节能型日光温室智能加温控制系统设计

在北方冬季节能型日光温室生产中常出现极端低温天气,气温低于作物致死温度,导致温室作物大幅减产甚至绝收。为精准调控温室温度,降低低温带来的损失,本研究设计了一套日光温室智能加温控制系统,其硬件设备由感知模块、主控模块、通讯模块、伺服模块、执行设备组成。系统实现了日光温室温度环境的智能控制,可自动采集温室内气温数据,并根据主控模块内设置的加温控制阈值实现温度执行设备的自动开关,同时可通过Android远程客户端进行数据查看及执行设备状态控制。系统应用与验证结果表明:二代砖墙日光温室最低温度维持6~8℃,则系统日开启时间需4.9h,日资金投入146元;维持10~12℃,则系统日开启时间6.1h,日资金投入194元。应用过程中系统性能稳定,实现了温度环境的精细化、无人值守智能调控,夜间加温效果良好。     

日光温室空气余热热泵加温系统应用效果

中国日光温室是低碳节能设施结构类型的代表,但昼夜能量分布极不平衡,白天室内热量富余,而夜间低温高湿,冷害、病虫害时有发生。为实现日光温室内热量在时间、空间上的转移,以提高空气热能利用效率,提升日光温室抵御低温能力,设计了一套日光温室空气余热热泵加温系统。白天适时运行系统,将日光温室内富余空气热能泵取并储存于蓄热水池中;夜间室内气温较低时,首先开启风机和水泵,以对流换热方式通过表冷器直接散热;当蓄热水池水温降至一定温度,逆向运行热泵系统强制放热;此外,在连阴天及极端低温天气条件下,可开启风机与翅片式电加热对温室进行应急加温。对加温系统的应用效果进行试验,试验结果表明：与对照温室相比,系统运行期间,试验温室夜间平均气温高出2.8～4.4℃,相对湿度降低8.0%～11.5%;白天平均气温降低3.7～5.2℃,相对湿度降低12.3%～16.5%。系统不仅夜间加温、降湿效果显著,同时白天降温、除湿效果显著。系统白天集热功率为12.5～16.4 kW,制热性能系数为3.3～4.2;夜间表冷器散热阶段系统放热功率为9.3～10.3 kW,性能系数为6.6～7.4;逆向运行热泵强制放热阶段系统性能系数为3.8～4.1。加温周期内系统集、放热过程始终处于制热工况,整体性能系数达2.7,节能效果显著。该研究为日光温室夜间节能加温提供了新思路。     

主动蓄放热-热泵联合加温系统在日光温室的应用

为提高主动蓄放热系统集热效率,增强日光温室抵御低温能力,设计了一套主动蓄放热-热泵联合加温系统。白天运行主动蓄放热系统,将北墙获得的太阳辐射能储存到蓄水池中;根据天气情况及蓄水池水温变化适时开启热泵机组,降低主动蓄放热系统循环水温,进而提升其集热效率;夜间室内气温较低时,通过主动蓄放热系统放热。试验结果表明：与对照温室相比,试验温室夜间气温高出5.26～6.64℃;热泵机组制热性能系数COPHp为4.38～5.17,主动蓄放热系统可为热泵机组热源提供充足的热量,保证理想的热源温度;在日光温室特定的光热环境下,主动蓄放热-热泵联合加温系统的集热效率达到了72.32%～83.62%,总体COPSys值达5.59,节能效果显著。该研究为提高日光温室夜间温度提供了新思路。     

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。     

日光温室环境调控关键技术研究

设施蔬菜作物的生长发育与温室环境因子密不可分,生长发育进程明显受到温度的影响,而病害发生又与高湿度有着密切的联系。本文系统分析了日光温室内的光照、温度、湿度以及气体环境等特点,结合大棚的室内外环境特点,研究分析日光温室环境调控的关键技术。从加温、降湿、增加光照强度和补充二氧化碳等几个方面详细的阐述了进行温室环境调控,实现设施作物栽培的优质、高效生产,为日光温室的实际生产提供数据支持和技术依据。     

