温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验.pdf

张卓 汪小旵 赵进 等 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 J 华南农业大学学报 2020 41 1 124 132 ZHANG Zhuo WANG Xiaochan ZHAO Jin et al Design and experiment of root heating system for greenhouse potted crops J Journal of South China Agricultural University 2020 41 1 124 132 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 张 卓1 汪小旵1 2 赵 进1 刘景娜1 Morice O ODHIAMBO1 1 南京农业大学 工学院 江苏 南京 210031 2 江苏省智能化农业装备重点实验室 江苏 南京 210031 摘要 目的 为解决长江三角洲地区冬季没有加温设备的温室或大棚中盆栽作物易受低温冷害的问题 设计一种适 用于矮株作物的根区加热系统 方法 研制了一种嵌套式双层栽培盆 夹层采用绝缘脂发泡剂填充 栽培盆基质 内分别放 置 2块 80 W m2 15 cm 12 cm的硅橡胶加热板 加热板 由 STM32单片机输出信号到固态继电器进行加热 功率控制 使用模 糊 PID控制算法 实时控制作物根区温度到设定值 结果 根区温度控制相对误差不超 过 5 在 连续低温条件 下 连续一周平均气温低 于 5 当根区温度分别设定 为 15 20和 25 时 相比于对照组 高度 为 25 35 cm的作物地上部分日间平均温度分别提 高 1 4 2 6和 3 7 夜间平均温度分别提 高 2 1 2 9和 4 0 且与 普通栽培盆相比 本文设计的保温栽培盆 在 3种不同根区温度下分别节省电 能 24 2 25 3 和 23 8 结论 设计 的作物根区加热系统 在连续低温条件下 不仅能有效提高作物根区温度 同时对作物地上部分也具有升温效果 一 定条件下可缓解低温胁迫对冬季作物生长的影响 关键词 温室 温度控制 作物根区 栽培盆 硅橡胶加热板 STM32 中图分类号 S22 文献标志码 A 文章编号 1001 411X 2020 01 0124 09 Design and experiment of root heating system for greenhouse potted crops ZHANG Zhuo1 WANG Xiaochan1 2 ZHAO Jin1 LIU Jingna1 Morice O ODHIAMBO1 1 College of Engineering Nanjing Agricultural University Nanjing 210031 China 2 Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment Nanjing 210031 China Abstract Objective To design a root heating system suitable for dwarf crops so as to solve the problem that potted crops in greenhouse without heating equipment in the Yangtze river delta region are vulnerable to low temperature and cold damage in winter A nested double layer cultivation pot was designed The interlayer was filled with insulating fat foaming agent Two silicone rubber heating plates of 80 W m2 and 15 cm 12 cm were placed in the substrate of the cultivation pot The heating plate was controlled by STM32 MCU which output signals to the solid state relay for heating power control Fuzzy PID control algorithm was used to control the temperature of the crop root area to the set value in real time Result The relative error of root zone temperature control did not exceed 5 Under the