噴霧對(duì)溫室溫濕度影響的試驗(yàn)研究

李景浩，朱德蘭

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌712100）

0 引 言

溫室大棚能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)作物提供良好的生長環(huán)境，其顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益使得溫室栽培成為設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1,2]。其中，溫度和濕度是溫室內(nèi)小氣候環(huán)境中最為重要的影響因子，溫濕度是否處于合理區(qū)間，直接關(guān)系到作物的生長狀態(tài)。夏季溫室易積聚大量多余的熱量，造成溫室內(nèi)溫度極高，嚴(yán)重影響室內(nèi)農(nóng)作物的生長[3]。較高的濕度會(huì)影響植株的授粉，導(dǎo)致植株的葉片薄而軟，極易感染真菌類疾病[4]。

針對(duì)夏季溫室降溫的問題，眾多研究學(xué)者從溫室通風(fēng)降溫、噴霧降溫、濕簾風(fēng)機(jī)降溫以及遮陽降溫等方面開展了大量研究[5-14]。何科奭[15]研究表明，不同通風(fēng)方式所形成的溫室環(huán)境差異較大，頂部和側(cè)部風(fēng)口均開啟時(shí)，溫室通風(fēng)率最高，導(dǎo)致室內(nèi)外溫差最小，同時(shí)也能產(chǎn)生較為均勻的室內(nèi)氣候，優(yōu)于單開頂、側(cè)風(fēng)口。楊家飛[16]研究表明，高溫天氣情況下，當(dāng)濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)在密閉飼養(yǎng)蛋雞舍運(yùn)行時(shí)，雞舍內(nèi)溫度較舍外溫度低約5.4 ℃，舍內(nèi)濕度較舍外平均增高14.81%；孫維拓[17]設(shè)計(jì)了日光溫室正壓濕簾冷風(fēng)降溫系統(tǒng)，在典型夏季高溫白天，正壓濕簾冷風(fēng)降溫系統(tǒng)配合遮陽網(wǎng)比采用自然通風(fēng)配合遮陽網(wǎng)的對(duì)照區(qū)低5.4～11.1 ℃，比室外低2.4～5.4 ℃，降溫效果良好。張芳[18]在夏季典型晴天開展了噴霧降溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室相比，氣溫分別要低3～6 ℃，空氣相對(duì)濕度分別增加10%～23.8%。綜上所述，前人針對(duì)如何降低溫室內(nèi)溫度的問題進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于單噴頭最優(yōu)使用工況的問題尚未很好解決，同時(shí)關(guān)于微噴頭霧化指標(biāo)、噴霧時(shí)間和側(cè)窗開閉情況對(duì)溫室溫濕度的影響尚不明晰。

基于此，本文應(yīng)用了微噴頭的噴霧降溫方式，對(duì)單噴頭噴霧降溫過程及效果進(jìn)行探究。測試不同霧化指標(biāo)下的單噴頭在雙拱雙膜溫室內(nèi)，連續(xù)工作5、10和15 min，開啟或關(guān)閉側(cè)窗的組合模式下溫室內(nèi)溫濕度的變化情況，以期為噴霧降溫提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院（緯度34°20′N、經(jīng)度108°24′E）。試驗(yàn)溫室為雙拱雙膜大棚，屋脊為南北朝向，溫室長6.0 m，寬5.2 m，脊高4.0 m。拱架為鋼筋結(jié)構(gòu)，溫室頂部配有紡織材料制成的保溫棉被（可調(diào)節(jié)展開或收起），透光材料為聚氯乙烯薄膜，且配有卷簾機(jī)、通風(fēng)口、風(fēng)機(jī)、濕簾等控制設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)選取溫室常用的橙色單出口霧化噴頭作為試驗(yàn)噴頭，噴嘴形狀為圓形，最大直徑1 mm，噴灑半徑為0.5～0.7 m，噴頭安裝在溫室內(nèi)頂部中間位置，高度距地面3.5 m，安裝形式為下噴，試驗(yàn)裝置包括蓄水池、變頻水泵、壓力傳感器、疊片式過濾器和電磁閥。噴頭的輸水管道布置在溫室頂部，支管上預(yù)留三通口以安裝霧化噴頭。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置及測點(diǎn)示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of test device and measuring points

