華南地區(qū)溫室降溫方法的應用分析和展望

吳玉發(fā)，蔣先平，沈林晨

（1.廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

設施園藝以其土地利用率高、環(huán)境相對可控、便于機械化操作和產業(yè)化生產等優(yōu)勢，成為現(xiàn)代農業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志之一，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。在我國，溫室蔬菜生產是設施園藝的主要形式。溫度是作物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，溫度調節(jié)也是設施栽培區(qū)別于露地栽培的顯著特征，如何通過優(yōu)化溫室結構、研制降溫設備等提高溫室降溫性能，更好地調控和管理溫室環(huán)境一直是學者們探討的熱門問題。

華南地區(qū)溫室需要進行通風降溫時間長達9個月以上，針對夏季高溫高濕的氣候特點，采用通風降溫、遮陽降溫、濕簾風機降溫、噴霧降溫及天面噴淋降溫等單獨降溫和組合降溫的方法，展望通過基于溫室環(huán)境和對作物生長時序數(shù)據(jù)收集，借助人工智能，實現(xiàn)降溫裝備的精準控制。

1 華南地區(qū)溫室常用的降溫方法

1.1 通風降溫

通風降溫是通過天窗、側窗的自然通風或機械強制通風的形式將溫室內外的冷熱空氣進行置換，達到降低室內溫度的目的，同時還可補充CO2，是夏季常用的降溫手段。

1.1.1 自然通風

自然通風指利用自然風壓、空氣溫差、空氣密度等對室內區(qū)域進行通風輸氣，不消耗額外的能量，可以降低生產運行成本，有研究表明自然通風的效果與側窗及天窗的面積和位置、溫室的朝向、結構參數(shù)等因子有關[1]。程秀花[2]以venlo 型玻璃溫室建立的CFD 數(shù)值模型模擬結果表明天窗開口角度對室內溫度分布有影響。趙融盛等[3]研究結果表明溫室最適合側通風口高度為距地面60 cm。還有研究通過改變溫室結構或開窗方式，如屋頂全開啟式溫室[4-5]、鋸齒形溫室[6]、后坡整體開窗式[7]、拱形溫室開窗、提高肩高等提高溫室通風降溫能力。

1.1.2 機械通風

當溫室外空氣溫度低于溫室內，且自然通風降溫效果不好時，采用風機強迫室內空氣流動，增強溫室內熱空氣與外界的對流換熱，提高降溫的效果。有理論介紹過華南溫室機械降溫設施的選擇、布置和參數(shù)等要求，分析了通風降溫效果[8]，機械通風降溫措施使溫室與外界的換氣量得到很大提高，同時還具有一定的除濕作用。

1.2 遮陽降溫

通過遮陽網(wǎng)遮陰，減少進入溫室內的太陽輻射，保證溫室作物正常生長，防止室內溫度過高，遮陽降溫是一種較好的輔助降溫手段。

1.2.1 內遮陽降溫

內遮陽置于溫室屋頂和作物之間，可以減少進入室內的太陽輻射，使大量熱量聚集在遮陽網(wǎng)與屋頂之間，形成一個高溫空間區(qū)域，上方區(qū)域溫度有時高達60 ℃[9-11]，通過屋頂天窗排走熱量。

1.2.2 外遮陽降溫

外遮陽是在溫室屋頂上方安裝固定或活動式遮陽結構，分為電動或手動2 種，通過卷放或者平拉的方式實現(xiàn)遮陽。外遮陽網(wǎng)本身的降溫效果有限，但是可以阻擋進入溫室的太陽輻射，減少其他降溫措施的負荷，實際生產中通常和其他降溫形式組合使用，具有不錯的降溫效果。汪波等對塑料薄膜大棚的遮陽網(wǎng)覆蓋方式進行試驗，結果表明，外遮陽方式比內覆蓋、內平覆蓋方式遮陽效果更佳[12-14]。胡建等試驗證明在室內氣流與外界氣流產生交換情況下，打開外遮陽能使室內溫度降低到室外溫度以下，室內溫度水平分布較為均勻，且對室內濕度影響不大[15-20]。

