劉淑云，李喬宇，王富軍，尚明華

(山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，山東 濟南 250100)

絕大多數(shù)保護地設(shè)施，如大棚、溫室等，其主要作用是改善蔬菜生育的溫度條件，以秋、冬、春三季應(yīng)用為主[1]。秋延遲和春提早茬口的大棚，溫度調(diào)控相對簡單，普遍采用不同程度的獨立或同時開啟上、下風(fēng)口進行通風(fēng)降溫。而越冬栽培的設(shè)施大棚，多處于栽培作物的旺長期等關(guān)鍵生長階段，采用開啟下風(fēng)口進行通風(fēng)降溫操作，容易造成降溫過快或掃地風(fēng)危害，故一般以調(diào)節(jié)上風(fēng)口大小和開啟時間為主，但單獨開啟上風(fēng)口降溫和二氧化碳補充效果不明顯。基于此，我們結(jié)合當(dāng)前一般設(shè)施大棚的棚體結(jié)構(gòu)，設(shè)計一套適用于大棚高溫高濕條件下輔助天窗進行降溫、降濕、換氣的通風(fēng)裝置，并將其控制集成到設(shè)施大棚的控制一體機[2-4]和手機APP控制系統(tǒng)中，以實現(xiàn)隨時隨地管理和智能操控。

1 降溫?fù)Q氣通風(fēng)機的設(shè)計與安裝

1.1 總體框架

該套通風(fēng)裝置主要由傳感器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(連接感知層和傳輸層)、鼓風(fēng)機、通風(fēng)管、控制器組成，安裝示意圖見圖1。

傳感器包括溫度傳感器和二氧化碳傳感器，用于采集棚內(nèi)溫度和二氧化碳的實時變化數(shù)據(jù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接傳感器和傳輸網(wǎng)絡(luò)；鼓風(fēng)機，通過電機將棚外較低溫度的空氣循環(huán)進棚內(nèi)；通風(fēng)管，實現(xiàn)棚內(nèi)外空氣的對流輸送；控制器，實現(xiàn)通風(fēng)裝置控制參數(shù)和鼓風(fēng)機開關(guān)的智能控制。

1.2 安裝與控制

傳感器安裝在大棚縱向的中間位置，在距東西兩端各5～7 m范圍內(nèi)，共2套(見圖1)。

通風(fēng)管道通過穿墻孔與棚內(nèi)的換氣管道相連，棚內(nèi)布局見圖2。與鼓風(fēng)機連接的穿墻主管道直徑110 mm，三通連接的東西向分管道直徑75 mm，在其上以三通連接處為中心分別向左右打孔?？紤]外界空氣自主管道進入分管道時的氣壓大小，每個方向的打孔按照由稀疏變密集的原則分布，所有孔的總口徑面積以不超過主管道口徑橫截面積(94.985 cm2)為準(zhǔn)。通風(fēng)孔方向保持與水平方向平行或與水平方向向上呈15°左右夾角，避免向下直接朝向冠層方向，防止較低溫度的冷空氣直接到達植株冠層。

鼓風(fēng)機安裝在棚外北側(cè)(圖3)，以充分利用棚北側(cè)背陽處空氣溫度低這一資源優(yōu)勢。鼓風(fēng)機的通風(fēng)速率為20 m3/min，按此速率計算出每10、20 min的換氣量分別為200、400 m3，按試驗棚規(guī)格計算棚內(nèi)容積，確定棚內(nèi)空氣體積約為810 m3，則鼓風(fēng)機通風(fēng)10、20 min的換氣量分別約為棚內(nèi)空氣量的25%和50%。

圖1 大棚通風(fēng)機鼓風(fēng)式降溫裝置安裝示意圖

圖2 大棚內(nèi)管道布局 圖3 鼓風(fēng)電機

該通風(fēng)裝置的控制方式分為本地控制和遠(yuǎn)程控制兩種模式。本地控制通過集成于溫室大棚環(huán)境一體化控制器中的通風(fēng)機控制模塊進行，操作界面如圖4所示；遠(yuǎn)程控制可以通過手機APP(圖5)將控制指令發(fā)送到云平臺通信中間件，再由通信中間件通過互聯(lián)網(wǎng)將指令發(fā)送到溫室大棚網(wǎng)關(guān)節(jié)點，溫室大棚一體化控制器根據(jù)接收到的控制指令來操控通風(fēng)機工作。通風(fēng)機配有一個可引入220 V交流電的強電箱，控制器主要是通過控制強電箱中的交流接觸器觸點的斷開與閉合來控制通風(fēng)機工作與否。