光伏驱动基质控温系统对温室番茄根区的降温效果

在温室中经常出现短期或持续的高温工况,通常温室内温度环境调控的方法为整体降温,该方法通常会出现无法达到有效降温或高能耗的问题。为解决上述问题,更好地实现温室的周年生产,该研究提出了一种以光伏作为能量来源,以无机相变材料作为储能工质,结合生态智能的环境控制策略,对番茄根区应对高温工况,实现安全连续生产进行了试验研究。结果表明,在温度较高的夏季晴天需2次各约1 h的降温,阴、雨天各仅需1次约1 h降温,其余时段充分利用系统的保冷作用即可达到维持作物舒适生长环境的要求。在试验工况下,典型晴天(2018年7月18日)、阴天(2018年6月30日)、雨天(2018年7月1日)与对照组温度变化相比,该系统实际将试验组基质的平均温度分别降低了8.65、11.38、11.47℃,使番茄根区温度在日间始终低于最高耐受温度(33℃),夜间温度控制在发育的最适温度(22℃)左右。试验进行到第17天时对照组植株全部死亡,试验组保持良好生长状况。该研究所提出的温室控温方法中,保温种植槽单位面积的制冷功率为510.42 W/m^2,基质平均温度降低9.03℃,实现了温室能耗的大幅度降低,而且能够长时间维持降温的效果。使用生态智能种植基质控温的方法和系统,可以实现在超低能耗条件下,解决温室番茄的抗高温安全生产问题。     

下沉式日光温室内温光环境分析

对下沉式日光温室内气温、后墙内表面温度和太阳总辐射进行多点连续测定,以了解其温、光环境特点,并与非下沉式日光温室进行对比分析.结果表明,晴天下沉式日光温室内气温和后墙内表面温度至13:00达到最高,分别为35.53℃和41.80℃,气温升高速率为6.48℃/h,室内外平均温差为17.47℃,差温为14.20℃.阴天下沉式日光温室内气温和后墙内表面温度至14:00达到最高,分别为15.83℃和15.35℃,气温升高速率为1.27℃/h,室内外平均温差为9.78℃,差温为2.47℃.小雪天下沉式日光温室内后墙内表面温度在13:00最高,为18.71℃,气温下降速率为0.10℃/h,室内外平均温差为5.67℃,差温为-0.19℃.冬季下沉式日光温室内平均最低温度为7.35℃.晴天下沉式日光温室内太阳总辐射透过率为25％～80％,室内外太阳总辐射呈直线正相关,室内太阳总辐射的日变化呈抛物线趋势,室内太阳总辐射在空间分布上比非下沉式日光温室更复杂,需要采取合理措施改善温室内光照环境并合理利用空间.试验结果可为下沉式日光温室的管理以及指导日光温室内作物生产提供依据.     

太阳能蓄热联合空气源热泵的温室加热试验

针对日光温室被动采光蓄热的特点,该文在2014年1-2月期间,针对西安地区-6~10℃冬季气温条件下,开展了太阳能蓄热联合空气源热泵温室加热试验研究,通过对比太阳能蓄热联合空气源热泵系统改善温室内的空气温度、湿度及土壤温度等环境因素,分析评价太阳能联合空气源热泵系统在日光温室冬季应用的性能,结果表明:太阳能蓄热联合空气源热泵加热系统不仅明显提高了温室内的空气温度和土壤温度,也有效降低了温室内的湿度;在试验天气条件下,热泵单独供热时,系统的性能系数COP(coefficient of performance)在2.09~2.45之间;太阳能联合空气源热泵供热时,系统的COP在3.45~5.56之间;相比于其他天气工况,晴天条件下,太阳能蓄热供热时间较长,热泵补充供热时间缩短,系统的COP较高;采用地暖联合风机盘管作为末端供热方式,能够维持较高的室内气温和土壤温度,降低室内相对湿度。该文为今后进一步简化温室结构和降低建设成本,实现日光温室主动采光蓄热,奠定前期研究基础。     

