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使用遮蔭控制溫室溫度

 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

有了足夠的通風和有效的遮蔭,即使在非常溫暖的月份和氣候下,也可以生產高品質的農作物。溫室生產者知道他們的農作物品質與生產環境密切相關。溫室內溫度升高會影響植物的產量和品質。通常,溫度升高過高,則必須除去多餘的熱量。通風和冷卻對於控制溫室溫度以及積累濕度至關重要。

環境的影響

為植物創立的溫室環境可以維持溫度,濕度,光線和根系環境。根部環境很重要,但在這裡不討論。就根部環境而言,在加熱效率,幼苗生產以及使應力保持在可接受的低水準方面(例如黑色盆器的生長的植物)具有重大意義。
所有植物都有生長條件,如最低,適當和最高溫度或熱能強度。許多對植物生長和發育的影響有關的溫度資料是指氣溫而不是葉片溫度。這僅僅是因為氣溫更容易測量。葉片溫度的測量非常困難,因為單一葉片很少能夠代表整體植物的平均值。輻射能越大,葉片溫度超過空氣溫度的可能性就越大,這對環境控制有影響。

植物溫度基於葉片的能量平衡,並且是空氣溫度,陽光輻射能,熱輻射,顯熱(空氣溫度)熱和潛熱(蒸氣)的對流交換的函數。環境因素的這種相互作用影響了光合作用,呼吸作用以及養分和水分的吸收。

通常,要為特定植物消除極端條件比起創造最佳環境要容易。如果希望多種植物中都具有一般相同環境,溫室內環控通常就是這種情況。許多觀賞植物生產者就是這種情況。植物通過蒸散過程失去水分,而生長的介質通過蒸發失去水分。這兩個過程的總和稱為蒸發散。這些過程的結果與熱輸入一起構成了溫室濕度水準,通常表示為空氣中水氣含量與其可以保持水的全部潛力或相對濕度之比。溫度越高,空氣可以蒸氣形式保持的水越多。這樣,即使在通常被認為相當潮濕的氣候下,也可以在一天中最熱的時間使用蒸發冷卻。

溫室能量平衡

顯性能量平衡通常是用於確定溫室的通風率已經成立要求溫度上限。可以使用能量平衡來充分地計算最大通風率,其中將太陽能作為能量增益項目,將通風作為能量損耗項目。

溫室過熱

在陽光充足的高日照期,溫室通常很容易過熱。任何人,曾經在沒有風扇並且天窗關閉的情況下進入溫室,都可以證明這一點。沒有通風,溫室理論上可以達到66℃以上的溫度。因為空氣會吸收熱量,所以當室內空氣換成室外空氣時,生產者可以限制溫度上升。大約每分鐘交換一次室內空氣,可以將溫室中的溫度上升限制在大約4.5℃。當溫度為24℃時,這是可以接受。但是當外部溫度達到35℃時,通風效果不是很好。此時,補充冷卻空氣或減少入射的太陽輻射是管理高溫的兩種策略。考慮到除了太陽以外沒有其他重要的熱源,通風系統的能力要適合控制溫度。合理的能量平衡通常用來計算所需的最大通風率。太陽能增益是主要的能源,通常可以安全地假設溫室溫度高於室外溫度。必須估算太陽能熱負荷轉換成合理負荷的比例。假設進入溫室的熱負荷以這種方式分配(圖1):


溫室吸收了太陽輻射的1/3,在這裡太陽輻射轉化為熱量,升高了空氣溫度(顯熱)。

1/3的太陽輻射通過蒸發蒸散,作物蒸散和從生長介質的蒸發的總和影響。

周圍太陽日照量的1/3會反射回到大氣中或通過光合作用轉化為植物。

 

通風注意事項

溫室行業的趨勢是朝著更加被動的通風方向發展。這主要是由於溫室作業中,對於降低能源和資本調度強度的需求不斷增加。

溫室設計已得到了改善,已考慮多種作物對整體氣候的需求,從而允許更多的被動通風。一般而言,特種作物和單一作物的生長,都要求維持狹窄的工作溫度範圍以實現高品質的生產率。從工程或生產的角度來看,當需要高水準的環境控制技術,通常首選機械通風。被動通風過度依賴於太陽能和風能,兩者都不可靠。並且總是在變化。

