日光温室水循环温控系统设计与夏季降温性能分析.pdf

农业生物环境与能源工程 日光温室水循环温控系统设计与夏季降温性能分析 王发香1 2 闫世风3 柏雨润3 海云瑞3 田晓东4 郭文忠1 1 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京 100097 2 宁夏大学葡萄酒与园艺学院 银川 750021 3 宁夏农林科学 院农业经济与信息技术研究所 银川 750002 4 银川市兴庆区农业农村和水务局现代农业发展服务中心 银川 750001 摘 要 为提高北方地区日光温室夏季蔬菜的生产能力 缓解夏季日光温室高温环境对温室栽培作物所产生的高温胁迫 问题 该研究以水为换热介质 利用水袋和温室内外换热器作为蓄放热部件 结合高低位水箱和循环泵 设计了一套基 于压差重力势自循环的水循环温控系统 并采用能量平衡分析 探究其在北方地区的日光温室温度缓冲平衡性能 结果 显示 1 在夏季高温期间 水循环温控系统可有效降低试验温室内气温 在常规自然通风条件下 试验温室的平均气 温比对照温室低1 5 5 1 最大平均温差达8 2 水平方向分布存在差异 垂直方向气温分布均匀 2 通过分析日 光温室室内光热环境变化特征 有水循环温控系统的试验温室和对照温室晴天最大温差可达7 1 水循环温控系统相 较于对照温室 在最适宜温度22 25 持续时间延长170 min 正常生长温度20 30 延长120 min 能有效缩短高 温胁迫时长 为番茄提供更长时间的适温时段 3 水循环温控系统运行稳定 重力势水循环日制冷量为34 141 4 49 230 8 kJ 具有良好的降温缓冲性能 4 试验温室面积1 536 m2 经过分析可推算出翅片管散热器增至15组 系统的总水量增至 约25 m3 水袋数量增至18条时 散热效果最佳 5 降温过程中的水循环是封闭式循环 仅水箱局部管道处有很少的 水分蒸发量 水资源循环利用率可达95 且较湿帘风机降温系统节能53 8 该研究为日光温室蔬菜安全越夏生产提 供了有效低廉的缓冲降温方法 对于延长日光温室的越夏生产时间具有重要意义 关键词 日光温室 温度调控 水循环 系统设计 夏季降温 性能分析 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202503231 中图分类号 S237 S625 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2026 02 0237 09 王发香 闫世风 柏雨润 等 日光温室水循环温控系统设计与夏季降温性能分析 J 农业工程学报 2026 42 2 237 245 doi 10 11975 j issn 1002 6819 202503231 http www tcsae org WANG Faxiang YAN Shifeng BAI Yurun et al Design of the water circulation temperature control system for solar greenhouses and its cooling performance in summer J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2026 42 2 237 245 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 202503231 http www tcsae org 0 引 言 截止到2022年 中国日光温室面积已达到81万hm2 占设施农业总面积的29 1 2 是北方设施蔬菜生产的 主要结构类型 然而 日光温室受结构和空间限制 环 境调控能力差 夏季高温会使温室中植物呼吸速率增 加 影响碳水化合物的积累 使幼苗徒长 尤其对番茄 生长产生许多不利影响 引起番茄叶片被灼烧 3 光合 作用降低 4 落花落果 番茄染病的风险增加 5 等 造 成蔬菜生物产量和经济产量的减少 6 导致日光温室夏 季闲置 降低了设施设备的利用效率 造成了土地资源 的浪费 目前 日光温室降温形式主要有通风降温 7 遮阳降 温 8 蒸发降温 9 制冷降温 10 和热交换降温 11 通风 降温和遮阳降温是生产上常用的降温方式 为了提高降 温效果 又增加了湿帘负压通风降温方法 但该方法为 