圖4 通風(fēng)機控制界面

圖5 手機APP控制界面

2 智能化降溫?fù)Q氣通風(fēng)機的應(yīng)用試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗設(shè)計與方法

應(yīng)用試驗于2017年3月—2018年6月在濟南市歷城區(qū)唐王鎮(zhèn)“濟南市蔬菜展示示范評價平臺”示范基地進行。選用的大棚為普通冬暖大棚，長×寬為30 m×10 m，棚架為鋼體結(jié)構(gòu)，墻體為泡沫磚加保溫材料。按照設(shè)計在大棚內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集傳感器、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、一體化控制器、鼓風(fēng)機及通風(fēng)管道等裝備。試驗期大棚內(nèi)種植作物為黃瓜、番茄。

通風(fēng)裝置的使用原則：以溫度調(diào)控為主，在保證棚內(nèi)溫度不低于作物正常生長要求范圍的前提下，結(jié)合大棚內(nèi)二氧化碳濃度的實時監(jiān)測情況進行開啟/關(guān)閉。即當(dāng)大棚內(nèi)的實時監(jiān)測溫度值達到設(shè)定上限，通風(fēng)機自動開啟；當(dāng)溫度降至設(shè)定下限值，通風(fēng)機自動關(guān)閉；在溫度條件允許的情況下，當(dāng)棚內(nèi)二氧化碳濃度低于外界空氣濃度值時，也建議適當(dāng)開啟通風(fēng)機進行通風(fēng)換氣。

2.2 數(shù)據(jù)采集與分析

分別于2018年2月16日(晴天，開風(fēng)口+未開啟通風(fēng)裝置)和2018年3月16日(晴天，開風(fēng)口+開啟通風(fēng)裝置)采集試驗大棚內(nèi)的空氣溫度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)，同時采集室外氣象站的溫度數(shù)據(jù)，進行比較分析。

2.3 降溫?fù)Q氣效果

2.3.1 對溫度的調(diào)控 蔬菜作物不同生育階段對溫度的要求不同(表1)，相應(yīng)的棚內(nèi)管理措施也會不同[5-7]。綜合大棚常規(guī)種植蔬菜對溫度的要求來看，棚內(nèi)氣溫控制在20～30℃為宜，超過30℃的高溫對蔬菜生長的任何階段都不利，因此，當(dāng)棚內(nèi)氣溫超過30℃時需開啟通風(fēng)裝置進行通風(fēng)降溫。

表1 常見大棚蔬菜作物不同生育期的日間氣溫需求范圍 (℃)

2月16日(圖6)11∶00—16∶50棚內(nèi)溫度保持在25℃以上，12∶00—16∶10棚內(nèi)溫度達到30℃以上，13∶50—14∶30溫度甚至高達35℃以上，表明僅靠開啟大棚風(fēng)口未達到明顯的溫度調(diào)控效果。3月16日(圖7)上午10∶00左右棚內(nèi)溫度達到25℃且保持迅速上升的變化，在11∶15左右達到35℃，此時同時開啟大棚上風(fēng)口和通風(fēng)機，11∶30前后溫度就下降至30℃以下，對棚內(nèi)溫度起到了快速有效的調(diào)節(jié)作用；且在11∶30—16∶30棚內(nèi)溫度基本保持在25～30℃，為棚內(nèi)蔬菜營造出適宜的溫度條件；16∶30溫度降至25℃，關(guān)閉通風(fēng)機。由此可見，僅靠開啟大棚上風(fēng)口或部分下風(fēng)口的通風(fēng)降溫效果較差，棚內(nèi)會出現(xiàn)較長時間高于30℃的高溫，對作物生長不利；而當(dāng)開啟通風(fēng)機后，可將較低溫度值的棚外空氣通過壁掛式的通風(fēng)管均勻地注入到冠層上方1 m左右的空間內(nèi)，與棚內(nèi)較高溫度的空氣形成對流，從而起到明顯的降溫效果，可使棚內(nèi)氣溫較長時間保持在25～30℃范圍內(nèi)，更有利于棚內(nèi)作物的生長發(fā)育。

