密闭温室半导体制冷除湿及蒸散水回收灌溉装置的研制

康宁波，何建国,，吴龙国，王松磊,，刘贵珊，尚梦玉



密闭温室半导体制冷除湿及蒸散水回收灌溉装置的研制

康宁波1，何建国1,2※，吴龙国1，王松磊1,2，刘贵珊2，尚梦玉3

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021； 2. 宁夏大学农学院，银川 750021； 3. 宁夏大学物理与电子电气工程学院，银川 750021）

为了提高人工补光温室的水分的利用效率低下的问题，该文以盆栽辣椒为研究对象，在密闭温室中试验种植，采用半导体制冷热交换和空气露点除湿的方法，对辣椒在发育期、开花期和结果期的蒸散水回收效率进行研究，对比自然对流和强制对流方式除湿的效果以及温室内外盆栽辣椒的生长情况。结果表明：冷凝板温度最低达5.5 ℃，满足露点除湿条件。在盆栽辣椒的不同生长时期，强制对流进风方式下的室内温度变化范围为18.6～28.2 ℃，室内湿度变化范围为41%～61.7%，除湿效果随温度升高而显著提高；日回收量从35 mL增加到375 mL，日灌溉量从132 mL增加到540 mL，蒸散水回收率最高达69.4%。密闭温室中盆栽辣椒能够正常生长，而室外盆栽辣椒生长受到抑制。人工补光密闭温室系统除湿效果明显，有效的利用回收水进行盆栽辣椒灌溉。结果表明，人工光密闭温室内半导制冷除湿和蒸散水回收的研究对提高温室作物水分利用效率有积极的推动作用。

温室；温度；湿度；半导制冷；除湿；蒸散水；回收

0 引 言

发展节水农业，提高农业用水效率，是农业可持续发展的唯一选择。设施农业作为农业生产中的重要形式，是人类利用自然、创造自然、从事高效农业生产的有效手段，己经成为农业生产的重要组成部分，广泛应用于园艺植物和重要经济作物生产，且应用范围日益广泛[1-3]。由于传统的温室的通风降温方式，需要大量的水分对作物进行灌溉，不利于水分节约。密闭人工补光温室是一种前瞻性的国际先进农业设施技术，是一种全封闭式结构的透光型温室，采用机械冷却代替传统的通风降温方式，温室内多余的热量进行收集、储存、再利用，旨在实现作物生产、节能减排与水资源循环利用的有机整合[4-6]。

由于密闭温室与外界隔绝，室内的空气、水分和栽培基质组成一个整体，使得内部蒸散水不断累积，容易造成高温高湿环境，导致内部植物生长抑制以及病虫害滋生。人工补光温室技术能够解决了日光温室的高温难降问题，但高效的回收水循环再利用的除湿技术是目前密闭人工补光温室发展的技术瓶颈。植物生长过程中所吸收的95%以上水分用于蒸腾作用，蒸散水是非常重要的水资源，而密闭温室环境有利于蒸散水的汇集[2-3]。国内外学者针对蒸散水的回收取得了显著的成果，主要利用热交换降温或仿生学原理凝结蒸散水进行回收利用[7-13]。Guillermo等[14]基于空调除湿原理建立了Watergy系统，通过冷凝循环管道系统凝结蒸散水，在密闭温室内回收了70%的蒸散水。顾卫等[3]研究了设施农业中水分回收利用，根据地气温度差原理设计了可安装在温室内的水蒸气回收系统，探讨了回收量和环境因素的关系。李霞等[15-16]研究利用“水-气温差”和“地-气温差”对密闭小环境中盆栽进行降温除湿回收蒸腾水，在正午时分降温除湿效果最为显著。综合上述国内外学者的研究，目前对农田或设施农业蒸散水的回收利用还处于初级试验阶段，而实现对温室蒸散水进行高效回收利用是设施农业节水的必然趋势[17-19]。如何在全密闭设施环境内维持适宜植株生长的温湿度，仍是亟需解决的关键问题[20]。基于此，本文制作了一套密闭温室系统作为试验条件，研究利用半导体制冷的热交换与湿空气露点除湿原理，对密闭温室内的蒸散水进行回收灌溉，为设施农业水循环利用提供关键技术和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

辣椒植株购置于宁夏贺兰县，品种为羊角椒，选择生长状况相同的幼苗辣椒进行温室种植试验，每盆辣椒种植3株。试验日期为2017年5月7日－7月4日，包括发育期、开花期和结果期，试验地点为宁夏银川宁夏大学实验室内。

