设施农业环境工程学

设施农业环境工程学第一章绪言第二章设施光环境及其调控8第三章设施热环境及其调控10第四章设施气体环境及其调控6第五章设施水环境及其调控10第六章设施土壤环境及其调控12第七章设施环境自动调控系统8第八章设施能源工程温室环境因素环境调控技术土壤温度温度加温、保温、可再生能源利用空气温度空气湿度通风、降温CO2环境---------------CO2施肥光照---------------光照调控根圈环境(水份、养分)---------灌溉与施肥一、温室采暖工程二、温室内的光照环境及调控三、温室通风工程四、温室降温工程五、二氧化碳施肥六、节能型日光温室七、荷兰与中国番茄栽培特点一、温室采暖工程1.采暖系统的类型⑴采暖的能源燃煤燃油天然气电能太阳能地热能⑵采暖方式根据采暖范围分类全面采暖局部采暖根据采暖设备分类①热水采暖②蒸汽采暖③热风采暖④电热采暖⑤辐射采暖⑥火炉采暖2.温室的热平衡分析⑴采暖热负荷及其确定方法原理采暖热负荷在室外气温to下，为维持要求的设施内气温ti，采暖系统在单位时间内应向温室内提供的热量。确定采暖热负荷的方法统计温室的所有热量收支（得热、失热），根据能量平衡的原理，由热平衡方程式计算。热负荷=∑失热－∑得热⑵温室的热平衡分析温室内的热量来源白昼：室内外水平面太阳辐射热量（北纬30°～45°地区、晴好天气、正午时刻）太阳辐射室内水平面冬季150～400W/m2夏季300～600W/m2室外水平面冬季350～650W/m2夏季900～1000W/m2夜间：采暖系统加温热量100～300W/m2日光温室加温温室不加温温室墙面放热量30～50W/m2地面放热量20～30W/m2地面放热量20～30W/m2温室的热量收支地中传热Qf通风Qvs长波辐射3～80mm对流太阳辐射0.2～3mm吸收反射室内反射蒸腾蒸发Qvl加温热量Qh覆盖层传热Qw太阳热Qs设备发热Qm光合Qp呼吸Qr温室的热平衡方程(Qs+Qm+Qh+Qr)－(Qw+Qf+Qvs+Qvl+Qp)=0温室的热平衡方程(Qs+Qh)－(Qw+Qf+Qvs+Qvl)=0采暖热负荷Qh=(Qw+Qf+Qvs+Qvl)－Qs冬季夜间采暖热负荷Qh=Qw+Qf+Qvs冬季夜间加温温室中的热量平衡对流30地中传热Qf10冷风渗透Qvs10长波辐射35对流45长波辐射50加温热量Qh100覆盖层传热Qw3.温室采暖热负荷的计算vfwhQQQQ⑴通过温室围护覆盖材料的传热量式中ti——室内气温，℃；to——室外气温，℃；Agj——温室覆盖层各部分面积，m2；Kj——各覆盖层的传热系数，W/(m2·℃)。W)(oigwjjjttAKQ主要参照《温室加热系统设计规范》JB/T10297-2001非透明平壁的传热透明平壁的传热辐射辐射对流对流导热辐射对流导热辐射辐射对流关于传热系数K非透明平壁的传热系数：)mW/(11112oi℃jjjRK/Wm112oi℃jjjR式中i—内表面换热系数，一般8.7W/(m2·℃)；o—外表面换热系数，一般23.0W/(m2·℃)；j—材料的厚度，m；j—材料的导热系数，W/(m·℃)。非透明平壁的传热阻：覆盖材料传热系数W/(m2∙℃)覆盖材料传热系数W/(m2∙℃)单层玻璃6.4单层聚乙烯(PE)薄膜6.8双层玻璃4.0单层聚乙烯(PE)保温膜6.6单层聚碳酸酯(PC)板6.3双层聚乙烯(PE)薄膜4.46mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.2单层聚氯乙烯(PVC)薄膜6.68mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.0单层聚氯乙烯(PVC)保温膜6.510mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.6双层聚氯乙烯(PVC)薄膜4.216mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.3单层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜6.710mm聚碳酸酯(