温室温度控制系统及控制方法的研究

何禹　李敏　李建军　李延国　黄雷　刘柱

摘 要：温室环境控制系统由空气循环系统、热交换系统和自动控制系统组成。分为2个阶段：定期把温室内的空气排出温室外面；将温室外面空气吸入温室内，交替置换通过加热处理的室外冷空气。另外，第一阶段的空气相对湿度要大于预定的相对湿度，以控制温室内部的温度和相对湿度的相对稳定。

关键词：环境控制；加热；温度；相对湿度

中图分类号：S625.51 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131021

引言

温室内植物在生长过程中经过光合作用和蒸腾，温度和相对湿度会发生变化，影响植物健康生长。光合作用是植物将二氧化碳和水转换为有机物，并释放出氧气的生化过程。蒸腾作用是指土壤中的水分经由植物表面，以水蒸气状态散失到大气中的过程，植物通过根系吸水、体内输水和叶面气孔开放等过程，从土壤中代谢所需的营养和水分，来营养它们的叶子和其它器官。相对湿度，是指空气中的水分在凝结成液态之前，每单位体积最大含水量与同温度下饱和空气中所含水蒸气的质量之比。

植物只能在一定的温度和相对湿度范围内才能够茁壮成长，否则不能就健康生长，甚至出现病态。植物对温度和相对湿度的变化非常敏感，必须提供人工监测，在大多数温室内种植多叶植物和蔬菜，温度需要保持在18～22℃之间，相对湿度保持在75%～82%之间，才能保证植物健康生长。

在封闭的温室环境中，相对湿度增加，导致水份从土壤里的蒸腾变得很难控制。通常采用控制温室内的相对湿度的措施，把温室中潮湿的热空气定期释放出去，替换吸入温室外冷空气。此过程空气温度和相对湿度都会产生较大波动，所以温室的管控需要消耗很多的能量，费用支出也是比较昂贵的。

1 自动控制系统的组成

温室温湿度控制系统由空气循环系统、热交换系统和自动控制系统组成。技术关键就是控制温室温度和相对湿度，通过定期将温湿的空气排放到温室外面，并置换通过加热处理的室外冷空气，当温湿的空气排出时，温室温湿度控制系统引進适度加热的室外空气。该方法，对控制温室内温度和相对湿度的波动具有显著功效。

热交换系统通过选择“通风”模式或“维护”模式进行操作。空气循环系统和热量交换系统包括2个阶段，第一阶段热空气流出时使用制冷剂，制冷系统产生的热量通过热交换机用于第二阶段加热温室外面进入温室的冷空气。通过大功率的散热器和排气风机系统中相对较长的空气管道，排气热交换器选择性地驱动温暖潮湿的空气从温室内排出温室外，或把外面的空气引入温室中。换热器包括可控制温室外面冷空气通过高效的散热器入口和较长的空气管道进入热换热系统，自动控制系统控制整个系统的正常工作。

在通风操作模式下，温室温湿度控制系统控制驱动温室内湿热空气通过排气散热器排到温室外面，并驱动进气风扇系统将温室外面空气吸入温室，通过散热器交替排放温室内气体和吸入空气。通风时，散热器制冷液体吸收被排放的热空气热量，通过通风散热器到进气散热器，制冷系统传输这部分被提取的热量并用于进气散热器循环加热进气风扇系统吸入温室的冷空气。也就是说，排气热交换器冷却通风空气温度的幅度可等于外部空气的温度，进气散热器加热空气可达到温室所需的温度范围。

在维护操作模式下，温室温湿度控制系统控制温室运行在植物健康生长所需的范围内。通过相对缓慢而稳定地将大量室外空气加热，加热后的热空气进入温室。温室温湿度控制系统控制进气和排气风扇系统来引入外部空气进入温室并加热到所需的温室温度。外部空气进入的速度决定了温室内的气压，保证温室内气压略大于大气压力。随之而来的就是温室内空气泄漏，空气泄漏的速度等于空气流入温室的速度。制冷系统产生的热能同时被用于加热流入的温室外面空气。

进入维护模式时，需要通过开关来控制通风的持续时间和频率。温室温湿度控制系统控制温室的温度和相对湿度。

温室温湿度控制系统包括2组换热器，每组换热器包括散热器和驱使空气流动进行散热的风扇系统；第一组换热器为制冷剂循环系统，制冷剂在2组换热器之间循环流动；加热器可加热制冷剂；控制器在通风模式下，加热器加热制冷剂，第一和第二风扇系统驱动从外面流入的空气，通过散热器获得制冷剂的热量。维护模式使用第一风扇系统，空气从内部流向温室外面，通过散热器时，制冷系统储存了散出的热量；通风系统使用第二个风扇系统，驱动温室外面的空气流入温室，并在通过进气散热器，获取储存在制冷系统中的热量。当然也可以选择第三换热器控制温室内的热空气，它包括散热器，接收第二风扇系统通过加热制冷剂得到的空气，再通过散热器加热，然后流入温室里面。该装置的流量控制是可控制的。可选则在通风模式下，控制器控制流体阀门，连接第一制冷系统和第二制冷系统。

