孫信成，張忠武，黃 琳，蔣 萬，陳位平，楊連勇，康 杰，彭元群，王 楨

（常德市農(nóng)林科學(xué)研究院，湖南常德 415000）

大棚已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中，作為一個(gè)半封閉的設(shè)施結(jié)構(gòu)，可以調(diào)控棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子，為作物生長提供合適的環(huán)境，以提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。我國設(shè)施園藝栽培面積居世界首位，設(shè)施栽培類型和栽培范圍也在不斷發(fā)展擴(kuò)大，北方大棚以日光溫室為主，南方則以塑料大棚為主。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，“十三五”時(shí)期我國塑料大棚面積平均為1.5×106hm2，日光溫室面積為0.8×106hm2，連棟溫室面積為0.07×106hm2，在設(shè)施栽培總面積中所占的比例達(dá)到了64%、33%、3%[1]。

華中及華南地區(qū)夏季平均氣溫在30 ℃以上，但棚內(nèi)常會(huì)出現(xiàn)40 ℃以上的高溫，嚴(yán)重影響棚內(nèi)作物的生長，因此研究大棚降溫技術(shù)已成為設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境調(diào)控技術(shù)的不斷提升，越來越多的降溫措施已得到應(yīng)用，不僅可以利用通風(fēng)口、遮陽網(wǎng)等降溫設(shè)施，還可以采用噴淋、風(fēng)機(jī)、濕簾、涂料等降溫方式進(jìn)行降溫。本文主要從大棚通風(fēng)降溫、遮陽降溫、蒸發(fā)降溫、反射降溫、制冷降溫、熱交換降溫等方面進(jìn)行綜述，以期為南方大棚降溫研究提供參考依據(jù)。

1 大棚降溫技術(shù)

1.1 通風(fēng)降溫技術(shù)

1.1.1 自然通風(fēng)降溫

自然通風(fēng)降溫技術(shù)是根據(jù)熱壓和風(fēng)壓的相對(duì)平衡原理，高溫空氣向上運(yùn)動(dòng)，低溫空氣向下運(yùn)動(dòng)，以及棚外風(fēng)力造成的風(fēng)壓，通過開通風(fēng)口、棚門等促使空氣流動(dòng)，進(jìn)行棚內(nèi)外的通風(fēng)換氣。大棚自然通風(fēng)降溫方式包括側(cè)通風(fēng)、頂通風(fēng)、棚頭通風(fēng)和風(fēng)井通風(fēng)。

馬承偉等研究表明，當(dāng)大棚進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為1 m·s-1時(shí)，風(fēng)阻為3.7 Pa 左右；若進(jìn)風(fēng)口安裝有防蟲網(wǎng)，則風(fēng)阻可達(dá)到10～16 Pa，作物風(fēng)阻5～10 Pa[2]。吳玉發(fā)等指出，若大棚所在區(qū)域的海拔不超過300 m，太陽輻射強(qiáng)度不超過5 klx，能夠滿足大棚降溫要求的通風(fēng)量需要達(dá)到2.5 m3·(m2·min)-1[3]。齊振宇等表明，在自然通風(fēng)條件下，屋頂全開啟溫室的降溫效果要優(yōu)于普通頂窗溫室[4]。王新忠等研究了自然通風(fēng)對(duì)屋頂全開型玻璃連棟溫室夏季降溫的影響，通過建立計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模型，分析表明，在側(cè)窗開角為45°、天窗開角調(diào)整至60°的溫室降溫效果最佳，從對(duì)照的38.4 ℃降至36.9 ℃，降溫效果明顯[5]。Kittas 等針對(duì)連續(xù)開窗溫室大棚，以通風(fēng)口設(shè)置和風(fēng)速為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的增大，降溫效果非線性地降低，證明了不同側(cè)窗形式和不同角度的天窗對(duì)自然通風(fēng)降溫效果的影響[6]。Bartzanas 等研究了圓拱型大棚不同通風(fēng)口的通風(fēng)降溫效果，表明側(cè)窗和天窗聯(lián)合通風(fēng)的形式具有最優(yōu)的通風(fēng)效果[7]。Baptista 等依據(jù)示蹤氣體技術(shù)研究四連棟溫室的自然通風(fēng)率，表明風(fēng)速對(duì)通風(fēng)率有較大影響，在風(fēng)速較低條件下，棚室內(nèi)外的溫差對(duì)通風(fēng)率起主要影響[8]。

