蔡楦 周姣姣 申健 付胡鑫 黃鶯 張銘雨 盛富城 白軍

西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，林芝 860000

現(xiàn)階段，溫室大棚在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，它可實(shí)現(xiàn)反季節(jié)種苗繁育、農(nóng)作物種植。在溫室大棚中，空氣溫濕度、光照、土壤溫濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長[1.2]。由于傳統(tǒng)溫室大棚保溫、通氣能力差，供暖方式需消耗大量煤炭和電能。一方面藏區(qū)物質(zhì)匱乏，地廣人稀，人工成本高；另一方面會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳和有害氣體，不利于碳中和的實(shí)現(xiàn)，無法及時(shí)滿足人們的生產(chǎn)需求，再加上后期新型材料的出現(xiàn)，高原地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)智能溫室大棚的出現(xiàn)就成為了必然。

環(huán)境溫度嚴(yán)重影響農(nóng)作物的生長，西藏地處我國西南邊陲，氣候帶分布復(fù)雜，全年氣候干冷，傳統(tǒng)的溫室大棚都是通過太陽收集熱量給大棚供暖，夜間溫度驟降可能會(huì)威脅到農(nóng)作物的正常生長甚至死亡[3]。因此，風(fēng)光互補(bǔ)的新型智能溫室大棚采用太陽能平板集熱器收集熱量，保溫水箱儲(chǔ)存能量，經(jīng)智能溫度系統(tǒng)的控制為大棚持續(xù)供暖并合理配比溫室大棚內(nèi)的溫度、水分、養(yǎng)分、二氧化碳濃度等，極大提高了農(nóng)作物產(chǎn)量、降低了人工成本。

1 研究背景及意義

1.1 溫室大棚現(xiàn)狀

美國、德國、日本、荷蘭等一些國家早在20年代就開始研究將自動(dòng)化應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中。我國設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室大棚水平低，裝備落后，結(jié)構(gòu)簡單，不環(huán)保，維護(hù)成本高，設(shè)施裝備研究起步較晚，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)在硬件方面取得了一些成果，但在軟件方面還有待提高[4]。

目前溫室大棚在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。它們提供了一個(gè)受控的環(huán)境，可以調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等因素，從而優(yōu)化植物生長條件。溫室大棚可以延長種植季節(jié)，保護(hù)作物免受惡劣天氣和害蟲的侵害，并提高產(chǎn)量和質(zhì)量。近年來，溫室大棚技術(shù)不斷發(fā)展和創(chuàng)新?，F(xiàn)階段溫室大棚已經(jīng)逐漸采用先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)，配備氣候控制設(shè)備、灌溉系統(tǒng)和光照設(shè)備等。采用了以上技術(shù)后，溫室大棚的生產(chǎn)效率得到了提升，同時(shí)還減少了能源消耗，并且使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加可持續(xù)和環(huán)保，同時(shí)也在節(jié)能保溫，采光、排水、殺菌等方面提升溫室大棚效率和性能。溫室大棚還被廣泛用于種植各種蔬菜、水果、花卉和草藥等植物。它們不僅可以提供新鮮的農(nóng)產(chǎn)品，還可以滿足對(duì)反季節(jié)性商品的需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，提高質(zhì)量，生產(chǎn)綠色無公害蔬菜。此外，溫室大棚還有助于種植適應(yīng)非本地氣候條件的作物，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的多樣性和市場(chǎng)的多元化。溫室大棚的現(xiàn)狀是不斷發(fā)展和進(jìn)步的，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，溫室大棚可以更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，并為人們提供更多的新鮮農(nóng)產(chǎn)品。溫室大棚將會(huì)成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