condition of continuous low temperature average temperature below 5 for a week when the root zone set temperature was 15 20 and 25 the average daytime temperature of the aboveground parts with 30 35 cm height of crops increased by 1 4 2 6 and 3 7 respectively compared with the control group while their average night temperature increased by 2 1 2 9 and 4 0 respectively Compared with the common pot the pots with root zone temperature of 15 20 25 saved electric energy by 收稿日期 2019 01 03 网络首发时间 2019 12 19 14 19 26 网络首发地址 作者简介 张 卓 1993 女 硕士 E mail 315859420 通信作者 汪小旵 1968 男 教授 博士 E mail wangxiaochan 基金项目 江苏省农业科技自主创新资金项目 CX 16 1002 华南农业大学学报 Journal of South China Agricultural University 2020 41 1 124 132 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 201901005 24 2 25 3 and 23 8 respectively Conclusion Under the condition of continuous low temperature our system can not only effectively increase the temperature of crop root zone but also can heat up the aboveground part of crop Under certain conditions our system can alleviate the effects of cold stress on winter crop growth Key words greenhouse temperature control crop root zone cultivation pot silicone rubber heating plate STM32 长江三角洲地区冬季生产设施作物面临着持 续低温弱光的气候问题 1 没有加温设备的温室大 棚只能依靠积蓄太阳能来提高室内温度 受天气影 响很大 低温季节的连续阴雨 雪天时 气温和地温 都持续很低 使得蔬菜作物 尤其是喜温蔬菜生长 迟缓 甚至出现冷害 严重影响蔬菜的品质和产量 2 3 为了保证作物在低温环境下安全过冬 一般采用燃 煤或者焚烧作物秸秆进行加温 随着环保压力日渐 增加 选用空气源 4 或水源热泵 5 8 进行温室加温也 是一种新型的加温方式 但是温室整体环境加热仍 然存在电能消耗高 价格昂贵等问题 采取作物根 区加温是一种节能的替代方式 9 采用电热元件直 接加热作物根区 加温效果明显 热效率高 且设计 性强 可根据不同使用场所设计出更符合需求的加 热模式 何芬等 10 分别采用发热电缆 自限温发热 带 碳晶电热膜对育苗根区进行加热 分析了不同 加温材料对栽培基质温度的影响 张红梅等 11 利用 一种由金属发热丝嵌入聚丙烯保护膜构成的农用 发热膜进行冬季茄果类育苗 周长吉 12 将栽培盆直 接放置在地面 加热管道铺在栽培盆底部 直接对 其加热 赵云龙等 13 将碳晶加热板系统引入番茄栽 培设施中 试验表明将加热板全部掩埋在基质里加 温处理番茄幼苗能显著提高番茄的根系活力和光 合速率 目前 大多数根区加热主要适用于育苗环 节的栽培 因此在长江三角洲地区采用根区加热的 方式来验证茄果类作物能否安全过冬 具有非常重 要的意义 本文拟研制一种保温性能良好的双层嵌套式 栽培盆 将硅橡胶加热板放置于栽培基质中 加热 板由STM32微控制器进行加热功率控制 分析 在不同根区温度下作物地上部分温度变化特性 以 期为冬季温室中对茄果类作物进行根区加热提供 参考 1 系统总体设计 该系统主要由栽培盆 硅橡胶加热板 发泡剂 触摸屏 继电器 电源 SPI通信模块 STM32微控 制器及传感器模块等组成 温度传感器与变送电路 组成采集模块 完成设备初始化后 通信模块将采 集的温度信号传送至控制器 控制器计算采集到的 状态值与设定值 通过在线调整模糊PID算法并计 算出控制量 从而控制多路加热板加热功率 具体 工作原理如图1所示 1 1 节能型栽培盆设计 1 1 1 外形设计 设计一种双层嵌套式栽培盆 