PC)三层中空板3.3双层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.316mm聚碳酸酯(PC)三层中空板2.9单层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜6.6单层玻璃纤维增强聚酯(FRP)板6.3双层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜4.2单层玻璃纤维增强丙烯(FRA)板6.3双层充气聚乙烯(PE)膜4.3单层丙烯树脂(有机玻璃MMA)板6.3双层充气聚氯乙烯(PVC)膜4.1单层聚酯(PET)片材6.3双层充气乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.2单层乙烯-四氟乙烯(ETFE)片材6.3双层充气乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜4.1透明材料主围护覆盖层单独使用时的传热系数保温覆盖材料热节省率a/（%）保温覆盖材料热节省率a/（%）聚乙烯(PE)薄膜32缀铝膜（25%铝膜，75%透明膜）34聚氯乙烯(PVC)薄膜35缀铝膜（33%铝膜，67%透明膜）36乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜34缀铝膜（50%铝膜，50%透明膜）39乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜35缀铝膜（67%铝膜，33%透明膜）42无纺布25缀铝膜（75%铝膜，25%透明膜）44混铝薄膜40缀铝膜（100%铝膜）47镀铝薄膜50缀铝膜（50%铝膜，50%无膜）15草帘70缀铝膜（67%铝膜，33%无膜）20复合材料保温被65缀铝膜（75%铝膜，25%无膜）22附加保温覆盖的热节省率)1(KKK’—主围护覆盖层单独使用时的传热系数，W/(m2∙℃)；—采用附加保温覆盖时的热节省率，无附加保温覆盖时为0。采用二层附加保温覆盖时，热节省率=0.85(1+2)-0.71210m10mKsj=0.24Ksj=0.12Ksj=0.06⑵地中传热量式中ti、to——室内与室外气温，℃；Asj—温室地面各分区面积，m2；Ksj—地面各分区传热系数，W/(m2·℃)。jjjttAKQ)(oissf⑶温室通风或冷风渗透耗热量式中ti、to——室内与室外气温，℃；cp——空气定压质量比热容，1030J/(kg·℃)；ra——空气密度，1.2kg/m3，或353/(ti+273)；L——通风量或冷风渗透量，m3/s。W)(oipavttcLQr冬季夜间密闭管理时：式中n——温室的换气次数，0.5～4次/h；V——温室的内部容积，m3。s/m360013nVL冬季夜间温室采暖热负荷的简化计算式式中Ag——温室全覆盖表面积，m2；As——温室地面面积，m2；U——经验热负荷系数，W/(m2·℃)，玻璃覆盖为6.4，聚乙烯薄膜覆盖为7.3；——保温覆盖热节省率；b——保温比(=As/Ag)，0.5～0.8，As越大时b越大。b/)1)(()1)((oisoighttUAttUAQ例题：北京地区某10连栋拱形屋面塑料温室，单跨跨度8m，南北方向共9个开间，柱距为4m，天沟高度3.5m，屋脊高度5.2m。屋面及四周全部采用双层充气膜覆盖，夜间室内上部覆盖缀铝膜保温幕（50%铝膜，50%透明膜）。室内种植喜温蔬菜，冬季夜间室外计算气温为-12℃，要求夜间室内气温不低于15℃，试计算温室的冬季采暖热负荷及单位面积的采暖热负荷，其中经过覆盖材料的传热、地中传热及冷风渗透损失的热量各占多少比例。采用热水采暖，计算所需圆翼型散热器配置数量。