1.3 濕簾風機降溫

濕簾風機降溫系統(tǒng)是在溫室一側安裝風機，另一側安裝一種多孔吸水的材料，使通過濕簾進入室內的空氣帶有大量水汽，利用水汽的蒸發(fā)帶走大量熱量。濕簾風機系統(tǒng)能夠有效降低溫室室內溫度，是大型溫室中運用較為成熟和廣泛的降溫方式，程秀花以venlo 型玻璃溫室建立的CFD 數(shù)值模型驗證與溫室內氣流流動過程一致，結果表明采用濕簾-風機通風系統(tǒng)調控，較自然通風調控方式室溫可降低10 ℃左右。

1.4 噴霧降溫

噴霧降溫是使用特定技術將水形成直徑非常小的細霧滴，通過霧滴與溫室內空氣混合，利用水的蒸發(fā)散熱來降溫的一種降溫方法。農業(yè)生產中常用的霧化方式為壓力霧化，將水經(jīng)過過濾系統(tǒng)后進入高壓泵，通過孔徑非常小的噴嘴形成細霧滴。張芳等提出了一種噴霧降溫方法，溫室試驗區(qū)比對照區(qū)溫度降低最高達6 ℃[21]。丁德志等在南昌地區(qū)設計了一種霧化降溫系統(tǒng)，噴霧后普遍能降溫7～8 ℃，改善了花卉作物夏季生長環(huán)境[22]。這種方法所產生的霧滴直徑很小，用水量少，降溫效果好，對溫室內濕度增加不多，一般只比對照溫室高20%左右[23]。

在遮陽網(wǎng)上噴霧降溫，減弱了對溫室下部相對濕度的影響，降溫幅度比單靠遮陽網(wǎng)時提高1～5 ℃，且溫濕度分布比較均勻[24]。王本根等的試驗表明采用內遮網(wǎng)上噴霧降溫可使溫度比室外氣溫下降2.4～6.5 ℃，相對濕度只增加了10%左右，但是垂直溫差可達8～10 ℃[25]。

1.5 噴淋降溫

在溫室的屋頂或遮陽網(wǎng)上噴灑水，通過水層吸收一部分太陽輻射和形成遮陰，通過增加與空氣的接觸面積提高水的蒸發(fā)率來達到降溫效果。屋頂噴淋增加了屋頂?shù)南鄬穸?，對室內濕度影響并不大，避免了濕度過高對植物生長的不利影響。

2 常用降溫方法的應用和存在的問題

2.1 通風降溫

自然通風降溫在室外的溫度不超過30 ℃的情況下適用[8]，如室外溫度過高，外界熱空氣進入溫室，達不到降溫目的。我國夏季大部分地區(qū)風速較小，在外界氣溫過高，僅利用自然通風降溫很難滿足植物生長的需要。

一般采用自然通風降溫的設施以單棟小型為主，最好的降溫效果可達室內外溫差3～5℃。機械通風時，當基本通風量超過0.05 m3/m2·s 時，風機降溫效果也不再明顯[10]。

2.2 遮陽降溫

在遮陽網(wǎng)展開時，會阻礙溫室內散熱，室內的溫度不降反升，袁培等的試驗表明，內外遮陽裝置同時開啟和只開啟外遮陽裝置時，室內空氣溫度均低于內遮陽裝置單獨開啟時[13]，所以內遮陽一般不用于夏季溫室的降溫，一般用于冬季的內保溫。

外遮陽降溫，減少太陽光進入溫室內，減少熱輻射，使溫室內平均溫度降低，在華南地區(qū)廣泛應用，成為防災保護的一項重要的技術措施。外遮陽的降溫效果優(yōu)于內遮陽，但要求外遮陽材料伸縮性小、抗老化，構架堅固。

2.3 濕簾風機降溫

濕簾風機降溫效果的影響因素有很多，降溫效果與過簾風速有直接關系，研究表明濕簾的過簾風速在1.0～1.5 m/s 之間時降溫作用最佳[17]。楊涓等對比了2個降溫效果不同的溫室，分析了風機的位置、高度、數(shù)量、規(guī)格等對室內環(huán)境的影響[18]。濕簾風機的有效降溫區(qū)域一般為40 m 左右，在高溫高濕環(huán)境下的南方地區(qū)會更低。趙成等[19]試驗表明，在高溫高濕的南方地區(qū)，濕簾風機系統(tǒng)能提供25 m左右的有效降溫區(qū)域。

