設施環(huán)境調控資料實用教案

1、 四、設施光環(huán)境特點第三節(jié) 進入設施內的太陽輻射計算 一、室外地面上太陽輻射照度的計算 二、 進入設施內的太陽輻射計算第四節(jié) 設施光環(huán)境的調節(jié) 一、溫室內的人工(rngng)補光 二、人工(rngng)光照的配置計算 三、光質調節(jié) 四、日長調節(jié)第1頁/共45頁第一頁，共45頁。第二章 設施熱環(huán)境及其調節(jié) 第一節(jié) 熱量傳遞(chund)(chund)的基本方式 第二節(jié) 輻射換熱 第三節(jié) 導熱 第四節(jié) 對流換熱 第五節(jié) 溫室熱環(huán)境 一、溫室傳熱與能量平衡 二、溫室采暖熱負荷 三、溫室的節(jié)能保溫 四、溫室的降溫調節(jié)第2頁/共45頁第二頁，共45頁。第三章 溫室(wnsh)(wnsh)的氣體環(huán)境與通風

2、調節(jié) 第一節(jié) 溫室(wnsh)(wnsh)通風概述 一、 溫室(wnsh)(wnsh)通風換氣的目的 二、 溫室(wnsh)(wnsh)通風的設計要求 三、 通風的基本形式與特點 第二節(jié) 溫室(wnsh)(wnsh)的必要通風量 一、 控制室溫的必要通風量 二、 維持CO2CO2濃度的必要通風量 三、 控制溫室(wnsh)(wnsh)內濕度的必要通風量 第三節(jié) 溫室(wnsh)(wnsh)通風 一、熱壓作用下的自然通風 二、風壓作用下的自然通風 三、自然通風系統(tǒng)設置 四、溫室(wnsh)(wnsh)的機械通風第3頁/共45頁第三頁，共45頁。第四章 溫室環(huán)境自動控制 第一節(jié) 自動控制基本原理

3、第二節(jié) 設施(shsh)(shsh)環(huán)境常用控制器 第三節(jié) 設施(shsh)(shsh)環(huán)境自動調控系統(tǒng)第4頁/共45頁第四頁，共45頁。緒緒 論論 一、農(nóng)業(yè)設施與設施環(huán)境1 1、農(nóng)業(yè)設施 農(nóng)業(yè)設施是能夠提供適宜的生產(chǎn)環(huán)境等條件，具有特定生產(chǎn)功能的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性建筑、配套設備的工程系統(tǒng)。2 2、農(nóng)業(yè)設施的特點 （1 1）可以為各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象提供比自然環(huán)境更加適宜的生產(chǎn)環(huán)境條件，且可以調控環(huán)境。為此設施一般應具備建筑圍護結構或具有圍護作用的構造物，以形成與外界相對(xingdu)(xingdu)隔離的空間條件。 （2 2）依靠各種生產(chǎn)設備實現(xiàn)高效生產(chǎn)。第5頁/共45頁第五頁，共45頁。3 3、設施

4、環(huán)境（農(nóng)業(yè)生物環(huán)境） 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境一般分為： 物理環(huán)境：包括生物周圍的溫度(wnd)(wnd)、光照和熱輻射、空氣和水的運動狀態(tài)等，其中由空氣溫度(wnd)(wnd)、濕度、熱輻射、空氣和水的流動等因素所構成的環(huán)境稱為熱環(huán)境。 化學環(huán)境：指生物周圍空氣、土壤和水中的化學物質成分組成。 生物環(huán)境：除農(nóng)業(yè)生物個體以外的其他所有生物。包括空氣、土壤、或水中的微生物，生物體內外的寄生物，以及周圍的其他同類生物群體等。 第6頁/共45頁第六頁，共45頁。光照水和肥料溫度CO2濕度溫室的環(huán)境調控溫室的環(huán)境調控(dio kn)(dio kn)應該實現(xiàn)以光照為主導因子的綜合環(huán)境管理。應該實現(xiàn)以光照為主導因子的

5、綜合環(huán)境管理。第7頁/共45頁第七頁，共45頁。 4 4、設施結構環(huán)境生物之間的相互(xingh)(xingh)關系 設施環(huán)境外界環(huán)境設施結構生物活動狀態(tài)和代謝過程 設施(shsh)結構決定了其環(huán)境性能，所以在設施(shsh)環(huán)境調控之前，首先確定好的結構，才能做到環(huán)境調控的節(jié)能、低成本。第8頁/共45頁第八頁，共45頁。 5 5、設施環(huán)境調控的原理和方法（1 1）理論 1 1）質量守恒定律 2 2）熱力學第一定律能量守恒定律 3 3）質熱傳遞過程的理論 4 4）環(huán)境與生物間相互影響的生態(tài)學原理（2 2）方法 定量化描述生物與環(huán)境、外界(wiji)(wiji)環(huán)境與設施內部環(huán)境間的相互關系模型

