《农业生物环境工程》第4章-温室设施环境调节与控制5共20页文档

第四章温室设施环境调节与控制第四章温室设施环境调节与控制第四章温室设施环境调节与控制第五节温室通风换气一、通风换气的基本要求与必要换气量（一）基本要求温室通风换气设计的基本要求是通风系统应能够提供足够的通风量，具有有效调控室内气温、湿度和CO2浓度的足够能力，以满足室内栽培植物正常生长的要求，同时要求随着栽培植物的生长发育阶段和栽培季节的不同，以及一日内不同时间、不同室外气候条件时的不同需要，能在一定范围内进行有效的调节。第四章温室设施环境调节与控制合理确定设计通风量是温室通风设计的一项重要工作内容，其确定的依据是温室的必要换气量，需根据温室所在地区的气候条件、温室的使用季节和栽培植物的要求等方面条件进行计算确定。温度条件常是温室环境调控中首要的调控目标，同时抑制高温的必要通风量最大，通风量满足抑制高温方面要求时，也能够相应地满足排湿与补充CO2方面的要求。因此对于通风系统以抑制高温为目的运行时的情况，通风量的确定可不考虑排湿与补充CO2方面要求。而在寒冷的时期，温室内将没有通风抑制高温的要求，这时应根据排湿与补充CO2方面要求确定合适的通风量。第四章温室设施环境调节与控制1.控制室温的必要通风量控制室温的最大必要通风量，是考虑在夏季炎热时期，正午日照最强，气温接近最高的时刻，为了使温室内维持一定的温度，排除室内多余热量所需要的通风量。根据第三章式（3-10），必要通风量应为：m3/s式中Q——温室内需排除的多余热量（显热），WCp——空气的定压质量比热，可取Cp＝1030J/(kg·℃)；ρa——室内空气的密度，kg/m3，近似有ρa＝353/(ti+273)；t1——进入温室的空气温度，当未对进风进行降温处理时，t1＝to℃；t2——温室排风温度，当通风量不大，室内气温分布较均匀时可近似取t2＝ti；ti，to——分别为室内与室外气温，℃。)(12apttcQL第四章温室设施环境调节与控制定义单位温室面积的通风量为温室通风率L0，即有：m3/(m2·s)式中As——温室的地面面积，m2。温室内白昼吸收的显热量来自太阳的短波辐射，而部分显热量将通过覆盖层传出室外，部分被室内地面和植物等的水份蒸发蒸腾作用消耗转化为潜热，并随通风气流排出室外。因此室内需排除的多余显热量为上述部分的差值。即根据式（4-24），考虑加温热量Qh=0，地中传热量相对较小，取Qf≈0，则温室通过通风排出的热量为：Q=Qvo－Qvi=Qs－(Qw+Qe)W（4-32）式中Qs——温室内吸收的太阳辐射热量，W；Qw——经过覆盖材料的传热量（对流、辐射），W；Qe——温室内水份蒸发吸收的潜热，由通风排出室外，W；s12aps0)(/AttcQALL第四章温室设施环境调节与控制下面逐项计算上式中各项热量。通过温室覆盖层传出的热量为：W（4-33）式中Kj——温室各部分覆盖层的传热系数，近似计算时可取全温室覆盖层平均传热系数K=4～6W/(m2·℃)；Agj——温室覆盖层各部分面积，m2；W——温室散热比，，连栋温室取为1.2～1.5，单栋温室取为1.7～2.0。通风换气排出的潜热量由下式计算：W（4-34）式中e——蒸腾蒸发潜热与温室吸收的太阳辐射热之比，其值大小与室内地面土壤潮湿状况、植物繁茂程度、室内外空气湿度等因素有关，一般取e＝0.5～0.7，温室内地面土壤潮湿、植物繁茂、室内外空气湿度较低时取较大值。