一种设施大棚智能化降温换气通风机的设计与应用研究

刘淑云，李乔宇，王富军，尚明华

(山东省农业科学院科技信息研究所，山东 济南 250100)

绝大多数保护地设施，如大棚、温室等，其主要作用是改善蔬菜生育的温度条件，以秋、冬、春三季应用为主[1]。秋延迟和春提早茬口的大棚，温度调控相对简单，普遍采用不同程度的独立或同时开启上、下风口进行通风降温。而越冬栽培的设施大棚，多处于栽培作物的旺长期等关键生长阶段，采用开启下风口进行通风降温操作，容易造成降温过快或扫地风危害，故一般以调节上风口大小和开启时间为主，但单独开启上风口降温和二氧化碳补充效果不明显。基于此，我们结合当前一般设施大棚的棚体结构，设计一套适用于大棚高温高湿条件下辅助天窗进行降温、降湿、换气的通风装置，并将其控制集成到设施大棚的控制一体机[2-4]和手机APP控制系统中，以实现随时随地管理和智能操控。

1 降温换气通风机的设计与安装

1.1 总体框架

该套通风装置主要由传感器、网关节点(连接感知层和传输层)、鼓风机、通风管、控制器组成，安装示意图见图1。

传感器包括温度传感器和二氧化碳传感器，用于采集棚内温度和二氧化碳的实时变化数据；网关节点连接传感器和传输网络；鼓风机，通过电机将棚外较低温度的空气循环进棚内；通风管，实现棚内外空气的对流输送；控制器，实现通风装置控制参数和鼓风机开关的智能控制。

1.2 安装与控制

传感器安装在大棚纵向的中间位置，在距东西两端各5～7 m范围内，共2套(见图1)。

通风管道通过穿墙孔与棚内的换气管道相连，棚内布局见图2。与鼓风机连接的穿墙主管道直径110 mm，三通连接的东西向分管道直径75 mm，在其上以三通连接处为中心分别向左右打孔。考虑外界空气自主管道进入分管道时的气压大小，每个方向的打孔按照由稀疏变密集的原则分布，所有孔的总口径面积以不超过主管道口径横截面积(94.985 cm2)为准。通风孔方向保持与水平方向平行或与水平方向向上呈15°左右夹角，避免向下直接朝向冠层方向，防止较低温度的冷空气直接到达植株冠层。

鼓风机安装在棚外北侧(图3)，以充分利用棚北侧背阳处空气温度低这一资源优势。鼓风机的通风速率为20 m3/min，按此速率计算出每10、20 min的换气量分别为200、400 m3，按试验棚规格计算棚内容积，确定棚内空气体积约为810 m3，则鼓风机通风10、20 min的换气量分别约为棚内空气量的25%和50%。

图1 大棚通风机鼓风式降温装置安装示意图

图2 大棚内管道布局 图3 鼓风电机

该通风装置的控制方式分为本地控制和远程控制两种模式。本地控制通过集成于温室大棚环境一体化控制器中的通风机控制模块进行，操作界面如图4所示；远程控制可以通过手机APP(图5)将控制指令发送到云平台通信中间件，再由通信中间件通过互联网将指令发送到温室大棚网关节点，温室大棚一体化控制器根据接收到的控制指令来操控通风机工作。通风机配有一个可引入220 V交流电的强电箱，控制器主要是通过控制强电箱中的交流接触器触点的断开与闭合来控制通风机工作与否。

图4 通风机控制界面

图5 手机APP控制界面

2 智能化降温换气通风机的应用试验结果与分析

2.1 试验设计与方法

应用试验于2017年3月—2018年6月在济南市历城区唐王镇“济南市蔬菜展示示范评价平台”示范基地进行。选用的大棚为普通冬暖大棚，长×宽为30 m×10 m，棚架为钢体结构，墙体为泡沫砖加保温材料。按照设计在大棚内安装数据采集传感器、网关节点、一体化控制器、鼓风机及通风管道等装备。试验期大棚内种植作物为黄瓜、番茄。

通风装置的使用原则：以温度调控为主，在保证棚内温度不低于作物正常生长要求范围的前提下，结合大棚内二氧化碳浓度的实时监测情况进行开启/关闭。即当大棚内的实时监测温度值达到设定上限，通风机自动开启；当温度降至设定下限值，通风机自动关闭；在温度条件允许的情况下，当棚内二氧化碳浓度低于外界空气浓度值时，也建议适当开启通风机进行通风换气。

2.2 数据采集与分析

分别于2018年2月16日(晴天，开风口+未开启通风装置)和2018年3月16日(晴天，开风口+开启通风装置)采集试验大棚内的空气温度和二氧化碳浓度数据，同时采集室外气象站的温度数据，进行比较分析。