1.1.2 機(jī)械通風(fēng)降溫

機(jī)械通風(fēng)降溫技術(shù)屬于強(qiáng)制通風(fēng)，當(dāng)自然通風(fēng)達(dá)不到溫室的要求時(shí)，如在夏季高溫，室外溫度超過33 ℃以上時(shí)，就要采用強(qiáng)制通風(fēng)的形式，強(qiáng)迫空氣流動(dòng)進(jìn)行溫室換氣來降溫。

黃震宇等以南方連棟塑料溫室為對(duì)象，建立了三維全尺度瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)仿真模型，提供的控制策略最高可減少60%能源消耗，作物冠層溫度僅升高0.21 ℃[9]。肖波等根據(jù)通風(fēng)口通風(fēng)和濕簾風(fēng)機(jī)降溫對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在初夏階段利用通風(fēng)口自然通風(fēng)，可將棚內(nèi)溫度降至35 ℃以下；采用濕簾風(fēng)機(jī)在連續(xù)晴熱天氣下也能達(dá)到較好的降溫效果，棚內(nèi)溫度能夠降低4～7 ℃[10]。Lamrani 等研究發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)使用環(huán)流風(fēng)扇可減少垂直溫度梯度，并有效消除溫室屋脊處積聚的多余熱量[11]。Bournet 等采用CFD方法研究了不同風(fēng)機(jī)形狀及安裝方式下的溫室內(nèi)空氣流場(chǎng)分布情況[12]。

1.2 遮陽降溫技術(shù)

遮陽降溫技術(shù)是在大棚的上部設(shè)置遮陽材料，反射太陽輻射，以減少進(jìn)入大棚內(nèi)部的熱量來達(dá)到降溫的目的。常用的遮陽材料有塑料薄膜、合成纖維織品、無紡布、涂銀帆布、鋁箔和葦簾子，以及在透光覆蓋材料外表面噴涂化學(xué)涂料等。根據(jù)遮陽網(wǎng)安裝位置的不同分為外遮陽和內(nèi)遮陽。

張偉建等利用試驗(yàn)和CFD 模型分析了遮陽網(wǎng)對(duì)溫室夏季降溫效果的影響，表明遮陽網(wǎng)使用層數(shù)對(duì)溫室降溫影響顯著，在兩層遮陽網(wǎng)下，溫室內(nèi)外溫度相差最大，為4.5 ℃[13]。任旭琴等研究涂料和遮陽網(wǎng)覆蓋對(duì)棚內(nèi)溫度的影響，表明涂料的遮陽降溫效果與其稀釋比例有關(guān)，稀釋比例越小，遮陽降溫效果越好[14]。袁培等研究表明，內(nèi)外遮陽裝置同時(shí)開啟能顯著降低棚內(nèi)溫度，比內(nèi)遮陽裝置和外遮陽裝置單獨(dú)開啟的1h范圍內(nèi)溫度低3～5 ℃[15]。徐進(jìn)等研究遮陽網(wǎng)和環(huán)流風(fēng)機(jī)對(duì)大棚降溫的影響，表明單項(xiàng)降溫措施中以遮陽網(wǎng)的降溫效果最好，在環(huán)流風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上能再降1 ℃左右；遮陽網(wǎng)和環(huán)流風(fēng)機(jī)組合可在遮陽網(wǎng)的基礎(chǔ)上再降2 ℃左右[16]。Willits運(yùn)用布點(diǎn)測(cè)量的研究方法，發(fā)現(xiàn)遮陽網(wǎng)的使用不僅有利于溫室的降溫，也有利于溫室內(nèi)作物水分的保持[17]。

1.3 蒸發(fā)降溫技術(shù)

蒸發(fā)降溫技術(shù)就是利用水在蒸發(fā)過程中吸收空氣里的顯熱而令空氣降溫，1 g液態(tài)水蒸發(fā)成1 m3水蒸氣能夠使其自身溫度降低2.5 ℃。主要有濕簾-風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、高壓噴霧降溫系統(tǒng)和屋頂噴淋降溫系統(tǒng)。

