基于光热资源的中国温室气候区划与能耗估算系统建立

 【目的】建立基于光热资源的中国温室气候区划与能耗估算计算机系统,实现中国温室的动态区划,明确中国温室作物周年生产光热资源与能耗分布状况。【方法】针对温室作物生产特点,确定10个温室气候区划指标,采用模糊C-均值聚类方法进行气候区划,并建立基于光热资源的中国温室气候区划系统。将温室气候区划系统与温室作物周年生产能耗预测模型相结合,建立基于光热资源的中国温室气候区划与能耗估算计算机系统,并以Venlo型玻璃温室及温室主栽作物黄瓜和番茄作物为例,利用中国621个标准气象站30年(1971—2000)的逐日气象资料,对系统进行应用实例分析。【结果】系统将中国区划为温室作物生产适宜、次适宜和不适宜3个一级区域和9个二级区(每个一级区分为I级、II级、III级区)。适宜区的特点是一年中适宜温室作物生产时期长,温室冬季加温能耗低,决定温室作物生产经济效益的主要因子是适宜温室作物生产时期的总太阳总辐射量。次适宜和不适宜区的特点是温室冬季加温时间长、能耗高,夏季降温能耗少,决定温室作物生产经济效益的主要因子是温室需要进行加热时期的负积温。【结论】本研究建立的系统一方面可以根据历史气候资料年代的变化进行温室气候动态区划,明确不同气候区温室作物生产光热资源分布动态,另一方面可以应用于计算不同类型温室和不同作物在不同温室温度控制目标下,各个温室气候区域的温室作物周年生产能耗,为中国不同类型温室投资风险评估、以及从能耗角度优化温室结构设计和环境调控提供理论依据与决策分析工具。     

东北地区日光温室冬季能量分配模型的建立

科学地把握日光温室内的能量转化及消耗,对于优化温室结构,建立合理的温室管理策略有着重要的理论价值与实际应用价值。以东北地区较为典型的日光温室作为试验温室,对温室内外的温度和光照等环境因子进行实时监测,充分考虑植物蒸腾作用的影响,将照射到温室前屋面、后墙、后坡、番茄群体、土壤各部分表面的太阳辐射能作为入射能量,建立温室内各表面能量分配模型,对比分析温室内各种能耗途径日变化规律及不同月份的能量消耗情况。结果表明:通过分析温室前屋面、后墙、后坡、番茄群体、土壤各部分表面温度的预测值(y)与实测值(x),计算回归方程分别为y=0.9269x+1.5101、y=0.8609x+1.4668、y=1.0469x-0.195、y=1.2582x-2.5613和y=0.9675x+1.105;决定系数R2分别为0.8993,0.9340,0.9598,0.9273,0.8148。可见,各部分预测结果与实测结果符合度较好,模型能较准确的模拟出温室内各部分结构的能量流动情况。探究不同月份温室能量消耗情况,在沈阳地区10月和11月,日光温室能耗途径中潜热能耗占主要部分,但在沈阳地区最为寒冷的12月,白天潜热能耗可以降低,日光温室的传热能量损失变为主要部分,尤其是前屋面的传热能耗是日光温室传热能耗最为薄弱部分。冬季日光温室夜间能量消耗途径中传热能耗占主要部分,其次为冷风渗透能量消耗,土壤在日光温室夜间起到室内保温作用。本研究建立的日光温室冬季能量分配模型能够较准确地预测东北地区日光温室冬季能量分配情况,可应用于实际生产管理之中,对温室每日能量消耗进行精准模拟监控,为作物生产管理提供理论依据。     