2.3 降温换气效果

2.3.1 对温度的调控 蔬菜作物不同生育阶段对温度的要求不同(表1)，相应的棚内管理措施也会不同[5-7]。综合大棚常规种植蔬菜对温度的要求来看，棚内气温控制在20～30℃为宜，超过30℃的高温对蔬菜生长的任何阶段都不利，因此，当棚内气温超过30℃时需开启通风装置进行通风降温。

表1 常见大棚蔬菜作物不同生育期的日间气温需求范围 (℃)

2月16日(图6)11∶00—16∶50棚内温度保持在25℃以上，12∶00—16∶10棚内温度达到30℃以上，13∶50—14∶30温度甚至高达35℃以上，表明仅靠开启大棚风口未达到明显的温度调控效果。3月16日(图7)上午10∶00左右棚内温度达到25℃且保持迅速上升的变化，在11∶15左右达到35℃，此时同时开启大棚上风口和通风机，11∶30前后温度就下降至30℃以下，对棚内温度起到了快速有效的调节作用；且在11∶30—16∶30棚内温度基本保持在25～30℃，为棚内蔬菜营造出适宜的温度条件；16∶30温度降至25℃，关闭通风机。由此可见，仅靠开启大棚上风口或部分下风口的通风降温效果较差，棚内会出现较长时间高于30℃的高温，对作物生长不利；而当开启通风机后，可将较低温度值的棚外空气通过壁挂式的通风管均匀地注入到冠层上方1 m左右的空间内，与棚内较高温度的空气形成对流，从而起到明显的降温效果，可使棚内气温较长时间保持在25～30℃范围内，更有利于棚内作物的生长发育。

图6 设施大棚内2月16日空气温度变化

图7 设施大棚内3月16日空气温度变化

2.3.2 对CO2浓度的调控 由大棚内CO2浓度的日变化(图8)可以看出，日出后大棚蔬菜作物光合作用强烈，对二氧化碳的消耗量大，夜间大棚内积累的高浓度二氧化碳在日出后3～4 h内被迅速消耗，降至低于外界空气中的二氧化碳浓度，一般在200～300 μmol/mol，仅比大多数蔬菜作物的二氧化碳补偿点略高[8，9]，明显低于常规蔬菜的二氧化碳饱和点(1 000～1 500 μmol/mol)，且易在中午时段形成高温、低二氧化碳浓度的环境，严重影响棚内蔬菜作物的正常生长发育。在保证棚内气温处于蔬菜作物正常生长范围内，可以尽早开启通风机，即当棚内温度上升至25℃以上、二氧化碳降至350 μmol/mol以下时(12—2月在11∶00左右，11、3月在10∶00左右)，可考虑开启通风机，从而快速有效缓解棚内二氧化碳浓度过低现象。

注：菱形标识为2月16日未开启通风机的正常管理；三角形标识为3月16日开启通风机的换气管理。

3 讨论与结论

随着棚体建设技术的提高和材料性能的不断升级，我国设施大棚的保温水平越来越高，但针对二氧化碳的管理技术和设备研究仍较少[10，11]。设施蔬菜光合二氧化碳饱和点一般在800～1 000 μmol/mol，而多数生产大棚都存在二氧化碳浓度过低现象。由本试验结果可以看出，上午9∶00前后棚内二氧化碳浓度即降至350 μmol/mol以下，这直接影响光合产物的积累和产量的形成[12，13]；而开启通风机一段时间后，棚内二氧化碳浓度可以提高50～100 μmol/mol，能对冠层二氧化碳起到一定的补充作用。

目前我国的冬暖大棚多为东西走向、面向南，当棚内温度较高时仅靠上风口通风不能有效降温，而通过在棚北侧安装通风机可以有效降温3℃左右，能够很好地缓解短期高温。

综合设施栽培蔬菜对温度和二氧化碳的需求特性，建议在12月和2—3月非阴雨天气10∶00—11∶00开启通风机，1月因棚外温度较低以保温为主；11月和4—5月，大棚上下风口通风降温效果稍好，此时适度开启通风机可更好地调节温度和补充二氧化碳。

虽然我们也设计了手机端APP控制通风机，但应用中发现通风机开启时间和时长设定还不够精准，今后将结合设施作物的生育进程，开发依据大棚温度变化模型[11,14,15]的控制系统，以实现棚内温度和二氧化碳的更精细智能调控。另外，通风机的功率配置及其对设施大棚温度和二氧化碳的调节效果还有待于进一步的试验研究。