日光温室后墙自走式雾化降温机夏季降温效果评价

马永杰, 王星怡, 韩聪颖, 蔺玉红, 马 慧, 张雪艳

(宁夏大学农学院，银川 750021)

0 引 言

【研究意义】日光温室由于其能为作物提供适宜稳定的生长环境，提升作物的产量与品质，已经成为设施农业的主要类型[1]。但在北方夏季温室内常常超过40℃，这已经超过了大多数园艺作物的高温界限，温室高温严重影响了温室植物的正常生长[2]。在夏季温室生产中，通过适当的温室气候控制，采用不同的降温方法，可以延长夏季栽培期，获得适宜植物生长的温室气候条件。在为作物提供正常生长环境的前提条件下，研究其降温措施的合理有效性和经济性是提高温室生产效率的重要手段，在有效避夏季温室资源浪费的同时，对实现温室越夏生产和提高温室利用效率具有重要意义[3]。【前人研究进展】温室降温技术可分为通风(自然和强制)、遮阳、蒸发冷却和复合系统(热交换器)[4]。其中蒸发冷却被认为是最有效和最经济的方法[5]。如周伟、汪小旵等[6]基于CFD对Venlo温室夏季组合降温措施模拟进行了研究，通过自然通风、外遮阳+自然通风、外遮阳+自然通风+喷雾不同降温措施对温室综合降温效果的贡献率研究，得出3种降温措施下雾化贡献率最低，这是因为在南方较高的湿度影响了喷雾降温效率。张芳等[7]利用计算流体力学，模拟自然通风条件下及喷雾降温条件下的大跨度温室内的环境分布，分析了60 s开300 s关、90 s开300 s关和120 s 开 300 s 关3种喷雾运行模式喷雾蒸发冷却效率，从降温效果及喷雾蒸发冷却效率结合分析得出，120 s开300 s关的降温效果最为理想。在雾滴粒径方面，有研究表明，雾滴直径在15 μm左右，冷雾能快速蒸发，且不浸湿地面。雾滴大小主要由喷头决定，雾化降温喷头结构不同于传统喷头，在保证雾滴粒径大小的同时还要防止堵塞[8]。影响雾化效果的另一个因素是雾化机的水压，前人研究表明，雾化压力低于110 kPa时，降温幅度随着压力的增加而升高，反之，则降温效果趋于平滑；湿度随压力增大而不断增加，综合考虑温度和湿度2个因素，喷雾压力为100～120 kPa最为合适[9]。【本研究切入点】尽管前人对雾化降温各方面影响因素做了大量研究，但仍存在以下问题：夏季7、8月气温高时，温室内每隔30～60 min就要进行喷雾降温，而目前大多数的温室以人工控制喷雾为主，不但控制精度低且人工成本高，影响作物成活率和后续生长[10]。目前大多数温室利用喷头进行雾化，容易造成堵塞。研究以自主研发的后墙自走式雾化降温机为材料，选取典型连续高温天气，系统分析雾化机械1 d内不同时间段不同雾化模式(雾化时间和雾化间隔)的降温效果，分析了雾化过程中温室垂直和水平方向的温湿度变化，明确不同时段的最佳降温的运行模式。【拟解决的关键问题】利用自主研发的设施悬挂自走式雾化降温、喷药、喷肥一体装置，总计9种运行模式，在夏季晴天高温条件下开展降温效果评价试验。为越夏生产温室合理雾化降温以及为雾化机改进和智能化运行提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 温 室

试验地位于宁夏银川市贺兰县宁夏园艺产业园4号日光温室(38°26′N，105°53′E)。温室南北走向，长60 m，跨度7 m，脊高3.4 m，温室为拱形钢骨架结构，覆盖材料为单层0.08 mm的PO塑料薄膜。上下通风口最大开度为0.9 m。温室内部靠北墙过道宽1 m，过道与栽培区域由玻璃墙隔断；栽培区从东至西由玻璃墙隔断为4 个区域，试验选择区间1、2、3区域为试验区，区间4为对照区域[11]。图1

