本文摘要：半封閉溫室是近年來在我國興起并大規(guī)模建設(shè)的一種新型溫室建筑與環(huán)境調(diào)控模式，具有氣流輸送距離長、室內(nèi)環(huán)境周年可調(diào)控的特點(diǎn)，非常適用于設(shè)施園藝大規(guī)模連片建設(shè)和周年生產(chǎn)。但由于對其研究時(shí)間短，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足，半封閉溫室工程設(shè)計(jì)還未形成通用設(shè)計(jì)方法
半封閉溫室是近年來在我國興起并大規(guī)模建設(shè)的一種新型溫室建筑與環(huán)境調(diào)控模式，具有氣流輸送距離長、室內(nèi)環(huán)境周年可調(diào)控的特點(diǎn)，非常適用于設(shè)施園藝大規(guī)模連片建設(shè)和周年生產(chǎn)。但由于對其研究時(shí)間短，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不足，半封閉溫室工程設(shè)計(jì)還未形成通用設(shè)計(jì)方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文在介紹半封閉溫室工作原理與特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)建設(shè)的半封閉溫室氣候室的結(jié)構(gòu)形式及其加溫、降溫、CO2配送等環(huán)境調(diào)控設(shè)備的設(shè)置方法進(jìn)行了綜述分析，可供類似工程設(shè)計(jì)參考。
現(xiàn)代化的大型連棟玻璃溫室在我國改革開放以來至少經(jīng)歷了3次發(fā)展高潮。改革開放初期的20世紀(jì)80年代前后，從保加利亞、羅馬尼亞以及日本等國引進(jìn)建設(shè)的大面積連棟玻璃溫室，由于冬季加溫能耗大、夏季降溫困難、運(yùn)行成本高等原因，幾乎以全面失敗而告終(周長吉和馮廣和，2000)。
進(jìn)入21世紀(jì)的2000年前后，從荷蘭、西班牙等國引進(jìn)的大面積連棟玻璃溫室以科技示范為立足點(diǎn)，雖然在生產(chǎn)中由于效益差而沒有得到大面積推廣，但確實(shí)帶動了我國溫室制造業(yè)的發(fā)展，使我國溫室主體結(jié)構(gòu)以及遮陽保溫幕、風(fēng)機(jī)濕簾等溫室配套設(shè)備躋身世界市場，這一階段由于對作物的基礎(chǔ)研究不足，溫室的環(huán)境控制技術(shù)還主要依靠荷蘭、以色列等國進(jìn)行配套;在“十三五”以來的第三次大面積玻璃溫室的發(fā)展中，主要從荷蘭引進(jìn)技術(shù)，而且通過金融資本和上市企業(yè)的介入，大規(guī)模溫室建設(shè)已經(jīng)步入了市場化運(yùn)行的范疇。
溫室論文范例： 臨洮縣日光溫室三茬菜瓜栽培技術(shù)
尤其是在國家耕地政策限制越來越嚴(yán)格、人們對消費(fèi)品品質(zhì)要求越來越高的新發(fā)展時(shí)期，連棟玻璃溫室建設(shè)的規(guī)模越來越大，管理的智能化、精細(xì)化和現(xiàn)代化水平越來越高，并且伴隨產(chǎn)量的提升和銷售模式的改變，蔬菜種植的效益也開始初現(xiàn)(李新旭等，2018)。
未來大規(guī)模連棟玻璃溫室在我國還會有更大的發(fā)展空間。每一次大規(guī)模連棟溫室的發(fā)展都能給業(yè)界帶來新的機(jī)會和思考，同時(shí)也帶動了行業(yè)的科技進(jìn)步和裝備革新。半封閉溫室是在荷蘭國內(nèi)全封閉溫室研究失敗后，由Certhon溫室制造公司將其SuprimAir環(huán)境調(diào)控技術(shù)結(jié)合荷蘭文洛型溫室結(jié)構(gòu)提出的一種新型溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。我國從2015年前后從荷蘭學(xué)習(xí)引進(jìn)，并進(jìn)行種植試驗(yàn)(程智慧和仲麗潔，2013;丁小濤等，2016，2018)和國產(chǎn)化工程設(shè)計(jì)與性能測定(周增產(chǎn)等，2018，2019)。截至2020年底，我國全套引進(jìn)以及國產(chǎn)化設(shè)計(jì)的半封閉溫室建設(shè)面積已逾百公頃。本文就這種新型溫室的工作原理及其在工程實(shí)踐中的各種創(chuàng)新進(jìn)行總結(jié)分析，可供工程設(shè)計(jì)參考和進(jìn)一步研究應(yīng)用。
