一種設施大棚智能化降溫換氣通風機的設計與應用研究

劉淑云，李喬宇，王富軍，尚明華

(山東省農業科學院科技信息研究所，山東 濟南 250100)

絕大多數保護地設施，如大棚、溫室等，其主要作用是改善蔬菜生育的溫度條件，以秋、冬、春三季應用為主[1]。秋延遲和春提早茬口的大棚，溫度調控相對簡單，普遍采用不同程度的獨立或同時開啟上、下風口進行通風降溫。而越冬栽培的設施大棚，多處于栽培作物的旺長期等關鍵生長階段，采用開啟下風口進行通風降溫操作，容易造成降溫過快或掃地風危害，故一般以調節上風口大小和開啟時間為主，但單獨開啟上風口降溫和二氧化碳補充效果不明顯。基于此，我們結合當前一般設施大棚的棚體結構，設計一套適用于大棚高溫高濕條件下輔助天窗進行降溫、降濕、換氣的通風裝置，并將其控制集成到設施大棚的控制一體機[2-4]和手機APP控制系統中，以實現隨時隨地管理和智能操控。

1 降溫換氣通風機的設計與安裝

1.1 總體框架

該套通風裝置主要由傳感器、網關節點(連接感知層和傳輸層)、鼓風機、通風管、控制器組成，安裝示意圖見圖1。

傳感器包括溫度傳感器和二氧化碳傳感器，用于采集棚內溫度和二氧化碳的實時變化數據；網關節點連接傳感器和傳輸網絡；鼓風機，通過電機將棚外較低溫度的空氣循環進棚內；通風管，實現棚內外空氣的對流輸送；控制器，實現通風裝置控制參數和鼓風機開關的智能控制。

1.2 安裝與控制

傳感器安裝在大棚縱向的中間位置，在距東西兩端各5～7 m范圍內，共2套(見圖1)。

通風管道通過穿墻孔與棚內的換氣管道相連，棚內布局見圖2。與鼓風機連接的穿墻主管道直徑110 mm，三通連接的東西向分管道直徑75 mm，在其上以三通連接處為中心分別向左右打孔。考慮外界空氣自主管道進入分管道時的氣壓大小，每個方向的打孔按照由稀疏變密集的原則分布，所有孔的總口徑面積以不超過主管道口徑橫截面積(94.985 cm2)為準。通風孔方向保持與水平方向平行或與水平方向向上呈15°左右夾角，避免向下直接朝向冠層方向，防止較低溫度的冷空氣直接到達植株冠層。

鼓風機安裝在棚外北側(圖3)，以充分利用棚北側背陽處空氣溫度低這一資源優勢。鼓風機的通風速率為20 m3/min，按此速率計算出每10、20 min的換氣量分別為200、400 m3，按試驗棚規格計算棚內容積，確定棚內空氣體積約為810 m3，則鼓風機通風10、20 min的換氣量分別約為棚內空氣量的25%和50%。

圖1 大棚通風機鼓風式降溫裝置安裝示意圖

圖2 大棚內管道布局 圖3 鼓風電機

該通風裝置的控制方式分為本地控制和遠程控制兩種模式。本地控制通過集成于溫室大棚環境一體化控制器中的通風機控制模塊進行，操作界面如圖4所示；遠程控制可以通過手機APP(圖5)將控制指令發送到云平臺通信中間件，再由通信中間件通過互聯網將指令發送到溫室大棚網關節點，溫室大棚一體化控制器根據接收到的控制指令來操控通風機工作。通風機配有一個可引入220 V交流電的強電箱，控制器主要是通過控制強電箱中的交流接觸器觸點的斷開與閉合來控制通風機工作與否。

圖4 通風機控制界面

圖5 手機APP控制界面

2 智能化降溫換氣通風機的應用試驗結果與分析

2.1 試驗設計與方法

應用試驗于2017年3月—2018年6月在濟南市歷城區唐王鎮“濟南市蔬菜展示示范評價平臺”示范基地進行。選用的大棚為普通冬暖大棚，長×寬為30 m×10 m，棚架為鋼體結構，墻體為泡沫磚加保溫材料。按照設計在大棚內安裝數據采集傳感器、網關節點、一體化控制器、鼓風機及通風管道等裝備。試驗期大棚內種植作物為黃瓜、番茄。

通風裝置的使用原則：以溫度調控為主，在保證棚內溫度不低于作物正常生長要求范圍的前提下，結合大棚內二氧化碳濃度的實時監測情況進行開啟/關閉。即當大棚內的實時監測溫度值達到設定上限，通風機自動開啟；當溫度降至設定下限值，通風機自動關閉；在溫度條件允許的情況下，當棚內二氧化碳濃度低于外界空氣濃度值時，也建議適當開啟通風機進行通風換氣。

