设施栽培气候效应与内部微气候

罗天相

摘要: 本文介绍了设施栽培中的五大气候效应, 以及大气条件、设施结构、设备对内部微气候的影响。由于常是数个效应相互影响内部微气候环境, 故温室的环控作业往往需要利用数个效应的相互影响, 综合利用这些效应以实现设施内部微气候的精确调节。

关键词: 气候效应; 设施栽培; 微气候

设施内部微气候的影响因子主要有三大项：一是大气环境：即设施所在地的气温、相对湿度、日照量、风速、风向等大气环境；二是结构与材料：包括温室长、宽、高、屋顶角度，披覆材料的透光性、传热性等；三是环控设备：包括天窗、侧窗、两侧卷起、风扇、水墙、喷头、加温机等。设施栽培中因为温室结构牢固，具有墙壁与屋顶，又可安装各种环控设备，所以具备了比较完备的内部微气候的调节能力。但由于上述众多影响因子的相互作用，都能够影响到设施内部的温度、相对湿度、光量与风速等，这也导致设施内部微气候不易掌握。综合比较重要的因子分析，可以看出设施内部微气候主要是受到数种气候效应的综合影响。

1 温室效应

温室效应代表在一个空间内，进入的能量高于逸出的能量，因此系统内部的温度随之增加。在设施栽培中，当冬天气温降低时，遮雨棚内部温度也随之降低，但通过使用塑料布围绕四面空间，可以提高内部温度，这就是温室效应。在夏天，利用外遮荫网能阻挡部分太阳能进入设施内部，因此，有外遮荫网的设施内部气温比没有外遮荫网的内部气温低。这是由于有外遮荫时进入设施的太阳辐射能量较小的缘故。

利用温室效应，可以应用在设施内进行加温与降温作业。设施内如果需要加温，就要使进入的能量增加，因此可以采用遮光率较高的披覆材料，增加阳光的入射量。假如是在夜间，没有阳光，则可使用加温机以提高内部热量。若设施需要降温，则应设法使进入能量减少，逸出能量增加。例如可以使用负压风扇将外界空气抽入温室内部而逐出内部热空气。

2 阳伞效应

与温室效应有相反效果的气候效应称阳伞效应。一个空间内的热量，可以通过长波辐射的方式离开内部，而外界的能量被阻挡而不易进入，因此空间内的温度几乎与外界温度相同，甚至比大气温度还低。这种阻挡外界能量进入，而使内部能量逸出的气候作用，称为阳伞效应。在设施栽培中，利用遮荫网减少日照量，使温室达到网内环境清凉的效果，这就是阳伞效应。

3 绿洲效应

在沙漠地区，由于没有水分，气候特点是高温低湿，因此几乎没有动植物能够存活。但在沙漠地区只要有水源，水分与空气混合后，降低了空气温度，提高了相对湿度，那么湿润的空气就能适合作物成长，形成适于生物生存繁衍的环境条件。在气象学原理上，空气与水混合，空气的热量使得水分从液体转变为气体(蒸发作用)，空气的热量被水分吸收因此减少，空气温度因此得以降低(冷却作用)；同时水分变成水蒸气进入空气内部，而使空气内相对湿度增加。这种水与空气混合产生的降温加湿的结果与沙漠中绿洲的形成十分相似，因此被称为绿洲效应。这种过程也称为蒸发冷却作业。

绿洲效应来自水与空气的混合。因此绿洲效应的作用条件在于：一是有足够的风量与风压，二是有足够的水分，三是有足够的时间使水与空气得以混合。但是绿洲效应并不是没有极限。空气吸收的水分越多降温效果越好。而空气吸满了水分不能再吸水，降温能力就到了极限，不能再降温。由此可知，空气越干燥相对湿度越低，与水分混合时就能够吸收更多的水分，因此降温的效果越好。空气越潮湿相对湿度越高，与水分混合时就只能吸收少量的水分，因此降温的效果不佳。夏天，在我国的北方地区，典型气温36℃时，相对湿度往往仅有10% ~20% 。经过水分混合，蒸发冷却进行降温，空气温度可降低至18~20℃。而此时在长江中下游地区，当温度36℃时，相对湿度约60% ~70% ，经过水分混合，蒸发冷却降温约至28.5℃。因此南方地区夏天冷却降温的效果不如北方干燥地区，其降温极限为28~29℃。

