温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法.pdf

第36卷 第12期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 12 212 2020年 6月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jun 2020 温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法 周长吉 王 柳 田 婧 富建鲁 张月红 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所 北京100125 摘 要 针对温室CO2供给设备容量设计缺乏相关理论和设备配置的相关规范 在分析CO2恒定浓度控制模型 低浓度 控制模型 恒定供气流量控制模型的基础上 探索建立了温室内CO2平衡模型 结合作物对CO2的需求和大型连栋温室 蔬菜高架栽培的土壤CO2释放量低等特点 提出了温室CO2施肥供气负荷计算方法 以天然气锅炉的回收烟气和液态CO2 为气源 提出了以CO2供应为目标的天然气锅炉功率和液态CO2储液罐容积计算方法 为相应设备的设计选型提供了理 论依据 以栽培面积49 200 m2 容积329 640 m3的文洛型温室为案例 采用该文建立模型进行计算表明 在CO2施肥恒 定流量控制模式下 设定最低控制CO2体积分数为600 10 6 m3 m3条件下 白天仅需运行1台额定蒸发量为10 t h的天然 气锅炉就可满足CO2施肥需求 用液化CO2施肥 在CO2低浓度控制模式下 设定最低控制CO2体积分数为500 10 6 m3 m3 条件下 则需要配备容积为20 m3的储液罐 实际运行情况表明 该文建立的CO2施肥供气负荷计算与设备选型方法切 实可行 满足实际生产的要求 关键词 温室 光合作用 CO2施肥 模型 负荷 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 中图分类号 S626 5 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 12 0212 09 周长吉 王柳 田婧 等 温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法 J 农业工程学报 2020 36 12 212 220 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 http www tcsae org Zhou Changji Wang Liu Tian Jing et al Calculation for CO2 supply load of vegetable spatial soilless culture greenhouse and equipment matching J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 12 212 220 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 12 026 http www tcsae org 0 引 言 大型连栋温室生产科技含量高 受外界气候变化影 响小 单位面积土地用工量少 产出率高 产量 品质 稳定 因此成为了现代农业的代表 对温室内温 光 水 肥 气的自动控制是大型连栋温室高科技的重要表 现 其中的 气 包括了空气 水汽和CO2气 对CO2 气体的控制主要是控制其浓度 研究表明 适度增加CO2 浓度可以提高园艺作物的产量和品质 1 3 温室内CO2的 补充 中国长期主要依靠施用有机肥 依靠微生物分解 土壤中有机物释放CO2 或者是利用开窗通风从室外引 入空气补充 也个别利用化学反应 CO2颗粒气肥和钢瓶 装液化CO2供气 4 大型连栋温室蔬菜生产一般采用高架 营养液栽培 不施用有机肥 中国北方地区温室冬季运 行考虑加温成本 白天基本不开窗或开窗时间很短 由 此使连栋温室CO2的供应受到极大限制 低CO2浓度环 境下 即使再适宜的温光条件 作物也难以合成充足的 光合产物 导致落花落果 产量品质降低 为此 目前 新建的大型连栋温室采用高架栽培蔬菜 都需要配套人 工补充CO2的设施 利用冬季温室加温时燃烧天然气的 