密閉溫室半導體制冷除濕及蒸散水回收灌溉裝置的研制

康寧波，何建國,，吳龍國，王松磊,，劉貴珊，尚夢玉

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密閉溫室半導體制冷除濕及蒸散水回收灌溉裝置的研制

康寧波1，何建國1,2※，吳龍國1，王松磊1,2，劉貴珊2，尚夢玉3

（1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021； 2. 寧夏大學農學院，銀川 750021； 3. 寧夏大學物理與電子電氣工程學院，銀川 750021）

為了提高人工補光溫室的水分的利用效率低下的問題，該文以盆栽辣椒為研究對象，在密閉溫室中試驗種植，采用半導體制冷熱交換和空氣露點除濕的方法，對辣椒在發育期、開花期和結果期的蒸散水回收效率進行研究，對比自然對流和強制對流方式除濕的效果以及溫室內外盆栽辣椒的生長情況。結果表明：冷凝板溫度最低達5.5 ℃，滿足露點除濕條件。在盆栽辣椒的不同生長時期，強制對流進風方式下的室內溫度變化范圍為18.6～28.2 ℃，室內濕度變化范圍為41%～61.7%，除濕效果隨溫度升高而顯著提高；日回收量從35 mL增加到375 mL，日灌溉量從132 mL增加到540 mL，蒸散水回收率最高達69.4%。密閉溫室中盆栽辣椒能夠正常生長，而室外盆栽辣椒生長受到抑制。人工補光密閉溫室系統除濕效果明顯，有效的利用回收水進行盆栽辣椒灌溉。結果表明，人工光密閉溫室內半導制冷除濕和蒸散水回收的研究對提高溫室作物水分利用效率有積極的推動作用。

溫室；溫度；濕度；半導制冷；除濕；蒸散水；回收

0 引 言

發展節水農業，提高農業用水效率，是農業可持續發展的唯一選擇。設施農業作為農業生產中的重要形式，是人類利用自然、創造自然、從事高效農業生產的有效手段，己經成為農業生產的重要組成部分，廣泛應用于園藝植物和重要經濟作物生產，且應用范圍日益廣泛[1-3]。由于傳統的溫室的通風降溫方式，需要大量的水分對作物進行灌溉，不利于水分節約。密閉人工補光溫室是一種前瞻性的國際先進農業設施技術，是一種全封閉式結構的透光型溫室，采用機械冷卻代替傳統的通風降溫方式，溫室內多余的熱量進行收集、儲存、再利用，旨在實現作物生產、節能減排與水資源循環利用的有機整合[4-6]。

由于密閉溫室與外界隔絕，室內的空氣、水分和栽培基質組成一個整體，使得內部蒸散水不斷累積，容易造成高溫高濕環境，導致內部植物生長抑制以及病蟲害滋生。人工補光溫室技術能夠解決了日光溫室的高溫難降問題，但高效的回收水循環再利用的除濕技術是目前密閉人工補光溫室發展的技術瓶頸。植物生長過程中所吸收的95%以上水分用于蒸騰作用，蒸散水是非常重要的水資源，而密閉溫室環境有利于蒸散水的匯集[2-3]。國內外學者針對蒸散水的回收取得了顯著的成果，主要利用熱交換降溫或仿生學原理凝結蒸散水進行回收利用[7-13]。Guillermo等[14]基于空調除濕原理建立了Watergy系統，通過冷凝循環管道系統凝結蒸散水，在密閉溫室內回收了70%的蒸散水。顧衛等[3]研究了設施農業中水分回收利用，根據地氣溫度差原理設計了可安裝在溫室內的水蒸氣回收系統，探討了回收量和環境因素的關系。李霞等[15-16]研究利用“水-氣溫差”和“地-氣溫差”對密閉小環境中盆栽進行降溫除濕回收蒸騰水，在正午時分降溫除濕效果最為顯著。綜合上述國內外學者的研究，目前對農田或設施農業蒸散水的回收利用還處于初級試驗階段，而實現對溫室蒸散水進行高效回收利用是設施農業節水的必然趨勢[17-19]。如何在全密閉設施環境內維持適宜植株生長的溫濕度，仍是亟需解決的關鍵問題[20]。基于此，本文制作了一套密閉溫室系統作為試驗條件，研究利用半導體制冷的熱交換與濕空氣露點除濕原理，對密閉溫室內的蒸散水進行回收灌溉，為設施農業水循環利用提供關鍵技術和理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

