玻璃連棟溫室正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 佳 李 旭 王朝棟 鄭 剛 張?zhí)熘?/p>

(1.北京中農(nóng)富通園藝有限公司，北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

大型玻璃連棟溫室內(nèi)部空間利用率高，光照條件好，適宜于機(jī)械化、自動(dòng)化、工廠化高效生產(chǎn)。擴(kuò)大單棟溫室規(guī)模，改善溫室內(nèi)部環(huán)境均勻性，提高空間、設(shè)備利用率和單位面積土地產(chǎn)出率是我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，但夏季降溫難問題一直是該類型農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)展過(guò)程中亟待突破的瓶頸[1]。目前，我國(guó)大部分地區(qū)夏季都須依靠遮陽(yáng)系統(tǒng)與濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)降溫[2-4]。由于濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)采用負(fù)壓通風(fēng)原理，其有效降溫距離受到限制，北方地區(qū)一般控制在48 m以內(nèi)，該距離在南方受實(shí)際溫濕度影響而更小，限制了溫室單體面積的擴(kuò)大[5]。

為增大單棟溫室面積，常見做法是將2個(gè)濕簾-風(fēng)機(jī)降溫單元通過(guò)中間連廊連接起來(lái)，有東西向組合和南北向組合2種形式，但無(wú)論是哪種形式都會(huì)因?yàn)闈窈熚恢玫挠绊懚跍厥覂?nèi)形成弱光帶，且溫室實(shí)際上仍是2個(gè)獨(dú)立的單元，無(wú)法共用走廊和設(shè)備[6]。完全照搬“荷蘭模式”的Venlo型玻璃連棟溫室，單棟面積可達(dá)5 hm2以上，但不配置外遮陽(yáng)系統(tǒng)和濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)，夏季僅利用自然通風(fēng)和高壓霧化降溫[7]，難以抵抗中國(guó)夏季的高溫，大多會(huì)在夏季安排休棚，無(wú)法實(shí)現(xiàn)周年生產(chǎn)。

為提高環(huán)境調(diào)控的精度，降低溫室運(yùn)行能耗，近年來(lái)荷蘭提出了一種半封閉溫室的概念。半封閉溫室是在封閉溫室的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種溫室環(huán)境綜合調(diào)控系統(tǒng)。半封閉溫室內(nèi)栽培槽下布置與栽培槽同長(zhǎng)的送風(fēng)管，將送風(fēng)首部經(jīng)過(guò)加溫、降溫、過(guò)濾或補(bǔ)充CO2等預(yù)處理的空氣利用風(fēng)機(jī)送入送風(fēng)管內(nèi)，空氣再經(jīng)送風(fēng)管上的側(cè)孔進(jìn)入溫室，其核心技術(shù)是利用溫室能源系統(tǒng)進(jìn)行溫室內(nèi)氣候環(huán)境調(diào)節(jié)，與傳統(tǒng)溫室相比能精確地控制溫度、濕度和CO2濃度，實(shí)現(xiàn)冬季加溫和夏季降溫，并改善溫室內(nèi)水平方向溫度和濕度的均勻性[8-10]，由于管道送風(fēng)距離較長(zhǎng)，可用于大面積單體連棟溫室內(nèi)的環(huán)境控制。

目前，荷蘭的VEK、KUBO、Prins Group、VB Group等多家溫室或系統(tǒng)供應(yīng)商都根據(jù)這一理念推出了自己的產(chǎn)品。半封閉溫室系統(tǒng)首部基本分為2種：一是以風(fēng)機(jī)盤管作為首部，冷熱源來(lái)自于含水層蓄能技術(shù)、熱泵技術(shù)或中央空調(diào)等[9-11]；二是以濕簾蒸發(fā)降溫提供冷源。顯而易見，第1種方式的固定設(shè)備投資和后期運(yùn)行能耗都較大，且需符合特定的地理?xiàng)l件；第2種方式則更為經(jīng)濟(jì)、普適，符合我國(guó)國(guó)情。

本研究擬采用半封閉溫室的環(huán)境控制方法，以濕簾蒸發(fā)降溫提供冷源，設(shè)計(jì)一套正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)，以期解決傳統(tǒng)濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)降溫有效距離限制溫室單體規(guī)模、氣流方向上存在溫度梯度的問題。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1正壓通風(fēng)系統(tǒng)組成

