光伏驅(qū)動基質(zhì)控溫系統(tǒng)對溫室番茄根區(qū)的降溫效果

張 勇，倪欣宇，張柯新，許英杰

光伏驅(qū)動基質(zhì)控溫系統(tǒng)對溫室番茄根區(qū)的降溫效果

張 勇，倪欣宇，張柯新，許英杰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點試驗室，楊凌 712100）

在溫室中經(jīng)常出現(xiàn)短期或持續(xù)的高溫工況，通常溫室內(nèi)溫度環(huán)境調(diào)控的方法為整體降溫，該方法通常會出現(xiàn)無法達(dá)到有效降溫或高能耗的問題。為解決上述問題，更好地實現(xiàn)溫室的周年生產(chǎn)，該研究提出了一種以光伏作為能量來源，以無機相變材料作為儲能工質(zhì)，結(jié)合生態(tài)智能的環(huán)境控制策略，對番茄根區(qū)應(yīng)對高溫工況，實現(xiàn)安全連續(xù)生產(chǎn)進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果表明，在溫度較高的夏季晴天需2次各約1 h的降溫，陰、雨天各僅需1次約1 h降溫，其余時段充分利用系統(tǒng)的保冷作用即可達(dá)到維持作物舒適生長環(huán)境的要求。在試驗工況下，典型晴天（2018年7月18日）、陰天（2018年6月30日）、雨天（2018年7月1日）與對照組溫度變化相比，該系統(tǒng)實際將試驗組基質(zhì)的平均溫度分別降低了8.65、11.38、11.47 ℃，使番茄根區(qū)溫度在日間始終低于最高耐受溫度（33 ℃），夜間溫度控制在發(fā)育的最適溫度（22 ℃）左右。試驗進(jìn)行到第17天時對照組植株全部死亡，試驗組保持良好生長狀況。該研究所提出的溫室控溫方法中，保溫種植槽單位面積的制冷功率為510.42 W/m2，基質(zhì)平均溫度降低9.03 ℃，實現(xiàn)了溫室能耗的大幅度降低，而且能夠長時間維持降溫的效果。使用生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫的方法和系統(tǒng)，可以實現(xiàn)在超低能耗條件下，解決溫室番茄的抗高溫安全生產(chǎn)問題。

光伏；溫室；生態(tài)智能；根溫；相變材料；夏季

0 引 言

截至2017年，中國設(shè)施園藝面積達(dá)370萬hm2，約占世界設(shè)施園藝總面積的80.43%，居世界第一[1]。在溫室生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)短期或持續(xù)的高溫工況，很難實現(xiàn)溫室周年供應(yīng)。而對設(shè)施內(nèi)溫度控制的研究當(dāng)前只側(cè)重于設(shè)施內(nèi)作物冠層溫度的控制，其中較多的為利用遮陽[2]和自然通風(fēng)進(jìn)行降溫[3-5],通常還會聯(lián)合對霧的控制改變溫室內(nèi)溫度[6-10]；還可以建造新的系統(tǒng)和控制設(shè)備來進(jìn)行降溫[11-14]。通過傳統(tǒng)降溫方式，雖降溫措施成本低、實用性強，但總體來說各降溫措施主要對溫室白天降溫，對夜間降溫效果明顯較差。王吉慶等[15]的研究指出當(dāng)單位溫室面積實際制冷功率為157.5 W/m2時，溫室內(nèi)平均溫度較室外降低1.0 ℃。與此同時，利用水源熱泵[16]、地?zé)崮艿乃降芈窆芟到y(tǒng)[17]、光伏發(fā)電輔助閉式土壤-空氣熱交換器[18-19]、地下空氣通道[20]等熱交換系統(tǒng)也有降溫潛力不足、建造成本高等缺點，很難應(yīng)用推廣。

太陽能作為最清潔、安全的可再生能源，既可在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中獲得額外的電能，也可緩解能源壓力和增加土地利用率[21]。將太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與溫室的結(jié)合的技術(shù)已有很多并已基本成熟[22-25]。相變材料（phase change material，PCM）屬于功能材料，具有良好的相變蓄熱能力[26]。因此，該材料的應(yīng)用對節(jié)能減排方面具有重要意義。

