北方温室越冬蔬菜智能温控集成系统工作总结

北方温室越冬蔬菜智能温控集成系统工作总结乌兰察布市源通潜热应用技术开发有限公司2014年1月目 录1 任务来源及预期目标11.1 任务来源11.2 预期目标和效果22 组织实施32.1研究团队建设及任务分工32.2 经费支出与来源42.3 研发条件与建设42.4 研究过程42.5 组织安排63.取得成果73.1 研发内容完成情况73.2 研究成果概述73.3 土壤温度调节部分83.4 温室环境温度控制部分83.5 温室能量提取部分93.6 二氧化碳浓度控制部分94. 存在问题及改进办法101 任务来源及预期目标1.1 任务来源蔬菜产业已经从昔日的“家庭菜园”逐步发展成为主产区农业农村经济发展的支柱产业，具有较强国际竞争力的优势产业，保供、增收、促就业的地位日益突出。中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向发展，技术水平有了大幅度提高。随着近年来国家相关科研项目的启动，在学习借鉴国外先进技术成果的基础上，有了较快发展，设施面积不断增加，设施水平不断提高。但由于蔬菜具有鲜活易腐、不耐贮运，生产季节性强、消费弹性系数小，高投入、自然风险与市场风险大等特点。当前，在新的形势下，北方日光温室种植蔬菜还存在一些突出问题：（1）北方高寒地区冬季日光温室在不加温的情况下温度为0-5，只能生产叶菜类蔬菜，但生长速度受到严重影响。玻璃温室环境温度在0以下，不能生产任何蔬菜，资源浪费严重。（2）在北方高寒地区，传统给日光温室加温的方式主要是锅炉或者电加热，实践证明这两种方式耗能高且温度分布不均匀，加温效率不高，较难控制环境和土壤温度的恒定，同时也增加了运行成本的投入。（3）北方高寒地区因为纬度较高，夏季日照时间长，一方面导致日光温室内温度极高，因温室外温度也较高，无法有效降温；另一方面干旱少雨无法保证蔬菜正常生长。（4）日光温室需要进行通风换气，弥补二氧化碳的不足，但在严冬季节，室外温度极低，如果进行通风换气，将会对温室内的温度产生较大影响。但如不进行通风换气，一方面会导致温室内二氧化碳亏缺，影响植物的正常生长，另一方面如长时间不进行通风换气，会引起各种病害。（5）夏季北方日光温室结构决定通风效果，传统方法就是自然通风，这种简单的新风交换的方式不仅降温效果不明显，还增加劳动强度。若采用传统空调对温室进行降温，成本极高，且无法调控土壤温度。在上述背景下，本公司考虑到日光温室越冬和越夏蔬菜种植温度调节方面的重要性，为了解决当前日光温室（北方）存在的温度无法控制、通风不足导致病虫害增多等问题，自选项目研究面向日光温室的控温和新风补充技术，进而完成相应系统的设计和开发以期望能够在工作方面进行一些试验，并解决相关的问题。1.2 预期目标和效果本课题期望解决北方日光温室目前蔬菜种植中遇到的温度控制难、冬季新风补充不充分、投入和运行成本高等问题，在温度控制和新风补充方面达到下述的效果和目标：(1) 初步解决北方日光温室越冬和越夏蔬菜种植的温度控制问题。(2) 实现了同一温室内不同区域土壤温度调节，满足了产品种植的多样化需求。(3) 充分利用当地环境和资源优势，将热能（包括浅层地能、空气中的热能、太阳能等），通过一系列的能量转换，采用能量储存和释放手段满足温室温度控制需求。(4) 既弥补了冬季二氧化碳含量低的问题，又可以实现新风交换补充，降低蔬菜发病率。(5) 温室内温度和二氧化碳浓度实现检测和智能控制，降低人工成本，以最少的人力投入取得最大的产出。(6) 为当前生产上温室控温技术规范化、科学化提供了理论依据。依据本课题上述目标，结合实际工作需求，考虑到现有相关工作存在的问题，本课题研究工作的展开本公司通过试验研制出了一套低能耗、无污染的控温集成系统。其服务对象可以是农户型独栋日光温室或大型温室企业连栋温室。(1) 对于独栋温室，可以有效地提早喜温蔬菜的上市期。(2) 对于连栋温室，在北方高寒地区推广使用，不仅可以有效改变北方高寒地区越冬蔬菜生产现状，而且有助于夏季充分利用当地自然条件，实现温室温度调节。2 组织实施 2.1研究团队建设及任务分工本课题的研究团队组建及任务分工如表1所示，研究任务及具体工作内容主要对应于研究阶段；研究团队中包括了高级工程师1名，工程师5名。