外 层栽培盆口径尺寸40 cm 40 cm 底径24 cm 24 cm 高35 cm 内层栽培盆口径尺寸30 cm 30 cm 底径18 cm 18 cm 高26 cm 将小盆嵌套在大盆内 部 间隙使用发泡剂填充 间隙底部发泡剂厚度为 8 cm 四周间隙厚度为5 cm 栽培盆内壁两侧各放 入硅橡胶电热板 三维效果图如图2所示 发泡剂 的主要成分为聚氨酯 聚氨酯广泛用于建筑 化工 加热负载 Heating load 微控制器 STM32 STM32 microcontroller 电源 Power supply 触摸屏 Touch screen 状态指示灯 Status light 栽培盆 1 Cultivation pot 1 栽培盆 n Cultivation pot n 温度采集 Temperature collection 加热负载 Heating load 温度采集 Temperature collection 图 1 温度控制系统工作原理图 Fig 1 Schematic diagram of temperature control system 第 1 期 张 卓 等 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 125 电子等领域的一种新兴的有机高分子材料 该材料 导热系数极低 不易吸水 具有黏结 密封 隔热等 特点 是一种优质保温材料 在系统运行时起到隔 热保温进而节能的作用 1 1 2 硅橡胶加热板的设计 加热板采用硅橡胶 电热板 它具有良好的柔韧性 可与被加热物体紧 密接触 双面散热 电加温线排布如图3所示 外形 呈长方形 长 宽 厚为150 mm 120 mm 1 mm 电 热板发热形式为面状 相比电热线以自身为辐散中 心呈线性散热 可避免栽培盆内局部温度过高 受 热不均匀等问题 且相同功率下其表面温度较低 可减少对植物根系的伤害 14 16 对于稳态的一维平壁导热问题 17 18 采用第一 类边界条件 可利用傅里叶定律求解加热板所需的 热流量 其数学描写为 0 dx A dx 1 即热流量和热流密度为 8 A A q 2 式中 为热流量 W q为热流密度 W m2 为 不同平壁面的温度 A为平壁的导热热阻 K W 为平壁的面积热阻 m2K W 以加温栽培盆为模型 模拟出作物在极端寒冷 天气下所需的加温能耗量 计算以单片加热板加热 作物根区为例 其中栽培盆与硅橡胶加热板厚度不 计 模型示意图见图4 据文献 19 21 可知辣椒喜温不耐霜冻 生长 期间若长期处于0 5 以下低温时 会出现叶绿素 减少等冷害表现 即温室气温 f 的极端值范围为 0 5 计算时 f取1 试验设定根区温度范围 在15 25 栽培基质层温度 1 取最高值25 此时保温层温度 2 维持在40 将上述数据代 入到公式 3 和 4 得到2个方向的热流密度 栽培盆 Cultivation pot 栽培盆 Cultivation pot 发泡剂 Foaming agent 加热板 Heating plates 栽培基质 Growing media a 分体图 a Division diagram of cultivation pot b 整体透视图 b Diagram of overall structure c 斜抛图 c Oblique drawing 图 2 节能栽培盆结构示意图 Fig 2 Structure of energy saving pot 图 3 硅橡胶电热板结构图 Fig 3 Schematic diagram of silicon rubber heating plate 1 0 35 W m K 2 0 024 W m K 1 25 2 40 f 1 1 9 cm 2 5 cm 1 栽培基质的导热系数 2 绝缘脂发泡剂的导热系数 1 栽培基质 层的温度 2 绝缘脂发泡剂层的温度 f 温室的温度 1 基质层的厚 度 2 绝缘脂发泡剂的厚度 1 Thermal conductivitiy of cultivated substrate 2 Thermal conductivitiy of insulating grease foaming agent 1 Temperature of cultivated substrate 2 Temperature of insulating grease foaming agent f Greenhouse temperature 1 Substrate thickness 2 Thickness of insulating grease foaming agent 图 4 栽培盆导热示意图 Fig 4 Schematic diagram of heat conduction in pot 126 华南农业大学学报 第 41 卷 q1 2 1 1 1 1 2 1 1 3 q2 2 1 2 2 2 2 1 2 4 加热板的热流为2个方向的热流密度之和 q q1 q2 5 通过公式 3 5 算得加热板所需热流密度 q为76 7 