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2019年4月3日 作者:xwz2367609 [返回]
支撑垂直农业与垂直农场发展的温室设施技术(3)

第一节、  能源技术创新

在工业时代煤炭石油资源是主要的能源,未来生态文明时代,绿色能源与节能减排将是时代的主旋律;农业生产的能源消耗也遵循同样的发展规律,首先发展垂直农业与垂直农场,利用都市环境发展农业生产,让农产品送达消费者手中的距离缩短,减少运输的能源消耗,这是宏观上的节能措施;但对于运行的垂直农场与垂直农业的相关环境调控与设备设施运行消能,也得通过创新以实现最小的能源投入,达到最佳的生产效果,一可以降低生产成本二可以为低碳生产生活作贡献,以下就一些实用低成本的节能创新措施作简要介绍。

一、        双膜与填充肥皂泡保温措施

当前丽水农科院开发的各种类型网架温室,都是采用外三角内蜂窝的空间桁架结构,只需于寒季实施内蜂窝的卡内膜操作,即形成了双膜保温效果,双膜之间具0.5-0.8m的空间夹层,从而起到了减少辐射散热与空气对流散热的效果,以达到保温节能的目的。

以空间总体积为7200m3的矩式鸟巢温室为例,在覆盖单膜的前提下,当外界气温降至-10℃,需保持温室内气温10℃,每小时需耗能1210222KJ的热量;当温室卡覆内膜采用双膜覆盖后,保持上述温度,需每小时耗能834912KJ的热量,即每小时可以节能375310KJ热量,换算成大卡即为89661.559千卡热量,以燃煤热风炉计,每公斤标准煤可释放7000大卡热量,即覆双膜比单膜每小时可节省燃煤12.8公斤,以加温时间从晚上6点至次日9点计,15小时,覆双膜可实现节煤192公斤;通过换算,双膜与单膜相比,在不加温情况下可达到6.2℃的温差。

综合双膜的节能效应,寒季覆双膜产生的温室效应比单膜结合加温在成本上要划算,以厚15丝的进口膜计,该温室需1600平方米,价格每平方米4.8元计,成本为7680元,以使用寿命4年计,每年分摊成本为1920元;以北方气候加温天气2个月计,单层与双层膜加温比较,可节省燃煤11.5吨,以每吨标准煤600元计,需增加燃煤成本6900元,而覆内膜年成本只需1920元,说明覆双膜是项较为划算的辅助调控措施。

如果在双膜基础上再进行夹层的肥皂泡填充措施,基本可以达到温室内外的绝缘效果;目前,丽水市农科院在肥皂泡保温上已做了大量有效的工作,开发的肥皂泡发生器可达每小时40m米的功率,基本可以满足垂直农场与垂直农业的大型温室所需;另外在肥皂泡的稳定持久性上的研究也有较大进展,对于极寒区,采用发泡液中添加甘油的方式以解决发泡液结冰问题,同时也使肥皂泡寿命大大延长,可达2小时之久,大大提高了肥皂泡的寿命,减少发生器的发泡频率。肥皂泡夹层填充技术不仅仅用于保温,在太阳曝晒的高温夏日,还可以通过肥皂泡发生技术达到遮阳及降温效果,实施肥皂泡填充遮荫,把直射强光转化为漫射光,并且过滤了热量,其效果优于常规的遮阴方式。

二、        水蓄热节能保温

水是自然界所有材料中比热容最大的材料,是天然的相变物质,其比热容是土壤、沙、砖、混凝土的3-5倍,如干砂为0.19千卡/公斤˚C、混凝土为0.21千卡/公斤˚C、砖为0.22千卡/公斤˚C、水则为1.00千卡/公斤˚C,其中土壤因含水量的不同而不同;高比热容是发挥蓄热功能的关键,所以在球形鸟巢温室的建设中,中心区域一般建成水体用于养殖及蓄热;矩式鸟巢的工厂化栽培则于温室内的过道两侧布设化工桶水墙,用于寒季蓄热,化工桶水墙具有成本低建设便利搬移灵活的优点;化工桶水墙即以化工桶为容器,桶内装水,桶表面涂黑以增加吸热性,夏季高温时可以搬撤化工桶或者排放蓄水,并于桶表面涂白色的反光涂料,实现蓄热功能的可撤性,传统土墙温室常会出现夏日高温问题,而化工桶水墙温室则可灵活取消蓄热功能。