圖6 設(shè)施大棚內(nèi)2月16日空氣溫度變化

圖7 設(shè)施大棚內(nèi)3月16日空氣溫度變化

2.3.2 對CO2濃度的調(diào)控 由大棚內(nèi)CO2濃度的日變化(圖8)可以看出，日出后大棚蔬菜作物光合作用強烈，對二氧化碳的消耗量大，夜間大棚內(nèi)積累的高濃度二氧化碳在日出后3～4 h內(nèi)被迅速消耗，降至低于外界空氣中的二氧化碳濃度，一般在200～300 μmol/mol，僅比大多數(shù)蔬菜作物的二氧化碳補償點略高[8，9]，明顯低于常規(guī)蔬菜的二氧化碳飽和點(1 000～1 500 μmol/mol)，且易在中午時段形成高溫、低二氧化碳濃度的環(huán)境，嚴(yán)重影響棚內(nèi)蔬菜作物的正常生長發(fā)育。在保證棚內(nèi)氣溫處于蔬菜作物正常生長范圍內(nèi)，可以盡早開啟通風(fēng)機，即當(dāng)棚內(nèi)溫度上升至25℃以上、二氧化碳降至350 μmol/mol以下時(12—2月在11∶00左右，11、3月在10∶00左右)，可考慮開啟通風(fēng)機，從而快速有效緩解棚內(nèi)二氧化碳濃度過低現(xiàn)象。

注：菱形標(biāo)識為2月16日未開啟通風(fēng)機的正常管理；三角形標(biāo)識為3月16日開啟通風(fēng)機的換氣管理。

3 討論與結(jié)論

隨著棚體建設(shè)技術(shù)的提高和材料性能的不斷升級，我國設(shè)施大棚的保溫水平越來越高，但針對二氧化碳的管理技術(shù)和設(shè)備研究仍較少[10，11]。設(shè)施蔬菜光合二氧化碳飽和點一般在800～1 000 μmol/mol，而多數(shù)生產(chǎn)大棚都存在二氧化碳濃度過低現(xiàn)象。由本試驗結(jié)果可以看出，上午9∶00前后棚內(nèi)二氧化碳濃度即降至350 μmol/mol以下，這直接影響光合產(chǎn)物的積累和產(chǎn)量的形成[12，13]；而開啟通風(fēng)機一段時間后，棚內(nèi)二氧化碳濃度可以提高50～100 μmol/mol，能對冠層二氧化碳起到一定的補充作用。

目前我國的冬暖大棚多為東西走向、面向南，當(dāng)棚內(nèi)溫度較高時僅靠上風(fēng)口通風(fēng)不能有效降溫，而通過在棚北側(cè)安裝通風(fēng)機可以有效降溫3℃左右，能夠很好地緩解短期高溫。

綜合設(shè)施栽培蔬菜對溫度和二氧化碳的需求特性，建議在12月和2—3月非陰雨天氣10∶00—11∶00開啟通風(fēng)機，1月因棚外溫度較低以保溫為主；11月和4—5月，大棚上下風(fēng)口通風(fēng)降溫效果稍好，此時適度開啟通風(fēng)機可更好地調(diào)節(jié)溫度和補充二氧化碳。

雖然我們也設(shè)計了手機端APP控制通風(fēng)機，但應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機開啟時間和時長設(shè)定還不夠精準(zhǔn)，今后將結(jié)合設(shè)施作物的生育進程，開發(fā)依據(jù)大棚溫度變化模型[11,14,15]的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)棚內(nèi)溫度和二氧化碳的更精細(xì)智能調(diào)控。另外，通風(fēng)機的功率配置及其對設(shè)施大棚溫度和二氧化碳的調(diào)節(jié)效果還有待于進一步的試驗研究。