溫室蔬菜高架栽培CO2供氣負荷計算與設備選型方法

周長吉，王 柳，田 婧，富建魯，張月紅

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院設施農(nóng)業(yè)研究所，北京100125）

0 引 言

大型連棟溫室生產(chǎn)科技含量高，受外界氣候變化影響小，單位面積土地用工量少、產(chǎn)出率高，產(chǎn)量、品質(zhì)穩(wěn)定，因此成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的代表。對溫室內(nèi)溫、光、水、肥、氣的自動控制是大型連棟溫室高科技的重要表現(xiàn)，其中的“氣”包括了空氣、水汽和CO2氣。對 CO2氣體的控制主要是控制其濃度。研究表明，適度增加CO2濃度可以提高園藝作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1-3]。溫室內(nèi)CO2的補充，中國長期主要依靠施用有機肥，依靠微生物分解土壤中有機物釋放 CO2，或者是利用開窗通風從室外引入空氣補充，也個別利用化學反應、CO2顆粒氣肥和鋼瓶裝液化CO2供氣[4]。大型連棟溫室蔬菜生產(chǎn)一般采用高架營養(yǎng)液栽培，不施用有機肥，中國北方地區(qū)溫室冬季運行考慮加溫成本，白天基本不開窗或開窗時間很短，由此使連棟溫室CO2的供應受到極大限制。低CO2濃度環(huán)境下，即使再適宜的溫光條件，作物也難以合成充足的光合產(chǎn)物，導致落花落果、產(chǎn)量品質(zhì)降低。為此，目前新建的大型連棟溫室采用高架栽培蔬菜，都需要配套人工補充 CO2的設施。利用冬季溫室加溫時燃燒天然氣的副產(chǎn)物煙道尾氣進行 CO2施肥不失為一種有效的做法，白天根據(jù)作物的需要燃燒天然氣給作物供 CO2，同時將多余熱量儲存于儲熱罐用于夜間溫室加溫，無需加溫時段則采用液化 CO2供氣，因此設計供氣設備的容量非常重要，容量過大不經(jīng)濟，過小則難以滿足需求。對于溫室CO2的補充，前人進行了一些探索，李萍萍等[5]研究了不同溫度和光照強度下，不同 CO2濃度與光合速率的關系模型，也有學者基于離散曲率、支持向量機-改進魚群算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法和光溫耦合等建立一系列的控制模型[6-9]。這些模型重點在于描述CO2濃度和光合速率的關系以及CO2濃度的控制算法，對于CO2供氣設備容量設計選型的研究則處于空白。長期以來由于中國溫室設計只注重室內(nèi)的溫光和作物的水肥控制，基本不配套專門的CO2供給設備，由此，在大型連棟溫室需要CO2供給時，缺少相應的設計理論和設備配置的相關規(guī)范，給溫室工程的設計帶來很大困難。本文在研究溫室 CO2供應模式的基礎上，探索建立溫室內(nèi) CO2動態(tài)平衡模型，針對不同渠道的 CO2碳源和碳匯分析提出相應的理論計算方法，為溫室 CO2供氣系統(tǒng)設備選型提供容量的計算方法。

1 CO2施肥條件下室內(nèi)CO2控制模型

所謂CO2施肥，就是在自然狀況下室內(nèi)CO2濃度較低的時段人為地向溫室內(nèi)補充CO2，使室內(nèi)CO2濃度維持在與溫度和光照強度相適應的作物較強光合作用強度的水平，以增加作物光合作用產(chǎn)物積累，提高產(chǎn)量和品質(zhì)。

1.1 CO2恒定濃度控制模型

在完全自主控制的 CO2施肥條件下，白天隨著太陽升起，溫度和光照強度逐漸升高，溫室內(nèi) CO2濃度應同步提高；當室內(nèi)溫度達到作物的適宜生長溫度，光照強度達到作物光合作用的光飽和點附近（陰雨天氣條件下室內(nèi)光照強度可能達不到作物光合作用的光飽和點），室內(nèi) CO2濃度應長時間維持在作物光合作用較強的經(jīng)濟水平；下午隨著光照強度的減弱和溫度降低，作物光合作用強度也逐漸下降，向溫室補充的 CO2也應逐漸減少直到完全停止，室內(nèi) CO2濃度變化回到由作物呼吸作用主導的夜間模式，在緊閉門窗的條件下，室內(nèi) CO2濃度逐步升高。結合白天人工供氣和夜間作物呼吸的條件，可以得出溫室CO2晝夜變化的動態(tài)模型如圖1所示。

