孫俊林++曾成++張馨 +鄭文剛

摘要：溫室能源管理系統(tǒng)是溫室生產(chǎn)管理的重要組成部分，該系統(tǒng)在環(huán)境調(diào)控的基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)溫室各供能和耗能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、計(jì)量與計(jì)算分析，依據(jù)能源優(yōu)化策略管理并規(guī)劃能源調(diào)度與分配，達(dá)到節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國(guó)家將能源管理系統(tǒng)作為獨(dú)立功能組件選擇有效能量來(lái)源為溫室生產(chǎn)提供適宜熱量、二氧化碳及光環(huán)境以提升能源效率和溫室可持續(xù)發(fā)展，在理論研究與實(shí)際應(yīng)用方面都處于領(lǐng)先位置。我國(guó)對(duì)溫室節(jié)能的研究多集中于節(jié)能設(shè)施、結(jié)構(gòu)材料、環(huán)境監(jiān)控等方面，缺少?gòu)南到y(tǒng)角度考慮的綜合能源管理軟硬件系統(tǒng)。在分析當(dāng)前溫室能源消耗和節(jié)能管理研究應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出并介紹溫室能源管理系統(tǒng)的基本功能模塊與構(gòu)架組成，詳細(xì)綜述能源計(jì)量檢測(cè)、能源信息管理、能源優(yōu)化調(diào)度決策等關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，探明溫室能源管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題及在國(guó)內(nèi)應(yīng)用可行性，為溫室能源管理系統(tǒng)在我國(guó)溫室生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫室；能源管理系統(tǒng)；檢測(cè)；節(jié)能；優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S625.5+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A[HK]

文章編號(hào)：1002-1302（2017）03-0014-06[HS）][HT9.SS]

[HJ1.3mm]

收稿日期：2016-02-24

基金項(xiàng)目：農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃（編號(hào)：2014BAD08B0202）。

作者簡(jiǎn)介：孫俊林（1991—），男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要從事通信與信息系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)信息化方面研究。E-mail：379473744@qq.com。

通信作者：張馨，博士，副研究員，主要從事設(shè)施環(huán)境調(diào)控與能源管理方面研究。E-mail：zhangx@nercita.org.cn。[HJ]

[JP2]能源管理系統(tǒng)是20世紀(jì)90年代末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)系統(tǒng)性節(jié)能技術(shù)，它利用過(guò)程控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、優(yōu)化理論、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，從而為能源調(diào)度和分配提供依據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)化管理來(lái)達(dá)到高效利用能源和節(jié)約能源的目的[1]。目前，能源管理系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)、電廠、樓宇、家居等領(lǐng)域[2-7]，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)能耗的監(jiān)測(cè)、計(jì)量、評(píng)估分析從而制定出最優(yōu)化的節(jié)能控制策略[8]，取得了顯著成效。[JP]

溫室作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的載體，在能源日益緊缺的今天，如何把能源管理系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)代溫室生產(chǎn)管理中已成為當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。目前，荷蘭、以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在溫室能源管理方面取得了很好成效，商業(yè)化應(yīng)用的能源管理系統(tǒng)大幅度提高了溫室能源利用效率，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步推動(dòng)了溫室產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)先進(jìn)的設(shè)施形式如人工光型植物工廠、連棟溫室等由于過(guò)高的能源消耗只能用于育苗、花卉、苗木等高附加值植物生產(chǎn)，但運(yùn)營(yíng)多有虧損，直接制約我國(guó)智能溫室的推廣普及；應(yīng)用較多的日光溫室、塑料大棚由于環(huán)境調(diào)控設(shè)備簡(jiǎn)易，具備調(diào)控條件的很少考慮能源情況，管理粗放，能源利用率低。為解決溫室能源消耗與管理問(wèn)題，近幾年，也開(kāi)展了溫室能源管理方面的研究，很多限制在單個(gè)或多個(gè)節(jié)能技術(shù)與設(shè)備，多數(shù)溫室沒(méi)有系統(tǒng)能源管理，雖然一些大型溫室也成套引進(jìn)了國(guó)外能源管理技術(shù)，但受氣候、設(shè)備等條件限制，引進(jìn)的節(jié)能技術(shù)并不完全適合我國(guó)國(guó)情[9]，低效率、高能耗問(wèn)題一直沒(méi)有解決。因此，我國(guó)急需加大對(duì)溫室能源管理的研究，開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情且低成本的能源管理系統(tǒng)，可以對(duì)溫室環(huán)境變量和耗能設(shè)備的能耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制定精確的針對(duì)性優(yōu)化能源管理控制策略。若將其合理運(yùn)用于溫室產(chǎn)業(yè)，將會(huì)大幅降低溫室能源消耗，減少生產(chǎn)成本，有助于我國(guó)連棟溫室和植物工廠的普及，推動(dòng)日光溫室生產(chǎn)現(xiàn)代化，對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

