿足了近年來(lái)亟需開(kāi)展的日光溫室保溫被等溫室覆蓋材料保溫性測(cè)試鑒定工作的需要。

溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)試臺(tái)

直射變散射，調(diào)控溫室光環(huán)境

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要環(huán)境因子之一，不僅是植物光合作用的直接能源，還以環(huán)境信號(hào)的形式作用于植物并調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程。溫室栽培條件下，由于植物密植以及溫室骨架遮光等原因，在以直射光為主的太陽(yáng)輻射條件下，番茄、黃瓜等高大植物冠層空間往往會(huì)因上述各種遮擋出現(xiàn)光照分布不均的問(wèn)題：一方面冠層中下層光照不足，另一方面冠層頂部又有可能因太陽(yáng)輻射過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致葉片灼傷。

合理、有效利用太陽(yáng)輻射，是溫室光環(huán)境調(diào)控的重要課題，因此溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)從改善冠層空間光分布、提高太陽(yáng)能利用效率出發(fā)，開(kāi)展了“散射光覆蓋材料溫室應(yīng)用效果及相關(guān)機(jī)理”的研究。研究主要是基于具有一定霧度、但是并不降低可見(jiàn)光透過(guò)率的散射光薄膜材料進(jìn)行的。研究結(jié)果表明，具有散射光特性的薄膜，可以有效提高溫室中番茄、黃瓜等高大作物冠層中下部的光照水平，抑制夏季冠層高溫，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高種植產(chǎn)量和品質(zhì)。該研究為調(diào)控溫室光環(huán)境的空間分布提供了新的思路。

以上所述成果驕人，卻還僅僅是團(tuán)隊(duì)多年勤勉攻關(guān)的一部分。自2000年以來(lái)，在溫室技術(shù)工程及裝備領(lǐng)域，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)共獲得授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利40余項(xiàng)、軟件著作權(quán)近30項(xiàng)；發(fā)表研究論文500余篇；主編教材及專(zhuān)著6部、參編12部；主持制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項(xiàng)。其中，主持或參與完成的研究成果獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃優(yōu)秀成果獎(jiǎng)1項(xiàng)，農(nóng)業(yè)部神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，教育部科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)，其他省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)……榮譽(yù)的背后，沉淀的是一份份執(zhí)著與堅(jiān)守，凝聚的是整個(gè)團(tuán)隊(duì)十余人共同的信念與意志。而今，他們榮耀之下仍不改初心，為著這份心中為傲的科研事業(yè)仍在探索前行著。

10.3865/j.issn.1001-3547.2017.12.001