辐热积驱动的温室甜瓜作物系数模型

【目的】以温室内环境因子(光照和温度)为自变量预测温室甜瓜作物系数的变化,为温室甜瓜耗水量的实时预测及灌溉管理提供理论依据。【方法】通过2012、2013年不同播期试验的甜瓜耗水数据与温室内参考作物蒸腾蒸发量,对温室甜瓜作物系数进行了连续测定,采用辐热积量化光辐射和温度对作物系数的综合影响效应,以三次多项式形式定量表达充分灌溉条件下甜瓜作物系数与生长期辐热积的关系,建立辐热积驱动的甜瓜作物系数预测模型,并采用与建模相独立的试验资料对模型进行检验。【结果】甜瓜的作物系数年际间变化不大,表现出较好的稳定性。采用辐热积驱动的作物系数模型,预测值与实际观测值的决定系数和均方根误差分别为0.95和0.12。采用有效积温法对作物系数的预测值与实际观测值间的决定系数和均方根误差分别为0.88和0.17。【结论】辐热积驱动的温室甜瓜作物系数模型综合考虑了光辐射和温度对作物生长过程的驱动效应,具有更高的机理性和预测精度,模型形式简洁,是动态估算温室作物生长过程中耗水量的有效途径。     

日光温室冬季加温热负荷的计算和热风炉补温试验验证

【目的】研究日光温室冬季补温热负荷以及相应加温设备配套功率选型的准确性,计算日光温室冬季能耗的热损失,研究温室专用热风炉补温设备与理论计算能耗一致性问题。【方法】分析温室的总体热损失,研究各个围护结构的热工性能,取值计算温室总热损失量,分别计算出温室围护结构热损失、冷风渗透热损失以及温室内地面热损失占温室总散失热量的比例。【结果】温室理论计算单位面积能耗为166 W/(m²·h);单位面积能耗为142 W/(m²·h),二者基本趋于一致。【结论】各个围护结构的热工值取值合理,温室加温设备配套功率选型较为准确。温室加温热负荷计算时,不应考虑白天温室获得的太阳辐射热量,应将温室夜间最低温度时刻和极端灾害气候下温室需要补充满足的热量作为温室的加温热负荷值。     

温室网纹甜瓜干物质分配、产量形成与采收期模拟研究

 【目的】建立一个可以预测温室网纹甜瓜产量与采收期的模拟模型，为温室网纹甜瓜生产管理和环境调控的优化提供决策支持。【方法】本研究据温室网纹甜瓜器官生长与温度和辐射的关系，建立了基于分配指数的温室网纹甜瓜干物质分配、产量形成与采收期模拟模型，并利用不同基质的试验资料对模型进行了检验。【结果】模型对地上部分干重、根干重、茎干重、叶干重、果实干重的模拟结果与1∶1直线之间的R2分别为0.99、0.65、0.97、0.98和0.98；预测相对误差分别为0.88%、70.21%、7.44%、9.33%和5.28%。模型对网纹甜瓜果实鲜重的模拟结果与1∶1直线之间的R2为0.94，预测相对误差为8.13%，对网纹甜瓜直径的模拟结果与1∶1直线之间的R2为0.95，预测相对误差为9.23%，对网纹甜瓜采收期的预测误差在 1 d内。【结论】与已有的温室作物生长模型相比，本研究建立的模型不仅预测精度较高和功能全面，而且模型参数易获取，具有较强实用性。     

太阳能辅助加温系统对日光温室中茄子生长的影响

针对我国北方地区日光温室冬季农业生产需要辅助加温的问题,设计了太阳能温室辅助加温系统以保证冬季进温室作物的正常生长,并阐述了其工作原理.通过温室内茄子地块分区种植试验,利用PVC水管不同埋深对比,测出地温及茄子生长数据,提出加温系统的设计参数,为研究太阳能辅助加温系统对温室作物生长的影响效果提供依据.     