圖1 CO2施肥條件下室內(nèi)CO2濃度控制模型Fig.1 Model for CO2 concentration controlling under condition of CO2 enrichment in greenhouse

模型將室內(nèi)CO2濃度變化分為3個時段：第1時段為CO2濃度上升期，從開始向溫室補充CO2時刻t0起到CO2濃度穩(wěn)定時刻t1止，這段時間的長短主要取決于溫室夜間積累CO2濃度C0的高低、太陽升起后光照強度提升的速度以及CO2供氣的速度。理論上講這一階段CO2濃度提升的速度應與作物光合作用的強度同步，陰雨天光照強度提升較慢時，CO2濃度上升期應適當延長，晴朗天氣光照強度提升較快時應適當縮短，具體時間的長短應與光照強度、CO2濃度和溫度綜合影響作物光合作用的曲線相匹配。補充 CO2的起始時刻t0，應該在太陽升起室內(nèi)保溫幕打開后，要同時考慮保溫幕打開前的 CO2濃度C0和室外光照的強度，如果C0較高，而室內(nèi)光照較弱，則暫時無需補充。

第2階段為CO2濃度穩(wěn)定期，室內(nèi)溫度適宜，光照強度在作物的光飽和點附近，室內(nèi) CO2濃度穩(wěn)定保持在較高水平。這一時段為作物光合作用的最佳期，或者說是人工補充 CO2的最經(jīng)濟時段。這一時段的長短對作物形成光合產(chǎn)物，提高作物產(chǎn)量具有至關重要的作用，主要取決于自然光照時間的長短及其強度、人工補光的控制策略、溫室開窗通風排濕的要求以及作物光合和呼吸作用強度的變化速度。

第3階段為CO2濃度的自然變化期。這一時期，溫室停止CO2供氣，在作物光合作用下室內(nèi)CO2濃度從穩(wěn)定供氣階段的高濃度逐漸下降，直到呼吸作用占據(jù)主導地位后再次開始回升至次日太陽升起時的被動補充 CO2最高濃度C0。

CO2濃度恒定控制策略就是以第2階段的 CO2濃度Cs為控制目標，在白天作物光合作用旺盛的時段向溫室內(nèi)供應 CO2，保持室內(nèi)穩(wěn)定的 CO2濃度。但由于作物吸收CO2的強度與溫度和光照強度直接相關（圖2），除非CO2濃度高于飽和點，否則溫度和光照強度的任何變化都會影響CO2的濃度，實際上CO2濃度也在影響著作物的光飽和點。溫度、光照強度和 CO2濃度與光合作用強度是一種非常復雜的關系，要維持恒定的空氣 CO2濃度，必須根據(jù)光溫的變化精準調(diào)控 CO2的供應。此外，要維持 CO2濃度在飽和點以上，實際生產(chǎn)中也是一種不經(jīng)濟的方式，因此這種調(diào)控模式在大規(guī)模的溫室生產(chǎn)中難以實施，只有在嚴格溫光恒定控制的作物生理試驗研究中才有可能采用這種供氣模式。

圖2 茄子光合強度與溫度、光照強度、CO2濃度的關系[10]Fig.2 Relationship between photosynthesis intensity of eggplant and temperature, light intensity and CO2 concentration

1.2 CO2低限濃度控制模型

低限濃度控制模型就是將室內(nèi) CO2濃度控制在人為設定的作物光合速率較高且較經(jīng)濟的最低濃度之上，不論環(huán)境溫度和光照強度如何變化，室內(nèi) CO2濃度始終維持在不低于設定控制指標的水平。