6、的建立及應用 采用工程化的手段，利用專用設備來實現(xiàn)。第9頁/共45頁第九頁，共45頁。Control systemSimulationsMeasured valuesModelData Acquisition SystemDynamic Databasecompare27 Oct26 Oct28 Oct29 Oct30 Oct1 Nov2 Nov3 NovALLALLALLStress Detector # 17# 17 on Duty!Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es Lt d .Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es L

7、t d .Number of days analyzed: 7Number of alarms: 4DANGER!DANGER!My ComputerLPS #14LPS #17LPS #26LPS #99Alarm Diary9:00-12:00 Air VPD 2 kPa12:00-15:00 Leaf T 34 C Air VPD 4 kPa15:00-16:00 Air VPD 2 kPa Test # 1 negativeS SR RCrop第10頁/共45頁第十頁，共45頁。 現(xiàn)代化連棟溫室的環(huán)境控制(kngzh)及其設備環(huán)境因子環(huán)境因子 控制設備控制設備光照光照人工光源、簾幕系統(tǒng)

8、人工光源、簾幕系統(tǒng)溫度溫度采暖設備、降溫系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、采暖設備、降溫系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、噴淋噴淋/噴霧系統(tǒng)噴霧系統(tǒng)CO2濃度濃度 CO2施肥系統(tǒng)、通風系統(tǒng)施肥系統(tǒng)、通風系統(tǒng)濕度濕度采暖設備、降溫系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、采暖設備、降溫系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、簾幕系統(tǒng)、噴淋噴淋/噴霧系統(tǒng)噴霧系統(tǒng)第11頁/共45頁第十一頁，共45頁。緒 論二、設施環(huán)境工程在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用 參考(cnko)教材 P24第12頁/共45頁第十二頁，共45頁。第一章 設施光照(gungzho)環(huán)境及其調控第一節(jié) 建筑日照的基本理論 一、地球的公轉與太陽赤緯角 1、太陽赤緯角 太陽光線與地球赤道面的夾角 太陽

9、直射光線投射到地球表面，光線與地面垂直處的地理緯度)365284360sin(45.23n)365172360cos(45.23n第13頁/共45頁第十三頁，共45頁。三、太陽高度角和方位角四、斜面(ximin)太陽入射角b與其他角度之間的關系)cos(sincoscossincosefcacab五、日出(r ch)、日沒時刻 )tantan(cos10t第14頁/共45頁第十四頁，共45頁。第二節(jié) 設施光環(huán)境特征(tzhng) 一、與設施內環(huán)境相關的光、熱輻射 1、電磁波譜 2、太陽輻射的光譜能量分布（教材P144150） 3、常溫物體的熱輻射第15頁/共45頁第十五頁，共45頁。第16頁/

10、共45頁第十六頁，共45頁。黑體常溫下的熱輻射波譜010203040020406080100波長(m)輻射力(W/m2m)第17頁/共45頁第十七頁，共45頁。 不同(b tn)波長的光熱輻射對植物及環(huán)境的作用長波紅外輻射mm第18頁/共45頁第十八頁，共45頁。m W/m1khcexphc220520bTM普朗克定律(dngl)（黑體的單色輻射力） 波長(bchng)，m； T 熱力學溫度，K； h 普朗克常數(shù)（6.62610-34Js）； k 玻爾茲曼常數(shù)（1.380710-23J/K）； c0 真空中的光速（2.9979108m/s）第19頁/共45頁第十九頁，共45頁。Km 6 .28

11、97 maxT 維恩位移(wiy)定律（最大輻射力對應的波長）第20頁/共45頁第二十頁，共45頁。第二節(jié) 設施光環(huán)境特征 二、與太陽輻射有關的光輻射強度的度量 1 1、輻射（能）通量 單位為W W。 2 2、輻照度（輻射能通量密度）單位為W/m2W/m2。 3 3、光通量 按照國際(guj)(guj)約定的人眼視覺特性評價的輻射能通量( (輻射功率) )，光源在單位時間內, ,向周圍空間輻射出的使人眼產(chǎn)生光感的能量, ,稱為光通量,單位為lmlm： 光通量和輻射通量這兩個非常相似的概念， 錯誤地認為既然光是屬于一定波長范圍內的一種電磁輻射，光通量就是輻射通量。 光通量是一個包含著主客觀雙重因