本試驗(yàn)設(shè)有4個(gè)因素，分別為水壓力（3水平）、噴嘴直徑（3 水平）、噴水時(shí)間（3 水平）和側(cè)窗開閉（2 水平），試驗(yàn)共54組處理，見表1。

表1 試驗(yàn)因素和水平Tab.1 Experimental factors and levels

1.3 測試指標(biāo)

（1）室內(nèi)外空氣溫濕度值。在溫室南北中間截面內(nèi)布設(shè)溫濕度傳感器。溫室內(nèi)試驗(yàn)測點(diǎn)位置見圖1?？諝鉁貪穸葌鞲衅鳎═1～T5）分別放置在溫室內(nèi)距離左右兩側(cè)窗0.4、1.4 和2.4 m 遠(yuǎn)處，離地高為1 m，用來監(jiān)測溫室內(nèi)生菜生長區(qū)的空氣溫濕度。室內(nèi)采用RS-485 溫濕度傳感器，室外采用RSFSXCS超聲波一體式氣象站。

試驗(yàn)開始時(shí)，記錄試驗(yàn)初始數(shù)據(jù)，試驗(yàn)開始后30 min 內(nèi)，每1 min 記錄一次溫濕度數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在PC 端組態(tài)王軟件中，存儲(chǔ)頻率可根據(jù)需要任意設(shè)定，之后將采集完成的數(shù)據(jù)生成EXCEL 文件。試驗(yàn)結(jié)束后，所有溫濕度數(shù)據(jù)均取均值處理。

（2）變頻水泵的電流和電壓值。在試驗(yàn)過程中記錄變頻水泵的電流和電壓值，以計(jì)算不同工況下噴霧系統(tǒng)的能耗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同霧化指標(biāo)對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響

為探究噴頭霧化指標(biāo)H（m）/D（m）對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響，本文選擇2021年7月8日至7月10日15∶00～15∶30（室內(nèi)外環(huán)境情況基本一致）側(cè)窗關(guān)閉時(shí)不同霧化指標(biāo)下，噴霧5 min 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖2 是溫室內(nèi)的降溫增濕幅度變化圖。

由圖2（a）可知，各處理的降溫幅度均表現(xiàn)出明顯的先增大后趨于穩(wěn)定并逐漸減小的規(guī)律性。這是由于噴霧開始，溫室中水霧的含量逐漸上升，水霧蒸發(fā)吸收的熱量逐漸大于溫室吸收的外部熱量，降溫幅度逐漸增大；隨后，降溫幅度開始趨于穩(wěn)定并緩慢下降，這是由于溫室吸收外部熱量大于噴霧水霧蒸發(fā)吸收溫室內(nèi)的熱量；各處理中，降溫幅度最大的為D3-30 處理（霧化指標(biāo)為4×104），為5.4 ℃，降溫幅度與水壓力和噴嘴直徑均呈正相關(guān)。

圖2 晴天天氣情況下噴霧試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Spray test results in sunny weather

由圖2（b）可知，溫室內(nèi)增濕的變化趨勢與降溫的變化趨勢一致，增濕幅度先增大后趨于穩(wěn)定并逐漸減小。各處理中，增濕幅度最大的為D3-30 處理，為25.9%，此時(shí)，溫室內(nèi)的濕度可達(dá)到69%，作物長時(shí)間生存在高濕度的環(huán)境內(nèi)，可能會(huì)引起多種病蟲害。增濕幅度最小的為D1-20 處理，為14%。同一噴嘴直徑下，水壓力越大即霧化指標(biāo)越大，增濕幅度越大。同一水壓力下，噴嘴直徑越大即霧化指標(biāo)越小，增濕幅度越大。