1 半封閉溫室的工作原理與特點(diǎn)
傳統(tǒng)的荷蘭標(biāo)準(zhǔn)文洛型玻璃溫室墻面不開窗，屋頂不配遮陽網(wǎng)，僅設(shè)屋面交錯(cuò)開窗。我國引進(jìn)該類型溫室后，除了冬季的加溫能耗巨高外，夏季降溫困難更是其難以推廣的一個(gè)主要技術(shù)障礙。雖然 在國產(chǎn)化的進(jìn)程中有的采用了屋頂遮陽網(wǎng)和屋脊雙側(cè)的連續(xù)通風(fēng)窗，使溫室開窗面積與地面面積之比由交錯(cuò)開窗的不足30%提高到60%以上，但僅靠遮陽和屋面開窗的自然通風(fēng)遠(yuǎn)達(dá)不到溫室周年運(yùn)行通風(fēng)降溫的需要。
所以，我國建設(shè)的連棟玻璃溫室大都配套濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)，尤其在北方干熱氣候條件下，配合屋頂遮陽，可徹底解決溫室夏季運(yùn)行降溫的問題。但配套濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的溫室，從濕簾側(cè)到風(fēng)機(jī)側(cè)室內(nèi)溫差較大。風(fēng)機(jī)與濕簾之間的距離一般要求控制在50m以內(nèi)，這就大大限制了連棟溫室連片建設(shè)的規(guī)模，造成了土地資源的浪費(fèi)、建設(shè)成本的增加以及冬季加溫能耗的攀升。為了提高溫室建設(shè)的土地利用率，目前我國連棟玻璃溫室建設(shè)的最小規(guī)模均在3hm2以上，最大的連片建設(shè)規(guī)模已達(dá)到20hm2，基本建設(shè)單元為5～7hm2。
建設(shè)這種規(guī)模的溫室，依靠傳統(tǒng)的屋面開窗自然通風(fēng)系統(tǒng)很難滿足其夏季降溫的需要，風(fēng)機(jī)濕簾負(fù)壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)由于風(fēng)機(jī)和濕簾之間的距離過長，難以有效運(yùn)行，且噴霧降溫系統(tǒng)由于室內(nèi)濕度高，引發(fā)病害的風(fēng)險(xiǎn)高，生產(chǎn)管理者難以精準(zhǔn)調(diào)控，由此催生了一種正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)的應(yīng)用。所謂正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)，就是用送風(fēng)風(fēng)機(jī)將經(jīng)過濕簾或其他冷源降溫的濕冷或干冷空氣吹送到溫室內(nèi)，在送風(fēng)風(fēng)機(jī)的壓力作用下，溫室室內(nèi)的空氣壓力始終高于室外，在室內(nèi)外空氣壓差的作用下將室內(nèi)高溫空氣排到室外，從而達(dá)到通風(fēng)換氣和降溫的作用。傳統(tǒng)的負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)使用的風(fēng)機(jī)為低壓大流量軸流風(fēng)機(jī)，這種風(fēng)機(jī)流量大，但壓力小，只能用于負(fù)壓排風(fēng)而不能用于正壓送風(fēng)。
用于正壓送風(fēng)的風(fēng)機(jī)必須是流量適宜且壓力高的離心風(fēng)機(jī)，配套送風(fēng)風(fēng)管可將進(jìn)風(fēng)口的新風(fēng)送到100m以外的地方，由此滿足了溫室大規(guī)模連片建設(shè)的需求。正壓送風(fēng)系統(tǒng)不僅適用于溫室夏季的降溫，而且也適用于溫室冬季的加溫以及除濕和CO2的配送。將加溫、降溫、除濕以及CO2配送等多種功能的設(shè)備集合在一起，即形成一個(gè)設(shè)置在正壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)之前的空氣混合調(diào)節(jié)室，簡稱氣候室。夏季降溫期間，打開氣候室的濕簾降溫系統(tǒng)和溫室屋面通風(fēng)窗，正壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)從濕簾的出風(fēng)側(cè)將經(jīng)過濕簾降溫的濕冷空氣加壓后，通過設(shè)置在種植床架下部的均勻送風(fēng)管道，從作物的根區(qū)吹送到作物冠層，氣流在自下而上的運(yùn)動中將溫室上部空間的熱空氣通過屋面通風(fēng)窗擠壓出室外。