1.2 高海拔地區(qū)對(duì)新型智能溫室大棚的特殊需求

西藏地處我國西南邊疆，氣候條件較為惡劣，陽光輻射強(qiáng)烈，氣候干燥，晝夜溫差大，風(fēng)力大，是一個(gè)典型的高原氣候。目前，區(qū)內(nèi)的果蔬供應(yīng)主要以內(nèi)地運(yùn)輸為主，又受交通不便等因素的影響，新鮮果蔬的供應(yīng)受到很大限制。高海拔地區(qū)通常氧氣含量較低，大氣稀薄，會(huì)對(duì)作物生長產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的溫室大棚不能應(yīng)對(duì)冷凍和極端寒冷的天氣，保持適宜的生長溫度，自動(dòng)化水平低、人力作業(yè)、產(chǎn)量低[5]。因此，高海拔地區(qū)急需一種保溫性能好，能夠有效控制光照和濕度的智能溫室大棚，以抵御惡劣的自然環(huán)境和可能出現(xiàn)的自然災(zāi)害。

與傳統(tǒng)溫室大棚相比，新型智能溫室大棚的種植基本不受外界環(huán)境的影響，在高原地區(qū)能給農(nóng)作物提供最佳的生長的環(huán)境。智能化控制的溫室大棚相比于傳統(tǒng)溫室大棚產(chǎn)量和質(zhì)量都有極大的提高，生產(chǎn)效率可以提高30%以上[6]。通過新型智能溫室大棚種植的果蔬，不僅可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，還可以反季節(jié)種植，讓農(nóng)戶一年四季都可以吃到新鮮的果蔬。由于藏區(qū)晝夜溫差大，反季節(jié)種植對(duì)大棚溫度、土壤濕度等參數(shù)的要求較高，需要輔助設(shè)備為農(nóng)作物提供適應(yīng)的生長環(huán)境，因此智能化的溫室大棚成為了必然[7]。

2 設(shè)計(jì)原理

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓阶⒅丨h(huán)境保護(hù)，風(fēng)光互補(bǔ)的新型發(fā)電系統(tǒng)逐漸出現(xiàn)在了人們的視野中，然而單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電存在不穩(wěn)定性，將風(fēng)能和太陽能結(jié)合在一起組成的風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)被人們廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中[8]。在大棚周圍安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)，扇葉旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，太陽輻射照射集熱器表面，被集熱器表面鍍膜吸收后沿內(nèi)管壁傳遞到管內(nèi)的水。管內(nèi)水吸熱后溫度上升，比重減小而上升，形成向上的動(dòng)力，水會(huì)在集熱器內(nèi)逐漸升溫，達(dá)到一定溫度后由水泵泵入保溫水箱。藏區(qū)空氣稀薄，紫外線強(qiáng)烈，白天可打開遮光布給植物殺菌消毒。在智能溫度系統(tǒng)的控制下，當(dāng)棚內(nèi)溫度低于農(nóng)作物生長所需要的溫度時(shí)，控制器打開保溫水箱與肋片散熱器之間的閥門，利用肋片散熱器將水的熱量換入棚內(nèi)空氣中，以達(dá)到農(nóng)作物生長所需的溫度，另外可以控制水流大小來控制換熱量從而控制不同的溫度。肋片散熱器出口流過的水重新進(jìn)入集熱系統(tǒng)，以形成循環(huán)，保持大棚溫度恒定。使新型智能溫室大棚在沒有電的情況下也可以正常工作，方便用戶日常使用。除此之外，溫室大棚還安裝有土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2濃度傳感器，這些裝置可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)作物生長情況，農(nóng)戶可借助手機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)布命令控制相關(guān)設(shè)備，以達(dá)到適合農(nóng)作物生長的環(huán)境，并為綠色果蔬種植奠定了良好的種植基礎(chǔ)[9]。

