第四章园艺设施的环境特征及其调节控制ppt课件

.,第四章园艺设施的环境特征及其调节控制,.,温室环境因素环境调控技术土壤温度温度加温、保温、可再生能源利用空气温度空气湿度通风、降温CO2环境-CO2施肥光照-光照调控根圈环境(水份、养分)-灌溉与施肥,.,4.1温室光照环境及其调控,1.光照环境的要素2.温室光照环境特征3.光照环境调控方式4.人工光源,.,1.光照环境的要素,光质（光色）各波长光的能量分布（考虑不同波长光对植物的不同作用）光照强度与光照量光照的强弱及累积量、分布均匀性（满足植物光合作用的需要）光照周期明期、暗期的长短和交替周期规律（考虑植物的光周期作用）,.,光质（光色）,.,光照的强度及度量,光照度根据人的视觉光谱光效应确定的单位面积光通量。（555nm黄绿光感觉量为1。）单位：lx（勒克斯）光合有效辐射照度（PAR）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射能量。单位：W/m2光合有效光量子流密度（PPFD或PPF）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射光量子数。单位：mmol/m2.s太阳总辐射照度单位：W/m2,说明：光合成有效辐射400700nm波长范围内的光辐射mol（摩尔）物质的数量单位，1mol=6.0225710231mol=1000000mmol,.,各种光照度量单位的相互关系光照度、辐射照度、光量子流密度等与光谱能量分布密切相关，几者之间无固定的比例关系。只有在确定的光谱能量分布情况下，才有明确的相关关系。,一般天气自然（太阳）光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系,klx数4W/m2W/m24mmol/m2.s,.,北京地区冬季晴天正午时刻的温室内外光照强度,几种光源的光照强度单位近似换算关系,.,植物的光周期现象在植物的光周期反应中，光作为植物生长发育的控制信息发挥作用，连续光照时间与光质是决定其作用的重要因素，能量大小是次要因素，照度仅数十lx即可发挥作用。长日照植物每天12小时以上光照促进生长发育（大多数叶菜、豌豆、葱、蒜、荷花、唐菖蒲等）短日照植物每天光照少于1214小时才能正常生长发育（茼蒿、扁豆、豇豆、秋菊、一品红、牵牛花等）中光性植物对光照时数无严格要求，一般每天816h均可（黄瓜、番茄、辣椒、四季豆、月季、香石竹、天竺葵等）,.,2.温室光照环境特征,透光量减小（覆盖材料、骨架材料）透光分布不均匀（骨架阴影）光质有变化（覆盖材料的分光透过性）,.,普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率,.,硬质板的透光率,.,软质塑料膜的透光率,.,老化和尘垢对塑料膜透光率的影响,.,直射光透过率的季节变化,.,四连栋温室全天直射光透过率的分布,.,3.满足温室光照环境要求的调控工程手段开发和选用合适的温室覆盖材料温室建设方面，采用合理的方位与温室结构人工调控光强与光量调控遮光调节（适当减弱光强）光合补光（强光补充）光周期调控遮光调节（严密遮光）延长暗期（低于10Lx）补光调节（50Lx以上弱光即可）延长光照时间（整夜连续补光、早晚延长补光和夜间间断补光）光质调控采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源补光采用满足要求的具有特定光谱透过率的覆盖材料,.,4.人工光源对人工光源主要的要求光谱性能：富含400500nm蓝紫光和600700nm橙红光并有适当的组成比例，以及满足其他特定的光谱要求效率：发出的光合有效辐射量与消耗功率之比其他：使用寿命、价格等人工光源的种类热辐射光源：白炽灯、卤钨灯钨丝中通过电流产生高温（24003000）发光气体放电光源：荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯物质原子受电子激发产生光辐射。