大棚降溫技術研究進展及展望

孫信成 張忠武 黃琳 蔣萬 陳位平 楊連勇 康杰 彭元群 王楨

摘 要 大棚作為一個半封閉的設施結構，可以調控棚內的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因子，為作物生長提供合適的環(huán)境，以提高作物的產量和品質，已廣泛應用于現(xiàn)代農業(yè)的設施蔬菜生產中。夏季棚室內常會出現(xiàn)40 ℃以上的高溫，嚴重影響棚內作物的生長，已成為制約設施農業(yè)發(fā)展的難題。從通風（自然通風、機械通風）、遮陽、蒸發(fā)、反射、制冷、熱交換降溫技術等方面綜述大棚降溫技術研究進展，并從多種降溫措施配合使用和改良優(yōu)化棚室結構兩個方面進行展望。

關鍵詞 大棚;降溫;通風降溫;遮陽降溫;蒸發(fā)降溫;反射降溫;熱交換

中圖分類號：S625 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.31.011

大棚已經廣泛應用于現(xiàn)代農業(yè)的設施蔬菜生產中，作為一個半封閉的設施結構，可以調控棚內的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因子，為作物生長提供合適的環(huán)境，以提高作物的產量和品質。我國設施園藝栽培面積居世界首位，設施栽培類型和栽培范圍也在不斷發(fā)展擴大，北方大棚以日光溫室為主，南方則以塑料大棚為主。統(tǒng)計數(shù)據顯示，“十三五”時期我國塑料大棚面積平均為1.5×106 hm2，日光溫室面積為0.8×106 hm2，連棟溫室面積為0.07×106 hm2，在設施栽培總面積中所占的比例達到了64%、33%、3%[1]。

華中及華南地區(qū)夏季平均氣溫在30 ℃以上，但棚內常會出現(xiàn)40 ℃以上的高溫，嚴重影響棚內作物的生長，因此研究大棚降溫技術已成為設施農業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。隨著設施農業(yè)的發(fā)展，環(huán)境調控技術的不斷提升，越來越多的降溫措施已得到應用，不僅可以利用通風口、遮陽網等降溫設施，還可以采用噴淋、風機、濕簾、涂料等降溫方式進行降溫。本文主要從大棚通風降溫、遮陽降溫、蒸發(fā)降溫、反射降溫、制冷降溫、熱交換降溫等方面進行綜述，以期為南方大棚降溫研究提供參考依據。

1 ?大棚降溫技術

1.1 ?通風降溫技術

1.1.1 ?自然通風降溫

自然通風降溫技術是根據熱壓和風壓的相對平衡原理，高溫空氣向上運動，低溫空氣向下運動，以及棚外風力造成的風壓，通過開通風口、棚門等促使空氣流動，進行棚內外的通風換氣。大棚自然通風降溫方式包括側通風、頂通風、棚頭通風和風井通風。

馬承偉等研究表明，當大棚進風口的風速為1 m·s-1時，風阻為3.7 Pa左右;若進風口安裝有防蟲網，則風阻可達到10～16 Pa，作物風阻5～10 Pa[2]。吳玉發(fā)等指出，若大棚所在區(qū)域的海拔不超過300 m，太陽輻射強度不超過5 klx，能夠滿足大棚降溫要求的通風量需要達到2.5 m3·（m2·min）-1[3]。齊振宇等表明，在自然通風條件下，屋頂全開啟溫室的降溫效果要優(yōu)于普通頂窗溫室[4]。王新忠等研究了自然通風對屋頂全開型玻璃連棟溫室夏季降溫的影響，通過建立計算流體力學（CFD）模型，分析表明，在側窗開角為45°、天窗開角調整至60°的溫室降溫效果最佳，從對照的38.4 ℃降至36.9 ℃，降溫效果明顯[5]。Kittas等針對連續(xù)開窗溫室大棚，以通風口設置和風速為研究對象，發(fā)現(xiàn)隨著風速的增大，降溫效果非線性地降低，證明了不同側窗形式和不同角度的天窗對自然通風降溫效果的影響[6]。Bartzanas等研究了圓拱型大棚不同通風口的通風降溫效果，表明側窗和天窗聯(lián)合通風的形式具有最優(yōu)的通風效果[7]。Baptista等依據示蹤氣體技術研究四連棟溫室的自然通風率，表明風速對通風率有較大影響，在風速較低條件下，棚室內外的溫差對通風率起主要影響[8]。