正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)主要由濕簾系統(tǒng)、送風(fēng)室、送風(fēng)室開窗系統(tǒng)、管道風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管、頂部開窗系統(tǒng)、溫室上部環(huán)流風(fēng)機(jī)和環(huán)境控制系統(tǒng)8部分組成(圖1)。濕簾系統(tǒng)安裝于溫室北端，送風(fēng)室將濕簾完全包含在內(nèi)且具備較好的密閉性。送風(fēng)室立面與栽培槽對(duì)應(yīng)位置裝有管道風(fēng)機(jī)及栽培槽下送風(fēng)管，立面中上部設(shè)置有開窗系統(tǒng)。濕簾系統(tǒng)水泵、管道風(fēng)機(jī)、送風(fēng)室開窗系統(tǒng)、溫室頂部開窗系統(tǒng)、溫室上部環(huán)流風(fēng)機(jī)等設(shè)備均由環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定值和實(shí)際溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.濕簾系統(tǒng)；2.送風(fēng)室；3,管道風(fēng)機(jī)；4.送風(fēng)管；5.頂部開窗系統(tǒng)；6.環(huán)流風(fēng)機(jī)；7.送風(fēng)室開窗系統(tǒng)；8.環(huán)境控制系統(tǒng) 1.Pad & Fan system; 2.Air supply chamber; 3.Tube fan; 4.Air duct; 5.Top ventilation system; 6.Circultion fan; 7.Ventilation system of air supply chamber; 8. Environmental control system
圖1 正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)示意圖
Fig.1 Schematic of positive pressure ventilation system

正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)工作時(shí)，根據(jù)作物需求設(shè)置上限溫度和理想溫度[12]，通過(guò)環(huán)境控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)各工作參數(shù)聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度低耗、均勻、多級(jí)調(diào)節(jié)，其工作方式見表1。

表1 環(huán)境控制系統(tǒng)的工作方式Table 1 Operating mode of environmental control system

注：“+”表示系統(tǒng)開啟；“-”表示系統(tǒng)關(guān)閉。

Notes:+ indicates that the system is open；- indicates that the system is close.

溫室內(nèi)溫度超過(guò)上限溫度，系統(tǒng)進(jìn)入第1降溫階段：頂部開窗系統(tǒng)開啟，送風(fēng)室開窗系統(tǒng)關(guān)閉，濕簾外翻窗打開、濕簾系統(tǒng)運(yùn)行、管道風(fēng)機(jī)運(yùn)行，在送風(fēng)室內(nèi)形成負(fù)壓，迫使室外空氣流經(jīng)濕簾濕潤(rùn)的多孔表面進(jìn)入送風(fēng)室。經(jīng)過(guò)濕簾降溫后的冷空氣被管道風(fēng)機(jī)送入栽培槽底部送風(fēng)管。冷空氣由送風(fēng)管上的側(cè)孔流出，首先對(duì)作物根區(qū)進(jìn)行局部降溫，然后由地面向四周蔓延，熱空氣上升從頂開窗排出。

系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，溫室內(nèi)溫度逐漸下降，當(dāng)溫度下降至某一溫度節(jié)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入第2降溫階段：送風(fēng)室立面開窗系統(tǒng)開啟一定角度，溫室內(nèi)的空氣部分進(jìn)入送風(fēng)室與新鮮的冷空氣混合后再次進(jìn)入溫室內(nèi)。

當(dāng)溫室內(nèi)溫度降至理想溫度時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入第3降溫階段：頂部開窗系統(tǒng)關(guān)閉，送風(fēng)室立面開窗系統(tǒng)完全開啟，溫室上部環(huán)流風(fēng)機(jī)開啟，濕簾系統(tǒng)停止運(yùn)行、濕簾外翻窗關(guān)閉。此時(shí)由于送風(fēng)室與溫室內(nèi)部完全相通，負(fù)壓消失，室外空氣不再大量經(jīng)濕簾進(jìn)入溫室內(nèi)，空氣僅在溫室內(nèi)進(jìn)行循環(huán)。當(dāng)溫室內(nèi)溫度再度超過(guò)上限溫度時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入第一降溫階段，如此往復(fù)循環(huán)。

正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)濕簾降溫的冷空氣通過(guò)栽培槽底部通風(fēng)管道以正壓送風(fēng)的形式送入溫室內(nèi)，冷空氣因密度大而下沉，沿地板向四周蔓延，在溫室內(nèi)底部與室內(nèi)熱源自由熱對(duì)流，形成的熱氣流以煙羽的形式向上流動(dòng)，將其周圍的空氣卷吸至上層，在上部排出熱空氣。室內(nèi)氣流流動(dòng)主要是依靠熱源產(chǎn)生的上升浮力來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而在溫室內(nèi)形成下低上高的溫度梯度以達(dá)到局部降溫和節(jié)能的目的[13]。

正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)的突出特點(diǎn)在于：1)解決了傳統(tǒng)濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)在氣流方向上存在溫度梯度的問題，溫室內(nèi)的溫度分布均勻，溫室單體面積將不再受濕簾-風(fēng)機(jī)有效降溫距離的限制；2)優(yōu)先保證根區(qū)的局部降溫，大大降低病毒和霉菌的產(chǎn)生；3)溫室南側(cè)為主要受光面，不安裝傳統(tǒng)軸流風(fēng)機(jī)，可增加溫室內(nèi)有效光照；4)結(jié)合環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)溫室設(shè)備的自動(dòng)控制，系統(tǒng)可低負(fù)荷甚至間斷運(yùn)行，在保證降溫效果的同時(shí)可有效降低運(yùn)行能耗。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于管道風(fēng)機(jī)的選型與送風(fēng)管的參數(shù)設(shè)計(jì)。

