大型現(xiàn)代化溫室加溫技術(shù)的應(yīng)用及思考

些年大量資金涌入農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，大型現(xiàn)代化溫室以其高效的土地利用率及標準化的生產(chǎn)模式而開始受到業(yè)內(nèi)的青睞。國內(nèi)興起了新的一波現(xiàn)代智能溫室熱潮。好馬還需配好鞍，大型現(xiàn)代化溫室配套設(shè)施、設(shè)備更加豐富，且有極強的環(huán)境控制能力，通過不同的設(shè)備組合實現(xiàn)的功能更多，故而多數(shù)都有配備計算機環(huán)境控制系統(tǒng)的需求。相較于傳統(tǒng)的人工環(huán)境調(diào)節(jié)，計算機環(huán)境控制系統(tǒng)對于溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)更加精準、穩(wěn)定，杜絕了人為造成的環(huán)境調(diào)控不及時、環(huán)境參數(shù)波動大等問題。只有通過計算機環(huán)控系統(tǒng)才能最大效率的利用大型現(xiàn)代化溫室的設(shè)備設(shè)施，為不同的種植作物創(chuàng)造理想的環(huán)境。

通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，溫室內(nèi)設(shè)備的使用技巧直接影響溫室產(chǎn)品的最終品質(zhì)與產(chǎn)量。某單一設(shè)備的使用率越高意味著該設(shè)備作用于植株的影響越大。因此，如何正確、優(yōu)化的使用設(shè)備至關(guān)重要。

北方大型現(xiàn)代化溫室常用加溫設(shè)施及主要作用

加溫設(shè)施作為大型現(xiàn)代化溫室環(huán)境控制的最主要設(shè)施，對于溫室優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)有著決定性的作用。在北方，理想的大型現(xiàn)代化溫室應(yīng)配備植株間加溫管、軌道加溫管、上層加溫與融雪管、周墻加溫管等（圖1）。

植株間加溫管

植株間加溫管也叫植物生長管，生長管的使用為大型現(xiàn)代化溫室環(huán)境控制的核心之一。在荷蘭，由于氣候溫和，一些生產(chǎn)型企業(yè)甚至會放棄其他的加溫設(shè)施，僅保留生長管。由于生長管與植株距離較近，在使用過程中管道溫度不宜過高，以避免灼傷植株。

生長管具有以下作用：①輔助加溫。生長管散熱面積小且離植株過近，管道溫度低，因而在熱需求較大的北方無法作為溫室主要的加溫手段，但生長管的使用依然會對局部環(huán)境起到加溫作用。以常見的32 cm管徑的生長管為例，管道溫度不得超過45℃，通常溫度設(shè)置在30～40℃。通常情況下，其溫度（℃）等于作用半徑（cm）。②除濕。植株間環(huán)境郁閉，濕度遠高于溫室內(nèi)其他區(qū)域。高濕度帶來的是蒸騰能力的減弱以及更高的病害風險。生長管的使用能有效的降低局部濕度，緩解植保壓力，為植株提供更適宜的生長環(huán)境。③促進果實成熟。在番茄生產(chǎn)中，近成熟果實與生長管距離較近。生長管的熱量加速了果實的生化反應(yīng)，果實轉(zhuǎn)色速度更快。催熟的優(yōu)勢為果實的生長周期縮短，單位時間內(nèi)植株上的掛果數(shù)量減小，植株生長壓力減?。ㄓ绕湓谌豕饧竟?jié)）。另外，單個果穗的果實成熟度更均一，緩解了由于管理不當造成的串收果前端過熟且末端未轉(zhuǎn)色造成的成品率下降（圖2）。

軌道加溫管

軌道加溫管不僅作為農(nóng)事作業(yè)車的軌道，同時也是北方大型現(xiàn)代化溫室最主要的加溫設(shè)施。由于其散熱面積大，與植株距離較遠，可以允許更高的管道溫度，因此軌道加溫管對溫室內(nèi)溫度提升的能力更大。由于多數(shù)溫室種植者習慣將從植株上移除的老葉、側(cè)枝以及疏落的花果丟棄在種植槽下方，軌道加溫也一定程度上也起到了干燥植株殘體，防止病害滋生的作用。