W m2 说明在实际试验中采用80 W m2功 率的加热板是较为合理的 1 2 系统硬件电路设计 系统微控制器选用STM32F407 其具有良好的 瞬态反应和抗噪声能力 可保证系统的可靠运行 温度采集电路采用 级K型热电偶加调理芯片 MAX6675 通过SPI串口通讯方式将数据传送至 STM32 每路热电偶单独连接一个温度调理芯片 通过译码器译码来选择读取的热电偶通道 输入面 板采用TFT显示屏 可通过控制面板设置温度值 电路原理图如图5所示 1 3 温度控制系统设计 为了确保系统控制根区温度的稳定性 采用抗 干扰能力强 响应迅速的自整定模糊PID控制算 法 22 24 模糊PID控制结构如图6所示 采用二维 模糊控制结构 以温度误差e k 和误差变化率ec k 作为输入 PID参数调整量 Kp Ki和 Kd作为输出 本系统采用三角形隶属度函数 设定输入输出 量的词集取7个模糊子集 即 NB 负大 NM 负 中 NS 负小 Z0 零 PS 正小 PM 正中 PB 正 大 其中 大 中 小 表示控制量的程度 正 负 表示变量的变化趋势方向 正变化或负变化 设定初始温度 s 开始阶段使用开关控制使加热板 开始加温 待土壤温度上升到一定温度后采用模糊 PID来控制 PID调节实际温度 c的范围在 s e s e 内 误差的变化率ec范围在 Us T ec Us T ec 内 则E和EC的基本论域为 e e 和 ec ec 根据工程经验 本文将温度信号误差e和温度 信号误差变化率ec的模糊论域设为 6 6 控制器 输出变量 Kp Ki和 Kd的论域分别为 0 12 0 12 0 30 0 30 和 0 09 0 09 温度信号误差 的量化因子Ke 6 e 温度信号误差变化率的量化因 子Kec 6 ec 这将e和ec从基本论域范围转换为模 糊论域范围 比例因子分别是0 020 0 050和 0 015 工作时 系统不断读取e ec值 模糊控制器 实时输出 Kp Ki和 Kd的值 根据公式 6 得到 PID算法的Kp Ki和Kd 从而实现PID控制的参数 a 采集电路 a Acquisition circuit b STM32 微控制器电路 b STM32 microcontroller circuit c 固态继电器电路 c Solid state relay circuit P3 2 1 Header 2 GND C8 104 C9104 VCC MAX6675 1 2 3 4 GND GND U2 NC T SO T CS VCC SCK 8 7 6 5 MISO CS 1 SCK CND CS 6pF 6pF 32 768 K C6 CND CS 114 CS 213 CS 312 CS 411 10 9 8 c PB2 PB3 PB4 PB5 PC14 OSC31 IN PC15 OSC32 OUT VSS VDD PA7 PA5 PB6 PB7 PB8 PB9 1 2 3 4 5 6 7 VCC MISO SCK IN 01 IN 02 IN 03 IN 04 P1 2 1 Header 1 GND COM 01 COM 015 VDD 6 U1 NO VCC COM CND NC IN JQC3F 05VDC C 1 2 3 VCC IN 01 GND 图 5 控制系统电路原理图 Fig 5 Schematic diagram of control system circuit 模糊控制器 Fuzzy controller PID控制器 The PID controller 负载 Load de d 温度传感器 Temperature sensor r s e k ec k f y h c kd ki kp s 温度信号的采样值 c 温度信号的设定值 e k 温度信号误差 ec k 温度信号误差变化率 Kp k Ki k 和 Kd k 为PID控制器的参数调整量 f h为温度控制量 s The sampling value of temperature signal c The set value of temperature signal E k Error of temperature signal EC k Change rate of E k Kp k Ki k Kd k are parameter adjustment quantities of PID controller f h are control quantities of temperatare 图 6 模糊PID控制结构图 Fig 6 Structural diagram of the PID control block 第 1 期 张 卓 等 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 127 自整定 8 Kp k Kp s 0 02 Kp k Ki k Ki s 0 05 Ki k Kd k Kd s 0 015 Kd k 6 式中 Kp s Ki s和Kd s分别为PID参数基值 2 