1.1.2管道風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型

用于栽培槽底部送風(fēng)的管道風(fēng)機(jī)選型步驟如下：通過(guò)計(jì)算得到溫室夏季降溫所需總的冷負(fù)荷，由濕簾系統(tǒng)降溫效率得到需要的通風(fēng)量，確定風(fēng)機(jī)數(shù)量與風(fēng)量要求，根據(jù)需求選擇合適的風(fēng)機(jī)。

1)冷負(fù)荷計(jì)算。

河北省邢臺(tái)市夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為35.2 ℃，夏季空調(diào)室外計(jì)算濕球溫度為26.9 ℃[14]。按室外設(shè)計(jì)溫度35.2 ℃、室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度28 ℃(黃瓜生長(zhǎng)的適宜溫度)、太陽(yáng)總輻射照度1 021 W/m2(北緯35°，大氣透明度等級(jí)3級(jí))進(jìn)行計(jì)算，溫室無(wú)外遮陽(yáng)，無(wú)補(bǔ)光燈。

溫室夏季降溫所需總冷負(fù)荷Q，采用式(1)計(jì)算：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

Q1為太陽(yáng)輻射熱量，按式(2)計(jì)算：

Q1=aτE(1-γ)(1-β)S

(2)

式中：a為溫室受熱面積修正系數(shù)，建筑面積>3 000 m2，取a=1.0；τ為溫室覆蓋層的太陽(yáng)輻射透射率，頂部5 mm單層玻璃，τ=0.88；E為輻射照度，指室外水平面太陽(yáng)總輻射照度，W/m2；γ為室內(nèi)太陽(yáng)輻射反射率，一般取γ=0.1；β為蒸騰蒸發(fā)潛熱與溫室吸收的太陽(yáng)輻射熱之比，高效種植取β=0.7；S為溫室總面積，S=9 484.8 m2。

Q2為人體顯熱冷負(fù)荷；Q3為照明冷負(fù)荷。由于高效生產(chǎn)溫室內(nèi)人員很少，而溫室內(nèi)夏季白天不開啟照明設(shè)備，因此這2項(xiàng)忽略不計(jì)。

Q4為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱，即在溫室內(nèi)溫度低于外界溫度的情況下，由于室內(nèi)外空氣的溫度差，通過(guò)溫室各圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻體等)從室外傳向室內(nèi)的熱量，按式(3)計(jì)算：

Q4=∑μiAi(ti-to)a1a2

(3)

式中：μi為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ai為溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(屋面、墻面、門、窗等)的傳熱面積，m2；ti、to分別為溫室內(nèi)、外設(shè)計(jì)溫度，℃；a1為溫室結(jié)構(gòu)形式附加修正系數(shù)，金屬結(jié)構(gòu)玻璃溫室，骨架間距1.2 m，取a1=1.05；a2為風(fēng)力附加修正系數(shù)，4級(jí)以下(<6.71 m/s)，取a2=1.0。

Q5為冷風(fēng)滲透損失，即溫室內(nèi)部的冷空氣透過(guò)覆蓋材料縫隙、門窗縫隙逸至室外或開門開窗所造成的冷量損失，按式(4)計(jì)算：

Q5=CpFVγ(ti-to)

(4)

式中：Cp為空氣的質(zhì)量定壓熱容，對(duì)于溫室通風(fēng)工程常見情況，Cp=1.03 kJ/(kg·℃)；F為溫室與外界的空氣交換率，亦稱換氣次數(shù)，以每小時(shí)完全換氣次數(shù)為單位，單層玻璃、玻璃搭接縫隙密封的新溫室，F(xiàn)=1.0；V為溫室內(nèi)部體積，V=6.069×104m3；γ為室外溫度條件下空氣的容重，室外溫度T=20 ℃時(shí)，γ=1.164 kg/m3。

由式(1)～(4)計(jì)算得到，溫室降溫所需總冷負(fù)荷為2 920 kW。

2)通風(fēng)量M計(jì)算。

本設(shè)計(jì)中采用濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)對(duì)空氣進(jìn)行降溫，以溫室降溫所需的總冷負(fù)荷作為濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的產(chǎn)冷量，反推出通風(fēng)量。

濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的產(chǎn)冷量QL，可由式(5)計(jì)算：

QL=LρCp(t2-t1)

(5)