12、素的物理量 輻射通量雖然是一個反映光輻射強弱程度的客觀物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人們的主觀感覺視覺的強度（即明亮程度） 4 4、光照度 受照平面上接受的光通量面密度（單位面積光通量），單位：lxlx； 5 5、光合有效輻射照度 PAR PAR ：（Photosynthetically Active RadiationPhotosynthetically Active Radiation）單位時間、單位面積上到達或通過的光合有效輻射（400400700nm700nm）的能量。單位：W/m2W/m2 6 6、光合有效光量子流密度 PPFD PPFD或PPFPPF，單位：mo

13、l/m2smol/m2s第21頁/共45頁第二十一頁，共45頁。第二節(jié) 設施光環(huán)境特征 三、各種( zhn)光輻射度量單位的相互關系一個光量子所具有(jyu)的能量為： 式中 波長(bchng)，m； h 普朗克常數(shù)（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）。第22頁/共45頁第二十二頁，共45頁。1、光合有效輻射照度與光合有效光量子流密度間的換算設光合有效輻射照度為Ea（W/m2）；光合有效光量子流密度為Ep（mol/m2s）；換算系數(shù)為Ep=kapEa，即kap=Ep/Ea（mol/s）/ W；單色光的輻射照度分布密度為E（W/m2m）；光合有效輻射的波長

14、(bchng)范圍為a-b（m）；則：第23頁/共45頁第二十三頁，共45頁。式中 波長(bchng)，m； h 普朗克常數(shù)（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）； NA 阿伏加德羅常數(shù)（6.0221023 mol-1），因此：第24頁/共45頁第二十四頁，共45頁。近似(jn s)估計：對于日光，如按在400700nm范圍內E為常量估計，第25頁/共45頁第二十五頁，共45頁。2、光合有效輻射(fsh)照度與光照度間的換算換算系數(shù)為Ev=kavEa， 式中 e,波長為的單色光的輻射能通量，W/m (W)； V()標準光度觀測者明視覺光譜(gungp)光視

15、效率； Km 最大光譜(gungp)光視效能，Km = 683 lm/W。根據(jù)(gnj)有關資料，對于日光，kav = 238 lx / (W/m2)，即：光合有效輻射照度 1W/m2 = 238 lx 光照度第26頁/共45頁第二十六頁，共45頁。3、光照度與光合有效光量子流密度間的換算(hun sun)換算(hun sun)系數(shù)為Ep=kvpEv，即:對于日光，kvp = kap / kav = 4 / 238 = 0.0168 mol/m2s / lx，即光照度 1 lx = 0.0168 mol/m2s 光合有效(yuxio)光量子流密度第27頁/共45頁第二十七頁，共45頁。 對應量

16、 已知量光照度lx光合有效輻射照度W/m2光合有效光量子流密度mol/m2.s總短波輻射照度W/m2光照度1 lx 10.00420.0040.01680.0180.01光合有效輻射照度PAR 1 W/m2 23825014.04.62.38光合有效光量子流密度PPFD 1 mol/m2.s 59.555.60.250.2210.595總短波輻射照度1 W/m2 1000.421.681第28頁/共45頁第二十八頁，共45頁。四、設施光環(huán)境特點1、光照強度 室內光照強度比自然光弱。2、光照時數(shù) 室內光照時數(shù)受到溫室類型的影響3、光質 主要影響380nm以下紫外光的透過(tu u)率，大多不能透

17、過(tu u)310nm以下紫外光。 影響紅外光的透過(tu u)率。4、光分布 室內光照分布不均勻。 第29頁/共45頁第二十九頁，共45頁。第三節(jié) 進入設施內的太陽輻射(fsh)計算 一、室外水平地面上太陽輻射(fsh)照度的計算 （一）太陽常數(shù) 在大氣層外，平均日地距離處，垂直于輻射(fsh)傳播方向上單位面積1個小時內測得的太陽輻照度為1353W /m2 ，稱為太陽常數(shù)，以J0表示。 實際上大氣層外的太陽輻照度隨著日地距離的改變，在一定范圍內變化。一年中第n天在法向平面上的大氣層外的輻照度 Jon為： )365360cos033. 01 (0nJJon （二）室外水平面上的直射光輻射照

