日光溫室環(huán)境預(yù)測模型研究

日光溫室環(huán)境預(yù)測模型研究

0溫室氣象環(huán)境日光溫室是中國特有的溫室結(jié)構(gòu)形式。它具有成本低、運(yùn)營成本少、耐寒性好、效益高等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在中國得到了迅速發(fā)展。但目前日光溫室的環(huán)境控制水平較低,仍以人工經(jīng)驗(yàn)控制為主,缺少實(shí)用的理論指導(dǎo)。國內(nèi)對日光溫室環(huán)境模型已有較多的研究,如陳端生、鄭海山等人對日光溫室氣象環(huán)境進(jìn)行了較為深入的研究;李遠(yuǎn)哲、陳青云、酈偉等人在質(zhì)能平衡的基礎(chǔ)上建立了日光溫室的環(huán)境模型,利用室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了模擬及實(shí)測分析;但這些模型主要是根據(jù)當(dāng)前室外環(huán)境對當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測,由于溫室室外環(huán)境對室內(nèi)環(huán)境的影響具有一定的時滯性,這些模型不太適合于指導(dǎo)日光溫室環(huán)境調(diào)控;另外,由于模型中較少考慮了自然通風(fēng)(冷風(fēng)滲透)、作物蒸騰和土壤蒸發(fā)所引起的潛熱變化對溫室內(nèi)部熱環(huán)境的影響,由此降低了模型對于溫室實(shí)際生產(chǎn)管理的指導(dǎo)作用。本文在上述模型研究的基礎(chǔ)上,將作物蒸騰、土壤蒸發(fā)和自然通風(fēng)引起的潛熱變化考慮進(jìn)來,根據(jù)質(zhì)能平衡,建立了日光溫室的環(huán)境預(yù)測模型,利用已知的環(huán)境參數(shù)(室內(nèi)溫濕度、室外溫濕度、地面溫度、室內(nèi)外光照強(qiáng)度、室外風(fēng)速風(fēng)向等)來預(yù)測日光溫室內(nèi)部溫濕度的變化情況,可用于日光溫室環(huán)境的前饋控制,指導(dǎo)溫室生產(chǎn)管理。1日光溫室環(huán)境的動態(tài)模型1.1主要影響空氣濕度的因素日光溫室熱量的主要來源是太陽輻射,室內(nèi)空氣熱量的得失主要有以下幾種途徑:一是與溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)(即覆蓋材料、地面、后坡、后墻和側(cè)墻)的對流換熱;二是與室內(nèi)作物葉片之間的對流換熱;三是通過溫室通風(fēng)和縫隙漏氣與室外空氣進(jìn)行熱量交換;四是植物的蒸騰作用及土壤蒸發(fā)引起的潛熱變化。濕度是溫室內(nèi)重要的環(huán)境因素之一。日光溫室空間體積較小,當(dāng)室內(nèi)種植的黃瓜等大植株作物葉面積指數(shù)較高時,作物所進(jìn)行的蒸騰作用會在很大程度上影響室內(nèi)的空氣濕度。影響溫室內(nèi)濕度的物理過程主要有作物蒸騰、地面蒸發(fā)、溫室通風(fēng)等。1.2種植作物的陽輻射作用為了便于計(jì)算,筆者對日光溫室環(huán)境做如下假設(shè):一是忽略太陽輻射在室內(nèi)的反射作用;二是室內(nèi)種植的作物冠層溫度分布均勻;三是由于兩側(cè)山墻面積較小,忽略其與室內(nèi)空氣的熱交換;四是進(jìn)入溫室的太陽輻射只在土壤和作物冠層之間進(jìn)行分配。1.3后墻內(nèi)對空氣的對流換影響(1)日光溫室室內(nèi)空氣的能量平衡方程可表示為式中V―溫室內(nèi)部空間體積(m3);C―空氣比熱容(J/kg·℃);Wo—室外絕對濕度(kg/m3);Awl—后坡面面積(m2);him—室內(nèi)空氣對后墻的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);hpi—室內(nèi)空氣對作物冠層的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);his—室內(nèi)空氣對地表的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);hic—室內(nèi)空氣對覆蓋材料的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);hwli—室內(nèi)空氣對后坡面的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃);tc—覆蓋材料表面溫度(℃);to—室外空氣溫度(℃);tw—后墻內(nèi)表面溫度(℃);twl—后坡面內(nèi)表面溫度(℃);(2)室內(nèi)水汽平衡的方程為式中V—溫室內(nèi)部空間體積(m3);As—土壤面積(m2);Ep,Es—作物蒸騰和土壤蒸發(fā)率(kg/m2·s);W0—室外絕對濕度(kg/m3);1.4熱平衡方程用于溫室各部分的熱平衡方程1.4.1輻射平衡方程白天,陽光通過覆蓋材料進(jìn)入溫室,部分直射光、散射光以及室內(nèi)反射光被覆蓋材料所吸收。