副产物烟道尾气进行CO2施肥不失为一种有效的做法 收稿日期 2020 03 19 修订日期 2020 05 21 基金项目 农业农村部规划设计研究院自主研发项目 ZZYFXKFZ201902 作者简介 周长吉 博士 研究员 主要从事温室工程技术的研究 设计和 标准化工作 Email zhoucj 白天根据作物的需要燃烧天然气给作物供CO2 同时将 多余热量储存于储热罐用于夜间温室加温 无需加温时 段则采用液化CO2供气 因此设计供气设备的容量非常 重要 容量过大不经济 过小则难以满足需求 对于温 室CO2的补充 前人进行了一些探索 李萍萍等 5 研究了 不同温度和光照强度下 不同CO2浓度与光合速率的关 系模型 也有学者基于离散曲率 支持向量机 改进鱼群 算法 BP神经网络算法和光温耦合等建立一系列的控制 模型 6 9 这些模型重点在于描述CO2浓度和光合速率的 关系以及CO2浓度的控制算法 对于CO2供气设备容量 设计选型的研究则处于空白 长期以来由于中国温室设 计只注重室内的温光和作物的水肥控制 基本不配套专 门的CO2供给设备 由此 在大型连栋温室需要CO2供 给时 缺少相应的设计理论和设备配置的相关规范 给 温室工程的设计带来很大困难 本文在研究温室CO2供 应模式的基础上 探索建立温室内CO2动态平衡模型 针对不同渠道的CO2碳源和碳汇分析提出相应的理论计 算方法 为温室CO2供气系统设备选型提供容量的计算 方法 1 CO2施肥条件下室内CO2控制模型 所谓CO2施肥 就是在自然状况下室内CO2浓度较 低的时段人为地向温室内补充CO2 使室内CO2浓度维持 在与温度和光照强度相适应的作物较强光合作用强度的 水平 以增加作物光合作用产物积累 提高产量和品质 第12期 周长吉等 温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法 213 1 1 CO2恒定浓度控制模型 在完全自主控制的CO2施肥条件下 白天随着太阳 升起 温度和光照强度逐渐升高 温室内CO2浓度应同 步提高 当室内温度达到作物的适宜生长温度 光照强 度达到作物光合作用的光饱和点附近 阴雨天气条件下 室内光照强度可能达不到作物光合作用的光饱和点 室 内CO2浓度应长时间维持在作物光合作用较强的经济水 平 下午随着光照强度的减弱和温度降低 作物光合作 用强度也逐渐下降 向温室补充的CO2也应逐渐减少直 到完全停止 室内CO2浓度变化回到由作物呼吸作用主 导的夜间模式 在紧闭门窗的条件下 室内CO2浓度逐 步升高 结合白天人工供气和夜间作物呼吸的条件 可 以得出温室CO2昼夜变化的动态模型如图1所示 注 t0为开始向温室补充CO2时刻 t1为CO2浓度开始稳定时刻 t2为开始 停止供气时刻 C0为温室夜间积累CO2浓度 CL为温室内最低CO2浓度 Cs为CO2稳定浓度 Note t 0 means the beginning of supplying CO2 to greenhouse t1 means the beginning of steady CO 2 supplying t2 means the beginning of stopping CO2 supplying C 0 means CO2 concentration accumulated during nighttime in greenhouse C L means the least CO2 concentration in greenhouse Cs means the steady CO 2 concentration 图1 CO2施肥条件下室内CO2浓度控制模型 Fig 1 Model for CO2 concentration controlling under condition of CO2 enrichment in greenhouse 模型将室内CO2浓度变化分为3个时段 第1时段 为CO2浓度上升期 从开始向温室补充CO2时刻t0起到 CO2浓度稳定时刻t1止 这段时间的长短主要取决于温室 夜间积累CO2浓度C0的高低 太阳升起后光照强度提升 的速度以及CO2供气的速度 理论上讲这一阶段CO2浓 度提升的速度应与作物光合作用的强度同步 阴雨天光 照强度提升较慢时 CO2浓度上升期应适当延长 晴朗天 气光照强度提升较快时应适当缩短 具体时间的长短应 与光照强度 CO2浓度和温度综合影响作物光合作用的曲 线相匹配 补充CO2的起始时刻t0 