濕簾風機降溫增加室內濕度，在達到一定濕度后，降溫效果減弱，且容易引發(fā)植物病害，影響植物蒸騰作用等生理活動。

2.4 噴霧降溫

與濕簾風機系統(tǒng)相比，噴霧降溫更迅速，可以形成空間上較為均一的溫濕度環(huán)境，但是由于其本身的降溫原理，導致其對噴嘴孔徑、噴霧壓力、增壓設備和過濾水水質等要求較高，導致成本較高，難以大面積使用，沒有充分霧化的水滴淋在植物表面會影響植物生長。

2.5 噴淋降溫

屋頂噴淋降溫需要遮陽網(wǎng)長時間處于濕潤狀態(tài)，對遮陽網(wǎng)的耐久性能要求較高，此外，當風力較強時，遮陽網(wǎng)和水膜形成的降溫效果將無法有效影響室內溫度的下降，其降溫效果有較大不確定性[22]。另外，考慮安裝費以及定期清除屋頂積累的水垢等雜質的工作，且水質較硬的區(qū)域需要對水進行軟化處理后再使用，推廣具有一定的限制性。

3 解決措施

華南地區(qū)的溫室一般都配備自然通風與外遮陽，降溫效果要求高一些的溫室配置濕簾風機降溫系統(tǒng)、空調降溫以及其他機械降溫設備。

在華南地區(qū)夏季室外溫度較高，通風降溫不能滿足要求，要采用濕簾風機降溫。針對濕度增高對降溫效果的影響，增加了除濕室和除濕劑再生子系統(tǒng)，其原理是空氣中的水蒸氣在經(jīng)過除濕劑后被吸收，濕度降低后再通過濕簾風機系統(tǒng)，達到進一步降溫的目的，滿足高溫高濕地區(qū)夏季降溫的要求。從使用方法角度，可考慮濕簾風機和機械通風間隔使用，控制室內的濕度[17]。

生產中更多用到的是組合降溫措施，試驗表明，組合降溫效果優(yōu)于單一措施，不過具體實施辦法應結合作物生長特點，考慮開啟時間和能量消耗的因素。鄭慧珍[25]設計了一套降溫控制系統(tǒng)，在盡量低成本、低能耗的情況下，調節(jié)通風、遮陽、濕簾風機、微霧設備等，實現(xiàn)降溫效果較明顯、適合作物生長要求的微氣候環(huán)境。劉妍華[26]建立了華南地區(qū)溫室環(huán)境調節(jié)試驗平臺，研究了開窗、外遮陽網(wǎng)、屋頂噴淋、濕簾風機、室內噴霧5 種單項調節(jié)措施以及外遮陽分別與開窗、濕簾風機、天面噴淋結合的3 種組合措施對室內溫濕度的影響。研究結果表明，組合降溫效果一般優(yōu)于單一降溫技術，但能耗也更高，實際應用中，應綜合考慮各影響因素，根據(jù)溫室用途和作物生長特性等，選擇經(jīng)濟有效的降溫技術，在夏季達到良好的降溫效果。

4 結論與展望

組合降溫可以彌補單項降溫措施的不足，增強降溫效果。在實際生產過程中要根據(jù)地理氣候條件、作物種類需求、建設投資、管理運行費用等選擇合適的降溫方式。

隨著溫室產業(yè)的發(fā)展，還會不斷有新的降溫技術出現(xiàn)并應用于溫室，為夏季溫室降溫問題提供更好的借鑒和參考。

基于溫室環(huán)境和作物時序數(shù)據(jù)，采用人工智能算法優(yōu)化溫室環(huán)境控制，達到高效節(jié)能的降溫效果。在溫室部署各種傳感器（空氣溫度，濕度，CO2，營養(yǎng)液EC、pH，植物溫度以及光照度），通過溫室控制系統(tǒng)收集一系列傳感器數(shù)據(jù)，并上傳于數(shù)據(jù)平臺用于數(shù)據(jù)分析建模，建好模型再下達指令控制系統(tǒng)，通過控制系統(tǒng)使降溫組合裝備精準執(zhí)行。