在维护模式下，控制器控制第三热交换器，极大地避免吸收温室内的热量。控制器能够控制温室内的热空气，当内部空气温度下降到低于预定的最低温度时，第三热交换器可加热温室内空气。控制器还可控制风扇系统，第一换热器和第二换热器将大量的成正比的空气按照平均流量吸入温室内。可选流量在2500m3/h至3000m3/h。或3000m3/h 至3500m3/h，或等于约3000 m3/h。

在温室中如果相对湿度大于预定的最低相对湿度，那么控制器将控制设备运行在通风模式下。控制器可以按固定时间切换通风模式和维护模式的间隔。在通风操作模式下，重复频率可为1Hz/h。也可以使用控制器来操作，控制2种模式的开始和结束时间。

2 控制系统工作原理

如图1所示，为温室的温湿度控制系统，操作该系统以保持温室内的温度和相对湿度，工作原理如图所示。

图中：1.常规温室；2.窗户；3.排气风扇；4.左山墙；5.右山墙；6.温室温湿度控制系统；7.温度监测传感器；8、相对湿度监测传感器；9.温湿度控制器；10.内部换热器；11.制冷剂加热器；12.散热器；13.进口管道；14.出口管道；15.散热器风机；16.分流通风管；17.通风管；18.空气流出通风管箭头；19.图图2运行程序图；20.模块；21.模块；22.判断模块；23.模块；24.模块；25.判断模块；26.模块；27.模块；28.判断模块；29.温室相对湿度变化曲线；30.温室温度变化曲线；31.温室内空气的相对湿度函数曲线；32.温室内空气的温度函数曲线；33.温室外空气的相对湿度的函数曲线；34.温室外空气的温度的函数曲线。

如上图，将图1和图2进行对比。针对传统的常规温室温湿度控制系统的组件和操作进行描述和详细说明。图3和图4针对传统的温湿度控制系统，图1所示为温室环境中的相对湿度和空气温度。

图1所示，排气风扇3安装在温室内相对的左山墙4和右山墙5上。温室1包括常规温室温湿度控制系统6，控制温室的温度和相对湿度。温室温湿度控制系统6包括内部换热器10，用于把温室内空气加热到所需的温度；然后通过温室1内空气通风管16输送到温室内不同的区域；还有温室内温度监测传感器7和温室内相对湿度监测传感器8，分别用于温室内加热的空气的温度监测和相对湿度监测；控制器9，控制这套温湿度控制系统，包括窗户2和排气风扇3及温室内温度监测传感器7和温室内相对湿度监测传感器8。

内部热交换器10，包括散热器12和制冷回流系统。制冷回流系统又包括制冷剂加热器11，用于加热制冷剂；还有制冷剂泵使制冷剂进出散热器12。制冷回流系统通过进口和出口管道13和14，分别连接到散热器12。内部换热器10通过两个散热器风机15，可驱动空气通过散热器11。制冷剂流经散热器11后，空气被加热到所需的温度。被加热的制冷剂通过进口管道13进入散热器12，温室内的热空气通过散热器风机15，热量被储存，用于加热被冷却的制冷剂，然后通过散热器12和出口管道14回到制冷回流系统，然后再次回流进制冷剂加热器11，再次被制冷剂加热器11加热。在图1中所示，制冷剂加热器11位于温室1中接近内部换热器10。但在实际应用中，制冷剂加热器11一般设在温室1外，并且远离温室。制冷剂加热器11也可以设在温室1内的。

通过散热器12加热的空气被吹出内部换热器10，再通过两侧的通风管17，可选则地进入与之相连的分流通风管16。分流通风管16通常由塑料薄膜或纺织物制成，可扩大热交换器产出的热空气的流量。分流的通风管16上有一些洞，可以便于热空气的流出，及时与温室空气混合，尽快达到温室所需的空气温度和相对湿度。空气流出通风管箭头18表示空气流出通风管的状态。在图1中热空气流出内部换热器10，直接流入通风管16。

温室温湿度控制系统6中的温湿度控制器9，可选择定期替换从外面流入的空气并加热，以控制温室中的温度和相对湿度。按照常规的方法，图2所示的控制系统运行流程图，控制系统流程19用于指工艺流程图和它所代表的组件。

参看温湿度控制系统6，在流程图19中，当有足够的阳光照射温室，温室的空气温度高于所需值时，程序即进入数据流图19中所示的模块20。温湿度控制器9关闭内部换热器10，温湿度控制系统6不再给温室1中的空气加热。