1.2 自制密闭温室系统

为了控制试验条件，本文自制了一个密闭人工补光温室系统（见图1），主要包括：密闭温室箱、温湿度检测传感器、循环通风铝箔管、冷凝箱、LED光源、全自动灌溉控制系统。密闭温室主体箱体尺寸为2 000 mm×600 mm×1 200 mm，箱底座为不锈钢材质，上部为透明玻璃围成，密封严实；侧面与上面都开有直径16 cm的圆孔，用于外接长250 cm铝箔管（内置通风扇）连接蒸散水冷凝箱。温湿度检测系统采用购置的温湿度在线传感器进行实时监测。通风循环系统主要通过内置通风扇对密闭温室中的空气进行强制对流循环。冷凝箱（300 mm×300 mm×300 mm）材质为有机玻璃，箱体内部对称安装290 mm×290 mm铝板，每块铝板外侧对应装有3个功率为50 W制冷半导体（型号：TEC1-12706），由半导体制冷功率换算出冷凝箱的最大制冷功率为240 W[21-22]。光源采用波长650 nm，光强度设定为400mol/m2·s的LED红光作为辣椒植株光合作用的外在光源[5]，内部均匀放置4盆辣椒，室外放置2盆辣椒植株进行对照。全自动灌溉系统由蒸散水凝集量杯、补灌水槽、土壤水分传感器和自动控制软件组成。

图1 密闭人工光透明温室实物

1.2 方 法

1.2.1 测定方法

密闭温室内盆栽植物上方悬挂1个RS485可通讯的环境温湿度传感器（RS-WS-N01-8，济南建大仁科有限公司）测室内温湿度、盆栽土壤中安装水分传感器(大连祺峰modbus型)，温室外对照盆栽旁边悬挂1个同上型号的温湿度传感器监测室外温湿度。室内外温度、湿度进行24 h实时监测，间隔1 h进行采集，将数据通过ZigBee无线通讯网实时传输给上位机进行自动记录储存。通过土壤水分传感器实时反馈信息由自动控系统控制计量蠕动泵（中山市高硕电子）对植物进行定量灌溉，保证盆栽辣椒正常发育生长的土壤湿度范围为45%～60%[20]，流量为1.2 mL/s，抽取回收水对盆栽辣椒每天进行定时定量灌溉，并通过时间计算灌溉量。温室中的湿空气经由空气循环系统管进入冷凝箱，通过半导体制冷降温，使得湿空气凝结蒸散水，使用200 mL量筒和1 000 mL烧杯对每日凝结的水量进行记录，回收的水倒入灌溉储水槽。日蒸散水回收量和灌溉量间隔1 d，定时每天17：00采集。利用式（1）计算蒸散水日回收率，评价密闭温室内的除湿和水利用效果。

日回收率=日回收量/日灌溉量×100% （1）

在发育期、开花期和结果期的辣椒植株各采样1次，采用钢卷尺和游标卡尺测量辣椒植株的株高和茎粗，采用电子天平（上海京孚仪器）测定植株的鲜质量和干质量。

1.2.2 半导体制冷热交换原理

半导体制冷是帕尔贴效应在制冷上的应用，通过耗电能将半导体一侧的热量迅速移至另一侧面，形成温差很大的制冷面和制热面[21-22]。半导体制冷不同于传统的压缩制冷，无需制冷剂，也没有复杂的机械结构及管路系统，具有体积小、工作稳定等优点。自制的蒸散水冷凝箱内装置有导热铝板，铝板紧贴半导制冷片的制冷面，使得高导热率的铝板不断将铝板上的热量传递到制冷面，同时冷凝铝板快速降温。密闭温室的空气通过对流作用不断与冷凝板接触进行热交换，从而达到温室内空气进行降温和凝结除湿的目的[23-24]。同时半导体制热面紧贴在箱体外侧带风扇的散热片上不断进行空气热交换，实现半导体制冷片持续工作。