同時,覆蓋材料與溫室其他組成部分進(jìn)行長波輻射換熱,與室內(nèi)室外空氣進(jìn)行對流換熱,還以輻射形式與大氣層進(jìn)行熱交換。其能量平衡方程表示為式中So—室外太陽輻射照度(W/m2);αs—覆蓋材料對太陽輻射的吸收率;αsc—覆蓋材料和地面的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);αwc—覆蓋材料和后墻的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);αpc—覆蓋材料和作物冠層的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);αwlc—覆蓋材料和后坡面的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃)。2.4.2墻體傳熱反應(yīng)系數(shù)日光后墻是日光溫室的重要組成部分,具有一定的蓄熱作用,對于室外溫度的波動有一定的延遲和衰減作用。利用反應(yīng)系數(shù)法計(jì)算由室外溫度波動和內(nèi)壁面溫度變化造成的墻體傳熱,其熱平衡方程為式中Yw—墻體的傳熱反應(yīng)系數(shù);Zw—墻體的吸熱反應(yīng)系數(shù);tw(n-j)—某時刻墻體內(nèi)表面溫度(℃);asw—后墻和地表的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);acw—后墻和覆蓋材料間的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);awiw—后墻和后坡面的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);hiw—空氣和墻體間的對流換熱系數(shù)(W/m2·℃)。1.4.3太陽輻射模型上的能量平衡方程作物冠層吸收光能,如果忽略光合作用消耗的能量,則冠層吸收的光能一部分被作物蒸騰帶走,一部分用于升高葉片的溫度,一部分用于和室內(nèi)空氣進(jìn)行熱量交換。其中,作物截獲的太陽輻射能量與作物的葉面積指數(shù)有關(guān),則作物冠層的能量平衡方程為式中αsp—作物冠層和地面的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);αcp—作物冠層和覆蓋材料間輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);αwlp—作物冠層和后坡面的輻射換熱系數(shù)(W/m2·℃);Ep—作物的蒸騰速率(kg/m2·s);1.4.4熱平衡方程由于后坡面多為輕型結(jié)構(gòu),熱容量較低,故按穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算。其熱平衡方程為式中kwl—后坡面的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m2·s℃);αcwl—后坡面和覆蓋材料的輻射換熱系數(shù);αwwl—后坡面和后墻內(nèi)表面的輻射換熱系數(shù)。1.5自然通風(fēng)模型的建立,根據(jù)溫室日光溫室的自然通風(fēng)較為簡單,其通風(fēng)窗口僅分布在兩個不同的高度,因此利用流體力學(xué)理論,在已知室內(nèi)外溫濕度和通風(fēng)窗口的參數(shù)情況下,假設(shè)溫室進(jìn)排風(fēng)口開口大小相同,利用溫室自然通風(fēng)理論,得溫室自然通風(fēng)量式中L—溫室自然通風(fēng)量(m3/h);h—二通風(fēng)窗中心相距高度(m);μ—通風(fēng)窗口流量系數(shù);Ti,To—室內(nèi)、外空氣的熱力學(xué)溫度(K);Ca,Cb―進(jìn)排風(fēng)口風(fēng)壓體型系數(shù),其取值與建筑物外形及具體部位、風(fēng)向有關(guān)。1.6其他環(huán)境因素作物蒸騰速率是溫室內(nèi)顯熱、潛熱交換和肥水灌溉最主要的影響因子。