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1、设施农业环境工程学设施农业环境工程学第一章第一章 绪言绪言第二章第二章 设施光环境及其调控设施光环境及其调控8第三章第三章 设施热环境及其调控设施热环境及其调控10第四章第四章 设施气体环境及其调控设施气体环境及其调控6第五章第五章 设施水环境及其调控设施水环境及其调控10第六章第六章 设施土壤环境及其调控设施土壤环境及其调控12第七章第七章 设施环境自动调控系统设施环境自动调控系统8第八章第八章 设施能源工程设施能源工程 温室环境因素温室环境因素 环境调控技术环境调控技术 土壤温度土壤温度温度温度 加温、保温、可再生能源利用加温、保温、可再生能源利用 空气温度空气温度 空气湿度空气湿度 通风
2、、降温通风、降温 CO2环境环境 - CO2施肥施肥 光照光照 - 光照调控光照调控 根圈环境根圈环境(水份、养分水份、养分) - 灌溉与施肥灌溉与施肥一、温室采暖工程一、温室采暖工程二、温室内的光照环境及调控二、温室内的光照环境及调控三、温室通风工程三、温室通风工程四、温室降温工程四、温室降温工程五、二氧化碳施肥五、二氧化碳施肥六、节能型日光温室六、节能型日光温室七、荷兰与中国番茄栽培特点七、荷兰与中国番茄栽培特点一、温室采暖工程1. 采暖系统的类型采暖系统的类型采暖的能源采暖的能源燃煤燃油天然气电能太阳能地热能采暖方式采暖方式 根据采暖范围分类全面采暖局部采暖根据采暖设备分类热水采暖蒸汽采
3、暖热风采暖电热采暖辐射采暖火炉采暖2. 温室的热平衡分析温室的热平衡分析采暖热负荷及其确定方法原理采暖热负荷及其确定方法原理 采暖热负荷采暖热负荷 在室外气温to下，为维持要求的设施内气温ti，采暖系统在单位时间内应向温室内提供的热量。 确定采暖热负荷的方法确定采暖热负荷的方法 统计温室的所有热量收支（得热、失热），根据能量平衡的原理，由热平衡方程式计算。热负荷热负荷 = 失热失热 得热得热温室的热平衡分析温室的热平衡分析温室内的热量来源温室内的热量来源白昼：室内外水平面太阳辐射热量（北纬3045地区、晴好天气、正午时刻）太阳辐射室内水平面冬季150400W/m2夏季300600W/m2室外水
4、平面冬季350650W/m2夏季9001000W/m2夜间：采暖系统加温热量100300W/m2日光温室加温温室不加温温室墙面放热量3050W/m2地面放热量2030W/m2地面放热量2030W/m2温室的热量收支地中传热Qf通风Qvs长波辐射380m对流太阳辐射0.23m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温室的热平衡方程温室的热平衡方程(Qs+Qm+Qh+Qr)(Qw+Qf+Qvs+Qvl+Qp)=0000温室的热平衡方程温室的热平衡方程 (Qs+Qh)(Qw+Qf+Qvs+Qvl)=0采暖热负荷采暖热负荷 Qh=(Qw+Qf+Qv
5、s+Qvl) Qs冬季夜间采暖热负荷冬季夜间采暖热负荷 Qh=Qw+Qf+Qvs冬季夜间加温温室中的热量平衡对流30地中传热Qf10冷风渗透Qvs10长波辐射35对流45长波辐射50加温热量Qh100覆盖层传热Qw3. 温室采暖热负荷的计算温室采暖热负荷的计算 通过温室围护覆盖材料的传热量通过温室围护覆盖材料的传热量式中 ti室内气温，；to室外气温，；Agj 温室覆盖层各部分面积，m2；Kj 各覆盖层的传热系数，W/(m2)。主要参照温室加热系统设计规范JB/T10297-2001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关于传热系数 K非透明平壁
6、的传热系数：非透明平壁的传热系数：式中i内表面换热系数，一般8.7W/(m2)； o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：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4.46mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.2单层聚氯乙烯(PVC)薄膜6.68mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.0单层聚氯乙烯(PVC)保温膜6.510mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3