和恒定濃度控制模型不同的是這種控制模型在工程設計中控制邏輯簡單、技術成熟、造價低廉，調(diào)整 CO2濃度設定值，也能保證作物較高的光合作用強度。但這種模型中CO2濃度設定值帶有很強的經(jīng)驗性和人為因素，溫室中CO2濃度始終處在變化之中，對CO2利用的有效性和經(jīng)濟性缺乏精準的判斷。為有效利用 CO2，提高作物的光合同化積累，工程設計的控制系統(tǒng)中可根據(jù)作物的光合作用模型，按照光合作用強度設計梯級變化的CO2控制策略（圖 3）。和恒定濃度控制模型相同的是這種控制模型也需要經(jīng)常調(diào)整CO2的供應量，對CO2供氣源的要求較高，一般適用于液化 CO2供氣系統(tǒng)。實際控制中只要在獲得 CO2濃度低于設定值的信息后打開供氣閥門向溫室持續(xù)供氣一定時間后自動關閉閥門即可，是一種間歇式自動控制模式（如圖4）。

圖3 CO2低限濃度控制模型的梯級控制策略Fig.3 Stepped control strategy for CO2 concentration controlling with low range concentration control model

圖4 應用低限濃度控制模型的溫室內(nèi)CO2濃度變化Fig.4 Changes of CO2 concentration in greenhouse by using low range concentration control model

1.3 恒定CO2供氣流量控制模型

恒定供氣流量控制模型就是保持 CO2供氣量恒定，不論溫室內(nèi)溫度和光照如何變化，CO2的供氣流量不隨時間變化。

這種控制模型在工程上實行起來最為簡便，只要按照設定時間打開或關閉供氣閥門，其他控制設備可一概省略。因此，這種控制模型非常適合天然氣鍋爐回收煙道尾氣進行溫室 CO2施肥的熱氣聯(lián)供系統(tǒng)，在不考慮經(jīng)濟因素的條件下也同樣適合于液態(tài)CO2供氣系統(tǒng)。

由于作物光合作用強度受溫度和光照強烈影響，恒定供氣模型下溫室內(nèi) CO2濃度將隨光照強度和溫度的提高而降低，反之，當溫度降低或光照強度減弱后，CO2濃度則升高，所以室內(nèi)CO2濃度也是在隨時變化的。

這種控制模型由于 CO2濃度始終是隨溫度和光照強度而變化，雖然在溫室中溫度可以自主控制，但光照強度在不同的季節(jié)、不同天氣條件以及同一天中不同的時刻變化都很大，如何控制 CO2供應量使作物獲得較高的光合作用同化量，是工程設計中研究的重點。

2 溫室內(nèi)CO2平衡模型

在一個半封閉的作物生產(chǎn)溫室中，CO2的收支平衡如圖5。以室內(nèi)空氣中CO2濃度為控制對象，CO2源包含作物呼吸作用產(chǎn)生的 CO2、土壤微生物分解有機物產(chǎn)生的CO2、室內(nèi)CO2濃度低于室外時通風換氣或冷風滲透進入溫室的CO2以及外界補充的CO2；溫室空氣中CO2支出的途徑主要是作物光合作用吸收的CO2和室內(nèi)CO2濃度高于室外時通風換氣或冷風滲透溢出溫室的CO2。由此，溫室內(nèi)CO2濃度的動態(tài)平衡可表述為

式中V為溫室容積，m3，由于CO2的密度比空氣大，一般都會沉積在地面附近，對高架栽培的作物很難依靠自主擴散分散到作物冠層中，為此，在實際運行中溫室設置了水平環(huán)流風機和垂直環(huán)流風機對空氣進行強制擾動，這樣CO2將會彌漫在溫室中，工程設計將V取為整個溫室容積也是基于這種實際情況；ΔC為溫室內(nèi)CO2濃度變化量，m3/m3；Qs為土壤中有機物經(jīng)微生物分解釋放的CO2，m3；Qa為外界人工補充的CO2，m3；Qr為作物呼吸作用放出的CO2，m3；Qv為溫室開窗通風交換的CO2，m3；Qf為溫室外圍護結構表面縫隙冷風滲透交換的CO2，m3；Qp為作物光合作用吸收的CO2，m3；當溫室內(nèi)CO2濃度大于室外時Qv和Qf為負值。