式中：QL為濕簾-風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的產(chǎn)冷量，kW；L為通風(fēng)量，m3/s；ρ為出風(fēng)口空氣密度，kg/m3，計(jì)算得ρ=1.169 kg/m3；Cp為空氣的質(zhì)量定壓熱容，對(duì)于溫室通風(fēng)工程常見情況，Cp=1.03 kJ/(kg·℃)；t1為空氣通過(guò)濕簾前的干球溫度，℃；t2為空氣通過(guò)濕簾后的干球溫度，℃，由式(6)計(jì)算：

t2=(1-η)t1+ηts1

(6)

式中：η為設(shè)計(jì)工況下的濕簾換熱效率，%，由濕簾供應(yīng)商提供，通常由試驗(yàn)測(cè)得，100 mm厚濕簾紙，過(guò)簾風(fēng)速(1 m/s)，一定條件下?lián)Q熱效率和阻力一定，取η=0.80；ts1為空氣通過(guò)濕簾前的濕球溫度，℃。

計(jì)算得通風(fēng)量M=365 m3/s。

3)風(fēng)機(jī)選型。

根據(jù)上述計(jì)算，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)的總風(fēng)量要求為365 m3/s，按一行栽培槽下布置一道通風(fēng)管道計(jì)算，則共需管道通風(fēng)機(jī)114臺(tái)，每臺(tái)能提供的風(fēng)量為3.2 m3/s。同時(shí)，由于通風(fēng)管道的阻力，為保證送風(fēng)能力，要求風(fēng)壓大于30 Pa。綜合考慮風(fēng)壓、風(fēng)量、直徑、功率、噪音及價(jià)格等因素，最后采用了廣州倍利機(jī)電有限公司生產(chǎn)的ACF22型環(huán)流風(fēng)機(jī)，其出風(fēng)量為2.17 m3/s，風(fēng)壓100 Pa，轉(zhuǎn)速930 r/min，電機(jī)功率0.285 kW。

1.1.3送風(fēng)管設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中送風(fēng)管的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)等截面等側(cè)孔不等間距均勻送風(fēng)管道的設(shè)計(jì)問題。設(shè)計(jì)變量有風(fēng)管長(zhǎng)度L、風(fēng)管直徑φ、側(cè)孔孔徑D、及側(cè)孔間距Lx。設(shè)計(jì)要求是：送風(fēng)管上各側(cè)孔出風(fēng)速度相同，均勻地把等量的冷空氣送入溫室內(nèi)。風(fēng)管長(zhǎng)度L按栽培槽長(zhǎng)度確定，L=45 m。風(fēng)管直徑φ根據(jù)栽培槽下空間確定，φ=0.38 m。側(cè)孔孔徑D=8 mm，長(zhǎng)度方向上每一個(gè)出風(fēng)位置，兩側(cè)各布置3個(gè)側(cè)孔，共6個(gè)側(cè)孔。

需設(shè)計(jì)確定的關(guān)鍵參數(shù)為側(cè)孔在長(zhǎng)度方向上的距離，即側(cè)孔間距Lx。由于風(fēng)管較長(zhǎng)，若按常規(guī)均勻送風(fēng)管道的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，每?jī)闪袀?cè)孔間距都不同，給風(fēng)管的實(shí)際生產(chǎn)帶來(lái)很大不便。因此本研究采取了一種簡(jiǎn)化的計(jì)算方式，即先計(jì)算出出風(fēng)口總數(shù)，再將整個(gè)送風(fēng)管分為3段，分別確定各段內(nèi)的側(cè)孔間距Lx，即在一段內(nèi)側(cè)孔間距Lx相同。

出風(fēng)口總數(shù)N由式(7)計(jì)算：

N=Q0/(vmaxs)

(7)

式中：Q0為管道進(jìn)風(fēng)總量，即單臺(tái)風(fēng)機(jī)送風(fēng)量取Q0=2.17 m3/s；vmax為側(cè)孔出風(fēng)限制風(fēng)速，m/s；s為側(cè)孔面積，m3。

式(7)中需要確定的是側(cè)孔出風(fēng)限制風(fēng)速vmax。氣流是溫室環(huán)境中重要的物質(zhì)、能量載體，對(duì)作物周圍溫度、濕度及CO2濃度都有很大影響[15]。葉面風(fēng)速過(guò)低，會(huì)阻礙植物蒸騰作用；同時(shí)，在高溫高濕環(huán)境下，由于葉面水分難以蒸發(fā)，又促進(jìn)了病原微生物的繁殖，導(dǎo)致病害發(fā)生。另外，氣流速度對(duì)植物凈光合速率也會(huì)產(chǎn)生影響，氣流速度在一定范圍內(nèi)，植物凈光合速率會(huì)隨氣流速度的增加而增大[16]；但氣流速度超過(guò)限值，植物吸收CO2也會(huì)受阻?！稖厥夜こ淘O(shè)計(jì)手冊(cè)》[17]中推薦溫室內(nèi)通風(fēng)換氣時(shí)，室內(nèi)氣流速度一般控制在0.5 m/s以下，作物生長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)推薦最小氣流為0.1 m/s。側(cè)孔出風(fēng)限制風(fēng)速vmax若取得過(guò)大，會(huì)使下部植株葉面風(fēng)速過(guò)大；若取得過(guò)小，則會(huì)令整個(gè)生長(zhǎng)區(qū)域氣流速度不足[8]。