辣椒植株購置于寧夏賀蘭縣，品種為羊角椒，選擇生長狀況相同的幼苗辣椒進行溫室種植試驗，每盆辣椒種植3株。試驗日期為2017年5月7日－7月4日，包括發育期、開花期和結果期，試驗地點為寧夏銀川寧夏大學實驗室內。

1.2 自制密閉溫室系統

為了控制試驗條件，本文自制了一個密閉人工補光溫室系統（見圖1），主要包括：密閉溫室箱、溫濕度檢測傳感器、循環通風鋁箔管、冷凝箱、LED光源、全自動灌溉控制系統。密閉溫室主體箱體尺寸為2 000 mm×600 mm×1 200 mm，箱底座為不銹鋼材質，上部為透明玻璃圍成，密封嚴實；側面與上面都開有直徑16 cm的圓孔，用于外接長250 cm鋁箔管（內置通風扇）連接蒸散水冷凝箱。溫濕度檢測系統采用購置的溫濕度在線傳感器進行實時監測。通風循環系統主要通過內置通風扇對密閉溫室中的空氣進行強制對流循環。冷凝箱（300 mm×300 mm×300 mm）材質為有機玻璃，箱體內部對稱安裝290 mm×290 mm鋁板，每塊鋁板外側對應裝有3個功率為50 W制冷半導體（型號：TEC1-12706），由半導體制冷功率換算出冷凝箱的最大制冷功率為240 W[21-22]。光源采用波長650 nm，光強度設定為400mol/m2·s的LED紅光作為辣椒植株光合作用的外在光源[5]，內部均勻放置4盆辣椒，室外放置2盆辣椒植株進行對照。全自動灌溉系統由蒸散水凝集量杯、補灌水槽、土壤水分傳感器和自動控制軟件組成。

圖1 密閉人工光透明溫室實物

1.2 方 法

1.2.1 測定方法

密閉溫室內盆栽植物上方懸掛1個RS485可通訊的環境溫濕度傳感器（RS-WS-N01-8，濟南建大仁科有限公司）測室內溫濕度、盆栽土壤中安裝水分傳感器(大連祺峰modbus型)，溫室外對照盆栽旁邊懸掛1個同上型號的溫濕度傳感器監測室外溫濕度。室內外溫度、濕度進行24 h實時監測，間隔1 h進行采集，將數據通過ZigBee無線通訊網實時傳輸給上位機進行自動記錄儲存。通過土壤水分傳感器實時反饋信息由自動控系統控制計量蠕動泵（中山市高碩電子）對植物進行定量灌溉，保證盆栽辣椒正常發育生長的土壤濕度范圍為45%～60%[20]，流量為1.2 mL/s，抽取回收水對盆栽辣椒每天進行定時定量灌溉，并通過時間計算灌溉量。溫室中的濕空氣經由空氣循環系統管進入冷凝箱，通過半導體制冷降溫，使得濕空氣凝結蒸散水，使用200 mL量筒和1 000 mL燒杯對每日凝結的水量進行記錄，回收的水倒入灌溉儲水槽。日蒸散水回收量和灌溉量間隔1 d，定時每天17：00采集。利用式（1）計算蒸散水日回收率，評價密閉溫室內的除濕和水利用效果。