大跨度主动蓄能型温室温湿环境监测及节能保温性能评价

针对日光温室土地利用率低,单体小不能进行立体栽培果树种植,不利于机械化操作等问题。该文提出一种大跨度主动蓄能型温室,该温室南北走向,双屋面拱形钢骨架结构,并采用主动蓄放热系统进行能量的蓄积与释放。该试验以传统砖墙日光温室作为对照,对大跨度主动蓄能型温室室内外温湿度以及主动蓄放热系统的能量收支进行分析,并对比2种温室的建造成本,综合分析了试验温室保温节能效果及经济效益。结果表明:大跨度主动蓄能型温室土地利用率高达87.4%。温室夜间平均气温高于10℃,无极端低温,晴天夜间平均气温比对照温室高1.5~3.1℃,比室外高13.9~19.3℃;阴天夜间平均气温比对照温室高1.2~2.8℃,比室外高12.5~18.9℃。夜间室内相对湿度平均比对照温室低7%~10%。主动蓄放热系统性能系数COP(coefficient of performance)为3.4~4.2,平均每天能耗0.013 k Wh/m2,与传统燃煤锅炉加温系统相比,平均节能率为47%。大跨度主动蓄能型温室建造成本每平米307.2元,比传统砖墙日光温室低144.5元。大跨度主动蓄能型温室是一种土地利用率高,单体大,保温性能良好,能进行冬季果菜生产的新型温室类型,且投入少,综合其经济环境效益,值得推广应用。     

日光温室顶部菲涅尔透镜的光热分离特性研究

为了进一步提高日光温室内主动蓄放热的热能利用效率,该研究在日光温室内的顶部空间,构建了基于曲面菲涅尔透镜的直散分离系统,该系统对顶部区域的空间利用率为25.8%。利用光学仿真软件对不同入射角的太阳光进行追踪,并对该曲面菲涅尔透镜在典型日条件下的接收效率和焦斑分布进行分析,得到一日内的变化规律。在直射光集热测试方面,正午时段内,该系统的集热效率可以达到45%。对比散射光环境对温室的影响,发现试验区全天光照度减小约为10%~40%。该文以主动集热土垄加温系统提升栽培土垄温度作为试验组,并与不加温对照组进行了比较。试验结果表明,系统可提高土垄温度4.5~5.0℃。连续晴天情况下,土垄加温系统的COP(coefficient of performance)为1.5~1.9。研究表明此新型温室集热方式可提高空间利用率,改善温室内光热环境,同时利用午间强直射光集热,实现太阳能综合利用。     

日光温室水幕帘蓄放热系统增温效应试验研究

针对日光温室夜间温度过低,难以满足作物生长需求这一问题。设计了一种水幕帘蓄放热系统,该系统以日光温室墙体结构为依托,以水为介质进行热量的蓄积与释放,白天利用水循环通过水幕帘吸收太阳能,同时将能量储存在水池中,夜晚利用水循环通过水幕帘释放热量,以提高日光温室内温度。试验测试结果表明,应用该水幕帘蓄放热系统可将温室内夜间温度提高5.4℃以上,可将作物根际温度提高1.6℃以上;该系统夜间通过水幕帘的放热量达到4.9～5.6MJ/m2;日光温室蓄放热量的增加,实现了西红柿的安全过冬生产,同时将西红柿的上市时间至少提前20d。该研究成果对日光温室结构的改进、温度调控有较大的科学意义。     

装配加温除湿系统的轻简装配式日光温室设计及性能试验

针对中国传统日光温室土地利用率低、建设成本高、墙体构造各异及温度和湿度环境难以调控等突出问题,该研究设计出一种轻简装配式日光温室,并配套了基于温室主动蓄放热原理的冬季夜晚加温和除湿系统,其温室骨架可与主动蓄放热系统结合为一体。研究结果表明:相比于传统砖墙日光温室,轻简装配式温室冬季夜晚温度提高4.5℃以上;采用基于主动蓄放热系统热能的除湿系统,可将温室夜间相对湿度降低14%,相对湿度控制在80%以下;该温室可实现整体式装配安装,大大减少了施工时间和安装成本,温室后墙厚度为166 mm,与后墙为600 mm厚的砖墙温室相比,墙体占地面积减少72%,显著提高了土地利用率。     

基于热量平衡方程的温室冬季温度控制策略

为解决配备空气源热泵的温室在冬季加热时温度调控不稳定等问题，该研究在对温室热传递原理进行分析的基础上，通过实测数据分别计算了温室卷被闭合与揭开两种状态下的综合传热系数、空气源热泵系统工作性能参数和雾化喷淋工作性能参数。根据温室热量平衡方程，建立了调控设备控制时间与温室环境参数间的数学关系，并以此提出了温度控制策略，系统运行时利用传感器实时采集环境数据作为输入，输出设备所需工作时间，并据此控制设备启停。经试验验证，基于热量平衡方程的控制方法能有效控制温度在目标值附近，且温度变化稳定、波动幅度小。在外部天气状况相近条件下，该控制方法的单日耗电量比基于上下限阈值控制的方法节约9.06 kW·h，占其当日耗电量的10.95%。在控制策略研究的基础上，利用典型物联网结构设计并实现远程自动控制，研究结果可直接应用于实践。     