筆者對(duì)當(dāng)前溫室能源消耗及節(jié)能管理研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，提出并介紹溫室能源管理系統(tǒng)的基本功能模塊與整體架構(gòu)，綜述了計(jì)量檢測(cè)、信息管理分析、優(yōu)化調(diào)度決策等方面的研究進(jìn)展，提出溫室能源管理系統(tǒng)存在的問(wèn)題以及相關(guān)發(fā)展方向，為我國(guó)溫室生產(chǎn)中系統(tǒng)性能源管理系統(tǒng)的研究發(fā)展提供依據(jù)。

1溫室能源消耗及節(jié)能管理

1.1溫室能源消耗

溫室環(huán)境是在不斷變化的外部氣候條件下，完全運(yùn)用能源營(yíng)造出適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，具有高投入、高產(chǎn)出、高能耗等特點(diǎn)。整體來(lái)看，當(dāng)前溫室生產(chǎn)中冬季加溫、夏季降溫除濕等能源消耗占總生產(chǎn)成本的10%～40%，高緯度地區(qū)溫室能耗甚至占到溫室生產(chǎn)成本的50%～60%[10]。因此，溫室能源消耗分析對(duì)于降低生產(chǎn)成本至關(guān)重要。

連棟玻璃溫室中，徐大成研究了引進(jìn)連棟玻璃溫室的耗能情況：1995年，北京引進(jìn)以色列連棟溫室，1個(gè)冬季加溫耗煤量達(dá)到1 300 t/hm2；1996年，遼寧省北陵蘭花開(kāi)發(fā)有限公司引進(jìn)荷蘭玻璃溫室，1個(gè)冬季耗煤量多達(dá)2 300 t/hm2；1995年，上海孫橋、東海園藝場(chǎng)引進(jìn)的2棟荷蘭玻璃溫室，1年的運(yùn)行費(fèi)用中，加溫的燃料費(fèi)用分別占生產(chǎn)成本的 33.91%、33.81%；引進(jìn)的玻璃溫室在43°N以上地區(qū)，燃料費(fèi)用占到了生產(chǎn)成本的60%～70%[11]。Pieters等建立了歐洲西部地區(qū)玻璃溫室內(nèi)太陽(yáng)能傳輸模型，可以計(jì)算出溫室加溫控制的能源消耗量[12]。姚益平等以Venlo型連棟溫室和溫室主栽作物黃瓜為研究對(duì)象，利用溫室能耗預(yù)測(cè)模型和作物生長(zhǎng)模型，模擬預(yù)測(cè)了在商業(yè)化生產(chǎn)中常用的2種不同溫室控制策略下連棟溫室黃瓜周年生產(chǎn)所需的能耗和潛在產(chǎn)量，既而計(jì)算出黃瓜的單位生產(chǎn)能耗，得出不同溫度控制策略下黃瓜單位產(chǎn)量能耗差異并不明顯，平均在8%以內(nèi)，但在增施CO2的情況下可以降低單位產(chǎn)量能耗高達(dá)29%～67%[13]。

日光溫室及塑料大棚中，柴立龍等在北京地區(qū)日光溫室中采用地下水式熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了供暖試驗(yàn)研究，計(jì)算對(duì)比了地源熱泵供暖、天然氣供暖、燃煤熱水供暖以及燃油熱風(fēng)供暖的能耗成本，得出其相對(duì)運(yùn)行費(fèi)用分別為1.20、1.31、1.00、3.36，與燃煤熱水采暖系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)供暖可節(jié)約42%的能耗，整體對(duì)比情況見(jiàn)表1[14]。Cemek等分析了不同的覆蓋材料和冷凝速率對(duì)溫室采光的影響[15]，為研究不同覆蓋材料的日光溫室能耗提供了理論依據(jù)。孫心心等對(duì)日光溫室中的新型復(fù)合相變墻進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析，驗(yàn)證了復(fù)合相變材料應(yīng)用于溫室墻體中的節(jié)能降耗作用[16]。籍秀紅通過(guò)試驗(yàn)表明，夜間墻體內(nèi)表面對(duì)室內(nèi)的累計(jì)散熱量作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠全面評(píng)價(jià)日光溫室墻體的熱性能[17]，從而為日光溫室的節(jié)能降耗設(shè)計(jì)提供了有效理論指導(dǎo)。塑料大棚中，李勝利等對(duì)不同層次簡(jiǎn)易覆蓋的巨型塑料大棚的溫度特征進(jìn)行了研究，反映出不同覆蓋材料塑料大棚的能源損耗情況[18]，為塑料大棚的節(jié)能建設(shè)提供了理論依據(jù)。

