华南地区温室降温方法的应用分析和展望

吴玉发，蒋先平，沈林晨

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广东弘科农业机械研究开发有限公司，广东 广州 510555）

0 引言

设施园艺以其土地利用率高、环境相对可控、便于机械化操作和产业化生产等优势，成为现代农业现代化水平的重要标志之一，呈现出蓬勃发展的态势。在我国，温室蔬菜生产是设施园艺的主要形式。温度是作物生长发育的重要环境因素，温度调节也是设施栽培区别于露地栽培的显著特征，如何通过优化温室结构、研制降温设备等提高温室降温性能，更好地调控和管理温室环境一直是学者们探讨的热门问题。

华南地区温室需要进行通风降温时间长达9个月以上，针对夏季高温高湿的气候特点，采用通风降温、遮阳降温、湿帘风机降温、喷雾降温及天面喷淋降温等单独降温和组合降温的方法，展望通过基于温室环境和对作物生长时序数据收集，借助人工智能，实现降温装备的精准控制。

1 华南地区温室常用的降温方法

1.1 通风降温

通风降温是通过天窗、侧窗的自然通风或机械强制通风的形式将温室内外的冷热空气进行置换，达到降低室内温度的目的，同时还可补充CO2，是夏季常用的降温手段。

1.1.1 自然通风

自然通风指利用自然风压、空气温差、空气密度等对室内区域进行通风输气，不消耗额外的能量，可以降低生产运行成本，有研究表明自然通风的效果与侧窗及天窗的面积和位置、温室的朝向、结构参数等因子有关[1]。程秀花[2]以venlo 型玻璃温室建立的CFD 数值模型模拟结果表明天窗开口角度对室内温度分布有影响。赵融盛等[3]研究结果表明温室最适合侧通风口高度为距地面60 cm。还有研究通过改变温室结构或开窗方式，如屋顶全开启式温室[4-5]、锯齿形温室[6]、后坡整体开窗式[7]、拱形温室开窗、提高肩高等提高温室通风降温能力。

1.1.2 机械通风

当温室外空气温度低于温室内，且自然通风降温效果不好时，采用风机强迫室内空气流动，增强温室内热空气与外界的对流换热，提高降温的效果。有理论介绍过华南温室机械降温设施的选择、布置和参数等要求，分析了通风降温效果[8]，机械通风降温措施使温室与外界的换气量得到很大提高，同时还具有一定的除湿作用。

1.2 遮阳降温

通过遮阳网遮阴，减少进入温室内的太阳辐射，保证温室作物正常生长，防止室内温度过高，遮阳降温是一种较好的辅助降温手段。

1.2.1 内遮阳降温

内遮阳置于温室屋顶和作物之间，可以减少进入室内的太阳辐射，使大量热量聚集在遮阳网与屋顶之间，形成一个高温空间区域，上方区域温度有时高达60 ℃[9-11]，通过屋顶天窗排走热量。

1.2.2 外遮阳降温

外遮阳是在温室屋顶上方安装固定或活动式遮阳结构，分为电动或手动2 种，通过卷放或者平拉的方式实现遮阳。外遮阳网本身的降温效果有限，但是可以阻挡进入温室的太阳辐射，减少其他降温措施的负荷，实际生产中通常和其他降温形式组合使用，具有不错的降温效果。汪波等对塑料薄膜大棚的遮阳网覆盖方式进行试验，结果表明，外遮阳方式比内覆盖、内平覆盖方式遮阳效果更佳[12-14]。胡建等试验证明在室内气流与外界气流产生交换情况下，打开外遮阳能使室内温度降低到室外温度以下，室内温度水平分布较为均匀，且对室内湿度影响不大[15-20]。

1.3 湿帘风机降温

湿帘风机降温系统是在温室一侧安装风机，另一侧安装一种多孔吸水的材料，使通过湿帘进入室内的空气带有大量水汽，利用水汽的蒸发带走大量热量。湿帘风机系统能够有效降低温室室内温度，是大型温室中运用较为成熟和广泛的降温方式，程秀花以venlo 型玻璃温室建立的CFD 数值模型验证与温室内气流流动过程一致，结果表明采用湿帘-风机通风系统调控，较自然通风调控方式室温可降低10 ℃左右。