針對日光溫室內(nèi)部光溫環(huán)境的研究側(cè)重于春、秋、冬3個季節(jié)，而對日光溫室夏季氣候條件下溫室內(nèi)的溫度環(huán)境監(jiān)測和分析很少[27]，為此，本試驗以低能耗、高效降溫為核心，一方面對夏季日光溫室環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測分析空白進(jìn)行了補充和細(xì)化，另一方面在充分發(fā)揮植物本身抗熱性能的基礎(chǔ)上，提出在日光溫室內(nèi)通過光伏板供能的自動控溫裝置對番茄根部進(jìn)行降溫的新方法，在低設(shè)備投資、低能量消耗及高效靈活控制方面均有一定的突破。通過本試驗的生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)達(dá)到了在夏季極端高溫條件下，讓番茄安全越夏并開花結(jié)果的效果。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 試驗溫室

本試驗溫室采用的是張勇等[28-30]設(shè)計的一種新型結(jié)構(gòu)的蓄熱墻體日光溫室，如圖1所示。供試日光溫室位于陜西省楊凌示范區(qū)楊家莊西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)園校外試驗場，北緯34°17′21.33″，東經(jīng)108°05′27.44″。長度，試驗溫室坐北朝南，東西延長15 m，跨度9 m，脊高4.5 m，透明覆蓋材料為（耐高溫聚酯）PET膜。本次試驗所搭建的溫控試驗平臺及整個后期作物的培養(yǎng)均于該溫室中進(jìn)行。

圖1 日光溫室結(jié)構(gòu)圖[29]

1.1.2 生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)

生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，光伏板為整個系統(tǒng)唯一能量源，直接供系統(tǒng)直流壓縮機制冷和為配套蓄電池充電（系統(tǒng)蓄電池容量為400 Ah）?？販叵到y(tǒng)分為兩部分，第一部分由直流壓縮機、直流風(fēng)機、散熱器組成（圖2a）。直流壓縮機外接銅管延長至水箱中對水箱中單獨封裝的總質(zhì)量為110.30 kg的無機相變材料進(jìn)行降溫（銅管外露部分用聚氨酯包裹，防止冷量流失）用以儲存冷量。相變材料質(zhì)量配比為：CaCl2∶水∶硼砂=337.5∶241.5∶1，放熱量148.30 J/g（溫度區(qū)間5.75～0.72 ℃），吸熱量130.10 J/g（溫度區(qū)間26.32～35.41 ℃）。第二部分主要由水箱、水泵和保溫種植槽組成（圖1）。水箱中的水通過相變材料箱的換熱系統(tǒng)與其內(nèi)部的低溫相變?nèi)芤哼M(jìn)行熱量交換，并通過水泵驅(qū)動進(jìn)入外徑8 mm的種植槽底部銅管中，銅管在種植槽中的布置如圖2b俯視圖所示，呈S型布置，共2層，每層4根；每根銅管之間間隔均為40 mm。具體保溫槽內(nèi)鋼管以及溫度測點立面分布見圖2b主視圖。

保溫種植槽底部為350 mm×4 000 mm EPS（聚苯乙烯）夾心板，左右側(cè)面均為500 mm×4 000 mm尺寸的EPS夾心板（厚度100 mm），用發(fā)泡聚氨酯填充各塊EPS夾心板間的縫隙。2個保溫種植槽垂直于溫室后墻南北放置，兩槽間距1 500 mm，置于溫室中央位置并裝入130 mm厚度的基質(zhì)?；|(zhì)上蓋350 mm×3 800 mm EPS板，并用電熱刀在指定位置分別開100 mm×100 mm開口以便于作物種植。

1.2 試驗方法

為了最大程度地節(jié)能，本試驗采用了生態(tài)智能的控制策略對試驗組基質(zhì)溫度進(jìn)行調(diào)控。該控制策略充分發(fā)揮植物本身的耐熱特性，控制方式擬合生態(tài)的晝夜溫度節(jié)律。即在正午時段將根區(qū)溫度控制在番茄根區(qū)最高溫之下（33 ℃）保證其安全渡過正午高溫時段；而在夜間，充分利用溫室外界的相對低溫，將根區(qū)（50～100 mm距基質(zhì)表面）溫度控制在最適溫度范圍（20～23 ℃），進(jìn)而使其能在較低能耗下實現(xiàn)最適的夜間溫度。