上層加溫與融雪管

融雪管道的主要作用為及時融化降雪，避免積雪對溫室頂部玻璃造成破壞，而并非用于加溫。在冬季為了避免管道由于靠近頂部玻璃造成的溫度過低，管道內(nèi)水凍結(jié)，需要讓融雪管維持一定的水溫。上層加溫管不同于融雪管道，還具有加熱溫室上層空間的作用。加溫管位置離屋頂較遠，在遮陽、保溫幕布下方。

周墻加溫管

周墻加溫管主要由溫室內(nèi)其他加溫管的主管道組成。由于發(fā)熱量大，能夠有效緩解溫室內(nèi)的邊際效應(yīng)。在沒有主管道排布的側(cè)墻，周墻加溫管應(yīng)與軌道加溫系統(tǒng)并聯(lián)，以確保熱量供應(yīng)充足。

大型現(xiàn)代化溫室溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用

環(huán)控計算機數(shù)據(jù)與溫室內(nèi)真實情況

環(huán)境控制計算機上的數(shù)據(jù)無法全部反映溫室內(nèi)真實情況。大型現(xiàn)代化溫室由于需要更精準的環(huán)境控制，因此溫室內(nèi)會設(shè)有多個環(huán)境控制區(qū)。各個環(huán)境控制區(qū)所設(shè)置的環(huán)境傳感器是計算機環(huán)境控制系統(tǒng)對溫室內(nèi)環(huán)境進行調(diào)整時的依據(jù)。為了確保傳感器能夠反饋給系統(tǒng)更加真實準確的環(huán)境數(shù)據(jù)，一般在同一環(huán)境控制區(qū)內(nèi)需要設(shè)置至少2個傳感器，系統(tǒng)多數(shù)情況下只會根據(jù)反饋數(shù)據(jù)的平均值對溫室內(nèi)環(huán)境進行判斷并啟、停相關(guān)的環(huán)境控制設(shè)備。

多傳感器相較于單一傳感器更能具體的反映環(huán)境控制區(qū)內(nèi)的真實環(huán)境，但環(huán)境計算機的這一環(huán)境控制邏輯在實際生產(chǎn)中仍存在缺陷。例如圖3所示的計算機環(huán)境控制系統(tǒng)顯示的兩個環(huán)境控制區(qū)：CMP.1、CMP.2，每個環(huán)

境控制區(qū)配有兩組環(huán)境傳感器，紅色框內(nèi)為每個傳感器反饋的溫度值。以CMP.1為例：系統(tǒng)根據(jù)該控制區(qū)內(nèi)2組傳感器度數(shù)（15.3、18.2℃）計算得該區(qū)實際溫度為16.7℃。由于此時系統(tǒng)的加熱溫度設(shè)定值為17.5℃，系統(tǒng)判斷環(huán)境控制區(qū)CMP.1溫度低于加熱溫度，需要啟用加溫管將該區(qū)域溫度提升0.8℃。然而這一溫度的提升是整個CMP.1區(qū)域同步進行，升溫后勢必會造成在CMP.1中左側(cè)區(qū)域仍未達到設(shè)定值，而右側(cè)區(qū)域溫度過高。雖然更加細致的環(huán)境控制區(qū)劃分可以縮小區(qū)域內(nèi)的環(huán)境差異，使得環(huán)境控制更加精準，但會極大地增加溫室建造及維護成本。故在種植過程中需要種植者清晰地了解溫室的實際情況，制作適合各個區(qū)域的品種排布并合理的運用環(huán)控設(shè)備，來減小控制區(qū)內(nèi)環(huán)境差異對作物生長所產(chǎn)生的影響。