1.1.2 ?機械通風降溫

機械通風降溫技術屬于強制通風，當自然通風達不到溫室的要求時，如在夏季高溫，室外溫度超過33 ℃以上時，就要采用強制通風的形式，強迫空氣流動進行溫室換氣來降溫。

黃震宇等以南方連棟塑料溫室為對象，建立了三維全尺度瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)計算流體力學仿真模型，提供的控制策略最高可減少60%能源消耗，作物冠層溫度僅升高0.21 ℃[9]。肖波等根據通風口通風和濕簾風機降溫對比試驗，發(fā)現(xiàn)在初夏階段利用通風口自然通風，可將棚內溫度降至35 ℃以下;采用濕簾風機在連續(xù)晴熱天氣下也能達到較好的降溫效果，棚內溫度能夠降低4～7 ℃[10]。Lamrani等研究發(fā)現(xiàn)溫室內使用環(huán)流風扇可減少垂直溫度梯度，并有效消除溫室屋脊處積聚的多余熱量[11]。Bournet等采用CFD方法研究了不同風機形狀及安裝方式下的溫室內空氣流場分布情況[12]。

1.2 ?遮陽降溫技術

遮陽降溫技術是在大棚的上部設置遮陽材料，反射太陽輻射，以減少進入大棚內部的熱量來達到降溫的目的。常用的遮陽材料有塑料薄膜、合成纖維織品、無紡布、涂銀帆布、鋁箔和葦簾子，以及在透光覆蓋材料外表面噴涂化學涂料等。根據遮陽網安裝位置的不同分為外遮陽和內遮陽。

張偉建等利用試驗和CFD模型分析了遮陽網對溫室夏季降溫效果的影響，表明遮陽網使用層數(shù)對溫室降溫影響顯著，在兩層遮陽網下，溫室內外溫度相差最大，為4.5 ℃[13]。任旭琴等研究涂料和遮陽網覆蓋對棚內溫度的影響，表明涂料的遮陽降溫效果與其稀釋比例有關，稀釋比例越小，遮陽降溫效果越好[14]。袁培等研究表明，內外遮陽裝置同時開啟能顯著降低棚內溫度，比內遮陽裝置和外遮陽裝置單獨開啟的1h范圍內溫度低3～5 ℃[15]。徐進等研究遮陽網和環(huán)流風機對大棚降溫的影響，表明單項降溫措施中以遮陽網的降溫效果最好，在環(huán)流風機的基礎上能再降1 ℃左右;遮陽網和環(huán)流風機組合可在遮陽網的基礎上再降2 ℃左右[16]。Willits運用布點測量的研究方法，發(fā)現(xiàn)遮陽網的使用不僅有利于溫室的降溫，也有利于溫室內作物水分的保持[17]。

1.3 ?蒸發(fā)降溫技術

蒸發(fā)降溫技術就是利用水在蒸發(fā)過程中吸收空氣里的顯熱而令空氣降溫，1 g液態(tài)水蒸發(fā)成1 m3水蒸氣能夠使其自身溫度降低2.5 ℃。主要有濕簾-風機降溫系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)和屋頂噴淋降溫系統(tǒng)。

