密閉溫室半導(dǎo)體制冷除濕及蒸散水回收灌溉裝置的研制

康寧波，何建國,，吳龍國，王松磊,，劉貴珊，尚夢玉

?

密閉溫室半導(dǎo)體制冷除濕及蒸散水回收灌溉裝置的研制

康寧波1，何建國1,2※，吳龍國1，王松磊1,2，劉貴珊2，尚夢玉3

（1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021； 3. 寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院，銀川 750021）

為了提高人工補(bǔ)光溫室的水分的利用效率低下的問題，該文以盆栽辣椒為研究對象，在密閉溫室中試驗(yàn)種植，采用半導(dǎo)體制冷熱交換和空氣露點(diǎn)除濕的方法，對辣椒在發(fā)育期、開花期和結(jié)果期的蒸散水回收效率進(jìn)行研究，對比自然對流和強(qiáng)制對流方式除濕的效果以及溫室內(nèi)外盆栽辣椒的生長情況。結(jié)果表明：冷凝板溫度最低達(dá)5.5 ℃，滿足露點(diǎn)除濕條件。在盆栽辣椒的不同生長時(shí)期，強(qiáng)制對流進(jìn)風(fēng)方式下的室內(nèi)溫度變化范圍為18.6～28.2 ℃，室內(nèi)濕度變化范圍為41%～61.7%，除濕效果隨溫度升高而顯著提高；日回收量從35 mL增加到375 mL，日灌溉量從132 mL增加到540 mL，蒸散水回收率最高達(dá)69.4%。密閉溫室中盆栽辣椒能夠正常生長，而室外盆栽辣椒生長受到抑制。人工補(bǔ)光密閉溫室系統(tǒng)除濕效果明顯，有效的利用回收水進(jìn)行盆栽辣椒灌溉。結(jié)果表明，人工光密閉溫室內(nèi)半導(dǎo)制冷除濕和蒸散水回收的研究對提高溫室作物水分利用效率有積極的推動作用。

溫室；溫度；濕度；半導(dǎo)制冷；除濕；蒸散水；回收

0 引 言

發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)用水效率，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的唯一選擇。設(shè)施農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要形式，是人類利用自然、創(chuàng)造自然、從事高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效手段，己經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于園藝植物和重要經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)，且應(yīng)用范圍日益廣泛[1-3]。由于傳統(tǒng)的溫室的通風(fēng)降溫方式，需要大量的水分對作物進(jìn)行灌溉，不利于水分節(jié)約。密閉人工補(bǔ)光溫室是一種前瞻性的國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)設(shè)施技術(shù)，是一種全封閉式結(jié)構(gòu)的透光型溫室，采用機(jī)械冷卻代替?zhèn)鹘y(tǒng)的通風(fēng)降溫方式，溫室內(nèi)多余的熱量進(jìn)行收集、儲存、再利用，旨在實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)、節(jié)能減排與水資源循環(huán)利用的有機(jī)整合[4-6]。

由于密閉溫室與外界隔絕，室內(nèi)的空氣、水分和栽培基質(zhì)組成一個(gè)整體，使得內(nèi)部蒸散水不斷累積，容易造成高溫高濕環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)部植物生長抑制以及病蟲害滋生。人工補(bǔ)光溫室技術(shù)能夠解決了日光溫室的高溫難降問題，但高效的回收水循環(huán)再利用的除濕技術(shù)是目前密閉人工補(bǔ)光溫室發(fā)展的技術(shù)瓶頸。植物生長過程中所吸收的95%以上水分用于蒸騰作用，蒸散水是非常重要的水資源，而密閉溫室環(huán)境有利于蒸散水的匯集[2-3]。國內(nèi)外學(xué)者針對蒸散水的回收取得了顯著的成果，主要利用熱交換降溫或仿生學(xué)原理凝結(jié)蒸散水進(jìn)行回收利用[7-13]。Guillermo等[14]基于空調(diào)除濕原理建立了Watergy系統(tǒng)，通過冷凝循環(huán)管道系統(tǒng)凝結(jié)蒸散水，在密閉溫室內(nèi)回收了70%的蒸散水。顧衛(wèi)等[3]研究了設(shè)施農(nóng)業(yè)中水分回收利用，根據(jù)地氣溫度差原理設(shè)計(jì)了可安裝在溫室內(nèi)的水蒸氣回收系統(tǒng)，探討了回收量和環(huán)境因素的關(guān)系。李霞等[15-16]研究利用“水-氣溫差”和“地-氣溫差”對密閉小環(huán)境中盆栽進(jìn)行降溫除濕回收蒸騰水，在正午時(shí)分降溫除濕效果最為顯著。綜合上述國內(nèi)外學(xué)者的研究，目前對農(nóng)田或設(shè)施農(nóng)業(yè)蒸散水的回收利用還處于初級試驗(yàn)階段，而實(shí)現(xiàn)對溫室蒸散水進(jìn)行高效回收利用是設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水的必然趨勢[17-19]。如何在全密閉設(shè)施環(huán)境內(nèi)維持適宜植株生長的溫濕度，仍是亟需解決的關(guān)鍵問題[20]?；诖?，本文制作了一套密閉溫室系統(tǒng)作為試驗(yàn)條件，研究利用半導(dǎo)體制冷的熱交換與濕空氣露點(diǎn)除濕原理，對密閉溫室內(nèi)的蒸散水進(jìn)行回收灌溉，為設(shè)施農(nóng)業(yè)水循環(huán)利用提供關(guān)鍵技術(shù)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