圖5 溫室中CO2的收支平衡Fig.5 Income and expenditure of CO2 in greenhouse

大型連棟溫室生產(chǎn)多采用高架栽培方式，栽培架下鋪設地布，走道基本是混凝土地面，這種生產(chǎn)模式下，地面土壤不施有機肥也不耕作，高架栽培多以巖棉和椰糠為基質(zhì)，以無機營養(yǎng)液灌溉，由此通過地面土壤和栽培基質(zhì)釋放進溫室的 CO2將受到極大限制。為此，在地面鋪設地布的高架基質(zhì)栽培溫室中，從土壤和基質(zhì)中釋放的CO2在工程設計中可忽略不計，即Qs=0。

溫室通風的主要目的是降溫排濕，從室外引進新鮮空氣補充室內(nèi)CO2只是其附帶功能，在沒有人工補充CO2的條件下，通過通風換氣確實也是補充室內(nèi) CO2的重要途徑，但在人工補充CO2時，由于室內(nèi)CO2濃度一般要高于室外，開窗通風反而會降低室內(nèi) CO2濃度，所以，在人工補充CO2期間應關閉窗戶，由此，在工程設計中，CO2供氣階段可不考慮通風換氣形成的室內(nèi)外氣流交換，即Qv=0。

作物光合作用吸收CO2，而呼吸作用釋放CO2，在同一植株體上這2種作用是同時發(fā)生的。白天光照條件下，光合作用占主導地位，作物吸收 CO2大于釋放 CO2，表現(xiàn)為凈吸收 CO2；夜間光照強度在作物光補償點以下，光合作用停止而呼吸作用占主導作用，表現(xiàn)為呼吸釋放CO2。對于人工補充CO2系統(tǒng)，研究的目標是白天作物的凈光合量，也就是光合作用吸收與呼吸作用釋放 CO2間的差值Qp-r。

綜上，對于地面鋪設地布采用高架基質(zhì)栽培方式的大型連棟溫室，白天溫室內(nèi)CO2平衡的模型將可以簡化為

或將其表達為瞬時動態(tài)變化模型為

式中dC為CO2濃度瞬時變化值，m3/m3；dt為變化時段，h；qa(t)為隨時間變化的CO2動態(tài)供氣量，m3/h；qf(t)為動態(tài)冷風滲透量，m3/h；qp-r(t)為動態(tài)凈光合同化量，m3/h。

3 自然光照條件下CO2模型的供氣量解析

3.1 冷風滲透交換的CO2(qf)

冷風滲透是通過門窗以及溫室圍護結構表面的縫隙產(chǎn)生的室內(nèi)外氣體交換，一般按照單位時間內(nèi)溫室的換氣次數(shù)計算。單位時間內(nèi)室內(nèi)外空氣的換氣次數(shù)乘以室內(nèi)外CO2濃度差即可獲得通過冷風滲透交換的CO2量，即：

式中qf為單位時間內(nèi)通過冷風滲透交換的CO2量，m3/h；W為冷風滲透換氣風速影響因子；N為單位時間內(nèi)溫室冷風滲透換氣次數(shù)，h-1；Ci、Co為室內(nèi)外空氣中 CO2濃度，m3/m3。

式（5）中溫室容積V可以通過溫室的幾何尺寸計算出來；室內(nèi)CO2濃度為設計控制值Ci，根據(jù)種植作物品種、溫室運行期間的光照和溫度控制水平確定。綜合考慮作物的光合作用速率（圖6）[11]和經(jīng)濟性等因素實際生產(chǎn)中Ci一般可?。?00～800）×10-6m3/m3，最大不超過1 500×10-6m3/m3；考慮到近年來空氣中CO2濃度增加，2018年已超過400×10-6m3/m3[12]，室外CO2濃度Co可取400×10-6m3/m3。

圖6 不同CO2濃度對應的光合作用速率預測[11]Fig.6 Real relationship between CO2 and photosynthetic rate

