温室科研，让工程为植物创造优良生长环境——访中国农业大学温室工程与装备团队

长江蔬菜杂志社 贺欢

产业志

温室科研，让工程为植物创造优良生长环境
——访中国农业大学温室工程与装备团队

长江蔬菜杂志社 贺欢

温室是设施园艺的关键装备，通过联合与其相关的多种工程技术手段，人们可以有效地控制设施内外物质与能量的转移与平衡，提供植物生长发育所需的优良环境。如何采用有效的工程技术与装备，以尽可能少的能量与物质投入，获得室内优良的植物生长环境，实现植物产品的优质、高产，是国内外温室工程界长期致力研究的问题。

中国农业大学温室工程与装备团队，在温室技术工程及装备领域深耕探究近二十载，取得了丰硕的研究成果，尤其是在日光温室光热环境模拟分析、保温覆盖材料传热特性与保温性能测试装备、温室太阳能利用技术与装备、温室环境综合调控技术与生产管理配套装备、温室工程标准化等方面。

以软件为载体，构建环境动态模型

日光温室是一种独具中国鲜明特色的栽培设施，蕴涵着我国劳动人民无穷的智慧。日光温室借自然之光、蓄自然之热，来维持作物生长对光、热的需求，是一种高度节能环保的园艺设施，经济效益显著，对于蔬菜产业的发展意义重大，得到了广泛应用。

然因有限的经验、局限的理论，以现有的日光温室设计方法，还不能保证建造出性能优良的日光温室；并且使用过程中，冬季室内光照较弱、夜晚温度过低、环境调控水平不高等情况仍普遍存在。极端天气到来之日，防御低温灾害更是大量日光温室力所不及之时。为此，国内众多业内专家潜心研究，为提升日光温室的室内环境水平与抵御灾害天气的能力，倾心倾力，默默耕耘以求成效。

在多年的温室工程研究中，中国农业大学温室工程与装备团队对日光温室进行了全面、系统的分析。日光温室作为一种特殊的建筑，其室内环境与复杂多变的外界条件、建筑体型、尺寸、墙体、屋面形式与材料、地面以及栽培的植物、生产中的管理方式等多种因素有关，如何优化设计才能获得优良的性能，涉及材料、建筑、气象、热工以及园艺等多种专业领域，靠简单的计算和分析很难准确地得到解决。团队成员精心钻研与剖析后，认为只有通过科学的理论，采用准确的物理和数学模型，在准确模拟的基础上，结合一定的经验和分析计算方法，才能掌握在各种条件下不同日光温室设计方案所能形成的光、热环境性能。

根据这个思路，团队综合应用工程热物理、建筑光学、农业气象以及园艺设施环境工程学等理论，对温室环境模拟方法进行了集成创新。根据太阳光、热辐射能量在日光温室内传递、吸收、蓄积和释放，温室内外环境的能量与物质交换，室内空气状态变化等过程的规律，以及温室内能量和物质平衡关系等日光温室温、光环境建成机制的理论，构建了日光温室环境的动态模型。在此基础上，进一步建立了日光温室内各光、热环境参数随时间变化的模拟方法，并开发了此项成果的最终形式与载体——“日光温室设计方案热环境评价系统软件”及“日光温室光环境模拟与屋面形状辅助设计软件”，这是国内首次达到实用化的、可以在日光温室工程设计与研究中应用的计算机辅助支持软件。

此项科研成果首创了以日光温室环境模型为核心内容与计算机模拟软件为主要分析手段的日光温室环境评价、设计方案优选的方法体系，可以有效地改变日光温室设计建设主要依赖于有限经验的现状，为日光温室的规划、设计、建造以及环境预测与评价，提供了可行手段和实用工具，更为日光温室科学化的发展提供了理论方法支撑。

创新节能构造，提高集热蓄热效用

日光温室目前在集热、蓄热功能上仍存在严重不足，尽管白昼太阳热能有较多富余，但夜间室内温度仍经常达不到维持植物适宜生长的需求。针对日光温室的现存不足，人们或采用传统的加温方式，或利用太阳热能等可再生能源的新型加温系统，但前者浪费能源、污染环境，后者投资运行成本高、安装复杂、实际投入利用率低，皆不如意。

基于此种现状，温室工程与装备团队与北京中农富通园艺有限公司合作研发了“屋架组合管网太阳能集热式日光温室”，利用屋架白昼收集多余的太阳热能用于夜间为温室加温——以水作为蓄热介质，利用作为温室结构构件的屋架组成太阳能集热、贮热和放热加温的管网系统，白昼收集和贮蓄多余的太阳热能，夜间用于日光温室加温以及加热灌溉用水等。由于其主要部分的集热与放热部件是利用了温室结构自身具有的屋架，使用水作为蓄热介质，具有用材少、设备安装简单、成本低等优点。试验结果表明，屋架组合管网太阳能集热式日光温室具有显著的集热、蓄热与放热加温的效果；与普通日光温室相比，其夜间最低气温可提高3～5℃。