辣椒植株購置于寧夏賀蘭縣，品種為羊角椒，選擇生長狀況相同的幼苗辣椒進(jìn)行溫室種植試驗(yàn)，每盆辣椒種植3株。試驗(yàn)日期為2017年5月7日－7月4日，包括發(fā)育期、開花期和結(jié)果期，試驗(yàn)地點(diǎn)為寧夏銀川寧夏大學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。

1.2 自制密閉溫室系統(tǒng)

為了控制試驗(yàn)條件，本文自制了一個(gè)密閉人工補(bǔ)光溫室系統(tǒng)（見圖1），主要包括：密閉溫室箱、溫濕度檢測傳感器、循環(huán)通風(fēng)鋁箔管、冷凝箱、LED光源、全自動灌溉控制系統(tǒng)。密閉溫室主體箱體尺寸為2 000 mm×600 mm×1 200 mm，箱底座為不銹鋼材質(zhì)，上部為透明玻璃圍成，密封嚴(yán)實(shí)；側(cè)面與上面都開有直徑16 cm的圓孔，用于外接長250 cm鋁箔管（內(nèi)置通風(fēng)扇）連接蒸散水冷凝箱。溫濕度檢測系統(tǒng)采用購置的溫濕度在線傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)主要通過內(nèi)置通風(fēng)扇對密閉溫室中的空氣進(jìn)行強(qiáng)制對流循環(huán)。冷凝箱（300 mm×300 mm×300 mm）材質(zhì)為有機(jī)玻璃，箱體內(nèi)部對稱安裝290 mm×290 mm鋁板，每塊鋁板外側(cè)對應(yīng)裝有3個(gè)功率為50 W制冷半導(dǎo)體（型號：TEC1-12706），由半導(dǎo)體制冷功率換算出冷凝箱的最大制冷功率為240 W[21-22]。光源采用波長650 nm，光強(qiáng)度設(shè)定為400mol/m2·s的LED紅光作為辣椒植株光合作用的外在光源[5]，內(nèi)部均勻放置4盆辣椒，室外放置2盆辣椒植株進(jìn)行對照。全自動灌溉系統(tǒng)由蒸散水凝集量杯、補(bǔ)灌水槽、土壤水分傳感器和自動控制軟件組成。

圖1 密閉人工光透明溫室實(shí)物

1.2 方 法

1.2.1 測定方法

密閉溫室內(nèi)盆栽植物上方懸掛1個(gè)RS485可通訊的環(huán)境溫濕度傳感器（RS-WS-N01-8，濟(jì)南建大仁科有限公司）測室內(nèi)溫濕度、盆栽土壤中安裝水分傳感器(大連祺峰modbus型)，溫室外對照盆栽旁邊懸掛1個(gè)同上型號的溫濕度傳感器監(jiān)測室外溫濕度。室內(nèi)外溫度、濕度進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測，間隔1 h進(jìn)行采集，將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通訊網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行自動記錄儲存。通過土壤水分傳感器實(shí)時(shí)反饋信息由自動控系統(tǒng)控制計(jì)量蠕動泵（中山市高碩電子）對植物進(jìn)行定量灌溉，保證盆栽辣椒正常發(fā)育生長的土壤濕度范圍為45%～60%[20]，流量為1.2 mL/s，抽取回收水對盆栽辣椒每天進(jìn)行定時(shí)定量灌溉，并通過時(shí)間計(jì)算灌溉量。溫室中的濕空氣經(jīng)由空氣循環(huán)系統(tǒng)管進(jìn)入冷凝箱，通過半導(dǎo)體制冷降溫，使得濕空氣凝結(jié)蒸散水，使用200 mL量筒和1 000 mL燒杯對每日凝結(jié)的水量進(jìn)行記錄，回收的水倒入灌溉儲水槽。日蒸散水回收量和灌溉量間隔1 d，定時(shí)每天17：00采集。利用式（1）計(jì)算蒸散水日回收率，評價(jià)密閉溫室內(nèi)的除濕和水利用效果。

日回收率=日回收量/日灌溉量×100% （1）

在發(fā)育期、開花期和結(jié)果期的辣椒植株各采樣1次，采用鋼卷尺和游標(biāo)卡尺測量辣椒植株的株高和莖粗，采用電子天平（上海京孚儀器）測定植株的鮮質(zhì)量和干質(zhì)量。

