溫室大棚蒸騰水吸收與利用智能化系統研究

張家鶴，陳凌陽，于林平，王 偉，孫 悅，陳玲鈺，孟 齊

(大連海洋大學 海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116023)

1 研究背景

全球現有12億人面臨中度到高度缺水的狀況，80個國家水源不足，20億人的飲水得不到保證。預計到2025年，形勢將會進一步惡化，缺水人口將達到28～33億人。我國屬于缺水國之列，人均淡水資源僅為世界人均量的1/4，居世界第109位，已被列入全世界人均水資源較少的13個貧水國家之一。

近幾年，我國全國總供水量大約在5500億m3左右，灌溉用水量大約在3600億m3，占全國總供水量的65%左右。然而，在農業生產中，作物吸收的總的水量只有不足1%用做其自身生長，而通過呼吸蒸騰作用散失的水高達99%。尤其當作物在溫室大棚中時，蒸騰散失的水無法進入大氣循環利用，造成了大量水資源的浪費。以北方大棚生菜為例，1畝大棚生菜在一個生長周期內，共需要用水約105 m3。其生長周期內蒸騰作用散失的水占用水量的50%～60%，如果按回收70%計算的話，那就是44 m3。而我國的溫室和大棚面積高達200萬hm2，如果能將溫室大棚中這部分浪費的水資源得以回收再利用，那么就能節約13.2億m3的水，能有效地緩解農業用水帶來的浪費。另一方面，對于大棚內的植物來說，塑料薄膜不透氣，棚內栽培由于土壤水分的蒸發和作物的蒸騰作用，使棚內空氣濕度增長；若不通風，棚內空氣相對濕度可達90%以上，甚至達100%。如果棚內相對濕度過高，植株葉片的蒸騰作用就會受到抑制。土壤濕度和棚內的空氣濕度增高，棚膜上凝結大量水珠，既影響作物的光合作用，不利于植株的生長發育，又容易使病菌繁殖，病害流行，危害嚴重。因此，調節棚內濕度，特別是調節夜間濕度，是防治病害、促進作物生長發育的重要措施。如若能夠將作物的蒸騰水有效合理地回收，進而控制大棚內的濕度在一個合理有效的范圍內，這樣不僅保障了作物的正常生長，還可以使大棚的種植利益最大化(圖1)。

綜上所述，溫室大棚中浪費的蒸騰水不容忽視。這部分水資源合理回收利用，既可以減少農業用水量，大幅度提高用水效率；同時也可以使大棚種植環境得到改善，使農作物更好地生長，可謂一舉兩得。

圖1 溫室大棚實景

2 溫室大棚蒸騰水的吸收與利用智能化系統的研究

2.1 研究內容

研究內容基于高效節水、環保節能的可持續發展理念，以溫室大棚中的蒸騰水收集、利用為目的，在收集分析溫室大棚農作物適宜濕度等信息的基礎上，基于智能化控制的理念研究溫室大棚中的蒸騰水收集(捕捉)、處理和再利用的途徑與方法，保障農業用水的高效可持續利用。包括：①溫室大棚農作物適宜濕度的資料收集與分析；②大棚蒸騰水的收集(捕捉)與處理系統的研究；③基于智能化控制理念收集蒸騰水并用于大棚灌溉及其它農業灌溉的研究。

2.2 系統的模塊設計

本系統由蒸騰水吸收與利用模塊和智能控制模塊兩部分組成，其中吸收與利用模塊如圖2所示，兩個模塊在整個系統中發揮著不同作用，系統的主要部分見圖2。

圖2 吸收與利用模塊設計

2.2.1 捕水器部分

如圖3所示，捕水器設計為半球體形狀，在其頂端的圓壁周圍打孔以鋪設金屬濾網。濾網用于冷凝大棚中的水蒸氣，使其凝結成水滴并透過濾網流下[1～3]。同時，在半球體中設置排風扇，以促使大棚中的蒸騰水向捕水器聚集，達到高效回收蒸騰水的目的。

圖3 捕水器模擬

2.2.2 水處理與水檢測部分

由于捕水器捕捉到的水可能摻有雜質和細菌，系統設計了水處理與檢測裝置[4]。此部分設雙層過濾材料(活性炭和紫外線)用來吸附雜質和消毒，水經過雙層過濾材料后進入水檢測分流器。經檢測合格的水通過下方導管進入地下儲藏室進行儲藏，若不合格，則水由上方導管運輸至雙層過濾裝置，重復該過程至水質檢測合格。

2.2.3 智能控制部分

在捕水器與電源之間安裝一個跨陣M4，手機通過跨陣M4設置設備運行的條件，自動監控大棚內的相對濕度和相對溫度，當達到所設定的條件，整個裝置運行，自動調節大棚內的相對濕度和溫度。

(1) 智能開關的設計及原理。整個系統通過跨陣M4實現裝置的開啟。當大棚內的濕度達到收集的標準時，排風扇自動轉動，簾門自動打開，吸收夾雜著大量蒸騰水的空氣。與此同時，紫外線殺毒裝置開啟。跨陣M4與K3G-2互聯網控制開關并聯，手機App控制其余電器開關，實現了在沒有人工干預的條件下，裝置自行啟動運行。跨陣M4以及串聯的相關電器均采用220V轉5V電壓供電，允許通過最大的電流為10A，加熱器以及控制開關采用220V轉12V的電壓供電。整個系統最核心的部分采用Wi-Fi連接設置，實現了“一機在手，智能操作”的設計理念。

(2) 智能開關的工作流程 。如圖4所示，在裝置正式投入使用前，設置跨陣M4中溫度感應器開關的開啟和關閉的濕度條件。連接電源后，WRN-101(溫、濕度傳感器)開始工作，當大棚內濕度達到開關開啟的濕度時， WRN-101控制開關開啟，小型風扇(A) 和紫外線殺毒(UV)。K3G-2互聯網控制開關啟動，水質檢測儀和水泵啟動。第二部分定時開關，當跨陣M4啟動，定時開關的常閉系統開啟，達到定時開關設定時間后，常開系統打開。接通電源，水質檢測儀開始工作，檢測合格后的水進入蓄水池，到達指定水位后水泵開始工作，將多余的水抽出蓄水池。

圖4 智能開關工作電路

3 系統的創新特色

溫室大棚蒸騰水吸收與利用系統的設計，為溫室農產品的健康生產和水資源的循環利用提供可能，該系統具有以下創新特色。

(1)以溫室大棚為單位，實現蒸騰水水資源的吸收(捕捉)、處理與再利用，實現了節水理念的創新。

(2)蒸騰水吸收與處理系統的研究，實現了蒸騰水收集、處理方式的創新。

(3)基于智能化控制理念的蒸騰水吸收與灌溉利用系統的研究，實現了蒸騰水收集與利用方式的集成創新。