基于光辐射时滞效应的温室番茄蒸腾量模型的构建

【目的】构建基于光辐射时滞效应的温室番茄蒸腾量模型并确定其应用参数。【方法】依据自动连续记录仪实际称重获得的番茄单株小时蒸腾量,分析番茄蒸腾与温室环境因子的时滞关系,构建基于光辐射时滞效应的温室番茄蒸腾量模型,并对模型进行检验。按照模型预测蒸腾量（ET）,设置T1（1.0 ET）、T2（1.2 ET）、T3（1.4 ET）3个灌溉处理,研究其对番茄基质含水量、光合作用、叶片解剖结构和干物质积累的影响,对模型应用参数进行求证。【结果】晴天时,光辐射与番茄蒸腾量存在1 h的时滞关系,阴天时无时滞关系。考虑时滞效应有利于提升晴天蒸腾模型的精度,时滞模型标准误差与相对误差分别从无时滞模型的0.117 2 mm/h和31.00%降至0.088 5 mm/h和23.42%,纳什系数从0.72升至0.84。T3处理番茄的光合能力强于T1、T2处理;T2和T3处理番茄的叶片厚度、栅栏组织厚度、栅海比显著高于T1处理;T3处理番茄的干物质积累量显著高于T1,但与T2间差异不显著。考虑水分利用效率因素认为,T2处理综合最优。【结论】晴天时光辐射时滞效应1 h的温室番茄蒸腾模型误差最小,精度最高;在番茄果实膨大期,模型灌溉参数为1.2。     

气象资料缺测时Penman Monteith温室修正式的应用

【目的】Penman-Monteith公式(P-M公式)是目前计算大田作物蒸腾蒸发量(ETc)的主要方法,利用该方法可预测未来短期内作物水分亏缺状况,但由于温室与大田之间的环境条件存在显著差异且温室气象数据往往不全,故需要研究提高温室作物水分状况预测精确度的途径。【方法】利用温室番茄主要生育期气象环境信息和土壤水分实测数据,对基于水量平衡原理和P-M温室修正式计算出的ETc结果进行了对比,研究分析了P-M温室修正式的可靠性与气象资料缺测时P-M温室修正式的应用方法,同时对温室气象数据缺测时运用P-M温室修正式计算参考作物蒸腾蒸发量(ET0)的精度进行了分析。【结果】基于P-M温室修正式计算出的ETc与水量平衡法计算出的ETc结果较吻合,相对误差均小于10%。当气象资料缺测时,基于FAO推荐的几种计算方法,运用P-M温室修正式计算的ET0相对误差如下:由日照时数(n)估算太阳净辐射(Rn)进而求得ET0的方法相对误差为17.35%;由气温(T)估算Rn进而求得ET0的方法相对误差为41.69%;由最低气温(Tmin)代替相对湿度(RH)计算实际水汽压(ea)进而求得ET0的方法相对误差为19.09%;分别由n估算Rn,由Tmin计算ea进而求得ET0的方法相对误差为36.31%;Rn与ea均由T估算进而求得ET0的方法相对误差为61.23%。【结论】利用P-M温室修正式可以较好地预测温室作物的水分状况,当修正式的参数Rn缺测时可以用n计算Rn;当参数RH缺测时,可以用Tmin代替RH计算ea。     

基于FAO-56双作物系数法估算农田作物蒸腾和土壤蒸发研究——以西北干旱区黑河流域中游绿洲农田为例

【目的】确定中国西北干旱区黑河流域中游绿洲农田蒸散量并区分作物蒸腾和土壤蒸发,为制定合理的作物灌溉制度和提高区域水资源利用效率提供依据。【方法】本文利用中科院临泽内陆河流域研究站绿洲内部大田玉米地2009年的小气候和土壤蒸发等综合观测试验数据,运用FAO-56和ASCE推荐的两种时间步长的四种不同形式的Penman-Monteith模型估算了甘肃临泽绿洲玉米农田2009年参考蒸散量,并结合FAO-56双作物系数法估算了其实际蒸散量。【结果】4种P-M模型FAO-56-PM 24h、ASCE-PM 24h、FAO-56-PM 0.5h及ASCE-PM 0.5h和双作物系数法估算的实际蒸散量依次为672.1、766.2、991.2和805.6 mm。【结论】利用涡动相关数据及小型蒸渗仪实测数据对其进行了检验,结果表明,使用FAO-56-PM 24h模型估算参考作物蒸散量的参考作物蒸散-双作物系数法能够较好估算研究区的蒸散量并有效地区分农田作物蒸腾和土壤蒸发。2009年研究区域农田制种玉米的耗水量大约为671.2 mm,日均蒸散量为4.1 mm,其中作物蒸腾累积量为498.5 mm,土壤蒸发累积量为172.7 mm,分别占蒸散量的74.2%和25.8%。     