三、        地热资源的应用

大家都熟知,钻井至一定深度的地下水,其终年水温将稳定于17-18℃;利用该特性结合垂直农场与垂直农业的水培或者气雾培,以达到根温的高效化节能调控;对于作物的生长,地下根温调控效率高于地上枝叶环境温度的调控;通常对根温干予±1℃,相当于地上环境温度±3-5℃效果;如夏日高温季节对营养液进行致冷,让营养液温度保地在1821℃,可以于气温32-35℃以上的气温环境下正常栽培低温型的结球莴苣或者上海青,应用该理论,我院已将气雾培技术在热带沙漠地区的纳米比亚国及阿联酋得以蔬菜的成功栽培;遇到冬季的寒冷天气,同样可以采用营养液加温的方式来实现节能,也就是根温升高 1℃,相关于温室气温升高3-5℃的增温所带来的生长促进效应;进行营养液的加温或致冷是应对高温与寒冷天气的节能措施,比整体温室的降温或升温节能大量能源。

更为节能的措施就是利用地热,在栽培过程中通过对根区供液系统的切换得以实现,比如高温季节的蔬菜工厂,白天可以利用地下水对根系进行弥雾,夜晚切换成营养液供液;到寒冬季节,可以白天供应营养液,夜晚供应地下水;建设管道供应系统时,只需于主管处安装一三通切换即可。

第二节、  控制技术创新

温光气热肥水的调控是垂直农场与垂直农业生产过程中重要的调控因子,为作物创造最佳的微气候环境是实现作物高效化生长发育的基础;设施化农业从某种角度来说就是研究环境可控化的农业,作物的生长发育就是在适合环境条件下基因的正常与快速充分表达的过程;控制技术有依靠传感器为输入信号凭智能决策判断并发出执行指含的电气化控制模式,也有无需依靠电气设备进行无动力的控制,所以控制分为主动控制与被动控制,被动控制精度不高但不依赖电能,这方面控制的因子与范围有限,但也有在生产上所应用。

一、主动控制

主动控制指基于传感器的智能化自动控制方式,如用于温室环境的控制,主要有湿帘风机的开与关控制、温室遮阳网的启与闭控制、温室人工补光的自动控制、寒季热风炉的加温控制、自动卷膜的通风控制、空间的自动弥雾增湿等;这些控制都得基于温度传感器、光照强度传感器、湿度传感器为基础的智能决策控制;用于栽培过程的控制,主要有营养液温度的调控、营养液水位的调控、营养液浓度EC值调控、营养液水泵循环的间歇控制等,这些控制得基于EC值传感器、液温传感器、水位传感器、根区温度传感器、叶片湿度温度及水膜传感器的数据采集;由环境调控及栽培调控构建完整的设施农业自动化控制系统,在垂直农场与垂直农业的调控中随着管理精细度要求的提高,今后还会细化更多的传感与控制,如微位移传感器、作物茎流速传感器、二氧化碳浓度传感器、PH值传感器、风速传感器、雨量传感器、基质湿度传感器、溶氧传感器等。不管什么参数控制必须基于传感器技术,方可以实现管理的数字化自动化与精准化,所以实用低成本传感器的开发应用,是实现垂直农场及垂直农业实用化高效化生产的关键。

二、被动控制

被动控制在农业设施上的应用研究,国内较少,丽水农科院在被动控制的研究应用上起步较早,如用于开窗的无支力顶杆,用于揭膜通风的记忆弹簧,还有用于鸟巢温室顶通风的无动力通风器;以下就目前被应用的被动控制作简要说明。

1、记忆弹簧在掀膜调温及无动力通风器挡板启闭上应用

1932,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到"记忆"效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的跃变温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为"神奇的功能材料"
    
记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有记忆功能而自然展开,恢复抛物面形状。

1)在自动掀膜上的应用

雾培蔬菜工厂的管理上,当温室气温升高时,可以掀起边膜实行自然通风通降,所以掀膜的管理也是一项日常工作,而采用形状记,而采用形状记忆合金制作的弹簧可以实现自动掀扣边膜,达到自动启闭的科学管理效果。那么它是如何实现呢?请看以下原理及巧妙之设计。

1)、材料及原理
   
记忆金属制作的弹簧,在冷却时结晶构造发生变化,此时如有外力作用就会产生可塑性扩张,相反,当受热时其结晶构相还原,在没有外力作用时就会发生原型收缩。

 


2)、制作方法
   
选择粗度为1.4mm的记忆金属丝为材料(1221),制成圈径为29.4 mm,卷数为15 的弹簧式线圈(因经试验该规格应力作用最为合适);把它一端吊缠在拱棚的支撑杆上,另一端钩绕在膜缘用于压扣边膜的且有一定重量的压膜导管上,一般压膜管的重量为1400g为佳,可以通过延伸管长来达到该重量,实现膜的大面积掀扣动作,可以每隔一定距离装扣一根弹簧,掀扣膜的幅度可以通过调节弹簧扣绕的位置与伸缩幅度来进行调节,离棚顶越近,关与掀的幅度就越大,也可通过调节压膜导管的长度重量来调节(图12-22.