除湿过程中，待处理湿空气实际吸收的冷量由湿空气的降温显热1和冷凝潜热2组成

=1+2（2）

1=··D（3）

式中为流经冷端散热器的空气质量，g；为空气的比热容，J/g；D为温度梯度，K。

2=mγ（4）

式中m为冷凝水的质量，g；为水的汽化热，J/g。

2 结果与分析

2.1 冷凝温度确定

密闭温室内每一时刻的露点温度受环境的温湿度的影响。冷凝器内的冷凝铝板提供冷源，温室中的湿空气通过对流方式接触冷凝板进行连续的热交换。当湿空气的温度被降至水分饱和露点温度时，湿空气中的水分就会在冷凝板上发生相变，由气态变成液态，从而实现对密闭温室的除湿[22-25]。要根据温室内最低的露点温度来确定的冷凝板温度的下限值。根据前期试验，在外界低温天气或辣椒幼苗期会出现温室内低湿的情况，选择在密闭温室出现过低温低湿和高温低湿的2个下限条件时刻，确定露点温度。如图2为密闭温室中辣椒植株整个试验期的2个代表性的时刻（、），点为温度18 ℃、湿度50%，点为温度28 ℃、湿度55%；湿空气由点到点达到饱和湿度，对应的露点温度为7 ℃；同理，将湿空气点降温至点达到饱和露点状态，对应的露点温度为18 ℃。确定冷凝板的温度至少要小于7 ℃，经过大量的试验，每块冷凝板需同时开启3个半导体制冷，使得冷凝板平均温度降至为5.5 ℃。

图2 焓湿图中湿空气的露点温度

2.2 密闭温室内半导体制冷对流热交换和露点除湿

为了对比自然对流、自然对流+冷凝、强制对流+冷凝对湿空气的除湿效果。选择连续3 d（6月16－6月18日）气象条件相同的天气，室外气温变化范围为25～29 ℃，强制对流的循环风速设定为1.5 m/s[25]。分别进行24 h空气除湿对比试验。第1天的18:00时，循环对流管道风机与冷凝器关闭，进行自然对流的环境下的空气除湿；第2天18:00时，循环对流管道风机关闭，冷凝器开启，进行自然对流环境下的制冷除湿；第3天的18:00时，循环对流管道风机和制冷系统开启，进行强制对流的环境下的制冷除湿。结果如图3所示。

图3 密闭温室3种条件下的除湿效果

由图3可知，在自然对流条件下，温室内湿度达到89%；自然对流+冷凝条件下，温室内平均湿度为76%；强制对流+冷凝条件下，平均湿度下降到53.8%。对比3种条件的除湿效果，强制对流冷凝的空气除湿效果最佳；自然对流条件下室内湿度最高，十分不利于植物的生长[26]。在自然对流+冷凝条件下除湿效果不明显，主要因为空气流动弱而导致热交换效率低。当循环风机开启，使得室内湿空气加速流动，湿空气源源不断的送到冷凝板周围，不断凝结出水，弥补了空气导热系数不高的缺点，增加湿空气与冷凝板热交换效率，提高了除湿效率。由于辣椒生理正常生长发育环境湿度范围是35%～65%[12,27]，因此采用强制对流冷凝方式对密闭温室除湿效果最有利于辣椒植株的生长。

2.3 不同生长期蒸散水的回收量和灌溉量

试验数据采集时间包括发育期、开花期和结果期对应的3个日期段，分别是5月7日－5月21日、5月27日－6月10日、6月20日－7月4日，选择每日气温峰值时刻14:00的温湿度数据，并且采用强制对流冷凝方式进行密闭温室中蒸散水的回收。

2.3.1 温湿度的变化

为了分析密闭温室中温湿度的变化对蒸散水回收量的影响，试验记录了不同生长期密闭温室内外温湿度变化，如图4。

图4 密闭温室内不同生长期的温湿度变化（2017-05-07—2017-07-04）

由图4a可知，从5月到7月，温室外温度从20.5 ℃增高至30.2 ℃，密闭温室内温度从18.6 ℃增高至28.2 ℃；密闭温室内温度平均低于温室外界温度1.6 ℃左右。这主要是因为密闭温室内在强制对流冷凝条件下，空气不断进行热交换，使得室内的温度始终低于室外温度。由于发育期的辣椒适宜的生长温度范围是15～30 ℃，开花期和结果期的辣椒适宜温度在20～30 ℃。因此，密闭温室内的温度变化满足辣椒生长条件。

由图4b可知，从5月7日－7月4日，密闭温室外的湿度总体呈上升趋势，变化范围为12.9%～52.8%。而密闭温室内的湿度总体呈平稳趋势，变化范围为41%～61.7%，室内湿度一直高于室外湿度，并且波动幅度要小于室外湿度。对比辣椒植株不同生长期的蒸腾作用，结果期>开花期>发育期[28]。在生长期过程中，温室内温度在不断增加。由空气湿焓图可知，在相同湿度下环境中，温度越高对应的露点温度就越高，越易除湿。因此，辣椒植株不同生长期的除湿效果为结果期>开花期>发育期。

2.3.2 日灌溉量和日蒸散水回收量

为了衡量密闭温室下辣椒植株的节水效率，试验对辣椒植株不同生长期（发育期、开花期和结果期）的温湿度下的蒸散水的回收量和灌溉量进行测定。每日17:00记录日蒸散水回收量和灌溉量数据，同时定期补充灌溉用水，结果如图5所示。