圖1 溫室大棚模型圖Figure 1 Greenhouse model diagram

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

將風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于智能溫室大棚，不但能完全脫離電網(wǎng)，自主供電，還更加低碳環(huán)保，因此新型智能溫室大棚是將可再生能源用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最高效、清潔的方式［10］。藏區(qū)地廣人稀，很多農(nóng)戶住在遠(yuǎn)離電網(wǎng)覆蓋的山區(qū)，目前，區(qū)內(nèi)的果蔬供應(yīng)主要以內(nèi)地運(yùn)輸為主，加上昂貴的運(yùn)費(fèi)，農(nóng)戶很難吃上新鮮的果蔬，針對(duì)上述問題筆者設(shè)計(jì)出了一種風(fēng)光互補(bǔ)的新型智能溫室大棚，來緩解高海拔地區(qū)人員因氣候環(huán)境、特殊地理位置等因素造成新鮮果蔬嚴(yán)重供應(yīng)不足的問題。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制技術(shù)是目前應(yīng)用前景最廣闊的一種清潔能源利用技術(shù)。在溫室大棚頂部和側(cè)面分別安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能板，風(fēng)能通過交流風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能在經(jīng)過逆變器將電能儲(chǔ)存在蓄電池中；同時(shí)通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池中，有風(fēng)的時(shí)候充分利用風(fēng)能，無風(fēng)的情況下充分利用太陽能，從而能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供源源不斷的電能支持，實(shí)現(xiàn)清潔能源的有效轉(zhuǎn)化［11］。由于風(fēng)能和太陽能發(fā)電的互補(bǔ)性，使得系統(tǒng)在不同的天氣條件下提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，給溫室大棚供電的同時(shí)也可滿足用戶日常照明。用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)或者太陽能發(fā)電系統(tǒng)，使溫室大棚可以脫離電網(wǎng)供電成為自給自足的獨(dú)立式發(fā)用電系統(tǒng)，這在供電極為不方便的偏遠(yuǎn)藏區(qū)尤為適用［12］。同時(shí)將多余的電能通過逆變器儲(chǔ)存在蓄電池中，在夜間為大棚持續(xù)供電。此外，這種系統(tǒng)還可以提高發(fā)電效率和穩(wěn)定性，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，降低對(duì)環(huán)境的影響，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。在“雙碳”目標(biāo)指引下，為我國實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)打下良好的基礎(chǔ)。

3.2 供熱循環(huán)系統(tǒng)

溫室大棚供熱量包括［13］：（1）室內(nèi)照明、人員、設(shè)備散熱；（2）熱物料散熱量等；（3）太陽能及風(fēng)能發(fā)電存儲(chǔ)的電能。其中利用太陽能及風(fēng)能轉(zhuǎn)換而來的能量在夜間供入溫室的最多。

太陽能平板集熱器通過太陽輻射充分吸收熱量，將熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能水箱中。由于藏區(qū)晝夜溫差大，夜間溫度驟降，為保證溫室大棚內(nèi)溫度保持恒定，溫度傳感器接收信號(hào)后向控制器發(fā)送指令，控制器通過電磁閥控制循環(huán)水泵通過肋片散熱器給大棚快速升溫，達(dá)到適合作物生長的溫度時(shí)斷開水泵。當(dāng)儲(chǔ)能水箱中的熱水快用盡時(shí)，蓄電池供電給電加熱設(shè)備加熱水為儲(chǔ)能水箱持續(xù)供水。本產(chǎn)品結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，日照時(shí)間長，風(fēng)能資源豐富，充分利用風(fēng)能和太陽能等清潔能源，采用太陽能集熱器收集能量，保溫水箱儲(chǔ)存能量，經(jīng)智能溫度系統(tǒng)的控制下為大棚持續(xù)供暖。

3.3 光照系統(tǒng)