2.2 數據采集與分析

分別于2018年2月16日(晴天，開風口+未開啟通風裝置)和2018年3月16日(晴天，開風口+開啟通風裝置)采集試驗大棚內的空氣溫度和二氧化碳濃度數據，同時采集室外氣象站的溫度數據，進行比較分析。

2.3 降溫換氣效果

2.3.1 對溫度的調控 蔬菜作物不同生育階段對溫度的要求不同(表1)，相應的棚內管理措施也會不同[5-7]。綜合大棚常規種植蔬菜對溫度的要求來看，棚內氣溫控制在20～30℃為宜，超過30℃的高溫對蔬菜生長的任何階段都不利，因此，當棚內氣溫超過30℃時需開啟通風裝置進行通風降溫。

表1 常見大棚蔬菜作物不同生育期的日間氣溫需求范圍 (℃)

2月16日(圖6)11∶00—16∶50棚內溫度保持在25℃以上，12∶00—16∶10棚內溫度達到30℃以上，13∶50—14∶30溫度甚至高達35℃以上，表明僅靠開啟大棚風口未達到明顯的溫度調控效果。3月16日(圖7)上午10∶00左右棚內溫度達到25℃且保持迅速上升的變化，在11∶15左右達到35℃，此時同時開啟大棚上風口和通風機，11∶30前后溫度就下降至30℃以下，對棚內溫度起到了快速有效的調節作用；且在11∶30—16∶30棚內溫度基本保持在25～30℃，為棚內蔬菜營造出適宜的溫度條件；16∶30溫度降至25℃，關閉通風機。由此可見，僅靠開啟大棚上風口或部分下風口的通風降溫效果較差，棚內會出現較長時間高于30℃的高溫，對作物生長不利；而當開啟通風機后，可將較低溫度值的棚外空氣通過壁掛式的通風管均勻地注入到冠層上方1 m左右的空間內，與棚內較高溫度的空氣形成對流，從而起到明顯的降溫效果，可使棚內氣溫較長時間保持在25～30℃范圍內，更有利于棚內作物的生長發育。

圖6 設施大棚內2月16日空氣溫度變化

圖7 設施大棚內3月16日空氣溫度變化

2.3.2 對CO2濃度的調控 由大棚內CO2濃度的日變化(圖8)可以看出，日出后大棚蔬菜作物光合作用強烈，對二氧化碳的消耗量大，夜間大棚內積累的高濃度二氧化碳在日出后3～4 h內被迅速消耗，降至低于外界空氣中的二氧化碳濃度，一般在200～300 μmol/mol，僅比大多數蔬菜作物的二氧化碳補償點略高[8，9]，明顯低于常規蔬菜的二氧化碳飽和點(1 000～1 500 μmol/mol)，且易在中午時段形成高溫、低二氧化碳濃度的環境，嚴重影響棚內蔬菜作物的正常生長發育。在保證棚內氣溫處于蔬菜作物正常生長范圍內，可以盡早開啟通風機，即當棚內溫度上升至25℃以上、二氧化碳降至350 μmol/mol以下時(12—2月在11∶00左右，11、3月在10∶00左右)，可考慮開啟通風機，從而快速有效緩解棚內二氧化碳濃度過低現象。

注：菱形標識為2月16日未開啟通風機的正常管理；三角形標識為3月16日開啟通風機的換氣管理。

3 討論與結論

隨著棚體建設技術的提高和材料性能的不斷升級，我國設施大棚的保溫水平越來越高，但針對二氧化碳的管理技術和設備研究仍較少[10，11]。設施蔬菜光合二氧化碳飽和點一般在800～1 000 μmol/mol，而多數生產大棚都存在二氧化碳濃度過低現象。由本試驗結果可以看出，上午9∶00前后棚內二氧化碳濃度即降至350 μmol/mol以下，這直接影響光合產物的積累和產量的形成[12，13]；而開啟通風機一段時間后，棚內二氧化碳濃度可以提高50～100 μmol/mol，能對冠層二氧化碳起到一定的補充作用。

目前我國的冬暖大棚多為東西走向、面向南，當棚內溫度較高時僅靠上風口通風不能有效降溫，而通過在棚北側安裝通風機可以有效降溫3℃左右，能夠很好地緩解短期高溫。

綜合設施栽培蔬菜對溫度和二氧化碳的需求特性，建議在12月和2—3月非陰雨天氣10∶00—11∶00開啟通風機，1月因棚外溫度較低以保溫為主；11月和4—5月，大棚上下風口通風降溫效果稍好，此時適度開啟通風機可更好地調節溫度和補充二氧化碳。

雖然我們也設計了手機端APP控制通風機，但應用中發現通風機開啟時間和時長設定還不夠精準，今后將結合設施作物的生育進程，開發依據大棚溫度變化模型[11,14,15]的控制系統，以實現棚內溫度和二氧化碳的更精細智能調控。另外，通風機的功率配置及其對設施大棚溫度和二氧化碳的調節效果還有待于進一步的試驗研究。