开放式循环 风机和水泵需持续运行 需水量和能耗较 高 在利用制冷降温和热交换降温方面 佟雪娇等 12 通 过太阳能水循环系统 可将温室内温度降低5 0 8 0 系统设计灵活 可通过调整阳光板颜色 厚度和流量优 化性能 但流量和板厚最佳参数需精细调控 增加了操 作复杂性 李霞等 13 通过 水 气温差 和 地 气温差 热交换 在密闭盆栽小环境中实现降温除湿并回收蒸腾 水循环利用 但夜间降温效果不明显 且需依赖高气流 速度维持水循环 孙维拓等 14 创建的水墙封闭温室能在 夏季降低0 8 6 8 是一种可行的 低碳节能的封闭 温室型式 但该温室结构为双层造价较高 循环泵持续 运行 运行能耗高 XIN等 15 设计了一套基于冷水机的 水循环基质降温系统 用于日光温室番茄根区降温 该 系统可将基质温度降低 6 5 8 5 有效缓解高温胁迫 显著促进番茄株高 茎粗 生物量等生长指标 但运行 中仍需依赖水泵持续循环 对泵的稳定性和能耗有一定 要求 SETHI等 16 利用地下含水层恒温24 0 的水资 源 通过设计的地下水耦合空腔流动换热系统 实现温 室冬季夜间加温和夏季白天降温 该系统可使冬季温室 气温提高7 0 9 0 夏季降低6 0 7 0 但该系统 收稿日期 2025 03 28 修订日期 2025 12 12 基金项目 宁夏回族自治区重点研发计划 2023BCF01047 宁夏农林科 学院对外科技合作专项 DW X 2023001 作者简介 王发香 研究方向为设施环境调控与智能装备 Email 2741079244 通信作者 郭文忠 研究员 研究方向为设施蔬菜栽培与智能装备 Email guowz 第 42 卷 第 2 期农 业 工 程 学 报 Vol 42 No 2 2026 年 1 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2026 237 依赖地下水资源 能耗较高 基于前人研究基础 本研究模拟地球水资源对于地 球温度的缓冲平衡作用 提出了一种日光温室水循环温 控系统 利用 水泵 压差重力势自循环 相结合 根据 高位水箱的水位阈值和温度管理需求参数的耦合设置 通过启停循环泵和加压泵的频次 调节水循环的流量和 流速 实现对日光温室温度缓冲平衡的调控 1 日光温室水循环温控系统构成 1 1 日光温室水循环温控系统的设计与构成 依据日光温室的结构特点和生产模式 对水循环系 统的运行模式 各部件的种类和材质等方面提出设计思 路 通过对日光温室内外翅片管换热器的规格尺寸及安 装高度 水袋的尺寸及蓄水量等的理论分析 确定具体 参数 并在日光温室中进行系统设计与安装 水循环温控系统 water circulation temperature control system WCTCS 包括水袋 低位水箱 循环泵 增压 水泵 控制系统 高位水箱 无规共聚聚丙烯 Polypropylene Random PPR 调节阀 温室内翅片 管换热器 温室外翅片管散热器 浮球阀等 如图1所示 137 98 12 6 5 11 3 10 2 1 4 N 水流方向Water flow direction 1 水袋 2 调节阀 3 低位水箱 4 循环水泵 5 控制系统 6 高位水箱 7 温室内翅片管换热器 8 无规共聚聚丙烯管 9 温室外翅片管散热器 10 日光温室 11 浮球阀 12 冬内循环方向 13 非冬外循环方向 1 Water bag 2 Regulating valve 3 lower water tank 4 circulating water pump 5 Control system 6 High level water tank 7 Greenhouse finned tube heat exchanger 8 polypropylene random copolymer pipe 9 Greenhouse outdoor finned tube radiator 10 Solar greenhouse 11 Floating ball valve 12 Internal circulation direction in winter 13 External circulation direction in non winter 图1 水循环温控系统示意图 Fig 1 Diagram of the water circulation