7、.6双层聚氯乙烯(PVC)薄膜4.216mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.3单层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜6.710mm聚碳酸酯(PC)三层中空板3.3双层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.316mm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
8、.3双层充气乙烯-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 保温覆盖材料热节省率a/（%）保温覆盖材料热节省率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
9、膜（67%铝膜，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 10m 10m Ksj=0.24 Ksj=0.12 Ksj=0.06 地中传热量地中传热量式中 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)。 温室通风或冷风渗透耗热量温室通风或冷风渗透耗热量式中ti、to室内与室外气温，； cp空气定压
10、质量比热容，1030J/(kg)；a空气密度，1.2kg/m3， 或353/(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。冬季夜间温室采暖热负荷的简化计算式冬季夜间温室采暖热负荷的简化计算式式中Ag温室全覆盖表面积，m2；As温室地面面积，m2；U经验热负荷系数，W/(m2)，玻璃覆盖为6.4，聚乙烯薄膜覆盖为7.3；保温覆盖热节省率；b保温比(=As/Ag)，0.50.8，As越大时b越大。例例题题：北京地区某10连栋拱形屋面塑料温室，单跨跨度8m，南北方向共9个开间，柱距为4m，天沟高度3.5m，屋脊高
11、度5.2m。屋面及四周全部采用双层充气膜覆盖，夜间室内上部覆盖缀铝膜保温幕（50%铝膜，50%透明膜） 。室内种植喜温蔬菜，冬季夜间室外计算气温为-12，要求夜间室内气温不低于15，试计算温室的冬季采暖热负荷及单位面积的采暖热负荷，其中经过覆盖材料的传热、地中传热及冷风渗透损失的热量各占多少比例。采用热水采暖，计算所需圆翼型散热器配置数量。解：温室面积及室内容积温室内地面面积As=长宽=(108)(94)=2880m2山墙面积2108（5.22/3+3.5/3）=741.3m2侧墙面积2943.5=252m2屋面面积室内容积覆盖材料的传热量双层充气膜(双层聚乙烯)K =4.3W/(m2)双层充
12、气膜+缀铝幕K = K(1-)= 4.3(1-0.39)= 2.623W/(m2)地中传热量 10m Ksj=0.24 Ksj=0.12 10m 10m 10m 60m 16m冷风渗透耗热量Qv冷风渗透量(换气次数为1次/h)空气密度冷风渗透耗热量：采暖热负荷Qh=Qw+Qv+Qf=371460+126492+15552=513504W单位面积的采暖负荷为：513504/2880=178.3W/m2各种传热途径所占比例覆盖材料的传热371460/513504=72.3%地中传热15552/513504=3.0%冷风渗透损失126492/513504=24.6%所需圆翼型散热器配置数量按每m散热
