第四章园艺设施的环境特征及其调节控制

第四章园艺设施的环境特征及其调节控制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4.1温室光照环境及其调控1.光照环境的要素2.温室光照环境特征3.光照环境调控方式4.人工光源1.光照环境的要素•光质（光色）–各波长光的能量分布（考虑不同波长光对植物的不同作用）•光照强度与光照量–光照的强弱及累积量、分布均匀性（满足植物光合作用的需要）•光照周期–明期、暗期的长短和交替周期规律（考虑植物的光周期作用）太阳辐射光谱波长（nm）05001500100020003000250025002000150010005000辐射能（W/m2.mm）地面大气层外缘6000K黑体辐射可见光红外线紫外线38076048.38.7%43.0%植物光合有效辐射(生理辐射)300～780nm——对植物生理产生作用的光辐射波长范围400～720nm——产生植物光合作用的光辐射波长范围，一般在400～700nm的范围计量⑴光质（光色）⑵光照的强度及度量①光照度根据人的视觉光谱光效应确定的单位面积光通量。（555nm黄绿光感觉量为1。）单位：lx（勒克斯）②光合有效辐射照度（PAR）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射能量。单位：W/m2③光合有效光量子流密度（PPFD或PPF）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射光量子数。单位：mmol/m2.s④太阳总辐射照度单位：W/m2说明：光合成有效辐射——400～700nm波长范围内的光辐射mol（摩尔）——物质的数量单位，1mol=6.02257×10231mol=1000000mmol光照度光合有效辐射照度光合有效光量子流密度各种光照度量单位的相互关系光照度、辐射照度、光量子流密度等与光谱能量分布密切相关，几者之间无固定的比例关系。只有在确定的光谱能量分布情况下，才有明确的相关关系。一般天气自然（太阳）光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mmol/m2.s对应的太阳总辐射照度W/m2光照度1klx≈4.2(4)16.8(18)10klx数×4≈W/m2W/m2×4≈mmol/m2.s室外日光温室内连栋温室内多数阳性植物最低要求光照度(lx)30000～5000015000～3500012000～2500020000PAR(W/m2)120～21060～14050～10080PPFD(mmol/m2·s)500～840250～580200～400300北京地区冬季晴天正午时刻的温室内外光照强度光源PAR/照度W·m-2/klxPPFD/照度mmol·m-2·s-1/klxPPFD/PARmmol·m-2·s-1/W·m-2荧光灯2.7312.54.59金属卤化灯3.1314.44.59高压钠灯2.8145白炽灯3.9619.95.02蓝色LED38.51453.76红色LED24.01325.52日光（对照）4.216.84几种光源的光照强度单位近似换算关系⑶植物的光周期现象在植物的光周期反应中，光作为植物生长发育的控制信息发挥作用，连续光照时间与光质是决定其作用的重要因素，能量大小是次要因素，照度仅数十lx即可发挥作用。长日照植物每天12小时以上光照促进生长发育（大多数叶菜、豌豆、葱、蒜、荷花、唐菖蒲等）短日照植物每天光照少于12～14小时才能正常生长发育（茼蒿、扁豆、豇豆、秋菊、一品红、牵牛花等）中光性植物对光照时数无严格要求，一般每天8～16h均可（黄瓜、番茄、辣椒、四季豆、月季、香石竹、天竺葵等）2.温室光照环境特征•透光量减小（覆盖材料、骨架材料）•透光分布不均匀（骨架阴影）•光质有变化（覆盖材料的分光透过性）普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率硬质板的透光率软质塑料膜的透光率老化和尘垢对塑料膜透光率的影响直射光透过率的季节变化四连栋温室全天直射光透过率的分布3.满足温室光照环境要求的调控工程手段开发和选用合适的温室覆盖材料温室建设方面，采用合理的方位与温室结构人工调控光强与光量调控——遮光调节（适当减弱光强）光合补光（强光补充）光周期调控——遮光调节（严密遮光）延长暗期（低于10Lx）补光调节（50Lx以上弱光即可）延长光照时间（整夜连续补光、早晚延长补光和夜间间断补光）光质调控——采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源补光采用满足要求的具有特定光谱透过率的覆盖材料4.人工光源⑴对人工光源主要的要求光谱性能：富含400～500nm蓝紫光和600～700nm橙红光并有适当的组成比例，以及满足其他特定的光谱要求效率：发出的光合有效辐射量与消耗功率之比其他：使用寿命、价格等⑵人工光源的种类热辐射光源：白炽灯、卤钨灯钨丝中通过电流产生高温（2400～3000℃）发光气体放电光源：荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯物质原子受电子激发产生光辐射。半导体光源：LED（发光二极管）卤钨灯寿命、发光的功率提高，光色有所改善，发光效率也有所提高。⑶几种人工光源热辐射光源：白炽灯结构简单、价格便宜，光照强度易于调节；辐射光谱主要在红外范围，可见光所占比例很小，发光效率低，且红光偏多，蓝光偏少；寿命短（1000小时）。不宜用作光合补光的光源但可作光周期补光的光源气体放电光源：荧光灯光谱性能好，发光效率较高，寿命长。功率小，满足一定光照强度所需灯具多，对自然光遮光大。目前在园艺设施补光中使用较多，尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的人工光照。高压水银荧光灯易达到较高功率，寿命较长，但光色较差，发光效率略低于荧光灯，使用较少。金属卤化物灯发光效率较高，功率大；光色好（可改变金属卤化物组成满足不同需要）；寿命较高（数千小时）。使用较多高压钠灯发光效率高，功率大；光谱分布范围较窄，黄橙光为主；寿命高（12000～20000小时）。目前在园艺设施补光中使用较多。低压钠灯发光效率很高，功率大；光色为单一的589nm黄色光；寿命高（平均寿命18000小时）。光色单一，很少单独使用，但可与其他光源配合使用。发光二极管（LED）单色性，波谱域宽仅±20nm左右；没有中、长波红外辐射（对光合作用无效）的能量浪费，发热少，可实现近距离补光（提高光利用效率）；辐射效率和光量子效率极高；具有多种光色器件，可按需要组合不同单色（如红＋蓝）的LED满足植物光合作用对光谱的需要；单体尺寸小，便于组合和使设备小型化；使用寿命长（5万小时以上）；价格高，尤其是蓝色LED目前价格较贵。LED人工光源人工光源的应用例4.2温度环境及其调控一、采暖二、通风三、降温传热原理一、温室采暖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+2