日回收率=日回收量/日灌溉量×100% （1）

在發育期、開花期和結果期的辣椒植株各采樣1次，采用鋼卷尺和游標卡尺測量辣椒植株的株高和莖粗，采用電子天平（上海京孚儀器）測定植株的鮮質量和干質量。

1.2.2 半導體制冷熱交換原理

半導體制冷是帕爾貼效應在制冷上的應用，通過耗電能將半導體一側的熱量迅速移至另一側面，形成溫差很大的制冷面和制熱面[21-22]。半導體制冷不同于傳統的壓縮制冷，無需制冷劑，也沒有復雜的機械結構及管路系統，具有體積小、工作穩定等優點。自制的蒸散水冷凝箱內裝置有導熱鋁板，鋁板緊貼半導制冷片的制冷面，使得高導熱率的鋁板不斷將鋁板上的熱量傳遞到制冷面，同時冷凝鋁板快速降溫。密閉溫室的空氣通過對流作用不斷與冷凝板接觸進行熱交換，從而達到溫室內空氣進行降溫和凝結除濕的目的[23-24]。同時半導體制熱面緊貼在箱體外側帶風扇的散熱片上不斷進行空氣熱交換，實現半導體制冷片持續工作。

除濕過程中，待處理濕空氣實際吸收的冷量由濕空氣的降溫顯熱1和冷凝潛熱2組成

=1+2（2）

1=··D（3）

式中為流經冷端散熱器的空氣質量，g；為空氣的比熱容，J/g；D為溫度梯度，K。

2=mγ（4）

式中m為冷凝水的質量，g；為水的汽化熱，J/g。

2 結果與分析

2.1 冷凝溫度確定

密閉溫室內每一時刻的露點溫度受環境的溫濕度的影響。冷凝器內的冷凝鋁板提供冷源，溫室中的濕空氣通過對流方式接觸冷凝板進行連續的熱交換。當濕空氣的溫度被降至水分飽和露點溫度時，濕空氣中的水分就會在冷凝板上發生相變，由氣態變成液態，從而實現對密閉溫室的除濕[22-25]。要根據溫室內最低的露點溫度來確定的冷凝板溫度的下限值。根據前期試驗，在外界低溫天氣或辣椒幼苗期會出現溫室內低濕的情況，選擇在密閉溫室出現過低溫低濕和高溫低濕的2個下限條件時刻，確定露點溫度。如圖2為密閉溫室中辣椒植株整個試驗期的2個代表性的時刻（、），點為溫度18 ℃、濕度50%，點為溫度28 ℃、濕度55%；濕空氣由點到點達到飽和濕度，對應的露點溫度為7 ℃；同理，將濕空氣點降溫至點達到飽和露點狀態，對應的露點溫度為18 ℃。確定冷凝板的溫度至少要小于7 ℃，經過大量的試驗，每塊冷凝板需同時開啟3個半導體制冷，使得冷凝板平均溫度降至為5.5 ℃。

圖2 焓濕圖中濕空氣的露點溫度

2.2 密閉溫室內半導體制冷對流熱交換和露點除濕

為了對比自然對流、自然對流+冷凝、強制對流+冷凝對濕空氣的除濕效果。選擇連續3 d（6月16－6月18日）氣象條件相同的天氣，室外氣溫變化范圍為25～29 ℃，強制對流的循環風速設定為1.5 m/s[25]。分別進行24 h空氣除濕對比試驗。第1天的18:00時，循環對流管道風機與冷凝器關閉，進行自然對流的環境下的空氣除濕；第2天18:00時，循環對流管道風機關閉，冷凝器開啟，進行自然對流環境下的制冷除濕；第3天的18:00時，循環對流管道風機和制冷系統開啟，進行強制對流的環境下的制冷除濕。結果如圖3所示。

圖3 密閉溫室3種條件下的除濕效果

由圖3可知，在自然對流條件下，溫室內濕度達到89%；自然對流+冷凝條件下，溫室內平均濕度為76%；強制對流+冷凝條件下，平均濕度下降到53.8%。對比3種條件的除濕效果，強制對流冷凝的空氣除濕效果最佳；自然對流條件下室內濕度最高，十分不利于植物的生長[26]。在自然對流+冷凝條件下除濕效果不明顯，主要因為空氣流動弱而導致熱交換效率低。當循環風機開啟，使得室內濕空氣加速流動，濕空氣源源不斷的送到冷凝板周圍，不斷凝結出水，彌補了空氣導熱系數不高的缺點，增加濕空氣與冷凝板熱交換效率，提高了除濕效率。由于辣椒生理正常生長發育環境濕度范圍是35%～65%[12,27]，因此采用強制對流冷凝方式對密閉溫室除濕效果最有利于辣椒植株的生長。