4 烟窗效应

由于空气的温度影响密度，热空气密度小，重量轻，向上升；冷空气密度大，重量重，向下降。所以可以通过冷热空气的交替作用，使冷空气流入设施空间内而将空间中原有的热空气向上或向外排出。烟窗的作用就在于利用这种冷热空气密度的不同而使热空气排出去，这种利用冷热空气密度差异的排气作用称为烟窗效应。应用烟窗效应能够排出的风量，通常以下列公式计算：交换风量=通风系数×开口面积×（ 烟窗高度×内外温度差）0.5由此可知，烟窗效应的空气换气量和开口面积成正比，也和烟窗高度、内外温度差的平方根成正比。烟窗越高，内外温度差越大；开口面积越大，烟窗效应的通风换气量越好。这里的开口面积，通常指两个开口：入口与出口。两个开口都要维持开放，以保持空气的对流，如果有某一个开口被阻塞或封闭，烟窗效应就会失去作用。在大气温度范围10~40℃，要能够有效进行内外换气，开口面积必须为地面面积20% 。由于利用温差对空气产生的浮力有限，所以温室的宽度不应该超过24m。温室中使用天窗与不同侧窗交互开启以调节微气候，它的作用原理就是利用天窗与侧窗共同调整开口面积与烟窗高度。

5 风压效应

风压效应代表利用空气的压力差，即高压往低压流动的原理，使设施外界的冷空气流入设施内部，逐出内部热空气。产生风压效应的方式有两种：一是利用大自然的风力，又可分为正压与负压；二是利用电源驱动抽气风扇，也可分为正压风扇与负压风扇。

5.1 大自然风力作用

当自然界的空气流动，向风的结构面为正压，风流过时产生推力。背风的结构面为负压，风流过时产生吸力。正压力的利用方式是使自然风力直接进入设施内部，并将内部热空气逐出。遮雨棚与遮阴网的自然通风降温，就是利用这种正压力的风压效应。这种效应的效果由风量和风速决定，而设施的风阻因子(例如有无防虫网，防虫网的网目，梁柱的直往，梁柱排列的距离等)也会影响到风压效果。

对负压而言，应用于风力足够的地区。应用方式因风向而再分成两类：

5.1.1 风向固定。主要应用于我国部分沿海地区，白天海风从海上吹向陆地。晚上则相反，从陆地吹往海上。在山区与河流相临的地方也有这种气候。风压效应的利用方式采用负压吸力作业。使屋顶的开口与风向相背，因此自然风力通过屋顶时产生吸力，使内部空气得以吸出。这种方式对于大规模连栋温室特别有效。

5.1.2 风向不定，风量足够的地区。针对风向而调整天窗开启的方向，利用天窗两侧开启角度的不同，产生负压效应。荷兰温室就比较善用负压效应，因此在温室区普遍加装风向计、风速计。利用风向、风速的信号来调节天窗开启的角度。

5.2 机械通风

在自然界风力小，或无风地带，要利用风压效应将设施外界大气空气引入，唯一的方法就是使用机械风扇。机械风扇因结构的不同分成两大类型。

5.2.1 正压风扇。这是设施栽培中常见的风扇。从后方抽气，向前方送出，因此达到通风效果。这种风扇的优点是可以应用在开放的设施中如遮雨棚，遮荫网等。缺点在于送风距离有限，送出的风力不均匀，在设施内容易产生风力达不到的死角。

5.2.2 负压风扇。可称为温室通风的专用风扇。安装于温室的一侧，另一侧为入风口，通常为防虫网或加装水墙。温室两侧要完全气密以减少风压短路，工作时将外界空气吸入温室充分混合后再排出。风力作用均匀，温室内部无死角，这是负压风扇的最大特点。

6 讨论

通过了解设施中的五大气候效应，以及大气条件、设施结构、设备对内部微气候的影响，将有助于我们实现设施内部微气候的精确调节。但是在实际作用上，由于往往是数个效应相互影响内部环境，而不是单一的效应作用，这也导致设施内部微气候不易掌握。故温室的环控作业往往需要利用数个效应的相互影响性，例如文心兰的喷雾间歇式降温，应用阳伞效应阻隔阳光，利用绿洲效应以降温加湿，并依靠风压效应送出饱和空气。因此如何综合利用这些效应就成为设施环控设备安装的重点。