注：D0、D4、D8、D12分別為距離保溫槽底部0、40、80、120 mm處。

具體方法：直流壓縮機與光伏板直連，依照光伏最大發(fā)電功率滿負(fù)荷制冷并將冷量存儲在相變材料中，多余電量儲存在光伏板連接的蓄電池中，用以維持需要降溫時系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)種植系統(tǒng)需要降溫時，開啟水箱中的直流水泵，驅(qū)動水通過試驗組種植槽中的管路實現(xiàn)對植栽根區(qū)降溫，同時在水箱中通過換熱器實現(xiàn)與相變材料的熱量交換。當(dāng)種植槽基質(zhì)根區(qū)核心溫度在白天達(dá)到(30±3)℃、入夜前達(dá)到(28±4)℃時直流水泵啟動，直至白天降至(27±2)℃，夜晚(22±2)℃停止工作，其他時段只需保溫即可。反復(fù)控制植物根區(qū)溫度在白天不超過33 ℃，夜間處于22 ℃左右的最適溫度下生長。對照組的保溫種植槽結(jié)構(gòu)及內(nèi)部基質(zhì)均與試驗組相同，但其中無管道鋪設(shè)，且不進(jìn)行任何降溫處理，僅對其中所種植番茄進(jìn)行日常管理。

1.2.1 測試儀器

基質(zhì)溫度采用T型熱電偶溫度傳感器（精度±0.2 ℃），連接到34970A數(shù)據(jù)自動采集儀（美國Agilent公司生產(chǎn)）進(jìn)行測定。采用哈爾濱物格電子儀器公司生產(chǎn)的多路環(huán)境測試儀（PDE - KI）對室內(nèi)外光照及空氣溫度、濕度進(jìn)行測定，其溫度測量精度為±0.5 ℃，測量范圍為?30～60 ℃；相對濕度（RH）精度為±3%；光照強度測量范圍為0～200 000 lux，精度為± 5%；各監(jiān)測指標(biāo)每隔10 min自動記錄1次瞬時值。采用testo875-2ipro高清晰紅外熱像儀（德圖儀器國際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)，視場角32°（水平）×23°（垂直），像素為320（水平）×240（垂直），溫度測量范圍為?30～350 ℃，幀頻范圍為9～33 Hz，工作溫度為?15～40 ℃，存儲溫度為?30～60 ℃）獲取番茄苗全株的熱象圖，比熱容采用XRY-Ⅱ蓄熱系數(shù)測試儀（湘潭市儀器儀表有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行測定。

1.2.2 溫室環(huán)境測定

由于中國大部分地區(qū)的日光溫室在夏季均面臨高溫高濕的巨大考驗，甚至由于高溫高濕無法正常使用；為模擬系統(tǒng)在極端狀態(tài)下的有效性和可靠性，本試驗采用了極限狀態(tài)的設(shè)計方法，在試驗期間溫室處于全密閉狀態(tài)，底通風(fēng)及頂通風(fēng)和門等通風(fēng)裝置均處于全關(guān)閉狀態(tài)，遮陽系統(tǒng)以及濕簾等降溫設(shè)備也均未啟動，即溫室內(nèi)為悶棚狀態(tài)下的無其他任何降溫措施的極端高溫高濕環(huán)境。

在供試溫室內(nèi)部布置3個溫濕度測點，2個光照測點。溫濕度測點分別布置在溫室長度方向4等分截面處，跨度方向中部，位于地面以上1 500 mm高度；光照測點在溫室長度方向1/2等分截面處，跨度方向3等分截面處（兩試驗保溫種植槽中間），位于地面以上500 mm高度處（與試驗保溫種植槽高度持平）。

1.2.3 基質(zhì)溫度處理

因番茄根部為須根，故選取距基質(zhì)表面50 mm（離保溫種植槽底部80 mm，即D8）深度的溫度為標(biāo)準(zhǔn)作為根區(qū)溫度參考溫度（簡稱根區(qū)核心溫度）。利用上文所述控制原理對試驗組基質(zhì)進(jìn)行溫度控制。由于試驗期間基質(zhì)于處于幾乎是密閉狀態(tài)的保溫種植槽中，故除植物吸收外，基質(zhì)蒸發(fā)相對較少，故3～4 d進(jìn)行1次澆水，分別于澆水（澆水前測量）當(dāng)天和第2天07:00測量基質(zhì)濕度。

將安捷倫傳感器探頭埋于保溫槽內(nèi)待測溫度基質(zhì)層深度，即測量分別距槽底0（D0）、40（D4）、80（D8）、120 mm（D12，基質(zhì)表層）的基質(zhì)溫度（見圖2b）?；|(zhì)濕度測點為保溫種植槽縱向三等分截面，橫向及豎向二等分截面處。對照組測點位置與試驗組相同。