日光温室主动蓄放热系统应用效果研究

针对日光温室冬季夜晚温度低、作物易发生冷害等问题,设计了以水为蓄热介质的主动蓄放热系统.系统由集/放热装置、储热装置和控制装置等组成.白天进行太阳辐射热的吸收与储存,夜晚释放热量用于温室增温.试验结果表明,晴天条件下,主动蓄放热系统的集热功率为0.3kW/m2,蓄热量为6.9MJ/m2;夜间放热功率为0.2kW/m2,放热量为5.7MJ/m2,热利用效率为0.83,试验温室与对照温室的平均气温相差6.3℃;阴天及多云天气条件下,试验温室与对照温室的夜间平均气温相差4.6℃,表明主动蓄放热系统能有效改善日光温室夜间低温状况,进而保障蔬菜安全越冬生产.     

双热源半自动控温甜樱桃促成栽培系统设计与试验

为解决甜樱桃促成栽培产量和质量不稳定的问题,该研究根据甜樱桃促成栽培特点,研制了一种双热源半自动控温甜樱桃促成栽培系统。该系统以煤、柴为燃料的地炕式加热炉为补充加热方式,结合太阳能调控温度。通过与传统大棚比较,分析了该系统对甜樱桃栽培产量及经济效益的影响。结果表明:连续2 a应用甜樱桃促成栽培系统的大棚产量稳定在11 550 kg/hm2以上,优质果率超过80%,年经济效益比普通大棚高37%(2012年)和36%(2013年)。该系统采用半自动测控促成栽培环境,使环境因子的检测和报警实现自动化,明显降低了劳动强度,在甜樱桃促成栽培中推广应用,可取得显著经济效益。     

大跨度保温型温室的热环境模拟

大跨度保温型温室为拱型钢骨架结构,南北走向,相邻温室间距仅2m,相比于传统日光温室土地利用率提高到91%,且仍具有日光温室节能的特点。为分析和评价该温室的蓄热保温性能,基于温室热传导、对流换热、太阳辐射、天空辐射、作物蒸腾、自然通风等热物理过程,构建了温室内热环境变化模型,并利用Matlab软件对其进行求解,模拟在冬季连续4个典型工作日无加温条件下,每10min的室内空气温度和作物根区温度,并将模拟值与实测值进行对比分析。结果表明,模型对大跨度温室内空气温度模拟的平均绝对误差在±1.3℃之内,模拟值与实测值间直线方程的决定系数（R2）为0.99（n=576）,回归估计标准误差（RMSE）和相对误差（RE）分别为1.6℃和16.4%;作物根区温度实测值与模拟值的绝对误差在±0.6℃之内,直线方程的R2为0.91（n=576）,RMSE和RE分别为0.76℃和6.7%。模型模拟值与实测值较为一致,可为温室环境精准调控和结构优化设计提供理论依据。     

