基于模型的温室加温控制目标优化系统研究

温室加温控制目标的设定合理与否，直接影响温室作物生长及温室环境调控的能耗。本研究以温室作物生长模拟模型和温室加温能耗预测模型为基础，建立了基于模型的温室加温控制目标计算机优化系统。系统包括一个数据库(温室、作物以及气象资料)和三个模型(作物生长模拟模型、温室加温能耗预测模型以及加温控制目标优化模型)。系统的输入主要为温室类型、温室结构、覆盖材料、作物信息以及室外气象资料，系统输出主要为作物干物质生产量、温室加温能耗量以及干物质生产能耗量利用效率最高和生物量最高的温室白天和夜间的加温控制目标(温度设置点)。以2003年1月20日～2月20日上海孙桥现代农业开发区Venlo型自控玻璃温室水果型黄瓜生产为实例进行分析，结果表明，在上海地区冬季进行温室水果型黄瓜生产时，在开花至果实采收初期将白天和夜间加温控制目标分别设为23℃和17℃时可以获得最高的干物质生产量；将白天和夜间的温室加温的温度分别设为20℃和15℃能够使黄瓜干物质生产的能耗量利用效率达最大，并能够使黄瓜干物质产量也处于较高的水平。本研究建立的基于模型的温室加温控制目标优化系统为中国温室气候控制中温度的优化调控提供了理论依据和决策支持。     

增施CO_2气肥对温室流场影响的数值模拟及验证

CO2气体是温室作物光合作用的重要原料之一。为掌握温室CO2气肥增施性能,以温室CO2气肥增施为研究对象,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立二维紊流数值计算模型。基于FLUENT软件,结合SIMPLE算法,采用有孔介质模型、k-ε模型、离心坐标(discrete ordinates,DO)模型,添加组分传输模型,对气肥喷射高度、气肥增施流量等因素对CO2增施性能进行数值模拟,得到温室内CO2浓度变化和分布规律。研究结果表明:气肥增施过程对作物区的温度场影响较小,温室的作物区域最大温度与最小温度差值不超过0.5℃,作物区域的气流流场以及温度场分布较为均匀;由于CO2的沉积效应,温室下部区域的CO2浓度相对较高;气肥喷射高度越高,CO2扩散的范围越大,沉积在作物区的CO2相对越少,CO2的浓度也相对较低;气肥增施流量越大,作物区域的CO2浓度上升越快。试验结果表明,CO2浓度模拟值与试验值差异不大于5%,模拟结果与试验结果较吻合,证明了模型的正确性。该研究对掌握温室CO2气肥增施性能的流场变化规律,开展温室气肥增施装备的优化设计具有一定的参考价值。     

中国连栋温室采暖期的确定及采暖能耗分布

该文利用中国多年气候资料，参照建筑设计标准，采用气象学中的五日滑动平均法，计算了不同地区在不同温度界限下日平均温度小于等于该界限温度的持续时间，并同中国连栋温室实际采暖期相比较，确定了中国大型连栋温室采暖期的计算方法；利用日本度时法计算了中国各地大型连栋温室的期间热负荷，进而计算采暖能耗。结果表明：以当地累年逐日平均气温≤10℃的持续日数作为连栋温室的采暖期和实际情况相符。分析结果表明，从南方部分地区采暖期为0 d到青海、西藏大部分地区365 d，说明中国连栋温室对热量的要求南北差异极大。通过计算中国各地的采暖能耗，表明各地最大采暖耗煤量出现在1月，其次为12月和2月，北方1月平均耗煤量占年耗煤量的30％左右，12月占20％以上，2月占20％以下，年耗煤量在中国范围内也存在极大差别。大型温室采暖期的确定及采暖能耗的计算可为中国连栋温室采暖设计标准化提供依据，为温室节能提供参考。     

延长通风时问与增施C02对温室生态因子及黄瓜光合特性的影响研究

研究延长通风时间 (4h/d)并增施CO2 对温室黄瓜光合作用的影响结果表明 ,与对照相比 ,延长通风时间使通风时段内平均CO2 浓度升高 4 3 80 μL/L ,平均温度和湿度分别降低 2 4 0℃和 35 0Pa ,黄瓜叶片露时约缩短 2 5h/d ;延长通风时间与增施CO2 使黄瓜平均光合速率分别提高 1 6 3μmol/m2 ·s和 3 33μmol/m2 ·s,促进光合产物积累。     