temperature control system 1 2 工作原理 WCTCS以水作为循环介质 以温室内外翅片管换 热器和水袋为换热部件 通过高位水箱 管路 泵和调 节阀 浮球阀 低位水箱形成闭环水路系统 在温室气 温较高时 温室里的水袋和内换热器通过热交换吸收温 室内热量到水体中回流到低位水箱 再通过循环泵供至 高位水箱 依靠高位水箱的压差重力势形成水驱动力 驱动水流到温室外散热器散热后自流到温室内的换热器 和水袋吸收热量 再流至低位水箱 当高位水箱的水降 落到水位低限时 水位传感器发出信号 控制系统接受 信号做出判断 启动循环泵 将低位水箱的水抽到高位 水箱内 形成压差重力势 再次实现水循环 当温度过 高时 可启动加压水泵 加快水流速度 增强换热量 在温室气温较低时 关闭外循环 启动内循环 白天水 体进行蓄热 晚上水体在温室内放热 在极端低温时 白天可启动空气源热泵对水体进行加温 提高水体热容 量 实现温室温度周年生产季 削峰填谷 平衡温室 温度 营造作物生育的优良环境条件 本系统通过监测 水位和温度来控制循环水的状态 并在此基础上开展日 光温室越夏降温试验 验证其降温性能 2 材料与方法 2 1 试验温室及对照温室概况 试验基地位于宁夏回族自治区银川市金凤区丰登镇 润丰村利思现代农业产业园 38 60 N 106 24 E 平均 海拔1 100 m 年日照时数3 032 1 h 平均气温9 0 7 月份平均气温26 1月份平均气温 5 5 17 选择 相邻两栋日光温室作为试验场地 均为东西走向 长 128 m 跨度12 m 北墙高4 m 脊高 5 2 m 后坡屋面 构造为聚苯材料复合墙体 前屋面为钢架结构 前屋面 透明覆盖材料为聚氯乙烯无滴膜 外涂遮光剂 选用 釜 山 88 樱桃番茄 采用无土栽培方式种植 栽培基质为椰 糠条 定植时间为2024年4月23日 拉秧时间为2024 年9月3日 S1 为试验温室 采用 WCTCS 和自然通风 的降温方式 S2 为对照温室 仅采用自然通风降温方式 设置在温室顶部的顶开窗 利用热空气上升原理排出高 温气体 在晴天高温时段 早晨室外温度上升时逐步开 启通风口 中午至下午保持通风口全开 结合遮阳网减 少太阳辐射强度 傍晚根据室外温度逐步关闭通风口 保留部分通风以防止夜间湿度过高 通过对比两栋日光 温室的气温 水温 产量等参数 评估WCTCS的降温 缓冲效果 2 2 试验装置组成 水袋放置于温室内南侧地面采光处或作业道旁等不 影响田间作业的位置 由长10 m 直径40 cm的易蓄热 不长绿藻的黑色聚氯乙烯构成 共12个 水袋中间用长 1 m直径32 mm的PPR水管连接 在水管两端添加调节 阀 管道采用直径为32 mm的PPR管 总长度约150 m 沿温室北墙和南侧布置 低位水箱由长2 2 m 直径 1 3 m的回液桶和控制系统组成 通过循环泵一端连接至 低位水箱 另一端连接至高位水箱 功率0 88 kW 水 流量10 m3 h 最大扬程25 m 容积为2 86 m3 高位水箱 北侧增压水泵的一端连接至高位水箱 另一端连接至温 室内外翅片管换热器 功率0 75 kW 水流量5 m3 h 扬 程14 m 频率50 Hz 高位水箱为2 m 1 6 m 1 35 m的 塑料储水箱 容积为4 32 m3 高位水箱与低位水箱的垂 直高差为3 5 m 利用压差重力势能驱动水自然循环 当 高位水箱低于设定值时启动水泵 间歇式将低位水箱的 水供至高位水箱 温室内翅片管换热器尺寸为 1 0 m 0 7 m 每组20根 共计5组 垂直悬挂于温室内 北墙面上 温室外翅片管散热器尺寸为2 m 1 m 每组 9根 共计10组 安装固定于日光温室外北墙侧面 循 环水通过高位水箱的压差重力势自流或加压流经温室外 散热器散热 在进入温室的水袋和温室内换热器吸收热 238农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 量 最终流入到低位水箱储存 通过浮球阀控制低位水 箱的流入 用PPR水管连接水袋与翅片管换热器 形成 闭环式管路系统 如图2所示 日光温室 Chinese solar greenhouse 水袋 Water bag 温室外翅片管 散热器Finned tube radiator for outdoor use 高位水箱 High level water tank 温室内翅片管 换热器Finned tube