温室辅助加热系统的控制和能量储存优化方案

为了实现温室内部集热器最小化，需考虑最有利的朝向以及最佳的保温措施，两者在很大程度上取决于当地微气候条件。农作物类型、产量目标、太阳辐射强度的年变化和日变化、散射辐射分量和冬季常年风向和风速都将影响温室的构造和朝向选择。例如，在爱尔兰，加热成本可以占到西红柿生产成本的近50%（O’Flaherty和Maher，1978），其中，控制植物生长速率的因素是叶片温度而不是空气温度。并且，叶片温度容易准确测量，而温室中的大多数温控系统都用于监测空气温度，然后根据植物生长速率与温度的关系来控制室温。任何温室的主要热源都应直接来自太阳辐射。然而，在太阳能得热不足时，温室就需要辅助加热系统。温室的辅助加热系统直接加热作物，而不是空气。在加热系统中，如果辐射是热传递的主要形式，那么通常加热元件的温度必须超过250℃。为了避免烧焦植物，加热元件需要高于农作物并与其保持一定的距离。在使用加热盘管的温室中，加热盘管通常会输送70℃的热水。虽然在这种系统中，对流仍是主要的传热方式，但加热盘管对植物的辐射传热也十分显著。与地面接触的加热盘管也可以直接向土壤传递一部分热量。

当对植物生长的主要加热模式是对流传热时，预热空气可以有效提高加热效率。冷空气流可以经分布在温室内部的辅助加热盘管加热后再进入温室，该过程中形成的温度梯度基本上可以忽略不计。商业化的温室可采用来自热电站的低品位热量（温度达40℃）进行温室加热（Miller，1977；Pile等，1979；Boyd等，1980）。

图11.3 太阳能温室

在温带气候下，通常全年都有足够的太阳辐射入射到温室内，以满足全年加热需求。如图11.3的“太阳能温室”所示，一些设计的瞬时太阳能得热很高，但仍需要通过收集和储存剩余的热量以供后期使用。

跨季节储热通常需要非常大的储存容量，在经济性上几乎是不可行的。日储热器的容量则相对较小，例如，利用岩石堆作为储热器的储能介质来加热空气（Fuller等，1984）。在白天有强太阳辐射而夜晚较冷的情况下，这样的系统可能具有明显的优势。地面本身是一种便利的储热介质。从温室排出的热风被管道输送至地面以下可发挥显著作用，目前已经设计出一种使用水和换热器的底部显热储存器（Mears和Baird，1976）。太阳池也被用于温室加热（Short等，1976）。

温室通常采用不透明的保温幕，可以使夜间的节能量高达60%（Bailey，1981a，b；Meyer，1983）。在夜间，它们通常位于作物冠层上方并覆盖整个温室，以减少辐射热损失并在屋顶下产生接近停滞的空气层。然而，不适当的内部幕可能导致冷空气流在温室周围循环，所以通常多使用外部幕（Farrell等，1980）。屋顶悬挂的不透明高反射的塑料膜套筒可作为可变的保温体（Laing，1967）。在放气时，它们对进入或离开温室的辐射没有明显的阻碍；但是当通过辅助风机等设备进行充气时，它们会形成气垫，这就减少了导热损失并且对辐射也变得不透明，如图11.4所示。如果套筒由合适的材料制成，也可以使用该系统阻挡过量的得热。在德国的气候条件下实验时，该系统热损失率减少了35%（Stickler，1975；Jensen，1977）。

图11.4 气囊提供可变的保温性和透射性(www.xing528.com)

报告显示双层皮温室与单层皮温室相比，燃料节约率高达33%（O’Flaherty和Ma-her，1978，1980；Short等，1981；O’Flaherty，1985）。通过双层皮对温室进行保温不仅降低了加热成本，并且还抑制了凝结，防止随之而来的水滴落到下面的农作物上（Short等，1981）。使用聚乙烯双层皮减小的热损失率通常会超过由此而降低的太阳辐射透射率。

在温带气候中，一般通过提高通风率来实现对温室的冷却。可通过打开屋脊通风口和窗户以实现由风诱导和浮力驱动的通风方式，在现代温室中，这种开口的面积可以达到温室占地面积的25%。通风机通常是自动运行，控制器由吸气屏上的传感器触发，在无风的热天时，该吸气屏可测量温室空气的真实温度。当通风不足时，通常使用风机辅助通风。在太阳辐射非常强烈的日子里，可能需要每小时超过60次换气的通风速率。

浅色材料的遮阳物可用于减少太阳能得热（Burek等，1989）。遮阳物可安装在外部和内部。可以利用半透明材料制成兼作为保温幕和遮阳板的屏幕。或者采用可充气的隔热和遮阳系统（Laing，1967；Stickler，1975）。

蒸发冷却涉及：①直接润湿（即雾化）温室内的空气；②润湿地面或温室的外盖层。这些技术的对比实验显示，雾化内部空气是最有效的方法，随后是润湿土壤和温室外盖层，但是所有这些技术均对环境条件高度敏感（Cohen等，1983）。蒸发冷却方法的有效性已被研究（Landsberg等，1979）。如果①需要保持低通风率（例如，需要维持高于环境水平的CO₂含量）或②水在幕中被加热，并被储存起来用于后续加热，则使用屋顶上的外部水幕冷却温室的技术是有效的。向水中加入染料以增加对红外辐射的吸收，可以改善使用该技术的效果（Morris等，1988；Canham，1962；VanBavel和Sadler，1979a，1979b；Chiapale等，1983），但是温室盖层有毒染料的泄漏可能会损害植物。在低斜屋面上增加外部水幕是一种更有效的冷却方法，因为与陡峭屋面相比，液体膜更厚，可以更好地吸收太阳辐射。

为了实现最快生长速率，不同的植物需要不同水平的环境湿度。温室内的水蒸气含量取决于通风、植物本身的蒸腾作用和土壤的蒸发作用。温室内农作物水分迁移的实验结果已有相关报道（Morris等，1957；Linacre等，1964；Hand等，1970）。

温室内积累的水蒸气可由通风引入的干空气来抵消。然而，在高温干燥条件下则需要对温室进行某些形式的加湿（例如使用蒸发冷却器、湿垫或雾化器）以避免植物在温室内发生快速脱水。

如果调整对农作物的管理方法，更多地考虑温室湿度水平，则可以在温室中获得可观的农作物产量（Short等，1981）。对于大多数植物，尤其是蔬菜，许多品种可以适应各种各样的生长条件，因此将植物与可实现的环境条件相匹配通常会更经济，而不是反过来改变环境条件。然而，在寒冷的环境条件下，高湿度条件会导致盖层内表面发生水蒸气凝结。凝结的水滴从盖层落到农作物上可能会影响作物生长，特别是在冬季，且可能导致病害发生（Canham，1967，1968）。解决上述问题的一个方法就是提高夜间通风率以避免夜间凝结，但这会增加温室的夜间热负荷。