1.2.4 植株管理

番茄幼苗（金棚14-6，西安金鵬種苗有限公司）于7月6日移栽入試驗槽中，選取長勢相近的24棵番茄苗分別栽種試驗組與對照組的保溫種植槽中，每組12棵，除對試驗組降溫外，所有植株統(tǒng)一進(jìn)行常規(guī)田間管理。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文試驗數(shù)據(jù)采用Origin、SPASS22.0以及Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及二維圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)外光照強度、濕度對比分析

圖3分別為3種典型天氣下當(dāng)日00:00－24:00間的室、內(nèi)外光照及溫濕度變化曲線。由圖3所示，3種典型天氣狀況下，室內(nèi)外光照及溫濕度變化曲線在06:00－20:00期間總體呈現(xiàn)為拋物線型，其余時段變化較為平緩。晴天曲線較平滑，陰天和雨天氣曲線波動相對較多。

典型晴天的室內(nèi)外光照強度、濕度對比分析如圖3a所示。室內(nèi)、外光強從06:30開始劇烈升高，在12:20達(dá)到當(dāng)日峰值分別為41 266、69 078 lux，至20:00時光強降至平穩(wěn)。濕度均從06:30開始下降，且室外濕度降低幅度大于室內(nèi)，室內(nèi)、外濕度分別在13:10和17:00時達(dá)到最低點27%、38%；09:00－17:00室外濕度始終高于室內(nèi)，17:00后室內(nèi)、外濕度開始增加，室內(nèi)濕度增加速率明顯高于室外，產(chǎn)生明顯差異。

典型陰天的室內(nèi)外光照強度、濕度對比分析如圖3b所示。室內(nèi)、外光強從06:30開始劇烈升高，在12:50均達(dá)到當(dāng)日峰值分別為40 898、76 092 lux，至20:00時光強降至平穩(wěn)。濕度均從06:30開始下降，分別在13:30和15:00時達(dá)到最低點27.3%、44.0%，08:30－17:30室內(nèi)濕度明顯低于室外濕度，17:30后室內(nèi)濕度開始高于室外，且差距逐漸增大。

圖3 不同天氣光照強度和濕度變化

典型雨天的室內(nèi)外光照強度、濕度對比分析如圖3c所示。室內(nèi)、外光強從06:30劇烈升高，在14:10達(dá)到當(dāng)日峰值分別為34 073、68 532 lux，降至20:00曲線均變?yōu)槠椒€(wěn)；09:00－16:00有較明顯波動。濕度均從06:30開始下降，分別在14:10和17:30時達(dá)到最低點32.3%、40.0%。

2.2 不同深度基質(zhì)溫度的對比分析

試驗中基質(zhì)始終處于相對密閉的保溫種植槽中，蒸發(fā)量較??；且其濕度的維持是為了準(zhǔn)確保持基質(zhì)的儲熱能力和維持番茄正常生長的土壤含水率，故將試驗組和對照組基質(zhì)水分含量始終控制在同一水平。相對于基質(zhì)溫度的變化，濕度變化相對較小，因此濕度單獨測量、不做比較分析，將其始終控制在62%左右。

圖4為3種典型天氣下的不同深度基質(zhì)溫度及室、內(nèi)外溫度的變化曲線圖。由圖4可以看出，在06:00－19:00之間室內(nèi)外溫度呈近似拋物線形狀，室內(nèi)峰值及變化幅度顯著高于室外，且3 d中每天的24 h內(nèi)的室內(nèi)溫度始終高于室外溫度。