冬季加溫期間，關(guān)閉濕簾降溫系統(tǒng)和屋面通風(fēng)窗，開啟加溫系統(tǒng)和CO2配送系統(tǒng)，正壓送風(fēng)風(fēng)機(jī)將混合有CO2的干熱空氣源源不斷輸送到種植床架下部的均勻送風(fēng)管道，熱風(fēng)通過作物根區(qū)再經(jīng)過作物冠層和溫室上部空間降溫后，回送到氣候室重新加熱，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣封閉循環(huán)運(yùn)動且高效節(jié)能。
夏季降溫期間，正壓送風(fēng)系統(tǒng)從室外引進(jìn)新鮮空氣，經(jīng)過氣候室降溫送入溫室并最終從溫室屋面通風(fēng)窗排出，形成室內(nèi)外空氣交換的開放系統(tǒng);冬季溫室加溫期間，溫室屋面通風(fēng)窗和濕簾進(jìn)風(fēng)口完全關(guān)閉，氣候室和溫室室內(nèi)形成空氣內(nèi)循環(huán)，溫室內(nèi)空氣處于封閉循環(huán)系統(tǒng)。這種夏季開放、冬季封閉的溫室空氣循環(huán)系統(tǒng)即稱為半封閉系統(tǒng)。
在氣候適宜的季節(jié)也可以同時(shí)關(guān)閉加溫和降溫系統(tǒng)，只按封閉內(nèi)循環(huán)狀態(tài)運(yùn)行配送CO2，可顯著提高溫室內(nèi)CO2濃度，從而有效提高溫室內(nèi)種植作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。半封閉系統(tǒng)除夏季降溫外，溫室運(yùn)行的大部分時(shí)間屋面窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)，由此可最大限度減少室外空氣進(jìn)入溫室室內(nèi)，從而降低溫室由于空氣交換產(chǎn)生的能量和CO2損失;此外，溫室內(nèi)的空氣由于采用自下向上的送風(fēng)系統(tǒng)，可以通過果菜作物內(nèi)部葉面，加速空氣流動，提升作物葉面的蒸騰作用與光合作用能力;由于空氣由下向上流動，也能顯著減少由于太陽輻射作用而造成的溫室沿高度方向的溫度梯度，從而保證了生產(chǎn)作物整體的生長環(huán)境相對一致且穩(wěn)定;由于系統(tǒng)運(yùn)行溫室內(nèi)始終處于正壓狀態(tài)，從而也有效避免了負(fù)壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)引入病蟲害的風(fēng)險(xiǎn)。
與傳統(tǒng)的文洛型溫室相比，半封閉溫室結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，但屋面開窗的面積可以更小，氣候室的存在使溫室北部的保溫得到進(jìn)一步加強(qiáng)，溫室的整體保溫性能更好。此外由于配套了溫室降溫系統(tǒng)，溫室可以實(shí)現(xiàn)越夏安全生產(chǎn)，延長夏季生產(chǎn)周期1～2個(gè)月。半封閉溫室與傳統(tǒng)文洛型溫室相比，建設(shè)成本增加值僅在5%以內(nèi)，卻可顯著提高溫室的利用率，從而降低溫室的折舊成本，以及提高溫室作物的生產(chǎn)量。
2 半封閉溫室的結(jié)構(gòu)與設(shè)備組成
與傳統(tǒng)的文洛型溫室相比，半封閉溫室就是在其一側(cè)墻面(一般在北側(cè))增設(shè)了沿該墻面通長的氣候室。該氣候室與溫室間形成相對隔離的空間，在氣候室的外墻側(cè)安裝濕簾，內(nèi)墻(與溫室的隔斷墻)側(cè)安裝送風(fēng)風(fēng)機(jī)，頂部設(shè)置與溫室相連通的可啟閉的通風(fēng)口。調(diào)節(jié)氣候室內(nèi)空氣環(huán)境的加溫、降溫、除濕以及CO2配送的設(shè)備和方式，不同的工程有不同的做法，由此也形成了不同的氣候室形式與結(jié)構(gòu)。
2.1 氣候室的形式與結(jié)構(gòu)