光照是植物生長和發(fā)育過程中非常重要的因素之一，光照充足時(shí)，植物能夠進(jìn)行充分的光合作用，從而促進(jìn)生長和產(chǎn)生充足的能量和養(yǎng)分。溫室大棚智能光照控制系統(tǒng)是一種利用先進(jìn)的技術(shù)和傳感器來監(jiān)測(cè)和控制溫室大棚內(nèi)的光照條件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)植物的需求和環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)整光照強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，并適當(dāng)給溫棚內(nèi)種植物殺菌消毒，以提供最佳的生長條件。光照傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量溫室大棚內(nèi)的光照水平，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)根據(jù)光照傳感器的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整LED燈、遮光布設(shè)備的工作狀態(tài)。利用智能光照控制系統(tǒng)，可根據(jù)植物的生長周期和需求，調(diào)整光照的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。農(nóng)戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的光照條件，提供適合植物生長的環(huán)境。這不但能夠改善生產(chǎn)，而且能夠節(jié)約能源，降低人為干擾。

3.4 通風(fēng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以根據(jù)植物的需求和環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)整濕度水平，以提供最佳的生長條件。濕度傳感器測(cè)量溫室大棚內(nèi)的濕度水平，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)濕度傳感器的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參數(shù)，根據(jù)植物的生長周期和需求，自動(dòng)調(diào)整噴霧裝置或排風(fēng)扇設(shè)備的工作狀態(tài)。利用智能濕度系統(tǒng)，農(nóng)戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的濕度條件，提供適合植物生長的環(huán)境。這有助于預(yù)防濕度過高或過低引發(fā)的病蟲害問題，提高植物的生長健康程度，進(jìn)而提高產(chǎn)量和質(zhì)量。此外，智能濕度系統(tǒng)還可以提高工作效率和節(jié)省人力成本。

同時(shí)可以監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的二氧化碳濃度，并根據(jù)植物的需求和環(huán)境條件自動(dòng)調(diào)整二氧化碳濃度，以促進(jìn)植物的生長和發(fā)育。二氧化碳傳感器測(cè)量溫室大棚內(nèi)的二氧化碳濃度，并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)二氧化碳傳感器的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參數(shù)，自動(dòng)打開排風(fēng)扇或二氧化碳噴嘴設(shè)備的工作狀態(tài)。通過智能二氧化碳系統(tǒng)，農(nóng)戶可以更精確地控制溫室大棚中植物的二氧化碳濃度，提供最佳的生長環(huán)境。在二氧化碳濃度不足的情況下，補(bǔ)充二氧化碳可以促進(jìn)植物的光合作用，增強(qiáng)植物的生長速度和產(chǎn)量。此外，智能二氧化碳系統(tǒng)還可以提高能源利用效率，減少二氧化碳的浪費(fèi)。

3.5 智能控制系統(tǒng)

溫室大棚智能控制系統(tǒng)是通過應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和傳感器來監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的控制和優(yōu)化植物生長的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)植物的需求和環(huán)境條件，自動(dòng)控制溫室大棚內(nèi)的溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等參數(shù)，為植物提供最佳的生長條件。通過溫室大棚智能控制系統(tǒng)，農(nóng)戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境的精確控制，在果蔬種植的過程中，通過針對(duì)不同果蔬生長條件要求設(shè)定不同信息，同時(shí)進(jìn)行高精度計(jì)算，為果蔬生長提供最適宜的條件，保證果蔬充分吸收養(yǎng)料，從而提高產(chǎn)量、質(zhì)量和效益，節(jié)約能源和勞動(dòng)成本。并將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)上傳至云端，農(nóng)戶能夠根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精細(xì)化管理，降低種植成本。該智能控制系統(tǒng)能有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，為服務(wù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更多選擇，具有良好的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景［14，15］。

圖2 溫室大棚原理圖Figure 2 Schematic diagram of a greenhouse

4 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)相關(guān)傳熱學(xué)知識(shí)，一般的熱量傳遞有三種方式即熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)三種，而本設(shè)計(jì)互補(bǔ)溫室大棚主要為解決夜間農(nóng)作生長需求，故本設(shè)計(jì)不涉及三種傳熱方式中的熱輻射，只有熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)兩種傳熱過程。

圖3 溫室大棚傳熱模型簡圖Figure 3 Schematic diagram of the heat transfer model of a greenhouse