2.2.1 典型晴天

由圖4a可以得出，典型晴天的室內(nèi)、外最高溫度分別為66.10、43.25 ℃。當(dāng)日15:00時，試驗組D8處溫度到達(dá)30.85 ℃，此時進(jìn)行當(dāng)日第1次降溫，持續(xù)運行1 h至16:00時D8處溫度降至26.93 ℃，壓縮機停止后持續(xù)降溫30 min后為25.04 ℃，降溫時段降了3.92 ℃，總共降低5.81 ℃；試驗組D0及D4處溫度曲線呈直線急劇下降,降溫結(jié)束后30 min內(nèi)溫度持續(xù)降低但不明顯，16:30后溫度開始逐漸回升。19:00進(jìn)行第2次降溫，持續(xù)1 h，第2次降溫：試驗組D8溫度從26.23 ℃降至20:00的21.94 ℃，降低了4.29 ℃，后持續(xù)降至最低20.89 ℃共降低5.34 ℃，次日03:00時溫度緩慢回升至24.23 ℃。試驗組D0、D4雖起始溫度不同但與15:00的降溫部分曲線同樣呈直線下降，20:00時降溫結(jié)束后溫度持續(xù)下降30 min后開始回升，但回升速率明顯低于降溫速率，23:00后溫度回升曲線趨于平緩。故試驗組D8處溫度變化趨勢與D0、D4相同，但溫度變化幅度更小且曲線更平緩；D12處從第一次降溫開始一直呈緩慢下降趨勢，22:00開始趨于平穩(wěn)。與試驗組相比，對照組各深度基質(zhì)溫度均未有明顯變化，且不同深度溫度差別不大且全部高于試驗組所有深度處的基質(zhì)溫度，且始終高于30 ℃。而對照組在00:00－10:00期間溫度曲線始終呈小幅度下降，而后開始緩慢上升至18:30后再度緩慢下降，不同深度基質(zhì)溫度僅在09:00－19:00之間有較為明顯差別。

試驗組和對照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為31.9和36.7 ℃，最低溫度分別為21.4和30.5 ℃，且試驗組D8處24 h間未超過33 ℃，夜間幾乎始終處于最適溫度，而對照組所有深度溫度曲線均處于試驗組之上，且高于30 ℃。

2.2.2 典型陰天

由圖4b可以得出，典型陰天的室內(nèi)、外最高溫度分別為64.20、38.40 ℃，僅在19:00進(jìn)行了1次降溫。試驗組各不同深度處的溫度曲線在00:00－15:00之間的變化趨勢及溫度與7月18日相似；15:00后除D12曲線有小幅度升高又下降的趨勢外，其他各深度曲線仍逐漸上升且數(shù)值較為接近。

19:00開始降溫后試驗組D8處從19:00的30.70 ℃至20:00的25.43 ℃，降低了5.27 ℃，至最低點23.23 ℃共降低7.47 ℃，而后溫度極緩慢回升至次日03:00為25.13 ℃。試驗組D0和D4處溫度直線下降，20:00時降溫結(jié)束后30 min內(nèi)溫度沒有太大改變，然后溫度呈對數(shù)曲線逐漸升高，23:00后曲線趨于平緩。試驗組D0、D4與D8處溫度變化趨勢大致相同，但溫度變化幅度更小且曲線更平緩；D12處始終呈緩慢下降趨勢，22:00開始趨于平穩(wěn)。

試驗組和對照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為30.70和38.03 ℃，最低溫度分別為22.03 ℃和31.93 ℃。且試驗組D8處溫度在24 h內(nèi)始終符合試驗要求而對照組溫度過高。

2.2.3 典型雨天

典型雨天僅在19:00進(jìn)行了1次降溫，各溫度變化如4c所示，當(dāng)日最高室內(nèi)、外溫度分別為57.58、38.10 ℃。整體試驗組和對照組溫度變化曲線均與陰天差別不大。試驗組D8處從19:00的31.37 ℃降到20:00的25.97 ℃，降低了5.40 ℃；停止后持續(xù)降溫至最低點23.80 ℃共降低7.57 ℃，而后的溫度回升十分緩慢，至次日03:00為25.40 ℃。對照組所有深度基質(zhì)溫度亦始終高于30 ℃。

試驗組和對照組24 h內(nèi)D8處最高溫度分別為31.37和37.70 ℃，最低溫度分別為23.00和32.43 ℃。試驗組D8處溫度始終符合試驗要求，對照組溫度過高。

2.3 根區(qū)溫度指標(biāo)分析

為確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性及普遍性，本文對3種典型天氣各做了3次重復(fù)試驗，并記錄數(shù)據(jù)。對D8處溫度的日最高、最低溫度及其日較差（日最高溫與最低溫之差）和日平均溫度分別求平均值，如圖5所示。由圖5可以得出，3種天氣下，試驗組最大值分別為31.26、29.92、27.89 ℃，對照組最大值分別為：37.77、35.68、33.89℃；即試驗組比對照組分別低6.51、5.76、6.00 ℃。進(jìn)行降溫處理的試驗組3種天氣下D8處日最高、最低溫度以及日平均溫度均明顯低于對照組溫度，而日較差明顯高于對照。試驗組的平均溫度維持在25～26 ℃之間，穩(wěn)定程度高于對照組。