中国温室气候区划及评述

为区分不同地区气候条件对温室生产影响的差异性，明确在不同地区对温室的基本要求，针对中国连栋温室生产进行了气候区划。区划方法采用综合因子法和主导指标法相结合的原则。首先根据中国气候特点，划分出北方区和南方区，然后在南、北方区内再划分出一级区和二级区。一级区划采用综合因子原则，利用系统聚类和判别分析方法将北方区划分为4个一级区，南方区划分为5个一级区；二级区划采用主导指标原则，利用主导指标的等值线走势将北方区和南方区各划分为9个二级区。通过分区评述各一级区的气候特点，指出在该区内发展温室生产的气候资源优势和不利气象条件，提出各区的温室发展方向，为从总体上做到合理利用气候资源，防止气候对温室生产的不利影响提出建议；给出各二级区内连栋温室的采暖期及采暖能耗量，指出连栋温室在本区的适应性，为连栋温室合理布局提供依据。     

外保温连栋温室光热环境及保温性能分析

为解决中国北方地区连栋温室冬季加温能耗大、盈利性和可持续性差等问题,该研究以降低屋面热损失为出发点,设计了大屋面外保温连栋温室,将外保温系统创新应用于连栋温室,并在山东寿光地区,以文洛型连栋温室为参照,对该温室光热环境及保温性能进行试验测试与分析。结果表明：1)连续40d白天(10:00—16:00),外保温连栋温室作物冠层上方平均太阳辐射为152 W/m²,总透光率(含天沟下方)为40%,比文洛型连栋温室高7个百分点。外保温连栋温室跨中采光最佳,跨东、跨西及天沟下方太阳辐射强度与跨中相比分别减少17%、29%及46%。2)太阳升起后,外保温连栋温室东、西屋面外保温被依次收拢,09:30—12:00室内气温升速为1.9℃/h,较文洛型连栋温室低0.3℃/h,收拢保温后10min内室内气温骤降幅度比文洛型连栋温室低0.3℃。温室采用空气内循环加温,地面出风,再由设备间风机组内侧窗回风;加温期间(20:00—07:00)室内空气水平方向平均温差不超过1.2℃,垂直方向不超过1.0℃。外保温连栋温室水平方向气温分布均匀,垂直方向温差小于文洛型连栋温室。3)夜间,外保温连...     

增施CO_2气肥对温室结球莴苣光合作用影响的综合模型研究

为探讨不同温度和光照条件下增施 CO2 气肥对温室作物生长的影响 ,应用红外线 CO2 气体分析仪测定方法 ,对不同 CO2 浓度下结球莴苣光合作用速率的变化进行了深入系统的研究 ,并分别建立了低温条件下和中、高温条件下增施 CO2 气肥对光合作用速率影响的综合模型。研究结果表明 ,在一定范围内 ,随着光照度提高和温度上升 ,增施 CO2 气肥对于光合作用的促进效果提高 ,但是超过饱和点后会有负的效应。本实验条件下 ,结球莴苣光合作用最佳的生态因子组合为 :光照度 897.3μmol· m- 2 · s- 1 ,温度 2 8.9℃ ,CO2 浓度 2 16 0μL / L ,此时的净光合速率 (CO2 ) Pn为 36 .0 μm ol· m- 2· s- 1。     

气候变化情景下我国水稻产量变化模拟

利用中国随机天气模型将IPCC最新推荐的气候模式HadCM2和ECHAM4与作物模式CERESRICE3．5相连接，模拟了未来4种气候情景下我国主要水稻产区产量的变化趋势。结果表明：（1）未来气候情景下，水稻产量大多表现为不同程度的减产趋势，其中早稻减产幅度最大；地区上以东北地区减产幅度最大。（2）若不取温室气体减排措施，2056年我国水稻产量较2030年减产程度更加明显；即使采取温室气体减排措施，水稻产量下降的趋势也没有大的改变；（3）高海拔地区在未来气候情景下表现出一定的增产趋势。     