植物工廠中，電能為主要的能源消耗，占到了總運(yùn)行成本的30%以上[19]，其中照明用電約占總體電耗的82%，空調(diào)約占15%，其他占3%[20]。能源使用效率上，Tong 等以日本千葉市的植物工廠為研究對(duì)象，分析指出通過(guò)使用高轉(zhuǎn)化效率的人工補(bǔ)光燈，提升植物有效光的吸收，綜合控制環(huán)境因素等可以使電能消耗最多減少50%[21]；Tong等研究指出，植物工廠中的熱泵制冷性能系數(shù)與室內(nèi)外溫度密切相關(guān)，隨室外溫度降低而降低，隨室內(nèi)溫度升高而升高[22]；Kozai分析了人工光環(huán)境下密閉植物工廠水、電、二氧化碳等不同能源的使用效率，計(jì)算出在二氧化碳供應(yīng)充足的情況下，二氧化碳的使用效率是通風(fēng)關(guān)閉的普通溫室的1.8倍[23]。

1.2溫室能源管理

目前，關(guān)于溫室節(jié)能管理研究主要基于植物生長(zhǎng)最佳條件和環(huán)境控制成本最低來(lái)優(yōu)化環(huán)境控制參數(shù)。國(guó)外較早地展開(kāi)了該項(xiàng)研究，Seginer等在作物生長(zhǎng)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)，得到不同溫光水平下最優(yōu)的CO2施肥量[24]。Aslyng等利用作物葉片的光合作用和呼吸作用及光輻射吸收的預(yù)測(cè)模型，根據(jù)自然光照來(lái)控制溫室內(nèi)的溫度來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果[25]。Lacroix等開(kāi)發(fā)了積溫模擬控制器，經(jīng)過(guò)對(duì)不同溫度設(shè)定模式的節(jié)能效應(yīng)模擬，可以降低7%的溫室能耗[26]。Korner 等的研究結(jié)果表明，利用積溫的方法可以比常規(guī)溫度調(diào)控降低9%的能耗[27-29]。Blasco等建立了溫室環(huán)境的非線性預(yù)測(cè)控制模型，利用遺傳算法對(duì)參數(shù)優(yōu)化，可以顯著降低能源的消耗[30]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也對(duì)環(huán)境控制的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)定方面展開(kāi)了相關(guān)研究。伍德林等提出了基于經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的溫室環(huán)境優(yōu)化調(diào)控技術(shù)，將溫室作物整個(gè)生長(zhǎng)階段分為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段、生殖生長(zhǎng)階段。在不同生長(zhǎng)階段采用不同的調(diào)控策略，既保證了作物正常生長(zhǎng)的需要，又兼顧了節(jié)能降耗[31]。李志偉等將作物1 d中生長(zhǎng)所需要的溫度劃分為若干階段，以此實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的節(jié)能管理[32]。王紀(jì)章等提出，利用作物光合作用模型，建立基于光照的溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)比和設(shè)定值控制來(lái)進(jìn)行節(jié)能管理[33]。

商用節(jié)能管理方面，荷蘭、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的溫室技術(shù)已經(jīng)形成了一套完整的規(guī)范化技術(shù)體系。在溫室設(shè)施上，雙熱屏、雙層玻璃、新型絕緣材料等早已被廣泛使用，并在此基礎(chǔ)上提出了全封閉溫室的概念[34]。新能源利用上，荷蘭、瑞典等國(guó)家利用變相儲(chǔ)能裝備、光伏太陽(yáng)溫室發(fā)電和利用裝備、生物質(zhì)能和余熱利用的毛細(xì)管網(wǎng)供暖裝備、太陽(yáng)能熱泵等，大幅減少了傳統(tǒng)能源的利用，轉(zhuǎn)而利用各種綠色能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，瑞典溫室產(chǎn)業(yè)用于供暖的總能源消耗2008年比2011年多50%，2011年燃油消耗降低了18%，同時(shí)生物質(zhì)能的利用增加了45%，所有化石燃料的使用總共減少了25%[35-36]，瑞典商業(yè)溫室能源使用情況見(jiàn)圖1。