半导体光源：LED（发光二极管）,.,卤钨灯寿命、发光的功率提高，光色有所改善，发光效率也有所提高。,几种人工光源热辐射光源：白炽灯结构简单、价格便宜，光照强度易于调节；辐射光谱主要在红外范围，可见光所占比例很小，发光效率低，且红光偏多，蓝光偏少；寿命短（1000小时）。不宜用作光合补光的光源但可作光周期补光的光源,.,气体放电光源：荧光灯光谱性能好，发光效率较高，寿命长。功率小，满足一定光照强度所需灯具多，对自然光遮光大。目前在园艺设施补光中使用较多，尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的人工光照。高压水银荧光灯易达到较高功率，寿命较长，但光色较差，发光效率略低于荧光灯，使用较少。金属卤化物灯发光效率较高，功率大；光色好（可改变金属卤化物组成满足不同需要）；寿命较高（数千小时）。使用较多,.,高压钠灯发光效率高，功率大；光谱分布范围较窄，黄橙光为主；寿命高（1200020000小时）。目前在园艺设施补光中使用较多。低压钠灯发光效率很高，功率大；光色为单一的589nm黄色光；寿命高（平均寿命18000小时）。光色单一，很少单独使用，但可与其他光源配合使用。,.,发光二极管（LED）单色性，波谱域宽仅20nm左右；没有中、长波红外辐射（对光合作用无效）的能量浪费，发热少，可实现近距离补光（提高光利用效率）；辐射效率和光量子效率极高；具有多种光色器件，可按需要组合不同单色（如红蓝）的LED满足植物光合作用对光谱的需要；,单体尺寸小，便于组合和使设备小型化；使用寿命长（5万小时以上）；价格高，尤其是蓝色LED目前价格较贵。,.,LED人工光源,.,人工光源的应用例,.,4.2温度环境及其调控,一、采暖二、通风三、降温传热原理,.,一、温室采暖1.采暖系统的类型采暖的能源燃煤燃油天然气电能太阳能地热能采暖方式根据采暖范围分类全面采暖局部采暖根据采暖设备分类热水采暖蒸汽采暖热风采暖电热采暖辐射采暖火炉采暖,.,2.温室的热平衡分析采暖热负荷及其确定方法原理采暖热负荷在室外气温to下，为维持要求的设施内气温ti，采暖系统在单位时间内应向温室内提供的热量。确定采暖热负荷的方法统计温室的所有热量收支（得热、失热），根据能量平衡的原理，由热平衡方程式计算。热负荷=失热得热,.,温室的热平衡分析温室内的热量来源白昼：室内外水平面太阳辐射热量（北纬3045地区、晴好天气、正午时刻）,室内水平面冬季150400W/m2夏季300600W/m2,室外水平面冬季350650W/m2夏季9001000W/m2,.,夜间：,.,温室的热平衡方程,.,温室的热平衡方程(Qs+Qh)(Qw+Qf+Qvs+Qvl)=0采暖热负荷Qh=(Qw+Qf+Qvs+Qvl)Qs冬季夜间采暖热负荷Qh=Qw+Qf+Qvs,冬季夜间加温温室中的热量平衡,.,3.温室采暖热负荷的计算,通过温室围护覆盖材料的传热量式中ti室内气温，；to室外气温，；Agj温室覆盖层各部分面积，m2；Kj各覆盖层的传热系数，W/(m2)。,主要参照温室加热系统设计规范JB/T10297-2001,.,非透明平壁的传热透明平壁的传热,关于传热系数K,.,非透明平壁的传热系数：,式中ai内表面换热系数，一般8.7W/(m2)；ao外表面换热系数，一般23.0W/(m2)；dj材料的厚度，m；lj材料的导热系数，W/(m)。,非透明平壁的传热阻：,.,透明材料主围护覆盖层单独使用时的传热系数,.,附加保温覆盖的热节省率,K主围护覆盖层单独使用时的传热系数，W/(m2)；采用附加保温覆盖时的热节省率，无附加保温覆盖时为0。采用二层附加保温覆盖时，热节省率=0.85(1+2)-0.712,.,地中传热量式中ti、to室内与室外气温，；Asj温室地面各分区面积，m2；Ksj地面各分区传热系数，W/(m2)。,.,温室通风或冷风渗透耗热量式中ti、to室内与室外气温，；cp空气定压质量比热容，1030J/(kg)；ra空气密度，1.2kg/m3，或353/(ti+273)；L通风量或冷风渗透量，m3/s。