应该在太阳升起室 内保温幕打开后 要同时考虑保温幕打开前的CO2浓度 C0和室外光照的强度 如果C0较高 而室内光照较弱 则暂时无需补充 第2阶段为CO2浓度稳定期 室内温度适宜 光照 强度在作物的光饱和点附近 室内CO2浓度稳定保持在 较高水平 这一时段为作物光合作用的最佳期 或者说 是人工补充CO2的最经济时段 这一时段的长短对作物 形成光合产物 提高作物产量具有至关重要的作用 主 要取决于自然光照时间的长短及其强度 人工补光的控 制策略 温室开窗通风排湿的要求以及作物光合和呼吸 作用强度的变化速度 第3阶段为CO2浓度的自然变化期 这一时期 温 室停止CO2供气 在作物光合作用下室内CO2浓度从稳 定供气阶段的高浓度逐渐下降 直到呼吸作用占据主导 地位后再次开始回升至次日太阳升起时的被动补充CO2 最高浓度C0 CO2浓度恒定控制策略就是以第2阶段的CO2浓度 Cs为控制目标 在白天作物光合作用旺盛的时段向温室 内供应CO2 保持室内稳定的CO2浓度 但由于作物吸 收CO2的强度与温度和光照强度直接相关 图2 除非 CO2浓度高于饱和点 否则温度和光照强度的任何变化都 会影响CO2的浓度 实际上CO2浓度也在影响着作物的 光饱和点 温度 光照强度和CO2浓度与光合作用强度 是一种非常复杂的关系 要维持恒定的空气CO2浓度 必须根据光温的变化精准调控CO2的供应 此外 要维 持CO2浓度在饱和点以上 实际生产中也是一种不经济 的方式 因此这种调控模式在大规模的温室生产中难以 实施 只有在严格温光恒定控制的作物生理试验研究中 才有可能采用这种供气模式 图2 茄子光合强度与温度 光照强度 CO2浓度的关系 10 Fig 2 Relationship between photosynthesis intensity of eggplant and temperature light intensity and CO2 concentration 1 2 CO2低限浓度控制模型 低限浓度控制模型就是将室内CO2浓度控制在人为 设定的作物光合速率较高且较经济的最低浓度之上 不 论环境温度和光照强度如何变化 室内CO2浓度始终维 持在不低于设定控制指标的水平 和恒定浓度控制模型不同的是这种控制模型在工程 设计中控制逻辑简单 技术成熟 造价低廉 调整CO2 浓度设定值 也能保证作物较高的光合作用强度 但这 种模型中CO2浓度设定值带有很强的经验性和人为因素 温室中CO2浓度始终处在变化之中 对CO2利用的有效 性和经济性缺乏精准的判断 为有效利用CO2 提高作 物的光合同化积累 工程设计的控制系统中可根据作物 的光合作用模型 按照光合作用强度设计梯级变化的CO2 控制策略 图3 和恒定浓度控制模型相同的是这种控 制模型也需要经常调整CO2的供应量 对CO2供气源的 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 214 要求较高 一般适用于液化CO2供气系统 实际控制中 只要在获得CO2浓度低于设定值的信息后打开供气阀门 向温室持续供气一定时间后自动关闭阀门即可 是一种 间歇式自动控制模式 如图4 图3 CO2低限浓度控制模型的梯级控制策略 Fig 3 Stepped control strategy for CO2 concentration controlling with low range control model 图4 应用低限浓度控制模型的温室内CO2浓度变化 Fig 4 Changes of CO2 concentration in greenhouse by using low range concentration control model 1 3 恒定CO2供气流量控制模型 恒定供气流量控制模型就是保持CO2供气量恒定 不论温室内温度和光照如何变化 CO2的供气流量不随时 间变化 这种控制模型在工程上实行起来最为简便 只要按 照设定时间打开或关闭供气阀门 其他控制设备可一概 省略 因此 这种控制模型非常适合天然气锅炉回收烟 道尾气进行温室CO2施肥的热气联供系统 在不考虑经 济因素的条件下也同样适合于液态CO2供气系统 由于作物光合作用强度受温度和光照强烈影响 恒 定供气模型下温室内CO2浓度将随光照强度和温度的提 高而降低 反之 当温度降低或光照强度减弱后 CO2 浓度则升高 所以室内CO2浓度也是在随时变化的 这种控制模型由于CO2浓度始终是随温度和光照强 度而变化 