在Fluent中采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε湍流模型對(duì)風(fēng)管送風(fēng)進(jìn)行CFD模擬[16]。兩個(gè)栽培槽之間的空間為流場(chǎng)區(qū)域，側(cè)孔出風(fēng)風(fēng)速選取11、13和15 m/s 3個(gè)水平進(jìn)行比較，得到流場(chǎng)速度云圖(圖2)?？梢钥闯?，大部分空間受側(cè)孔出風(fēng)風(fēng)速影響很小，而受影響區(qū)域的高度隨著出口風(fēng)速的增大而增高。實(shí)際可能會(huì)對(duì)植株產(chǎn)生影響的應(yīng)是云圖中波谷以下區(qū)域，3種出口風(fēng)速對(duì)應(yīng)的波谷與栽培槽上表面距離分別為290、430和550 mm。雖然會(huì)有上部環(huán)流風(fēng)機(jī)對(duì)溫室內(nèi)垂直方向上的氣流進(jìn)行擾動(dòng)，但為了得到更好的空氣流動(dòng)及降溫效果，受側(cè)孔出風(fēng)影響的區(qū)域應(yīng)越大越好。另一方面，若靠近植株區(qū)域風(fēng)速過(guò)大或受影響的葉片過(guò)多，對(duì)植物生長(zhǎng)不利。3種出口風(fēng)速對(duì)應(yīng)的靠近植株區(qū)域主導(dǎo)風(fēng)速分別為0.95、1.12和 1.30 m/s。綜合考慮整體的空氣流動(dòng)效果和對(duì)植株的影響，選定側(cè)孔出風(fēng)限制風(fēng)速vmax為13 m/s。

圖2 3種側(cè)孔出口風(fēng)速v對(duì)應(yīng)栽培槽間空氣速度場(chǎng)云圖
Fig.2 Velocity curves between two lines corresponding to 3 kinds of lateral fumarole outlet air velocity

由式(7)計(jì)算得出風(fēng)口總數(shù)N=276，即整個(gè)送風(fēng)管共有276個(gè)出風(fēng)位置，若均勻布置，則出風(fēng)位置間橫向間距為163 mm?，F(xiàn)將整個(gè)送風(fēng)管分為3段，即15 m為一段。中間段(15～30 m)側(cè)孔間距Lx=L2=160 mm；靠近風(fēng)機(jī)段(30～45 m)側(cè)孔間距適當(dāng)增加，取側(cè)孔間距Lx=L3=170 mm；靠近送風(fēng)管端部段(0～15 m)側(cè)孔間距適當(dāng)縮小，取側(cè)孔間距Lx=L1=150 mm。送風(fēng)管側(cè)孔布置見如圖3，實(shí)際出風(fēng)位置N=282個(gè)。每個(gè)出風(fēng)位置兩側(cè)各有3個(gè)側(cè)孔，側(cè)孔間縱向間距A=50 mm。

1.管道風(fēng)機(jī)； 2.送風(fēng)管； 3.側(cè)孔； 4.管道端部封板。
L為送風(fēng)管總長(zhǎng)，m；Φ為送風(fēng)管直徑，mm；B為氣流方向最后一排側(cè)孔距端部封板的距離，0.15 m；C為氣流方向第一排側(cè)孔距風(fēng)機(jī)的距離，0.3 m；L1為靠近端部封板(0～15 m)范圍內(nèi)側(cè)孔間距，mm；L2為中間段(15～30 m)范圍內(nèi)側(cè)孔間距，mm；L3為靠近風(fēng)機(jī)(30～45 m)范圍內(nèi)側(cè)孔間距，mm；A為同列側(cè)孔縱向距離，mm；(1)、(2)、…、(16)為出風(fēng)口位置編號(hào)。
1.Tube fan; 2.Air duct; 3.Lateral fumarole; 4.Blanking plate.Lis overall length, m;Φis diameter of air duct;Bis the distance between the last column of lateral fumaroles and the blanking plate, 0.15 m;Cis the distance between the first column of lateral fumaroles and the fan, 0.3 m;L1is the lateral fumaroles spacing in 0-15 m (close to the blanking plate)， mm；L2is the lateral fumaroles spacing in 15-30 m (middle range)， mm；L3is the lateral fumaroles spacing in 30-45 m (close to the fan)， mm；Ais the vertical distance of lateral fumaroles in column， mm； (1), (2), …, (16) are the numbers of outlet position.
圖3 送風(fēng)管側(cè)孔布置圖
Fig.3 Lateral fumarole layout in the air duct