,冬季夜间密闭管理时：式中n温室的换气次数，0.54次/h；V温室的内部容积，m3。,.,冬季夜间温室采暖热负荷的简化计算式式中Ag温室全覆盖表面积，m2；As温室地面面积，m2；U经验热负荷系数，W/(m2)，玻璃覆盖为6.4，聚乙烯薄膜覆盖为7.3；a保温覆盖热节省率；b保温比(=As/Ag)，0.50.8，As越大时b越大。,.,系统组成：热水锅炉输送管道散热设备及附属设备特点：水热容量大，热稳定性好，室内温度波动小，停机后保温性强；配置复杂、设备费用高；预热时间长适用范围：大型温室、有较长期和大量供热需求的温室圆翼型散热器（铸铁、钢）散热量一般300700W/m,4.热水采暖系统的设备,.,.,5.热风采暖设备（热风炉或暖风机）热源：燃煤、燃油、燃气、电能、热水、蒸汽特点：供热系统简单，配置安装灵活、简便，设备费用较低；系统预热时间短，升温快；温度稳定性差，停机后温度降低快。适用范围：小型温室或供热需求较小的温室，或用于大型温室辅助加温，尤其适用于短期临时加温热风温度：3060送风量：每m2温室面积送风量2736m3/h,.,.,.,6.土壤加温设备电加热线及地中热水管道加温,.,北纬40度地区：温室加温能耗100250W/m2燃煤消耗60150kg/(m2年)=40100t/(亩年)采暖煤、水电费用占生产成本的50%70%,7.温室采暖的节能,.,温室采暖节能的一些可行的途径减少地中传热量（温室周边设置防寒沟）减少通风或冷风渗透的热量损失（加强密闭性）加强温室围护覆盖的保温性（保温覆盖材料、设置保温幕）提高加温设备的热转换和利用效率有效利用新能源（可再生能源：太阳能、地热能、风能等）有效利用工农业废弃物能源（垃圾、作物秸秆、沼气）工业（热力发电厂）废热利用温室运行中的优化管理,.,二、温室通风1.温室通风换气的目的排除多余热量，抑制高温春、夏、秋季，白昼太阳辐射（每平方米数百W）强烈，室外气温较高，温室在封闭管理时室内气温可高于室外20以上，甚至可超过50。补充CO2温室内白昼植物光合作用吸收CO2，室内CO2浓度降低至100L/L以下，不能满足植物光合作用需要。通风可引入室外较高CO2浓度（350L/L）空气。排除室内水汽，降低室内空气湿度温室密闭时相对湿度可达80%甚至95%以上。,.,2.通风的基本原理与形式作用范围：全面通风局部通风工作动力：自然通风机械通风自然通风借助温室内外的温度差产生的“热压”或室外自然风力产生的“风压”促使空气流动。通风系统投资省、不消耗动力，使用经济，应优先采用。通风能力有限，通风效果易受周围地势和室外气候条件（风向、风速、室内外温差）等因素影响。,.,机械通风（强制通风、风机通风）依靠风机产生的风压强制空气流动。通风能力强，效果稳定。可在空气进入室内前进行加温或降温处理，便于组织室内气流和风量调控。设备和维修费用相对较大，运行需要消耗电能。设备遮光，运行中产生噪音。,.,机械通风的基本形式进气式通风系统（正压通风系统）对温室密闭性要求低。进风口集中，便于对进风进行加温、过滤等。温室内的空气正压可阻止尘埃和微生物随空气从缝隙进入污染温室内环境，温室内卫生条件较好。风口风速较高且吹向植物，室内气流分布不均，不便采用大通风量。,.,排气式通风系统（负压通风系统）易于实现大风量通风。室内气流分布均匀。便于在进风口安装湿垫等降温设备。要求温室有较好的密闭性。与外界的卫生隔离较差。,.,3.风机的类型与性能离心式风机叶轮旋转方向和气流流向不具逆转性；比转数较小，风压大而空气流量相对较小；工作静压1000Pa3000Pa，或更高；适用于较长管路送风，或气流需经过加热或冷却设备等通风阻力较高的情况。,.,轴流式风机叶轮旋转方向和气流流向具可逆转性；比转数较高，流量大，风压低（适合大部分温室使用要求）；,.,风压一般在数百Pa以下，（农用低压大流量风机一般50Pa以下）；耗能少、效率较高，安装和维护简单；最佳工作范围较窄，风量不便调节。（一般不采用设置调节风门调节阻力大小的方法调节轴流风机的流量，需调节时，可采用改变转速的方法，或采用数台风机，通过改变运行风机数量的方法改变总的通风量。）