劉云驥等研究發(fā)現(xiàn)，在高溫、低濕氣候下，濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的棚室內(nèi)平均降溫6.7 ℃，最高可降溫9.2 ℃；而在高濕地區(qū)，降溫效果降低，平均降溫4.8 ℃[18]。劉佳等研究表明，使大棚獲得最佳氣流速度時(shí)，風(fēng)機(jī)與濕簾之間的距離應(yīng)該在30～70 m[19]。張璐瑤等驗(yàn)證了高溫低濕氣候條件下濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的效果，表明棚內(nèi)最高降溫9.2 ℃，濕簾蒸發(fā)冷卻效率達(dá)到90.3%[20]。張芳等研究了大跨度溫室中夏季采用噴霧降溫系統(tǒng)對(duì)棚內(nèi)溫濕度的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)開120 s、關(guān)300 s的噴霧模式最佳，可降低棚內(nèi)溫度6 ℃，噴霧蒸發(fā)冷卻效率為47.2%[21]。于海利等研究表明，采用遮陽網(wǎng)和外屋面噴淋均能顯著降低棚內(nèi)溫度，且外屋面噴淋降溫比遮陽網(wǎng)降溫效果更顯著[22]。Chen 等采用CFD 方法研究了濕簾、風(fēng)機(jī)安裝位置與濕簾風(fēng)機(jī)系統(tǒng)降溫效果之間的關(guān)系[23]。Toida等在噴霧降溫系統(tǒng)的噴管上垂直安裝了2 個(gè)100 mm×100 mm 大小的風(fēng)扇，增強(qiáng)了向上的氣流，從而提高降溫效果，與不加裝風(fēng)扇的噴霧降溫系統(tǒng)比較，其蒸發(fā)率是原來的1.5 倍，降溫區(qū)域是原來的3倍[24]。

1.4 反射降溫技術(shù)

反射降溫技術(shù)是通過反射材料將200～2 500 nm波段的太陽紅外線、可見光和紫外線進(jìn)行高熱反射，減少棚室的吸熱和蓄熱，達(dá)到降溫的效果。

研究發(fā)現(xiàn)，噴涂降溫劑，不僅可以反射太陽光，還可以將進(jìn)入棚室中的太陽光轉(zhuǎn)換為對(duì)作物生長有益的散射光。北京志盛威華化工有限公司研制的涂覆ZS-221 防曬熱反射隔熱涂料，能對(duì)400～500 nm 的太陽紅外線、可見光和紫外線進(jìn)行高反射，降低物體的溫度。王婷等通過添加納米氧化錫銻透光隔熱涂料削弱透光率和高壓噴淋裝置形成雙重降溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全封閉日光溫室的降溫和室內(nèi)水分的循環(huán)利用，促進(jìn)了溫室作物的生長[25]。羅婷倚等研究表明，以含氟丙烯酸酯乳液為成膜基料制備的熱反射涂料反射率約為78%，說明含氟丙烯酸酯熱反射涂層具有良好的降溫效果[26]。張仁哲等系統(tǒng)研究了反射隔熱涂料的太陽能反射率和輻射率對(duì)溫度的影響，表明反射隔熱涂料可比對(duì)照的表面溫度降低13.6 ℃，室內(nèi)溫度降低5.4 ℃[27]。李景對(duì)降溫涂料的降溫效果進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，涂層反射率與粒子直徑有關(guān)，粒徑越小，粒子分散效果越好，涂層反射率越高，最佳涂膜厚度在120 μm 左右[28]。

1.5 制冷降溫技術(shù)

機(jī)械制冷降溫技術(shù)是通過機(jī)械設(shè)備，如空調(diào)、壓縮機(jī)等進(jìn)行降溫。在外界溫度條件不同的情況下，能使棚室達(dá)到適宜要求的溫度。耿李?yuàn)櫟葘?duì)空調(diào)系統(tǒng)制冷降溫性能進(jìn)行研究，表明140 mL排量壓縮機(jī)的降溫性能優(yōu)于120 mL壓縮機(jī)，制冷量大于4.5 kW[29]。朱文倩等把太陽能技術(shù)和制冷技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一種降溫制冷屋頂，在建筑面積為10 m2，屋頂外圍空氣溫度達(dá)35.6 ℃的狀況下，其內(nèi)部溫度可降至25 ℃以下[30]。吳加生關(guān)于空調(diào)制冷中除濕量對(duì)制冷降溫速度的研究表明，內(nèi)機(jī)風(fēng)量大，除濕量小，制冷降溫速度快[31]。賈靜等對(duì)高溫高濕地區(qū)兔舍制冷空調(diào)的降溫效果及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，表明密閉空調(diào)舍的日平均溫度、日最高溫度及溫濕度指數(shù)均顯著低于密閉舍和開放舍，經(jīng)濟(jì)分析顯示夏季使用空調(diào)降溫系統(tǒng)能夠產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益，具有經(jīng)濟(jì)可行性[32]。

1.6 熱交換降溫技術(shù)