基于相变储热材料的温室栽培架设计及性能研究

【目的】设计一种基于相变储热材料的温室栽培架,为解决温室作物冬季面临的低温冷害等问题提供参考。【方法】利用相变蓄放热系统、辅助加热系统、热风循环系统等组成栽培架,通过试验测试了典型晴天和典型阴天条件下栽培架种植区和相变蓄放热系统内的温度,对种植区与温室内的温度进行比较,并用FLIR红外成像仪采集线椒、番茄叶片部分的热红外图像,验证栽培架的放热保温效果。【结果】在典型晴天且不开启辅助加热条件下,种植区夜间平均温度较温室内高1.2～2.5 ℃;在典型阴天条件下,夜间开启辅助加热系统时,种植区夜间平均温度较温室内高3.3～6.8 ℃。在典型晴天和阴天两种天气条件下,栽培架内种植作物的叶片温度均高于同时段温室内种植的作物。栽培架的平均能量利用率在典型晴天和典型阴天条件下分别为65.1%和56.6%,栽培架的平均性能系数（COP）在典型晴天条件和典型阴天条件下分别为9.3和2.2。【结论】所设计的基于相变储热材料的温室栽培架冬季种植区增温明显,可有效改善作物生长的热环境,且节能效果明显。     

多源感知高效循环智能控制设施大棚架构与实现

以提高作物经济效益、减少资源消耗、增加农业循环利用为目标,提出一种多源感知高效循环设施大棚智能控制及农业专家系统。利用太阳能加热相变储热材料增加棚温;通过特殊通风窗设计增大空气对流面积降低棚温,减少高能耗设备的启用;阴阳棚混合种植实现农业循环利用;采用多源感知提高控制精准,采用动态权值融合算法提高数据融合精度,可通过计算机、手机实时监控。该农业专家系统控制策略结合作物生长模型、温室控制模型与能耗模型3种模型,提出根据大棚作物光合作用速率的多因素节能优化控制方法。根据计算控制增加的经济效益与付出能耗费用的差值最大,得出最优控制策略输出,以促进作物光合作用产生高收益,并减少温室控制成本。整套监控系统已试运行于徐州现代农业实验示范基地。     

低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的取值原则

【目的】建造低能耗日光温室,提高日光温室冬季反季节蔬菜作物生产太阳能被动利用率、降低温室供热需求。【方法】基于建筑热工设计理论和建筑能耗模拟,研究日光温室建筑空间形态特征参数对温室光热环境营造的影响规律,并结合日光温室建筑构造特点,以及反季节蔬菜作物生产过程的光热环境需求特点,给出低能耗日光温室建筑空间形态特征参数的设计条件。【结果】同一地区日光温室高跨比不受跨度变化的影响,只与当地室外空气温度以及太阳辐射强度的变化相关;大暑日至翌年小满日期间,后屋面水平投影长度不应影响日光温室后排蔬菜作物接收太阳光照;确保冬至日至大寒日期间北墙可接收太阳光照射,对冬季反季节蔬菜作物生产期及日光温室高效利用太阳能具有重要的影响。【结论】基于该取值原则优化设计的温室,较北京地区现行常见温室需要提供的累积补充供热量减少15.7%,节能效果明显,为低能耗日光温室优化设计提供重要设计依据和方法参考。     

CFD在温室室内环境研究中的应用

介绍了计算流体力学(CFD)仿真技术的基本理论和应用方法,认为CFD仿真主要包括前处理、求解和后处理3个步骤,且目前大多研究者采用将CFD数值模拟结果与测试数据进行对比的方法,验证应用所建CFD模型进行数值模拟的可行性。重点分析了CFD在国内外温室(冬季温室、夏季温室和日光温室)热环境研究中及温室流场(温室自然通风流场、有防护网温室流场和温室机械通风流场)中的应用现状。在此基础上,提出了今后利用CFD研究温室室内环境的方向:开展多种类型温室的研究,确定合适的边界条件,并对模拟结果的准确性进行评价;对我国不同地区、不同气候条件下的温室热环境开展CFD数值分析,使研究更系统、更完善;引入不同作物CFD模型,研究作物对温室小气候环境的影响,以实现更贴近实际精度的数值模拟。     