18、度(zho d) 見教材P151公式48aPrrJJadsinsin/1200第30頁/共45頁第三十頁，共45頁。第三節(jié) 進入設施(shsh)內的太陽輻射計算 一、室外水平地面上太陽輻射照度的計算 （三）室外水平面上(min shn)的散射光輻射照度 見教材P151公式49PPHJJasln4 . 111sin2 . 1sin0 （四）室外水平面上(min shn)的總輻射照度 sdJJJ第31頁/共45頁第三十一頁，共45頁。第三節(jié) 進入(jnr)設施內的太陽輻射計算 二、影響室內光照環(huán)境的主要因素見教材(jioci)P152-154 三、室內(sh ni)總輻射照度的計算見教材P154-

19、155第32頁/共45頁第三十二頁，共45頁。 第四節(jié) 設施光環(huán)境的調節(jié)一、溫室內的人工補光 1. 對人工光源的要求 光譜性能：富含400500nm藍紫光和600700nm橙紅光 適當?shù)募t色、藍色光比例（R / B比） 適當?shù)募t光（600700nm）遠紅光（700800nm）比例（R / FR比） 具有其他特定要求的光譜（如補充紫外的不足等） 效率：發(fā)出的光合有效(yuxio)輻射量與消耗功率之比 可視光效率（光效率） lm / W 光合有效(yuxio)輻射效率（輻射效率） mW / W 光合有效(yuxio)光量子效率（光量子效率） (mol/s) / W或mol / J 其他：使用壽命、

20、價格等 2. 人工光源的種類第33頁/共45頁第三十三頁，共45頁。 第四節(jié) 設施(shsh)光環(huán)境的調節(jié)一、溫室內的人工補光 3. 人工光源的光照配置 （1） 點光源照度的逐點計算法 照射到微元面積dA上的光輻射通量為d時，該微元面積上的照度為： 式中 dA 面積dA在垂直于光源方向的平面上的投影(tuyng)，m2； 光源對于入射平面的入射角；式中 I 光源在計算方向的發(fā)光強度，cd（坎德拉）； d 微元面積(min j)dA對應的立體角； R 光源到照射面的距離，m。第34頁/共45頁第三十四頁，共45頁。則： 采用n個光源(gungyun)時，計算點的照度為：第35頁/共45頁第三十五

21、頁，共45頁。（2） 線光源照度的逐點計算法 計算條件：線光源平行(pngxng)于被照面第36頁/共45頁第三十六頁，共45頁。日 光白熾燈鹵鎢燈高壓水銀熒光燈白色熒光燈金屬鹵燈高壓鈉燈低壓鈉燈效率光效率lm/W（100）1719607087106143光合有效輻射效率mW/W（420）68190270300光量子效率mol/s)/W（1.68）0.340.871.241.48光照單位轉換klx轉換為W/m2(PAR)4.242.73.12.8W/m2(PAR)轉換為mol/m2s454.64.65klx轉換為mol/m2s16.82012.414.314幾種人工光源的發(fā)光(f un)效率及

22、光照強度換算第37頁/共45頁第三十七頁，共45頁。二、溫室光照環(huán)境的調控開發(fā)和選用合適的溫室覆蓋材料溫室設計建設方面采用合理的方位與溫室結構人工(rngng)(rngng)調控： 光量調控 遮光與補光 補光又分為光合作用補光（高光強）和光周期 補光（低光強） 光周期調控 遮光調節(jié)，延長暗期 補光調節(jié)，延長光照時間（整晚補光、早晚延 長補光和夜間間斷補光） 光質調控 采用滿足要求的具有特定光譜分布的人工(rngng)(rngng)光源 補光；采用滿足要求的具有特定光譜透過率的 覆蓋材料 第38頁/共45頁第三十八頁，共45頁。（一）光照強度的調控1、提高(t go)溫室內光強主要措施 透明覆蓋

23、材料(cilio)(cilio)的選擇 透明材料(cilio)(cilio)理想的透光特性為： 300nm 300nm 低透光率（免傷害植物和覆蓋材料(cilio)(cilio)老化、減少病蟲害等） 300 300400nm 400nm 高透光率，有利植物成形、花果著色、VCVC、VDVD合成 400 400700nm 700nm 高透光率， （有利光合作用） 700 7003000nm 3000nm 要求高透光率，以利于室內增溫；當有室內降溫要求 時，應為低透光率 3000nm 3000nm 低透過率，減少散熱，有利保溫第39頁/共45頁第三十九頁，共45頁。l設計建造方面設計建造方面(fngmin)(fngmin)：設計合理的屋面角度和：設計合理的屋面角度和形狀；選擇合理的方位；選擇粉塵、煙塵等污染較輕形狀；選擇合理的方位；選擇粉塵、煙塵等污染較輕的地方建造。的地方建造。 l日常管理上：日常管理上：l應經(jīng)常打掃和清洗透光面，增加透光率。應經(jīng)常打掃和清洗透光面，增