除根區(qū)核心溫度外，本文還對基質(zhì)整體溫度進(jìn)行了分析計算，為準(zhǔn)確反映基質(zhì)溫度分布，將試驗組每相鄰2個深度測點的平均溫度作為該層基質(zhì)的平均溫度，再對不同層的平均溫度2次平均得到該組基質(zhì)的整體平均溫度；對照組計算方法相同。具體各溫度值見表1，從表1中可直觀的得到各深度測點測得溫度及基質(zhì)整體的平均溫度。故由表1得出，本系統(tǒng)典型晴、陰、雨天降溫期間實際將試驗組基質(zhì)的平均溫度（典型晴天降溫2次，故此處為2次的平均值）分別降低了8.65、11.38、11.47 ℃。

注：ED0、ED4、ED8、ED12分別為試驗組D0、D4、D8、D12處；CD0、CD4、CD8、CD12分別為對照組D0、D4、D8、D12處。

注：不同字母表示各組別間差異顯著（P<0.05）。

表1 典型天氣不同時刻下各測點溫度降低情況

2.4 試驗番茄生長狀態(tài)分析

2.4.1 植株熱場分布及分析

圖6a為從植株頂端的熱象俯視圖，表現(xiàn)了植株的熱場分布情況。由圖可知，進(jìn)行降溫處理后的試驗組植株根部溫度最低，由根部向上溫度逐漸升高；而未降溫的對照組植株整株均呈現(xiàn)相對高溫狀態(tài)。

圖6b為分別在試驗組及對照組隨機選取3株植株的熱象主視圖，由圖可以看出試驗組的保溫種植槽內(nèi)溫度較低，植株底部莖稈溫度也相對較低；對照組槽內(nèi)溫度較高，且植株整體溫度較高。

圖6 植株熱場分布圖

2.4.2 植株生理含水量分析

7月22日，對照組番茄植株全部死亡，試驗組植株全部存活。在試驗組與對照組各取一株該組別內(nèi)最壯的苗進(jìn)行對比，并分別對其根、莖、葉的干、鮮質(zhì)量及含水率進(jìn)行了對比，得到結(jié)果如下表2。

表2 不同根溫處理下植株各部分含水率

注：E為試驗組；C為對照組。

Note: E represents experimental grou; C represents control group.

試驗中所有植株在試驗開始時生長狀況相同。由表2得出，在試驗進(jìn)行一段時間后，對照組植株根、莖、葉部分的鮮質(zhì)量均遠(yuǎn)低于試驗組；對照組根部含水量略低于試驗組，而莖、葉部分含水量均遠(yuǎn)低于試驗組。由表觀亦可明確判定對照組植株已完全死亡，而試驗組植株仍具有生命活力。由此得出，經(jīng)過根部降溫處理的植株的根、莖、葉的生長情況明顯優(yōu)于對照組。

2.5 能耗分析

試驗采用的多晶硅光伏板單塊峰值功率為275 W，試驗總共用8塊多晶硅光伏板，裝機功率2 200 W。蓄電池參數(shù)為12 V 400 Ah；試驗用直流壓縮機制冷額定功率為930 W，能效比2.68；直流風(fēng)機功率115 W；直流水泵功率180 W。經(jīng)測量：每個槽中基質(zhì)總質(zhì)量為210 kg，經(jīng)測得平均含水率為56%，基質(zhì)比熱容為2 649.70 J/(kg·K)，每次工作時間1 h。相關(guān)能量計算方程為（計算中溫度數(shù)據(jù)以7月18日第1次降溫為例）：

經(jīng)計算得出1、2、3分別為5.03×106、8.97×106、4.41×106J。將生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)消耗能量轉(zhuǎn)化為基質(zhì)冷量的效率（1與2的比值）為0.56。

Qiu等[31]對西北地區(qū)日光溫室短季節(jié)栽培番茄高產(chǎn)種植密度研究結(jié)果顯示，適宜的番茄種植密度為4.4～5.6株/m2，故以5株/m2計算，本試驗以每組12株番茄計算，經(jīng)計算，保溫種植槽單位面積的制冷功率為510.42 W/m2，基質(zhì)平均溫度降低9.03 ℃。

用于基質(zhì)冷卻的冷量初期貯藏于相變材料箱中的相變材料中，且一般可對全部相變材料制冷存入冷量，以便及時取用。為防止冷量損失等情況的產(chǎn)生，也為了使之適用于類似文中典型晴天的需對根區(qū)進(jìn)行2次降溫的情況，本次使用相變材料質(zhì)量較大，確保了儲存冷量大于1次制冷過程基質(zhì)所需冷量。