自控温室黄瓜果长及果周径增长与气象因子关系的研究

研究了玻璃自控温室荷兰黄瓜果实长度、果周径生长与温室气候条件的关系。结果表明,不同界限温度的有效积温与果实长度、果周径的相关系数均达0.9以上,用14～21℃有效积温和13～25℃有效积温表征果实长度与果周径增长最佳,光照强弱、温差大小、CO2含量是影响黄瓜果实生长速度的关键气象因子。实际生产中可根据预期目标,运用有关气候生态参数,合理分配能源使用时间,调节果实发育进程,达到适期上市,实现降低生产成本和增产增收。     

微喷灌结合滴灌对温室高温环境和作物生长生理特性的影响

微喷灌结合滴灌是指在作物根区滴灌的基础上对作物冠层进行微喷灌来改善作物生长环境的一种灌水方式。为了探明微喷灌结合滴灌（micro-sprinkler irrigation combined with drip irrigation,MSDI）和地表滴灌（surface drip irrigation,SDI）2种灌水方式下温室高温环境及作物生长生理特性的差异及响应规律,该研究以黄瓜为试验对象,于2017年2－6月开展了2种灌水方式下温室环境及黄瓜生长生理特性的观测试验。结果表明：在改变温室环境方面,MSDI灌水方式较SDI可增加温室内相对湿度,降低气温,同时降低叶片温度约4℃;在作物生长生理特性方面,采用MSDI可增加黄瓜株高与茎粗,降低作物茎流速率,促进黄瓜生长;2种灌水方式下黄瓜最大光合效率几乎一致,分别为0.74和0.77,但日平均实际光合效率差异明显,分别为0.57和0.47,MSDI灌水方式下黄瓜叶片日平均气孔导度和光合速率比SDI方式分别高182.8%和92.4%。该研究成果对于合理调控温室高温环境、提高温室作物产量具有重要的指导意义。     

基于LCA的不同间作体系产量优势及温室效应研究

为了探究间作体系对农田生态系统温室效应和产量优势的影响,本文选用小麦/蚕豆和玉米/马铃薯间作种植体系,通过为期2年的田间小区试验,采用生命周期评价法(LCA),以小麦/蚕豆间作和小麦单作、玉米/马铃薯间作和玉米单作为研究对象,以生产1 000kg作物为评价的功能单元,建立农资系统和农作系统生命周期资源消耗以及温室气体排放清单,研究了不同种植体系的作物产量、全球增温潜势和能源消耗等指标的差异。结果表明:与单作小麦相比,间作小麦两年的产量分别增加18.04%和39.94%;与单作玉米相比,间作玉米的产量分别增加2.65%和23.16%;小麦/蚕豆间作系统两年平均增幅高于玉米/马铃薯间作系统。小麦/蚕豆间作的土地当量比两年均大于1,玉米/马铃薯间作的土地当量比仅有1年大于1。与单作小麦相比,两年间作小麦的全球变暖潜值分别降低15.28%和28.53%,能源消耗分别减少15.29%和28.53%;与单作玉米相比,间作玉米的全球变暖潜值分别降低2.61%和19.05%,能源消耗分别减少2.61%和18.83%。小麦/蚕豆间作的间作产量优势优于玉米/马铃薯,但玉米/马铃薯间作的增温潜势低于小麦/蚕豆间作。合理间作具有显著增产效应,同时可以降低温室效应以及能源消耗,以更低环境代价获得作物高产高效。     

江苏扬中农村家庭生活用能和能源消费的研究

作为地处中国华东地区小康农村的典型,扬中农村家庭生活用能正处于商品能加速替代非商品能的时期。连续五年的家庭生活用能问卷调查表明,用能品种结构变化较大,电力和液化气消费迅速增长,而秸秆和煤炭的使用在下降;人均能源消费量相对稳定,但有效能消费却略有上升;分析表明,人均能源消费与人均收入、户均人口和人均作物收获量有一定的相关性。该文对农村家庭能源消费的性质、中国小康农村家庭能源消费的基本特征等一般问题进行了讨论。     