管道升溫的作用

降低溫室內(nèi)的絕對濕度不只有通風一種方法。溫室下、中層的加溫管道在加溫時提升了周圍的空氣溫度，熱空氣攜帶著水分子向溫室頂部移動。由于上層空間溫度低于下方加溫區(qū)域，空氣的最大含水量下降。水分子會在頂部玻璃上結(jié)成大量露滴，經(jīng)由集露槽排出溫室。通過這一方式，溫室內(nèi)的絕對濕度也會得到降低。

通過管道加溫除濕在大型現(xiàn)代化溫室冬季生產(chǎn)中的作用尤為突出。從溫室結(jié)構(gòu)上講：由于溫室內(nèi)空間較高，上下層溫差更大，為水分凝結(jié)提供了有利條件；溫室頂部的斜面玻璃以及集露系統(tǒng)更利于水分排出溫室。從種植方面講：由于冬季溫室外界環(huán)境與溫室內(nèi)差異較大，如果因為除濕需求而加大通風量的話，外界干冷的空氣會對溫室內(nèi)的環(huán)境造成劇烈的波動，處于濕熱環(huán)境下的作物在接觸到干冷空氣后極易產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)而影響正常生長。同時為了提升產(chǎn)量溫室內(nèi)需要施放CO2氣體肥料，溫室內(nèi)的CO2濃度會遠高于外界環(huán)境。通風除濕帶來的溫室內(nèi)外的氣體交換也會將施放的CO2帶出溫室。不但產(chǎn)生了大量浪費，增加了生產(chǎn)成本，而且溫室內(nèi)的CO2濃度難以維持在較高水平，達不到增產(chǎn)目的。通過管道加溫除濕則不需要對溫室進行大量的通風，雖然會增加能源成本，但對于良好的種植更加有利。

作物體溫

作物體溫不同于環(huán)境溫度。在實際生產(chǎn)中，作物體溫是種植者需要考慮的一項重要因素。植物體由于含有大量水分，故其溫度的變化會滯后于環(huán)境溫度的變化。

妥善的運用作物體溫的變化規(guī)律，將會極大地提升種植效率：在晨間由于陽光的作用溫室內(nèi)環(huán)境溫度會迅速上升。作物體溫由于上升較慢會低于環(huán)境溫度，造成葉片、果實結(jié)露。不但影響了采收品質(zhì)，也增加了病害風險。如果采取凌晨時對作物進行預加熱的策略，通過加溫管（尤其是作物間生長管）的加熱作用，提前將作物體溫進行提升，則在日出后溫室內(nèi)快速升溫的過程中能有效地杜絕結(jié)露現(xiàn)象，并且體溫更早的提升能夠使作物更早的利用起晨間的光照，增加陽光的利用率。再如果菜類生產(chǎn)中我們常用的溫度控制策略：在日落時以通風或不使用保溫幕布的方式加快溫室內(nèi)溫度的下降，使得作物的不同組織溫度出現(xiàn)差異。果實由于含水量最多則降溫速度最慢，溫度高于其他組織。這一溫度差異會迫使植株主動地將白天生產(chǎn)的同化物向果實運輸，增加產(chǎn)量，平衡植株長勢。

大型現(xiàn)代化溫室能耗總結(jié)與思考

局部環(huán)境控制

大型現(xiàn)代化溫室隨著高度的增加，溫室的垂直空間也會表現(xiàn)出環(huán)境上的差異。荷蘭種植技術(shù)在種植管理上充分考慮了這些差異，并應(yīng)用在了各項環(huán)境調(diào)控中。例如在苗期管理中植物由于體積小，生長點也離作物間加熱管較遠，如果出現(xiàn)較小的加溫需求，溫室內(nèi)則不再進行整體加溫。取而代之的是只使用生長管加熱，利用生長管的輻射范圍在幼苗區(qū)域營造微環(huán)境，保證植株全部處于加溫環(huán)境中即可。這一策略將種植槽與生長管之間的空間從溫室內(nèi)的大空間中剝離出來，有效地節(jié)約了溫室能耗。上文提到的加溫除濕法，同樣是將溫室上下層空間獨立開來，利用其局部環(huán)境差異達到高效生產(chǎn)。