heat exchanger in greenhouse 图2 水循环温控系统实物图 Fig 2 Physical picture of water circulation temperature control system 2 3 系统降温过程计算 2 3 1 系统制冷性能系数 水循环温控系统的制冷性能系数 18 coefficient of performance COP 是衡量制冷系统效率的一个关键指标 它表示系统产生的制冷量与所消耗的能量之比 COP的 计算式如下 19 COP QcW 1 Qc w qcd c 2 qc wCwmw Ti To 3 式中Qc是系统制冷量 W是系统制冷时所消耗的电能 J qc为系统制冷功率 c是系统制冷时长 s w为水 的密度 取1 000 kg m3 Cw为的比热容 取4 184 J kg K mw为冷却水的流量 通过流量计测得 m3 s Ti To分 别为温室外翅片管管散热器组的总进水温 总出水温 K 2 3 2 翅片管散热器面积优化 翅片管散热效率计算式为 qc kAp T 4 式中k为传热系数 W m2 K Ap为温室外翅片管散热 器表面积 m2 T为温室外翅片管散热器的内部循环水 与室外空气的温差 K 由式 4 推导可得所需散热面积 Ap qck T 5 2 4 试验仪器与测点布置 2 4 1 试验仪器 试验温室和对照温室内外温湿度选用日本ESPEC爱 斯佩克THCO2温湿度记录仪测量 温 湿度传感器精度 分别为 0 5 和 5 0 红外成像选用德国Testo公司 生产的 Testo 890 2红外热像仪获取温室屋面热图像 测 量表面温度分布 精度为 2 0 电磁流量计选用凯驰 瑞鑫 大连 仪器发展有限公司生产的KRCFLO 1518Hand手持式超声波流量计 体积流量精度为 1 0 温室内外太阳辐射采用山东塞恩电子科技有限公司生产 的SN 300AL RA N01太阳辐射传感器测量 测量范围为0 1 800 W m2 水温传感器选用鹏合冷链科技有限公司生 产的温湿度记录仪 测量精度为 0 5 温 湿度传感 器做防辐射处理 所有设备仪器自动采集数据时长间隔 为 5 min 2 4 2 测点布置 温室内测点位置详见图3 1 5 m 6 m 12 m 1 5 m 4 5 m a 试验区测点布置剖面图 a Cross sectional view of the test area measurement point layout b 试验区测点布置俯视图 b Top view of the test area measurement point layout 3 0 m 96 m 3 m 9 m 64 m32 m N 电磁流量计 Electromagnetic flowmeter 太阳辐射传感器 Air temperature and humidity sensor 空气温湿度传感器 Solar radiation sensor 水温传感器 Water temperature sensor 图3 传感器布置图 Fig 3 Sensor layout diagram 1 试验温室与对照温室内温湿度测点均设置7个 水平方向分别布置于温室跨中距西墙32 64和96 m处 东西跨中距北墙3 9 m处 距地面1 5 m 垂直方向分 别布置于温室跨中距西墙64 m 距地面3 0 4 5 m处 室外温湿度测点置于温室前屋面外1 5 m高处 选取 2024年8月1日 8月9日连续9 d的试验数据进行分 析 天气状况包括晴天 8月3日 8月4日 8月 5日 阴天 8月1日 8月2日 8月7日 8月 9日 和雨天 8月6日和8月8日 水循环温控系统 WCTCS 全天候运行 选取白天08 00 20 00 的温度数据进行分析 2 试验温室水袋进水口 水袋中间 水袋出水口水 温测点设置3个测点 流向低位水箱处为入水口 室外 最后一个翅片管散热器为出水口 3 温室内太阳辐射传感器测点布置于温室几何中心 距地面1 5 m高处 温室外太阳辐射传感器布置置于温 室前屋面外1 5 m高处 第 2 期王发香等 日光温室水循环温控系统设计与夏季降温性能分析239 4 电磁流量计布置于温室北墙外翅片管散热器入水 口PPR水管处 2 4 3 不确定度分析 本试验的不确定度主要来源于仪器测量误差 环境 波动及数据采集方法 具体分析如下 1 仪器误差 温湿度传感器测量误差为 0 5 电 