设施热环境控制-本科解析

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1、第一节 设施热环境特征 一、设施温度变化特征 1. 温室效应： 设施内的主要热量来源为太阳辐射，一般设施覆 盖材料对太阳短波辐射的透过率比较高，而对地 面长波辐射的透过率低，因此设施内白天能接受 大量的太阳辐射进入被地面或作物吸收，而地面 和作物发射的长波辐射却很少能向设施外投射出 去，因此设施能将太阳能转化为热能并蓄积在室 内，使温室内气温升高，这种现象称为温室效应 。 第三章 设施热环境及其调控 2. 设施内温度的空间分布 设施内温度的空间分布是不均匀的，受到太阳辐 射的不均匀性、采暖系统和降温系统的设备布置位 置和室外气象等多种因素的影响。 一般白天温室上部温度高于下部，中部高于四周 ，

2、中国北方温室夜间北侧高于南侧? 保护设施面积越小，低温区比例越大，分布也越 不均匀。 设施加热系统的布置会影响温度的空间分布，散 热器附近温度高于其他区域。 温室内番茄叶温与周围气温的差异（单位：） 3. 设施内温度的变化特征 （1） 气温的季节变化： 北方地区，保护地设施内气温存在着明显的四季变化 。 按照气象学以侯平均气温10、旬平均最高气温 17、旬平均最低气温4作为冬季指标；以侯平 均气温22、旬平均最高气温 28、旬平均最高 气温 15作为夏季指标，则日光温室内的冬季天数 可比露地缩短3-5个月，夏天延长2-3个月，春秋季也可 延长20-30天；而大棚冬季只比露地缩短50天左右，春

3、秋只比露地增加20天左右。 （2）气温的日变化： 冬季和春季不加温温室最高与最低气温出现的时间略 迟于露地，但室内日温差要显著大于露地。 无加温温室内温度的日变化 i: 室内气温 0: 室外气温 （3） 设施内“逆温”现象 通常温室内温度都高于外界，但在无多重覆盖的塑料 拱棚或玻璃温室中，日落后的降温速度往往比露地快， 如再遇冷空气入侵，特别是有较大北风后的第一个晴朗 微风夜晚，温室大棚夜晚通过覆盖物向外辐射放热更加 剧烈。室内因覆盖物阻挡得不到热量补充，常常出现温 室内气温反而低于室外1-2的逆温现象。 逆温现象一般出现在凌晨，10月至翌年3月都有可能出 现，其中尤以春季逆温的危害最大。 4

4、. 设施内地温的变化特点 设施内白天气温一般高于地温，而夜间地温一般 高于气温，地温比较稳定，变化滞后于气温。 日最高地温出现在14时左右。 随着土层深度的增加，日最高地温出现的时间逐渐延后 距地表5cm深处的日最高地温出现在15时左右 距地表10cm深处的日最高地温出现在17时左右 距地表20cm深处的日最高地温出现在18时左右 距地表20cm以下深层土壤温度的日变化很小 作物栽培区，由于有作物的遮荫作用，地温相对较低， 在日照不足的地区，冬季和早春季节温室地温一般偏低，这 也是一些情况下温室内要设置地下加热系统的原因之一。 二、设施气温变化影响因素 设施是一个半封闭的系统，它的气温变化随时

5、受到室 内外诸多因素的影响。 室外因素有：室外空气温度、湿度、太阳辐射强度、风 速、风向等； 室内因素包括：采暖系统、照明及其他设备的散热，作 物及土壤散热、散湿等。 在多因素的作用下，温室内的空气始终保持着动态平衡 ，当吸热总量大于散热总量时，温度升高，使得散热总 量与吸热总量趋于相同，从而在较高的温度水平上维持 热平衡，反之亦然。 1. 地表附近温度及其变化 地表附近温度随地理纬度、海拔高度、地形以及时间的 不同有很大差异。 纬度增加，太阳辐射量降低，因而地表温度降低，一般 纬度增加1，平均温度降低0.50.9 （1月份为0.7 ，6月份为0.3 ） 海拔升高，太阳辐射增强，但大气层变薄，