虽然在温室中温度可以自主控制 但光照强 度在不同的季节 不同天气条件以及同一天中不同的时 刻变化都很大 如何控制CO2供应量使作物获得较高的 光合作用同化量 是工程设计中研究的重点 2 温室内CO2平衡模型 在一个半封闭的作物生产温室中 CO2的收支平衡如 图5 以室内空气中CO2浓度为控制对象 CO2源包含作 物呼吸作用产生的CO2 土壤微生物分解有机物产生的 CO2 室内CO2浓度低于室外时通风换气或冷风渗透进入 温室的CO2以及外界补充的CO2 温室空气中CO2支出 的途径主要是作物光合作用吸收的CO2和室内CO2浓度 高于室外时通风换气或冷风渗透溢出温室的CO2 由此 温室内CO2浓度的动态平衡可表述为 V C Qs Qa Qp Qr Qv Qf 1 式中V为温室容积 m3 由于CO2的密度比空气大 一 般都会沉积在地面附近 对高架栽培的作物很难依靠自 主扩散分散到作物冠层中 为此 在实际运行中温室设 置了水平环流风机和垂直环流风机对空气进行强制扰 动 这样CO2将会弥漫在温室中 工程设计将V取为整 个温室容积也是基于这种实际情况 C为温室内CO2浓 度变化量 m3 m3 Qs为土壤中有机物经微生物分解释放 的CO2 m3 Qa为外界人工补充的CO2 m3 Qr为作物 呼吸作用放出的CO2 m3 Qv为温室开窗通风交换的CO2 m3 Qf为温室外围护结构表面缝隙冷风渗透交换的CO2 m3 Qp为作物光合作用吸收的CO2 m3 当温室内CO2 浓度大于室外时Qv和Qf为负值 图5 温室中CO2的收支平衡 Fig 5 Income and expenditure of CO2 in greenhouse 大型连栋温室生产多采用高架栽培方式 栽培架下 铺设地布 走道基本是混凝土地面 这种生产模式下 地面土壤不施有机肥也不耕作 高架栽培多以岩棉和椰 糠为基质 以无机营养液灌溉 由此通过地面土壤和栽 培基质释放进温室的CO2将受到极大限制 为此 在地 面铺设地布的高架基质栽培温室中 从土壤和基质中释 放的CO2在工程设计中可忽略不计 即Qs 0 温室通风的主要目的是降温排湿 从室外引进新鲜 空气补充室内CO2只是其附带功能 在没有人工补充CO2 的条件下 通过通风换气确实也是补充室内CO2的重要 途径 但在人工补充CO2时 由于室内CO2浓度一般要 高于室外 开窗通风反而会降低室内CO2浓度 所以 在人工补充CO2期间应关闭窗户 由此 在工程设计中 CO2供气阶段可不考虑通风换气形成的室内外气流交换 即Qv 0 作物光合作用吸收CO2 而呼吸作用释放CO2 在同 一植株体上这2种作用是同时发生的 白天光照条件下 光合作用占主导地位 作物吸收CO2大于释放CO2 表 现为净吸收CO2 夜间光照强度在作物光补偿点以下 光合作用停止而呼吸作用占主导作用 表现为呼吸释放 第12期 周长吉等 温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法 215 CO2 对于人工补充CO2系统 研究的目标是白天作物的 净光合量 也就是光合作用吸收与呼吸作用释放CO2间 的差值Qp r Qp r Qp Qr 2 综上 对于地面铺设地布采用高架基质栽培方式的 大型连栋温室 白天温室内CO2平衡的模型将可以简化为 V C Qa Qf Qp r 3 或将其表达为瞬时动态变化模型为 a f p rd dCV q t q t q tt 4 式中dC为CO2浓度瞬时变化值 m3 m3 dt为变化时段 h qa t 为随时间变化的CO2动态供气量 m3 h qf t 为动 态冷风渗透量 m3 h qp r t 为动态净光合同化量 m3 h 3 自然光照条件下CO2模型的供气量解析 3 1 冷风渗透交换的CO2 Qf 冷风渗透是通过门窗以及温室围护结构表面的缝隙 产生的室内外气体交换 一般按照单位时间内温室的换 气次数计算 单位时间内室内外空气的换气次数乘以室内 外CO2浓度差即可获得通过冷风渗透交换的CO2量 即 qf W N V Ci Co 5 式中qf为单位时间内通过冷风渗透交换的CO2量 m3 h W为冷风渗透换气风速影响因子 N为单位时间内温室 冷风渗透换气次数 h 1 Ci Co为室内外空气中CO2浓 度 m3 m3 式 5 中温室容积V可以通过温室的几何尺寸计算 出来 室内CO2浓度为设计控制值Ci 根据种植作物品 种 温室运行期间的光照和温度控制水平确定 综合考 虑作物的光合作用速率 图6 11 和经济性等因素实际生 产中Ci一般可取 