适用于不采用空气处理设备和不经过管道输送、风机直接连通设施内外空间的大多数进气通风与排气通风系统。,.,农用低压大流量轴流风机系列产品规格与性能流量和风压大小与叶轮直径、叶片倾斜角度等结构参数以及叶轮转速有关叶轮直径范围为5601400mm；适用工作静压：约1050Pa；风量约达800055000m3/h（单位功率通风量3560(m3/h)/W）；噪声约在70dB以下。,.,.,农用低压大流量轴流风机系列产品性能,.,4.通风量的概念与通风设计的原则温室通风设计规范NY/T1451-2007（主要依据的规范）温室通风降温设计GB/T18621-2002（次要参考）必要通风量根据控制温室内气温、湿度和调控温室内的空气成份等方面的需要确定的通风量。设计通风量温室的通风系统在单位时间内交换的室内外空气体积（温室的设计通风能力）。通风设计的原则设计通风量必要通风量,.,5.温室的必要通风量L式中As温室地面面积，m2；L0必要通风率，m3/(m2s)排除多余热量，控制室温的必要通风率式中S室外水平面太阳辐射照度，W/m2；a温室受热面积修正系数，1.01.3；r室内日照反射率，0.1；屋面日光透过率，无遮阳0.60.7，有遮阳网0.20.4；a空气密度，1.2kg/m3；e水分蒸发蒸腾消耗热量的比例，0.50.7；cp空气比热容，1030J/(kg)；t1，t2进入与排出温室的空气温度，；ti，to室内与室外气温，；W温室散热比，1.21.5（连栋温室）或1.72.0（单栋温室）；K温室覆盖层平均传热系数，W/(m2)。,.,夏季高温时节，通风率L0达到0.08m3/(m2s)以上时，再继续增大通风量，降温的效果几乎不再增加。室内气温将维持在比室外高12的水平。如希望获得更低的室内气温，再增大通风量是不能达到目的的，反而使通风能耗不必要地增加。这时应考虑采取其他降温措施。因此，通风率L0应控制在0.08m3/(m2s)以下为宜。,.,补充CO2的必要通风率（一般为0.010.05m3/(m2s)）式中Co室外空气CO2浓度，一般约0.6g/m3；Ci设定的室内空气CO2浓度，一般0.5g/m3；fc植物叶面积指数，一般为25；As温室面积，m2；Ap作物栽培面积，m2；P单位植物叶面积对CO2的平均吸收强度，一般约为0.5810-3g/(m2s)；Ps单位温室面积的土壤CO2呼出强度，g/(m2s)，Ps=Ps03t/10g/(m2s)；Ps0土壤0时的CO2释放量，一般肥沃土壤约为0.0110-3g/(m2s)；t土壤温度，。,.,排除水汽，降低室内空气湿度的必要通风率一般为0.010.05m3/(m2s)白昼：夜间：式中S室外水平面太阳总辐射照度，W/m2；a温室受热面积修正系数，1.01.3；e水分蒸发蒸腾消耗热量的比例，0.50.7；r室内日照反射率，0.1；屋面日光透过率，无遮阳时0.60.7，有遮阳网时0.20.4；r水的蒸发潜热，2442kJ/kg；Wi，Wo室内、室外空气的含湿量，g/kg(a)；ra室内空气的密度，kg/m3；Kd蒸腾蒸发系数，夜间时为(1015)10-6g/(m2sPa)；pws室内气温下的饱和水蒸汽压力，Pa；pw室内空气的水蒸汽分压力，Pa。,.,6.温室的设计通风量热压作用时的自然通风量常见简单情况的计算方法（全部通风窗口布置在二个高度上，且进风口与排风口的流量系数分别相同）式中Aa，Ab下部与上部通风窗面积，m2ma，mb下部与上部通风窗流量系数，0.20.65h二通风窗中心相距高度，mTi，To室内、外空气温度，Kg重力加速度，9.81m/s2,.,式中vo室外风速，m/s；C风压系数，与建筑物外形及具体部位、风向有关，一般迎风面0.8，背风面-0.5。,风压作用时的自然通风量常见简单情况的计算方法所有进风口的风压系数和流量系数均相同，分别为Ca,ma，所有排风口的风压系数和流量系数均相同，分别为Cb,mb，,.,风压作用自然通风量的简化算法式中：vo室外风速，m/sA迎风面或背风面通风口面积总和，m2E风压通风有效系数，风向垂直于墙面时，E=0.50.6风向倾斜时，E=0.250.35机械通风时的设计通风量根据通风系统阻力、风机性能与数量确定。