材料与方法 2 1 材料 供试辣椒品种为 苏椒5号 该品种的辣椒 株高最高可达50 60 cm 栽培基质为椰壳 Galuku Group 澳大利亚 辣椒栽培期间定期施用营养液 试验期间外界气温较南京冬季平均气温偏低 风速 适中 是典型的南方冬季低温弱光气候 试验于 2017年11月4日播种于孔穴盘中 12月6日 四 叶一心 时选取长势一致的植株移植到栽培盆中 进入加温栽培期 2 2 方法 采用TP 300手持式测温仪对根区温度进行 检测 测量时温室内温度8 由于栽培基质质地 松软 导热系数较低 25 属于热的不良导体 电热板 在基质里放出的热量到达植物根际有一定滞后性 测量时每个栽培盆设置5个测点 以植物根茎 5 cm为半径 深度为10 cm的5个点 测量点分布 如图7所示 设置3组根区温度 15 20和25 每组温度处理3株植株 对每株植物进行4次重复 观测 取平均值作为测量值 每次测量相互独立 作物地上部分 茎秆 叶片 温度测量时 设置 根区温度为15 20和25 测量时间为每天05 00 试验采用的辣椒株高均在25 35 cm 且作物外形相 似 对作物地上部分的温度测量分为茎杆和叶片两 部分 茎秆上每隔2 cm设置为一个测点 每一叶片 沿着叶脉方向均匀选取3个测点 测点之间间隔相 等 测点分布如图8 图9所示 使用TYS 4N型植 物营养测定仪对整株作物温度进行测量 测量时按 下测量压头 使测量位置夹住作物叶片停留约2 3 s 直到蜂鸣器发出提示音 松开测量压头 对作物地上部分温度进行连续测量 07 00 21 00每隔2 h测量1次 观测点选择作物基底 部 作物中部和冠层顶部3个高度 每个高度随 机选择4个测点 测点分布如图10所示 采用 TYS 4N型植物营养测定仪测量各个测点的温 度 为避免环境温度的波动对测量结果产生影 响 4次测量均在1 min内完成 观测值为测点温 度的平均值 为了验证保温栽培盆的节能性 在相同外界 条件下 比较保温栽培盆与普通栽培盆的耗电量 普通栽培盆为内层保温栽培盆 即口径尺寸30 cm 30 cm 底径18 cm 18 cm 高26 cm 单层 不加保 温层 加热板放置同保温栽培盆 在不同根区温度 15 20和25 下分别设置3组保温盆与3组普 采集点 1 Collection point 1 采集点 5 Collection point 5 采集点 2 Collection point 2 采集点 3 Collection point 3 采集点 4 Collection point 4 植物 Plant 图 7 温度采集点分布图 Fig 7 Distribution diagram of temperature collection points 图 8 作物茎秆测点示意图 Fig 8 Schematic diagram of measuring points on crop stem 图 9 作物叶片测点示意图 Fig 9 Schematic diagram of measuring points on crop leaf 128 华南农业大学学报 第 41 卷 通盆 采用电量检测仪测量每盆作物的耗电量 每天 5 00读取电量检测仪的读数 为当日该盆的能耗 量 持续测量2周 最后对保温栽培盆进行实用性 分析 与燃煤锅炉进行经济性比较 3 结果与分析 3 1 根区温度控制试验 验证系统温度控制准确性的采集结果如表1 所示 计算温度平均值时 20 组2的测量值与25 组2的测量值为可信度较低的数值 计算时应剔 除 对剩余的数据进行计算 保证得到最优的平均 值 由试验结果可知 实际测得的数据比设定温度 偏高 相对误差保持在0 4 53 该系统有较好的稳 定性与精确性 3 2 不同根区温度作物地上部温度的日变化特征 由表2可知 在前3个晴天试验日中 中午时段 太阳辐射较强 温室室内温度迅速上升 在15 20和25 3种根区处理温度下作物日间平均温度 分别为11 0 12 1和13 2 CK日间平均温度为 9 8 说明该系统的加温模式在有太阳辐射的情况 下对作物地上部分温度提升效果明显 试验期间温 室气温 对照组作物的平均温度和不同根区温度下 作物地上部温度的变化曲线如图11所示 由图11 可知 作物地上部每日温度变化呈 单峰 曲线变 化 最高温度出现在12 00 14 00区间 同时 12月 16 17日为阴雨天 是典型的冬季低温弱光天气 温室内最高气温出现在16日13 00 温度仅为 11 2 作物地上部温度变化不明显 日间平均温度 为8 5 夜间平均温度为6 4 3组根区加温处 理作物的地上部日间平均温度分别为10 2 11 5和 表 1 根区温度控制试验结果 Table 1 Experiment results of controlling root temperature 测量点 Test point 15 20 25 CK组1 Group 1 组2 Group 2 组3 Group 3 组1 Group 1 组2 Group 2 组3 Group 3 组1 Group 1 组2 Group 