需要特別說明的是，D2-20 處理和D3-30 處理的霧化指標(biāo)均為4×104，但兩個(gè)處理的降溫效果和增濕幅度卻不相同，這是因?yàn)檫@兩個(gè)處理相同時(shí)間內(nèi)的噴霧量不同，噴霧量大的處理降溫效果優(yōu)于噴霧量小的處理。

2.2 不同噴霧時(shí)長對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響

為了比較不同噴霧時(shí)長的降溫和增濕情況，依據(jù)同一時(shí)刻室外環(huán)境差異較小的原則，試驗(yàn)時(shí)間選取了2021年6月30日到2021年7月2日連續(xù)3 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。6月30日噴霧時(shí)間設(shè)定為5 min；7月1日噴霧時(shí)間設(shè)定為10 min；7月2日噴霧時(shí)間設(shè)定為15 min。噴嘴直徑均為0.5 mm，水壓力均為0.25 MPa，側(cè)窗關(guān)閉。

試驗(yàn)期間，30日、1日和2日15∶00～15∶30 室外平均溫度分別為34.4、34.7 和34.8 ℃，室內(nèi)初始時(shí)刻溫度分別為40.1、40.5和40.7 ℃，3次試驗(yàn)室內(nèi)外溫度基本一致。

圖3（a）為6月30日到7月2日15∶00～15∶30 試驗(yàn)溫室內(nèi)溫度的變化。6月30日到7月2日15∶00～15∶30 的試驗(yàn)溫室初始溫度與最低溫度的差值即降溫幅度分別為3.7、5.2 和6.7 ℃。降溫幅度最大值均出現(xiàn)在噴霧結(jié)束后3 min左右，之后開始趨于穩(wěn)定并緩慢下降。其中，噴霧15 min 的處理保持較高降溫幅度的時(shí)間最長，達(dá)到8 min，噴霧5 min和10 min的處理分別為4 min和6 min，這是由于噴霧時(shí)間長，溫室內(nèi)的空氣水霧含量較高，可以更好地抵御外部高溫，從而延長降溫的效果。僅從降溫效果上看，噴霧時(shí)間為15 min 的噴霧模式降溫效果更好，且持續(xù)時(shí)間更長。

圖3 晴天天氣情況下不同噴霧時(shí)長試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of different spray times in sunny weather

圖3（b）為6月30日到7月2日15∶00～15∶30 試驗(yàn)溫室內(nèi)濕度的變化。6月30日-7月2日15∶00～15∶30 的試驗(yàn)溫室初始濕度與最高濕度的差值即增濕幅度分別為19.7%、26.1%和35.9%。增濕幅度變化趨勢同降溫幅度，隨著噴霧時(shí)間增加，其相對(duì)濕度也隨之增加。雖然噴霧15 min 降溫效果最好，但其濕度也是增加最明顯的，噴霧15 min 的處理溫室內(nèi)最高濕度可達(dá)65.9%，噴霧5 min 和10 min 處理溫室內(nèi)最高濕度分別為49.7%和56.1%，但由于長時(shí)間處于高濕環(huán)境，會(huì)抑制植株正常的水分蒸騰，誘發(fā)病蟲害，故從噴霧降溫增濕可控性來說，噴霧時(shí)間為10 min的噴霧模式降溫效果更好。

2.3 側(cè)窗開閉對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響

本試驗(yàn)選取6月20日（開啟側(cè)窗）和7月1日（關(guān)閉側(cè)窗）2天的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)其分別進(jìn)行處理分析，比較在晴天天氣情況下，噴嘴直徑為0.5 mm，水壓力為0.25 MPa，開啟側(cè)窗和關(guān)閉側(cè)窗溫室噴霧10 min 后30 min 內(nèi)溫室內(nèi)溫濕度的變化情況。2次試驗(yàn)室內(nèi)外環(huán)境基本一致，室內(nèi)初始溫度分別為38.4和37.9 ℃，相對(duì)濕度分別為31.6%和33.1%。