2.3 不同生長期蒸散水的回收量和灌溉量

試驗數據采集時間包括發育期、開花期和結果期對應的3個日期段，分別是5月7日－5月21日、5月27日－6月10日、6月20日－7月4日，選擇每日氣溫峰值時刻14:00的溫濕度數據，并且采用強制對流冷凝方式進行密閉溫室中蒸散水的回收。

2.3.1 溫濕度的變化

為了分析密閉溫室中溫濕度的變化對蒸散水回收量的影響，試驗記錄了不同生長期密閉溫室內外溫濕度變化，如圖4。

圖4 密閉溫室內不同生長期的溫濕度變化（2017-05-07—2017-07-04）

由圖4a可知，從5月到7月，溫室外溫度從20.5 ℃增高至30.2 ℃，密閉溫室內溫度從18.6 ℃增高至28.2 ℃；密閉溫室內溫度平均低于溫室外界溫度1.6 ℃左右。這主要是因為密閉溫室內在強制對流冷凝條件下，空氣不斷進行熱交換，使得室內的溫度始終低于室外溫度。由于發育期的辣椒適宜的生長溫度范圍是15～30 ℃，開花期和結果期的辣椒適宜溫度在20～30 ℃。因此，密閉溫室內的溫度變化滿足辣椒生長條件。

由圖4b可知，從5月7日－7月4日，密閉溫室外的濕度總體呈上升趨勢，變化范圍為12.9%～52.8%。而密閉溫室內的濕度總體呈平穩趨勢，變化范圍為41%～61.7%，室內濕度一直高于室外濕度，并且波動幅度要小于室外濕度。對比辣椒植株不同生長期的蒸騰作用，結果期>開花期>發育期[28]。在生長期過程中，溫室內溫度在不斷增加。由空氣濕焓圖可知，在相同濕度下環境中，溫度越高對應的露點溫度就越高，越易除濕。因此，辣椒植株不同生長期的除濕效果為結果期>開花期>發育期。

2.3.2 日灌溉量和日蒸散水回收量

為了衡量密閉溫室下辣椒植株的節水效率，試驗對辣椒植株不同生長期（發育期、開花期和結果期）的溫濕度下的蒸散水的回收量和灌溉量進行測定。每日17:00記錄日蒸散水回收量和灌溉量數據，同時定期補充灌溉用水，結果如圖5所示。

圖5 密閉溫室內不同生長期蒸散水日回收量和灌溉量的變化

如圖5可知，辣椒植株從5月7日的發育期到6月10日開花期，日灌溉量從132 mL平緩的增加到201 mL，從6月20日的結果期開始日灌溉量陡然增加到375 mL，最大的日灌溉量為540 mL。對照的日蒸散水回收量，發育期到開花期日回收量從35 mL平緩增加到101 mL，到結果期后期最大的回收量達375 mL。由式（1）計算出不同生長期蒸散水日回水率，日回收率從發育期的26.3%提高到結果期的69.4%。

2.4 密閉溫室內半導制冷除濕能力分析

設計的半導制冷的冷凝箱，由6個半導制冷片裝置的2組冷凝板組成，最大的制冷功率為240 W，溫室內的蒸散水最大回收量為375 mL，室內外平均溫差為2 ℃。通過以下理論公式可以計算出降溫和除濕所需的制冷量。

根據式（3）計算出空氣降溫顯熱的冷量為3.759 kJ，根據式（4）可以計算出冷凝水所需的制冷量為847.5 kJ，根據式（2）計算出處理濕空氣所需總冷量為851.2 kJ，而冷凝箱1 h的制冷量的就達到864 kJ，理論計算結果說明半導制冷裝置制冷效果完全滿足溫室除濕的冷量需求。