目前,來采用PenmanMonteith模型來計(jì)算溫室作物的蒸騰速率。在Penman-Monteith模型中,認(rèn)為植物的蒸騰速率主要與入射到植物表面的太陽輻射強(qiáng)度以及溫室內(nèi)水蒸汽的飽和壓力差有關(guān),其他環(huán)境因素(如CO2濃度、室內(nèi)空氣壓力、營養(yǎng)液濃度等)影響較小,可以忽略不計(jì)。Penman-Monteith模型計(jì)算蒸騰的公式為式中Ep—作物蒸發(fā)率(kg/m2·s);γ—濕度計(jì)常數(shù),γ=0.0646kPa/℃;?—飽和水汽壓隨溫度變化曲線的斜率(kPa/℃);rn—冠層所得的凈輻射(W/m2);ae*―溫室內(nèi)部空氣的飽和水汽壓(kPa);cr―冠層對水汽的阻抗(cr=氣孔平均阻抗)(s/m);ra―邊界層空氣動力學(xué)阻抗(s/m)。作物冠層葉片截留的太陽凈輻射,一部分為葉面蒸騰所利用,剩下的才能到達(dá)土壤表面。由于作物冠層和土壤表面在太陽輻射能的分配方面存在著這種關(guān)系,因而土壤表面蒸發(fā)和作物葉面蒸騰之間存在如下關(guān)系式中α-土壤蒸發(fā)與葉面蒸騰的比例系數(shù),它與葉面積指數(shù)LAI等密切相關(guān),而且具有明顯的日變化。公式(1)～(9)即為日光溫室環(huán)境預(yù)測模型的主要組成部分。2試驗(yàn)地調(diào)查和預(yù)測結(jié)果為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性,筆者于2004年6,7月在北京市(東經(jīng)116。,北緯40。)農(nóng)林科學(xué)院的單棟塑料日光溫室內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)溫室為鋼結(jié)構(gòu)骨架,覆蓋材料為聚乙烯膜;溫室東西走向,脊高3.5m,跨度8m,長50m;溫室后墻為磚結(jié)構(gòu),厚度為50cm。室內(nèi)種植黃瓜,采用基質(zhì)盆栽,定植時間為2004年4月17日,種植密度為5株/m2。由于溫度較高,溫室采用自然通風(fēng),除靠近溫室東西兩側(cè)墻處由于結(jié)構(gòu)原因有2.5m左右的上下通風(fēng)口不能打開外,其余通風(fēng)口開度均為25cm。室外環(huán)境由安裝在溫室東側(cè)墻頂部的室外氣象站監(jiān)測,主要監(jiān)測對象為室外溫度、濕度、光照強(qiáng)度。室內(nèi)所測的環(huán)境因子主要為作物群體內(nèi)的溫濕度、室內(nèi)空氣部分的溫濕度、地表溫度、覆蓋材料溫度、后墻和后坡內(nèi)表面溫度。取2004年6月9～11日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,此時黃瓜的葉面積指數(shù)為2.5,預(yù)測的時間步長?t=10min。圖1、圖2為模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的比較。從圖1和圖2可以看出,利用該模型預(yù)測10min后室內(nèi)溫濕度的預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本相符。3日光溫室溫濕度變化模型該日光溫室環(huán)境預(yù)測模型建立在溫室質(zhì)能傳遞規(guī)律的理論基礎(chǔ)上,較全面地反映了室外氣象條件、溫室覆蓋材料、后墻、地面、室內(nèi)作物以及溫室通風(fēng)等主要因素對溫室內(nèi)熱環(huán)境的主要因素的影響。作者根據(jù)該模型,利用VisualBasic6.0語言編制了溫室環(huán)境模擬預(yù)測的計(jì)算機(jī)程序軟件。利用該軟件,可以根據(jù)溫室當(dāng)前室內(nèi)外環(huán)境條件、室內(nèi)作物和溫室的通風(fēng)狀況,模擬預(yù)測日光溫室室內(nèi)溫濕度的變化狀況。有關(guān)該模型的計(jì)算機(jī)程序編制、詳細(xì)的實(shí)測結(jié)果和誤差分析將另文敘述。ρa(bǔ)—空氣密度(3kg/m);L—溫室通風(fēng)量(3m/s);Wi—室內(nèi)絕對濕度(kg/m3);Ep—作物蒸騰率(kg/m2·s);E—土壤蒸發(fā)率(kg/m2·s);Ac—覆蓋材料面積(m2);Ap—作物冠層面積(m2);As—溫室地面面積(m2);Aw—后墻面積(m2);ti—室內(nèi)空氣溫度(℃);tp—作物冠層溫度(℃);ts