氣候室的功能是在相對封閉的空間內(nèi)形成溫室降溫、加溫等環(huán)境調(diào)節(jié)所要求的均勻、穩(wěn)定的混合氣體，并將其輸送到溫室內(nèi)。氣候室既是混合空氣的調(diào)節(jié)室，也是產(chǎn)生混合空氣的設(shè)備房。由此，不同的設(shè)備配置方案決定了氣候室的形式與結(jié)構(gòu)。
①以濕簾為降溫設(shè)備的氣候室。濕簾在溫室降溫系統(tǒng)中的布置形式有兩種：一種是安裝在溫室的外側(cè)墻面上，另一種是安裝在獨(dú)立的濕簾箱的箱體上。對于冬季比較寒冷的地區(qū)，為了增強(qiáng)溫室的保溫，在溫室外墻外側(cè)還可增設(shè)緩沖走廊，濕簾仍設(shè)置在溫室的外墻上，但需要在走廊外墻上設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，以保證濕簾運(yùn)行中能直接引入室外新鮮空氣。為了保證濕簾在非運(yùn)行期間進(jìn)風(fēng)口的密封性，濕簾的外側(cè)應(yīng)安裝可開閉的通風(fēng)窗，濕簾運(yùn)行期間開啟，濕簾停運(yùn)期間關(guān)閉。
為了減小走廊面積以節(jié)約用地，一般濕簾窗多采用上下啟閉的提拉窗，而走廊墻面的進(jìn)風(fēng)口則采用更廉價(jià)的卷膜通風(fēng)窗。采用墻面安裝濕簾時(shí)，一般濕簾安裝在溫室的北側(cè)墻面，以減小氣候室對室內(nèi)作物采光的影響。 為了將濕簾降溫后的濕冷空氣引入氣候室，一般在濕簾與溫室作物生長區(qū)之間設(shè)置隔斷墻，隔斷墻要與濕簾有一定距離，高度應(yīng)高于種植作物的冠層50cm以上。
隔斷墻頂部與濕簾上部溫室墻體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置氣流內(nèi)循環(huán)的可啟閉通風(fēng)口，由此形成濕簾墻、隔斷墻和通氣口屋面組成的多開口且又能相對封閉的氣候室。內(nèi)循環(huán)通風(fēng)口屋面可以是水平設(shè)置的平頂屋面(周長吉，2020)，也可以是通風(fēng)口傾斜的折線形屋面，還可以是完全開口的敞口屋面。
對于敞口屋面氣候室，為了能有效控制濕簾進(jìn)風(fēng)和室內(nèi)回風(fēng)的風(fēng)口啟閉，設(shè)計(jì)者巧妙地用濕簾通風(fēng)口蓋板兼作氣候室屋頂通風(fēng)口的窗扇，也就是將傳統(tǒng)的濕簾外側(cè)窗改為了濕簾內(nèi)側(cè)窗。當(dāng)蓋板扣蓋濕簾進(jìn)風(fēng)口時(shí)，自然就將氣候室屋面打開;而當(dāng)打開濕簾進(jìn)風(fēng)口時(shí)，蓋板正好可以用來封閉氣候室的屋面。相比需要在濕簾進(jìn)風(fēng)口和氣候室屋面分別設(shè)置窗扇的固定屋面氣候室，這種設(shè)計(jì)只用了1套開窗系統(tǒng)兼顧完成了2項(xiàng)任務(wù)，是一種比較經(jīng)濟(jì)和優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。
用濕簾箱降溫的氣候室，和墻面安裝濕簾的氣候室一樣，都結(jié)合了加溫和CO2配送的功能，但整棟溫室的氣候室是由若干獨(dú)立的氣候箱組成，一般每跨溫室配置一組氣候箱。氣候箱可以全部置于溫室室外，也可以在溫室內(nèi)建設(shè)一個(gè)更大空間的氣候室，將氣候箱和其他環(huán)境調(diào)控設(shè)備全部布置其中;在溫室的外墻開設(shè)通風(fēng)窗作為氣候室/氣候箱新風(fēng)的引入口，在氣候室與溫室相連的隔墻上開設(shè)通風(fēng)窗用作氣候室/氣候箱空氣內(nèi)循環(huán)的進(jìn)風(fēng)口。
相比濕簾安裝在溫室墻面上的氣候室，氣候箱式氣候室占地面積大，設(shè)備投資較高，單臺設(shè)備故障會影響一跨溫室內(nèi)作物的供氣，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)也較高。②以熱泵和制冷機(jī)調(diào)節(jié)空氣溫度的氣候室。當(dāng)溫室的熱源和冷源不是采用鍋爐和濕簾，而是采用地源熱泵或制冷機(jī)時(shí)，由于取消了墻面濕簾，大大簡化了氣候室的結(jié)構(gòu)，使原來的大空間氣候室演變成以管道為單元的氣流混合與輸送管。
