溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設計和試驗

張卓，汪小旵,2，趙進，劉景娜，Morice O.ODHIAMBO

(1南京農業(yè)大學工學院，江蘇南京210031；2江蘇省智能化農業(yè)裝備重點實驗室，江蘇南京210031)

長江三角洲地區(qū)冬季生產設施作物面臨著持續(xù)低溫弱光的氣候問題[1]，沒有加溫設備的溫室大棚只能依靠積蓄太陽能來提高室內溫度，受天氣影響很大，低溫季節(jié)的連續(xù)陰雨、雪天時，氣溫和地溫都持續(xù)很低，使得蔬菜作物，尤其是喜溫蔬菜生長遲緩，甚至出現(xiàn)冷害，嚴重影響蔬菜的品質和產量[2-3]。為了保證作物在低溫環(huán)境下安全過冬，一般采用燃煤或者焚燒作物秸稈進行加溫，隨著環(huán)保壓力日漸增加，選用空氣源[4]或水源熱泵[5-8]進行溫室加溫也是一種新型的加溫方式，但是溫室整體環(huán)境加熱仍然存在電能消耗高、價格昂貴等問題，采取作物根區(qū)加溫是一種節(jié)能的替代方式[9]。采用電熱元件直接加熱作物根區(qū)，加溫效果明顯、熱效率高，且設計性強，可根據不同使用場所設計出更符合需求的加熱模式。何芬等[10]分別采用發(fā)熱電纜、自限溫發(fā)熱帶、碳晶電熱膜對育苗根區(qū)進行加熱，分析了不同加溫材料對栽培基質溫度的影響；張紅梅等[11]利用一種由金屬發(fā)熱絲嵌入聚丙烯保護膜構成的農用發(fā)熱膜進行冬季茄果類育苗；周長吉[12]將栽培盆直接放置在地面，加熱管道鋪在栽培盆底部，直接對其加熱；趙云龍等[13]將碳晶加熱板系統(tǒng)引入番茄栽培設施中，試驗表明將加熱板全部掩埋在基質里加溫處理番茄幼苗能顯著提高番茄的根系活力和光合速率。目前，大多數(shù)根區(qū)加熱主要適用于育苗環(huán)節(jié)的栽培，因此在長江三角洲地區(qū)采用根區(qū)加熱的方式來驗證茄果類作物能否安全過冬，具有非常重要的意義。

本文擬研制一種保溫性能良好的雙層嵌套式栽培盆，將硅橡膠加熱板放置于栽培基質中，加熱板由STM 32微控制器進行加熱功率控制，分析在不同根區(qū)溫度下作物地上部分溫度變化特性，以期為冬季溫室中對茄果類作物進行根區(qū)加熱提供參考。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)主要由栽培盆、硅橡膠加熱板、發(fā)泡劑、觸摸屏、繼電器、電源、SPI 通信模塊、STM 32微控制器及傳感器模塊等組成。溫度傳感器與變送電路組成采集模塊，完成設備初始化后，通信模塊將采集的溫度信號傳送至控制器，控制器計算采集到的狀態(tài)值與設定值，通過在線調整模糊PID算法并計算出控制量，從而控制多路加熱板加熱功率，具體工作原理如圖1所示。

1.1 節(jié)能型栽培盆設計

1.1.1 外形設計設計一種雙層嵌套式栽培盆，外層栽培盆口徑尺寸40 cm×40 cm，底徑24 cm×24 cm，高35 cm；內層栽培盆口徑尺寸30 cm×30 cm，底徑18 cm×18 cm，高26 cm。將小盆嵌套在大盆內部，間隙使用發(fā)泡劑填充，間隙底部發(fā)泡劑厚度為8 cm，四周間隙厚度為5 cm，栽培盆內壁兩側各放入硅橡膠電熱板，三維效果圖如圖2所示。發(fā)泡劑的主要成分為聚氨酯，聚氨酯廣泛用于建筑、化工、電子等領域的一種新興的有機高分子材料，該材料導熱系數(shù)極低，不易吸水，具有黏結、密封、隔熱等特點，是一種優(yōu)質保溫材料，在系統(tǒng)運行時起到隔熱保溫進而節(jié)能的作用。