冬夏兼用型日光温室内热湿性能分析与应用效果

日光温室是中国北方地区重要的农业设施类型,可进行春提早、秋延后与越冬栽培,但在夏季高温季节使用困难。为了提高苏北地区日光温室的利用效率,该文设计了一种后墙部分可拆装的冬夏兼用型日光温室,该日光温室的后墙包括上下两部分,上部分为镀锌钢架和秸秆块组成的拆装墙体,下部分为空心砌块砌筑的固定墙体。该文以当地传统空心砌块后墙日光温室为对照,首先监测两种日光温室最热月和最冷月的室内外温湿度变化;其次,比较分析了两种日光温室后墙材料热工性能、冬季后墙温度波动和热流密度的差异以及夏季室内空气流动速率的差异;最后,分析比较了两栋日光温室冬夏季室内作物生长状况、产量以及投入产出比。结果显示,冬夏兼用型日光温室固定墙体的热稳定性能和隔热性能分别高于传统空心砌块墙体10.8倍和18.3倍,昼平均热流密度高约19.0%,蓄热时间长约1.0 h,夜间平均热流密度高约18.3%,放热时间长约2.1 h。夏季拆除秸秆块后,冬夏兼用型日光温室内空气流速明显高于对照温室。田间监测发现,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季白天室内平均气温高1.1℃,室内平均湿度低9.1%;夜间室内平均气温高1.0℃,室内平均湿度低6.8%,番茄单株产量显著提高16.7%;夏季通风口面积大,室内空气流速大,通过自然通风排除的热量多,白天室内平均气温低4.0℃,夜晚室内平均气温低3.1℃,日最高气温低1.4~8.1℃,不结球白菜单株鲜质量显著提高38.5%。统计结果显示,与对照温室相比,冬夏兼用型日光温室投入产出比高8.05%。综上,与当地传统空心砌块后墙日光温室相比,冬夏兼用型日光温室冬季保温性能和控湿性能好,夏季通风降温性能优良,能够实现作物的周年生产,在苏北地区具有一定的实用价值。     

浅层地热联合太阳能集热墙系统冬季室内供暖试验

该文提出一种浅层地热联合太阳能集热墙系统,并在石河子地区对采用该系统的被动式太阳房进行了供暖测试研究,对比分析了试验房在不同供暖模式(C1对比房无任何采暖措施的模式、C2试验房未开地下室顶板通风口的供暖模式、C3试验房采用浅层地热联合太阳能集热墙系统的供暖模式)、不同天气状况(晴天、阴天)下的室内热环境。试验结果显示:试验房C3模式下室内平均温度比对照房室内平均温度高6.45℃,日较差为3.5℃;晴天时,试验房白天室内温度有5 h超过了12℃;阴天时,试验房室内外温差仍然达到9.52℃;当室外天气状况为晴天且空气质量指数(air quality index,AQI)符合二级标准限值情况下,试验房在采暖期内10月、11月、及次年的3月、4月,可仅依靠浅层地热联合太阳能集热墙系统满足室内温度的要求,节能效果显著。     

基于ZigBee技术的温室无线智能控制终端开发

针对温室农业控制的需要,开发了温室无线智能控制终端。该系统基于ZigBee无线网络,以Jennic公司生产的ZigBee无线微型控制器JN5139-M01模块为核心,整个无线传感器网络由无线生理生态监测节点、ZigBee温室无线智能控制终端和智能语音模块组成。无线传感器节点分布于温室的各个测量点执行各数据的采集、预处理和无线发送等工作,温室无线智能控制终端负责处理所有无线传感器节点采集的数据信息。智能语音模块能够根据采集到的信息及时提供生产指导建议。温室无线智能控制终端实现了对温室环境因子（土壤温度、叶片温度,光照、茎秆生长、土壤水分等）的数据采集和有效控制。通过试验验证,该系统运行稳定,并且操作简单,使用方便。     

温室水循环太阳能利用系统高效节能控制策略

针对目前温室水循环太阳能利用系统无法在合理时间集热的问题,开发模面装置,基于其表面综合温度提出高效节能控制策略。理论分析表明,日间表面综合温度反映集热器表面可集太阳余热,利用该温度与蓄热水池内水温之间的差值可较准确地判断集热时机;夜间表面综合温度接近于室内气温,利用该温度进行放热控制的方式实质上就是利用室内气温的方式。通过现场试验,测试提出的控制策略下实现的中空板水循环太阳能利用系统的集放热效果,并与现有的基于设定时间点或室内气温的控制方式的能力进行对比。试验结果表明中空板系统在提出的集热控制策略下获得的晴天的集热量（404.1 MJ）与多云天和阴天的集热量（分别为225.9和62.7 MJ）差异显著。而设定时间点控制集热,导致少集热（1.4 h）、无效运行（1.7 h）等问题。基于室内气温方式浪费集热时机：集热初期,太阳辐射较强,系统本可集热（31.8 MJ）,且集热量远大于能耗,集热COP（Coefficient of Performance）达20.2,但因气温低,并不运行;集热末期,还出现短期无效运行（多云天为0.7 h;阴天为2.4 h）。该研究提出的集热控制策略能以更低能耗实现更高集热量;放热控制方式也具有一定优势。