13、量600W计算，所需圆翼型散热器总长度为：513504/600=856m设脊高为，檐高为，温室地面面积为，跨数为n ，跨度为(对于文洛型温室，为一个屋顶的跨度)。对称双坡屋面一面山墙的面积为：屋面的面积为：温室的容积为：拱形屋面一面山墙的面积为：屋面的面积为：温室的容积为：系统组成：热水锅炉输送管道散热设备及附属设备特点：水热容量大，热稳定性好，室内温度波动小，停机后保温性强；配置复杂、设备费用高；预热时间长适用范围：大型温室、有较长期和大量供热需求的温室圆翼型散热器（铸铁、钢）散热量一般300700W/m4. 热水采暖系统热水采暖系统的设备的设备5. 热风采暖设备（热风炉或暖风机）热风采暖设
14、备（热风炉或暖风机）热源：燃煤、燃油、燃气、电能、热水、蒸汽特点：供热系统简单，配置安装灵活、简便，设备费用较低；系统预热时间短，升温快；温度稳定性差，停机后温度降低快。适用范围：小型温室或供热需求较小的温室，或用于大型温室辅助加温，尤其适用于短期临时加温热风温度：3060送风量：每m2温室面积送风量2736m3/h6. 土壤加温设备土壤加温设备电加热线及地中热水管道加温各气候区连栋温室加温期及年耗煤量北北A北北 B北北 B北北A北北C北北B北北A北北B北北A北北B南南A南南B南南B南南区区南南A南南B南南A南南B南南A南南A174 228天天99168 t/亩亩174 228天天99168
15、t/亩亩220 262 天天171254 t/亩亩210 240天天134180 t/亩亩141174天天5981 t/亩亩170197天天73116 t/亩亩151167天天7393 t/亩亩184202天天97120 t/亩亩287 365天天185233 t/亩亩97 141天天2951 t/亩亩070天天020 t/亩亩104124天天3442 t/亩亩135151天天4863 t/亩亩79 116天天2138 t/亩亩0050128天天1339 t/亩亩190 365天天70184 t/亩亩北纬40度地区：温室加温能耗100250W/m2燃煤消耗60150kg/(m2年)=40100
16、t/(亩年)采暖煤、水电费用占生产成本的50%70%7. 温室采暖的节能温室采暖的节能温室采暖节能的一些可行的途径温室采暖节能的一些可行的途径u减少地中传热量（温室周边设置防寒沟）u减少通风或冷风渗透的热量损失（加强密闭性）u加强温室围护覆盖的保温性（保温覆盖材料、设置保温幕）u提高加温设备的热转换和利用效率u有效利用新能源（可再生能源：太阳能、地热能、风能等）u有效利用工农业废弃物能源（垃圾、作物秸秆、沼气）u工业（热力发电厂）废热利用u温室运行中的优化管理关于覆盖材料保温性关于覆盖材料保温性 u 聚乙烯(PE)膜u乙烯-醋酸乙烯（EVA、PO）复合膜u聚氯乙烯（PVC）膜u玻璃u聚酯（PE
17、T）膜（片材）u氟素（ETFE）膜（片材）u中空聚碳酸酯（PC）板材（比单层覆盖节能30%以上）保温性提高方向保温幕（多层覆盖）的采用保温幕（多层覆盖）的采用 节能率节能率20%45%红外反射材料红外反射材料缀铝膜保温幕缀铝膜保温幕 太阳能的充分利用太阳能的充分利用 采用地中热交换系统蓄热增温的温室20301481218白昼蓄热夜间放热地能利用地能利用 地源热泵温室加温与降温系统用于冬季温室加温，比燃煤热水采暖系统节能40%15恒温恒温冬季冬季 -10热泵热泵工质温度工质温度 4015恒温恒温夏季夏季 30空调空调(热泵热泵)工质温度工质温度100m）。气力雾化采用高速空气流进行雾化，需要压缩
18、空气设备，投资较高，实际应用很少。离心式雾化水流送到高速旋转的圆盘，从其边缘高速甩出与空气撞击而雾化。雾滴小，不需高压水泵，不堵塞。但需高转速的动力，设备费较高。雾滴四处飞散，方向性差。为此，离心式雾化器多与轴流风机组合成一体喷雾风机，利用轴流风机排风口的射流输送雾滴和控制雾滴撒布的方向。 集中集中雾雾化降温化降温 屋面屋面喷喷水降温水降温 在屋面上设置喷水管路和喷嘴，将水喷洒在屋面上吸热降温。其优点是系统简单，且不会增加室内湿度，可有效减少通过屋面传入室内的热量。但降温效果有限。在温室屋面喷水时，还会产生屋面结垢的污染，影响屋面的透光率。 雾雾帘降温帘降温 喷淋降温喷淋降温 直接向植物喷水，