600 800 10 6m3 m3 最大不超过 1 500 10 6 m3 m3 考虑到近年来空气中CO2浓度增加 2018年已超过400 10 6 m3 m3 12 室外CO2浓度Co可取 400 10 6 m3 m3 图6 不同CO2浓度对应的光合作用速率预测 11 Fig 6 Real relationship between CO2 and photosynthetic rate 冷风渗透换气次数N理论上可根据温室外围护结构 表面的缝隙类型 大小和长度以及室内外空气压差计算 确定 但由于温室面积较大 对缝隙的孔口阻力也较难 确定 一般都是在试验测试的基础上给出经验设计值 王鼎盛 13 给出了不同风速条件下 不同类型 不同规模 温室试验测定的换气次数 表1 由表1可见 在相同 风速条件下 不同类型温室之间换气次数存在差异 玻 璃温室高于塑料温室 同种类型温室 随着风速的加大 换气次数随之增大 密封良好的温室换气次数要小于普 通温室 规模较小的温室比大规模温室换气次数少 表1 不同类型和规模温室在不同风速下的冷风渗透换气次数 13 Table 1 Air change rate of different types and scales greenhouses by air infiltration under different wind speed conditions 温室类型 Greenhouse type 风速 Wind speed m s 1 换气次数 Air change rate h 1 0 70 0 90 0 89 1 45 1 70 1 56 普通玻璃温室 Ordinary glass greenhouse 3 20 3 50 2 90 0 0 0 7 2 0 4 3 2 1 3 2 5 7 2 5 3 4 5 2 2 6 密封尖屋顶玻璃温室Sealed glass greenhouse with pointed roof 2 hm2 4 6 7 2 3 7 0 60 0 85 0 75 1 55 1 75 1 17 普通塑料温室 Ordinary plastic greenhouse 3 80 4 10 2 13 0 60 0 85 0 75 1 5 1 70 1 20 密封塑料薄膜温室 Sealed plastic greenhouse 10 hm2 3 80 4 10 2 10 0 60 0 90 0 68 1 90 2 30 1 17 小型塑料薄膜温室 Small plastic greenhouse 3 00 3 40 1 67 注 内外数据分别为最大和平均风速 Note The values in and out of bracket mean maximum and average wind speed respectively 为便于工程设计 美国温室制造业协会 14 和美国农 业工程学会 15 16 分别给出了新旧温室在无风条件下的冷 风渗透换气次数设计值 表2 对比表1和表2 可以 明显看出美国标准给出的设计值要远小于王鼎盛的试验 值 为此 笔者建议 在采用美国标准设计时尽量取设 计值的上限值 表2 不同类型新旧温室在无风条件下的 冷风渗透换气次数设计值 Table 2 Design values of air change rate of different types new and old greenhouses by air infiltration under still air condition 新温室 New greenhouse 旧温室 Old greenhouse 资料来源 Source 温室形式 Greenhouse type 换气次数 Air change rate h 1 温室形式 Greenhouse type 换气次数 Air change rate h 1 单层玻璃 玻璃搭 接缝隙不密封 1 25 维护保养好 1 50 单层玻璃 玻璃搭 接缝隙密封 1 00 维护保养差 2 00 4 00 塑料薄膜覆盖 0 60 1 00 PC板覆盖 1 00 文献 14 Reference 14 单层玻璃上覆盖塑 料薄膜 0 90 玻璃或玻璃钢 0 75 1 5 玻璃温室 维护良好 1 2 文献 15 16 Reference 15 16 双层充气膜 0 5 1 0 玻璃温室 维护不良 2 4 表2给出的冷风渗透换气次数是基于无风条件 对 于风速持续超过6 7m s的地区 