磁流量计测量误差为 1 红外热像仪表面温度测量误 差为 2 2 环境波动 室外太阳辐射波动 传感器范围 0 1 800 W m2 可能导致温室热负荷瞬时变化 通过多 次重复试验降低随机误差 20 3 数据采集间隔 5 min采集间隔可能导致峰值温 度遗漏 但通过与1 min间隔的预试验数据 差异小于 0 3 误差可忽略 综上可知 试验数据不确定度处于合理范围 主要 结论不受测量误差影响 2 5 番茄生长测量指标与测量方法 在番茄结果期试验温室与对照温室各选取30株番茄 植株作为观测植株生育指标 番茄植株株高 茎粗 果 实大小采用游标卡尺和卷尺测定 糖度值采用天津瞭望 光电科技有限公司生产的BM04手持式糖度仪 精度 0 2 番茄产量使用电子天平称量测定 2 6 数据处理 利用 Excel 对数据进行分析与处理 用 SPSS26 0软 件做显著性分析及方差 Origin软件进行数据可视化 3 结果与分析 3 1 系统对日光温室的降温缓冲能力 3 1 1 降温幅度 温度是影响作物生长发育的重要环境因素 21 掌握 温度总体变化 升速及空间分布等对于温室节能降耗 作物高产具有积极意义 22 23 长时间高温环境严重影响 作物生长发育 8 试验温室S1与对照温室S2气温比较 见表1 表 1 试验温室 S1 与对照温室 S2 气温对比 Table 1 Temperature comparison between test greenhouse S1 and control greenhouse S2 日期 Date S1 S2室外温度Outdoor temperature 平均值 Average 最高值 Maximum 平均值 Average 最高值 Maximum 平均值 Average 最高值 Maximum 08 01 23 1 33 6 25 2 34 2 22 2 36 2 08 02 23 5 27 5 25 5 29 0 22 1 28 2 08 03 28 5 45 4 30 4 47 3 26 1 39 8 08 04 25 3 39 7 28 2 47 0 26 9 40 5 08 05 29 1 46 3 34 2 47 1 25 0 38 9 08 06 20 9 25 2 22 8 27 2 20 1 23 2 08 07 23 2 39 4 27 5 41 6 20 8 28 5 08 08 21 7 25 4 23 2 25 5 20 1 22 7 08 09 22 1 31 4 24 9 32 9 21 1 27 2 S1室内平均气温为21 7 29 1 比采用自然通风 的S2低1 5 5 1 降温效果良好 S2通过自然通风 降温时 期间室内气温高于室外气温 平均温差最大达 8 2 室内最高气温达47 3 表1 远超樱桃番茄 的耐热阈值 24 试验观测显示 S2的番茄植株在 高温时段出现叶片灼烧 落花落果现象 高温环境严重 阻碍了番茄的正常生长发育 因此在炎热的夏季 日光 温室仅通过自然通风或机械通风的方式难以达到理想的 降温效果 WCTCS结合自然通风的降温方式对于日光 温室番茄越夏生产具有很好的平衡保障作用 3 1 2 气温空间分布 从表2可以看出 S1采用自然通风降温和WCTCS 降温 空气水平方向最大平均温差不超过3 8 室内 空气垂直方向最大平均温差不超过0 8 气温分布均 匀 距西墙64 m处平均气温为27 9 南北方向上呈 梯度分布 北侧低而南侧高 在东西方向上 东侧的平 均气温高于西侧 由于温室内的热气向上运动 距地面 4 5 m处气温比距地面3 m处平均气温高0 8 S2仅采 用自然通风降温 室内空气水平方向最大平均温差不超 过4 5 空气垂直方向最大平均温差不超过1 0 气 温分布均匀 水平方向平均气温由低到高依次为距北墙 3 m 距西墙64 m 距北墙9 m 距西墙32 m 距西墙 96 m 由此可见 不同测试点的平均温度试验温室均低 于对照温室 表 2 温室内不同方向平均气温分布 Table 2 Distribution of average air temperature in different directions inside the greenhouse 方向Direction位置Locations S1 S2 日光温室水平方向平均温度 Average horizontal temperature direction of