基于生命周期评估的冬小麦-夏玉米种植系统碳足迹核算——以山东省高密地区为例

粮食生产过程中的原材料生产、能源消耗、氮肥施用以及农机作业等过程均会排放大量的温室气体。本研究通过对山东省高密市冬小麦-夏玉米种植系统粮食种植过程的原材料投入和农业管理措施等进行问卷调查,采用生命周期评估(Life cycle assessment,LCA)方法学核算当地小麦和玉米生产过程的碳足迹(Carbon footprint,CFP)。结果表明,高密市小麦、玉米生产和冬小麦-夏玉米种植系统单位面积的碳足迹分别为5 183.33、3 778.09 kg CO_2-eq·hm~(-2)和8 961.42 kg CO_2-eq·hm~(-2),单位产量的碳足迹分别为0.69、0.40 kg CO_2-eq·kg~(-1)和0.53 kg CO_2-eq·kg~(-1),单位净现值的碳足迹分别为1.82、0.40 kg CO_2-eq·元~(-1)和0.44 kg CO_2-eq·元~(-1)。冬小麦-夏玉米种植系统粮食生产的碳足迹主要来自氮肥的生产(48.30%)和氮肥施用(12.04%)、灌溉耗电(12.94%)和农业机械耗油(11.20%)等方面。综上可知,优化肥料施用、减少氮肥用量和节水灌溉等措施是实现当地粮食清洁生产的重要途径。     

时空尺度对灰色系统理论预测秸秆折标煤量的影响研究

能源供给潜力的准确预测对秸秆生物质资源开发具有重要意义,数据的时空尺度对预测精度有重要的影响。在不同的时间尺度（7、10、12和15a）下研究了灰色系统理论Grey Model（1,1）模型及其拓展形式对全国、京津冀、河北三个空间尺度上秸秆折标煤量的预测精度,确定各空间尺度上的最优模型和数据时间尺度,分析影响可收集秸秆折标煤量的主要因素,并得到2021-2030年的预测结果。结果表明,灰色Verhulst模型的预测效果整体最好,10a时间尺度下的预测精度要明显高于7a、12a和15a,全国地区的预测精度为99.69%和99.72%,高于京津冀和河北省地区的预测精度;全国主要农作物和粮食农作物可收集秸秆折标煤量主要受到播种面积和单位面积产量双因素的影响,而京津冀和河北地区的主要农作物和粮食农作物可收集秸秆折标煤量则主要受单位面积产量的影响;2021-2030年的预测结果表明,全国主要农作物和主要粮食作物的可收集秸秆折标煤量基本稳定,而京津冀和河北地区的秸秆可收集折标煤量呈增加趋势,且主要粮食农作物的秸秆折标煤量的增速高于主要农作物秸秆折标煤量的增速。研究结果反映了京津冀协同发展对京津冀地区尤其是河北现代化农业格局发展和秸秆生物质资源量的影响,得到了不同空间尺度上影响秸秆折标煤量的关键因子,对灰色系统理论预测秸秆生物质资源潜力、推动能源格局转变有理论意义。     

面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状

以往的温室作物生长和小气候环境模型,主要是从面向研究而不是面向实际生产的温室获得的,这二者的最大不同是:面向研究的模型主要考虑的是得到作物生长高产所需的"最优"的温室内部气候环境参数设定值,而较少考虑温室内控制设备的能力（控制动态过程）、生产过程中温室外气候变化情况和达到"最优"所需付出的能量等代价;而后者在面向实际生产的自动化控制的温室系统模型中是必不可少的。当前温室系统自动化控制面临的一个最大困难,就是缺乏一个这样的可靠的温室系统模型,而只能采用面向研究的温室系统模型去进行实际生产的温室系统控制,这种忽视实际生产条件下的温室系统模型与理想条件下的模型之间差异的"纸上谈兵"的做法,必然导致温室控制技术水平低、达不到预期效果。该文介绍了温室系统的整个控制过程,对一个实际生产的温室系统中各种变量和参数作了简要描述,并概括了面向实际的温室生产控制要求的温室系统模型的基本结构,对温室环境模型、作物生长模型和能耗及CO₂消耗模型的研究现状作了详细的回顾。从满足控制需求出发对现有的温室系统模型所存在的问题进行了分析,并指出了其中的不足和局限性。探讨了未来温室系统的建模方法和需要解决的关键问题,提出了面向控制需求的温室系统建模要满足的要求,为温室系统的建模研究提供了一种新的思路和方向。     