冷风渗透换气次数应乘 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 216 以风速影响因子W 表3 进行修正 设计用室外风速可 按当地CO2施肥季节各月平均最大风速中的最大值取值 或按一定保证率下的概率统计值确定 表3 冷风渗透换气风速影响因子 14 Table 3 Wind speed impact factor for air change by air infiltration 风速 Wind speed m s 1 风速影响因子 Wind speed impact factor W 6 71 1 00 8 97 1 04 11 18 1 08 13 41 1 12 15 65 1 16 3 2 作物光合吸收和呼吸释放CO2间的差值 qp r 理论上 某段时间作物光合净吸收CO2的量为作物 叶片面积与单位叶面积净光合速率的乘积 作物叶面积 可用叶面积指数与种植地面面积的乘积求得 为此 单 位时间内作物的净光合量可表达为 qp r As LAI qpr 6 式中As为温室种植面积 m2 LAI为作物叶面积指数 qpr为单位叶面积作物的净光合速率 m3 m2 h 作物叶面积指数 一般的果菜如番茄 茄子等 LAI 大都在3 4之间 而高架栽培的 可达到5 6 17 作物 光合产物随叶面指数增大也会出现饱和 图7 18 过高 的叶面积指数反而使呼吸消耗增大 不利于作物净光合 产物累积 由图7可见 一般盛果期作物叶面积指数应 控制在5 0以下 图7 叶面积指数与总光合量 总干物质量和维持呼吸关系 18 Fig 7 Relationships between leaf area index LAI and gross photosynthesis biomass and maintenance respiration 作物单位面积净光合速率除了与叶面积指数相关 外 还与光照强度 温度 作物品种 营养水平 生育 阶段等有关 一般来说 蔬菜中单位面积净光合率以果 菜类为最大 叶菜和根茎类蔬菜较小 由于测试作物品 种和条件不同 不同文献报道的作物单位面积净光合速 率有较大差异 表4 范围在 0 5 4 0 10 3 m3 m2 h 最大值是最小值的8倍 对工程设计而言 数据离散度 大 精准设计就有很大的难度 对照番茄在光饱和点的 光合速率和王鼎盛 13 周长吉 10 提出的工程设计值 考 虑工程设计的安全系数 笔者认为 2 4 10 3 m3 m2 h 为可取的数值范围 表4 文献研究的作物净光合速率 Table 4 Net photosynthetic rates recorded in different articles 文献来源Source 文献原始数据 Original data from reference 折算为统一单位Converted into a unit of unity 10 3 m3 m 2 h 1 备注 Note 16 0 002 0 004 ft3 h ft2 0 609 6 1 219 2 13 5 8 10 3kg m2 h 2 529 1 4 046 5 工程设计值 10 1 8 g m2 h 0 505 8 4 046 5 工程设计值 10 24 2 mol s m2 1 951 49 番茄光饱和点时 18 37 kg hm2 h 1 871 52 实际观测单叶最大值 3 3 人工补充CO2负荷 qa 3 3 1 恒定CO2浓度控制模式下的供气量 在恒定CO2浓度控制模式下 d 0dCt 7 式 4 变为 a f p rq q q 8 即 a i o LAI s prq C C N W V A q 9 由于控制Ci为常量 不随时间变化 由此 在一定 温度范围内 设备的供气量实际上与作物光合同化量同 步 在达到光合作用的饱和点后 设备的供气量可按CO2 饱和浓度计算 在未达到饱和点之前 可近似地按照CO2 同化量与光照强度线性关系估算 也就是设备的供气量 与作物光照强度成正比 在设备选型设计时可按种植季 节温室建设地区平均最高光照强度下作物光合作用饱和 CO2浓度确定供气量 显然 这种设计方法CO2供气设 备的余量较大 不是一种经济的设计方法 3 3 2 低限CO2浓度模式下的供气量 低限CO2浓度控制模式摒弃了恒定CO2浓度控制模 式中以光合作用饱和点需要的CO2浓度为控制目标的不 经济的设计思想 而是采用了光合作用高效区 即作物 净光速率随CO2浓度变化曲线斜率最大的区域 