solar greenhouse 距西墙32 m 28 2 30 5 距西墙64 m 27 9 28 4 距西墙96 m 30 9 31 2 距北墙3 m 25 7 26 7 距北墙9 m 28 9 30 2 日光温室垂直方向平均温度 Average vertical temperature direction of solar greenhouse 距地面1 5 m 27 9 28 4 距地面3 0 m 27 1 28 5 距地面4 0 m 27 9 28 6 3 2 不同系统部位的降温效果 3 2 1 水袋入水口 出水口温度差异 系统进出水口的温差与水体的蓄热能力和温室降温 能力有直接相关关系 为此 选取2024年8月4日晴天 的数据进行分析 由图4可以看出系统进回水水温变化 WCTCS运行时段为08 00 20 00 水袋出水口的温度始 终高于水袋进水口的温度 进回水水温温差最大为6 2 08 00 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 时刻Time 温度 Temperature 19 21 23 25 27 29 31 33 35 水袋出水口Water bag outlet 水袋进水口Water bag inlet 水袋中间Middle of the water bag 图4 温室内南侧水袋水温变化 Fig 4 Water temperature changes in the water bags on the south side of the greenhouse 240农业工程学报 http www tcsae org 2026 年 结合试验温室面积 1 536 m2 和夏季日均热负荷 约 1 200 kJ m2 d 11 考虑系统循环效率及蓄散热需求 需将总水量增至25 m3 水袋数量增至18条 以平衡蓄 热散热能力 根据式 4 和式 5 计算可得 现有散 热面积不足 翅片管散热器需增加至15组散热效果最佳 总 散热面积60 m2 结合强制循环提升传热系数 k 45 W m2 K 可大幅增大试验温室与对照温室的温差 更有利于实现降温效果 3 2 2 重力势水循环和强制式水循环的降温效果 水循环降温系统的降温效果还与系统循环水流量有 关 为探寻循环水流量对降温系统降温效果的影响 进 而筛选出更具有经济价值的系统循环水流量 15 水流量 的改变是通过控制加压水泵的启停 来实现水泵强制流 动或压差重力势自流的切换 将流量计连接至高位水箱 出水口处的水泵 通过开启水泵改变循环管路中的水流 量 本试验选取2个不同水流量值 研究分析不同水循 环流量降温系统的降温效果 由表3可知 采取强制式 水循环模式比重力势水循环运行模式空气平均温度低2 7 平均水温低3 2 因此 在一定范围内 提高循环水 流量有利于获得更高的降温效率 3 3 系统性能分析 选取包含晴天和阴天的连续5 d的试验数据对 WCTCS 整体能耗进行计算 结果如表4所示 在这 5 d中 S1进水平均水温为28 6 32 0 出水平均温 度为24 0 27 4 出水平均温度较进水平均温度低 4 6 系统为压差重力势自循环 系统运行12 h 耗电 量为9 kWh WCTCS的制冷功率为790 31 1 138 98 W 制冷量为34 141 4 49 230 8 kJ COP为1 1 1 5 表明 该系统具有良好的降温性能 如遇高温天气 开启加压 水泵 采取强制式水循环 系统运行12 h 耗电量为 20 kWh 根据计算式计算可得COP为6 6 9 7 由此可 得 在适宜范围内增大水流量可增加制冷量 提高日光 温室室内外换热效率 降温效果更明显 表 3 重力势水循环和强制式水循环的温度差异 Table 3 Temperature difference between gravity driven natural circulation and forced water circulation 类型 Type 水流量 Water flow m3 h 1 空气平均温度 Average air temperature 平均水温 Average water temperature 重力势水循环 Gravity driven natural circulation 0 2 34 3 26 5 强制式水循环 Forced water circulation 5 0 31 6 