圖1 溫度控制系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of temperature control system

圖2 節(jié)能栽培盆結構示意圖Fig.2 Structure of energy saving pot

1.1.2 硅橡膠加熱板的設計加熱板采用硅橡膠電熱板，它具有良好的柔韌性，可與被加熱物體緊密接觸，雙面散熱。電加溫線排布如圖3所示，外形呈長方形，長×寬×厚為150mm×120mm×1mm，電熱板發(fā)熱形式為面狀，相比電熱線以自身為輻散中心呈線性散熱，可避免栽培盆內局部溫度過高、受熱不均勻等問題，且相同功率下其表面溫度較低，可減少對植物根系的傷害[14-16]。

對于穩(wěn)態(tài)的一維平壁導熱問題[17-18]，采用第一類邊界條件，可利用傅里葉定律求解加熱板所需的熱流量，其數(shù)學描寫為：

即熱流量和熱流密度為

圖3 硅橡膠電熱板結構圖Fig.3 Schematic diagram of silicon rubber heating plate

式中，Φ為熱流量，W；q為熱流密度，W/m2；θ、θ′為不同平壁面的溫度，℃；δ/λA為平壁的導熱熱阻，K/W；δ/λ為平壁的面積熱阻，m2K/W。

以加溫栽培盆為模型，模擬出作物在極端寒冷天氣下所需的加溫能耗量，計算以單片加熱板加熱作物根區(qū)為例，其中栽培盆與硅橡膠加熱板厚度不計，模型示意圖見圖4。

圖4 栽培盆導熱示意圖Fig.4 Schematic diagram of heat conduction in pot

據文獻[19-21]可知辣椒喜溫不耐霜凍，生長期間若長期處于0～5℃以下低溫時，會出現(xiàn)葉綠素減少等冷害表現(xiàn)，即溫室氣溫(θf)的極端值范圍為0～5℃，計算時θf取1 ℃，試驗設定根區(qū)溫度范圍在15～25℃，栽培基質層溫度(θ1)取最高值25℃，此時保溫層溫度(θ2)維持在40℃，將上述數(shù)據代入到公式(3)和(4)，得到2個方向的熱流密度：

加熱板的熱流為2個方向的熱流密度之和：

通過公式(3)～(5)算得加熱板所需熱流密度q為76.7W/m2，說明在實際試驗中采用80W/m2功率的加熱板是較為合理的。

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)微控制器選用STM 32F407，其具有良好的瞬態(tài)反應和抗噪聲能力，可保證系統(tǒng)的可靠運行，溫度采集電路采用Ⅰ級K 型熱電偶加調理芯片MAX 6675，通過SPI 串口通訊方式將數(shù)據傳送至STM 32，每路熱電偶單獨連接一個溫度調理芯片，通過譯碼器譯碼來選擇讀取的熱電偶通道，輸入面板采用TFT 顯示屏，可通過控制面板設置溫度值，電路原理圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of control system circuit

1.3 溫度控制系統(tǒng)設計

為了確保系統(tǒng)控制根區(qū)溫度的穩(wěn)定性，采用抗干擾能力強、響應迅速的自整定模糊PID控制算法[22-24]。模糊PID控制結構如圖6所示，采用二維模糊控制結構，以溫度誤差e(k)和誤差變化率ec(k)作為輸入，PID 參數(shù)調整量?Kp、?Ki和?Kd作為輸出。