[TPSJL1.tif][FK）]

系統(tǒng)性能源管理上，加拿大的Argus環(huán)控公司采用的溫室能源管理方案，實(shí)現(xiàn)了一定的能源管理功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的環(huán)境狀況和各種能耗設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生異常便自動(dòng)報(bào)警，并且系統(tǒng)中的環(huán)境控制子系統(tǒng)會(huì)根據(jù)溫室具體情況來(lái)制定通風(fēng)、加熱、除濕等工作策略。荷蘭PRIVA公司圍繞Priva connext控制器的環(huán)控系統(tǒng)，連接所有的溫室耗能設(shè)備與傳感器，而且具有環(huán)控軟體。該系統(tǒng)可以控制鍋爐、熱水管控制閥以得到能源最佳利用效率。其周邊配置Priva Control Module Library為軟體資料，包括控制策略已進(jìn)行最具能源效率、最佳生長(zhǎng)的資訊，并且資料庫(kù)可以擴(kuò)充最新數(shù)據(jù)；Priva Office Direat為作業(yè)軟體，可將環(huán)控資訊以圖形的方式顯示于個(gè)人電腦；并可以根據(jù)Priva Enervision和Meteovision預(yù)測(cè)未來(lái)24 h氣候變化，并依次計(jì)算預(yù)測(cè)未來(lái)24 h加溫所需要的能源消耗量。Priva公司系統(tǒng)性的方案以溫室作物為考慮對(duì)象，結(jié)合環(huán)境調(diào)控與能源管理，使用先進(jìn)的天文時(shí)間控制、延遲技術(shù)、積分盲區(qū)等控制技術(shù)和控制策略，充分考慮控制過(guò)程間的關(guān)系，整個(gè)系統(tǒng)最多可以節(jié)省50%的能源[37]。從圖2可以看出，Ridder公司旗下的HortiMax公司開(kāi)發(fā)的CHP熱電聯(lián)產(chǎn)控制軟件，根據(jù)作物對(duì)CO2及供熱的需求，燃燒天然氣進(jìn)行發(fā)電，所產(chǎn)生的電力直接輸送至國(guó)家電網(wǎng)，發(fā)電余熱則供溫室加溫或儲(chǔ)藏于地下，燃燒的尾氣經(jīng)過(guò)凈化、換熱后，作為CO2直接進(jìn)行施肥。該系統(tǒng)完成了對(duì)天然氣、二氧化碳、熱能、電能的優(yōu)化調(diào)度使用，經(jīng)計(jì)算，14 hm2的玻璃溫室，冬季僅需1個(gè)2.5 MW的發(fā)電機(jī)基本即可滿足生產(chǎn)需求[38]。

2溫室能源管理系統(tǒng)組成

目前，針對(duì)整個(gè)溫室能源管理系統(tǒng)的研究較少，相對(duì)于溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)而言，溫室能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能更多，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，系統(tǒng)應(yīng)該包括監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、能源計(jì)量子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析子系統(tǒng)，甚至還包括環(huán)境控制系統(tǒng)。因此，完整意義上的溫室能源管理系統(tǒng)至少應(yīng)包括以下幾個(gè)功能模塊。

2.1人機(jī)交互模塊

用戶通過(guò)人機(jī)交互界面獲取溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和各項(xiàng)設(shè)備的能耗情況等信息，同時(shí)根據(jù)了解到的信息對(duì)溫室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，選定不同的控制模式等，用戶可以通過(guò)此模塊完成與溫室能源管理相關(guān)的所有設(shè)置。

2.2檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢測(cè)、設(shè)備檢測(cè)。環(huán)境檢測(cè)包括溫室內(nèi)溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境變量的檢測(cè)；設(shè)備檢測(cè)指溫室內(nèi)的用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)等的工作狀態(tài)檢測(cè)，既能源運(yùn)作狀態(tài)的檢測(cè)。

2.3分析評(píng)估模塊

此模塊為溫室能源管理系統(tǒng)的核心模塊，根據(jù)環(huán)境變量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、用戶設(shè)置參數(shù)等信息對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行分析評(píng)估，反映出溫室工作狀態(tài)，從而制定能源優(yōu)化調(diào)度策略，為溫室環(huán)境節(jié)能管理提供決策支持，最終達(dá)到溫室節(jié)能降耗的目的。