4.1 熱傳遞

互補(bǔ)溫室大棚的外圍結(jié)構(gòu)主要作用是夜間通過肋片散熱器等輸暖設(shè)備得來的熱量將溫室大棚的溫度維持在農(nóng)作物的生長需求所規(guī)定的溫度，然而由于高原的惡劣天氣特別是夜間時(shí)分，溫室大棚外部環(huán)境的溫度急劇下降，導(dǎo)致外圍結(jié)構(gòu)也不能完全將阻擋住這種來自大自然的影響，這種溫度驟降也將會(huì)影響到溫室大棚內(nèi)部的某些微小環(huán)境，并且由于溫室大棚夜間為密封狀態(tài)，故其內(nèi)部氣流速度將會(huì)非常緩慢，但是又與外部環(huán)境的影響，其內(nèi)部也將會(huì)進(jìn)行一定范圍內(nèi)的自然對(duì)流，即熱對(duì)流，同時(shí)根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)知識(shí)，溫室大棚外圍結(jié)構(gòu)由于與外部環(huán)境巨大的溫降而引起的強(qiáng)氣流有一定的作用，并且由于溫室內(nèi)外較大的溫度差異，這將會(huì)導(dǎo)致一定的能量傳遞損失，即外圍結(jié)構(gòu)的熱傳遞。而依據(jù)傳熱學(xué)理論，由熱傳遞引起的能量交換可以用以下式子來表示即：

式中，λ——材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k)；

tin——室內(nèi)溫度，℃；

tout——室外溫度，℃；

δ——材料厚度，mm。

4.2 外圍結(jié)構(gòu)壁面的對(duì)流換熱系數(shù)

對(duì)流換熱是熱量傳遞中較為常見的現(xiàn)象，其可以理解為流體能量傳遞的宏觀運(yùn)動(dòng)的一種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在生活中也能夠時(shí)常見到，但是其形成過程一般伴隨著多種運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，這樣就導(dǎo)致了對(duì)流換熱計(jì)算時(shí)受到了多種影響因素，因此將會(huì)非常麻煩，故根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，此互補(bǔ)溫室大棚外圍結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱系數(shù)可如下公式計(jì)算［14］：

式中，v——室外風(fēng)速，m/s；

4.3 邊界條件

對(duì)于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于室內(nèi)溫度保持一定的恒定值故采用第三類邊界條件，而根據(jù)外圍結(jié)構(gòu)邊界面的熱平衡，其溫室內(nèi)部傳向邊界面的流體的熱流密度應(yīng)該等于邊界面?zhèn)鬟f給附近流體的熱流密度，且此過程為穩(wěn)態(tài)的對(duì)流換熱過程，則由傅里葉定律與牛頓冷卻公有：

式中，λ——熱導(dǎo)率，W/（m·k)；

h——對(duì)熱交換系數(shù)，穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱故為常數(shù)；

tw——邊界溫度；

tf——室內(nèi)流體溫度。

5 結(jié)語

綜上所述，該溫室大棚在傳統(tǒng)溫室大棚上進(jìn)行了較大的構(gòu)造改動(dòng)，相較于舊式大棚有了更多創(chuàng)新點(diǎn)。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能控制技術(shù)相結(jié)合，對(duì)溫室大棚內(nèi)果蔬進(jìn)行遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，農(nóng)戶通過檢測(cè)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化果蔬種植，提高監(jiān)測(cè)精度；同時(shí)建立換熱數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)精確的棚內(nèi)環(huán)境調(diào)控，從根本上解決土壤溫度控制不均勻的問題，為果蔬種植增值提效，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展。風(fēng)光互補(bǔ)的新型智能溫室大棚更注重利用清潔能源實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)，在國家大力推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和的背景下，該溫室大棚可為“碳減排”貢獻(xiàn)我們高原的“雪域力量”［9.16，17］。