3 討 論

在本試驗條件下，未進(jìn)行降溫處理的番茄植株僅存活了17 d，而在第17天時，根部進(jìn)行降溫處理過的植株長勢良好，僅少部分頂端葉片有高溫灼傷，葉片略卷曲，莖部及根部未呈現(xiàn)出明顯影響，且后期試驗組植株均正常開花結(jié)果。

王吉慶等[15]的研究指出當(dāng)單位溫室面積實際制冷功率為157.50 W/m2時, 溫室內(nèi)平均溫度較室外降低1 ℃，且當(dāng)降溫設(shè)備停止運行后無法長時間保持已有制冷效果，而且在其研究中未對番茄實際生產(chǎn)效果進(jìn)行論述，實際效果不得而知。而本生態(tài)智能種植基質(zhì)控溫系統(tǒng)中，保溫種植槽單位面積的制冷功率為510.42 W/m2，基質(zhì)平均溫度降低9.03 ℃，且夏季高溫晴天共2 h降溫處理，其他天氣僅需1 h降溫，當(dāng)天內(nèi)其他時段無需其他處理即可保持基質(zhì)溫度處于適宜作物生長范圍。即本試驗使用8塊275 W的光伏板控制了210 kg的基質(zhì)溫度；且試驗期間停止降溫后可持續(xù)保證降溫效果，所栽植番茄成功越夏并開花結(jié)果。本試驗各部分能量均有一定富余量，故實際中或可達(dá)到更好的使用效果，更加節(jié)能。

該能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對整個溫室空氣進(jìn)行降溫所需能耗，同時也實現(xiàn)了在高溫高濕環(huán)境下的溫室精準(zhǔn)控溫。而且相較于其他基質(zhì)降溫方式本試驗系統(tǒng)采用以光伏為電力能源驅(qū)動制冷設(shè)備的方式，大大提高了該系統(tǒng)的綠色節(jié)能性能；系統(tǒng)相變材料的使用及保溫種植槽的構(gòu)建，均使本系統(tǒng)蓄冷能力較高，而且在實踐生產(chǎn)中能夠進(jìn)行離網(wǎng)運行，提高了系統(tǒng)在分散分布溫室中運用的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

為模擬系統(tǒng)在極端狀態(tài)下的有效性和可靠性，本試驗采用了極限狀態(tài)的設(shè)計方法，即試驗系統(tǒng)在相對極端狀態(tài)下的性能，進(jìn)而保障系統(tǒng)在非極端情況下的可靠性和節(jié)能性。因此當(dāng)系統(tǒng)在高溫狀態(tài)時能夠?qū)⒏鶇^(qū)溫度控制到適合溫度范圍，在實際生產(chǎn)條件下系統(tǒng)可以消耗更少的能耗就能實現(xiàn)控制根區(qū)溫度的目的。但僅對番茄苗期的根區(qū)低能耗控溫下安全越夏的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了研究，對于結(jié)合通風(fēng)、遮陽和其他調(diào)節(jié)改善溫室內(nèi)部環(huán)境措施的溫室環(huán)境下進(jìn)行根部溫度控制的夏季降溫及冬季升溫效果以及多因子耦合的根區(qū)溫度處理效果有待進(jìn)一步的研究。由于項目地選擇的不同，環(huán)境條件不同，本系統(tǒng)可根據(jù)實際情況改變相變材料種類和用量。

4 結(jié) 論

1）本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了在溫室高溫工況下的植栽根區(qū)溫度的控制。在晴、陰、雨天各取連續(xù)3 d，試驗組根區(qū)（D8處）平均最高溫度分別為31.26、29.92、27.89 ℃；比對照組分別低6.51、5.76、6.00 ℃。在典型晴、陰、雨天，室內(nèi)最高溫度分別為66.10、64.20、57.58 ℃的工況下，與對照組溫度變化相比，該系統(tǒng)降溫期間實際將試驗組基質(zhì)的平均溫度分別降低了8.65、11.38、11.47 ℃。