1.2.2 半導(dǎo)體制冷熱交換原理

半導(dǎo)體制冷是帕爾貼效應(yīng)在制冷上的應(yīng)用，通過耗電能將半導(dǎo)體一側(cè)的熱量迅速移至另一側(cè)面，形成溫差很大的制冷面和制熱面[21-22]。半導(dǎo)體制冷不同于傳統(tǒng)的壓縮制冷，無需制冷劑，也沒有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)及管路系統(tǒng)，具有體積小、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。自制的蒸散水冷凝箱內(nèi)裝置有導(dǎo)熱鋁板，鋁板緊貼半導(dǎo)制冷片的制冷面，使得高導(dǎo)熱率的鋁板不斷將鋁板上的熱量傳遞到制冷面，同時(shí)冷凝鋁板快速降溫。密閉溫室的空氣通過對流作用不斷與冷凝板接觸進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到溫室內(nèi)空氣進(jìn)行降溫和凝結(jié)除濕的目的[23-24]。同時(shí)半導(dǎo)體制熱面緊貼在箱體外側(cè)帶風(fēng)扇的散熱片上不斷進(jìn)行空氣熱交換，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷片持續(xù)工作。

除濕過程中，待處理濕空氣實(shí)際吸收的冷量由濕空氣的降溫顯熱1和冷凝潛熱2組成

=1+2（2）

1=··D（3）

式中為流經(jīng)冷端散熱器的空氣質(zhì)量，g；為空氣的比熱容，J/g；D為溫度梯度，K。

2=mγ（4）

式中m為冷凝水的質(zhì)量，g；為水的汽化熱，J/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 冷凝溫度確定

密閉溫室內(nèi)每一時(shí)刻的露點(diǎn)溫度受環(huán)境的溫濕度的影響。冷凝器內(nèi)的冷凝鋁板提供冷源，溫室中的濕空氣通過對流方式接觸冷凝板進(jìn)行連續(xù)的熱交換。當(dāng)濕空氣的溫度被降至水分飽和露點(diǎn)溫度時(shí)，濕空氣中的水分就會在冷凝板上發(fā)生相變，由氣態(tài)變成液態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對密閉溫室的除濕[22-25]。要根據(jù)溫室內(nèi)最低的露點(diǎn)溫度來確定的冷凝板溫度的下限值。根據(jù)前期試驗(yàn)，在外界低溫天氣或辣椒幼苗期會出現(xiàn)溫室內(nèi)低濕的情況，選擇在密閉溫室出現(xiàn)過低溫低濕和高溫低濕的2個(gè)下限條件時(shí)刻，確定露點(diǎn)溫度。如圖2為密閉溫室中辣椒植株整個(gè)試驗(yàn)期的2個(gè)代表性的時(shí)刻（、），點(diǎn)為溫度18 ℃、濕度50%，點(diǎn)為溫度28 ℃、濕度55%；濕空氣由點(diǎn)到點(diǎn)達(dá)到飽和濕度，對應(yīng)的露點(diǎn)溫度為7 ℃；同理，將濕空氣點(diǎn)降溫至點(diǎn)達(dá)到飽和露點(diǎn)狀態(tài)，對應(yīng)的露點(diǎn)溫度為18 ℃。確定冷凝板的溫度至少要小于7 ℃，經(jīng)過大量的試驗(yàn)，每塊冷凝板需同時(shí)開啟3個(gè)半導(dǎo)體制冷，使得冷凝板平均溫度降至為5.5 ℃。

圖2 焓濕圖中濕空氣的露點(diǎn)溫度

2.2 密閉溫室內(nèi)半導(dǎo)體制冷對流熱交換和露點(diǎn)除濕

為了對比自然對流、自然對流+冷凝、強(qiáng)制對流+冷凝對濕空氣的除濕效果。選擇連續(xù)3 d（6月16－6月18日）氣象條件相同的天氣，室外氣溫變化范圍為25～29 ℃，強(qiáng)制對流的循環(huán)風(fēng)速設(shè)定為1.5 m/s[25]。分別進(jìn)行24 h空氣除濕對比試驗(yàn)。第1天的18:00時(shí)，循環(huán)對流管道風(fēng)機(jī)與冷凝器關(guān)閉，進(jìn)行自然對流的環(huán)境下的空氣除濕；第2天18:00時(shí)，循環(huán)對流管道風(fēng)機(jī)關(guān)閉，冷凝器開啟，進(jìn)行自然對流環(huán)境下的制冷除濕；第3天的18:00時(shí)，循環(huán)對流管道風(fēng)機(jī)和制冷系統(tǒng)開啟，進(jìn)行強(qiáng)制對流的環(huán)境下的制冷除濕。結(jié)果如圖3所示。