图5 密闭温室内不同生长期蒸散水日回收量和灌溉量的变化

如图5可知，辣椒植株从5月7日的发育期到6月10日开花期，日灌溉量从132 mL平缓的增加到201 mL，从6月20日的结果期开始日灌溉量陡然增加到375 mL，最大的日灌溉量为540 mL。对照的日蒸散水回收量，发育期到开花期日回收量从35 mL平缓增加到101 mL，到结果期后期最大的回收量达375 mL。由式（1）计算出不同生长期蒸散水日回水率，日回收率从发育期的26.3%提高到结果期的69.4%。

2.4 密闭温室内半导制冷除湿能力分析

设计的半导制冷的冷凝箱，由6个半导制冷片装置的2组冷凝板组成，最大的制冷功率为240 W，温室内的蒸散水最大回收量为375 mL，室内外平均温差为2 ℃。通过以下理论公式可以计算出降温和除湿所需的制冷量。

根据式（3）计算出空气降温显热的冷量为3.759 kJ，根据式（4）可以计算出冷凝水所需的制冷量为847.5 kJ，根据式（2）计算出处理湿空气所需总冷量为851.2 kJ，而冷凝箱1 h的制冷量的就达到864 kJ，理论计算结果说明半导制冷装置制冷效果完全满足温室除湿的冷量需求。

2.5 温室内外盆栽辣椒生理指标对比分析

为了对比室内外辣椒植株的生长状态，采集了辣椒不同生长期的状态，结果如图6所示。

图6 不同生长期密闭温室内盆栽辣椒和室外对照的实物图

图6a、6b、6c分别为密闭温室中盆栽辣椒在发育期、开花期、结果期的实物图，6d为室外对照在7月初的实物图，由图可直观看到盆栽辣椒明显生长缓慢，生长期只经历了发育和开花期。密闭温室内外盆栽辣椒生理指标变化，结果如表1所示。

表1 不同生育期密闭温室内外盆栽辣椒的生理指标

由表1可知：室内辣椒的株高、茎粗和单叶面积生理指标值都在不断增高，均在正常发育生长指标值的范围内。而室外对照辣椒植株的相应指标变化缓慢，生长受到抑制。密闭温室中的湿度环境有助于辣椒的发育生长，在相同灌溉量的条件下，室外的盆栽土壤和植物受外界干燥天气的影响，水分的蒸散速度远大于室内，室外对照的辣椒长期处于水分亏缺下生长，其生长发育严重受到抑制[27,29-30]。

由表2可知：，结果期时辣椒鲜物质和干物质生产数据中，温室内植株的鲜总质量和干总质量分别是172.26和35.88 g，各器官鲜质量大小依次是叶>茎>果实>根，干质量大小依次是茎>叶>果实>根。温室外植株的鲜总质量和干质量分别是32.48和6.86 g。试验结果表明室内外两个处理的各器官的鲜质量、干质量相差显著，其中室内辣椒能够正常生长，各器官干物质分配属于正常生理指标，室外辣椒根的干质量整体偏低[27]。

表2 结果期密闭温室内、外盆栽辣椒鲜物质及干物质质量

3 讨 论

1）利用半导制冷凝结蒸散水对密闭温室进行除湿，通过空气循环风机让温室内环境形成强制对流有效的增加空气热交换效率，提高了除湿效果和蒸散水回收率。由温室的盆栽辣椒的不同生育期的生理指标以及鲜物质与干物质的生成量，可知本文研究的蒸散水回收系统能够实现植物的正常发育生长。但在植物的发育期和开花期间，温室内环境温度受外界天气的影响，直接影响空气露点温度下降，在半导体制冷量不变的情况下，除湿效果和回收率一直处于较低的水平。可以考虑在低温环境中，在适宜植物正常生长的温度范围内通过人工的方式给密闭环境加热，使得环境温度升高。在相同的湿度条件下提高了露点温度，相应提高半导制冷凝结蒸散水的除湿能力和回收率。

2）密闭温室主要材质是由单层的透明玻璃构建成，为了试验目的需要，主体考虑温室的密闭性和透光性，缺少对密闭温室保温功能的构建。本文设计的半导制冷的大部分冷量通过玻璃层与外界热交换，不能有效利用，使得制冷所消耗的电能比较大。因此，要构建低能高效的人工光密闭温室，其保温功能的构建是十分必要的。