表1 研究团队建设研究阶段人员清单起始时间市场调研阶段李根旺（高工）、刘振峰、高峰、刘玉恭、李国栋2011.10-2012.2系统开发阶段李根旺（高工）、刘振峰、高峰、刘玉恭、李国栋2012.2-2012.4系统安装阶段李根旺（高工）、刘振峰、高峰、刘玉恭、李国栋2012.4-2012.5系统测试阶段李根旺（高工）、刘振峰、薛秉仁、高峰、刘玉恭、李国栋、薛志霞2012.5-2012.10应用成果转化李根旺（高工）、刘振峰、薛秉仁、高峰、刘玉恭、李国栋、薛志霞、朱庆福、包南帝娜、于泽2012.10-2013.12考虑到上述研究阶段的划分，研究任务和工作的组织如下：(1) 2011年10月至2012年2月，完成市场调研工作。(2) 2012年2月至2012年4月，在完成市场调研的基础上进一步对系统可能存在的方式进行反复论证，排除了原来设想的太阳能辅助加热系统，将空气源热泵作为系统的可选项，目的是在达到温室大棚满足蔬菜生长基本条件的情况下具备大面积推广的条件，同时对地下的地质情况进行了实验及分析，确定地源热泵的形式和自动控制系统的方案。(3) 2012年4月至2012月5月系统安装试验阶段。(4) 2012年5月至2012年10月，系统测试阶段，主要根据现场运行数据，包括温室环境温度、温室土壤温度及新风供给情况，观察蔬菜生长状况。同时根据设备运行记录，测试系统耗电及平稳性。(5) 2012年10月至2013年12月，进入市场推广阶段，同时不断完善系统结构，为大面积推广做好技术准备。2.2 经费支出与来源本项目投资总额56.5万元。资金全部由乌兰察布市源通潜热应用技术开发有限公司自筹。2.3 研发条件与建设在本课题控温集成技术研发过程中，采用的主要是水（地）源热泵中央空调系统的开发体系，研发和测试需要的设备如表2所示。表2技术实现所需设备设备名称用途描述水源热泵机组能量提取新风机组温室新风输送空气源热泵能量提取水源侧潜水泵低品位能量输送水源井低品位能量提供源地埋管循环泵高品位能量转移执行部件新风及空气源热泵循环泵能量转换部件水源热泵循环泵能量转移执行部件旋流除砂器系统水清洁过滤部件储热水箱热能储存部件地埋管系统能量释放系统电器控制柜系统动力电控制自动控制系统职能化执行系统新风送风系统能量释放系统2.4 研究过程为了使得本课题的研究、设计和开发工作能够顺利进行，保证课题产出的成果达到应有的理论深度和实际应用效果，课题组在科学论证、周密安排的基础上把整个研究过程分成了五个阶段：12011年10月至2012年2月，对北方大部分地区的温室大棚（包括日光温室和智能化玻璃温室）进行了走访，了解温室的环境条件，产量、冬季生产状况及存在的问题。通过调研，发现北方寒冷地区要不受环境条件限制，生产喜温性蔬菜仍存在一定的困难。特别是温室环境温度的调控到目前为止还没有一种科学、节能的方法。基于以上问题的存在，对该项目进行立项奠定了市场基础。2. 2012年2月至2012年4月，立项确定进行温室温度调节，对该项目进行了突击式技术攻关，我们对国内外现有技术查找后发现，利用水、地源热泵技术应用于北方温室的全面温度调节尚不完善，在该阶段，完成了技术方案制定、设备选型、材料的确定及自控系统的方案确定，并完成了施工图设计。3. 2012年4月至2012年5月，系统安装阶段。本公司对日光温室进行了试验。系统由“水源热泵+新风机组+空气源热泵+土壤埋管”组成，并且全部完成了系统试调试与试运行。4. 2012年5月至2012年10月，我们队系统进行了跟踪测试和改进工作。主要针对系统运行中出现的部分问题进行了完善。尤其是自动控制系统是我们进行的重点之一。因为科学合理的自动控制，是系统平稳高效运行的保证，也是系统节能的最有力措施。在此期间，测试了日光温室内环境、土壤、新风及二氧化碳浓度等。测试了系统运行的安全性和耗电等情况。取得了第一手数据，为今后向更加科学合理的方向发展打下了坚实的基础。5. 2012年7月至2012年9月，我们对以上温室进行降温调试，土壤温度控制在20-25之内，环境温度控制在25-33之间。通过实验，增大了温室内新风输送，使蔬菜未发生病虫害，植物生长状况良好。通过与农业局科技人员的合作，我们已逐步找到了规模化的一些经验与数据，通过现场系统的运行，各项参数完全达到了设计要求。对今后成本核算及大规模开发奠定了基础。6. 2012年10月对系统进行积极推广，成功销售了4套系统，并配合使用单位进行了数据跟踪，尤其是成功进行了冬季蔬菜的种植。通过双方共同努力，成功实现了北方越冬蔬菜的生产，取得了非常好的经济效益和社会效益。为今后进一步在北方地区推广该产品打下了坚实基础。2.5 组织安排在课题的整个开展过程中，从前期的需求调研和分析，到后期的系统设计、安装和测试，我们主要做了一下组织安排：1）在课题研究之初召开了专题会议，组织课题组的成员认真阅读课题立项的相关资料、初步的研究方案、项目的可行性研究报告及项目开展计划；课题负责人对重点问题进行了解释强调，使每位成员对本课题研究内容及具体的研究工作有了完整而统一的理解。