設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

○江蘇省蘇州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站 嚴(yán) 宇 葉 濤 張文斌

隨著現(xiàn)代科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，設(shè)施大棚的種植規(guī)模越來(lái)越大，設(shè)施蔬菜的產(chǎn)量也在逐年攀升。蘇州地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)海洋性氣候，冬季最冷月平均氣溫為3.1℃，極端最低氣溫為-9.8℃。本地農(nóng)戶為設(shè)施大棚加熱保溫常常會(huì)采取一些臨時(shí)措施，如加蓋尼龍、設(shè)置內(nèi)棚、配置增溫?zé)?、燒煤爐、燒焦碳等。這些舉措不僅無(wú)法根據(jù)棚內(nèi)的溫度需求及時(shí)調(diào)控加熱裝置，而且燒煤爐和焦碳會(huì)產(chǎn)生大量一氧化碳，容易造成棚內(nèi)工作人員一氧化碳中毒，存在極大的安全隱患。

因此，針對(duì)蘇州地區(qū)冬季設(shè)施大棚的加熱保溫需求，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一種設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)控制設(shè)施大棚內(nèi)的溫度，滿足作物生長(zhǎng)需求。

一、總體方案設(shè)計(jì)

1. 功能需求分析。通過(guò)走訪蘇州地區(qū)的設(shè)施大棚種植戶，向他們了解和征求設(shè)施大棚溫控系統(tǒng)所需具備的功能和建議，整理后得到設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)需具備的功能表，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)需具備的功能表

2. 總體方案設(shè)計(jì)。根據(jù)功能需求分析，可以將智能加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為通過(guò)持續(xù)向大棚內(nèi)輸送熱氣來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱和保溫功能。首先設(shè)定滿足作物生長(zhǎng)需求的溫度區(qū)間，通過(guò)安裝在大棚內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)溫度，并將溫度信息實(shí)時(shí)反饋至中央控制系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)施大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度最低值時(shí)，加熱裝置工作；當(dāng)設(shè)施大棚內(nèi)溫度高于設(shè)定溫度最高值時(shí)，加熱裝置停止工作，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施大棚內(nèi)溫度智能調(diào)控，滿足作物生長(zhǎng)需求。具體設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

二、智能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)。智能加熱系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、熱風(fēng)爐、傳熱管道、溫度傳感器、中央控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。根據(jù)棚內(nèi)種植作物的生長(zhǎng)需求和棚外溫度情況設(shè)定合理溫度區(qū)間，安裝在大棚內(nèi)的溫度傳感器實(shí)時(shí)采集棚內(nèi)的溫度信息，并將溫度數(shù)據(jù)反饋至中央控制系統(tǒng)。當(dāng)溫度低于設(shè)定最低溫度值A(chǔ)時(shí)，中央控制系統(tǒng)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)爐，鼓風(fēng)機(jī)輸出的氣流經(jīng)熱風(fēng)爐加熱，再通過(guò)傳熱管道進(jìn)入大棚內(nèi)，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)快速升溫；當(dāng)棚內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定最高溫度值B時(shí)，中央控制系統(tǒng)關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)和熱風(fēng)爐，不再加熱。當(dāng)棚內(nèi)溫度降至最低溫度值A(chǔ)，重啟上述步驟，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)控棚內(nèi)溫度，保障溫度在作物生長(zhǎng)所需要的范圍。智能加熱系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 智能加熱系統(tǒng)工作流程圖

2.智能加熱系統(tǒng)搭建。根據(jù)設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行選型組裝，搭建成智能加熱系統(tǒng)，主要組成部件及實(shí)現(xiàn)功能如表2所示。

表2 智能加熱系統(tǒng)主要組成部件及實(shí)現(xiàn)功能

設(shè)施大棚智能加熱系統(tǒng)布局示意圖如圖3所示，各部件棚內(nèi)實(shí)地安裝連接如圖4所示。

圖3 溫室大棚智能加熱系統(tǒng)布局示意圖

圖4 智能加熱系統(tǒng)部件棚內(nèi)實(shí)地安裝連接圖

如圖3、4所示，當(dāng)智能加熱系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，先啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，待鼓風(fēng)機(jī)輸出穩(wěn)定的風(fēng)量時(shí)，再打開(kāi)熱風(fēng)爐，將鼓風(fēng)機(jī)輸出的風(fēng)量進(jìn)行加熱，再通過(guò)管路分流器將加熱后的暖風(fēng)輸送至東、西兩側(cè)的傳熱管道。東西兩側(cè)的傳熱管道開(kāi)設(shè)有孔徑6mm、間距120mm的若干散熱小孔，方向朝下，使傳熱管道內(nèi)的熱風(fēng)向下輸出。傳熱管道向北延伸的末端處于封閉狀態(tài)，目的是保持傳熱管道內(nèi)的風(fēng)壓，使每個(gè)散熱小孔都能輸送出一定量的熱風(fēng)，提高散熱均勻性。

三、試驗(yàn)研究

1.試驗(yàn)環(huán)境。試驗(yàn)地點(diǎn)為吳中區(qū)胥口鎮(zhèn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投資發(fā)展有限公司蔬菜基地3連棟大棚，南北長(zhǎng)40m，東西寬24m，面積960m2。

試驗(yàn)時(shí)間為2022年3月2日。

2.試驗(yàn)設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證智能加熱系統(tǒng)加熱保溫效果，保證試驗(yàn)過(guò)程中棚內(nèi)溫度受外界影響較小，選擇2號(hào)晚上6點(diǎn)至9點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，此時(shí)棚內(nèi)溫度11.1℃，棚外溫度為10.1℃，設(shè)定智能加熱系統(tǒng)最低溫度值A(chǔ)為13℃，最高溫度值B為14℃，啟動(dòng)智能加熱系統(tǒng)，每隔15分鐘采集一次棚內(nèi)溫度。采集數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 溫度采集表

序號(hào)時(shí)間棚內(nèi)溫度/℃棚外溫度/℃87：45pm13.09.8 98：00pm13.29.7 108：15pm13.39.6 118：30pm13.49.5 128：45pm13.49.4 139：00pm13.59.3

3. 試驗(yàn)分析。由表3得出如圖5所示的設(shè)施大棚內(nèi)外溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖。從圖5中可以看出當(dāng)溫度傳感器監(jiān)測(cè)棚內(nèi)溫度低于設(shè)定最低溫度時(shí)，中央控制系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟加熱裝置，熱氣由傳熱管道小孔多點(diǎn)流出到大棚中，使棚內(nèi)溫度逐漸升高。在7：45pm（105分鐘）時(shí)，棚內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度區(qū)間內(nèi)最低溫度值13℃，并且仍有上升的趨勢(shì)，但隨著設(shè)施大棚外溫度逐漸降低，設(shè)施大棚內(nèi)溫度仍維持在13.5℃左右，起到較好加熱保溫效果。

圖5 設(shè)施大棚內(nèi)外溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖

四、結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明：智能加熱系統(tǒng)在冬季晚上使用過(guò)程中能夠自主加熱保溫，且效果明顯、指令響應(yīng)快，具有降低勞動(dòng)強(qiáng)度、操作方便、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能為冬季大棚內(nèi)種植的作物提供更加穩(wěn)定和舒適的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于提高大棚作物的產(chǎn)量。