冷風滲透換氣次數(shù)N理論上可根據(jù)溫室外圍護結構表面的縫隙類型、大小和長度以及室內(nèi)外空氣壓差計算確定，但由于溫室面積較大，對縫隙的孔口阻力也較難確定，一般都是在試驗測試的基礎上給出經(jīng)驗設計值。王鼎盛[13]給出了不同風速條件下，不同類型、不同規(guī)模溫室試驗測定的換氣次數(shù)（表1）。由表1可見，在相同風速條件下，不同類型溫室之間換氣次數(shù)存在差異，玻璃溫室高于塑料溫室；同種類型溫室，隨著風速的加大換氣次數(shù)隨之增大；密封良好的溫室換氣次數(shù)要小于普通溫室；規(guī)模較小的溫室比大規(guī)模溫室換氣次數(shù)少。

表1 不同類型和規(guī)模溫室在不同風速下的冷風滲透換氣次數(shù)[13]Table 1 Air change rate of different types and scales greenhouses by air infiltration under different wind speed conditions

為便于工程設計，美國溫室制造業(yè)協(xié)會[14]和美國農(nóng)業(yè)工程學會[15-16]分別給出了新舊溫室在無風條件下的冷風滲透換氣次數(shù)設計值（表2）。對比表1和表2，可以明顯看出美國標準給出的設計值要遠小于王鼎盛的試驗值。為此，筆者建議，在采用美國標準設計時盡量取設計值的上限值。

表2 不同類型新舊溫室在無風條件下的冷風滲透換氣次數(shù)設計值Table 2 Design values of air change rate of different types new and old greenhouses by air infiltration under still-air condition

表 2給出的冷風滲透換氣次數(shù)是基于無風條件，對于風速持續(xù)超過6.7m/s的地區(qū)，冷風滲透換氣次數(shù)應乘以風速影響因子W（表3）進行修正。設計用室外風速可按當?shù)?CO2施肥季節(jié)各月平均最大風速中的最大值取值或按一定保證率下的概率統(tǒng)計值確定。

表3 冷風滲透換氣風速影響因子[14]Table 3 Wind speed impact factor for air change by air infiltration

3.2 作物光合吸收和呼吸釋放CO2間的差值（qp-r）

理論上，某段時間作物光合凈吸收 CO2的量為作物葉片面積與單位葉面積凈光合速率的乘積。作物葉面積可用葉面積指數(shù)與種植地面面積的乘積求得。為此，單位時間內(nèi)作物的凈光合量可表達為

式中As為溫室種植面積，m2；LAI為作物葉面積指數(shù)；qpr為單位葉面積作物的凈光合速率，m3/(m2·h)。

作物葉面積指數(shù)，一般的果菜如番茄、茄子等，LAI大都在3～4之間，而高架栽培的，可達到5～6[17]。作物光合產(chǎn)物隨葉面指數(shù)增大也會出現(xiàn)飽和（圖7）[18]，過高的葉面積指數(shù)反而使呼吸消耗增大，不利于作物凈光合產(chǎn)物累積。由圖 7可見，一般盛果期作物葉面積指數(shù)應控制在5.0以下。

圖7 葉面積指數(shù)與總光合量、總干物質(zhì)量和維持呼吸關系[18]Fig.7 Relationships between leaf area index (LAI) and gross photosynthesis, biomass and maintenance respiration

作物單位面積凈光合速率除了與葉面積指數(shù)相關外，還與光照強度、溫度、作物品種、營養(yǎng)水平、生育階段等有關，一般來說，蔬菜中單位面積凈光合率以果菜類為最大，葉菜和根莖類蔬菜較小。由于測試作物品種和條件不同，不同文獻報道的作物單位面積凈光合速率有較大差異（表 4），范圍在(0.5～4.0)×10-3m3/(m2·h)，最大值是最小值的 8倍，對工程設計而言，數(shù)據(jù)離散度大，精準設計就有很大的難度。對照番茄在光飽和點的光合速率和王鼎盛[13]、周長吉[10]提出的工程設計值，考慮工程設計的安全系數(shù)，筆者認為(2～4)×10-3m3/(m2·h)為可取的數(shù)值范圍。