jjjttKWAttAKQ)()(oisoigwjjAAWsg)(seQeQ第四章温室设施环境调节与控制温室吸收的太阳辐射热为：W/m2（4-35）式中I0——室外水平面太阳总辐射照度，W/m2，对于夏季其取值见表4-15；a——温室受热面积修正系数，一般取a＝1.0～1.3，温室面积小时取较大值；ρ——室内日照反射率，一般取为0.1；τ——温室覆盖层的太阳辐射透过率，在无室外遮阳网和室内遮阳幕时一般为0.6～0.7，有室外遮阳网时可取t＝0.2～0.3，有室内反射型材料遮阳幕时，可取t＝0.3～0.4；表4-15夏季室外水平面太阳总辐射照度（W/m2）注：资料来源于《GBJ19-87采暖通风与空气调节设计规范(2019年版)》)1(0ssIaAQ大气透明度等级北纬30º北纬35º北纬40º北纬45º310371021986949410009869499095962902872840第四章温室设施环境调节与控制以上关系代入式（4-31），可得温室必要通风率为：m3/(m2·s)（4-36）或近似地有：m3/(m2·s)（4-37）则温室必要通风量为：m3/s（4-38）由式（4-36）与（4-37）可知，温室的必要通风量与温室本身传热特性及室外气象条件有关，还与室内外温差ti－to有关，即还取决于室内设定的热环境条件。当t1＝to，t2＝ti时有：m3/(m2·s)（4-39）)()()1)(1(12apoisg00ttcttAAKeIaLjjj)()()1)(1(12apoi00ttcttKWeIaL0sLALKWtteIacL)()1)(1(1oi0ap0第四章温室设施环境调节与控制由上式可知，温室的通风率L0与室内外温差ti－to为双曲函数关系（见图4-40）。即室内外温差ti－to随通风率L0增大而减小，通风率较小时，通风率的较少增加即可显著减少室内外温差（降低室内气温）。随着通风率逐渐增大，室内气温降低速率逐渐减缓。051015200.000.050.100.150.20通风率L0/m3·m-2·s-1温室内外温差(ti-to)/℃K=6W/(m2·℃)W=1.5a＝1.15kg/m3cp＝1010J/(kg·℃)I0=949W/m2a＝1.2e＝0.6＝0.1=0.65=0.25图4-40温室的通风率与室内外温差第四章温室设施环境调节与控制当通风率达到0.10m3/(m2·s)（温室室内空间平均高度为3m左右时，相当于换气次数约为2次/min或120次/h）左右时，温室内外气温差已减少至1～2℃左右，则继续增加通风率时室内气温降低很小，却使风机的运行耗能与运行费用不必要地增加。因此，从经济性的角度考虑，一般通风率应在0.08m3/(m2·s)以下，或换气次数低于1.5次/min（90次/h）。从图4-40可看出，遮阳的措施对抑制室内高温有着非常显著的作用，有遮阳与无遮阳的情况相比，控制同样室内外温差所需通风率大为减少。但是，仅靠遮阳和单纯通风对室内气温的降低也是有一定限度的，即不可能将室内气温降到低于室外气温的水平。在炎热夏季，室外气温原本已较高，即便采用大通风率并辅以遮阳措施，室内气温仍略高于室外，将不满足一些植物要求的温度条件，这时应考虑采用对空气进行降温处理的措施。第四章温室设施环境调节与控制2.维持CO2浓度的必要通风量在日出后，植物进行光合作用将从温室内空气中大量吸收CO2，使其浓度急剧降低。虽然室内土壤中微生物的呼吸和有机物质分解将放出CO2，使室内得到CO2少量补充，但远远满足不了需要。为维持植物继续进行正常光合作用，在日出后温室即需要考虑进行通风，以从室外空气中得到CO2的补充。第四章温室设施环境调节与控制为了维持室内CO2的必要浓度所需必要通风率Lc0由下式确定：LC0=(FcP-Ps)/(C0-Ci)m3/(m2·s)(4-40)式中Co——室外空气CO2浓度，一般约为0.6g/m3；Ci——设定的室内空气CO2浓度，g/m3；P——单位植物叶面积对CO2的平均吸收强度，与植物的种类、生育阶段、生长情况、温度及光照强度等因素有关、一般约为0.58×10-3g/(m2·s)；fc——植物叶面积指数，一般为2～5；Ps——单位温室面积的土壤CO2呼出强度，g/(m2·s)，与土壤中有机质含量，土壤温度、含水量和通气状况等有关，可按下列经验公式计算：Ps=Ps0*3t/10g/(m2·s)(4-41)式中Ps0——土壤0℃时的CO2释放量，一般肥沃的土壤约为0.01×10-3g/(m2·s)；t——土壤温度，℃。