圖6 模糊PID控制結構圖Fig.6 Structural diagram of the PID control block

本系統(tǒng)采用三角形隸屬度函數(shù)，設定輸入輸出量的詞集取7個模糊子集，即{NB(負大)，NM(負中)，NS(負小)，Z0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，其中“大、中、小”表示控制量的程度，“正、負”表示變量的變化趨勢方向(正變化或負變化)。設定初始溫度θs，開始階段使用開關控制使加熱板開始加溫，待土壤溫度上升到一定溫度后采用模糊PID 來控制，PID調節(jié)實際溫度θc的范圍在[θs?θe，θs+θe]內，誤差的變化率ec范圍在[?Us/T?θec，?Us/T+θec]內，則E和EC 的基本論域為[?θe，θe]和[?θec，θec]。根據工程經驗，本文將溫度信號誤差e和溫度信號誤差變化率ec的模糊論域設為[?6，6]，控制器輸出變量?Kp、?Ki和?Kd的論域分別為[?0.12，0.12]、[?0.30，0.30]和[?0.09，0.09]。溫度信號誤差的量化因子Ke=6/θe，溫度信號誤差變化率的量化因子Kec=6/θec，這將e和ec從基本論域范圍轉換為模糊論域范圍，比例因子分別是0.020、0.050和0.015，工作時，系統(tǒng)不斷讀取e、ec值，模糊控制器實時輸出?Kp、?Ki和?Kd的值，根據公式(6)得到PID算法的Kp、Ki和Kd，從而實現(xiàn)PID控制的參數(shù)自整定。

式中，Kp_s，Ki_s和Kd_s分別為PID參數(shù)基值。

2 材料與方法

2.1 材料

供試辣椒品種為‘蘇椒5號’，該品種的辣椒株高最高可達50～60 cm，栽培基質為椰殼(Galuku Group，澳大利亞)，辣椒栽培期間定期施用營養(yǎng)液，試驗期間外界氣溫較南京冬季平均氣溫偏低、風速適中，是典型的南方冬季低溫弱光氣候。試驗于2017年11月4日播種于孔穴盤中，12月6日“四葉一心”時選取長勢一致的植株移植到栽培盆中，進入加溫栽培期。

2.2 方法

采用TP-300手持式測溫儀對根區(qū)溫度進行檢測，測量時溫室內溫度8℃。由于栽培基質質地松軟，導熱系數(shù)較低[25]，屬于熱的不良導體，電熱板在基質里放出的熱量到達植物根際有一定滯后性，測量時每個栽培盆設置5個測點，以植物根莖5 cm 為半徑，深度為10 cm 的5個點，測量點分布如圖7所示。設置3組根區(qū)溫度：15、20和25℃，每組溫度處理3株植株，對每株植物進行4次重復觀測，取平均值作為測量值，每次測量相互獨立。

圖7 溫度采集點分布圖Fig.7 Distribution diagram of temperature collection points

作物地上部分(莖稈、葉片)溫度測量時，設置根區(qū)溫度為15、20和25℃，測量時間為每天05:00，試驗采用的辣椒株高均在25～35 cm，且作物外形相似，對作物地上部分的溫度測量分為莖桿和葉片兩部分。莖稈上每隔2 cm 設置為一個測點，每一葉片沿著葉脈方向均勻選取3個測點，測點之間間隔相等，測點分布如圖8、圖9所示。使用TYS-4N 型植物營養(yǎng)測定儀對整株作物溫度進行測量，測量時按下測量壓頭，使測量位置夾住作物葉片停留約2～3 s，直到蜂鳴器發(fā)出提示音，松開測量壓頭。

圖8 作物莖稈測點示意圖Fig.8 Schematic diagram of measuring points on crop stem

圖9 作物葉片測點示意圖Fig.9 Schematic diagram of measuring points on crop leaf

對作物地上部分溫度進行連續(xù)測量，07:00—21:00每隔2 h 測量1次。觀測點選擇作物基底部、作物中部和冠層頂部3個高度，每個高度隨機選擇4個測點，測點分布如圖10所示。采用TYS-4N 型植物營養(yǎng)測定儀測量各個測點的溫度，為避免環(huán)境溫度的波動對測量結果產生影響，4次測量均在1m in 內完成，觀測值為測點溫度的平均值。

為了驗證保溫栽培盆的節(jié)能性，在相同外界條件下，比較保溫栽培盆與普通栽培盆的耗電量。普通栽培盆為內層保溫栽培盆，即口徑尺寸30 cm×30 cm，底徑18 cm×18 cm，高26 cm，單層，不加保溫層，加熱板放置同保溫栽培盆。在不同根區(qū)溫度(15、20和25℃)下分別設置3組保溫盆與3組普通盆，采用電量檢測儀測量每盆作物的耗電量，每天5:00讀取電量檢測儀的讀數(shù)，為當日該盆的能耗量，持續(xù)測量2周。最后對保溫栽培盆進行實用性分析，與燃煤鍋爐進行經濟性比較。