表4 文獻研究的作物凈光合速率Table 4 Net photosynthetic rates recorded in different articles

3.3 人工補充CO2負荷（qa）

3.3.1 恒定CO2濃度控制模式下的供氣量

在恒定CO2濃度控制模式下

由于控制Ci為常量，不隨時間變化，由此，在一定溫度范圍內(nèi)，設備的供氣量實際上與作物光合同化量同步。在達到光合作用的飽和點后，設備的供氣量可按CO2飽和濃度計算；在未達到飽和點之前，可近似地按照CO2同化量與光照強度線性關系估算，也就是設備的供氣量與作物光照強度成正比。在設備選型設計時可按種植季節(jié)溫室建設地區(qū)平均最高光照強度下作物光合作用飽和CO2濃度確定供氣量。顯然，這種設計方法 CO2供氣設備的余量較大，不是一種經(jīng)濟的設計方法。

3.3.2 低限CO2濃度模式下的供氣量

低限CO2濃度控制模式摒棄了恒定CO2濃度控制模式中以光合作用飽和點需要的 CO2濃度為控制目標的不經(jīng)濟的設計思想，而是采用了光合作用高效區(qū)（即作物凈光速率隨 CO2濃度變化曲線斜率最大的區(qū)域）的CO2濃度為控制對象，并將其設定為最低控制濃度。應該說這是一種最高效的CO2施肥策略。

以溫室生產(chǎn)地區(qū)春秋季平均最高光照強度為基礎，根據(jù)作物光合作用曲線確定作物光合作用高效區(qū)內(nèi) CO2同化量，帶入式（9）可確定出最小供氣流量qa。

3.3.3 恒定CO2供氣流量控制模式下的供氣量

在恒定 CO2供氣流量控制模式下，qa為常量。由于作物光合作用強度隨光照強度的變化而變化，恒定的CO2氣流供應肯定無法適應隨時變化的作物光合作用對 CO2需求量的變化。為此，在工程設計中也采用與低限 CO2濃度控制相同的模式，只是將其最低 CO2濃度控制點設為作物凈光速率隨 CO2濃度變化曲線由迅速增加向趨近飽和變化的拐點，據(jù)此來計算設備的供氣能力。與保持低限CO2濃度控制模式的變量供氣相比，恒定供氣流量模式下的供氣量較大，能使室內(nèi)保持更高的CO2濃度。

4 CO2施肥供氣設備容量確定

在溫室 CO2施肥最大供氣負荷確定后，選擇多大容量的供氣設備是 CO2施肥設備選型的主要任務。中國大型連棟溫室高架種植蔬菜常用的 CO2供氣設備主要有天然氣鍋爐和液化 CO2罐。前者是將天然氣在熱水鍋爐中燃燒后回收煙氣，經(jīng)有害氣體檢測合格后作為 CO2碳源供給溫室，在供熱的同時獲得 CO2，是一種天然氣資源能源和 CO2綜合利用的良好經(jīng)濟模式，荷蘭等國家甚至采用熱電聯(lián)產(chǎn)，將發(fā)電、供熱和回收利用 CO2結合為一體，將天然氣資源從物質(zhì)和能量 2個方面開發(fā)利用到了極致；后者是將灌裝低溫高壓液態(tài) CO2工業(yè)產(chǎn)品經(jīng)過減壓和加熱后由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后通過管道輸送到溫室的一種供氣方式，這種供氣方式氣體純度高，不需要有害氣體監(jiān)測即可直接使用在溫室中。

4.1 天然氣鍋爐煙氣回收補充溫室CO2的鍋爐功率計算

熱水鍋爐是以單位時間（1 h）產(chǎn)出熱量的多少劃分規(guī)格的。天然氣的熱值為35 MJ/m3，按照天然氣標準組分（甲烷85%、乙烷9%、丙烷3%、丁烷1%）計算，1m3