的CO2 浓度为控制对象 并将其设定为最低控制浓度 应该说 这是一种最高效的CO2施肥策略 以温室生产地区春秋季平均最高光照强度为基础 根据作物光合作用曲线确定作物光合作用高效区内CO2 同化量 带入式 9 可确定出最小供气流量qa 3 3 3 恒定CO2供气流量控制模式下的供气量 在恒定CO2供气流量控制模式下 qa为常量 由 于作物光合作用强度随光照强度的变化而变化 恒定的 CO2气流供应肯定无法适应随时变化的作物光合作用 对CO2需求量的变化 为此 在工程设计中也采用与 低限CO2浓度控制相同的模式 只是将其最低CO2浓 度控制点设为作物净光速率随CO2浓度变化曲线由迅 速增加向趋近饱和变化的拐点 据此来计算设备的供气 能力 与保持低限CO2浓度控制模式的变量供气相比 恒定供气流量模式下的供气量较大 能使室内保持更高 的CO2浓度 第12期 周长吉等 温室蔬菜高架栽培CO2供气负荷计算与设备选型方法 217 4 CO2施肥供气设备容量确定 在温室CO2施肥最大供气负荷确定后 选择多大容 量的供气设备是CO2施肥设备选型的主要任务 中国大 型连栋温室高架种植蔬菜常用的CO2供气设备主要有天 然气锅炉和液化CO2罐 前者是将天然气在热水锅炉中 燃烧后回收烟气 经有害气体检测合格后作为CO2碳源 供给温室 在供热的同时获得CO2 是一种天然气资源 能源和CO2综合利用的良好经济模式 荷兰等国家甚至 采用热电联产 将发电 供热和回收利用CO2结合为一 体 将天然气资源从物质和能量2个方面开发利用到了 极致 后者是将灌装低温高压液态CO2工业产品经过减 压和加热后由液态变为气态后通过管道输送到温室的一 种供气方式 这种供气方式气体纯度高 不需要有害气 体监测即可直接使用在温室中 4 1 天然气锅炉烟气回收补充温室CO2的锅炉功率计算 热水锅炉是以单位时间 1 h 产出热量的多少划分 规格的 天然气的热值为35 MJ m3 按照天然气标准组 分 甲烷85 乙烷9 丙烷3 丁烷1 计算 1m3 天然气完全燃烧后产生的CO2为1 16 m3 由此 可根据 温室CO2的设计供气负荷 按式 10 计算出锅炉满足 温室CO2供给需求的最小热功率 QB 33qa B 10 式中QB为锅炉产热量 MJ h B为锅炉中天然气燃烧的 完全度 按照1 MJ h 278 W和1 t h蒸发量 0 7 MW的换算 系数 可分别计算出锅炉的功率和额定蒸发量 锅炉功率的选择除了考虑CO2供给外 还要考虑温 室的采暖负荷 取二者的大者作为选用锅炉的依据 如 果CO2供气的锅炉功率远小于用采暖热负荷计算的锅炉 功率 应按照CO2供气锅炉功率单配一台锅炉 白天CO2 供气时仅启动这台锅炉运行 在夜间供热高峰期可参与 其他供热锅炉一并供热 4 2 液化CO2补充温室CO2的罐体容积确定 液化CO2罐体的容量是以罐体容积或盛装CO2的质 量为依据选择设备规格的 1m3液态CO2转化为常压气态 CO2的体积将变为560 m3 或者说 常温常压下 1 t液 态二氧化碳转化为气态CO2的体积为509 m3 19 根据上 述计算获得的温室供气量 考虑每天的供气时间以及更 换或补充气罐的周期 可计算出液态CO2的体积或质量 再考虑储液罐的充满度 即可计算出储液罐的容积 VLCO2 ntCO2qa 560 11 式中VLCO2为CO2储液罐的容积 m3 为CO2储液罐的 充满度 一般为70 80 n为CO2储液罐的更换 或补充周期 d 可取3 7 d 如果供气浓度低或每天供 气时间短 也可取为15 20 d tCO2为温室每天CO2供气 的时间 h d 可取4 6 h d 为保证CO2的可靠供给 设计CO2储液罐时应选2 个 用气量少时可一备一用 用气高峰期可多台同时使 用 在生产管理中如果CO2空罐的补充或更换安排在下 午或夜间作业 也可不必考虑增加备用储罐 5 案例实证 为了验证上述计算方法的可靠性 本文以北京某企 业引进荷兰玻璃温室高架种植番茄为工程案例 通过理 论计算和实际应用进行对比分析 5 1 温室模型 温室采用文洛型结构 跨度9 6 m 开间5 0 m 檐 高6 3 m 脊高7 1 m 每跨3个小屋脊 温室共25跨 41个开间 跨度方向总长度为240 m 开间方向总长度 为205 m 地面总面积49 200 m2 图8 温室开间方向 中部设走道 走道宽5 m 室内种植番茄采用吊架基质栽 培 栽培床下部满铺地布 为保证均匀送气 CO2输送管沿作物栽培架长度方向 布置在每个栽培架下 输送管采用透明塑料软管 