這種結(jié)構(gòu)將室外新風(fēng)、室內(nèi)回風(fēng)以及加溫、降溫、CO2配送等功能全部集中配套在1根送氣管道上(丁小濤等，2016，2018)，用一塊導(dǎo)流板或其他的風(fēng)口控制閥來控制新風(fēng)和回風(fēng)進(jìn)入主管，主管上連接空氣過濾器、冷熱交換器及CO2配送管等，在風(fēng)管與溫室內(nèi)作物栽培架下的均勻送風(fēng)管道連接處安裝送風(fēng)風(fēng)機(jī)。其中冷熱交換器可以是分體式串聯(lián)或并聯(lián)連接，也可以是一體化集成設(shè)備。當(dāng)需要降溫時(shí)停止供熱，而需要加溫時(shí)則停止供冷。無論是降溫、加溫期間還是CO2配送期間，溫室的屋面窗戶和新風(fēng)口都應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，以節(jié)約能源。
只有當(dāng)室外氣溫適宜，溫室不需要強(qiáng)制加溫和降溫時(shí)，方可關(guān)閉室內(nèi)回流口，打開室外新風(fēng)口和屋面通風(fēng)窗，依靠室外的自然環(huán)境進(jìn)行溫室的自然通風(fēng)、降溫并補(bǔ)充CO2。這種結(jié)構(gòu)完全取消了濕簾降溫系統(tǒng)的氣候室建筑結(jié)構(gòu)，大大節(jié)省了溫室建筑空間，增加了溫室有效種植面積，提高了溫室建設(shè)的土地利用率。但由于溫室運(yùn)行的加溫、降溫都需要開啟熱泵或制冷機(jī)，電能消耗量較大，也直接影響了溫室的生產(chǎn)效益。具體設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)建設(shè)地區(qū)的氣候條件和溫室生產(chǎn)作物對環(huán)境的要求綜合分析，統(tǒng)籌核算，以經(jīng)濟(jì)效益為中心，合理選擇氣候室的結(jié)構(gòu)形式。
2.2 氣候室設(shè)備配置
調(diào)節(jié)氣候室空氣環(huán)境的設(shè)備主要包括加溫設(shè)備、降溫設(shè)備和CO2配送設(shè)備，更加精細(xì)的環(huán)境控制還包括除濕設(shè)備。將氣候室調(diào)節(jié)混合后的空調(diào)氣體輸送到溫室內(nèi)作物生長區(qū)域，還需要配套送風(fēng)風(fēng)機(jī)和均勻送風(fēng)管道。其中降溫設(shè)備主要有濕簾和制冷機(jī)組及配套的冷交換器，其布置形式見2.1。
①加溫設(shè)備。加溫設(shè)備是提高送風(fēng)溫度的熱源。加熱設(shè)備的熱量可以是來自鍋爐或其他換熱設(shè)備的熱水或蒸汽，也可以是直接用電對空氣進(jìn)行加溫后的熱風(fēng)。提高送風(fēng)管內(nèi)空氣溫度的方法有兩種：一種是對氣候室內(nèi)空氣進(jìn)行整體加溫，風(fēng)機(jī)從氣候室內(nèi)抽取熱空氣送入作物區(qū)的均勻送風(fēng)管道;另一種是在送風(fēng)風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口前對吸入風(fēng)機(jī)的空氣進(jìn)行局部加溫。
氣候室內(nèi)空氣整體加溫的方法主要是在氣候室內(nèi)均勻布置光管散熱器和圓翼散熱器，或布置其中一種，向其供應(yīng)熱水或蒸汽即可。對于送風(fēng)風(fēng)機(jī)前空氣局部加溫的方式，可同樣采用熱水或蒸汽，用供回水主管將熱水或蒸汽輸送到每個(gè)送風(fēng)風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)口增設(shè)換熱盤管，在氣流進(jìn)入風(fēng)機(jī)的過程中與換熱盤管進(jìn)行熱量交換，從而提高空氣溫度。同理，在風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口前加設(shè)電加熱絲替代換熱盤管，即可實(shí)現(xiàn)用電直接加熱空氣的目的。
對于吊架高度小于送風(fēng)管主管直徑的種植模式，送風(fēng)管不能直接設(shè)置在吊架下部時(shí)，也可以將主送風(fēng)管埋設(shè)在地下，并用支管將主管氣流引出地面，采用支管射流的方式將主管氣流均勻釋放到溫室作物栽培區(qū)。
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作者：周長吉 李 艷 富建魯
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