2.4控制模塊

此模塊根據(jù)分析評(píng)估模塊計(jì)算制定的優(yōu)化調(diào)度策略，對(duì)溫室內(nèi)使用水、電、熱、氣等能源的耗能設(shè)備進(jìn)行反饋優(yōu)化控制，直接完成溫室環(huán)境的精確調(diào)控。

整個(gè)溫室能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)解釋層、數(shù)據(jù)評(píng)估層、數(shù)據(jù)優(yōu)化層等部分。數(shù)據(jù)采集層包括溫濕度傳感器、光照度傳感器等對(duì)溫室環(huán)境變量的采集和流量計(jì)、智能電表等計(jì)量設(shè)備對(duì)溫室能源獲取量和消耗量的計(jì)量；數(shù)據(jù)傳輸層主要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)對(duì)各種不同通信協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成傳感器、計(jì)量設(shè)備等與主機(jī)的通信；數(shù)據(jù)解釋層包括數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；系統(tǒng)評(píng)估層主要體現(xiàn)在用戶終端的能耗分析、能源管理等軟件功能；節(jié)能優(yōu)化層包括系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、啟停優(yōu)化等，整個(gè)系統(tǒng)體系構(gòu)架見(jiàn)圖3。

[FK（W18][TPSJL3.tif][FK）]

3溫室能源管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

整個(gè)溫室能源管理體系中，檢測(cè)技術(shù)是進(jìn)行監(jiān)控和能源優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，能源優(yōu)化調(diào)度是核心，能源信息管理是系統(tǒng)的關(guān)鍵。與傳統(tǒng)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)相比，能源管理系統(tǒng)中檢測(cè)技術(shù)除環(huán)境變量采集外，增加了能源計(jì)量技術(shù)，即能源運(yùn)作狀態(tài)的檢測(cè)；信息管理與分析是能源管理的直接表現(xiàn)；能源優(yōu)化調(diào)度的重點(diǎn)為溫室節(jié)能策略的研究。

3.1檢測(cè)技術(shù)

與其他領(lǐng)域的能源管理系統(tǒng)相比，溫室環(huán)境下的能源管理系統(tǒng)需要檢測(cè)的變量范圍廣、精度要求高。除了要以各種傳感器如溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等精確檢測(cè)實(shí)時(shí)溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等環(huán)境變量外，重點(diǎn)還要準(zhǔn)確檢測(cè)出水、電、熱、氣等各種能源的消耗量。在檢測(cè)能源消耗時(shí)，不僅要計(jì)量出各種能源消耗總量，還要具體細(xì)化到不同設(shè)備、不同時(shí)段的能源消耗。目前，能源計(jì)量主要依靠流量計(jì)、智能電表等計(jì)量設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.1流量計(jì)種類與性能

水和天然氣的計(jì)量主要依靠流量計(jì)量檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)量檢測(cè)技術(shù)主要采用孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)等?？装辶髁坑?jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但也有測(cè)量范圍窄、壓損大、前后直管段長(zhǎng)度較長(zhǎng)等缺點(diǎn)，對(duì)整套流量計(jì)的準(zhǔn)確度有較大影響，所以孔板流量計(jì)研究的重點(diǎn)一直集中在提高準(zhǔn)確度上[39]；渦輪流量計(jì)具有測(cè)量范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但是在對(duì)天然氣的計(jì)量檢測(cè)中，天然氣的流變特性和物性對(duì)渦輪流量計(jì)的性質(zhì)有很大影響，并且準(zhǔn)確度越高，影響越敏感。近幾年，渦輪流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：通過(guò)改變轉(zhuǎn)子的幾何形狀擴(kuò)大流量計(jì)的使用流量范圍；改善旋轉(zhuǎn)部件的耐磨性，以增加使用壽命；通過(guò)機(jī)載微處理器等電子元件隨時(shí)監(jiān)測(cè)流量計(jì)的使用情況[40]。超聲流量計(jì)是利用超聲波在流體中的傳播特性來(lái)測(cè)量流量，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在測(cè)量范圍寬、無(wú)壓損、可正反輸、無(wú)移動(dòng)部件、準(zhǔn)確度高、非接觸測(cè)量等方面。按測(cè)量方法的不同，超聲流量計(jì)可分為波束偏移法、互相關(guān)法、傳播速度差法、多普勒法等[41]。3種流量計(jì)性能見(jiàn)

3.1.2能源計(jì)量檢測(cè)

