Watergy封閉式溫室的原理與應用

張 誠 Guillermo Zaragoza 翁白莎 秦天玲

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038;2.卡雅瑪基金會科學研究院，西班牙阿爾梅里亞省)

1 概述

當今世界，很多地區的水資源都極度匱乏，而農業灌溉用水量約占總用水量的70%，在發展中國家，這一數字甚至達到80%。因此，為減少農業用水量，必須大幅度提高用水效率［1］。各國都在農業生產方式上尋求新的突破，而節水節能型溫室則成為關鍵途徑之一。

Watergy項目由歐盟能源、環境和可持續發展規劃署提供資金，旨在建立一個能實現能源、食物和水供給多目標為一體的綜合技術平臺。該項目設計了2個物理原型，一是位于西班牙南部的封閉式溫室，另一個是德國的綜合溫室節能建筑。本文系統介紹了西班牙南部封閉式溫室的原理、結構與效益，以為我國溫室的建設與發展提供一定的參考。

2 基本技術原理

Watergy封閉式溫室由德國柏林科技大學與荷蘭瓦赫寧根大學共同設計完成，主要依賴太陽能運行。該溫室位于西班牙南部阿爾梅里亞省埃爾埃希多市的卡雅瑪爾基金會科學研究院，屬半干旱區，占地200 m2，由鍍鋅鐵框架和聚乙烯塑料頂棚組成，機理土壤層深20～30 cm，每平方米土壤表面約有5 kg有機物。第一輪作物為四季豆，第二輪為秋葵。溫室包括4個區域:種植區(plant area)、內頂棚區(inner roof)、熱交換器(冷卻及加熱導管，cooling/heating duct)和土壤層(soil layer)。每個區域都有各自的水、熱平衡系統。冷卻管中的熱交換器由聚丙烯軟管制成，內頂棚為種植區上方的透明塑料層，帶有噴灌系統。棚外置有3個水箱和1個收集排水的容器，3個水箱與冷卻/加熱導管相連。此外，溫室的水、熱、二氧化碳過程均由溫室外的兩個控制室控制，1個用于監控氣溫、二氧化碳濃度和輻射，另一個負責監控灌溉情況。

溫室充分利用太陽能，使植被區和熱交換器間形成內部空氣循環，避免使用熱泵進行冷卻。白天，系統將熱量轉移出溫室并進行儲存;夜間，利用外部儲存的熱量對溫室進行加熱。封閉式溫室日間運作模式見圖1。由圖1可知，日間，陽光照射，種植區(plant area)氣溫上升(1);空氣受熱后上升，穿過內頂棚區(inner roof)(2);噴灑的苦咸水/污水經陽光照射，蒸發水蒸氣上升(3);熱空氣進入外管，受熱繼續上升(4);由于塔的頂端為封閉狀態，熱空氣進入塔身的中央管道由熱交換器(cooling/heating duct)冷卻(5);冷卻處理后的冷凝水直接落入冷凝水收集器，冷卻后的空氣重新流入溫室(6)——完成了一次循環。

圖1 封閉式溫室日間水熱循環示意

作物生長所需的二氧化碳由二氧化碳供給器自動供給。日間，封閉的溫室里保持較高的二氧化碳濃度(約1‰)，主要用于提高光合作用效率和作物耐高溫能力。從園藝角度來看，封閉的溫室能夠提高作物產量，主要體現在以下3個方面:①通過調節氣候延長作物的生產周期;②提高空氣中的二氧化碳濃度;③減少殺蟲劑的使用［2］。

3 實現途徑

3.1 水循環過程

在水生產方面，封閉式溫室的最終理念是將雨水、污水和鹽水轉化為純凈水。Watergy溫室來水的主要途徑有:①生活廢水，即由家庭使用后直接排放出的水;②海水或鹽水;③土壤和植物的蒸騰量。整個溫室水凈化工程的核心技術還是以溫濕氣體及太陽能收集塔為基礎，伴隨著物理和生物原理作用。

進入溫室的水量包括:①灌溉用水。主要是由灌溉控制室控制，從外部抽水進入溫室，并采用滴灌技術進行灌溉;②溫室內二級收集區內的噴頭出水。這部分水主要作為白天降溫和增加濕度使用，污水和海水都可以作為水源;③與冷卻/加熱塔相連接的水。溫室外設置了3個15 L的水罐，它們與冷卻/加熱塔相連，主要是起到白天冷卻和晚上加熱的作用。該水循環是完全密閉的，所以水量永遠保持平衡。④植物和土壤的蒸騰水量。一部分的水量會被直接送到冷卻/加熱塔內，形成冷凝，而另一部分沒有進入塔內的，會在溫室膜內形成水珠并落入二級收集區，最后由收集槽匯集起來，用作灌溉用水。

