设施环境调控

设施环境调控绪论一、农业设施与设施环境二、设施环境工程在农业生产中的作用第一章设施光环境及其调控第一节建筑日照的基本理论一、地球的公转与太阳赤纬角二、地球的自转与太阳时三、太阳高度角和方位角第二节设施光环境特征一、与设施内环境相关的光、热辐射二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量三、各种光辐射度量单位的相互关系四、设施光环境特点第三节进入设施内的太阳辐射计算一、室外地面上太阳辐射照度的计算二、进入设施内的太阳辐射计算第四节设施光环境的调节一、温室内的人工补光二、人工光照的配置计算三、光质调节四、日长调节第二章设施热环境及其调节第一节热量传递的基本方式第二节辐射换热第三节导热第四节对流换热第五节温室热环境一、温室传热与能量平衡二、温室采暖热负荷三、温室的节能保温四、温室的降温调节第三章温室的气体环境与通风调节第一节温室通风概述一、温室通风换气的目的二、温室通风的设计要求三、通风的基本形式与特点第二节温室的必要通风量一、控制室温的必要通风量二、维持CO2浓度的必要通风量三、控制温室内湿度的必要通风量第三节温室通风一、热压作用下的自然通风二、风压作用下的自然通风三、自然通风系统设置四、温室的机械通风第四章温室环境自动控制第一节自动控制基本原理第二节设施环境常用控制器第三节设施环境自动调控系统绪论一、农业设施与设施环境1、农业设施农业设施是能够提供适宜的生产环境等条件，具有特定生产功能的农业生产性建筑、配套设备的工程系统。2、农业设施的特点（1）可以为各种农业生产对象提供比自然环境更加适宜的生产环境条件，且可以调控环境。为此设施一般应具备建筑围护结构或具有围护作用的构造物，以形成与外界相对隔离的空间条件。（2）依靠各种生产设备实现高效生产。3、设施环境（农业生物环境）农业生物环境一般分为：物理环境：包括生物周围的温度、光照和热辐射、空气和水的运动状态等，其中由空气温度、湿度、热辐射、空气和水的流动等因素所构成的环境称为热环境。化学环境：指生物周围空气、土壤和水中的化学物质成分组成。生物环境：除农业生物个体以外的其他所有生物。包括空气、土壤、或水中的微生物，生物体内外的寄生物，以及周围的其他同类生物群体等。光照水和肥料温度CO2湿度温室的环境调控应该实现以光照为主导因子的综合环境管理。4、设施结构——环境——生物之间的相互关系设施环境外界环境设施结构生物活动状态和代谢过程设施结构决定了其环境性能，所以在设施环境调控之前，首先确定好的结构，才能做到环境调控的节能、低成本。5、设施环境调控的原理和方法（1）理论1）质量守恒定律2）热力学第一定律——能量守恒定律3）质热传递过程的理论4）环境与生物间相互影响的生态学原理（2）方法定量化描述生物与环境、外界环境与设施内部环境间的相互关系——模型的建立及应用采用工程化的手段，利用专用设备来实现。ControlsystemSimulationsMeasuredvaluesModelDataAcquisitionSystemDynamicDatabasecompare27Oct26Oct28Oct29Oct30Oct1Nov2Nov3NovALLALLALLStressDetector#17#17onDuty!ShanyRayTechnologiesLtd.Numberofdaysanalyzed:7Numberofalarms:4DANGER!DANGER!MyComputerLPS#14LPS#17LPS#26LPS#99AlarmDiary9:00-12:00AirVPD2kPa12:00-15:00LeafT34CAirVPD4kPa15:00-16:00AirVPD2kPaTest#1negativeSSRRCrop模型（定量化方法）是温室环境智能管理的基础•现代化连栋温室的环境控制及其设备环境因子控制设备光照人工光源、帘幕系统温度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋/喷雾系统CO2浓度CO2施肥系统、通风系统湿度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋/喷雾系统绪论二、设施环境工程在农业生产中的作用参考教材P2~4第一章设施光照环境及其调控第一节建筑日照的基本理论一、地球的公转与太阳赤纬角1、太阳赤纬角太阳光线与地球赤道面的夹角太阳直射光线投射到地球表面，光线与地面垂直处的地理纬度)365284360sin(45.23n)365172360cos(45.23n三、太阳高度角和方位角四、斜面太阳入射角b与其他角度之间的关系)cos(sincoscossincosefcacab五、日出、日没时刻)tantan(cos10t第二节设施光环境特征一、与设施内环境相关的光、热辐射1、电磁波谱2、太阳辐射的光谱能量分布（教材P144~150）3、常温物体的热辐射10-810-6110-410210410-2106波长(mm)X射线紫外线红外线可见光太阳辐射常温辐射热射线无线电波g射线波长（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38076048.3%8.7%43.0%黑体常温下的热辐射波谱010203040020406080100波长(mm)辐射力(W/m2mm)300K(27℃)不同波长的光热辐射对植物及环境的作用可见光红外光长波红外辐射太阳辐射（短波辐射）紫外光波长范围作用300nm以下①对于多数植物，具有杀伤作用，可能导致植物气孔关闭，影响光合作用，增加病菌感染。②加速塑料覆盖材料老化300～400nm有利植物成形、抑制徒长,促进花果着色和维生素C、D形成400～720nm①植物光合作用400～510nm蓝紫光植物吸收率高，光合作用强，有利植物成形。510～610nm绿光植物吸收率及光合作用效率较低。