2 组3 Group 3 1 15 70 15 80 15 60 20 70 20 70 20 20 25 50 26 00 25 00 8 10 2 16 00 15 60 15 10 21 00 20 60 20 50 25 60 25 70 25 40 8 80 3 15 80 15 50 15 40 20 80 22 30 20 80 25 30 25 40 25 80 8 70 4 15 60 15 40 15 80 20 50 20 50 20 30 25 10 25 60 25 50 8 80 5 15 30 15 30 15 70 20 60 20 60 20 40 25 00 27 00 25 90 9 00 平均值 Average 15 68 15 52 15 52 20 72 20 90 20 44 25 30 25 54 25 52 8 68 相对误差 Relative error 4 53 3 46 3 46 2 88 4 50 2 20 1 20 2 16 2 08 表 2 不同根区温度处理的作物地上部平均温度 Table 2 Average temperature of aboveground parts of crop under treatment with different root temperature Treatment temperature 晴天 Sunny day阴天 Cloudy day 日间 Daytime夜间 Night日间 Daytime夜间 Night 15 11 0 2 08 9 4 1 46 10 2 1 60 8 8 1 58 20 12 1 1 97 10 5 1 04 11 5 1 46 9 7 0 72 25 13 2 1 66 12 0 1 20 12 5 1 93 11 4 0 77 CK 9 8 2 55 7 7 1 50 8 5 1 36 6 4 0 83 作物中部 Crop middle 冠层顶部 Canopy top 作物基底部 Crop base 图 10 作物地上部测点分布示意图 Fig 10 Schematic diagram of measuring points on plant aboveground 第 1 期 张 卓 等 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 129 12 5 夜间平均温度分别为8 8 9 7和11 4 尽 管气温骤降 作物整体温度略低于前3个试验日 但 没有出现大幅度的温度波动 作物的地上部仍处在 一个有利于生长的温度环境 试验期间根区温度为 15 20和25 时 作物冠层温度日间平均提高1 4 2 6和3 7 夜间平均提高2 1 2 9和4 0 3 3 不同根区温度对作物地上部温度的影响 为了使作物的温度分布更为直观 采用RGB 相机采集作物图像 基于Colourbar绘制作物温度 分布图 结果如图12所示 由图12可知 在没有太 阳辐射的情况下 每组作物地上部分温度从底部沿 冠层顶部方向呈递减趋势 CK组作物基部采集最 20 18 16 14 12 10 8 6 4 15 20 25 CK温室温度 Temperature in greenhouse 12 13 12 14 12 15 12 16 12 17 日期和时刻 Date and time 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 图 11 不同根区温度处理下作物温度日变化及温室气温变化 Fig 11 Changes in crop temperature and greenhouse temperature under different root zone temperatures 6 22 6 38 6 47 6 50 6 53 6 95 6 17 7 32 7 45 7 57 8 22 8 39 8 47 8 55 8 61 10 19 10 25 10 32 10 44 10 56 a CK b 15 d 25 0 05 m 0 05 m 0 05 m 0 05 m c 20 图 12 不同根区温度处理下作物温度分布图 Fig 12 Crop temperature profiles under different root zone temperatures 130 华南农业大学学报 第 41 卷 高温度为6 53 该组作物在低温下已经出现了叶 片皱缩 叶片黄斑等冷害表现 当给作物根区加热 时 由于栽培盆基质上方没有铺设保温隔热材料 加热板散发的热量会垂直向上传递 直接加热作物 周围的空气 根区温度为15 20 25 时 3组作物 测量到的最高温度分别为7 57 8 61和10 56 且 加温组作物生长状态良好 可见 本研究提出的作 物根区加热的方法可有效地提高作物温度 避免作 物在夜间低温环境下遭受冷害 3 4 保温栽培盆的能耗与实用性分析 图13为保温栽培盆与普通栽培盆的耗电量 试验结果 温室温度对能耗量有着重要的影响 