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1測(cè)試溫室概況

試驗(yàn)于2018年7月在河北省邢臺(tái)市南和縣進(jìn)行，試驗(yàn)溫室為南和縣設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)集群項(xiàng)目一期內(nèi)的6號(hào)溫室和7號(hào)溫室(對(duì)照)。溫室寬度為9.6 m/跨×19跨=182.4 m，長(zhǎng)度為4 m/開間×13=52 m，面積為9 484.8 m2。溫室為Venlo型玻璃連棟溫室，檐高6 m，頂高6.8 m，頂部為5 mm鋼化玻璃，立面為5+6A+5雙層中空玻璃。6號(hào)溫室利用屋面天窗進(jìn)行自然通風(fēng)降溫，利用栽培槽下正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制降溫，溫室北側(cè)為連廊，南側(cè)為外界；7號(hào)溫室利用屋面天窗進(jìn)行自然通風(fēng)降溫，利用濕簾風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制降溫，溫室南北兩側(cè)均為外界。兩棟溫室配備的幕簾系統(tǒng)包括：內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)、內(nèi)保溫系統(tǒng)、四周側(cè)卷系統(tǒng)，無(wú)外遮陽(yáng)系統(tǒng)，夏季通過(guò)在溫室頂部噴涂白色遮陽(yáng)涂料進(jìn)行降溫。

河北省邢臺(tái)市南和縣屬溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.9 ℃，年平均風(fēng)速1.9 m/s。最熱月平均溫度26.7 ℃，極端高溫41.1 ℃。

6號(hào)溫室內(nèi)采用懸掛式栽培槽，7號(hào)溫室內(nèi)采用支架式栽培槽，2個(gè)溫室內(nèi)均種植黃瓜。黃瓜為喜溫性蔬菜，生長(zhǎng)適宜溫度為18～30 ℃。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)溫度對(duì)比測(cè)試。室外氣象資料由溫室環(huán)境控制系統(tǒng)配套氣象站傳感器在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)采集，每5 min記錄一次風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、輻射照度等數(shù)據(jù)。室內(nèi)溫濕度測(cè)量采用的是Hoogerdoorn的溫濕度測(cè)量盒，測(cè)量盒安裝于溫室中部，高度為離地約3.5 m處，每5 min記錄1次室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度及CO2濃度數(shù)據(jù)。取一天24 h，6號(hào)溫室與7號(hào)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)與濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的降溫效果進(jìn)行直觀對(duì)比；再取2個(gè)溫室內(nèi)連續(xù)5天的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和比較。

2)側(cè)孔風(fēng)速風(fēng)壓測(cè)試。按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行送風(fēng)管制作、安裝，并使用HT-9829熱敏風(fēng)速儀對(duì)側(cè)孔風(fēng)速和風(fēng)壓進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試出風(fēng)口位置見圖3，相鄰兩位置間距3 m，每個(gè)位置測(cè)試其上、中、下3個(gè)側(cè)孔的出口風(fēng)速及風(fēng)壓。

3)6號(hào)溫室內(nèi)水平溫度場(chǎng)分布情況測(cè)試。為考察正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)內(nèi)部水平溫度場(chǎng)的分布情況，在溫室內(nèi)布置9 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)高度1.7 m)，測(cè)試儀器為紅水溫度計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置方式見圖4。以溫室西南角為坐標(biāo)原點(diǎn)，東西方向?yàn)閄軸，南北方向?yàn)閅軸。在1 天內(nèi)，分別于11:00、12:00、13:00各采集并記錄1 次9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)單位為m。601, 602，…，609分別表示測(cè)點(diǎn)編號(hào)。
X軸為東西方向，Y軸為南北方向；圖6同。
The data unit is m.601, 602，…， 609 respectively represent the numbers of measurement point. TheX-axis is the east-west， theY-axis is the north-south；The same as
Fig.6.
圖4 6號(hào)溫室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置平面圖
Fig.4 Layout of measure points in No.6 greenhouse

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1溫度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2018年6月4日，6號(hào)溫室內(nèi)正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)、開窗系統(tǒng)、幕簾系統(tǒng)，7號(hào)溫室內(nèi)濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)、幕簾系統(tǒng)、開窗系統(tǒng)均在環(huán)境控制系統(tǒng)的控制下處于正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)日溫度變化見圖5。在8:00-19：00時(shí)間段內(nèi)，6號(hào)溫室的溫度一直高于7號(hào)溫室，平均高3.4 ℃，在14:15時(shí)達(dá)到6.1 ℃的最大溫度差；在10:00-15:00時(shí)間段內(nèi)，6號(hào)溫室內(nèi)的溫度平均高于室外2.16 ℃。