23 3 表 4 WCTCS的降温性能 Table 4 Cooling performance of the WCTCS 日期 Date 进水平均温度 Average inlet water temperature 出水平均温度 Average outlet water temperature 进出水温差 Inlet outlet water temperature difference 制冷功率 Cooling power W 制冷量 Cooling capacity kJ 性能系数 Coefficient of performance 08 01 29 3 25 9 3 4 790 31 34 141 4 1 1 08 02 28 6 24 0 4 6 1 069 24 46 191 4 1 4 08 03 32 0 27 4 4 6 1 069 24 46 191 4 1 4 08 04 31 0 26 6 4 4 1 022 76 44 183 0 1 4 08 05 31 1 26 2 4 9 1 138 98 49 203 8 1 5 3 4 不同天气状况下的室内光热环境变化特征 图5a为晴天S1与S2室内气温和太阳辐射的变化 WCTCS全天运行 在晴天条件下 S1室内太阳辐 射照度最大值为348 W m2 随着太阳辐射照度的逐渐增 强 室内空气温度逐渐升高 其中室内空气温度在 15 08达到最大值39 8 此时S2气温为41 1 随 着WCTCS的持续降温 S1的气温呈缓慢下降的趋势 而S2的气温仍继续上升 到16 00前后 S2气温达到 最大值42 1 此时温度为35 3 S1与S2最大温差 可达7 1 从全天的平均温度来看 S1的空气温度平 均值为26 3 S2的空气温度平均值为28 3 分别 比室外空气温度低3 4 和1 4 S1的气温总是低于 S2的气温 图5b为阴天S1与S2室内外气温和太阳辐 射的变化 WCTCS全天运行 S1和S2的气温变化趋势 基本一致 日光温室室外气温高于S2的气温 S2的气 温高于S1的气温 结果表明 WCTCS在不同天气条件 下均能有效缓解温室内的高温环境 当温室气温升高时 水袋和翅片管换热器吸收的热量随之增加 促进外循环 散热 系统整体的降温幅度也随之提升 0100 200300 400500 600700 800 08 00 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 太阳辐射量 Solar radiation W m 2 时刻Time 14 19 24 29 34 39 44 49 08 00 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 气温 Air temperature 太阳辐射量 Solar radiation W m 2 气温 Air temperature 时刻Time 08 00 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 时刻Time 08 00 09 00 10 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18 00 19 00 20 00 时刻Time S1 S2室外Outdoor S1 S2室外Outdoor S1 S2室外Outdoor S1 S2室外Outdoor 17 19 21 23 25 27 29 0 5 10 15 20 25 a 晴天 a Sunny day b 阴天 b Cloudy day 图5 不同天气室内外光热环境变化 Fig 5 Changes in indoor and outdoor light and thermal environment under different weather 3 5 WCTCS主要部件红外热成像图 红外成像仪热成像图可以直观反映拍摄对象的温度 差异和变化 图6a为S1中WCTCS内南侧水袋蓄热的 第 2 期王发香等 日光温室水循环温控系统设计与夏季降温性能分析241 热成像图 水袋表面温度较高 最高达46 0 此时水 袋进水口的水温为32 2 水袋出水口的水温为34 4 水袋从进水口流向出水口的过程中吸收温室内部的空气 余热和太阳辐射热 受外部热空气渗透和太阳辐射积累 蓄热效果明显 