遮蔭系統

僅靠通風通常不足以控制溫室溫度,尤其是在溫暖的月份。通常使用某種方式的遮蔭來限制太陽輻射能的進入。遮陰降低了吸收的太陽輻射轉化成為溫室內部熱量的速率。在輻射量相對較高的地方,在晴天遮光,不會對於植物生長產生不利影響。目前已經開發了光圖表,可以根據每日光積分概括作物品質反應。只要提供足夠的日光,就可以從光合作用的潛力角度來種植良好或優質的植物。

屋頂漆白漆或固定黑色遮光網可用於遮光。其原理是遮光應用越密集,進入溫室的太陽輻射就越少。因此為防止過熱而需要去除的熱量越少。這些類型的遮蔭的缺點是它們通常自春季或初夏施用,一直到在夏末或秋季除去,此時期都是固定性的。當冷涼的天氣出現在這種遮蔭時,溫室中的光照水準可能會較低。

另一種遮光方法是在溫室內部或外部使用可伸縮系統。外部遮蔭系統的主要優點是光在進入溫室之前被攔截,從而增強了冷卻效果。儘管外部遮蔭系統非常有效,但是由於它們對結構和機械的要求很高,因此它們可能會很昂貴。重視降溫和光量控制的生產者安裝了這些系統,並接受了投資成本和維護要求。最初用於節能和創造黑幕條件的室內遮蔭系統也可以使用合適的材料製成內網以提供遮蔭。這些內部系統在排除太陽輻射能方面不如外部遮蔭有效。內部系統有多種選項,但通常使用的材料是多孔的,並根據其透光特性進行選擇。選擇會反射陽光能量而不是吸收其攔截的輻射能的材料非常重要。安裝在溫室內的深色遮光布會攔截進入建築物的某些輻射。被攔截的輻射是被吸收而不是被反射,這些吸收的能量被轉換成熱量。



頂部:室外遮蔭系統的主要優點是光能在進入溫室之前被攔截。

中:安裝在溫室內的深色遮蔭布會攔截進入建築物的某些輻射。

底部:遮蓋節能布並在其周圍通風可提供額外的通風。

 

遮光效率

在陰天期間可以收取的遮蔭網其能力很重要。如果已經安裝了一個可伸縮系統,一些生產者會投資可伸縮系統或增加節能布系統,以節省能源。安裝僅用於遮光的第二個可伸縮遮蔭系統的主要原因是為了提供更高水準的冷卻和更高的植物生長均勻度,以防止生長介質水分不均勻地乾燥程度。研究表明,擁有第二個多孔遮蔭網比使用節能布更佳,並在其周圍通風可以提供2~4℃的額外冷卻。如果使用外部固定遮蔭材料代替可伸縮遮蔭系統,則選擇的材料類型很重要。該材料可以吸收,透射或反射太陽輻射。使用太陽能吸收性遮蔭材料可以有效減少透光率,但對溫度降低的功能最小。遮蔭網成為輻射器,如果忽略了風的熱損失。大約一半的熱能傳回天空,而另一半則流向農作物。

北卡羅萊納州立大學生物與農業工程學教授Daniel Willits的研究結果表明,溫室外遮蔭布的冷卻效率受其能量平衡的影響很大。布料吸收太陽能會提高布料的溫度。然後,布料有效地成為輻射體,並增加了下面環境的輻射負荷。熱量的傳遞沒有可用的光合作用能量光源,導致溫室處於高溫和陰暗條件。降低遮蔭布的溫度可提高其冷卻效率。術語遮光效率用於描述由於反射而不是吸收而產生的遮光比例。提高布料的遮光效率可能會影響作物生長。

通過維持典型的遮光水準,但是選擇更高效的遮光網,可減少能源負荷以及溫室和植物的溫度。生產者可能通過反複試驗,確定了作物對當地溫暖天氣條件的耐受性,並選擇了合適的遮蔭水準。通過使用效率更高的遮光網,生產者可以選擇更多的透光率,目的是獲得更高的產量或改善作物品質,從而降低熱量負荷,從而能夠在更高的溫度下處理更多的光線。在北卡羅來納州立大學的進一步研究表明,與吸收性材料相比,使用反射性遮蔭材料可將熱增益(顯熱和潛熱之和)降低約一半。但是不能期望黑色遮光網的效果超過40-50%。例如,在60%的遮光率下,溫室熱量獲取的減少量約只有30%。


資料來源:
Greenhouse Management, April 2010
Using shading for greenhouse temperature control
April 23, 2010
Kurt Parbst