6月1日—6月5日，9:00-17:00時(shí)間段內(nèi)6號(hào)溫室與7號(hào)溫室(對(duì)照)的溫度差見表2。白天6號(hào)溫室的溫度平均高于7號(hào)溫室3.7 ℃左右。同時(shí)外界溫度對(duì)降溫幅度也有影響，外界溫度越高兩者降溫效果的差距越大，2個(gè)溫室的溫度差最大達(dá)到6.8 ℃。

圖5 6號(hào)溫室與對(duì)照溫室日溫度變化
Fig.5 Temperature variations of the No.6 and control greenhouses during daytime

2.1.2側(cè)孔風(fēng)速風(fēng)壓試驗(yàn)結(jié)果

管道風(fēng)機(jī)以額定功率運(yùn)行情況下，測(cè)量送風(fēng)管上側(cè)孔風(fēng)速和風(fēng)壓，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯拷L(fēng)機(jī)段的2個(gè)測(cè)試點(diǎn)外，其余出風(fēng)位置側(cè)孔的出口風(fēng)速多為12.9 m/s，風(fēng)壓為100 Pa。對(duì)1～15出風(fēng)口3個(gè)側(cè)孔的風(fēng)速、風(fēng)壓均值進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，得到風(fēng)速均值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.012，風(fēng)壓均值的標(biāo)準(zhǔn)差為0.180，說(shuō)明風(fēng)管整體送風(fēng)均勻度高，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

表2 測(cè)試期間6號(hào)溫室日最高氣溫及與對(duì)照溫室的溫度差Table 2 Daily maximum temperature of No.6 greenhouse and temperature differences of the No.6 and control greenhouses during the test period ℃

表3 側(cè)孔風(fēng)速和風(fēng)壓測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of lateral fumarole velocity and pressure test

注：①出風(fēng)口位置見圖3。

Notes：①, the outlet position shown in
Fig.3.

2.1.36號(hào)溫室內(nèi)水平溫度場(chǎng)分布結(jié)果

6號(hào)溫室同一天11:00、12:00、13:00各測(cè)點(diǎn)的溫度見表4，圖6示出該溫室13:00水平方向溫度場(chǎng)分布三維圖?？梢钥闯?，溫度低值多出現(xiàn)于栽培行的中部，栽培行兩端的溫度較高，但相差不大。中部溫度低于兩端是受植物蒸騰作用影響：測(cè)點(diǎn)602、605和608四周都是植物、測(cè)點(diǎn)也在植株葉片的遮蓋之下；而測(cè)點(diǎn)601、606和607靠近送風(fēng)室，北側(cè)無(wú)植株且易受陽(yáng)光照射；同理，測(cè)點(diǎn)603、604和609靠近道路，南側(cè)無(wú)植株且易受陽(yáng)光照射。因此，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)在栽培行方向上形成的溫度場(chǎng)基本是均勻的。

表4 6號(hào)溫室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度值Table 4 Temperature of measure points in No. 6 greenhouse ℃

圖6 6號(hào)溫室水平溫度場(chǎng)分布三維圖
Fig.6 3D diagram of horizontal temperature distribution in No.6 greenhouse

2.2 結(jié)果分析

由送風(fēng)管上出風(fēng)口風(fēng)速和風(fēng)壓數(shù)據(jù)及6號(hào)溫室內(nèi)水平方向溫度場(chǎng)的分布情況可知，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)送風(fēng)均勻，能在栽培行方向上形成均勻的溫度場(chǎng)。另測(cè)得風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口溫度30.5 ℃的情況下，送風(fēng)管末端出風(fēng)口溫度31.5 ℃。送風(fēng)管內(nèi)空氣溫度雖有所升高，但幅度不大。

從2個(gè)溫室溫度對(duì)比結(jié)果可以看出，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)的降溫效果劣于濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)，兩者降溫效果相差接近4 ℃。針對(duì)這一結(jié)果，討論如下：

1) 通風(fēng)量問題：據(jù)計(jì)算所得每臺(tái)管道風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)為3.20 m3/s，而實(shí)際安裝的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為2.17 m3/s，約為需求風(fēng)量的68%。對(duì)照溫室內(nèi)安裝有單臺(tái)流量12.22 m3/s的軸流風(fēng)機(jī)共計(jì)38臺(tái)，計(jì)算可得6號(hào)溫室的機(jī)械通風(fēng)量?jī)H為7號(hào)溫室的53%。通風(fēng)量或冷量不足應(yīng)該是導(dǎo)致6號(hào)溫室降溫效果不如7號(hào)溫室的主要原因。

2) 數(shù)據(jù)來(lái)源問題：按照降溫原理考慮，濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)形成的是水平方向的溫度梯度，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)形成的是垂直方向的水平梯度。本研究中的溫度數(shù)據(jù)來(lái)源為溫室內(nèi)中部的環(huán)境控制系統(tǒng)的測(cè)量盒，測(cè)量盒位于離地3.5 m的地方。這個(gè)溫度點(diǎn)的位置并不能反映降溫系統(tǒng)的整體降溫水平，特別是對(duì)于正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)而言。研究表明[18]，半封閉溫室內(nèi)冠層頂部與底部的垂直溫差有55%的時(shí)間大于2 ℃，有20%的時(shí)間大于5 ℃，但是植物生長(zhǎng)和果實(shí)產(chǎn)量基本不受影響。