图1 试验温室三维立体Fig.1 Three-dimensional view of the experimental greenhouse

1.1.2 仪 器

试验选择8月室外气温较高，且持续高温误差较小的3 d进行，利用北京昆仑海岸传感技术有限公司的EC-JWSM-3AT型温湿度传感器(湿度0～100%RH，准确度：±1%RH；温度0～50℃，准确度：±0.5℃)对温室温湿度信息每1 min采集一次，采用记录仪上位机对采集的数据进行监测和动态变化分析。每个区间布置5个温湿度传感器，每个传感器可同时测量温度和湿度；水平方向2个测量点，分别位于距地面高0.5 m，距后墙走道外沿2和4 m处。垂直方向3个测量点，分别位于距地面高0.5、1.5、2.5 m，距后墙走道外沿3 m处。其中垂直方向0.5 m与水平方向3 m共用一个测点。图2

图2 温室试验区设计和温湿度传感器分布示意Fig.2 Schematic diagram of greenhouse test area design and temperature and humidity sensor distribution

1.1.3 雾化降温系统

雾化降温机由行走导轨、行走装置、喷洒装置、供液装置、控制装置等部分组成。装置行走导轨架安装在温室大棚骨架的下方，总长60 m，宽度0.1 m，中间有若干吊支架固定；雾化系统由行走装置通过电机驱动在行走导轨上移动，行走速度可调节；供液水箱与雾化风机连接，供液水箱储水量为0.03 m3，雾化风机由供液水泵供水，水泵流量为200 L/h，为防止水泵空转，水箱内安装有水位开关；雾化风机为圆形，直径0.37 m，风机转速为3 000 r/min。

雾化装置开启，引流水泵将水引入雾化机盛液槽，风机在高速运转下将引流装置喷出的液体喷射到离心挡水盘上，在离心挡水盘的作用下从离心挡水盘的边沿流出，网状的外防护支架位于离心挡水盘的前部，外防护支架的边沿的内缘大于挡水盘的外缘，以形成水雾喷出的环形通道，外防护支架的边沿的内缘上均匀间隔有若干凸起，从离心挡水盘流出的液体冲到凸起上被打散成水雾，并使水雾在风机叶片的作用下向前喷出，水雾与空气混合，利用水蒸发潜热的特点，在风力的作用下带走温室内热空气。图3

图3 雾化降温机实物Fig.3 Real thing of automization cooling machine

1.2 方 法

设置雾化机分别运行4、8、12 min，分别间隔20、40、60 min。共设置了9种运行模式：4-20、4-40、4-60、8-20、8-40、8-60、12-20、12-40、12-60分别代表以上9种运行模式。试验在每天09:30～17:30温室内温度较高时间进行，09:30～12:00为上午阶段，12:00～14:00为中午阶段，14:00～17:00为下午阶段。

1.3 数据处理

每个处理有3个重复，使用Excel 2016与SPSS 25进行数据处理，作图软件采用Origin 2018，温室三维立体图采用SketchUp 2019进行绘制，雾化区和对照区温湿度分别为各雾化处理3 d的平均值，降温增湿幅度为雾化机运行期内雾化区与对照区差值。通过单因素ANOVA进行分析，采用Tukey分析进行P< 0.05水平的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 雾化机整体降温增湿效果

研究表明，3 d室内最高温均超过40℃，湿度最低值都在25%以下。整个高温期内雾化区间湿度比对照区高出3%～6%。其中3 d湿度最大值分别在出现10:13，湿度为64.5%；10:16 am，湿度为60.5%；09:50，湿度61.9%；且湿度最大值均出现在第一区间垂直方面2.5 m处。3 d湿度最小值分别出现在14:51，湿度23.3%；14:20，湿度21.4%；14:20，湿度23.3%；棚内最高温分别出现在13:58，温度43.7℃；14:21，温度45.2℃；14:12，温度47.3℃；最高温都出现在垂直高0.5 m处，湿度最小值均出现在对照区间垂直0.5 m处，在14:00～14:50这一时间段内，棚内温度达到最大，湿度最低；对照区湿度低主要是没有进行雾化降温，0.5 m处温度湿度低主要是这一时间段内环境气温达到最高，再加上地面的太阳辐射热量导致这一水平温度高湿度低。图4

图4 雾化区和对照区3 d平均温湿度变化Fig. 4 Change of average temperature and humidity in atomization cooling and control regions

2.2 不同运行模式不同时间段降温增湿效果

研究表明，上午阶段温室环境温湿度变化幅度大，温度1 h上升4.5℃，湿度1 h下降8.2%，上午进行雾化降温，环境温湿度变化影响降温效果。雾化4 min降温0.6～1.2℃，增湿2.5%～4.8%；雾化8 min降温1.2～2.5℃，3.1%～6.7%；雾化12 min降温1.3～2.5℃，增湿4.0%～7.2%。12-40运行模式的温度降幅最大，且降幅显著高于4-20、4-40、4-60、8-20运行模式，与8-40、8-60、12-20、12-60运行模式差异不显著。12-60运行模式增湿效果最好，均显著高于其他处理。综合降温增湿效果分析，在上午阶段运行12 min，间隔60 min运行模式最佳。图5