2.5 溫室內外盆栽辣椒生理指標對比分析

為了對比室內外辣椒植株的生長狀態，采集了辣椒不同生長期的狀態，結果如圖6所示。

圖6 不同生長期密閉溫室內盆栽辣椒和室外對照的實物圖

圖6a、6b、6c分別為密閉溫室中盆栽辣椒在發育期、開花期、結果期的實物圖，6d為室外對照在7月初的實物圖，由圖可直觀看到盆栽辣椒明顯生長緩慢，生長期只經歷了發育和開花期。密閉溫室內外盆栽辣椒生理指標變化，結果如表1所示。

表1 不同生育期密閉溫室內外盆栽辣椒的生理指標

由表1可知：室內辣椒的株高、莖粗和單葉面積生理指標值都在不斷增高，均在正常發育生長指標值的范圍內。而室外對照辣椒植株的相應指標變化緩慢，生長受到抑制。密閉溫室中的濕度環境有助于辣椒的發育生長，在相同灌溉量的條件下，室外的盆栽土壤和植物受外界干燥天氣的影響，水分的蒸散速度遠大于室內，室外對照的辣椒長期處于水分虧缺下生長，其生長發育嚴重受到抑制[27,29-30]。

由表2可知：，結果期時辣椒鮮物質和干物質生產數據中，溫室內植株的鮮總質量和干總質量分別是172.26和35.88 g，各器官鮮質量大小依次是葉>莖>果實>根，干質量大小依次是莖>葉>果實>根。溫室外植株的鮮總質量和干質量分別是32.48和6.86 g。試驗結果表明室內外兩個處理的各器官的鮮質量、干質量相差顯著，其中室內辣椒能夠正常生長，各器官干物質分配屬于正常生理指標，室外辣椒根的干質量整體偏低[27]。

表2 結果期密閉溫室內、外盆栽辣椒鮮物質及干物質質量

3 討 論

1）利用半導制冷凝結蒸散水對密閉溫室進行除濕，通過空氣循環風機讓溫室內環境形成強制對流有效的增加空氣熱交換效率，提高了除濕效果和蒸散水回收率。由溫室的盆栽辣椒的不同生育期的生理指標以及鮮物質與干物質的生成量，可知本文研究的蒸散水回收系統能夠實現植物的正常發育生長。但在植物的發育期和開花期間，溫室內環境溫度受外界天氣的影響，直接影響空氣露點溫度下降，在半導體制冷量不變的情況下，除濕效果和回收率一直處于較低的水平。可以考慮在低溫環境中，在適宜植物正常生長的溫度范圍內通過人工的方式給密閉環境加熱，使得環境溫度升高。在相同的濕度條件下提高了露點溫度，相應提高半導制冷凝結蒸散水的除濕能力和回收率。

2）密閉溫室主要材質是由單層的透明玻璃構建成，為了試驗目的需要，主體考慮溫室的密閉性和透光性，缺少對密閉溫室保溫功能的構建。本文設計的半導制冷的大部分冷量通過玻璃層與外界熱交換，不能有效利用，使得制冷所消耗的電能比較大。因此，要構建低能高效的人工光密閉溫室，其保溫功能的構建是十分必要的。

4 結 論

本文以密閉溫室中盆栽辣椒為研究對象，采用半導體制冷凝結和露點除濕原理進行蒸散水回收灌溉進行試驗，取得的結論如下：

1）冷凝板溫度最低達5.5 ℃，滿足露點除濕條件。在盆栽辣椒的不同生長時期，強制對流進風方式下的室內溫度變化范圍為18.6～28.2 ℃，室內濕度變化范圍為41%～61.7%，除濕效果隨溫度升高而顯著提高。

2）在發育期和開花期植物的蒸騰作用較小，日回收量從35 mL增加到101 mL，日灌溉量在同一時期從132 mL增加到201 mL，回收率為26.3%。在結果期，植物的蒸騰作用大，日灌溉量陡增達540 mL，在同一時期，日回收量達到375 mL，回收率達69.4%。