天然氣完全燃燒后產(chǎn)生的CO2為1.16 m3，由此，可根據(jù)溫室 CO2的設計供氣負荷，按式（10）計算出鍋爐滿足溫室CO2供給需求的最小熱功率。

式中QB為鍋爐產(chǎn)熱量，MJ/h；ηB為鍋爐中天然氣燃燒的完全度，%。

按照1 MJ/h=278 W和1 t/h蒸發(fā)量≈0.7 MW的換算系數(shù)，可分別計算出鍋爐的功率和額定蒸發(fā)量。

鍋爐功率的選擇除了考慮 CO2供給外，還要考慮溫室的采暖負荷，取二者的大者作為選用鍋爐的依據(jù)。如果 CO2供氣的鍋爐功率遠小于用采暖熱負荷計算的鍋爐功率，應按照CO2供氣鍋爐功率單配一臺鍋爐，白天CO2供氣時僅啟動這臺鍋爐運行，在夜間供熱高峰期可參與其他供熱鍋爐一并供熱。

4.2 液化CO2補充溫室CO2的罐體容積確定

液化CO2罐體的容量是以罐體容積或盛裝CO2的質(zhì)量為依據(jù)選擇設備規(guī)格的。1m3液態(tài)CO2轉化為常壓氣態(tài)CO2的體積將變?yōu)?60 m3，或者說，常溫常壓下，1 t液態(tài)二氧化碳轉化為氣態(tài)CO2的體積為509 m3[19]。根據(jù)上述計算獲得的溫室供氣量，考慮每天的供氣時間以及更換或補充氣罐的周期，可計算出液態(tài)CO2的體積或質(zhì)量，再考慮儲液罐的充滿度，即可計算出儲液罐的容積

式中VLCO2為CO2儲液罐的容積，m3；η為CO2儲液罐的充滿度，%，一般為70%～80%；n為CO2儲液罐的更換或補充周期，d，可取3～7 d，如果供氣濃度低或每天供氣時間短，也可取為15～20 d；tCO2為溫室每天CO2供氣的時間，h/d，可取4～6 h/d。

為保證 CO2的可靠供給，設計CO2儲液罐時應選 2個，用氣量少時可一備一用，用氣高峰期可多臺同時使用。在生產(chǎn)管理中如果 CO2空罐的補充或更換安排在下午或夜間作業(yè)，也可不必考慮增加備用儲罐。

5 案例實證

為了驗證上述計算方法的可靠性，本文以北京某企業(yè)引進荷蘭玻璃溫室高架種植番茄為工程案例，通過理論計算和實際應用進行對比分析。

5.1 溫室模型

溫室采用文洛型結構，跨度9.6 m，開間5.0 m，檐高6.3 m，脊高7.1 m，每跨3個小屋脊。溫室共25跨，41個開間，跨度方向總長度為240 m，開間方向總長度為205 m，地面總面積49 200 m2（圖8）。溫室開間方向中部設走道，走道寬5 m。室內(nèi)種植番茄采用吊架基質(zhì)栽培，栽培床下部滿鋪地布。

為保證均勻送氣，CO2輸送管沿作物栽培架長度方向布置在每個栽培架下，輸送管采用透明塑料軟管，每跨布置6根，間距1.6 m，每根軟管上間隔500 mm沿管周均勻開4個直徑8 mm圓孔。

圖8 溫室模型Fig.8 Greenhouse model

按照上述溫室模型，溫室的總容積V為329 640 m3，扣除走道后溫室種植地面積As為48 000 m2。

5.2 CO2供氣負荷

圖9為北京2020年3月份全月室外的平均光照強度和最大光照強度。由圖 9可見，平均光照強度基本處于200 W/m2左右，最大光照強度在400 W/m2上下，溫室平均透光率按 80%計算，室內(nèi)作物的最大光照強度可維持在 300 W/m2以上。故取溫室設計室內(nèi)光照強度為300 W/m2，按照圖3的階梯控制模式，室內(nèi)CO2濃度控制水平為600×10-6m3/m3，與圖6對照，該濃度也正好在作物光合作用的高效區(qū)域。