第四章温室设施环境调节与控制维持室内CO2浓度的必要通风量与室内外空气CO2浓度差Co－Ci呈双曲线关系，因此利用通风换气来提高CO2浓度也是有一定限度的，室内CO2浓度最多只能达到比室外略低的水平。由于为维持室内CO2浓度的必要通风率远低于抑制高温的必要通风率，因此，在为抑制室内高温进行通风时，室内CO2浓度容易达到接近室外CO2浓度的极限水平。而在室外气温较低的时期，靠增大通风率来提高CO2浓度不仅效率低，而且通风热量损失增大，所以应综合考虑合理确定通风率，或为提高温室产品产量和质量水平，温室密闭管理，进行CO2施肥，室内CO2浓度可以达到高于室外的水平，并且可避免因通风损失室内的热量。第四章温室设施环境调节与控制温室通风换气是通过引入室外相对干燥的空气、排出较高湿度的室内空气达到降低室内湿度的目的。其必要通风量须能够排除在室内设定气温和相对湿度条件下植物蒸腾与土壤蒸发所产生的水汽量。因此控制温室内湿度的必要通风率按下式计算：lw0=ωp/ρa(di-d0)m3/(m2·s)(4-42)式中Wi，Wo——室内、室外空气的含湿量，g/kg干空气；ra——室内空气的密度，kg/m3；wp——温室内每单位面积产生的水汽量，g/(m2·s)。对于wp，白昼可按下式计算：wp=eatI0(1-r)/rg/(m2·s)(4-43)式中r——水的蒸发潜热，r＝2442kJ/kg。夜间按下式计算：wp=Kd(pws－pw)g/(m2·s)(4-44)式中Kd——质交换系数，s/m；pws——室内气温下的饱和水蒸汽压力，Pa；pw——室内空气的水蒸汽分压力，Pa。（三）控制温室内湿度的必要通风量第四章温室设施环境调节与控制二、温室通风系统的布置（一）自然通风系统设置温室中自然通风系统的设置，要求有足够的通风能力的同时，室内气流应合理分布，通风系统还应能够方便调节。第四章温室设施环境调节与控制以上常见的几种自然通风系统设置，为保证热压通风具有良好的效果，应使通风的进、排风口的高差尽可能大，一般在侧墙下部设置进风窗口，而在屋面上设置排风窗口，可获得较大的通风窗间的高差。天窗设在屋脊处时（a、b、e），可获得最高的排风口位置，但在覆盖塑料薄膜的温室中，从减少屋面覆盖薄膜的接缝和方便开窗机构布置等方面考虑，也较多地将天窗设在谷间（c、d）。（d）卷帘谷间窗、卷帘侧窗（e）Venlo型温室的交错式脊窗（b）上翻式天窗、卷帘侧窗（c）连续式谷间窗、上悬式侧窗（a）连续式屋脊天窗、推拉式侧窗第四章温室设施环境调节与控制（二）温室机械通风的基本形式与布置机械通风一般有进气通风系统、排气通风系统和进排气通风系统三种基本形式。（a）（b）（c）图4-42机械通风的几种布置形式（1）进气通风系统，又称正压通风系统，是采用风机将室外新鲜空气强制送入室内，使室内空气压力形成高于室外的正压，迫使室内空气从排气口流出。（图4-42(a)）（2）排气通风系统，又称负压通风系统，是将风机布置在排风口，通过风机向室外排风，使室内空气压力形成低于室外的负压，室外空气从温室的进风口被吸入室内。排气通风系统的布置一般是将风机安装在温室的一面侧墙或山墙上，而将进气口设置在远离风机的相对墙面上。如图4-42（b）、（c）。第四章温室设施环境调节与控制（3）进排气通风系统，又称联合式通风系统，是一种同时采用风机送风和风机排风的通风系统，室内空气压力接近或等于室外压力。因使用设备较多、投资费用较高，实际生产中应用较少，仅在有较高特殊要求、而以上通风系统不能满足时采用。第四章温室设施环境调节与控制论述题:1、温室通风的基本要求是什么？需要考虑哪些环境参数因子？2、如何确定温室的最大必要通风量？复习题：193页例1