610～720nm红橙光植物吸收率高，光合作用强，一些条件下具有较强的光周期作用。②提供辐射热量720～1000nm影响植物伸长，700～800nm辐射称为远红光，对光周期及种子形成有重要作用，并控制开花及果实颜色。1000～3000nm提供太阳辐射热量。3000～100000nm（3～100mm）常温物体的热辐射，散失温室内热量。mW/m1khcexphc220520bλTλM普朗克定律（黑体的单色辐射力）λ——波长，m；T——热力学温度，K；h——普朗克常数（＝6.626×10-34J·s）；k——玻尔兹曼常数（＝1.3807×10-23J/K）；c0——真空中的光速（＝2.9979×108m/s）Kmμ6.2897maxTλ维恩位移定律（最大辐射力对应的波长）第二节设施光环境特征二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量1、辐射（能）通量单位为W。2、辐照度——（辐射能通量密度）单位为W/m2。3、光通量——按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量(辐射功率)，光源在单位时间内,向周围空间辐射出的使人眼产生光感的能量,称为光通量,,单位为lm：光通量和辐射通量这两个非常相似的概念，错误地认为既然光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，光通量就是辐射通量。光通量是一个包含着主客观双重因素的物理量．辐射通量虽然是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人们的主观感觉——视觉的强度（即明亮程度）．4、光照度——受照平面上接受的光通量面密度（单位面积光通量），单位：lx；5、光合有效辐射照度PAR：（PhotosyntheticallyActiveRadiation）单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射（400～700nm）的能量。单位：W/m26、光合有效光量子流密度PPFD或PPF，单位：mol/m2·s第二节设施光环境特征三、各种光辐射度量单位的相互关系一个光量子所具有的能量为：Jhc)(λq式中λ——波长，m；h——普朗克常数（＝6.626×10-34J·s）；c——真空中的光速（＝2.9979×108m/s）。1、光合有效辐射照度与光合有效光量子流密度间的换算设光合有效辐射照度为Ea（W/m2）；光合有效光量子流密度为Ep（mol/m2·s）；换算系数为Ep=kapEa，即kap=Ep/Ea（mol/s）/W；单色光的辐射照度分布密度为Eλ（W/m2·m）；光合有效辐射的波长范围为λa-λb（m）；则：2aW/mdbaEEsmol/mdhcN10d/hcN10d)(N102A6A6A6pbababaμEEqEE式中λ——波长，m；h——普朗克常数（＝6.626×10-34J·s）；c——真空中的光速（＝2.9979×108m/s）；NA——阿伏加德罗常数（＝6.022×1023mol-1），因此：W)mol/s(dd108.36dd10022.6109979.210626.610dd10/babababababa6238346A6apapμEEEEEEhcNEEk近似估计：对于日光，如按在400～700nm范围内Eλ为常量估计，W)mol/s(598.4210)400700(108.362108.36)(2108.362108.36dd108.36dd108.36/96ab6ab2a2b62666apapbabababababaμEEEEEEk2、光合有效辐射照度与光照度间的换算换算系数为Ev=kavEa，)lx/(W/mdd)(d1d)(12e,e,me,e,mavavbabababaλλλλΦVΦKΦAVΦKAEEk式中φe,λ——波长为λ的单色光的辐射能通量，W/m(W)；V(λ)——标准光度观测者明视觉光谱光视效率；Km——最大光谱光视效能，Km=683lm/W。根据有关资料，对于日光，kav=238lx/(W/m2)，即：光合有效辐射照度1W/m2=238lx光照度3、光照度与光合有效光量子流密度间的换算换算系数为Ep=kvpEv，即:s/lxmol/m2avapavapvpvpmkkEEEEEEk对于日光，kvp=kap/kav=4/238=0.0168mol/m2·s/lx，即光照度1lx=0.0168mol/m2·s光合有效光量子流密度对应量已知量光照度lx光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mol/m2.s总短波辐射照度W/m2光照度1lx＝10.00420.0040.01680.0180.01光合有效辐射照度PAR1W/m2＝23825014.04.62.38光合有效光量子流密度PPFD1mol/m2.s＝59.555.60.250.2210.595总短波辐射照度1W/m2＝1000.421.681四、设施光环境特点1、光照强度室内光照强度比自然光弱。2、光照时数室内光照时数受到温室类型的影响3、光质主要影响380nm以下紫外光的透过率，大多不能透过310nm以下紫外光。影响红外光的透过率。4、光分布室内光照分布不均匀。第三节进入设施内的太阳辐射计算一、室外水平地面上太阳辐射照度的计算（一）太阳常数在大气层外，平均日地距离处，垂直于辐射传播方向上单位面积1个小时内测得的太阳辐照度为1353W/m2，称为太阳常数，以J0表示。实际上大气层外的太阳辐照度随着日地距离的改变，在一定范围内变化。一年中第n天在法向平面上的大气层外的辐照度Jon为：)365360cos033.01(0nJJon（二）室外水平面上的直射光辐射照度见教材P151公式4—8aPrrJJadsinsin/1200第三节进入设施内的太阳辐射计算一、室外水平地面上太阳辐射照度的计算（三