按照保證600×10-6m3/m3的CO2低限供氣需求，式（9）的計算參數(shù)按表 5取值后，計算得 CO2供氣負荷為786 m3/h，取整后為800 m3/h。

5.3 設備容量

5.3.1 燃氣鍋爐容量

燃氣鍋爐燃燒天然氣，回收燃燒尾氣進行溫室 CO2供氣。這是典型的恒定氣流供應模式。設天然氣在鍋爐中可實現(xiàn)完全燃燒，ηB=100%，按照式（10）可計算出燃氣鍋爐供應 CO2需要的功率為 2.64×104MJ/h，相當于7.3 MW或10.5 t/h。

圖9 北京2020年3月室外平均和最大光照強度Fig.9 Average and maximum light intensity outside greenhouse in Beijing, in March, 2020

表5 模型溫室計算參數(shù)Table 5 Calculation parameters for model greenhouse

按照溫室采暖熱負荷計算，單位面積的熱負荷為240 W/m2，總熱負荷為11.8 MW，折合16.87 t/h。考慮輔助建筑的采暖后實際配置鍋爐為2臺10 t/h燃氣熱水鍋爐，白天運行1臺鍋爐即可基本滿足CO2供氣的需要。

溫室實際運行情況如圖10。由圖10可見，盡管CO2濃度在隨著光照強度的增加不斷變化，但最低濃度基本維持在600×10-6m3/m3以上。實際運行與設計基本相符。

圖10 溫室實際運行中CO2濃度的變化Fig.10 Changes of CO2 concentration in actual operation greenhouse

5.3.2 液化CO2儲液罐容積

液化CO2罐是一種補充CO2的輔助系統(tǒng)。為了節(jié)省投資，實際設計中溫室的低限CO2濃度按500×10-6m3/m3計算得CO2供氣負荷為726 m3/h。供應液化CO2儲液罐容積的計算參數(shù)如表6，按照式（11）計算得CO2罐體容積為20 m3。實際運行中采用了28 m3容積的車載灌裝CO2罐，一次有效容量為22.4 m3，滿足設計要求。圖4是本設計的實際運行情況，由圖 4可見，在間歇供氣的條件下，室內(nèi)CO2濃度基本控制在了500×10-6m3/m3以上。設計滿足設備運行需要。

表6 CO2儲液罐罐體容積計算參數(shù)Table 6 Calculation parameters for liquid CO2 storage tank volume

液化 CO2儲罐的容積與周轉時間和每天的供氣時長緊密相關，設計中可根據(jù)當?shù)匾夯?CO2供應的便利性和控制供氣的濃度和時長綜合確定。

6 結 論

1）本文在分析CO2施肥恒定濃度控制模型、低限濃度控制模型和恒定供氣流量控制模型的基礎上，結合作物生長對 CO2需求規(guī)律和大型連棟溫室蔬菜高架栽培的土壤CO2釋放量低等特點，建立了溫室內(nèi)CO2動態(tài)平衡模型；以天然氣鍋爐的回收煙氣和液態(tài) CO2為氣源，提出了以CO2供應為目標的天然氣鍋爐功率和液態(tài)CO2儲液罐容積計算方法，為溫室 CO2供氣負荷計算和系統(tǒng)設備選型提供了方法。

2）以栽培面積49 200 m2，容積329 640 m3的文洛型溫室為案例，采用本文建立模型進行計算表明，在 CO2施肥恒定流量控制模式下，設定最低控制 CO2體積分數(shù)為600×10-6m3/m3條件下，白天僅需運行1臺額定蒸發(fā)量為10 t/h的天然氣鍋爐就可滿足CO2施肥需求。用液化CO2施肥，在CO2低濃度控制模式下，設定最低控制CO2體積分數(shù)為 500×10-6m3/m3條件下，則需要配備容積為20 m3的儲液罐。實測溫室內(nèi)CO2濃度曲線表明，通過本文建立的模型計算選擇的 CO2供氣設備型號，能滿足實際生產(chǎn)需求?？蔀橥惞こ淘O計提供參考。

致謝：張志強工程師為本論文制作了插圖，特此表示感謝！