2）由于本课题涉及到实施农业这一主题，具体参数的确定、设备选型都没有一种经验数据，前期要求研发人员必须走访相关专家级进行资料收集，保证系统设计尽量接近实际需求。3) 为了保证研究质量，公司课题组翻阅了国内外近50多篇相关论文、专利，通过系统学习、借鉴、分析，找到了研发的突破口，掌握了科学的研究方法，为温室产业的温度控制方式的研究奠定了基础。4) 明确成员的分工，做到不推诿、不扯皮，精诚合作，团结一致。课题主持人根据每位研究研究成员的特长进行科学分工，各司其责，并做到互相交流，以保证课题研究的一致性、完整性、系统性。5) 定期再开课题组讨论会。为使课题研究扎实推进，确保质量，我们前后共召开了近15次讨论会。召开座谈会实行考勤签名制度，由于成员态度积极自觉性高，没有出现旷工现象。6) 课题进度的控制采用对阶段成果里程牌进行检查的方式进行，定期对每一阶段的成果进行检查，对延期的工作进行原因的分析，进而解决问题加快进度，保证项目能够按时保质保量地完成。7）为了保证本项目满足蔬菜种植条件，我们和乌兰察布市农牧局农业专家薛秉仁所带领的团队进行了全方位合作。为该项目的顺利实施创造了条件。3.取得成果3.1 研发内容完成情况课题研究计划目标主要包括课题的研究与分析，系统方案确定、系统工艺流程设计、日光温室选定及施工图设计、自动控制系统方案设计以及当地地质情况的论证。课题研究计划于具体的完成情况如表3所示，从表3可以看出课题研究计划的各项目标及其指标已经全部完成。具体地说，系统设计中考虑了二氧化碳的浓度控制及空气源热泵对系统的热量供给方式的研究。表3课题研究计划目标与完成情况序号研究计划目标完成情况具体备注1当地水资源情况分析（主要包括地质结构、含水量、水质等）完成到当地地质部门调阅相关资料，现场打测试井。2温室内土壤热负荷、环境热负荷的确定完成用电加热测试土壤热负荷，根据室内外温差变化确定温室环境热负荷3市场调研分析完成4系统方案设计完成5系统自动控制测试完成6系统测试及数据采集完成耗电指标、热负荷确认7试验结果完成经济效益显著，增加收入4倍以上3.2 研究成果概述面向国内温室大棚现状，特别是北方温室大棚存在的问题，我们通过对市场的调研、对国家政策的研究，确立了“一种实现北方寒冷地区温室大棚茄果类蔬菜的节能加温系统”课题，主要分为如下部分：1) 通过一种载体，使用后一种土壤内埋设换热管的方式，实现对土壤温度的调节。2）通过一种空气循环机组实现了对温室环境温度调节及新风补充。3）通过一种空气源热泵系统实现了将温室大棚中空气中的太阳辐射能转变为热能。4）通过一种二氧化碳自动监测系统实现了温室内的新风自动调节。5）通过一套PLC、电器控制机数据收集反馈系统，利用最小的代价，实现了温室环境温度、土壤温度及新风量的自动调控。实践证明，系统的各项运行参数完全达到了设计要求，通过冬季蔬菜种植结果分析，效益显著。3.3 土壤温度调节部分该部分主要功能就是实现温室土壤的温度控制在规定的范围之内，保证作物冬季生长最理想的生长条件。具体组成见表4表4 土壤温度调节系统组成序号名称规格数量功能描述1储热水箱，8m31套主要是将水源热泵机组制备的热水储存起来，作为向土壤加温的热源2土壤循环水泵1台在接收到主控制柜信号后，启动。通过循环将储热水箱之中的热转移到土壤中3地埋散热管组50组将热量均匀释放土壤中4土壤温度传感器3个分别感知温室两端和中间的土壤温度，系统算术平均数确定并显示土壤温度，作为控制系统加温的条件3.4 温室环境温度控制部分冬季温室内环境温度调节通过数组明装风机盘管进行调节，也可通过柜式空调机组的室内循环进行加温。采取方式取决于温室的结构个大小。一般情况下，对于面积较大的温室亦采用柜式空调机组，面积较小亦采用立式明装风机盘管。该装置可实现温室区域温度调节。具体组成见表5。表5 温室环境温度控制系统组成序号名称规格数量功能描述1柜式空调机组6000m3/h1套通过热交换，将储热水箱中的热能释放到温室环境中起到对温室环境加温的作用2环境循环水泵1套驱动热水通过柜式空调机组释放热能4环境温度传感器3组检测温室内两侧和中间环境温度值，控制终端按算术平均值控制循环水泵的启停5储热水箱，8 m31套储存水源热泵生产的热水3.5 温室能量提取部分该系统主要考虑温室大棚中午时间段内温度较高的特点，利用空气源热泵的高效节能工作原理，利用少量的电能，将温室中的太阳辐射能转变为热能储存在储热水箱，同时可有效控制温室内环境温度处于一种有利于植物生长的范围内。考虑到投资成本，该系统可根据用户需求作为选择项。系统组成见表6。表6 土壤温度控制系统