從溫室排出的水量包括:①土壤滲水。這主要是灌溉后水滲入地下而形成的下滲水，不過這部分水也被最底層的塑料膜收集并輸送到收集罐中，而收集的水又會被自動抽回到灌溉水塔中循環利用，所以這部分水也可以視作封閉的。②冷凝水。冷凝水是從冷卻/加熱塔底部流出的水，這些水會被收集主要用作灌溉用水，而冷凝水就是上面提到的蒸餾水。

可以看出封閉式溫室的水循環是全封閉的。灌溉用水可以被土壤下滲水回收裝置吸收，二級回收區的噴頭噴出的一部分水被冷卻/加熱吸收塔形成冷凝水，一部分又從回收槽內回收被重新利用，而植物和土壤的蒸騰水也被吸收塔吸收最終成為凝結水的一部分。此外，二級回收區噴頭出水可以利用污水和鹽水，這樣經過蒸騰作用，水蒸氣經過浮力最后被回收塔吸收，而污水中的重物質就沉積在塑料膜上，只需要經常更換二級回收區的膜就可以進行水凈化處理。而最終這部分蒸騰水會與土壤和植物的蒸騰量一起進入吸收塔，并經冷卻處理成為冷凝水落入吸收槽內。試驗證明，這部分水的水質要遠遠高于處理前的水質。

從封閉式溫室所擁有的水凈化處理功能可以看出，溫室可以從水消耗者變為純凈水生產者。越是日照強烈的地區，越會產生更多的植物土壤蒸發，從而也就會有更多的蒸騰水排出，這也就是為什么會將封閉式溫室放置在干旱少雨、日照強烈的西班牙南部。

3.2 能量循環過程

能量管理的目的主要是通過以水為基礎的蓄能器調節溫室中的溫度。Watergy能量管理主要有兩種形式:一種是在地中海地區使用的晝夜溫度收集器，即在白天對溫室進行冷卻而在夜晚對溫室加熱;另一種是在歐洲中部地區使用的季節性的能量存儲裝置，即收集夏天熱量，為冬天的溫室和周邊的居民樓提供熱量服務。

晝夜能量儲存器既經濟又實用，使用范圍也非常廣泛，特別在晝夜溫差比較大的地區，使用效果會更好，因為白天更多的能量可以被收集，而夜晚能量可以得到充分釋放。圖2解釋了封閉式溫室的能量儲存情況，白天收集的熱能可以被輸送到外部的儲存罐中，而到了夜晚溫度降低到一定程度時儲存罐就會自動開啟，將溫室加熱到恒定溫度。此外，一個備用收集器被設置在溫室外部，以防在太陽光不夠強烈時可以將溫室溫度加熱到一定程度，保證作物不受到影響。

3.3 關鍵核心技術

Watergy項目建立了一種全新的以濕潤空氣循環為基礎的太陽能收集排放系統，該系統是整個Watergy項目的技術核心之一，如圖2。

圖2 封閉式溫室核心控制技術

收集器由一個太陽能收集塔組成，塔內的冷卻管由一個空氣-水的熱量轉換裝置和一個熱量蓄能器構成。在封閉式溫室中，植物區的空氣由于受太陽光照射，在浮力作用下上升到二級收集區，并在持續加熱的情況下直至溫室頂部。因為整個溫室是封閉的，所以熱空氣會直接進入到溫濕空氣及太陽能收集塔中。與此同時，植物和土壤的蒸騰量將加入到這一過程當中，即成為濕氣，并上升到溫室頂部。此外，二級收集區的另一個加濕裝置(主要由噴頭組成)將在白天定時開啟，這一是為了給溫室降溫，二是增加空氣濕度。最終，溫度濕度極高的氣團就會進入太陽能收集塔內，而此時內設的熱交換機開始冷卻空氣。經過冷卻處理，部分空氣直接凝結成蒸餾水并與熱交換過程中的剩余熱量被直接輸送到溫室外部的能量吸收罐和蒸餾水儲存罐中。而一部分沒有凝結成水的干冷空氣又回到了溫室的植物區，整個過程再次開始循環。