19、水在叶面蒸发直接带走热量。6. 温室的遮阳温室的遮阳 兼有降温与调节（降低）光照强度的作用室外遮阳室外遮阳u 塑料遮阳网，聚烯烃树脂为主要原料的黑色、银灰色、绿色等颜色网状材料。遮光率20%80%。u室外遮阳网将太阳辐射遮挡在室外，遮阳网自身吸收的热量散发的室外，其降温效果优于室内遮阳。u 在冬季可兼作为保温幕使用，适用于冬季保温与夏季降温并重的地区。室内遮阳室内遮阳uu 采用可以有效反射日光的铝箔或镀铝薄膜条编织的缀铝膜，可将进入温室的部分太阳辐射反射出去。铝箔或镀铝薄膜条与透明薄膜条按不同比例编织，获得不同遮光率。温室通风降温的综合例题温室通风降温的综合例题温室通风降温的综合例题温室通风降
20、温的综合例题例例题题 北京地区某连栋玻璃温室，东西方向共10连栋，跨度为9.6m，温室东西长96m，南北宽40m。根据夏季室内种植的植物需将温室内气温控制在30以下的要求，确定采用室内遮阳幕和湿帘风机降温系统。温室采用室内遮阳幕后的覆盖层透光率为0.35。试选择和配置合适的湿垫风机降温系统。（温室受热面积修正系数1.1，全温室覆盖表面平均传热系数5.5W/(m2)，散热比1.4，温室蒸腾、蒸发潜热与吸收的太阳辐射热之比为0.6）。 解：解：确定室外气象计算参数查得北京地区（北纬40，大气透明度等级4级）夏季室外水平面太阳总辐射照度为949W/m2，根据采暖通风与空气调节设计规范GBJ19-87
21、，夏季空调室外计算干球温度to=33.2，室外计算湿球温度tw=26.4。确定室内环境参数根据植物要求，室内平均气温要求为：ti=30降温前的室外空气温度to=33.2设湿帘降温效率80%则室外空气经湿帘降温后进入温室时的气温t1为：确定温室排风的温度t2机械通风时，室内从进风口至排风口形成逐渐升高的温度分布，室内平均气温按ti(t1+t2)/2计算，则排风温度：t2=2tit1=23027.8=32.2计算必要通风量必要通风率：必要通风量：选用风机选择9FJ12.5风机10台（每跨1台），在静压25Pa时其每台风量为30500m3/h，9FJ6.0风机10台（每跨1台），在静压25Pa时其每
22、台风量为11150m3/h，总风量10305001011150=416500m3/h（115.7m3/s）计算湿垫用量取过垫风速vp1.5m/s，则湿垫面积：Fp=L/vp115.7/1.5=77.1m2确定采用厚度Bp=120mm，高度Hp=1.5m的湿垫，湿垫布置总长度Lp=64m，实际湿垫面积Fp=HpLp1.564=96m2，过垫风速vp1.21m/s。由湿垫生产厂家提供的湿垫性能资料，在vp1.21m/s时，该湿垫降温效率82%，通风阻力Dp20Pa，与上述计算中的假定相比，均有一定富余，可靠性较高。（如考虑更节省的方案，可修改设备选用方案，再进行核算。）水循环系统的计算空气经过湿垫
23、降温前后的气温为to与t1，则蒸发水量为：取水循环系统供水量为蒸发水量的10倍，即取nw=10，则供水量为：Lw=3600nwE/106=360010287/106=10.3m3/h据此可选择水泵的型号和数量。循环水池的容积：V=nVLpHpBp0.4641.50.12=4.6m3五、二氧化碳施肥五、二氧化碳施肥1. 特点与性能特点与性能 建设费用较低。（普通连栋温室的1/101/3）依靠室内墙体和地面蓄热以及屋面的严密保温，在不加温的情况下，冬季夜间室内最低气温可高于室外最低气温2030。在我国北方北纬3241甚至43地区，冬季夜间室外最低气温为-15时，室内气温能维持在10左右，可无加温条
24、件下进行喜温蔬菜的越冬生产。日光温室已成为我国最出色、最实用和广泛应用的主流园艺设施，接近占园艺设施总面积的1/3。六、节能型日光温室2. 日光日光温室优良保温节能性的机理温室优良保温节能性的机理 日日光光温温室室的的采采光光屋屋面面为为具具有有较较好好透透光光角角度度、利利于于日日光光透透过过的的南南向向屋屋面面，同同时时其其遮遮光光构构件件少少，因因此此具有良好的日光透过特性。具有良好的日光透过特性。 其屋面平均透光率一般为60%80%，而一般普通温室的屋面平均透光率仅为45%55%。 这有利于保证温室内良好的光照条件，同时，增加进入室内的太阳辐射热量，提高室内白昼的气温和墙体、地面的蓄积
