溫室科研，讓工程為植物創(chuàng)造優(yōu)良生長環(huán)境

賀歡

溫室是設(shè)施園藝的關(guān)鍵裝備，通過聯(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)良的植物生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)植物產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，是國內(nèi)外溫室工程界長期致力研究的問題。

中國農(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試裝備、溫室太陽能利用技術(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)境動態(tài)模型

日光溫室是一種獨(dú)具中國鮮明特色的栽培設(shè)施，蘊(yùn)涵著我國勞動人民無窮的智慧。日光溫室借自然之光、蓄自然之熱，來維持作物生長對光、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；并且使用過程中，冬季室內(nèi)光照較弱、夜晚溫度過低、環(huán)境調(diào)控水平不高等情況仍普遍存在。極端天氣到來之日，防御低溫災(zāi)害更是大量日光溫室力所不及之時。為此，國內(nèi)眾多業(yè)內(nèi)專家潛心研究，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，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)對日光溫室進(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業(yè)領(lǐng)域，靠簡單的計算和分析很難準(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)和分析計算方法，才能掌握在各種條件下不同日光溫室設(shè)計方案所能形成的光、熱環(huán)境性能。

根據(jù)這個思路，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，對溫室環(huán)境模擬方法進(jìn)行了集成創(chuàng)新。根據(jù)太陽光、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)隨時間變化的模擬方法，并開發(fā)了此項(xiàng)成果的最終形式與載體——“日光溫室設(shè)計方案熱環(huán)境評價系統(tǒng)軟件”及“日光溫室光環(huán)境模擬與屋面形狀輔助設(shè)計軟件”，這是國內(nèi)首次達(dá)到實(shí)用化的、可以在日光溫室工程設(shè)計與研究中應(yīng)用的計算機(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)容與計算機(jī)模擬軟件為主要分析手段的日光溫室環(huán)境評價、設(shè)計方案優(yōu)選的方法體系，可以有效地改變?nèi)展鉁厥以O(shè)計建設(shè)主要依賴于有限經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)狀，為日光溫室的規(guī)劃、設(shè)計、建造以及環(huán)境預(yù)測與評價，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的需求。針對日光溫室的現(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)太陽能集熱式日光溫室”，利用屋架白晝收集多余的太陽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)一步提高太陽能利用率、改善日光溫室的熱環(huán)境，減少惡劣天氣對栽培作物的影響，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，很多人會選擇加厚墻體這一方法，但這只能徒增占地面積，增加造價，加厚的墻體深處的材料也并未全部參與蓄熱放熱過程，效果不甚理想。

為此，團(tuán)隊(duì)對后墻構(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；夜間通過空氣的流通，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)動墻體深層的材料參與蓄、放熱過程，對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)傳熱性能測試臺

為了給溫室覆蓋材料保溫性的研究和測評提供必要的技術(shù)手段，溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)開發(fā)了國內(nèi)首臺溫室覆蓋材料傳熱和保溫性能測試的專用設(shè)備——溫室覆蓋材料傳熱性能測試臺。測試臺是在總結(jié)吸收過去相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究和建筑圍護(hù)材料熱工性能測試設(shè)備經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對溫室等農(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)而研究開發(fā)的。

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

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

直射變散射，

調(diào)控溫室光環(huán)境

光是植物生長發(fā)育過程中的重要環(huán)境因子之一，不僅是植物光合作用的直接能源，還以環(huán)境信號的形式作用于植物并調(diào)節(jié)其生長發(fā)育的過程。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輻射條件下，番茄、黃瓜等高大植物冠層空間往往會因上述各種遮擋出現(xiàn)光照分布不均的問題：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輻射過強(qiáng)而導(dǎo)致葉片灼傷。

合理、有效利用太陽輻射，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、提高太陽能利用效率出發(fā)，開展了“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、但是并不降低可見光透過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，在溫室技術(shù)工程及裝備領(lǐng)域，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室工程與裝備團(tuán)隊(duì)共獲得授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)、實(shí)用新型專利40余項(xiàng)、軟件著作權(quán)近30項(xiàng)；發(fā)表研究論文500余篇；主編教材及專著6部、參編12部；主持制定國家標(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家科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)，國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計劃優(yōu)秀成果獎1項(xiàng)，農(nóng)業(yè)部神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技獎二等獎2項(xiàng)，教育部科技進(jìn)步二等獎2項(xiàng)，北京市科技進(jìn)步二等獎4項(xiàng)、三等獎4項(xiàng)，其他省部級科技進(jìn)步獎1項(xiàng)……榮譽(yù)的背后，沉淀的是一份份執(zhí)著與堅守，凝聚的是整個團(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。