Multi–objective Function Optimization for Environmental Control of a Greenhouse Based on a RBF and NSGA-Ⅱ

To better meet the needs of crop growth and achieve energy savings and efficiency enhancements,constructing a reliable environmental model to optimize greenhouse decision parameters is an important problem to be solved.In this work,a radial-basis function (RBF) neural network was used to mine the potential changes of a greenhouse environment,a temperature error model was established,a multi-objective optimization function of energy consumption was constructed and the corresponding decision parameters were optimized by using a non-dominated sorting genetic algorithm with an elite strategy (NSGA-II).The simulation results showed that RBF could clarify the nonlinear relationship among the greenhouse environment variables and decision parameters and the greenhouse temperature.The NSGA-II could well search for the Pareto solution for the objective functions.The experimental results showed that after 40 min of combined control of sunshades and sprays,the temperature was reduced from 31℃ to 25℃,and the power consumption was 0.5 MJ.Compared with the three days of July 24,July 25 and July 26,2017,the energy consumption of the controlled production greenhouse was reduced by 37.5%,9.1% and 28.5%,respectively.     

能源转移设计在农业大棚中的应用(英文)

通过在新型转移能源设计方面的研究应用,开发了一种新型转移能源农业大棚,建造了面积为180 m2的新型转移能源生态农业大棚示范工程试验房。该试验房采用复合太阳能电池板、废弃物为原料的无机泡沫保温材料作为农业大棚建造材料,应用空气-地源热泵互补蓄能系统,使能源采集和农业大棚一体化,达到零能源消耗的目的。该研究内容符合国家发展战略,具有巨大的经济效益和社会效益。     

南方现代化温室能耗预测模型的建立与分析

在分析温室小气候模拟模型的基础上，建立了南方现代化温室的基础能耗预测模型。并对温室能耗进行了计算，通过对预测模型的敏感性分析，指出了叶面积指数、覆盖材料透光率、覆盖层和内外空气的对流换热系数以及温室的平均高度对温室温湿度的影响，为温室设计、建造提供一定的理论依据。     

基于物联网技术的设施作物环境智能监控系统

为了提高设施作物生产管理的智能化水平,结合设施作物监管需求,基于物联网技术,研制了设施作物智能监测系统。在设施作物生长发育过程中,该系统可以全程对设施作物进行实时监控,实现了温室内光、温、气等环境参数和生产现场远程视频的实时监测,还可以远程自动控制湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、加温补光等设备,从而实现了温室环境的自动调控,提高了获取数据的效率和准确性。通过在实际生产中应用,该系统具有功耗低、成本低、扩展灵活、性能稳定等优点,说明了该系统设计的合理性、稳定性与实用性。该系统的构建和运行,为设施作物长势进行实时跟踪监测与综合分析以及管理提供决策支持。     

温室系统夏季温度动态模型的建模与仿真

运用一种基于能量和物质守恒的温室环境智能化控制的建模思路和方法,分析了温室小气候中辐射、通风、对流和作物蒸腾作用引起的热质交换物理过程,研究和建立了夏季温室温度的动态模型。用Matlab／Simulink软件仿真,验证了动态模型能可靠地估计温室内空气的温度值．为合理调控温室内环境因子提供了借鉴和依据。     

连栋式育苗专用温室供暖系统节能的改进设计——以新疆新和县依其艾日克乡育苗温室为例

[目的]探讨适用于连栋式育苗专用温室采用燃煤热水供暖时暖气管道的最佳布置形式.[方法]以选定的标准温室为研究对象,探讨水平异程式和水平同程式暖气管路布置上存在的特点,再从选定标准温室的耗煤核算做对比,以具体实例来讲述连栋温室供暖的节能设计.[结果]连栋式育苗温室在冬季供暖采用同程式管路布置较异程式节能20.1;.[结论]在选定的标准温室中,暖气布置采用同程式不但可有效解决异程式因压力不均而引起的冷热不均现象,同时可降低采暖煤耗,节约能耗,更是育苗温室暖气管道的最佳布置形式.