25、热量。温温室室后后墙墙参参与与截截获获和和吸吸收收太太阳阳辐辐射射热热能能，与与仅仅能能在在水水平平栽栽培培面面积积上上获获得得太太阳阳直直接接辐辐射射能能的的温温室室或或塑塑料料大大棚棚相相比比，日日光光温温室室内内获获得得的的太太阳阳直直接接辐辐射射能能大大大大增加，获得近增加，获得近2倍栽培面积上的太阳辐射热能。倍栽培面积上的太阳辐射热能。 后墙 依依靠靠墙墙体体的的良良好好保保温温性性能能和和在在夜夜间间屋屋面面采采用用严严密密的的保保温温覆覆盖盖，最最大大限限度度地地减减少少了了夜夜间间温温室室的的热热量损失。量损失。 后墙总热阻达到约3m2/W或更高（传热系数0.33W/(m2)）
26、前屋面总热阻达0.5m2/W以上（传热系数2W/(m2)）对比：单层聚乙烯膜传热系数约为8.2W/(m2)双层薄膜缀铝保温幕传热系数约为3.8W/(m2)日日光光温温室室厚厚重重的的后后墙墙可可在在白白昼昼有有效效地地蓄蓄积积所所吸吸收收的的太阳热能，夜间缓慢地释放回温室内。太阳热能，夜间缓慢地释放回温室内。 根据理论分析和实验测定，在夜间，北墙单位面积的墙面释放到温室内的热流强度可以达到2050W/m2，累计加温热量可达到2MJ/m2左右。与普通温室相比，相当于日光温室增加了一个加温的热源。因此北墙实际上在夜间成为日光温室内的加温热源之一。（日光温室内另一热量来源是温室内的地面，夜间其热流强
27、度可以达到1030W/m2。） 冬季晴天正午日光温室地面与墙面吸收的太阳热量100200W/m2 150300W/m2 冬季夜间日光温室地面与墙面释放的热量2050W/m2 1030W/m2 3. 日光温室近年来的发展日光温室近年来的发展u建筑型式更加多样化u建筑体型与规格、构造尺寸的发展与变化u墙体和屋面骨架材料u保温被与卷帘机u提高日光温室环境综合调控能力u设计与建造的标准、规范制订辽沈型日光温室辽沈型日光温室形式与结构多形式与结构多样化的探索样化的探索 北京地区 日光温室二种潮流的日光温室二种潮流的日光温室砖墙（或其他建材）砖墙（或其他建材） 日光温室日光温室u多为温室工程公司为农业园区
28、或园艺生产企业建设u砖墙、钢结构骨架、保温被u室内无立柱，空间较大、较为美观u设置通风窗、卷帘等设施，配套一定的调控设备u占地少，造价较高土墙日光温室土墙日光温室uu 多为农村当地自建u土墙、竹木（部分有少量钢材）骨架、草帘u室内有立柱、不讲求外观u无通风窗、注重密闭保温，部分开始配置卷帘机u后墙占地较多，造价较低58m1014m0.51.5m1.53m45m走道走道山东地区日光温室山东地区日光温室 厚土墙大跨下沉式日光温室山东厚土墙大跨下沉式日光温室山东厚土墙大跨下沉式日光温室双连跨日光温室双连跨日光温室多连跨日光温室多连跨日光温室其他形式其他形式日光温室的探索日光温室的探索 南北双连跨（阴
29、阳型）日光温室南北双连跨（阴阳型）日光温室u 阳棚的用途与普通日光温室相同u阴棚对于墙体北面有保温的作用u阴棚内光照条件较差，温度低，但高于露地，用于种植不需光照或对光照要求低的作物，如食用菌、喜阴叶菜、花卉等u可显著提高土地利用率阳棚阳棚阴棚阴棚南北双连跨（阴阳型）日光温室南北双连跨（阴阳型）日光温室 保温被内置型保温被内置型( (蓟春型蓟春型) )日光温室日光温室u可有效防止保温被或草帘被雨雪浸湿和大风掀起u内层薄膜可以自由开闭，有效调控室内温湿度环境u屋面保温性显著提高存在问题存在问题 u日光温室设计建造方法的规范性差，各地的探索、实践经验需要认真总结、交流。u较多的日光温室在屋面采光、
30、体型设计、结构参数和一些保温蓄热构造设计等方面仍存在不够合理之处。u一些日光温室的采光条件较差、室内温度过低（ 1010b b后后 a a + 5+ 5或b b后后 7272- - 纬度纬度f f0.5mh10.8ma aLwHjHj / Lw 0.5提高墙体蓄热能力提高墙体蓄热能力尽可能保证后墙具有足够的高度Hw墙体蓄热层采用蓄热性能良好的材料墙体蓄热层应有足够的厚度d1提高后墙表面对太阳辐射热的吸收率Hwd1加强各部分的保温性加强各部分的保温性前屋面，采用保温性良好的草帘或保温被推荐：当地夜间最低温度 草帘或保温被传热系数-52.0W/(m2)-101.6W/(m2)-151.3W/(m2)-20 a a + 5+ 5或 b b后后 7272- - 纬度纬度f fa a