每跨 布置6根 间距1 6 m 每根软管上间隔500 mm沿管周 均匀开4个直径8 mm圆孔 图8 温室计算模型 Fig 8 Greenhouse model 按照上述温室模型 温室的总容积V为329 640 m3 扣除走道后温室种植地面积As为48 000 m2 5 2 CO2供气负荷 图9为北京2020年3月份全月室外的平均光照强度 和最大光照强度 由图9可见 平均光照强度基本处于 200 W m2左右 最大光照强度在400 W m2上下 温室平 均透光率按80 计算 室内作物的最大光照强度可维持 在300 W m2 以上 故取温室设计室内光照强度为 300 W m2 按照图3的阶梯控制模式 室内CO2浓度控 制水平为600 10 6 m3 m3 与图6对照 该浓度也正好在 作物光合作用的高效区域 按照保证600 10 6 m3 m3的CO2低限供气需求 式 9 的计算参数按表5 取值后 计算得CO2供气负荷为 786 m3 h 取整后为800 m3 h 5 3 设备容量 5 3 1 燃气锅炉容量 燃气锅炉燃烧天然气 回收燃烧尾气进行温室CO2 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 218 供气 这是典型的恒定气流供应模式 设天然气在锅炉 中可实现完全燃烧 B 100 按照式 10 可计算出燃 气锅炉供应CO2需要的功率为2 64 104 MJ h 相当于 7 3 MW或10 5 t h 图9 北京2020年3月室外平均和最大光照强度 Fig 9 Average and maximum light intensity outside greenhouse in Beijing in march 2020 表5 模型温室计算参数 Table 5 Calculation parameters for model greenhouse 室内CO2体 积分数 Inside CO 2 concentration Ci 10 6m3 m 3 室外CO2体 积分数 Outdoor CO 2 concentration Co 10 6m3 m 3 换气次数 Air change rate N h 1 风速影响 因子 Wind speed impact factor W 叶面积指数Leaf area index LAI 净光合速率Net photosynthe sis rate q pr 10 3 m3 m 2 h 1 600 400 1 1 5 3 按照温室采暖热负荷计算 单位面积的热负荷为 240 W m2 总热负荷为11 8 MW 折合16 87 t h 考虑 辅助建筑的采暖后实际配置锅炉为2台10 t h燃气热水锅 炉 白天运行1台锅炉即可基本满足CO2供气的需要 温室实际运行情况如图10 由图10可见 尽管CO2 浓度在随着光照强度的增加不断变化 但最低浓度基本 维持在600 10 6 m3 m3以上 实际运行与设计基本相符 图10 温室实际运行中CO2浓度的变化 Fig 10 Changes of CO2 concentration in actual operation greenhouse 5 3 2 液化CO2储液罐容积 液化CO2罐是一种补充CO2的辅助系统 为了节省 投资 实际设计中温室的低限CO2浓度按500 10 6 m3 m3 计算得CO2供气负荷为726 m3 h 供应液化CO2储液罐 容积的计算参数如表6 按照式 11 计算得CO2罐体容 积为20 m3 实际运行中采用了28 m3容积的车载灌装CO2 罐 一次有效容量为22 4 m3 满足设计要求 图4是本 设计的实际运行情况 由图4可见 在间歇供气的条件 下 室内CO2浓度基本控制在了500 10 6 m3 m3以上 设 计满足设备运行需要 表6 CO2储液罐罐体容积计算参数 Table 6 Calculation parameters for liquid CO2 storage tank volume CO2储液罐充满度Fullness of CO 2 storage tank CO2储液罐补充 周期 Supplement time of CO2 storage tank n d 每天CO2供气 时间 CO 2 supply time of each day t CO2 h d 1 CO2供气负荷 CO 2 supply load q a m3 h 1 80 3 4 726 液化CO2储罐的容积与周转