3）密閉溫室內盆栽辣椒結果期的株高為47.2 cm，莖粗8.9 mm，單葉面積為25.2 cm2，株的鮮總質量和干質量分別是172.26和35.88 g，各器官鮮質量大小依次是葉>莖>果實>根，干質量大小依次是莖>葉>果實>根，生長發育正常。對照的株高為23.4 cm，莖粗4.1 mm，單葉面積為13.6 cm2，植株的鮮質量和干總質量分別是32.48和6.86 g。

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Development of device for semiconductor’s freezing and dehumidification and recycled evapotranspiration water for irrigating in closed greenhouse

Kang Ningbo1, He Jianguo1,2※, Wu Longguo1, Wang Songlei1,2, Liu Guishan2, Shang Mengyu3

(1.,,750021,;2.,750021,;3.,,750021,)

To improve the water use efficiency of artificial light greenhouse, on the basis of the semiconductor refrigeration and the theory of air dew-point, the water transpiration by plants in greenhouse is condensed, which meets the requirement of the indoor dehumidification and recycling for irrigation. The studying object is potted pepper. The experimental period is from May 7 to July 4 including the growth period, the flowering period and the fruiting period. The experimental greenhouse is an airtight greenhouse designed with glass in this paper, whose size is 2 000 mm × 600 mm × 1 200 mm. The red light emitted by LED (light emitting diode) is used as the light source of photosynthesis, with 650 nm wavelength and light intensity of 400mol/m2·s. The experiment of potted pepper culture was conducted in greenhouse, and outdoor controlled trials were conducted. The cavity with a diameter of 16 cm was opened on the side wall of the greenhouse, and the 250 cm aluminum foil tube is used to connect the condenser box and the cavity. The aluminum foil tube forms a closed loop pipe equipped with a duct fan, which can carry out air circulation. The results show that the working temperature of the semiconductor refrigeration aluminum plate is 5.5 ℃, which corresponds to the temperature range of 7-18 ℃ in sealed space. In the closed greenhouse, the semiconductor refrigeration is opened and the natural convection and forced convection are designed. The convection test was carried out in the greenhouse. The average humidity is 76% for the natural convection and 53.8% for the forced convection, which can meet the requirement of dew-point dehumidification. In the growth phase test, the forced convection air inlet is adopted to dehumidification. In different periods, the temperature range of closed greenhouse is from 18.6 to 28.2 ℃, and the dehumidification effect is significantly improved with the temperature increasing. The amount of irrigation in the development period and the flowering period shows a steady upward trend from 132 to 201 mL, indicating that the plant transpiration is small. The recovery in the same period is also in a steady upward trend from 35 to 101 mL, with an average recovery rate of 26.3%. In the fruiting period, the amount of irrigation increases to 540 mL. With the increasing of the ambient temperature and plant growth demand, transpiration is increased. In the same period, the daily recovery is 375 mL, and the recovery rate is 69.4%. Observing the physiological changes of potted pepper indoor and outdoor, the plant height, stem thickness and singe leaf area of the former are significantly different from the latter. In this paper, the artificial closed greenhouse uses semiconductor refrigeration to condense water evaporated and spread by plants. The effect is remarkable. And the irrigation of the potted pepper can use recycled water to realize the normal growth in closed greenhouse.

greenhouse; temperature; humidity; semiconductor refrigeration; dehumidification; evapotranspiration water; recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.028

S625.1; S161.4+1

A

1002-6819(2017)-22-0217-07

2017-07-26

2017-09-30

國家自然科學基金資助項目（31560481）；農業科技成果轉化項目（2014G30000045）

康寧波，男，寧夏人，博士生，主要從事節水灌溉，農產品無損檢測研究。Email：109438847@qq.com

何建國，男（回族），山東人，教授，博士生導師，主要從事節水灌溉方面，農產品無損檢測和食品物性學方面的研究。Email：hejg@nxu.edu.cn