圖10 作物地上部測點分布示意圖Fig.10 Schematic diagram of m easuring pointson p lant aboveground

3 結果與分析

3.1 根區(qū)溫度控制試驗

驗證系統(tǒng)溫度控制準確性的采集結果如表1所示。計算溫度平均值時，20 ℃組2 的測量值與25℃組2的測量值為可信度較低的數(shù)值，計算時應剔除，對剩余的數(shù)據進行計算，保證得到最優(yōu)的平均值，由試驗結果可知，實際測得的數(shù)據比設定溫度偏高，相對誤差保持在0～4.53%，該系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性與精確性。

表1 根區(qū)溫度控制試驗結果Table 1 Experiment results of controlling root temperature℃

3.2 不同根區(qū)溫度作物地上部溫度的日變化特征

由表2可知，在前3個晴天試驗日中，中午時段太陽輻射較強，溫室室內溫度迅速上升，在15、20和25℃3種根區(qū)處理溫度下作物日間平均溫度分別為11.0、12.1和13.2℃，CK 日間平均溫度為9.8℃，說明該系統(tǒng)的加溫模式在有太陽輻射的情況下對作物地上部分溫度提升效果明顯。試驗期間溫室氣溫、對照組作物的平均溫度和不同根區(qū)溫度下作物地上部溫度的變化曲線如圖11所示。由圖11可知，作物地上部每日溫度變化呈“單峰”曲線變化，最高溫度出現(xiàn)在12:00—14:00區(qū)間，同時，12月16、17日為陰雨天，是典型的冬季低溫弱光天氣，溫室內最高氣溫出現(xiàn)在16日13:00，溫度僅為11.2℃，作物地上部溫度變化不明顯，日間平均溫度為8.5℃，夜間平均溫度為6.4℃，3組根區(qū)加溫處理作物的地上部日間平均溫度分別為10.2、11.5和12.5 ℃，夜間平均溫度分別為8.8、9.7和11.4℃，盡管氣溫驟降，作物整體溫度略低于前3個試驗日，但沒有出現(xiàn)大幅度的溫度波動，作物的地上部仍處在一個有利于生長的溫度環(huán)境。試驗期間根區(qū)溫度為15、20和25℃時,作物冠層溫度日間平均提高1.4、2.6和3.7℃，夜間平均提高2.1、2.9和4.0℃。

表2 不同根區(qū)溫度處理的作物地上部平均溫度Table 2 Average temperatureof aboveground partsof crop under treatment with different root temperature℃

圖11 不同根區(qū)溫度處理下作物溫度日變化及溫室氣溫變化Fig.11 Changes in crop temperature and greenhouse temperature under different root zone temperatures

3.3 不同根區(qū)溫度對作物地上部溫度的影響

圖12 不同根區(qū)溫度處理下作物溫度分布圖Fig.12 Crop temperature profiles under different root zone temperatures

為了使作物的溫度分布更為直觀，采用RGB相機采集作物圖像，基于Colourbar 繪制作物溫度分布圖，結果如圖12所示。由圖12可知，在沒有太陽輻射的情況下，每組作物地上部分溫度從底部沿冠層頂部方向呈遞減趨勢，CK 組作物基部采集最高溫度為6.53℃，該組作物在低溫下已經出現(xiàn)了葉片皺縮、葉片黃斑等冷害表現(xiàn)，當給作物根區(qū)加熱時，由于栽培盆基質上方沒有鋪設保溫隔熱材料，加熱板散發(fā)的熱量會垂直向上傳遞，直接加熱作物周圍的空氣。根區(qū)溫度為15、20、25℃時，3組作物測量到的最高溫度分別為7.57、8.61和10.56℃，且加溫組作物生長狀態(tài)良好。可見，本研究提出的作物根區(qū)加熱的方法可有效地提高作物溫度，避免作物在夜間低溫環(huán)境下遭受冷害。