熱交換降溫技術(shù)是通過土壤或地下水等溫度較低的媒介，利用兩者之間的溫差，與棚室內(nèi)空氣之間進(jìn)行熱交換，以實(shí)現(xiàn)棚室內(nèi)降溫。主要有土壤-空氣熱交換降溫系統(tǒng)和地下水-空氣熱交換降溫系統(tǒng)。

崔良衛(wèi)等利用空氣-土壤換熱系統(tǒng)研究大棚降溫，表明埋管深4 m 的換熱器可將輸入的空氣溫度降低10.9 ℃[33]。鮑恩財(cái)?shù)仍诘刂袩峤粨Q系統(tǒng)對(duì)園藝設(shè)施夏季降溫效果進(jìn)行探究，表明管道埋深越大、風(fēng)機(jī)流量越大、管道直徑越大，降溫效果越好[34]。劉德志探究地中熱交換系統(tǒng)對(duì)溫室大棚的夏季降溫效果，表明在陜西楊凌地區(qū)，管道埋深150 cm、風(fēng)機(jī)功率550 kw、管徑200 mm 的地?zé)峤粨Q系統(tǒng)的降溫效果最好，在晴天、陰雨天分別可降溫2.46 ℃、1.43 ℃[35]。王晨晨對(duì)蘇南地區(qū)高溫高濕條件下，S型地?zé)峤粨Q系統(tǒng)和I型地?zé)峤粨Q系統(tǒng)對(duì)塑料大棚夏季降溫效果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)S 型地?zé)峤粨Q系統(tǒng)更適宜在當(dāng)?shù)厮芰洗笈镏羞M(jìn)行降溫應(yīng)用，比I 型的棚內(nèi)溫度降低3.7 ℃[36]。王嘉維等對(duì)蘇南地區(qū)夏季淺層地?zé)峤粨Q的降溫效果研究，表明在該地區(qū)5—7 月，淺層地?zé)峤粨Q大棚內(nèi)平均降溫為0.8～3.4 ℃，初步證明淺層地?zé)峤粨Q系統(tǒng)在蘇南地區(qū)具有實(shí)用可行性[37]。

2 各種降溫方式的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 優(yōu)點(diǎn)

自然通風(fēng)降溫方式不需要消耗動(dòng)力，節(jié)省能源，節(jié)省設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用，是一種經(jīng)濟(jì)有效的降溫方式。機(jī)械通風(fēng)降溫方式可以人為地加大送風(fēng)量，增加棚內(nèi)外的通風(fēng)換氣次數(shù)，風(fēng)速可控。遮陽降溫方式的降溫效果好，性價(jià)比高。濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的設(shè)備一般安裝在溫室側(cè)墻上，不占溫室空間，有利于溫室的栽培管理等，而且水可循環(huán)利用，利用效率高；棚室內(nèi)溫濕度均勻，利于植物的光合作用。高壓噴霧降溫適合各類溫室大棚，其降溫過程節(jié)水、節(jié)能、無污染，運(yùn)行費(fèi)用較低。屋頂噴淋降溫不會(huì)增加棚室內(nèi)濕度，內(nèi)部的溫度和濕度分布比較均勻，降溫能耗小。反射隔熱涂料屬于新型環(huán)保節(jié)能材料，不會(huì)造成環(huán)境污染，對(duì)耐候性、耐酸堿、抗老化和防水硬度等要求較高。制冷降溫方式能實(shí)現(xiàn)溫度可控可調(diào)節(jié)，同時(shí)也可以控制棚室內(nèi)濕度和通風(fēng)。熱交換降溫方式可以回收熱能，實(shí)現(xiàn)夏季降溫、冬季增溫的作用，是一種清潔無污染的可再生能源利用形式，一次投入，多年使用，高效節(jié)能。

2.2 缺點(diǎn)