圖3 密閉溫室3種條件下的除濕效果

由圖3可知，在自然對流條件下，溫室內(nèi)濕度達(dá)到89%；自然對流+冷凝條件下，溫室內(nèi)平均濕度為76%；強(qiáng)制對流+冷凝條件下，平均濕度下降到53.8%。對比3種條件的除濕效果，強(qiáng)制對流冷凝的空氣除濕效果最佳；自然對流條件下室內(nèi)濕度最高，十分不利于植物的生長[26]。在自然對流+冷凝條件下除濕效果不明顯，主要因?yàn)榭諝饬鲃尤醵鴮?dǎo)致熱交換效率低。當(dāng)循環(huán)風(fēng)機(jī)開啟，使得室內(nèi)濕空氣加速流動，濕空氣源源不斷的送到冷凝板周圍，不斷凝結(jié)出水，彌補(bǔ)了空氣導(dǎo)熱系數(shù)不高的缺點(diǎn)，增加濕空氣與冷凝板熱交換效率，提高了除濕效率。由于辣椒生理正常生長發(fā)育環(huán)境濕度范圍是35%～65%[12,27]，因此采用強(qiáng)制對流冷凝方式對密閉溫室除濕效果最有利于辣椒植株的生長。

2.3 不同生長期蒸散水的回收量和灌溉量

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間包括發(fā)育期、開花期和結(jié)果期對應(yīng)的3個(gè)日期段，分別是5月7日－5月21日、5月27日－6月10日、6月20日－7月4日，選擇每日氣溫峰值時(shí)刻14:00的溫濕度數(shù)據(jù)，并且采用強(qiáng)制對流冷凝方式進(jìn)行密閉溫室中蒸散水的回收。

2.3.1 溫濕度的變化

為了分析密閉溫室中溫濕度的變化對蒸散水回收量的影響，試驗(yàn)記錄了不同生長期密閉溫室內(nèi)外溫濕度變化，如圖4。

圖4 密閉溫室內(nèi)不同生長期的溫濕度變化（2017-05-07—2017-07-04）

由圖4a可知，從5月到7月，溫室外溫度從20.5 ℃增高至30.2 ℃，密閉溫室內(nèi)溫度從18.6 ℃增高至28.2 ℃；密閉溫室內(nèi)溫度平均低于溫室外界溫度1.6 ℃左右。這主要是因?yàn)槊荛]溫室內(nèi)在強(qiáng)制對流冷凝條件下，空氣不斷進(jìn)行熱交換，使得室內(nèi)的溫度始終低于室外溫度。由于發(fā)育期的辣椒適宜的生長溫度范圍是15～30 ℃，開花期和結(jié)果期的辣椒適宜溫度在20～30 ℃。因此，密閉溫室內(nèi)的溫度變化滿足辣椒生長條件。

由圖4b可知，從5月7日－7月4日，密閉溫室外的濕度總體呈上升趨勢，變化范圍為12.9%～52.8%。而密閉溫室內(nèi)的濕度總體呈平穩(wěn)趨勢，變化范圍為41%～61.7%，室內(nèi)濕度一直高于室外濕度，并且波動幅度要小于室外濕度。對比辣椒植株不同生長期的蒸騰作用，結(jié)果期>開花期>發(fā)育期[28]。在生長期過程中，溫室內(nèi)溫度在不斷增加。由空氣濕焓圖可知，在相同濕度下環(huán)境中，溫度越高對應(yīng)的露點(diǎn)溫度就越高，越易除濕。因此，辣椒植株不同生長期的除濕效果為結(jié)果期>開花期>發(fā)育期。

2.3.2 日灌溉量和日蒸散水回收量

為了衡量密閉溫室下辣椒植株的節(jié)水效率，試驗(yàn)對辣椒植株不同生長期（發(fā)育期、開花期和結(jié)果期）的溫濕度下的蒸散水的回收量和灌溉量進(jìn)行測定。每日17:00記錄日蒸散水回收量和灌溉量數(shù)據(jù)，同時(shí)定期補(bǔ)充灌溉用水，結(jié)果如圖5所示。

圖5 密閉溫室內(nèi)不同生長期蒸散水日回收量和灌溉量的變化

如圖5可知，辣椒植株從5月7日的發(fā)育期到6月10日開花期，日灌溉量從132 mL平緩的增加到201 mL，從6月20日的結(jié)果期開始日灌溉量陡然增加到375 mL，最大的日灌溉量為540 mL。對照的日蒸散水回收量，發(fā)育期到開花期日回收量從35 mL平緩增加到101 mL，到結(jié)果期后期最大的回收量達(dá)375 mL。由式（1）計(jì)算出不同生長期蒸散水日回水率，日回收率從發(fā)育期的26.3%提高到結(jié)果期的69.4%。

2.4 密閉溫室內(nèi)半導(dǎo)制冷除濕能力分析

設(shè)計(jì)的半導(dǎo)制冷的冷凝箱，由6個(gè)半導(dǎo)制冷片裝置的2組冷凝板組成，最大的制冷功率為240 W，溫室內(nèi)的蒸散水最大回收量為375 mL，室內(nèi)外平均溫差為2 ℃。通過以下理論公式可以計(jì)算出降溫和除濕所需的制冷量。

根據(jù)式（3）計(jì)算出空氣降溫顯熱的冷量為3.759 kJ，根據(jù)式（4）可以計(jì)算出冷凝水所需的制冷量為847.5 kJ，根據(jù)式（2）計(jì)算出處理濕空氣所需總冷量為851.2 kJ，而冷凝箱1 h的制冷量的就達(dá)到864 kJ，理論計(jì)算結(jié)果說明半導(dǎo)制冷裝置制冷效果完全滿足溫室除濕的冷量需求。