3) 其他系統(tǒng)的影響：2個(gè)溫室都僅有內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)，無(wú)外遮陽(yáng)系統(tǒng)，依靠遮陽(yáng)涂料對(duì)頂部玻璃進(jìn)行遮陽(yáng)降溫。夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，內(nèi)遮陽(yáng)系統(tǒng)必須保持展開狀態(tài)。濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)由軸流風(fēng)機(jī)將室內(nèi)空氣強(qiáng)制抽出室外，不受其他系統(tǒng)影響。而正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)利用的是氣體溫差從天窗逸出熱空氣，內(nèi)遮陽(yáng)幕布在一定程度上阻礙了室內(nèi)熱空氣的向上逸出。

4) 進(jìn)風(fēng)來(lái)源的影響：6號(hào)溫室的進(jìn)風(fēng)來(lái)源是溫室間連廊，7號(hào)溫室進(jìn)風(fēng)來(lái)源是室外，因此6號(hào)溫室的進(jìn)風(fēng)溫濕度受連廊內(nèi)空氣溫濕度影響較大；而連廊內(nèi)無(wú)降溫系統(tǒng)、自然通風(fēng)情況也較差，因此基本處于高溫、高濕狀態(tài)。這也在一定程度上影響了6號(hào)溫室濕簾的降溫效率。

5) 能耗比較：正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)運(yùn)行總能耗為35.04 kW·h，濕簾-風(fēng)機(jī)負(fù)壓降溫系統(tǒng)運(yùn)行總能耗為45.55 kW·h。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)大面積單體連棟溫室夏季降溫難、溫室內(nèi)溫度分布不均的問題一直是制約連棟溫室在我國(guó)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。本研究設(shè)計(jì)的正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)是擬突破瓶頸的一次大膽探索，雖然其實(shí)際效果尚難令人滿意，但若能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究改進(jìn)，相信會(huì)有新的轉(zhuǎn)機(jī)。

1) 正壓通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)方向。

增加冷量供給：選擇風(fēng)量更大的管道風(fēng)機(jī)，以提高通風(fēng)量；或者增加濕簾厚度，以提高濕簾降溫效率；或采用其他冷源提供方式：如空調(diào)，以增加冷量的供給。

與遮陽(yáng)系統(tǒng)的配合：外遮陽(yáng)系統(tǒng)可有效減少太陽(yáng)輻射透過(guò)率、減少進(jìn)入溫室的熱量。因此，正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)若與外遮陽(yáng)系統(tǒng)配合，應(yīng)能得到更佳的降溫效果。

2) 正壓通風(fēng)系統(tǒng)研究方向。

降溫效果整體評(píng)價(jià)：從試驗(yàn)設(shè)計(jì)上應(yīng)在溫室內(nèi)進(jìn)行水平方向和垂直方向多個(gè)布點(diǎn)，分析溫室內(nèi)整體的溫度分布情況，對(duì)降溫效果進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。

作物生長(zhǎng)發(fā)育研究：參考國(guó)外對(duì)半封閉溫室的研究方法，也應(yīng)進(jìn)行溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)發(fā)育與果實(shí)產(chǎn)量的研究，從而對(duì)系統(tǒng)性能作出正確評(píng)價(jià)。

節(jié)能性研究：正壓通風(fēng)降溫系統(tǒng)不僅可用于夏季降溫，在首部增加加溫系統(tǒng)和CO2氣源還可用于冬季加溫、補(bǔ)充CO2和室內(nèi)的氣流擾動(dòng)，這些作用對(duì)于減少溫室碳排放、節(jié)約能源消耗、冬季通風(fēng)除濕是否有利還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3) 正壓通風(fēng)系統(tǒng)在我國(guó)適用性的討論。

半封閉溫室的環(huán)境控制理念來(lái)自于荷蘭，且近年來(lái)快速發(fā)展并得到普遍的認(rèn)可。荷蘭屬于溫帶海洋性氣候，夏季室外溫度基本保持在30 ℃以下[9]，降溫負(fù)荷小，利用正壓通風(fēng)的方式可以精確控制溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)保證其均勻穩(wěn)定性。我國(guó)大部分地區(qū)屬于大陸季風(fēng)性氣候，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)、溫度高，多數(shù)地區(qū)夏季室外氣溫平均在35 ℃以上[7]，需要的制冷量大。從目前初步試驗(yàn)結(jié)果看，正壓通風(fēng)的降溫方式不如負(fù)壓通風(fēng)降溫方式降溫效果好。