图5 不同运行模式上午阶段降温增湿效果Fig.5 Cooling and humidifying effects of different operation modes in the morning

中午高温时雾化区与对照区差异相对上午阶段的小，此时温室内温度达到40℃以上，湿度为25%～30%，运行4 min只能降温0.2～0.8℃，增湿3.5%～4.7%；运行8 min降温1.0～1.8℃，增湿4.1%～6.2%；运行12 min降温1.5～2.0℃，增湿4.5%～5.8%。8-20运行模式与雾化4 min的3种模式相比降温幅度与增湿幅度均达到显著水平；与雾化12 min 3种运行模式差异不显著，因此在中午当雾化时间从4 min增加到8 min时能够提降温增湿，当运行时间增加到12 min时并不能继续提高降温增湿效果。中午阶段运行8 min间隔20 min效果最好。图6

下午阶段运行4 min降温0.7～1.7℃，增湿4.5%～7.2%；运行8 min降温1.0～2.7℃，增湿4.7%-5.6%；运行12 min，降温2.5～4.5℃，增湿6.7%～8.3%。运行4 min和8 min的降温增湿效果差异较小，当运行时间增加为12 min时，降温增湿幅度大幅提高，在降温方面，12-20运行模式降温幅度最大，与其他运行模式差异达显著水平；增湿效果方面，12-20与4-20、12-40、12-60差异不显著，与其他运行模式差异显著。在下午增加雾化时间可以快速的降低温室内1 d积累的热量，达到降温增湿效果。下午运行12 min，间隔20 min效果最好。图7

图6 不同运行模式中午阶段降温增湿效果Fig.6 Cooling and humidifying effects of different operation modes at noon

图7 不同运行模式下午阶段降温增湿效果Fig.7 Cooling and humidifying effects of different operation modes in the afternoon

2.3 雾化区与对照区水平方向温湿度变化

研究表明，水平方向雾化区间温度：4 m>2 m>3 m，而对照区温度为：3 m>4 m>2 m；雾化区湿度：3 m>4 m>2 m，对照区湿度：2 m>4 m>3 m。雾化区间水平3 m处温度最低，湿度最大，湿度最大比2 m处高4.0%；对照区3 m处温度最高，湿度最小，雾化机集中雾化区域在水平3 m处；雾化机功率太小或者水雾雾粒太大，水平4 m以外的地方雾化效果不是很明显。图8

图8 雾化区与对照区水平方向温湿度变化Fig. 8 Changes of temperature and humidity in the horizontal level in automization cooling and control regions

2.4 雾化区与对照区垂直方向温湿度变化

研究表明，垂直方向雾化区间温度：0.5 m>1.5 m>2.5 m，对照区：0.5 m>2.5 m>1.5 m；雾化区湿度：2.5 m>1.5 m>0.5 m，对照区湿度：1.5 m>2.5 m>0.5 m。雾化区垂直方向2.5 m处温度比0.5 m处平均低2.3℃，湿度平均高5.4%，最大温差为3.1℃，最大湿度差为6.9%；从图9a、b可以看出最大温湿度差值都出现在14:00～14:30，该时间段温室温湿度达到1 d的峰值，在温室温湿度达到峰值时垂直方向雾化降温能够起到较好的降温效果。图9

2.5 最佳运行模式降温增湿效果评价

研究表明，在上午阶段得出雾化12 min，间隔60 min增湿效果最好，上午10:04～11:16这段时间雾化12 min后温度降低、湿度增大，10:16雾化结束时雾化区湿度比对照区高出13.0%，温度低2.5℃，降温效果显著；等待60 min后雾化区与对照区温度相差0.8℃，雾化区湿度仍能保持比对照区高出5.4%。在保证降温增湿效果的前提下，考虑到运行成本和对雾化机的保护上午阶段12-60运行模式合理。

中午阶段温室内的温度达到最大，湿度最低，此时通过持续雾化很难达到理想的降温效果，可通过合理间断的雾化来保持温度恒定，雾化8 min后雾化区与对照区能够保持1.6℃的温度差值和8.3%的湿度差值，随着气温的升高12 min后雾化区与对照区温度相同，湿度差值缩小为2.8%。因此中午为保证有效的降温增湿应该调整运行时间为8 min，间隔12 min较为合理。