有效的區(qū)分溫室垂直空間，合理的分配能量對于溫室生產(chǎn)的重要性毋庸置疑。在種植生產(chǎn)過程中如果忽視局部環(huán)境上的差異，只視整個溫室為均一的環(huán)境進行調(diào)控，則會極大地降低生產(chǎn)效率，造成生產(chǎn)成本的增加。

高能耗與高產(chǎn)出

生產(chǎn)成本及單位產(chǎn)量的高低決定了大型現(xiàn)代化溫室是否盈利。由于高度的可控性，大型現(xiàn)代化溫室的能量投入量在某種程度上可以直接代表溫室的產(chǎn)量。在溫室中所利用的能源主要分為熱能、電能及光能。其中電能（主要用于人造光源）與自然光能投入量的上升能夠最直觀的提升產(chǎn)量，熱能的使用則可以增加光能的利用率（例如上文提到的凌晨預加熱），只要合理運用，也能夠提升產(chǎn)量。這3種能量中自然光屬于免費能源，在一般情況下種植者對于自然光的利用率并未達到上限，因此在達到高產(chǎn)的同時如何充分利用自然光源，減小其他能源的使用量成為了降低溫室生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。

荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)有著良好的市場、較低的能源價格。因此基于高產(chǎn)目的發(fā)展出了高能耗高產(chǎn)出的種植理念，其主要體現(xiàn)在電能及天然氣的大量使用。在荷蘭多數(shù)優(yōu)秀的種植企業(yè)都配有熱電聯(lián)產(chǎn)機組，機組以天然氣為原料，幾乎全天工作。其所生產(chǎn)的熱水用于管道加熱，電能用于補光，而CO2會作為氣體肥料施放入溫室。

小型溫室在不具備熱電聯(lián)產(chǎn)機組的情況下依然會基于環(huán)境調(diào)控、補充CO2增產(chǎn)的目的而燃燒大量的天然氣。以荷蘭溫室溫度策略中的核心三段式溫度控制為例。溫室一天內(nèi)的環(huán)境控制分為4個時段：上午、下午、前半夜、后半夜。圖4所示藍線為不經(jīng)調(diào)整時的溫室溫度變化曲線，而紅色所代表的是調(diào)峰（即以24 h為周期提前或延后溫室內(nèi)溫度峰值的時間點）后荷蘭三段式的溫室溫度曲線。三段式溫度曲線前半夜溫度的驟降以及后半夜溫度提升的優(yōu)異性前文已有所介紹。值得注意的是不同于藍色曲線的夜間只需維持溫室最低溫度，三段式溫度調(diào)控為了營造更加高效的種植環(huán)境，需要投入大量能源進行后半夜的升溫。這一溫控策略完美的貼合了荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)高能耗與高產(chǎn)出的理念。

然而對于中國的大型現(xiàn)代化溫室生產(chǎn)而言，應(yīng)用荷蘭的種植理念卻存在著諸多的掣肘。最主要的矛盾體現(xiàn)在兩點：①種植技術(shù)較荷蘭落后，無法達到目標產(chǎn)量；②能源價格高，極大地增加了生產(chǎn)成本。而較高的能源價格一定程度上也限制了荷蘭種植技術(shù)在中國的應(yīng)用，實現(xiàn)產(chǎn)量目標難上加難。將荷蘭先進種植技術(shù)本土化，尋找能源成本與產(chǎn)量的平衡點已然成為中國大型現(xiàn)代化溫室行業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。

作者簡介：劉湘?zhèn)ィ?992-），男，北京人，生產(chǎn)經(jīng)理，研究方向：工廠化番茄生產(chǎn)。

[引用信息]劉湘?zhèn)?大型現(xiàn)代化溫室加溫技術(shù)的應(yīng)用及思考[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（34）：31-34.