3.4 保溫栽培盆的能耗與實用性分析

圖13為保溫栽培盆與普通栽培盆的耗電量試驗結果，溫室溫度對能耗量有著重要的影響，當室內溫度升高時，能耗明顯降低，12月22日至12月24日由于環(huán)境溫度高，根區(qū)溫度為15 ℃時不需要加熱板提供熱量，反之溫室溫度降低時，根區(qū)加熱所需能耗明顯提升。試驗表明填充發(fā)泡劑的栽培盆比普通栽培盆節(jié)能效果顯著，根區(qū)溫度為15、20和25℃時，普通栽培盆耗能分別為5.19、7.51和9.61 kW·h，保溫栽培盆分別耗能4.18、5.99和7.76 kW·h，保溫栽培盆比普通栽培盆分別節(jié)省電量24.2%、25.3%和23.8%，節(jié)能效果明顯。

圖13 不同根區(qū)溫度處理下2種栽培盆的耗電量Fig.13 Power consumptions of two types of pots under different root zone temperatures

計算單位面積的耗電量，保溫栽培盆的口徑為40 cm×40 cm，每平方米可放置6.25個栽培盆，但實際種植時考慮盆與盆之間存在一定間隙，即按1m2放置4個保溫栽培盆來計算，一般地666.7m2可栽培辣椒約為2 600株，即采用保溫栽培盆種植辣椒可以達到實際生產中的種植要求。以加熱到15℃為例，加溫栽培2周，每平方米保溫栽培盆栽共耗電16.72 kW·h，以電費0.5元/(kW·h)計算，前期投入為每平方米11元。采用燃煤鍋爐供暖，達到與保溫栽培盆提供相同的熱量時，燃煤量為2.4 kg/m2[26]，煤的價格每噸900 元，前期投入為每平方米27元[27]，人工費用為每平方米2.12元，則保溫栽培盆電加熱與燃煤鍋爐的運行總費用分別為19.36和31.28元。

通過運行費用比較可知，電費比煤的價格高，所以保溫栽培盆運行的電費會高于燃煤量的費用，但燃煤鍋爐產生的熱量在能量傳遞過程中會有一定損耗，所以在實際過程中耗煤量會高于理論計算值，且燃煤鍋爐有著高昂的前期投入以及人工費用，綜合比較認為保溫栽培盆是一種更為經濟的加溫方法。燃煤鍋爐還存在著環(huán)境污染問題，保溫栽培盆可循環(huán)利用，節(jié)能效果良好，從長遠性考慮，保溫栽培盆更具經濟效益和生態(tài)效益，有一定的實際應用價值。

4 結論與討論

本文設計的雙層嵌套栽培盆具有保溫、節(jié)能的特點，栽培盆內置硅橡膠加熱板，加溫系統(tǒng)采用模糊PID控制，提高了溫度控制精度，將誤差控制在0～4.53%，有良好的穩(wěn)定性與精確性。試驗結果表明，在沒有太陽輻射的情況下，加熱作物根部會使作物地上部分溫度往冠層頂部方向遞減，當根區(qū)溫度設置為15、20和25℃時，作物冠層溫度日間分別平均提高1.4、2.6和3.7 ℃，夜間分別平均提高2.1、2.9和4.0℃，保溫栽培盆比普通栽培盆分別節(jié)省電量24.2%、25.3%和23.8%，節(jié)能效果明顯，且相比燃煤鍋爐，保溫栽培盆有著更低的運行費用，具有實用性，且本系統(tǒng)所采用的聚氨酯發(fā)泡劑、硅橡膠加熱板、熱電偶傳感器等元件成本低廉，有助于該系統(tǒng)的后期推廣。

根區(qū)加溫模式不但耗能較低，而且對抵御冬季持續(xù)惡劣天氣，保證作物安全度過低溫冷害期有著重要意義。傳統(tǒng)溫室加溫是通過加熱整體環(huán)境，然后熱量傳遞到作物各個部分，而根部往往是溫度最低的部分；作物根區(qū)加熱系統(tǒng)往往是根區(qū)溫度最高，然后溫度分布往冠層頂部方向遞減，這種溫度分布趨勢對于抵抗短期的低溫冷害具有明顯優(yōu)勢，但是對于作物長期的長勢，尤其是產量的影響，還需要進一步的試驗觀測。