在模块21，温湿度控制器9根据需要获取从温度监测传感器7获得的温室1的空气温度测量值“T”。再由判断模块22的控制器确定是否测得的温度“T”小于预定的最低气温。最低气温取决于温室中的植物类型，许多植物在最低气温等于20℃时，最适宜生长。如果判断模块22的温湿度控制器3确定“T”小于最低气温，一般这种情况可能发生在黄昏，温湿度控制器进入模块23，并打开温室1中的内部换热器10，加热空气，使温度高于最低气温。内部换热器通常通过散热器12（图1），打开散热器风机15和启动制冷剂回流系统。此后，温湿度控制器7可选则进入模块24。

如果判断模块22检测到温度小于最低气温，即按照前面流程操作。但假设温湿度控制器9检测到温度大于或等于最低气温，温湿度控制器即跳过模块23，进入模块24。

进入模块24，不论温湿度控制器9是否跳过了模块23，控温湿度制器都会从相对湿度监测传感器8和判断模块25中获取温室1中空气的相对湿度值，温湿度控制器会比较相对湿度值和温室所需最大相对湿度值的限度值。在判断模块25，温湿度控制器可选则按照选择预先设定的时间间隔确认温室相对湿度。检测相对湿度值可来源于模块24采集的数据。经过这段时间，加热从外面流入的空气，如果大于最大相对湿度值，就需要进入26模块通风置换空气。但如果判断模块25检测到相对湿度值小于最大相对湿度值，温湿度控制器9即会选择跳过模块26，并进入到模块27。

模块27的控制器获取温度测量值，判断模块28确定温度是否小于预定的最低气温。如果温度大于预定的最低气温，温湿度控制器返回到模块20，并关闭内部换热器10。另一方面，温湿度控制器9还会返回到模块24，获得最新测量到的相对湿度值，以确定新的相对湿度值是否大于最大相对湿度值。如果在判断模块25的温湿度控制器9，确定相对湿度值大于最大相对湿度值，为了阻止温室内的空气过于潮湿，温湿度控制器9即会启动模块26，给温室1换气，以降低温室内的湿度。要完成更换，温湿度控制器9通过打开窗户2，并控制排气风扇3从温室1里面排出空气，从外面打开的窗口2可通过通风直接置换空气。

模块27的温湿度控制器9获取温度测量值，如果温度大于预定的最低气温，控制器返回到模块20，并关闭内部换热器10。经确认阻止判断模块28，如果温度小于预定的最低气温，内部控制器9回到23模块继续加热空气。一般来讲从外面吸入温室1的空气相对比较寒冷，通常会大大低于最低气温。如果立即用外界空气替换温室内的空气，温室里的空气温度会低于最低气温。一段空气置换之后，判断模块28的内部控制器9一般多次返回到模块24，循环于模块24和判断模块28块之间，加热温室20的空气，直至判断模块28检测到温室内的空气温度大于所需的最低温度。

图3和图4中曲线29和30分别表示温室1内部和外部的空气相对湿度和温度。温室温湿度控制系统6的操作参照运行程序19。在曲线29和30中，温室内空气的相对湿度函数曲线31和温室内空气的温度函数曲线32用粗实线表示两天内温室内空气的相对湿度和温度的函数曲线。图表的横坐标以小时为单位，显示时间。点温室外空气的相对湿度的函数曲线33和温室1外部空气的温度的函数曲线34显示在相同的两天内温室外空气的相对湿度和温度的函数，平均每昼夜循环热交换器运作大约7h。

从图中可以看到，在温室1中，空气相对湿度和温度的周期性波动。重复将温室内部潮湿的热空气置换湿度相对较低的室外空气，即会有节奏地产生相对较大的振幅。温度在14～21℃之间波动，幅度大约在7℃左右。相对湿度在75%～95%之间波动，幅度大约在20%左右。

3 系统特点

3.1 第1阶段

定期把温室内的空气排向温室外，第2阶段，将温室外面空气吸入温室内，这时需要加热空气。第1阶段和第2阶段之间，温室外面的空气进入到温室内时需要对空气进行加热；另外，第1阶段的相对湿度要大于预定的相对湿度。

3.2 第1阶段和第2阶段

按固定时间间隔进行切换。

3.3 第1阶段结束时

及时启动第2个阶段，保证经过加热的空气足量进入温室。

3.4 温室温湿度控制系统

第2个阶段进入温室的空气，按进入空气比例控制进入温室平均流量的。

4 结论

4.1 该系统能够通过温室的管控将温室内潮湿的热空气排出温室外面

并交替置换通过加热处理的室外冷空气，消耗能量少，费用支出少。

4.2 该系统自动化程度高

能夠有效的控制温室内的温湿度，使植物生长处于最佳状态，不需要人为去干涉就能满足温室生产需求，提高产量。

作者简介：何禹（1970-），女，本科，长春市农业机械研究院，工程师。研究方向：设施农业机械领域科研、推广工作。