2）本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)確保了試驗番茄在極端高溫的工況下，正常生長和開花結(jié)果。通過試驗對比分析，僅通過根部溫度控制裝置對番茄根部進(jìn)行降溫的方法對番茄成功越夏產(chǎn)生了極明顯的效果。生長狀況相同的植株，在試驗進(jìn)行17 d時，試驗組與對照組的根、莖、葉的鮮質(zhì)量產(chǎn)生了較大的差異，且從外觀、熱像圖的分析均可得出對照組植株已經(jīng)死亡；而試驗組長勢良好并最終正常開花結(jié)果。

3）本生態(tài)智能控溫系統(tǒng)實現(xiàn)了低能耗溫室制冷。在本試驗工況下，溫室番茄安全抗高溫每天運行1 h需4.41×106J能量，保溫種植槽單位面積的制冷功率為510.42 W/m2，基質(zhì)平均溫度降低9.03 ℃。

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中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：張勇（E041200715S）

Cooling performance for tomato root zone with intelligent ecological planting matrix temperature control system driven by photovoltaic in greenhouse

Zhang Yong, Ni Xinyu, Zhang Kexin, Xu Yingjie

(,712100,)

Short-term or continuous high-temperature conditions usually occur during summer greenhouse production. However, the existing cooling measures either fail to achieve effective cooling effects or consume excessive energy. In order to better realize the annual output of the greenhouse, this study used an ecological intelligent planting matrix temperature control system to cool more efficiently in the summer. The system combined control strategies with ecological intelligence to study the safe production of tomato under high temperature conditions. It was driven by photovoltaics, and the excess power was stored in the battery to maintain the system's operation under adverse weather. The system controlled the temperature of the plant root zone not over 33℃during the day and around 22℃at night. When the system needed to cool down, the DC water pump in the water tank was turned on to drive the water to cool the root zone of the plant through the pipes in the thermal planting groove of the experimental group, and at the same time, the heat exchange with the phase change material was realized by the heat exchanger in the water tank. The matrix temperature at different depths of the substrate in experimental group and control group was compared to evaluate cooling performance of the system. The results showed that it was necessary to cool down twice to reach the appropriate temperature, and it took one hour each time on sunny day in the summer. It took only one time to cool down on cloudy or rainy day. Compared with the control group under the experimental conditions, the average matrix temperatures of experimental group were reduced by 8.65, 11.38, 11.47 ℃ respectively on sunny (2018-07-18), cloudy (2018-06-30) and rainy (2018-07-01) days. The data of the average temperature of the three weathers were calculated by taking the data of sunny, cloudy and rainy days for three consecutive days. The average maximum temperatures at the D8 of the experimental group were 31.26, 29.92, and 27.89 ℃, respectively, which were 6.51, 5.76, and 6.0 ℃ lower than the control group. The root zone temperature of tomato in experimental group was always lower than the highest tolerance temperature (33 ℃) of tomato root during the day, and kept the optimum temperature (20-23 ℃) throughout the night. All tomato plants in the control group died on the 17th day of the experiment, while plants in the experimental group still grew well and after that they even blossomed and bore fruit. Under this test condition, it took 4.41×106J energy to run the system at a time, and the cooling power per unit area of the thermal planting groove was 510.42 W/m2, as the average matrix temperature was reduced by 9.03 ℃. It was far less than the energy consumption required for cooling the entire greenhouse air, and it could meet the high demand for precise temperature control of greenhouses in humid and high-temperature environments. In conclusion, in the case of ultra-low energy consumption, the temperature control method of the ecological intelligent planting matrix temperature control system could be used to solve the problems of high temperature tolerance and safe production of greenhouse tomato planting.

photovoltaic; greenhouse; ecological intelligence; root temperature; phase change materials (PCM); summer

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.024

S625.1

A

1002-6819(2020)-05-0212-08

2019-07-16

2020-02-11

陜西省重點研發(fā)計劃項目（2018TSCXL-NY-05-05）；寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)計劃重大項目（2016BZ0901）；節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與配套技術(shù)開發(fā)研究（2017ZDXM-NY-057）；設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示范（2016KTCL02-02）

張 勇，副教授，博士，主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝研究。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn。

張 勇，倪欣宇，張柯新，許英杰. 光伏驅(qū)動基質(zhì)控溫系統(tǒng)對溫室番茄根區(qū)的降溫效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(5)：212－219. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.024 http://www.tcsae.org

Zhang Yong, Ni Xinyu, Zhang Kexin, Xu Yingjie. Cooling performance for tomato root zone with intelligent ecological planting matrix temperature control system driven by photovoltaic in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 212－219. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.024 http://www.tcsae.org