劉云驥等研究發(fā)現(xiàn)，在高溫、低濕氣候下，濕簾風機系統(tǒng)的棚室內平均降溫6.7 ℃，最高可降溫9.2 ℃;而在高濕地區(qū)，降溫效果降低，平均降溫4.8 ℃[18]。劉佳等研究表明，使大棚獲得最佳氣流速度時，風機與濕簾之間的距離應該在30～70 m[19]。張璐瑤等驗證了高溫低濕氣候條件下濕簾風機降溫系統(tǒng)的效果，表明棚內最高降溫9.2 ℃，濕簾蒸發(fā)冷卻效率達到90.3%[20]。張芳等研究了大跨度溫室中夏季采用噴霧降溫系統(tǒng)對棚內溫濕度的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)開120 s、關300 s的噴霧模式最佳，可降低棚內溫度6 ℃，噴霧蒸發(fā)冷卻效率為47.2%[21]。于海利等研究表明，采用遮陽網和外屋面噴淋均能顯著降低棚內溫度，且外屋面噴淋降溫比遮陽網降溫效果更顯著[22]。Chen等采用CFD方法研究了濕簾、風機安裝位置與濕簾風機系統(tǒng)降溫效果之間的關系[23]。Toida等在噴霧降溫系統(tǒng)的噴管上垂直安裝了2個100 mm×100 mm大小的風扇，增強了向上的氣流，從而提高降溫效果，與不加裝風扇的噴霧降溫系統(tǒng)比較，其蒸發(fā)率是原來的1.5倍，降溫區(qū)域是原來的3倍[24]。

1.4 ?反射降溫技術

反射降溫技術是通過反射材料將200～2 500 nm波段的太陽紅外線、可見光和紫外線進行高熱反射，減少棚室的吸熱和蓄熱，達到降溫的效果。

研究發(fā)現(xiàn)，噴涂降溫劑，不僅可以反射太陽光，還可以將進入棚室中的太陽光轉換為對作物生長有益的散射光。北京志盛威華化工有限公司研制的涂覆ZS-221防曬熱反射隔熱涂料，能對400～500 nm的太陽紅外線、可見光和紫外線進行高反射，降低物體的溫度。王婷等通過添加納米氧化錫銻透光隔熱涂料削弱透光率和高壓噴淋裝置形成雙重降溫系統(tǒng)，實現(xiàn)了全封閉日光溫室的降溫和室內水分的循環(huán)利用，促進了溫室作物的生長[25]。羅婷倚等研究表明，以含氟丙烯酸酯乳液為成膜基料制備的熱反射涂料反射率約為78%，說明含氟丙烯酸酯熱反射涂層具有良好的降溫效果[26]。張仁哲等系統(tǒng)研究了反射隔熱涂料的太陽能反射率和輻射率對溫度的影響，表明反射隔熱涂料可比對照的表面溫度降低13.6 ℃，室內溫度降低5.4 ℃[27]。李景對降溫涂料的降溫效果進行研究發(fā)現(xiàn)，涂層反射率與粒子直徑有關，粒徑越小，粒子分散效果越好，涂層反射率越高，最佳涂膜厚度在120 μm左右[28]。

1.5 ?制冷降溫技術

機械制冷降溫技術是通過機械設備，如空調、壓縮機等進行降溫。在外界溫度條件不同的情況下，能使棚室達到適宜要求的溫度。耿李姍等對空調系統(tǒng)制冷降溫性能進行研究，表明140 mL排量壓縮機的降溫性能優(yōu)于120 mL壓縮機，制冷量大于4.5 kW[29]。朱文倩等把太陽能技術和制冷技術相結合，設計出一種降溫制冷屋頂，在建筑面積為10 m2，屋頂外圍空氣溫度達35.6 ℃的狀況下，其內部溫度可降至25 ℃以下[30]。吳加生關于空調制冷中除濕量對制冷降溫速度的研究表明，內機風量大，除濕量小，制冷降溫速度快[31]。賈靜等對高溫高濕地區(qū)兔舍制冷空調的降溫效果及經濟效益進行分析，表明密閉空調舍的日平均溫度、日最高溫度及溫濕度指數(shù)均顯著低于密閉舍和開放舍，經濟分析顯示夏季使用空調降溫系統(tǒng)能夠產生良好的經濟效益，具有經濟可行性[32]。