（略）,.,三、温室降温仅依靠通风、空气无降温处理时温室控温能力控温最大限度:室外气温12我国绝大部分地区，夏季室外气温较长时期高于30，且太阳辐射强烈，单纯依靠通风，要将温室内气温控制在大多数作物适宜的气温上限（30）以下是不可能的。必须采取通风以外的降温措施。二个方面的降温措施：对进入温室的空气进行降温处理遮阳,.,1.人工降温的方式机械制冷（利用压缩制冷设备制冷）制冷量大，降温能力强，不受外界条件限制；制冷的同时可除湿；设备投资费用与运行费用高。冷水降温（低温冷水吸收空气中的热量）降温效果取决于冷水温度，如水温足够低，气温可降低至湿球温度以下；冷水温度在露点温度以下时，可除湿；需低温水源，耗水量大。,.,蒸发降温（水在空气中蒸发，从空气中吸收热量，降低空气温度）降温效果显著，耗水量小。比较：冷水降温冷水温度12，吸热后升到22，温升10，消耗每kg冷水所吸收的热量为41.8kJ蒸发降温每kg水蒸发所能吸收的热量为2442kJ消耗每kg水从空气中吸收的热量，蒸发降温为冷水降温方法的58倍或在吸收相同热量的情况下，蒸发降温的耗水量仅为冷水降温的1/58,.,设备简单，费用低（约为机械制冷降温的七分之一）；运行费用低（约为机械制冷降温的十分之一）；缺点：降温的同时，会增加空气的湿度；降温效果受气候条件影响，在湿度较大的天气下不能获得好的降温效果。蒸发降温技术与设备已在农业设施中广为采用,.,干球湿球温度温度,2.蒸发降温的技术特点二大类蒸发降温的技术与设施：湿帘降温水附着在吸水材料表面，与流经材料表面的空气接触而蒸发吸热雾化降温雾化水滴喷入空气中，与空气接触蒸发吸热蒸发降温的极限是空气的湿球温度。,.,评价蒸发降温技术和设备的降温性能优劣的指标：降温效率h式中ta，tb降温前、后的空气温度（干球温度），；tw空气的湿球温度，。已知降温技术和设备的降温效率h，根据室外气候条件，可计算空气经降温处理后的气温为：,.,蒸发降温幅度取决于：降温设施的降温效率；天气（空气状态）。天气干燥，干、湿球温差大时，降温效果较好。在潮湿的天气下，干、湿球温差较小，即使降温设施降温效率较高，也不会取得较好的降温效果。,.,我国气候条件下蒸发降温适应性分析黄河流域及以北地区在需降温的室外气温较高时刻（正午），相对湿度约在40%50%甚至更低，蒸发降温有较好的效果；（to=35，f=45%，tw=25.1）降温幅度通常可达710；夏季空调室外计算湿球温度在27以下，在蒸发降温设备一定的降温效率下，室外空气经过蒸发降温处理，气温约可降低至2628；考虑空气进入温室后的温升，温室内气温一般约可控制在2830以下。,.,长江流域及以南地区连阴雨天气相对湿度高达80%，但该时期气温多在30以下，不需降温；在需降温天气的室外气温较高时刻（正午），相对湿度约为50%60%，蒸发降温可发挥较明显的效果；（to=35，f=60%，tw=28.2）蒸发降温幅度可达58；夏季空调室外计算湿球温度约为2728.5，室外空气在经蒸发降温后，气温约可降低至2830；考虑空气进入温室后的温升，温室内气温一般约可控制在2932以下。,.,3.湿帘（湿垫）风机蒸发降温系统湿帘（湿垫）的特性材料：白杨刨花、棕丝、多孔混凝土板、塑料、棉麻或化纤纺织物等多孔疏松的材料，波纹纸质湿垫最为多用。尺寸：波纹纸质湿垫厚80200mm，一般高12m。,.,湿垫及供水系统,特点：通风阻力相对较小；热质交换表面积大、降温效率高，工作稳定可靠；安装使用简便；长期使用时空气中尘垢与水中盐类在纸帘上沉积将降低其效率，增大通风阻力；使用后易收缩与变形，使用寿命还有待提高。,.,湿帘的技术性能：降温效率h=70%90%通风阻力Dp=1060Pah与Dp主要与湿帘厚度及过帘风速vp有关vp通风量/湿帘面积湿帘越厚、过帘风速越低，则降温效率越高；湿帘越厚、过帘风速越高，则通风阻力越大。,.,为使湿帘具有较高的降温效率，同时减小通风阻力，过帘风速不宜过高，但也不能过低，否则使需要的