6、大气逆辐射 下降，因而温度下降，海拔每升高100m，气温下降0.5 左右。 南坡接受太阳辐射量大，温度比北坡高，坡向气温差异 随海拔高度的升高而减小。 温度的时间变化非常显著，存在着温度年 较差和温度日较差。 温度年较差是反应温度季节性变化的指标，指一年中最热 月和最冷月平均温度的差值，一般纬度越低，年较差越小 ，海洋性气候区温度年较差较小。我国大部分地区属于亚 热带和温带地区，四季分明，一般春季气温1022 ， 夏季平均气温高于22 ，冬季平均气温低于10 。 气温日较差是气温在一天中最高与最低值之差，它表明气 温在一天中的变化幅度。气温一般中午最高，日出前降到 最低。一般纬度越高，日较差小

7、；夏季日较差大，冬季小 ；晴天大，阴天小；海拔越高，日较差越小。 温室的 热量收支 地中传热Qf 通风Qvs 长波辐射 380mm 对流 太阳辐射 0.23mm 吸收 反射 室内反射 蒸腾蒸发Qvl 加温热量Qh 覆盖层传热 Qw 太阳热Qs 设备发热 Qm 光合Qp 呼吸Qr 温室的热平衡方程 (Qs+Qm+Qh+Qr)(Qw+Qf+Qvs+Qvl+Qp) = Q 0 0 0 2. 温室的热平衡 设施的热量来源有：太阳辐射，温室采暖系统加热， 温室灯具、设备散热，作物及土壤微生物呼吸释放热。 设施的热量支出包括： 辐射放热：通过地面、覆盖物、传热表面的有效辐射散 热。受设施内外温差、设施表面

8、积及地面面积等影响。 对流放热：通过覆盖材料或围护材料以热传导的方式向 外的散热。 通风换气放热：包括由设施的自然通风或强制通风、建 筑材料裂缝、覆盖物破损、门窗缝隙等渠道进行的热量 散失。 土壤传导失热：包括土壤的上下层之间及土壤的横向热 传递。 作物光合、蒸腾和土壤蒸发耗热。 (1)贯流放热：通过覆盖材料或围护材料以热传导的方式 向外的散热。这种贯流传热是几种传热方式同时发生的， 它的传热过程主要分为三个过程： 3. 温室热支出的各种途径 温室的内表面A吸收了 从其他方面来的辐射热 和空气中来的对流热， 在覆盖物内表面A与外 表面B之间形成温差， 通过传导方式，将上述 A面的热量传递至B面

9、， B面又以对流辐射的方 式将热量传递至外界空 气之中。 热贯流传热模式 贯流传热的表达方程式为： 其中 Qw贯流传热量，W； ti 室内气温，； to 室外气温，； Ag j 温室覆盖层各部分面积，m2； Kj 各覆盖层的传热系数，W/(m2)。 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的 材料，两侧表面的温差为1度（K，C）,在 1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用 表示，单位为瓦/米度，w/mk（W/mK,此 处的K可用代替）。 非透明平壁的传热 透明平壁的传热 辐射 辐射 对流 对流 导热 辐射 对流 导热 辐射 辐射 对流 关于传热系数 K 非透明平壁的传热系数： 式中 ai 内表面换

10、热系数，一般8.7W/(m2)； ao 外表面换热系数，一般23.0W/(m2)； dj 材料的厚度，m； lj 材料的导热系数， W/(m) 。 非透明平壁的传热阻： 覆盖材料 传热系数 W/(m2) 覆盖材料 传热系数 W/(m2) 单层玻璃6.4单层聚乙烯(PE)薄膜6.8 双层玻璃4.0单层聚乙烯(PE)保温膜6.6 单层聚碳酸酯(PC)板6.3双层聚乙烯(PE)薄膜4.4 6mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.2单层聚氯乙烯(PVC)薄膜6.6 8mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.0单层聚氯乙烯(PVC)保温膜6.5 10mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.6双层聚氯乙烯(PVC)薄膜4