1.6 ?熱交換降溫技術

熱交換降溫技術是通過土壤或地下水等溫度較低的媒介，利用兩者之間的溫差，與棚室內空氣之間進行熱交換，以實現(xiàn)棚室內降溫。主要有土壤-空氣熱交換降溫系統(tǒng)和地下水-空氣熱交換降溫系統(tǒng)。

崔良衛(wèi)等利用空氣-土壤換熱系統(tǒng)研究大棚降溫，表明埋管深4 m的換熱器可將輸入的空氣溫度降低10.9 ℃[33]。鮑恩財?shù)仍诘刂袩峤粨Q系統(tǒng)對園藝設施夏季降溫效果進行探究，表明管道埋深越大、風機流量越大、管道直徑越大，降溫效果越好[34]。劉德志探究地中熱交換系統(tǒng)對溫室大棚的夏季降溫效果，表明在陜西楊凌地區(qū)，管道埋深150 cm、風機功率550 kw、管徑200 mm的地熱交換系統(tǒng)的降溫效果最好，在晴天、陰雨天分別可降溫2.46 ℃、1.43 ℃[35]。王晨晨對蘇南地區(qū)高溫高濕條件下，S型地熱交換系統(tǒng)和I型地熱交換系統(tǒng)對塑料大棚夏季降溫效果進行比較，發(fā)現(xiàn)S型地熱交換系統(tǒng)更適宜在當?shù)厮芰洗笈镏羞M行降溫應用，比I型的棚內溫度降低3.7 ℃[36]。王嘉維等對蘇南地區(qū)夏季淺層地熱交換的降溫效果研究，表明在該地區(qū)5—7月，淺層地熱交換大棚內平均降溫為0.8～3.4 ℃，初步證明淺層地熱交換系統(tǒng)在蘇南地區(qū)具有實用可行性[37]。

2 ?各種降溫方式的優(yōu)缺點

2.1 ?優(yōu)點

自然通風降溫方式不需要消耗動力，節(jié)省能源，節(jié)省設備投資和運行費用，是一種經濟有效的降溫方式。機械通風降溫方式可以人為地加大送風量，增加棚內外的通風換氣次數(shù)，風速可控。遮陽降溫方式的降溫效果好，性價比高。濕簾風機降溫系統(tǒng)的設備一般安裝在溫室側墻上，不占溫室空間，有利于溫室的栽培管理等，而且水可循環(huán)利用，利用效率高;棚室內溫濕度均勻，利于植物的光合作用。高壓噴霧降溫適合各類溫室大棚，其降溫過程節(jié)水、節(jié)能、無污染，運行費用較低。屋頂噴淋降溫不會增加棚室內濕度，內部的溫度和濕度分布比較均勻，降溫能耗小。反射隔熱涂料屬于新型環(huán)保節(jié)能材料，不會造成環(huán)境污染，對耐候性、耐酸堿、抗老化和防水硬度等要求較高。制冷降溫方式能實現(xiàn)溫度可控可調節(jié)，同時也可以控制棚室內濕度和通風。熱交換降溫方式可以回收熱能，實現(xiàn)夏季降溫、冬季增溫的作用，是一種清潔無污染的可再生能源利用形式，一次投入，多年使用，高效節(jié)能。