222m7.3616)82()5.32.5(28)5.32.5(4828803m13344)3/5.33/2.52(2880解：①温室面积及室内容积温室内地面面积As=长×宽=(10×8)×(9×4)=2880m2山墙面积2×10×8×（5.2×2/3+3.5/3）=741.3m2侧墙面积2×9×4×3.5=252m2屋面面积室内容积②覆盖材料的传热量双层充气膜(双层聚乙烯)K’=4.3W/(m2·℃)双层充气膜+缀铝幕K=K’(1-)=4.3×(1-0.39)=2..623W/(m2·℃)W37146012)(157.3616623.2)2523.741(4.3)(oigwjjjttAKQ③地中传热量W15552)1215()1660(12.0)1215()16603680(24.0)(oissfjjjttAKQ10mKsj=0.24Ksj=0.1210m10m10m60m16m④冷风渗透耗热量Qv冷风渗透量(换气次数为1次/h)空气密度冷风渗透耗热量：s/m3.713600133440.1360013nVLW126492)1512(1030226.171.3)(oipavttcLQr3iakg/m226.1)27315/(353)273/(353tr⑤采暖热负荷Qh=Qw+Qv+Qf=371460+126492+15552=513504W单位面积的采暖负荷为：513504/2880=178.3W/m2⑥各种传热途径所占比例覆盖材料的传热371460/513504=72.3%地中传热15552/513504=3.0%冷风渗透损失126492/513504=24.6%⑦所需圆翼型散热器配置数量按每m散热量600W计算，所需圆翼型散热器总长度为：513504/600=856m设脊高为，檐高为，温室地面面积为，跨数为n，跨度为(对于文洛型温室，为一个屋顶的跨度)。①对称双坡屋面一面山墙的面积为：屋面的面积为：温室的容积为：②拱形屋面一面山墙的面积为：屋面的面积为：温室的容积为：jHyH1LsA)2/2/(yj1HHnL12yj21s/)(4LHHLA)2/2/(yjsHHA)3/3/2(yj1HHnL)2()(2)(41yj12yj21sLHHLHHLA)3/3/2(yjsHHA1L系统组成：热水锅炉→输送管道→散热设备及附属设备特点：水热容量大，热稳定性好，室内温度波动小，停机后保温性强；配置复杂、设备费用高；预热时间长适用范围：大型温室、有较长期和大量供热需求的温室圆翼型散热器（铸铁、钢）散热量一般300～700W/m4.热水采暖系统的设备5.热风采暖设备（热风炉或暖风机）热源：燃煤、燃油、燃气、电能、热水、蒸汽特点：供热系统简单，配置安装灵活、简便，设备费用较低；系统预热时间短，升温快；温度稳定性差，停机后温度降低快。适用范围：小型温室或供热需求较小的温室，或用于大型温室辅助加温，尤其适用于短期临时加温热风温度：30℃～60℃送风量：每m2温室面积送风量27～36m3/h6.土壤加温设备电加热线及地中热水管道加温各气候区连栋温室加温期及年耗煤量北ⅠA北ⅠB北ⅠB北ⅡA北ⅡC北ⅡB北ⅢA北ⅢB北ⅣA北ⅣB南ⅠA南ⅠB南ⅡB南Ⅲ区南ⅣA南ⅣB南ⅤA南ⅤB南ⅡA南ⅤA174～228天99～168t/亩174～228天99～168t/亩220～262天171～254t/亩210～240天134～180t/亩141～174天59～81t/亩170～197天73～116t/亩151～167天73～93t/亩184～202天97～120t/亩287～365天185～233t/亩97～141天29～51t/亩0～70天0～20t/亩104～124天34～42t/亩135～151天48～63t/亩79～116天21～38t/亩0050～128天13～39t/亩190～365天70～184t/亩北纬40度地区：温室加温能耗100～250W/m2燃煤消耗60～150kg/(m2·年)=40～100t/(亩·年)采暖煤、水电费用占生产成本的50%～70%7.温室采暖的节能温室采暖节能的一些可行的途径减少地中传热量（温室周边设置防寒沟）减少通风或冷风渗透的热量损失（加强密闭性）加强温室围护覆盖的保温性（保温覆盖材料、设置保温幕）提高加温设备的热转换和利用效率有效利用新能源（可再生能源：太阳能、地热能、风能等）有效利用工农业废弃物能源（垃圾、作物秸秆、沼气）工业（热力发电厂）废热利用温室运行中的优化管理⑴关于覆盖材料保温性聚乙烯(PE)膜乙烯-醋酸乙烯（EVA、PO）复合膜聚氯乙烯（PVC）膜玻璃聚酯（PET）膜（片材）氟素（ETF