電能的檢測(cè)主要依靠智能電表來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電能計(jì)量檢測(cè)技術(shù)需要為每個(gè)檢測(cè)對(duì)象安裝計(jì)量?jī)x表，成本高、維護(hù)難，是一種侵入式的檢測(cè)方法。在電能消耗檢測(cè)方面，可以采用智能電網(wǎng)中的非侵入式檢測(cè)方法[42]。它最早由MIT的George Hart提出，用于居民樓負(fù)載監(jiān)測(cè)[43]。該方法通過(guò)分析負(fù)載的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特征來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的識(shí)別。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法只需在溫室中安裝少數(shù)傳感器檢測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的用電量，然后通過(guò)算法來(lái)確定補(bǔ)光燈、排風(fēng)扇、遮陽(yáng)簾等用電設(shè)備的工作狀態(tài)和用電量。根據(jù)智能電表在一段時(shí)間內(nèi)測(cè)量的用電功率實(shí)時(shí)曲線圖，可以采用基于“時(shí)間窗口”的方法以窗口期功率信號(hào)的邊沿特征、順序特征持續(xù)時(shí)間和變化趨勢(shì)為特征量，通過(guò)與特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征匹配來(lái)識(shí)別設(shè)備，從而將智能電表測(cè)量的總功耗分解到具體的用電負(fù)載[44]。非侵入式負(fù)載檢測(cè)方法中設(shè)備特征選取和識(shí)別算法設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，目前的算法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法、時(shí)間序列法、模糊聚類法、整數(shù)規(guī)劃法等[45-50]。非侵入式負(fù)載檢測(cè)雖然采用的儀表少且成本低、安裝維護(hù)容易，但對(duì)于工作模式復(fù)雜、能耗較小的設(shè)備進(jìn)行識(shí)別比較困難，并且隨著設(shè)備數(shù)量的增加，識(shí)別精度下降，具有不穩(wěn)定性。此外，使用的多數(shù)算法需要大量的訓(xùn)練和標(biāo)定過(guò)程[51]。

溫室熱能的計(jì)量檢測(cè)主要通過(guò)間接計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，如通過(guò)熱水管道上下行水溫和管道熱水流量即可計(jì)算所供熱能，此外，溫室內(nèi)相變儲(chǔ)熱材料的溫差、供熱風(fēng)機(jī)的功率等均可計(jì)算。整個(gè)溫室內(nèi)包括水、電、熱、氣，溫室計(jì)量檢測(cè)見(jiàn)表3。[FL）]

3.2信息管理與分析

通過(guò)對(duì)檢測(cè)到的信息進(jìn)行分析管理，從而為溫室生產(chǎn)提供管理決策支持，在這種溫室環(huán)境調(diào)控決策支持方面研究也取得了一定的進(jìn)展。王成等基于數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)建立了溫室決策支持系統(tǒng)[52]。Hu等將溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)與溫室環(huán)境決策模型相結(jié)合，基于數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了溫室環(huán)境管理專家系統(tǒng)[53]。Korner等開(kāi)發(fā)了溫室動(dòng)態(tài)控制決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)采集到的環(huán)境參數(shù)，并依據(jù)節(jié)能的要求選擇合理的溫室環(huán)境調(diào)控策略[54]。李萍萍等將溫室作物模型、優(yōu)化調(diào)控模型和環(huán)境模型結(jié)合，建立了溫室黃瓜栽培管理智能決策支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能決策調(diào)控[55]。王紀(jì)章等構(gòu)建了基于作物生長(zhǎng)環(huán)境控制成本的溫室環(huán)境調(diào)控決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)建立溫室環(huán)境調(diào)控的技術(shù)效果模型和成本模型組成相應(yīng)的模型庫(kù)[56]，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)外的環(huán)境信息、作物生長(zhǎng)信息和溫室調(diào)控設(shè)備狀態(tài)信息給出溫室環(huán)境調(diào)控實(shí)時(shí)最優(yōu)參數(shù)，初步具備了一定的溫室能源管理功能。

當(dāng)前能源管理系統(tǒng)在溫室領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少，因此管理決策支持系統(tǒng)所依據(jù)的信息也多為溫室生產(chǎn)的環(huán)境參數(shù)、作物生長(zhǎng)條件等，缺乏對(duì)溫室各調(diào)控設(shè)備的能源消耗、能源運(yùn)作等信息的管理分析。標(biāo)準(zhǔn)的溫室能源管理系統(tǒng)中，溫室各類能源信息應(yīng)為重點(diǎn)，對(duì)檢測(cè)到的能源使用信息首先要以計(jì)量的形式顯現(xiàn)，并且可以通過(guò)各種對(duì)比更加直觀形象地顯示出來(lái)；其次，采集到的有效信息可以隨時(shí)地在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)調(diào)用；再次，各類調(diào)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，即能源運(yùn)作狀態(tài)作為一定參數(shù)被應(yīng)用到溫室生產(chǎn)綜合能耗模型的建立，在管理決策支持系統(tǒng)中，與溫室環(huán)境參數(shù)共同作為重要參考進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度分析，從而完成最終的管理決策支持功能。