11、.2 16mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.3单层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜6.7 10mm聚碳酸酯(PC)三层中空板3.3双层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.3 16mm聚碳酸酯(PC)三层中空板2.9单层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜6.6 单层玻璃纤维增强聚酯(FRP)板6.3双层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜4.2 单层玻璃纤维增强丙烯(FRA)板6.3双层充气聚乙烯(PE)膜4.3 单层丙烯树脂(有机玻璃 MMA)板6.3双层充气聚氯乙烯(PVC)膜4.1 单层聚酯(PET)片材6.3双层充气乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.2 单层乙烯-四氟乙烯(ETFE)片材6.3双层充气乙烯

12、-醋酸乙烯(PO)复合膜4.1 透明材料主围护覆盖层单独使用时的传热系数 保温覆盖材料 热节热节 省率 a /（%） 保温覆盖材料 热节热节 省率 a /（%） 聚乙烯(PE)薄膜32缀铝膜（25%铝膜，75%透明膜）34 聚氯乙烯(PVC)薄膜35缀铝膜（33%铝膜，67%透明膜）36 乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜34缀铝膜（50%铝膜，50%透明膜）39 乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜35缀铝膜（67%铝膜，33%透明膜）42 无纺布25缀铝膜（75%铝膜，25%透明膜）44 混铝薄膜40缀铝膜（100%铝膜）47 镀铝薄膜50缀铝膜（50%铝膜，50%无膜）15 草帘70缀铝膜（67%铝

13、膜，33%无膜）20 复合材料保温被65缀铝膜（75%铝膜，25%无膜）22 附加保温覆盖的热节省率 K 主围护覆盖层单独使用时的传热系数，W/(m2)； 采用附加保温覆盖时的热节省率，无附加保温覆盖时为0。 采用二层附加保温覆盖时，热节省率= 0.85(1+2)-0.712 (2)通风换气放热：包括由设施的自然通风或强制通风、建筑材 料裂缝、覆盖物破损、门窗缝隙等渠道进行的热量散失。温室内 通风换气热量损失量包括显热失热和潜热失热，显热失热的表达 式为： 式中ti、 to 室内与室外气温，； cp 空气定压质量比热容，1030J/(kg)； a 空气密度，1.2kg/m3 ， 或353 /(

14、ti+273)； L 通风量或冷风渗透量，m3/s。 冬季夜间密闭管理时： 式中 n 温室的换气次数，0.54次/h； V 温室的内部容积，m3。 换气失热量与换气次数有关，因此缝隙大小不同，其传 热差异很大，下表是设施在密闭不透风时，仅因结构不严 引起的每小时的换气次数。 每小时换气次数（密闭时） 换气失热量还与室外风速有关，风速增大时换气量增 大，所以因注意防风。由于通风时必有一部分水汽流向室 外，所以通风换气有潜热失热。 保护地类型覆盖形式R（次/h） 玻璃温室单层1.5 玻璃温室双层1.0 塑料大棚单层2.0 塑料大棚双层1.1 (3)土壤传导失热：包括土壤的上下层之间及土壤的横 向热

15、传递，土壤垂直方向上的传导失热，可用土壤传热 方程表示: 式中 ti、 to 室内与室外气温，； Asj 温室地面各分区面积，m2； Ksj地面各分区传热系数，W/(m2)。 10m 10m Ksj=0.24 Ksj=0.12 Ksj=0.06 日光温室内热的收支 平衡示意图 一、作物的生理三基点温度 温度是园艺作物设施栽培的首要环境条件，它影响作物 体内的一切生理变化，每一种作物的生长发育，对温度 都有一定的要求，都有温度“三基点”，即最低温度、 最适温度、最高温度。 最适温度下，作物生长发育迅速 最低和最高温度下，作物停止生长，但能存活 最低和最高温度外，作物就会受到危害甚至死亡。 第二节 温度的生物学效应 不同生长发育阶段对温度要求 同一蔬菜在不同生长发育阶段对温度的要求不 同，以喜温蔬菜为例： 作物的基点