江淮地區(qū)設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控裝備關(guān)鍵技術(shù)研究分析與展望

王高　王川　葉見(jiàn)青　張瑾

摘要在介紹江淮地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)和設(shè)施園藝建設(shè)重要性的基礎(chǔ)上，分析了目前設(shè)施園藝調(diào)控的3大因素分別是溫度、通風(fēng)性和光照，總結(jié)環(huán)境調(diào)控裝備關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)其中難點(diǎn)提出建議和對(duì)策。通過(guò)對(duì)設(shè)施園藝調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)分析研究，進(jìn)一步提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)水平，提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。

關(guān)鍵詞江淮地區(qū)；設(shè)施園藝；調(diào)控裝備關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)S625文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）33-0221-02

Key Technology Research and Prospect of Environmental Regulation Equipment in Protected Horticulture in Jianghuai Area

WANG Gao1， WANG Chuan1*， YE Jianqing2 et al

（1. Agricultural Engineering Research Institute， Anhui Academy of Agricultural Sciences， Hefei， Anhui 230031； 2. Hefei Rizhifeng Agricultural Development Co.， Ltd.， Hefei， Anhui 230031）

AbstractBased on the characteristics and importance of horticultural facilities construction environment in Jianghuai Region， we analyzed the three factors of horticultural facilities， which were temperature， ventilation and illumination， and summarized the key technology of environment control equipment. According to the difficulties， suggestions and countermeasures were put forward. Through the analysis and research of key technologies of facility horticulture regulation， the construction level of facility agriculture was improved， the energy utilization ratio was enhanced， the production cost was reduced， and the modern agriculture development was promoted.

Key wordsJianghuai Area；Facilities horticulture；Key technologies of control equipment

江淮地區(qū)是北亞熱帶氣候區(qū)向南暖溫帶氣候區(qū)的過(guò)渡區(qū)，光照適宜，熱量豐富，降水偏少，雨熱同季。淮河以北的蔬菜設(shè)施栽培以日光溫室為主，南方地區(qū)由于早春多陰雨、少光照的緣故，不宜發(fā)展日光溫室。目前，蔬菜的栽培設(shè)施主要采用鋼架或竹木結(jié)構(gòu)的塑料棚，還有一些引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的大型連棟溫室或者是國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的連棟溫室[1-3]。江淮地區(qū)園藝設(shè)施應(yīng)以解決夏秋及冬春育苗、晚秋延遲栽培、早春提早栽培、夏季抗高溫、暴雨和加速繁殖等內(nèi)容為主。

設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控裝備3大環(huán)境因素包括溫度、通風(fēng)性、光照。目前智能化玻璃溫室建設(shè)中存在安裝復(fù)雜、成本高、保溫與通風(fēng)不能同時(shí)保證、保溫性差、光照不足等問(wèn)題。通過(guò)解決對(duì)光照、通風(fēng)性和溫度控制或優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)一步提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的建設(shè)水平和內(nèi)部環(huán)境的優(yōu)化調(diào)控水平，促進(jìn)溫室建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化及對(duì)能源利用的多元化，提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本，帶動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)水平的進(jìn)一步提高，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)意義。

1設(shè)施園藝國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

隨著我國(guó)設(shè)施園藝業(yè)的迅猛發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)科技工作者在棚室小氣候特征及其調(diào)控方面做了很多研究。

賀芳芳等[4]基于上海地區(qū)荷蘭玻璃溫室作物層小氣候，分析秋季、冬季、春末夏初的三個(gè)季節(jié)中，在晴天和陰天的溫室溫度和濕度的水平、垂直分布及日變化，黃瓜植物層總輻射的分布特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)引入的荷蘭玻璃溫室內(nèi)形成了一些特殊的濕度高和溫差大的小氣候，引發(fā)一系列的疾病等問(wèn)題，導(dǎo)致產(chǎn)量和蔬菜質(zhì)量之間存在差距。