3.3優(yōu)化調(diào)度方面

能源投入規(guī)劃上，Reza等采用了線性規(guī)劃方法對(duì)溫室內(nèi)黃瓜和玉米生產(chǎn)進(jìn)行能源優(yōu)化，找出了最佳能源消耗模式[57-58]，線性規(guī)劃模型包括目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)是一個(gè)由決策變量反映的數(shù)學(xué)函數(shù)，用來(lái)表示效用的最大化，約束條件包括所有的限制性因素，由限制性決策變量來(lái)反映，整個(gè)過(guò)程通過(guò)WINQSB軟件完成模擬計(jì)算。Majid等通過(guò)柯布-道格拉斯函數(shù)建立了溫室生產(chǎn)的能源投入-產(chǎn)出模型，探討能源投入收益，找出高效的能源投入方案[59-61]。Habib等在討論雙孢菇能源投入產(chǎn)出模型時(shí)，采用了數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[62]。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法在處理多輸出-多輸入的有效性評(píng)價(jià)方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，它假定每個(gè)輸入都關(guān)聯(lián)到1個(gè)或多個(gè)輸出，且輸入輸出之間確實(shí)存在某種聯(lián)系，但又不必確定這種關(guān)系的顯示表達(dá)式，因此特別適用于環(huán)境復(fù)雜的溫室生產(chǎn)系統(tǒng)。鄒秋瀅為了解決溫室的節(jié)能降耗問(wèn)題，提出了以溫室運(yùn)作過(guò)程中能量損耗為目標(biāo)函數(shù)的模型預(yù)測(cè)控制算法，建立了包括加熱、通風(fēng)、噴霧等控制輸入在內(nèi)的溫室小氣候非線性半機(jī)理模型，用來(lái)預(yù)測(cè)輸出量的即刻值，并運(yùn)用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，從而確定最佳能源投入方案[63]。

具體工作策略上，依據(jù)溫室內(nèi)平均每日溫度達(dá)到最優(yōu)的原則，可采用動(dòng)態(tài)的溫度控制和晝/夜溫度設(shè)定。當(dāng)溫室內(nèi)的能量損耗因子（主要包括室外溫度和傳入太陽(yáng)輻射等）高時(shí)，可降低加熱設(shè)定值；當(dāng)溫室能量損耗因子低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高加熱設(shè)定點(diǎn)，這種動(dòng)態(tài)的溫度控制要優(yōu)于傳統(tǒng)的晝/夜溫度設(shè)定。美國(guó)大部分溫室所采用的晝/夜溫度模式是使晝夜溫度設(shè)定的差離值為正，即保證了溫室內(nèi)的平均溫度達(dá)到最優(yōu)[64]。[JP2]2種模式都需要經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算，對(duì)控制算法要求較高。荷蘭Priva公司采用的優(yōu)化調(diào)度方案為根據(jù)溫室內(nèi)的能源需求量和各個(gè)耗能設(shè)備的供給能力及工作效率，并且充分考慮設(shè)備工作的副產(chǎn)物（CO2），排出供應(yīng)源的工作優(yōu)先級(jí)，選擇最優(yōu)供應(yīng)源作為第一工作級(jí)，當(dāng)不能滿足溫室能源需求時(shí)再開(kāi)啟下一供應(yīng)源[65]。這樣就從整體上提高了溫室設(shè)備的工作效率，避免了能源浪費(fèi)。此外，Priva公司提出了面向作物本身為對(duì)象的控制策略，如溫室內(nèi)的溫濕度調(diào)節(jié)，其調(diào)控完全依據(jù)植株本身的生理需求，不再依據(jù)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，這種方法能夠更有效地減少能源浪費(fèi)，提高溫室的能源利用效率。[JP]

4存在問(wèn)題及發(fā)展方向

4.1存在問(wèn)題

相對(duì)于能源管理系統(tǒng)在智能樓宇、工廠企業(yè)等領(lǐng)域較為成熟的應(yīng)用，將能源管理系統(tǒng)應(yīng)用于溫室行業(yè)主要還存在以下問(wèn)題。