2.2 ?缺點

通風降溫技術的棚內溫度不能降低到棚外溫度以下，因此降溫有一定的局限性。自然通風降溫方式會受到氣候條件、大棚朝向、通風口位置和大小等的影響，存在著很大的隨機性和復雜性，難以人為調控溫度高低。機械通風降溫方式和濕簾風機降溫系統(tǒng)的能耗大，棚室內氣溫不均勻;溫室內方便安裝，而在拱形塑料大棚安裝不便。濕簾長期使用會發(fā)生變形或收縮，產生堵塞，阻力損失增大，效率降低，壽命變短，性價比不高;降溫效率還與外界濕度緊密聯(lián)系，對高溫高濕氣候條件的適應性差。遮陽降溫方式會降低棚內光照強度，降低蔬菜的光合效率，影響其正常生長。蒸發(fā)降溫的噴霧降溫方式會增大溫室內的濕度。制冷降溫方式的成本和運行費用均較高，因溫室或大棚的面積較大，熱負荷高，使用極不經濟。屋頂噴淋降溫系統(tǒng)安裝在溫室頂部，對頂部的空氣溫度降低有效果，下部空氣降溫效果差;易使覆蓋材料老化，采光量降低;需要消耗大量的水資源，容易造成資源的浪費。熱交換降溫方式的最大缺點是耗資大，且布置管道網絡技術難度相對較大，也不易對設施進行日常維護和防止管道泄漏;金屬或塑料制的地下管道會發(fā)生腐蝕，不利于作物生長。

3 ?展望

3.1 ?多種降溫措施配合使用

通風降溫、遮陽降溫、蒸發(fā)降溫、反射降溫、制冷降溫和熱交換降溫等方式各有優(yōu)缺點，結合地理位置、氣候等實際情況來組合使用，可實現(xiàn)降溫效果和經濟效益最大化。根據實際氣溫，夏季早晨、傍晚或溫度不是太高的時候，降溫要求不是很高，就可以采用單一、節(jié)能的降溫方式，如自然通風降溫、覆蓋遮陽網等降溫方式;當對降溫幅度要求高時，就可以采用組合降溫方式，如通風降溫+外遮陽、噴霧降溫+內遮陽、濕簾風機+外遮陽、通風降溫+噴涂降溫劑、濕簾風機+機械制冷、遮陽降溫+熱交換降溫等組合模式，也可將3種降溫方式組合使用。胡建對4種組合降溫系統(tǒng)的降溫效果進行對比研究，發(fā)現(xiàn)降溫效果從高到低依次為濕簾風機+外遮陽+屋頂噴淋、濕簾風機+外遮陽、機械通風+外遮陽、自然通風+外遮陽[38]。劉春來等對外遮陽、濕簾風機+外遮陽、噴淋+外遮陽、濕簾風機+噴淋+外遮陽等4種降溫措施進行了試驗，其中濕簾風機+外遮陽的降溫效果最佳，棚內溫度從43℃降至31.5 ℃[39]。一般來說，降溫效果越好，運行成本自然越高，需要根據氣候條件及作物生育期對溫濕度的要求，結合經濟性考慮來選擇適宜的降溫方式及其組合方式。

3.2 ?優(yōu)化改良棚室結構

部分學者對南方設施大棚進行改良優(yōu)化設計，以解決夏秋季的降溫問題。孫信成等研發(fā)設計了大跨度不等高大棚，棚體規(guī)格為跨度16.0～20.0 m，單側跨度8.0～10.0 m，脊高4.5～5.0 m，肩高≥2.0 m;桁架、斜撐等結構提高了大棚的荷載能力、抗風雪能力和散熱能力;試驗表明，設計的頂通風口和側通風口可降低棚內溫度5～10 ℃。在塑料拱棚上進行改良，以利于通風降溫，如凸拱形或凹拱形塑料大棚。凸拱形塑料大棚的主要特點就是在拱形大棚的頂上再加一個小凸拱，小凸拱頂面覆蓋塑料薄膜，兩個側面覆蓋防蟲網用于通風降溫，可用于南方地區(qū)。凹拱形塑料大棚的主要特點就是在拱形大棚的頂部區(qū)域有一個“V”型通風口，可用于北方地區(qū)。

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（責任編輯：易 ?婧）

收稿日期：2021-07-15

基金項目：國家現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系專項（CARS-23）;湖南省重點研發(fā)計劃項目（2020NK2044）。

作者簡介：孫信成（1988—），男，湖北荊門人，碩士，農藝師，主要從事設施蔬菜與結構研究。E-mail： blue995299@126.com。