此外，为进一步提高太阳能利用率、改善日光温室的热环境，减少恶劣天气对栽培作物的影响，团队又在提高日光温室墙体的保温蓄热性方面进行了研究。通常，为了加强墙体蓄热性能，很多人会选择加厚墙体这一方法，但这只能徒增占地面积，增加造价，加厚的墙体深处的材料也并未全部参与蓄热放热过程，效果不甚理想。

为此，团队对后墙构造方法进行改进，采用了一种特殊的中空墙体构造。该墙体中空部分与温室内部相通，利用室内与墙体中空部分空气的温度差异，形成二者之间的空气流通。这样，白昼室内高温的空气就可以将多余热量带入墙体中贮存起来；夜间通过空气的流通，将贮存在中空墙体的热量传回温室内。经试验测试，该墙体构造可以显著提升墙体内的温度水平，调动墙体深层的材料参与蓄、放热过程，对温室夜间的加热效果明显，是一种经济有效的节能构造。

填补领域空白，首创传热性能测试台

为了给温室覆盖材料保温性的研究和测评提供必要的技术手段，温室工程与装备团队开发了国内首台温室覆盖材料传热和保温性能测试的专用设备——温室覆盖材料传热性能测试台。测试台是在总结吸收过去相关实验研究和建筑围护材料热工性能测试设备经验的基础上，针对温室等农业设施覆盖材料特有的传热方式和工作环境特点而研究开发的。

该测试台可全面模拟和实现接近温室覆盖材料实际工作的环境条件，真实地反映各种因素对覆盖材料传热的影响，尤其是实现了对天空辐射背景和室外风速的模拟，这是对温室覆盖材料传热测试技术和方法的重要改进与发展创新。测试系统可实现稳定的测试状态，测试结果一致可靠，测试条件参数可根据需要在较大范围内有效调控，满足相关科研和工程测试工作的需要。2005年9月经国家教育部组织的专家鉴定，认为该设备“填补了我国温室覆盖材料传热性能测试设备与技术的空白，总体技术达到国际先进水平。”

首台温室覆盖材料保温性能测试台研制完成以后，团队又在提高测试精度和自动化测试水平等方面进行了改进和完善。目前该测试台可自动完成测试状态调整、稳定状态判别、数据读取和处理、计算测试结果、生成和存储测试报告、向不在测试现场的研究人员发送测试完成的通知短信等工作。温室覆盖材料传热性能测试台现已推广至山东、新疆和北京等地，并承接了来自全国各地大量的测试任务，满足了近年来亟需开展的日光温室保温被等温室覆盖材料保温性测试鉴定工作的需要。

温室覆盖材料保温性能测试台

直射变散射，调控温室光环境

光是植物生长发育过程中的重要环境因子之一，不仅是植物光合作用的直接能源，还以环境信号的形式作用于植物并调节其生长发育的过程。温室栽培条件下，由于植物密植以及温室骨架遮光等原因，在以直射光为主的太阳辐射条件下，番茄、黄瓜等高大植物冠层空间往往会因上述各种遮挡出现光照分布不均的问题：一方面冠层中下层光照不足，另一方面冠层顶部又有可能因太阳辐射过强而导致叶片灼伤。

合理、有效利用太阳辐射，是温室光环境调控的重要课题，因此温室工程与装备团队从改善冠层空间光分布、提高太阳能利用效率出发，开展了“散射光覆盖材料温室应用效果及相关机理”的研究。研究主要是基于具有一定雾度、但是并不降低可见光透过率的散射光薄膜材料进行的。研究结果表明，具有散射光特性的薄膜，可以有效提高温室中番茄、黄瓜等高大作物冠层中下部的光照水平，抑制夏季冠层高温，促进作物生长发育，提高种植产量和品质。该研究为调控温室光环境的空间分布提供了新的思路。

以上所述成果骄人，却还仅仅是团队多年勤勉攻关的一部分。自2000年以来，在温室技术工程及装备领域，中国农业大学温室工程与装备团队共获得授权国家发明专利30余项、实用新型专利40余项、软件著作权近30项；发表研究论文500余篇；主编教材及专著6部、参编12部；主持制定国家标准2项、行业标准1项。其中，主持或参与完成的研究成果获得国家科技进步二等奖2项，国家重点科技攻关计划优秀成果奖1项，农业部神农中华农业科技奖二等奖2项，教育部科技进步二等奖2项，北京市科技进步二等奖4项、三等奖4项，其他省部级科技进步奖1项……荣誉的背后，沉淀的是一份份执着与坚守，凝聚的是整个团队十余人共同的信念与意志。而今，他们荣耀之下仍不改初心，为着这份心中为傲的科研事业仍在探索前行着。

10.3865/j.issn.1001-3547.2017.12.001