通風(fēng)降溫技術(shù)的棚內(nèi)溫度不能降低到棚外溫度以下，因此降溫有一定的局限性。自然通風(fēng)降溫方式會(huì)受到氣候條件、大棚朝向、通風(fēng)口位置和大小等的影響，存在著很大的隨機(jī)性和復(fù)雜性，難以人為調(diào)控溫度高低。機(jī)械通風(fēng)降溫方式和濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)的能耗大，棚室內(nèi)氣溫不均勻；溫室內(nèi)方便安裝，而在拱形塑料大棚安裝不便。濕簾長期使用會(huì)發(fā)生變形或收縮，產(chǎn)生堵塞，阻力損失增大，效率降低，壽命變短，性價(jià)比不高；降溫效率還與外界濕度緊密聯(lián)系，對(duì)高溫高濕氣候條件的適應(yīng)性差。遮陽降溫方式會(huì)降低棚內(nèi)光照強(qiáng)度，降低蔬菜的光合效率，影響其正常生長。蒸發(fā)降溫的噴霧降溫方式會(huì)增大溫室內(nèi)的濕度。制冷降溫方式的成本和運(yùn)行費(fèi)用均較高，因溫室或大棚的面積較大，熱負(fù)荷高，使用極不經(jīng)濟(jì)。屋頂噴淋降溫系統(tǒng)安裝在溫室頂部，對(duì)頂部的空氣溫度降低有效果，下部空氣降溫效果差；易使覆蓋材料老化，采光量降低；需要消耗大量的水資源，容易造成資源的浪費(fèi)。熱交換降溫方式的最大缺點(diǎn)是耗資大，且布置管道網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難度相對(duì)較大，也不易對(duì)設(shè)施進(jìn)行日常維護(hù)和防止管道泄漏；金屬或塑料制的地下管道會(huì)發(fā)生腐蝕，不利于作物生長。

3 展望

3.1 多種降溫措施配合使用

通風(fēng)降溫、遮陽降溫、蒸發(fā)降溫、反射降溫、制冷降溫和熱交換降溫等方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合地理位置、氣候等實(shí)際情況來組合使用，可實(shí)現(xiàn)降溫效果和經(jīng)濟(jì)效益最大化。根據(jù)實(shí)際氣溫，夏季早晨、傍晚或溫度不是太高的時(shí)候，降溫要求不是很高，就可以采用單一、節(jié)能的降溫方式，如自然通風(fēng)降溫、覆蓋遮陽網(wǎng)等降溫方式；當(dāng)對(duì)降溫幅度要求高時(shí)，就可以采用組合降溫方式，如通風(fēng)降溫+外遮陽、噴霧降溫+內(nèi)遮陽、濕簾風(fēng)機(jī)+外遮陽、通風(fēng)降溫+噴涂降溫劑、濕簾風(fēng)機(jī)+機(jī)械制冷、遮陽降溫+熱交換降溫等組合模式，也可將3 種降溫方式組合使用。胡建對(duì)4 種組合降溫系統(tǒng)的降溫效果進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)降溫效果從高到低依次為濕簾風(fēng)機(jī)+外遮陽+屋頂噴淋、濕簾風(fēng)機(jī)+外遮陽、機(jī)械通風(fēng)+外遮陽、自然通風(fēng)+外遮陽[38]。劉春來等對(duì)外遮陽、濕簾風(fēng)機(jī)+外遮陽、噴淋+外遮陽、濕簾風(fēng)機(jī)+噴淋+外遮陽等4 種降溫措施進(jìn)行了試驗(yàn)，其中濕簾風(fēng)機(jī)+外遮陽的降溫效果最佳，棚內(nèi)溫度從43℃降至31.5 ℃[39]。一般來說，降溫效果越好，運(yùn)行成本自然越高，需要根據(jù)氣候條件及作物生育期對(duì)溫濕度的要求，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性考慮來選擇適宜的降溫方式及其組合方式。

3.2 優(yōu)化改良棚室結(jié)構(gòu)

部分學(xué)者對(duì)南方設(shè)施大棚進(jìn)行改良優(yōu)化設(shè)計(jì)，以解決夏秋季的降溫問題。孫信成等研發(fā)設(shè)計(jì)了大跨度不等高大棚，棚體規(guī)格為跨度16.0～20.0 m，單側(cè)跨度8.0～10.0 m，脊高4.5～5.0 m，肩高≥2.0 m；桁架、斜撐等結(jié)構(gòu)提高了大棚的荷載能力、抗風(fēng)雪能力和散熱能力；試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的頂通風(fēng)口和側(cè)通風(fēng)口可降低棚內(nèi)溫度5～10 ℃。在塑料拱棚上進(jìn)行改良，以利于通風(fēng)降溫，如凸拱形或凹拱形塑料大棚。凸拱形塑料大棚的主要特點(diǎn)就是在拱形大棚的頂上再加一個(gè)小凸拱，小凸拱頂面覆蓋塑料薄膜，兩個(gè)側(cè)面覆蓋防蟲網(wǎng)用于通風(fēng)降溫，可用于南方地區(qū)。凹拱形塑料大棚的主要特點(diǎn)就是在拱形大棚的頂部區(qū)域有一個(gè)“V”型通風(fēng)口，可用于北方地區(qū)。