顧寄南、毛罕平等[5-6]分別在“溫室系統(tǒng)綜合動(dòng)態(tài)模型的研究”和“溫室環(huán)境智能化控制數(shù)學(xué)模型的研究”中提出了一種新的溫室環(huán)境智能控制的建模思路和方法，建立了溫度、光照和濕度控制模型，并在一個(gè)大的系統(tǒng)環(huán)境控制和經(jīng)濟(jì)分析對(duì)溫室作物生長(zhǎng)的研究，根據(jù)光合速率、環(huán)境控制和成本控制3者之間的關(guān)系模型構(gòu)建溫室綜合動(dòng)態(tài)模型。

李萍萍、毛罕平等[7-9]在“溫室環(huán)境控制系統(tǒng)及技術(shù)效果分析”、“智能溫室綜合環(huán)境子控制的技術(shù)效果及合理的環(huán)境參數(shù)研究”和“溫室小氣候要素的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制效果分析”中對(duì)自行研制的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示溫度、濕度、光照、營(yíng)養(yǎng)液和二氧化碳等各個(gè)環(huán)境因子控制的技術(shù)效果良好，基本達(dá)到預(yù)期的目的，并明確了各環(huán)境參數(shù)的合理控制范圍。

對(duì)于冬季保溫，秸稈和紙的使用較早，大棚塑料薄膜覆蓋本身灰塵污染比較嚴(yán)重，造成透明度不夠，且冬季和春季日照較少，容易造成作物缺光。鑒于上述原因，需要采取措施人工補(bǔ)光。在有些地方，用白熾燈或高壓鈉燈照明，有的使用一些懸掛反射膜來(lái)改善光照不足的問(wèn)題。

棚室內(nèi)各種環(huán)境條件互相影響、互相制約，必須進(jìn)行綜合調(diào)控，才能較好發(fā)揮棚室的作用。目前在環(huán)境控制方面，我國(guó)已引進(jìn)或自行設(shè)計(jì)出了各種相關(guān)設(shè)施。如胖龍公司引進(jìn)美國(guó)專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)的保利通風(fēng)窗，具有保溫和通風(fēng)雙重功能。

在國(guó)外，日本已開(kāi)始研究利用太陽(yáng)能及其存儲(chǔ)技術(shù)，進(jìn)一步降低了溫室的運(yùn)行費(fèi)用。在新型的日光溫室中，供暖、通風(fēng)、噴灌等設(shè)施消耗的能源均可來(lái)自太陽(yáng)能。荷蘭、日本的一些大型溫室中已開(kāi)始應(yīng)用機(jī)器人作業(yè)[10-13]。

2江淮地區(qū)設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控裝備關(guān)鍵技術(shù)分析

設(shè)施園藝是一種高投入、高耗能、高效益的三高產(chǎn)業(yè)。目前的智能玻璃溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在著生產(chǎn)安裝較為復(fù)雜、成本高、冬季保溫與通風(fēng)不能同時(shí)保證、保溫性差、光照不足等缺點(diǎn)?？蒲腥藛T為解決江淮地區(qū)設(shè)施園藝設(shè)施溫室產(chǎn)業(yè)面臨問(wèn)題，主要從如下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究分析。

2.1減反射玻璃技術(shù)的研究

減反射玻璃（antireflective glass）是指玻璃表面的一面或兩側(cè)，經(jīng)過(guò)特殊的鍍膜處理，透光率超過(guò)80%，反射率小于3%的玻璃[14]。它具有對(duì)光線近程高透光、遠(yuǎn)程反射慢等特點(diǎn)。在溫室中，鋼結(jié)構(gòu)屋面投影，造成溫室遮蔭面積大的問(wèn)題。在溫室研究和應(yīng)用減反射玻璃技術(shù)，通過(guò)蝕刻多孔硅結(jié)構(gòu)在玻璃表面形成的技術(shù)，改變玻璃表面的透過(guò)率和反射率等光學(xué)性能，從而緩解溫室中遮光區(qū)域的影響。