4 结 论

本文以密闭温室中盆栽辣椒为研究对象，采用半导体制冷凝结和露点除湿原理进行蒸散水回收灌溉进行试验，取得的结论如下：

1）冷凝板温度最低达5.5 ℃，满足露点除湿条件。在盆栽辣椒的不同生长时期，强制对流进风方式下的室内温度变化范围为18.6～28.2 ℃，室内湿度变化范围为41%～61.7%，除湿效果随温度升高而显著提高。

2）在发育期和开花期植物的蒸腾作用较小，日回收量从35 mL增加到101 mL，日灌溉量在同一时期从132 mL增加到201 mL，回收率为26.3%。在结果期，植物的蒸腾作用大，日灌溉量陡增达540 mL，在同一时期，日回收量达到375 mL，回收率达69.4%。

3）密闭温室内盆栽辣椒结果期的株高为47.2 cm，茎粗8.9 mm，单叶面积为25.2 cm2，株的鲜总质量和干质量分别是172.26和35.88 g，各器官鲜质量大小依次是叶>茎>果实>根，干质量大小依次是茎>叶>果实>根，生长发育正常。对照的株高为23.4 cm，茎粗4.1 mm，单叶面积为13.6 cm2，植株的鲜质量和干总质量分别是32.48和6.86 g。

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Development of device for semiconductor’s freezing and dehumidification and recycled evapotranspiration water for irrigating in closed greenhouse

Kang Ningbo1, He Jianguo1,2※, Wu Longguo1, Wang Songlei1,2, Liu Guishan2, Shang Mengyu3

(1.,,750021,;2.,750021,;3.,,750021,)

To improve the water use efficiency of artificial light greenhouse, on the basis of the semiconductor refrigeration and the theory of air dew-point, the water transpiration by plants in greenhouse is condensed, which meets the requirement of the indoor dehumidification and recycling for irrigation. The studying object is potted pepper. The experimental period is from May 7 to July 4 including the growth period, the flowering period and the fruiting period. The experimental greenhouse is an airtight greenhouse designed with glass in this paper, whose size is 2 000 mm × 600 mm × 1 200 mm. The red light emitted by LED (light emitting diode) is used as the light source of photosynthesis, with 650 nm wavelength and light intensity of 400mol/m2·s. The experiment of potted pepper culture was conducted in greenhouse, and outdoor controlled trials were conducted. The cavity with a diameter of 16 cm was opened on the side wall of the greenhouse, and the 250 cm aluminum foil tube is used to connect the condenser box and the cavity. The aluminum foil tube forms a closed loop pipe equipped with a duct fan, which can carry out air circulation. The results show that the working temperature of the semiconductor refrigeration aluminum plate is 5.5 ℃, which corresponds to the temperature range of 7-18 ℃ in sealed space. In the closed greenhouse, the semiconductor refrigeration is opened and the natural convection and forced convection are designed. The convection test was carried out in the greenhouse. The average humidity is 76% for the natural convection and 53.8% for the forced convection, which can meet the requirement of dew-point dehumidification. In the growth phase test, the forced convection air inlet is adopted to dehumidification. In different periods, the temperature range of closed greenhouse is from 18.6 to 28.2 ℃, and the dehumidification effect is significantly improved with the temperature increasing. The amount of irrigation in the development period and the flowering period shows a steady upward trend from 132 to 201 mL, indicating that the plant transpiration is small. The recovery in the same period is also in a steady upward trend from 35 to 101 mL, with an average recovery rate of 26.3%. In the fruiting period, the amount of irrigation increases to 540 mL. With the increasing of the ambient temperature and plant growth demand, transpiration is increased. In the same period, the daily recovery is 375 mL, and the recovery rate is 69.4%. Observing the physiological changes of potted pepper indoor and outdoor, the plant height, stem thickness and singe leaf area of the former are significantly different from the latter. In this paper, the artificial closed greenhouse uses semiconductor refrigeration to condense water evaporated and spread by plants. The effect is remarkable. And the irrigation of the potted pepper can use recycled water to realize the normal growth in closed greenhouse.

greenhouse; temperature; humidity; semiconductor refrigeration; dehumidification; evapotranspiration water; recycling

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.028

S625.1; S161.4+1

A

1002-6819(2017)-22-0217-07

2017-07-26

2017-09-30

国家自然科学基金资助项目（31560481）；农业科技成果转化项目（2014G30000045）

康宁波，男，宁夏人，博士生，主要从事节水灌溉，农产品无损检测研究。Email：109438847@qq.com

何建国，男（回族），山东人，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉方面，农产品无损检测和食品物性学方面的研究。Email：hejg@nxu.edu.cn