图6b为S1中WCTCS温室内北墙翅片 管换热器的热成像图 水流流经温室外的翅片管散热器 散热后再分流进入温室内进行蓄热 此时水从高位水箱 流经温室外散热后进入温室内北墙的翅片管换热器进行 蓄热 进出水口最大温差可达3 2 具有良好蓄热能力 图6c 为S1中WCTCS温室外北墙翅片管散热器的热成像图 水流通过北墙外的翅片管散热器进行降温 散热片进出 水口温差可达9 0 说明WCTCS具有良好的散热降温效果 c Finned tube heat radiator on the north wall outside the greenhouse b 温室内北墙翅片管换热器 b Finned tube heat exchanger on the north wall inside the greenhouse a 温室内南侧水袋 a Water bag on the south side inside the greenhouse 350 46 28 0 350 36 24 0 350 59 9 0 c 温室外北墙翅片管散热器 图6 系统红外热成像图 Fig 6 Infrared thermal image of the system 3 6 影响番茄生育的温度持续时间比较 日光温室中适合番茄生长的温度范围通常在20 30 之间 最适宜的温度大约在22 25 在番茄生 长的结果期适宜的日温为22 28 夜温为12 17 所以调节夏季高温环境是实现温室作物周年生产的关 键 25 如图7所示 晴天条件下 以最适宜的温度22 25 为评价标准 S1持续时间为170 min S2持续时间 为55 min 室外持续时间为45 min S1比 S2可延长 115 min 在适宜番茄生长的日温22 28 的温度范围 S1持续时间为535 min S2持续时间为410 min 室外 为420 min S1比 S2可延长125 min 在正常生长温度 20 30 的温度范围 S1持续时间为895 min S2持 续时间为775 min 室外为580 min S1比 S2可延长 120 min 30 35 的温度范围 S1持续时间为85 min 高于S2的持续时间80 min 小于22 S1持续时间为 575min 高于S2持续时间465 min 大于33 S1持 续时间为 385 min 低于S2持续时间420 min 由此可 见 WCTCS在20 30 具有良好的降温缓冲效能 即 能有效缩短高温胁迫时长 并延长有利于作物生长的适 温时段 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 22 22 25 22 28 20 30 30 35 33 持续时间 Duration min 温度范围Temperature range S1 S2 室外Outdoor 图7 不同温度范围持续时间 Fig 7 Duration in different temperature ranges 3 7 系统对樱桃番茄生长发育和产量的影响 在系统运行下连续监测樱桃番茄植株生长情况 由 表5可知 两个温室内樱桃番茄的株高 茎粗 糖度值 产量几个基本的指标 有显著差别 0 01 P 0 05 试验温室产量较高 采用WCTCS的试验温室樱桃番茄 生长状况明显优于对照S2温室 表 5 WCTCS对樱桃番茄株高 茎粗 果实大小 糖度值 产量的影响 Table 5 Effects of WCTCS on tomato plant height stem diameter fruit size brix value and yield 区域 Area 株高 Plant height cm 茎粗 Stem thick mm 果实大小 Fruit size mm 糖度值 Brix value 产量 Yield 103kg hm 2 S1 261 50 4 37a 10 69 0 17a 30 36 0 41a 8 00 0 28a 104 2 5 9a S2 256 00 3 91b 9 26 0 24ab 23 93 0 36b 5 90 0 14b 87 4 3 2b 注 图中每列不同小写字母表示处理间差异显著 0 01 P 0 05 Note Different lowercase letters in each column of the figure indicate significant d