2)在无动力通风器挡板启闭上应用

在免农药蔬菜栽培中,除了栽培模式(水培或气培)所带来虫口滋生场所的净化外,更重要的一项措施就是利用防虫网对于外侵害虫的物理隔绝,这种方法是最为有效,而且是被许多发达国家所采用的技术措施,但因为防虫网的覆盖使用,会使大棚环境的通风恶化,导致棚温的骤然升高.虫网的目数越大,网格越丝,防微虫的效果就越好,但通风效率就越差,虫网目数越小,网格越粗,通风虽好,但有些微虫有可能还会进入.针对这个问题,生产上可利用棚顶设天窗通风的方法得以解决.这种设计,就是利用热空气上升的隧道效应,只要在棚均匀设计通风口,而且通风口处也需覆上防虫网,否则也是虫的入侵口.经这样设计的大棚,一方面可以起到防虫效果,又不会使棚内温度骤升,可以在生产上达到实用的效果(12-23,12-24).

这种顶通风的模式较利于防虫免农药栽培,但在开启关闭通风口的管理上还是较为繁琐,特别是在面积较大的情况下,当然也可以采用电子控制法实现自动开启,但这难免增加了投入之成本,而且电子法有时也会出现控制失灵,采用记忆金属弹簧的设计,既可实现无动力化开启关闭,又可以在远离电力供应区域的大棚设施内运用,是一种实用范围广成本低的新方法新技术。在小拱上的运用上述已介绍了开启边膜的方法,但在较大的设施大棚条件下,开启顶通风更为科学与方便,所以生产上面积较大的大棚蔬菜生产区以顶通风设计模式较利于推广运用。以下就是顶通风大棚的无动力开启关闭通风的装置,在30米长的标准大棚顶部均距地安装三个无动力运风装置即可,实现自然的对流通风。

这种通风设计,不仅仅是动作的开启与闭合,而且可以通过对弹簧伸展度的调节来调控开启度,从而实现温度的精准调控,其调控范围可在040域值间调节,温度的误差在+-5间,有类似电子控制的准确度。这种基于机械力学的高科技材料通风系统使用寿命长可达10年以上,这也是电子控制所不能比的。这种形状记忆合金能通过常温下的膨胀与收缩进行重复性的调节,具有因温度的变化自动地开关通风口的机能。用户可因栽培的需要进行希望温度的设定,以保持大棚内温度变化的动态平衡,为理想栽培创造最适的气候环境,对于栽培生长促进与病虫害的控制都起到了很大的作用,是实现免农药栽培与省力化节能栽培的一项新辅助技术.

2、球形鸟巢温室的无动力通风设计

温室的通风除了影响温度外,还影响到作物光合作用的二氧化碳流通,当温室通风条件差时,作物容易得病。而且在夏季高温天气,如果没有良好的通风,温度的骤热会给作物生长带来生理压力,而严重影响生长发育,严重时会出现高温灼伤,当温室温度超过35℃时,大多数作物会出现午休现象;普通温室的通风采用掀膜透气或者排风扇主动通风,而球形鸟巢温室,它可以轻松地实现对流通风而无需太多的动力;因球形的圆顶结构,会使热空气上升聚顶,只需于温室的顶部开窗透气,于温室的下方开设入风口,就会像烟囱一样,源源不断地外排热空气;更为巧妙的是风从下窗口吹进后会在球体内产生涡旋加强效应,使风速加快,更利于顶窗的热气流外排,这种通风设计无需动力,不像传统的隧道式温室需要排风扇的动力辅助,因传统温室大多采用横向排风,而球体温室结构使自然气流作用下不需动力就可以实现垂直的纵向通风;那么窗的启闭如何去控制呢,传统的温室大多采用手动方式,或者电动功能结合,而鸟巢型温室的新设计,我们创新性地开发了无动力智能顶杆系统,只需每扇窗安装一至二根顶杆就可以实现自动启闭;当温度高时自动顶开窗户,当温度下降至一定范围,顶杆在弹簧作用下收缩关闭,而且更重要的是顶杆是可以调节范围的,可以设定温度值,这种无需电动力的智能系统,主要是根据乙醚或石蜡热胀冷缩的原理开发,在顶杆的尾端注入乙醚气体,当温度升高时,产生气压把伸缩杆顶开,从而实现开窗动作;当气温下降,乙醚气压消除,顶杆上的弹簧则收缩把窗户关闭,可以通过乙醚气室端的螺栓退进退出的方式来调节启闭温度;这种无动力系统具有智能化程度高而且稳定无故障的优势,特别在鸟巢温室上的运用意义重大,因为鸟巢温室顶窗通常在十多米的高处,这么高的窗户如果采用人工启闭会非常麻烦,如果采用电动,一旦停电也难以开启与关闭。

 

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