2.5 溫室內(nèi)外盆栽辣椒生理指標(biāo)對比分析

為了對比室內(nèi)外辣椒植株的生長狀態(tài)，采集了辣椒不同生長期的狀態(tài)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同生長期密閉溫室內(nèi)盆栽辣椒和室外對照的實(shí)物圖

圖6a、6b、6c分別為密閉溫室中盆栽辣椒在發(fā)育期、開花期、結(jié)果期的實(shí)物圖，6d為室外對照在7月初的實(shí)物圖，由圖可直觀看到盆栽辣椒明顯生長緩慢，生長期只經(jīng)歷了發(fā)育和開花期。密閉溫室內(nèi)外盆栽辣椒生理指標(biāo)變化，結(jié)果如表1所示。

表1 不同生育期密閉溫室內(nèi)外盆栽辣椒的生理指標(biāo)

由表1可知：室內(nèi)辣椒的株高、莖粗和單葉面積生理指標(biāo)值都在不斷增高，均在正常發(fā)育生長指標(biāo)值的范圍內(nèi)。而室外對照辣椒植株的相應(yīng)指標(biāo)變化緩慢，生長受到抑制。密閉溫室中的濕度環(huán)境有助于辣椒的發(fā)育生長，在相同灌溉量的條件下，室外的盆栽土壤和植物受外界干燥天氣的影響，水分的蒸散速度遠(yuǎn)大于室內(nèi)，室外對照的辣椒長期處于水分虧缺下生長，其生長發(fā)育嚴(yán)重受到抑制[27,29-30]。

由表2可知：，結(jié)果期時(shí)辣椒鮮物質(zhì)和干物質(zhì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中，溫室內(nèi)植株的鮮總質(zhì)量和干總質(zhì)量分別是172.26和35.88 g，各器官鮮質(zhì)量大小依次是葉>莖>果實(shí)>根，干質(zhì)量大小依次是莖>葉>果實(shí)>根。溫室外植株的鮮總質(zhì)量和干質(zhì)量分別是32.48和6.86 g。試驗(yàn)結(jié)果表明室內(nèi)外兩個(gè)處理的各器官的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量相差顯著，其中室內(nèi)辣椒能夠正常生長，各器官干物質(zhì)分配屬于正常生理指標(biāo)，室外辣椒根的干質(zhì)量整體偏低[27]。

表2 結(jié)果期密閉溫室內(nèi)、外盆栽辣椒鮮物質(zhì)及干物質(zhì)質(zhì)量

3 討 論

1）利用半導(dǎo)制冷凝結(jié)蒸散水對密閉溫室進(jìn)行除濕，通過空氣循環(huán)風(fēng)機(jī)讓溫室內(nèi)環(huán)境形成強(qiáng)制對流有效的增加空氣熱交換效率，提高了除濕效果和蒸散水回收率。由溫室的盆栽辣椒的不同生育期的生理指標(biāo)以及鮮物質(zhì)與干物質(zhì)的生成量，可知本文研究的蒸散水回收系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)植物的正常發(fā)育生長。但在植物的發(fā)育期和開花期間，溫室內(nèi)環(huán)境溫度受外界天氣的影響，直接影響空氣露點(diǎn)溫度下降，在半導(dǎo)體制冷量不變的情況下，除濕效果和回收率一直處于較低的水平?？梢钥紤]在低溫環(huán)境中，在適宜植物正常生長的溫度范圍內(nèi)通過人工的方式給密閉環(huán)境加熱，使得環(huán)境溫度升高。在相同的濕度條件下提高了露點(diǎn)溫度，相應(yīng)提高半導(dǎo)制冷凝結(jié)蒸散水的除濕能力和回收率。

2）密閉溫室主要材質(zhì)是由單層的透明玻璃構(gòu)建成，為了試驗(yàn)?zāi)康男枰?，主體考慮溫室的密閉性和透光性，缺少對密閉溫室保溫功能的構(gòu)建。本文設(shè)計(jì)的半導(dǎo)制冷的大部分冷量通過玻璃層與外界熱交換，不能有效利用，使得制冷所消耗的電能比較大。因此，要構(gòu)建低能高效的人工光密閉溫室，其保溫功能的構(gòu)建是十分必要的。

4 結(jié) 論

本文以密閉溫室中盆栽辣椒為研究對象，采用半導(dǎo)體制冷凝結(jié)和露點(diǎn)除濕原理進(jìn)行蒸散水回收灌溉進(jìn)行試驗(yàn)，取得的結(jié)論如下：

1）冷凝板溫度最低達(dá)5.5 ℃，滿足露點(diǎn)除濕條件。在盆栽辣椒的不同生長時(shí)期，強(qiáng)制對流進(jìn)風(fēng)方式下的室內(nèi)溫度變化范圍為18.6～28.2 ℃，室內(nèi)濕度變化范圍為41%～61.7%，除濕效果隨溫度升高而顯著提高。

