适宜南通地区温室周年生产的控温方案分析

戴云新，刘燕，陶先东，张雪峰，杨锦华，胡桂华

（南通市蔬菜科学研究所，江苏南通 226007）

南通市是农业大市，蔬菜、瓜果、苗木种植产业已逐具规模，虽然已成为设施规模较大的农业项目集聚地、投资地、产业发展地。但设施栽培还是以避雨、防风保温的叶菜等低端品种为主，农业设施科技含量低，栽培管理主要靠经验，致使设施产出的品质、效益始终处于低水平[1-2]。因此，如何利用绿色、节能的能源要素，使温室作物不受外界气候影响，实现周年精准生产，是南通市设施农业绿色节能、现代农业发展的必经之路。

传统温室控温的方法有遮阳、通风及水雾控制，一些温室会建造新的系统和控制设备[3-5]。传统的控温方式虽然成本低、易操作，但效果不佳，尤其是南通地区，夏季最高气温在40℃以上，冬季最低气温在-5℃以下，遮阴、排风、喷雾、水帘等传统方式很难将室温控制在20～30℃，不利于植物生长[6-9]。有温室采用空调系统控温，然而温室内外温差大，空调能耗高、效率低，无法适应商业化生产和应用[10-11]。

近年来，有研究发现，利用地源热泵机组进行控温有较好的效果[12]。地源热泵机组充分利用了浅层地能，其属于绿色节能设施，具有安装成本低、能耗少、控温效果好的特点[13-15]。南通地区拥有丰富的地下水层，具有8～10m 土壤下的地下水，能吸收太阳能、地热能，而蕴藏的低品位热能（18℃左右）。利用热泵技术，将这种可再生的低品味能量提升为高品位能量，再释放到使用环境中的一种节能方式，有别于传统深层（大于30m）的地热能，不涉及深水层，基本不受地域和气候影响，温度相对恒定，是一种非常重要的绿色节能新能源[16]。然而由于维护费时、寿命较短，一直未能普及应用。

通过对南通市蝴蝶兰培养温室在全年不同温度比较传统控温系统、小型空调系统、小型地源热泵机组、中型地源热泵机组进行了控温和能耗的对比试验，筛选出一套适合南通地区温室周年生产节能环控方案。

1 材料方法

1.1 温度数据收集

对南通市5 个观测站近10 年日平均气温、日最高气温、日最低气温进行数据收集，数据来自国家气象科学数据中心。

1.2 温室升温、降温

试验于2020 年在南通市通州区平东镇蝴蝶兰温室进行，温室面积为2400m2。温室升温控温试验主要有“双层密封薄膜+内保温网”“小型地源热泵机组控温系统+室内循环风机”2 种方案，当外界温度低于5℃时，温室可达到最高温度，每种方案重复5d 以上。降温控温方案主要有“温室双层密封薄膜+内外遮阳网”“空调机组+内外遮阳网”“小型地源热泵机组控温系统+棚顶高压雾化降温系统+室内循环风机系统”“中型地源热泵机组控温系统+棚顶高压雾化降温系统+室内循环风机系统”4 种方案，当外界环境温度超过35℃时，温室可达到最低温度，每种方案重复5d 以上。各机组9：00 开始满负荷运行，并统计几种方案的耗电功率，包括地源热泵配套的井泵、散热风机等设备。其中，小型地源热泵机组单台功率为5kw、数量为12 台；中型地源热泵机组单台功率为34kw、数量为2 台；空调机组单台功率为5kw、数量为24 台。

1.3 数据处理

数据的分析和处理采用Excel 软件进行统计分析并画图。

2 结果与分析

2.1 南通地区全年气温分析

通过统计南通地区10 年不同季节温度（见图1），发现平均气温在1.5～30.1℃：春秋季表现出明显的相似性，日平均气温5～25℃；夏季（6～8 月）平均气温22～30.1℃；冬季（11 月－翌年1 月）平均气温1.5～15℃。当环境温度在5～30℃时，温室控温相对容易，不需进行复杂的控温措施。

图1 近10 年南通市日温度变化情况

进一步分析近10 年南通市日最高和最低温度在该范围的天数发现，有55%（148d）不需要进行复杂的控温措施，另有100d 的最低气温在5℃以下，65d 的最高气温超过30℃（见图2）。