在夜間，整個流程與白天正好相反，熱空氣交換機將加熱空氣，以維持作物生長需要?？傊?，熱交換器是整個溫室小氣候的核心，加熱和冷卻時常出現，而溫室的小氣候主要受熱交換器吸收或釋放的空氣所控制。

4 效益分析

封閉式溫室于2004年夏建造完成，之后直到2005年春季一直處于測試和調試階段。在整個測試階段經歷了大概3個月，種植作物選取的是法國大豆，一種抗高溫作物。最終測試結果非常樂觀，大豆產量3 kg/m2，高于普通種植條件下冬季溫室產量。此外，作物健康狀況良好，在沒有使用任何化學藥劑處理的情況下，無任何病蟲害現象發生。在4個月內，整個系統的蒸發蒸騰總量大概為400 L/m2，而這些蒸騰量在整個系統中都可以被循環使用。而對一些收集的水體進行的周循環分析顯示，水質效果良好(氯含量低于0.05 mg/L，100 mL的水中大腸菌類少于3種)。2006年經研究結果表明，進入和排出溫室的水量基本持平，而水利用率為97.64%［3］。

5 應用前景及存在問題

Watergy項目是一個理想化的建筑結構，雖然在未來具有廣闊的應用空間，但也存在不少問題。

(1)造價比較昂貴。雖然Watergy的建筑結構成本不高，但由于對太陽光的照射強度有要求，所以目前必須使用聚乙烯材料的膜，而這種膜經過長期使用后會老化，阻礙光線直接照射，直接影響作物生長。目前解決這個問題的唯一途徑就是定期更換膜，但這也大大增加了建設管理成本。所以，研究人員正在積極尋找透氣性更好、成本更為低廉、使用年限較長的替代品。此外，核心技術溫濕空氣及太陽能收集排放系統的造價也比較昂貴。所以要將Watergy推廣到千家萬戶，如何在保證質量的同時又能降低成本是Watergy研究人員面對的現實問題。

(2)穩定性較差。Watergy項目是一個非常理想化的產品，各個環節都緊密相連，一旦一個環節出現問題可能會影響到整個系統的有效運作。雖然目前Watergy只是處于研究階段，但是在今后的推廣工作中如何使Watergy成為一種既穩定，又易操作、管理的系統也是要解決的主要問題之一。

6 結語

Watergy封閉式溫室所具備的優勢不是單一的，它不僅僅是一個能量和水的封閉系統。與傳統溫室相比，其優勢體現在以下幾方面。

(1)理念先進。以溫濕氣體及太陽能收集器為核心而設計的3種模型都具有很強的超前意識，項目通過較為簡單的原理搭建了一個可以將各種資源整合在一起的技術平臺，在大大降低了工程造價的同時，達到了節水節能的目的。

(2)封閉式結構。傳統的溫室必須具備相應的通風設備，所以無法采用封閉式結構。開放式結構不僅加強了植被的呼吸作用，降低了溫室溫度，同時還增加了病蟲害發生的可能性，并使大量的蒸騰水自然流失。Watergy項目采用全封閉式結構(也裝有應急通風口)，這樣就形成了特有的小氣候，節省了溫室的水汽和能量，此外更增加了植物的生長周期。封閉式溫室不僅結構是封閉的，而且水循環和能量循環也是封閉的。這不僅大大降低了水耗，提高了用水效率，還將能量存儲起來，實現了真正的可持續利用。

(3)水處理功能。在封閉式結構中，冷卻/加熱塔的利用使水處理非常簡單，而這在開放式的溫室中是不可能的。這種技術不僅可以在溫室中得到利用，今后還可以在建筑房屋中廣泛推廣使用。

(4)能量控制。溫濕氣體及太陽能收集器可以存儲白天產生的熱能，以便在冬天加熱房屋和夜晚加熱溫室。這種節能方式正好是目前各國大力倡導的。

(5)自動化控制水平高。無論是水、能、電，還是CO2輸入都由電腦控制，這樣就真正形成了數字化管理。

［1］ D.Renault，W.W.Wallender.Nutritional water productivity and diets［J］.Agricultural Water Management，2000，45(3):275-296.

［2］ Zaragoza G，Buchholz M，Jochum P，et al.Watergy Project:Towards a rational use of water in greenhouse agriculture and sustainable architecture［J］.Desalination，2007，211:296-303.

［3］ 張誠，賀超興，Guillermo Zaragoza，等.基于蒸散平衡的封閉式溫室節水效果分析［J］.農業工程學報，2010，26(12):259-264.