2）在發(fā)育期和開花期植物的蒸騰作用較小，日回收量從35 mL增加到101 mL，日灌溉量在同一時(shí)期從132 mL增加到201 mL，回收率為26.3%。在結(jié)果期，植物的蒸騰作用大，日灌溉量陡增達(dá)540 mL，在同一時(shí)期，日回收量達(dá)到375 mL，回收率達(dá)69.4%。

3）密閉溫室內(nèi)盆栽辣椒結(jié)果期的株高為47.2 cm，莖粗8.9 mm，單葉面積為25.2 cm2，株的鮮總質(zhì)量和干質(zhì)量分別是172.26和35.88 g，各器官鮮質(zhì)量大小依次是葉>莖>果實(shí)>根，干質(zhì)量大小依次是莖>葉>果實(shí)>根，生長發(fā)育正常。對照的株高為23.4 cm，莖粗4.1 mm，單葉面積為13.6 cm2，植株的鮮質(zhì)量和干總質(zhì)量分別是32.48和6.86 g。

[1] 吳普特，馮浩，趙西寧，等. 現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)理念與技術(shù)探索[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào)，2006，25(4)：1－6.

Wu Pute, Feng Hao, Zhao Xining, et al. The conception and technology discussion of modern water saving agriculture[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2006, 25(4): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[2] 康紹忠，蔡煥杰，馮紹元. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水的技術(shù)創(chuàng)新與未來研究重點(diǎn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(1)：16.

Kang Shaozhong, Cai Huanjie, Feng Shaoyuan. Technique innovation and research fields ofmodern agricultural and ecologicalwater-saving in the future[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 16. (in Chinese with English abstract)

[3] 顧衛(wèi)，劉楊，李寧. 設(shè)施農(nóng)業(yè)中水蒸氣的回收利用研究(Ⅱ)：回收量與環(huán)境要素的關(guān)系[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，40(1)：124－128.

Gu Wei, Liu Yang, Li Ning. Study on the recycle and application of vapor in facility agriculture (Ⅱ): The relationship between recycled amount and environmental element[J]. Journal of Beijing Normal University: Natural Science, 2004, 40(1): 124－128. (in Chinese with English abstract)

[4] 吳普特，馮浩. 中國節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(6)：152－157.

Wu Pute, Feng Hao. Discussion of the development strategy of water saving agriculture in China[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(6): 152－157. (in Chinese with English abstract)

[5] 魏靈玲，楊其長，劉水麗. 密閉式植物種苗工廠的設(shè)計(jì)及其光環(huán)境研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2007，23(12)：415－419.

Wei Lingling, Yang Qichang, Liu Shuili. Design of the Closed Plant Factory and Study on the Artificial Lighting Environment[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2007, 23(12): 415－419. (in Chinese with English abstract)

[6] Qian T, Dieleman J A, Elings A, et al. Comparison of climate and production in closed, semi-closed and open greenhouses[J]. Acta Horticulturae, 2009, 893: 807－814.

[7] 許迪，龔時(shí)宏，李益農(nóng). 農(nóng)作物水分生產(chǎn)率改善途徑與方法研究綜述[J]. 水利學(xué)報(bào)，2010，41(6)：631－639.

Xu Di, Gong Shihong, Li Yinong, et al. Overview of recent study on improvement approaches and methods for crop water productivity[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2010, 41(6): 631－639. (in Chinese with English abstract)

[8] Katsoulas N, Sapounas A, Zwart F D, et al. Reducing ventilation requirements in semi-closed greenhouses increases water use efficiency[J]. Agricultural Water Management, 2015, 156: 90－99.

[9] 陳正法，梁稱福，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.

Chen Zhengfa, Liang Chengfu, Li Wenxiang, et al. Air-circulating and regenerative dehumidification device inside the plastic covered tunnel greenhouse and its running effects[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(3): 158－163. (in Chinese with Englishabstract)

[10] 王君，楊其長，魏靈玲，等. 人工光植物工廠風(fēng)機(jī)和空調(diào)協(xié)同降溫節(jié)能效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(3)：177－183.

Wang Jun, Yang Qichang, Wei Lingling, et al. Energy saving effect on cooperating cooling of conditioner and air exchanger in plant factory with artificial light[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 177－183. (in Chinese with English abstract)

[11] 涂俊亮，邱權(quán)，秦琳琳，等. 微型植物工廠內(nèi)部環(huán)境調(diào)控試驗(yàn)平臺研制及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(2)：184－190.

Tu Junliang, Qiu Quan, Qin Linlin, et al. Development and test on experimental platform for inner environmental control of micro plant factory[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 184－190. (in Chinese with English abstract)

[12] 賀冬仙，朱本海，楊珀，等. 人工光型密閉式植物工廠的設(shè)計(jì)與環(huán)境控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(3)：151－157.