2.2溫室主動(dòng)采光蓄熱技術(shù)的研究

針對(duì)目前玻璃溫室無(wú)法形成熱交換循環(huán)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電峰值階段的富裕能量運(yùn)轉(zhuǎn)溫室建筑的配套高效儲(chǔ)能設(shè)備的研究，將溫室建筑的富裕能量進(jìn)行有效的存儲(chǔ)和釋放，平衡溫室熱量供應(yīng)，提高溫室建筑的綜合性能。通過(guò)人工地調(diào)節(jié)日光溫室采光屋面角度提高進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射，通過(guò)人工調(diào)控風(fēng)機(jī)系統(tǒng)增加后墻的蓄熱量[15]。

2.3中空式鋁合金天溝的研究[16]

針對(duì)目前玻璃溫室天溝材料自身重量重、抗彎能力差、耐腐蝕性差、保溫性差、綜合成本高等問(wèn)題，研究玻璃溫室抗壓能力及保溫性能，改進(jìn)材料制作工藝，運(yùn)用中空鋁合金材料替代原鋼制天溝材料。解決了傳統(tǒng)玻璃或陽(yáng)光板溫室天溝處密封不嚴(yán)、雨水滲漏的難題，將傳統(tǒng)的接露槽與雨水天溝合二為一，并通過(guò)中空截面增加天溝強(qiáng)度，減小天溝寬度，提高溫室采光面積。

2.4溫室風(fēng)壓系數(shù)和流量系數(shù)耦合模型的研究[17]

針對(duì)溫室調(diào)節(jié)環(huán)境重要因素—通風(fēng)方式，開(kāi)展溫室風(fēng)壓系數(shù)和流量系數(shù)耦合模型的研究，通過(guò)對(duì)風(fēng)壓系數(shù)、流量系數(shù)分布和變化規(guī)律的分析與試驗(yàn)，探討玻璃溫室通風(fēng)規(guī)律與通風(fēng)方式關(guān)系，為通風(fēng)調(diào)節(jié)提供理論依據(jù)。

2.5LED智能補(bǔ)光技術(shù)的研究[18]

針對(duì)人工補(bǔ)光投入以實(shí)際增收之間的投入產(chǎn)出比例較低的問(wèn)題，研究作物生長(zhǎng)所需有效光譜，建立光譜模型。以LED為補(bǔ)光光源，根據(jù)不同光譜模型，智能調(diào)節(jié)其內(nèi)部光照環(huán)境?，F(xiàn)有LED補(bǔ)光系統(tǒng)在環(huán)境適宜性監(jiān)測(cè)、光源控制和植物不同階段需光量差異性考慮不足，造成紅藍(lán)光補(bǔ)光不足和補(bǔ)光過(guò)度并存。針對(duì)以上問(wèn)題提出了一種設(shè)施農(nóng)業(yè)智能補(bǔ)光系統(tǒng)，支持定義植物不同生長(zhǎng)階段的需光量。

擬優(yōu)化溫室透光材料，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能光伏溫室主動(dòng)蓄放熱結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，改進(jìn)溫室抗壓保溫工藝，構(gòu)建溫室風(fēng)壓系數(shù)與流量系數(shù)耦合模型，提升通風(fēng)技術(shù)，研發(fā)新能源補(bǔ)光裝置與應(yīng)用技術(shù)，最終集成設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控智能化系統(tǒng)。

3設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展建議和對(duì)策

前人主要通過(guò)溫度、通風(fēng)性和光照等幾個(gè)因素展開(kāi)對(duì)設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控機(jī)制中關(guān)鍵技術(shù)的研究，但大部分研究還處在實(shí)驗(yàn)階段，需進(jìn)一步深入研究并因地適宜地將這些關(guān)鍵技術(shù)運(yùn)用到江淮地區(qū)設(shè)施園藝的建設(shè)當(dāng)中。