图2 近10 年内南通市不同类型日温度的天数统计

因此，将南通市温室的周年控温方案分为3 个类型（见表1）分别进行研究，第一种类型是每年的4 月中旬－6 月中旬及9 月初－11 月下旬，共计5 个月时间。这段时间日温度在5～30℃，主要包括春季的后半部分、初夏及秋季。第二种类型是夏季高温期，一般发生在每年的6 月下旬－8 月末，日最高温度达35℃以上，温室需进行降温处理。第三种类型主要发生在冬季低温期，集中在每年的12 月－翌年4 月初，最低温度可达5℃以下，需要进行升温控温。

表1 近10 年南通市日温度统计及类型划分

2.2日温度在5～30℃的控温处理

在5～30℃温度范围内可采用传统的控温方案，当温室内温度达到25℃以上时可采用布置内外遮阳网+水帘+强排风系统的方式，当温室内温度在15℃以下时，可采用双层密封薄膜+内保温网的方式，该方案能耗低、效果好且易于实施和推广（图3）。经过对蝴蝶兰培养温室的控温研究发现，本方法能有效控制温室内温度在20～25℃。

图3 传统控温方式在5～30℃时的控温效果

2.3日最高温度在35℃以上的降温控温处理

当最高温度超过30℃时，传统方案不能很好地进行降温控制，设计了温室双层密封薄膜+内外遮阳网（方案一）、空调机组+内外遮阳网（方案二）、小型地源热泵机组控温系统+棚顶高压雾化降温系统+室内循环风机系统（方案三）、中型地源热泵机组控温系统+棚顶高压雾化降温系统+室内循环风机系统（方案四）4 种方案，在2020 年8 月最高气温达35℃以上的22d中对比了4 种方案的降温控温效果及成本能耗。从图4a 可看出中型地源热泵机组控温系统+棚顶高压雾化降温系统+室内循环风机系统控温效果最好，温室双层密封薄膜+内外遮阳网的方案及空调机组+内外遮阳网的方案控温效果最差，并不能将温室内温度降到30℃以下，而能耗和成本方面，小型地源热泵机组控温系统总投资要少于中型地源热泵机组控温系统（图4b）。且其投资较小、安装使用方便、配电和用电量较低，制冷降温加温启动迅速，气候高温和低温时热效能高，当温室生产需要夏季白天降温至26℃以下时效果较好，更利于在农户及公司中小规模温室推广。但其要定期清理清洗水源机组热量交换器，因为浅层水源泥沙含量大，设备平时维护较频繁费工，使用寿命相对较短。中型地源热泵机组系统由于其投资额大、配电要求大、安装复杂的缺点更适宜在大型温室中实施。另外，两种降温控温方式由于不能控温在30℃以内，不推荐使用，且空调机组方案投资额大、用电量极大，在中型和大型温室中并不适用。

图4 不同降温方案的效果和能耗

2.4日最低温度在5℃以下的升温控温处理

当外界环境温度在10℃以下时，就需要进行升温控温，比较了传统的双层密封薄膜+内保温网方式和小型地源热泵机组控温系统+室内循环风机的温控差异，发现当外温低于5℃时，传统方案并不能保证温室内温度达到15℃以上，而小型地源热泵机组控温系统+室内循环风机方案可轻松将温室内温度上升至20℃（见图5）。

图5 不同升温方案的效果

3 讨论与结论

本研究为南通地区温室周年生产、高产高效，如蝴蝶兰、番茄、黄瓜等作物生长不再受温度限制（在夏季温室降温到26℃以下，冬季加温至18℃以上），根据南通地区自古以来的浅层水资源自然优势，探索了南通地区温室降温加温模式，且特有的绿色节能。通过分析各种强制降温加温方法主要设备的优缺点，提出了夏季降温和冬季加温环控最适合本地区的节能方案：夏季气温超过35℃时，结合自然通风降温、内外遮阳网、水帘风机强制降温、棚顶雾化蒸腾降温、浅水源小型热泵机组主动降温等；冬季气温低于5℃时采用多层保温、浅水源小型热泵机组主动加温；春秋两季以传统控温方式为主。本研究将为本地区温室种植设施周年生产提供一个绿色节能的温室环控方案。