He Dongxian, Zhu Benhai, Yang Po, et al. Design and environment control of closed plant factories with artificial lighting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(3): 151－157. (in Chinese with English abstract)

[13] Yildiz I, Stombaugh D P. Simulated performances of a heat pump system for energy and water conservation in open and confined greenhouse systems[J]. Acta Horticulturae, 2006, 718: 341－350.

[14] Guillermo Z, Martin B, Patrick J, et al. Watergy project: Towards a rational use of water in green house agriculture and sustainable architecture[J]. Desalination, 2007, 211(1/2/3): 296－303.

[15] 李霞，解迎革，薛緒掌，等. 溫室內(nèi)密閉小環(huán)境降溫除濕效果及蒸騰水循環(huán)利用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(8)：254－259.

Li Xia, Xie Yingge, Xue Xuzhang, et al. Effects of cooling, dehumidification and transpiration water recycling of closed micro-environment in greenhouse[J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(8): 254－259. (in Chinese with English abstract)

[16] 李霞，王國棟，薛緒掌，等. 不同覆蓋度下盆栽莧菜蒸騰規(guī)律的研究[J]. 節(jié)水灌溉，2009(4)：1－5.

Li Xia, Wang Guodong, Xue Xuzhang, et al. Effects of wind speed on transpiration and material accumulation of pottedamaranth[J]. Watering Saving Irrigation, 2009(4): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[17] 張誠，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.

Zhang Cheng, He Chaoxing, Guillermo Zaragoza, et al. Water saving efficiency of closed greenhouse based on evapotranspiration equilibrium[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(12): 259－264. (in Chinese with English abstract)

[18] 孫維拓，陳曉麗，楊其長，等. 水墻封閉溫室夏季降溫特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(8)：162－170.

Sun Weituo, Chen Xiaoli, Yang Qichang, et al. Cooling characteristics of closed greenhouse with water-walls in summer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): 162－170. (in Chinese with English abstract)

[19] Vadiee A, Martin V. Energy management in horticultural applications through the closed greenhouse concept, state of the art[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(7): 5087－5100.

[20] 張敏，張富倉，薛緒掌，等. 基于溝式栽培的全封閉溫室降溫方法與作物生長研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(12)：187－193.

Zhang Min, Zhang Fucang, Xue Xuzhang, et al. Cooling method and vegetable growth in closed greenhouses based on ditch cultivation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(12): 187－193. (in Chinese with English abstract)

[21] 鄭宇薇，劉曉華，涂壤. 半導(dǎo)體制冷與固體除濕結(jié)合裝置的性能探究[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2013，34(5)：59－64.

Zheng Yuwei, Lin Xiaohua, Tu Rang. Performance research of a semiconductor cooling device with solid desiccant[J]. Journal of Refrigeration, 2013, 34(5): 59－64. (in Chinese with English abstract)

[22] 羅仲，張旭，王勝己，等. 半導(dǎo)體制冷器除濕實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2015，36(5)：101－106.

Luo Zhong, Zhang Xu, Wang Shengji, et al. Experimental research on performance optimization of thermoelectric dehumidifier[J]. Journal of Refrigeration, 2015, 36(5): 101－106. (in Chinese with English abstract)

[23] 何建國，張海紅，韓小珍，等. 室內(nèi)高校除濕方法的探索及裝置研究[J]. 寧夏大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27(1)：31－34.

He Jianguo, Zhang Haihong, Han Xiaozhen, et al. Effective room air dehumidification method and new dehumidification equipment development[J]. Journal of Ningxia University: Natural ScienceEdition, 2006, 27(1): 31－34. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳傳艷，趙純清，張繼元，等. 溫室吸濕劑噴淋除濕降溫系統(tǒng)的影響因子分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(10)：202－207.

Chen Chuanyan, Zhao Chunqing, Zhang Jiyuan, et al. Anaysis of influencing factors of dehumidifying and cooling system with moisture absorbent spraying for greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 202－207. (in Chinese with English abstract)

[25] 曾飚，張凱，黃丹楓. 空氣熱交換系統(tǒng)在溫室環(huán)境控制中的應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2012，30(2)：40－44.

Zeng Biao, Zhang Kai, Huang Danfeng. Application of air heat exchange system in the greenhouse environment control[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University: Agricultural Science, 2012, 30(2): 40－44. (in Chinese with English abstract)

[26] 薛義霞，李亞靈，溫祥珍. 空氣濕度對高溫下番茄生殖生長的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26(15)：291－295.

Xue Yixia, Li Yaling, Wen Xiangzhen. Effects of air humidity on the flowering and fruit-setting of tomato under high temperature[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2010, 26(15): 291－295. (in Chinese with English abstract)

[27] 彭強(qiáng)，梁銀麗，陳晨，等. 土壤含水量對結(jié)果期溫室辣椒生長及果實(shí)品質(zhì)的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(1)：154－160.

Peng Qiang, Liang Yinli, Chen Chen, et al. Effects of soil moisture on growth and pepper fruit quality in greenhouse during fruiting stage[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat.Sci.Ed., 2010, 38(1): 154－160. (in Chinese with English abstract)

[28] 鄭國保，孔德杰，張?jiān)磁?，?灌水量對日光溫室辣椒膜下滴灌耗水規(guī)律的影響[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2010, 31(4):53-55.