户用沼气产气量估算及能源经济效益

该文利用能值潜力估算动物数据库（ABEPE）的模型理念,并结合实地调查数据,探索了2007年中国农村户用沼气池产气量的估算方法,在此基础上对比分析了沼气池建设前后,农户家庭能源消费结构、能源经济支出和生态环境的差异。结果显示：2007年中国农村户用沼气的年均产气量达到450 m3,年均正常产气时间仅为9个月;生猪的饲养规模与产气量呈极显著的正相关关系;沼气农户与无沼气农户人均能耗差异显著,沼气在家庭生活能源消费的比例达到18%,提供了40%的人均有效热,替代了15%左右的商品能源;使用沼气后,人均能耗折合标煤419.56 kg,比使用前下降了16%左右,节省能源开支2%;通过使用沼气,农户可创造559～938元的经济价值,节约林地0.314 hm2。由此可见,发展沼气具有显著的能源、经济、生态效益。     

中国农村家庭能源消费研究——消费水平与影响因素

为探讨中国农村家庭能源消费的基本特征和发展规律，根据全国30个省市农村能源消费统计数据，给出了1996年农村家庭能源消费水平和结构，在相关分析的基础上提出了用人均有效热、人均电力及商品能比例作为农村家庭能源消费的特征指标，进而分析了这些指标与人均收入和年均气温的相关关系。人均电力消费(Y，元)与人均收入(X，元)的回归方程为Y=22.964+3.956×10^-2X。     

不同指标轻小型喷灌机组配置优化

为探究配置方式对喷灌机组整体性能的影响,明晰不同配置方式的特点,在前期调研的基础上,以轻小型灌溉机组4.4CP-45为例,分别以单位面积上资源消耗,如机组能耗、年费用及使用年限内总费用等为评价指标,结合实际使用配置方式,采用遗传算法,讨论平坡条件下配置不同喷头10PXH、15PY、20PY及40PY时的喷头数及管径等最优组合方式,并对每种配置方式的适用范围进行分析。研究结果表明,通过3个优化目标下机组最优配置方式的对比,较好地反映出每种配置方式的优劣,与实际使用方式吻合较好。配置40PY 喷头时,机组单位能耗高,但年费用很低,适于抗旱或大田作物的灌溉;配置15PY 喷头时,优化配置下的机组能耗比初始配置时降低7.3%,比配置20PY降低8.3%,同时各项费用都比较低,灌溉均匀性高,但移动时劳动强度较大,适于经济作物或植物幼苗的灌溉;配置20PY喷头时,机组总费用最低,为6284.8元/hm2,比初始配置降低15.4%。所有配置方式下能耗费、运行费分别占据机组年费用及总费用的主要部分,有必要通过配置优化或采用中低压喷头、改善管理以降低系统能耗。该研究可以为机组的合理设计、喷头选择及应用推广提供参考。     

中国能源作物生产生物乙醇的潜力及分布特点

基于中国后备土地资源潜力,该文分析了在不影响现有粮食和经济作物种植结构的前提下,利用宜耕边际性土地资源发展生物乙醇能源的生产潜力及空间分布.结果显示:长期而言,中国能源作物生物乙醇的总生产潜力在7400×104t以上;中短期而言,如果仅考虑其中集中连片的土地资源,则可生产生物乙醇2170×104t,约占中国2006年汽油消费量的41.4%;中国生物乙醇产量潜力区域差异悬殊,潜力最大的几个省(区)依次为新疆、甘肃、山东、江西和宁夏.     

玉米秸秆成型燃料生命周期评价

为了定量解释以秸秆为原料的成型燃料的节能和温室气体减排潜力,从能源消耗和环境排放出发,分析了玉米秸秆的生长、运输、压缩成型,成型燃料运输、燃烧利用等单元过程,建立了秸秆成型燃料的生命周期能源消耗、环境排放分析模型。以5 000 t/a的秸秆成型燃料生产厂为例,评价了其生命周期能耗和环境排放。结果表明：秸秆运输、压缩成型、成型燃料运输等环节都需要消耗能源,其中,压缩成型的能耗最大;秸秆固定的二氧化碳量为生命周期排放出二氧化碳的96.6%,在很大程度上减少了温室气体的排放。利用生命周期分析秸秆成型燃料,得出其相比化石燃料具有较大的减排优势,为秸秆成型燃料利用提供了基础性数据。