由圖4（a）可以看出晴天時(shí)側(cè)窗開閉情況不同，溫室內(nèi)溫度變化規(guī)律不同。在試驗(yàn)30 min 內(nèi)晴天開啟側(cè)窗溫度下降幅度大于關(guān)閉側(cè)窗溫度下降幅度，其下降幅度在結(jié)束噴霧2 min 后最高可達(dá)7.6 ℃，而關(guān)閉側(cè)窗溫度下降幅度最高為5.2 ℃。開始噴霧后，開啟側(cè)窗比關(guān)閉側(cè)窗降溫速率更快，到達(dá)最高點(diǎn)后，開啟側(cè)窗處理降溫幅度開始出現(xiàn)下降，直至28 min 時(shí)趨于穩(wěn)定，降溫幅度最終為5.6 ℃，這是因?yàn)?，噴霧結(jié)束后，風(fēng)帶走了溫室內(nèi)過多的水蒸氣，導(dǎo)致溫度小幅回升，最終趨于穩(wěn)定。關(guān)閉側(cè)窗處理降溫幅度到達(dá)最高點(diǎn)后開始趨于穩(wěn)定并緩慢下降。開啟側(cè)窗的降溫效果要優(yōu)于關(guān)閉側(cè)窗的情況，降溫幅度差值最終為1.2 ℃。

圖4 晴天天氣情況下不同通風(fēng)情況試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of different spray times in sunny weather

晴天天氣情況下，側(cè)窗開閉不同，溫室內(nèi)濕度變化出現(xiàn)顯著差異。由圖4（b）不難得出，關(guān)閉側(cè)窗時(shí)的相對(duì)濕度增量（26.1%）遠(yuǎn)大于開啟側(cè)窗時(shí)的相對(duì)濕度增量（7.4%）。探究其原因，關(guān)閉側(cè)窗時(shí)，溫室內(nèi)部空間相對(duì)封閉，空氣流動(dòng)性很低，噴霧產(chǎn)生的水霧經(jīng)過蒸發(fā)形成水蒸氣，水蒸氣聚集在整個(gè)溫室內(nèi)，導(dǎo)致溫室內(nèi)的濕度上升幅度較大；開啟側(cè)窗時(shí)，溫室內(nèi)通風(fēng)情況良好，水霧蒸發(fā)吸熱，吸收了溫室內(nèi)部的熱量，相較于室外，溫室內(nèi)部濕度較高，自然通風(fēng)使空氣流動(dòng)，將室內(nèi)高濕空氣排出，再補(bǔ)充進(jìn)入室外較干燥空氣，以實(shí)現(xiàn)降溫的同時(shí)，濕度不會(huì)明顯上升。

2.4 不同處理下的能耗對(duì)比

不同工況的降溫幅度不同，能耗也不盡相同。表2是初始溫度為40 ℃，不同工況下降溫幅度達(dá)到5 ℃時(shí)的變頻水泵功率、時(shí)間和能耗值。

由表2可知，變頻水泵的功率與水壓力和噴嘴直徑均呈正相關(guān)，變頻水泵的功率隨著水壓力和噴嘴直徑的增大而增大。同一水壓力下，增大噴嘴直徑會(huì)增加流量，即變頻水泵功率會(huì)增大，噴嘴直徑0.50 mm 和0.75 mm 下的功率僅比0.25 mm增加0.81%和1.23%，增幅不大。同一噴嘴直徑下，增大水壓力也會(huì)導(dǎo)致流量增大，變頻水泵功率增大，水壓力0.25 MPa和0.30 MPa 下的功率比0.20 MPa 增加17.07%和35.98%，增幅明顯。改變水壓力引起的變頻水泵功率的變化要遠(yuǎn)大于改變噴嘴直徑的影響，變頻水泵功率更多的取決于水壓力。