Zheng Guobao, Kong Dejie, Zhang Yuanpei, et al.Effects of drip irrigation under film on water consumption of pepper in solar greenhouse[J].Journal of Agricultural Sciences, 2010, 31(4):53-55.(in Chinese with English abstract)

[29] 李道西，李自輝，劉增進(jìn)，等. 溫室滴灌條件下辣椒耗水特性的研究[J]. 節(jié)水灌溉，2016(10)：44－46.

Li Daoxi, Li Zihui, Liu Zengjin, et al. Research on water consumption characteristics of pepper under drip irrigation in greenhouse[J]. Watering Saving Irrigation, 2016(10): 44－46. (in Chinese with English abstract)

[30] 吳士章. 不同灌溉方式對覆蓋辣椒的效應(yīng)研究[J]. 節(jié)水灌溉，2004(1)：7－8.

Wu Shizhang. Study of effects of different irrigation style on pepper under plastic covering[J]. Water Saving Irrigation, 2004(1): 7－8. (in Chinese with English abstract)

康寧波，何建國，吳龍國，王松磊，劉貴珊，尚夢玉. 密閉溫室半導(dǎo)體制冷除濕及蒸散水回收灌溉裝置的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(22)：217－223. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.028 http://www.tcsae.org

Kang Ningbo, He Jianguo, Wu Longguo, Wang Songlei, Liu Guishan, Shang Mengyu. Development of device for semiconductor’s freezing and dehumidification and recycled evapotranspiration water for irrigating in closed greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(22): 217－223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.028 http://www.tcsae.org

Development of device for semiconductor’s freezing and dehumidification and recycled evapotranspiration water for irrigating in closed greenhouse

Kang Ningbo1, He Jianguo1,2※, Wu Longguo1, Wang Songlei1,2, Liu Guishan2, Shang Mengyu3

(1.,,750021,;2.,750021,;3.,,750021,)

To improve the water use efficiency of artificial light greenhouse, on the basis of the semiconductor refrigeration and the theory of air dew-point, the water transpiration by plants in greenhouse is condensed, which meets the requirement of the indoor dehumidification and recycling for irrigation. The studying object is potted pepper. The experimental period is from May 7 to July 4 including the growth period, the flowering period and the fruiting period. The experimental greenhouse is an airtight greenhouse designed with glass in this paper, whose size is 2 000 mm × 600 mm × 1 200 mm. The red light emitted by LED (light emitting diode) is used as the light source of photosynthesis, with 650 nm wavelength and light intensity of 400mol/m2·s. The experiment of potted pepper culture was conducted in greenhouse, and outdoor controlled trials were conducted. The cavity with a diameter of 16 cm was opened on the side wall of the greenhouse, and the 250 cm aluminum foil tube is used to connect the condenser box and the cavity. The aluminum foil tube forms a closed loop pipe equipped with a duct fan, which can carry out air circulation. The results show that the working temperature of the semiconductor refrigeration aluminum plate is 5.5 ℃, which corresponds to the temperature range of 7-18 ℃ in sealed space. In the closed greenhouse, the semiconductor refrigeration is opened and the natural convection and forced convection are designed. The convection test was carried out in the greenhouse. The average humidity is 76% for the natural convection and 53.8% for the forced convection, which can meet the requirement of dew-point dehumidification. In the growth phase test, the forced convection air inlet is adopted to dehumidification. In different periods, the temperature range of closed greenhouse is from 18.6 to 28.2 ℃, and the dehumidification effect is significantly improved with the temperature increasing. The amount of irrigation in the development period and the flowering period shows a steady upward trend from 132 to 201 mL, indicating that the plant transpiration is small. The recovery in the same period is also in a steady upward trend from 35 to 101 mL, with an average recovery rate of 26.3%. In the fruiting period, the amount of irrigation increases to 540 mL. With the increasing of the ambient temperature and plant growth demand, transpiration is increased. In the same period, the daily recovery is 375 mL, and the recovery rate is 69.4%. Observing the physiological changes of potted pepper indoor and outdoor, the plant height, stem thickness and singe leaf area of the former are significantly different from the latter. In this paper, the artificial closed greenhouse uses semiconductor refrigeration to condense water evaporated and spread by plants. The effect is remarkable. And the irrigation of the potted pepper can use recycled water to realize the normal growth in closed greenhouse.

greenhouse; temperature; humidity; semiconductor refrigeration; dehumidification; evapotranspiration water; recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.028

S625.1; S161.4+1

A

1002-6819(2017)-22-0217-07

2017-07-26

2017-09-30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31560481）；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目（2014G30000045）

康寧波，男，寧夏人，博士生，主要從事節(jié)水灌溉，農(nóng)產(chǎn)品無損檢測研究。Email：109438847@qq.com

何建國，男（回族），山東人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉方面，農(nóng)產(chǎn)品無損檢測和食品物性學(xué)方面的研究。Email：hejg@nxu.edu.cn