3.1確定玻璃溫室環(huán)境調(diào)控裝備研發(fā)重點(diǎn)研究任務(wù)

研究調(diào)研相關(guān)理論依據(jù)，圍繞現(xiàn)有玻璃溫室建設(shè)發(fā)展政策，針對(duì)現(xiàn)存玻璃溫室環(huán)境調(diào)控的主要問(wèn)題，確定研究方向與領(lǐng)域。

3.2玻璃溫室材料與工藝的改進(jìn)

運(yùn)用溶液刻蝕技術(shù)在智能溫室玻璃表面形成多孔二氧化硅結(jié)構(gòu)，降低玻璃表面的太陽(yáng)光反射率，提高玻璃透過(guò)率，減少遮光面積；運(yùn)用鋁合金材質(zhì)，采用中空結(jié)構(gòu)，優(yōu)化改進(jìn)原鋼制天溝，提高玻璃溫室承重能力，減少溫室熱量流失。

3.3建立溫室主動(dòng)集能補(bǔ)溫體系

通過(guò)改進(jìn)溫室設(shè)計(jì)方法，將溫室結(jié)構(gòu)與蓄熱補(bǔ)溫功能進(jìn)行分離；利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電相配套的溫室建筑儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)與智能儲(chǔ)放電構(gòu)造低耗能的溫室儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)和用電規(guī)律，設(shè)計(jì)配備低能耗儲(chǔ)能設(shè)備，使得光伏溫室的峰值富裕發(fā)電量將熱能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)中，并能夠再自然放熱或用低能耗設(shè)備將熱能釋放到溫室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控。

3.4建立溫室通風(fēng)調(diào)節(jié)控制體系

通過(guò)大量分析與實(shí)驗(yàn)，建立溫室特有的風(fēng)壓系數(shù)和流量系數(shù)分布和變化規(guī)律資料，準(zhǔn)確計(jì)算溫室自然通風(fēng)量，構(gòu)建自然通風(fēng)下溫室熱環(huán)境的耦合模型，預(yù)測(cè)溫室空氣溫度的時(shí)空分布規(guī)律，形成有效的溫室通風(fēng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)。

3.5建立溫室智能光譜補(bǔ)光體系

針對(duì)不同作物生長(zhǎng)所需光譜，建立光譜模型，設(shè)計(jì)優(yōu)化LED智能光譜溫室，完善其內(nèi)部光照環(huán)境的精準(zhǔn)高效調(diào)控，從而形成一套完整的LED智能補(bǔ)光體系，并配備自動(dòng)化控制設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)玻璃溫室的智能高效補(bǔ)光。

3.6產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)

集成玻璃溫室材料與工藝的改進(jìn)、溫室主動(dòng)集能補(bǔ)溫體系、溫室通風(fēng)調(diào)節(jié)控制體系、溫室智能光譜補(bǔ)光體系，實(shí)現(xiàn)設(shè)施園藝環(huán)境下可調(diào)控的智能玻璃溫室產(chǎn)業(yè)化，擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模，示范推廣集成技術(shù)。

4小結(jié)

以新材料、新技術(shù)、新工藝在溫室中的應(yīng)用和優(yōu)化為目標(biāo)，探索和研究江淮地區(qū)設(shè)施園藝環(huán)境調(diào)控裝備的關(guān)鍵技術(shù)，使光照、溫度、濕度等資源得到合理的配置和利用。應(yīng)用高科技，設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)化前景廣闊。但溫室環(huán)境及其對(duì)作物生長(zhǎng)影響的研究是十分復(fù)雜的，而且需要考慮大量的不確定因素。筆者總結(jié)了前人在江淮地區(qū)園藝設(shè)施栽培進(jìn)展，僅是一些初步的探索性工作，存在許多亟待改進(jìn)的地方，還有待進(jìn)一步深入研究。

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