表2 不同工況下降溫幅度達(dá)到5 ℃時(shí)的變頻水泵功率、時(shí)間和能耗值Tab.2 Current,voltage and power values of variable frequency water pumps with different working pressure and nozzle diameter

不同工況下降溫幅度達(dá)到5 ℃時(shí)，能耗最低的為噴嘴直徑0.75 mm，水壓力0.25 MPa 處理，為562.2 kJ。在該處理下，僅用時(shí)474 s 降溫幅度便達(dá)到5 ℃。初始溫度為40 ℃時(shí)，同一噴嘴直徑下，降溫幅度達(dá)到5 ℃的時(shí)間隨著水壓力的增大而減小；同一水壓力下，降溫幅度達(dá)到5 ℃的時(shí)間隨著噴嘴直徑的增大而減小。時(shí)間與水壓力和噴嘴直徑均呈負(fù)相關(guān)。

式（1）為水壓力和噴嘴直徑與能耗進(jìn)行的多項(xiàng)式函數(shù)擬合方程，其決定系數(shù)R2為0.98，表明擬合公式可以很好地反映水壓力和噴嘴直徑與能耗的關(guān)系。

式中：E為噴霧系統(tǒng)能耗，kJ；H為水壓力，m；D為噴嘴直徑，mm。以噴霧系統(tǒng)在初始溫度為40 ℃時(shí)降溫5 ℃的耗電量最低為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能耗最低的處理僅耗電0.156 kWh，結(jié)合楊凌當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.5元/kWh，可以得出，降溫電費(fèi)成本為0.078元，噴霧系統(tǒng)運(yùn)行成本低。因此，在降溫效果相近的情況下，基于節(jié)約能源的目的，應(yīng)優(yōu)先考慮降低水壓力和增大噴嘴直徑。

3 結(jié) 論

在不同霧化指標(biāo)、噴霧時(shí)間和側(cè)窗開閉情況下，對(duì)噴霧對(duì)溫室溫濕度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）噴霧降溫的原理是水霧蒸發(fā)吸熱，不同霧化指標(biāo)下的噴霧對(duì)溫室內(nèi)的溫濕度的影響有顯著性差異，水壓力越大（霧化指標(biāo)越大）、噴嘴直徑越大（霧化指標(biāo)越小），即同一時(shí)間內(nèi)噴出的水霧越多，降溫效果越明顯。初始溫度為40 ℃時(shí)開啟噴霧（噴嘴直徑為0.75 mm，壓力0.30 MPa，時(shí)間5 min），降溫幅度最高可達(dá)5.4 ℃，降溫效果最明顯，增濕幅度變化趨勢同降溫趨勢。在降溫5℃的情況下，使整個(gè)噴霧系統(tǒng)的能耗最低，以噴嘴直徑為0.75 mm，壓力0.25 MPa最為合適。

（2）不同噴霧時(shí)長的噴霧對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響有顯著性差異，噴霧時(shí)間越長，降溫效果越明顯，可以更好的抵御高太陽輻射值，但長時(shí)間噴霧會(huì)導(dǎo)致溫室內(nèi)濕度過高，造成植物病蟲害，故連續(xù)噴霧10 min最為合適。

（3）側(cè)窗開閉情況不同，噴霧對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的影響有顯著性差異；相同噴霧時(shí)間下，開啟側(cè)窗的降溫情況（5～7 ℃）優(yōu)于關(guān)閉側(cè)窗且相對(duì)濕度上升幅度?。?%～10%）。因此，噴霧時(shí)應(yīng)開啟側(cè)窗，降溫更顯著。

（4）水壓力0.25 MPa、噴嘴直徑0.75 mm、噴霧時(shí)間10 min 并配合側(cè)窗通風(fēng)為該試驗(yàn)降溫效果最優(yōu)且能耗最低的工況，可為雙拱雙膜溫室夏季的快速降溫提供參考。