当室内温度升高时 能耗明显降低 12月22日至 12月24日由于环境温度高 根区温度为15 时 不需要加热板提供热量 反之温室温度降低时 根区加热所需能耗明显提升 试验表明填充发泡 剂的栽培盆比普通栽培盆节能效果显著 根区温 度为15 20和25 时 普通栽培盆耗能分别为 5 19 7 51和9 61 kW h 保温栽培盆分别耗能 4 18 5 99和7 76 kW h 保温栽培盆比普通栽培 盆分别节省电量24 2 25 3 和23 8 节能效 果明显 计算单位面积的耗电量 保温栽培盆的口径为 40 cm 40 cm 每平方米可放置6 25个栽培盆 但实 际种植时考虑盆与盆之间存在一定间隙 即按1 m2 放置4个保温栽培盆来计算 一般地666 7 m2可栽 培辣椒约为2 600株 即采用保温栽培盆种植辣椒 可以达到实际生产中的种植要求 以加热到15 为例 加温栽培2周 每平方米保温栽培盆栽共耗 电16 72 kW h 以电费0 5元 kW h 计算 前期投入 为每平方米11元 采用燃煤锅炉供暖 达到与保温 栽培盆提供相同的热量时 燃煤量为2 4 kg m2 26 煤的价格每吨900元 前期投入为每平方米27元 27 人工费用为每平方米2 12元 则保温栽培盆电加热 与燃煤锅炉的运行总费用分别为19 36和31 28元 通过运行费用比较可知 电费比煤的价格高 所以保温栽培盆运行的电费会高于燃煤量的费用 但燃煤锅炉产生的热量在能量传递过程中会有一 定损耗 所以在实际过程中耗煤量会高于理论计算 值 且燃煤锅炉有着高昂的前期投入以及人工费 用 综合比较认为保温栽培盆是一种更为经济的加 温方法 燃煤锅炉还存在着环境污染问题 保温栽 培盆可循环利用 节能效果良好 从长远性考虑 保 温栽培盆更具经济效益和生态效益 有一定的实际 应用价值 4 结论与讨论 本文设计的双层嵌套栽培盆具有保温 节能的 特点 栽培盆内置硅橡胶加热板 加温系统采用模 糊PID控制 提高了温度控制精度 将误差控制在 0 4 53 有良好的稳定性与精确性 试验结果表 明 在没有太阳辐射的情况下 加热作物根部会使 15 保温盆 Thermal insulation cultivation pot 20 保温盆 Thermal insulation cultivation pot 25 保温盆 Thermal insulation cultivation pot 15 普通盆 Normal cultivation pot 20 普通盆 Normal cultivation pot 25 普通盆 Normal cultivation pot 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 耗电量 kW h Power consumption 20 15 10 5 0 5 温室 Temperature in greenhouse 12 16 12 17 12 18 12 19 12 20 12 21 12 22 12 23 12 24 12 25 12 26 12 27 12 28 12 29 日期 Date 温室 Temperature in greenhouse 图 13 不同根区温度处理下2种栽培盆的耗电量 Fig 13 Power consumptions of two types of pots under different root zone temperatures 第 1 期 张 卓 等 温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验 131 作物地上部分温度往冠层顶部方向递减 当根区温 度设置为15 20和25 时 作物冠层温度日间分 别平均提高1 4 2 6和3 7 夜间分别平均提高 2 1 2 9和4 0 保温栽培盆比普通栽培盆分别节 省电量24 2 25 3 和23 8 节能效果明显 且 相比燃煤锅炉 保温栽培盆有着更低的运行费用 具有实用性 且本系统所采用的聚氨酯发泡剂 硅 橡胶加热板 热电偶传感器等元件成本低廉 有助 于该系统的后期推广 根区加温模式不但耗能较低 而且对抵御冬季 持续恶劣天气 保证作物安全度过低温冷害期有着 重要意义 传统温室加温是通过加热整体环境 然 后热量传递到作物各个部分 而根部往往是温度最 低的部分 作物根区加热系统往往是根区温度最 高 然后温度分布往冠层顶部方向递减 这种温度 分布趋势对于抵抗短期的低温冷害具有明显优势 但是对于作物长期的长势 尤其是产量的影响 还 需要进一步的试验观测 参考文献 王艳利 成磊 浅谈冬季大棚蔬菜种植注意事项 J 种 子科技 2018 36 11 65 67 1 傅国海 杨其长 刘文科 LED补光和根区加温对日光 温室起垄内嵌式基质栽培甜椒生长及产量的影响 J 中国生态农业学报 2017 25 2 230 238 2 廉勇 崔世茂 包秀霞 等 根区温度对辣椒幼苗生理特 性的影响 J 华北农学报 2014 29 5 156 160 3 李文 杨其长 张义 等 日光温室主动