下午虽然外界环境温度降低，但1 d的高温使得温室内积累大量热量且处于密闭环境，短时间内温度很难降低，通过持续的雾化能够使温室湿度回升温度下降；运行12 min后雾化区温度下降1.4℃，湿度增加8.0%，间隔20 min后雾化区温湿度回升达到与对照区相同，此时继续采用12-20运行模式能够使得温度下降，湿度增加。下午阶段最佳运行模式为运行12 min，间隔20 min。图10-12

3 讨 论

周年高效、优质生产是日光温室的发展方向[12]。日光温室在夏季生产中经常出现持续性高温或低湿状况，对作物生长极为不利[13]。高温一方面使作物呼吸速率增强，导致干物质积累减少，影响果实品质；另一方面使蒸腾作用加快，温室内湿度降低，严重时可造成作物枯死[14]。试验在自然通风的情况下利用自主研发雾化机对温室进行雾化降温，使其能正常组织生产，从而提高周年利用率[15]。

图9 雾化区与对照区垂直方向温湿度变化Fig.9 Changes of temperature and humidity in the vertical level between the in atomization and control regions

图10 上午12-60降温增湿效果Fig.10 Cooling and humidifying effect at 12-60 am

图11 中午8-20降温增湿效果Fig.11 Cooling and humidifying effect at 8-20 am

图12 下午12-20降温增湿效果Fig.12 Cooling and humidifying effect at 12-20 am

研究表明，上午阶段运行12 min，间隔60 min降温增湿效果最好，主要因为上午温室内温度上升较快，需要增加雾化时间来达到有效降温，间隔时间长说明温室内还没有达到持续高温状态，室内水分蒸发较小，较长的间隔时间能够满足温室环境湿度要求，这与张芳[16]研究关于不同循环喷雾模式降温效果，当室内气温升高时，适当增加喷雾时间利于降温以及提高喷雾蒸发效率相一致。雾化降温的原理是利用水蒸发吸热从而带走大量温室热量。但由于夏季室外空气高温干燥，温室内存在低湿胁迫，喷出的水雾大部分用于补充室内湿度，很少部分的用于蒸发吸热[11]。中午需要采用雾化8 min，间隔20 min这种雾化时间相对较长间隔时间短的运行模式来保证温室内湿度的补给。下午最佳运行模式为运行12 min，间隔20 min，在9种运行模式中这是雾化时间最长间隔时间最短的运行模式。下午阶段温室内温度达到一天内最高值，湿度达到最低值，通过增加雾化时间减少间隔时间来降温增湿效果最好[17]。

在雾化降温过程中，温室室内的温湿度存在垂直和水平方向梯度变化的现象[18]。雾化效果主要由大量集中的喷雾量决定，雾化机的雾化量和喷雾距离取决于雾化机本身的功率。水平3 m处降温增湿效果明显，雾化机集中雾化区域在水平3 m处。相比于垂直方向，水平方向各梯度的变化不明显，Aahmed H等[19]的研究结果表明，在干旱地区蒸发冷却温室中，在垂直方向变化远大于水平方向的变化。在垂直方向，2.5 m处降温增湿效果最好，一方面是因为0.5 m处距离地面近，地面太阳辐射量大；1.5 m处植株茎叶密集，空气不易流通，雾化机的水雾在下落过程中蒸发或者被植株遮挡所导致，另一方面是因为雾化机高度在2～2.5 m，与J. Xu等[20]研究结果循环风机可以降低温室较高部分的空气温度结果相一致。

在温室内温度超过40℃条件下，与对照区相比，该雾化机能够达最高降温2.3℃，增湿11%的降温增湿效果。但是仍存在雾化机运行与间隔时间不够细化、中午超高温时降温增湿效果不明显等问题，后续研究需要在得出的最佳运行模式基础上进行更为细致精确的研究，中午温度过高时可采用基于光照的75%遮阳系统与雾化结合进行综合调控[21]。

4 结 论

日光温室后墙自走式雾化降温机在夏季高温情况下，上午最佳运行模式为运行12 min，间隔60 min；中午为运行8 min，间隔20 min；下午为运行12 min，间隔20 min；水平方向3 m处雾化降温效果最好，平均降温1.3℃，增湿7.6%；垂直方向2.5 m处的降温效果最好，可降温2.3℃，增湿11%。