4.1.1成本問(wèn)題玻璃溫室、植物工廠等本身初期投入成本較高，因此溫室能源管理系統(tǒng)的成本問(wèn)題不容忽視，如何降低成本、減少智能溫室的初期投入，對(duì)其推廣普及至關(guān)重要。

4.1.2穩(wěn)定性問(wèn)題溫室環(huán)境復(fù)雜，其行業(yè)特殊性決定了檢測(cè)數(shù)據(jù)高精準(zhǔn)性、系統(tǒng)運(yùn)作高穩(wěn)定性、核心分析算法高優(yōu)化性的要求，目前各方面的技術(shù)水平仍有待加強(qiáng)。如通信技術(shù)，采用有線通信雖然傳輸速率快、穩(wěn)定性高，但布線復(fù)雜，成本較高。無(wú)線通信雖然使用方便，但穩(wěn)定性難以達(dá)到要求。

4.1.3信息管理與分析當(dāng)前的生產(chǎn)管理決策支持系統(tǒng)雖然具備了一定的節(jié)能作用，但缺乏溫室各類能耗信息的管理分析，通過(guò)各類模型和數(shù)據(jù)庫(kù)制定的溫室生產(chǎn)管理決策缺乏對(duì)溫室能源運(yùn)作狀態(tài)的參考，因此，溫室生產(chǎn)的節(jié)能降耗還有相當(dāng)大的提升空間。

4.1.4優(yōu)化調(diào)度算法目前，我國(guó)針對(duì)整個(gè)溫室能源管理系統(tǒng)的研究較少，相關(guān)研究?jī)H僅局限于其中一個(gè)子系統(tǒng)，目前缺乏比較成熟的優(yōu)化調(diào)度算法，并且各種溫室設(shè)備不同、能源需求不同，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如何解決溫室能源優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題，為溫室環(huán)境管理提供決策支持還有待進(jìn)一步研究。

4.1.5人機(jī)交互由于國(guó)外溫室規(guī)模較大，多為各種連棟溫室群，因此管理終端多采用PC平臺(tái)。相對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)小規(guī)模溫室而言，采用引進(jìn)的PC端控制相對(duì)復(fù)雜，靈活性低，使用不便，不符合移動(dòng)互聯(lián)、嵌入式系統(tǒng)發(fā)展需求，且需要與國(guó)內(nèi)不常用的溫室設(shè)備配套使用，擴(kuò)展性差、應(yīng)用面窄，人機(jī)交互性有待提高。

4.2發(fā)展方向

針對(duì)存在的問(wèn)題，溫室能源管理系統(tǒng)整體上要朝著低成本、高穩(wěn)定性、高人機(jī)交互性的方向發(fā)展。具體關(guān)鍵技術(shù)，高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度的新型流量計(jì)仍為流量檢測(cè)的主流；非侵入式檢測(cè)應(yīng)為用電能耗檢測(cè)的重要研究方向之一；低成本、高穩(wěn)定性的無(wú)線通信必然是通信技術(shù)的研究重點(diǎn)；包括溫室環(huán)境參數(shù)、設(shè)備能耗信息、作物生長(zhǎng)模型參數(shù)等在內(nèi)的各類數(shù)據(jù)的逐漸完善將不斷促進(jìn)溫室生產(chǎn)信息的綜合管理與分析；優(yōu)化調(diào)度上，隨著能源信息管理分析的完善，適用性強(qiáng)、高效的能源優(yōu)化調(diào)度算法仍需進(jìn)一步研究；隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，溫室能源管理系統(tǒng)也應(yīng)向著云技術(shù)靠攏，交互終端應(yīng)在已有PC端基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)展到嵌入式平臺(tái)，手機(jī)等便攜式設(shè)備應(yīng)成為人機(jī)交互的重要一環(huán)。

溫室能源管理系統(tǒng)是智能溫室發(fā)展的必然趨勢(shì)，已有研究表明，能源管理系統(tǒng)可以有效降低溫室內(nèi)的能源消耗，提高能源利用效率，減少溫室的生產(chǎn)成本。對(duì)溫室能源管理系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，應(yīng)致力于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)適用于我國(guó)溫室設(shè)備的能源管理系統(tǒng)通用體系，依據(jù)我國(guó)溫室環(huán)境具體情況建立精確能耗模型，研究適用于我國(guó)溫室環(huán)境的能源優(yōu)化調(diào)度決策，結(jié)合現(xiàn)有溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，解決存在問(wèn)題，將其合理運(yùn)用于智能溫室當(dāng)中，對(duì)我國(guó)溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

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