1.4 喷雾降温

喷雾降温是使用特定技术将水形成直径非常小的细雾滴，通过雾滴与温室内空气混合，利用水的蒸发散热来降温的一种降温方法。农业生产中常用的雾化方式为压力雾化，将水经过过滤系统后进入高压泵，通过孔径非常小的喷嘴形成细雾滴。张芳等提出了一种喷雾降温方法，温室试验区比对照区温度降低最高达6 ℃[21]。丁德志等在南昌地区设计了一种雾化降温系统，喷雾后普遍能降温7～8 ℃，改善了花卉作物夏季生长环境[22]。这种方法所产生的雾滴直径很小，用水量少，降温效果好，对温室内湿度增加不多，一般只比对照温室高20%左右[23]。

在遮阳网上喷雾降温，减弱了对温室下部相对湿度的影响，降温幅度比单靠遮阳网时提高1～5 ℃，且温湿度分布比较均匀[24]。王本根等的试验表明采用内遮网上喷雾降温可使温度比室外气温下降2.4～6.5 ℃，相对湿度只增加了10%左右，但是垂直温差可达8～10 ℃[25]。

1.5 喷淋降温

在温室的屋顶或遮阳网上喷洒水，通过水层吸收一部分太阳辐射和形成遮阴，通过增加与空气的接触面积提高水的蒸发率来达到降温效果。屋顶喷淋增加了屋顶的相对湿度，对室内湿度影响并不大，避免了湿度过高对植物生长的不利影响。

2 常用降温方法的应用和存在的问题

2.1 通风降温

自然通风降温在室外的温度不超过30 ℃的情况下适用[8]，如室外温度过高，外界热空气进入温室，达不到降温目的。我国夏季大部分地区风速较小，在外界气温过高，仅利用自然通风降温很难满足植物生长的需要。

一般采用自然通风降温的设施以单栋小型为主，最好的降温效果可达室内外温差3～5℃。机械通风时，当基本通风量超过0.05 m3/m2·s 时，风机降温效果也不再明显[10]。

2.2 遮阳降温

在遮阳网展开时，会阻碍温室内散热，室内的温度不降反升，袁培等的试验表明，内外遮阳装置同时开启和只开启外遮阳装置时，室内空气温度均低于内遮阳装置单独开启时[13]，所以内遮阳一般不用于夏季温室的降温，一般用于冬季的内保温。

外遮阳降温，减少太阳光进入温室内，减少热辐射，使温室内平均温度降低，在华南地区广泛应用，成为防灾保护的一项重要的技术措施。外遮阳的降温效果优于内遮阳，但要求外遮阳材料伸缩性小、抗老化，构架坚固。

2.3 湿帘风机降温

湿帘风机降温效果的影响因素有很多，降温效果与过帘风速有直接关系，研究表明湿帘的过帘风速在1.0～1.5 m/s 之间时降温作用最佳[17]。杨涓等对比了2个降温效果不同的温室，分析了风机的位置、高度、数量、规格等对室内环境的影响[18]。湿帘风机的有效降温区域一般为40 m 左右，在高温高湿环境下的南方地区会更低。赵成等[19]试验表明，在高温高湿的南方地区，湿帘风机系统能提供25 m左右的有效降温区域。

湿帘风机降温增加室内湿度，在达到一定湿度后，降温效果减弱，且容易引发植物病害，影响植物蒸腾作用等生理活动。

2.4 喷雾降温

与湿帘风机系统相比，喷雾降温更迅速，可以形成空间上较为均一的温湿度环境，但是由于其本身的降温原理，导致其对喷嘴孔径、喷雾压力、增压设备和过滤水水质等要求较高，导致成本较高，难以大面积使用，没有充分雾化的水滴淋在植物表面会影响植物生长。

2.5 喷淋降温

屋顶喷淋降温需要遮阳网长时间处于湿润状态，对遮阳网的耐久性能要求较高，此外，当风力较强时，遮阳网和水膜形成的降温效果将无法有效影响室内温度的下降，其降温效果有较大不确定性[22]。另外，考虑安装费以及定期清除屋顶积累的水垢等杂质的工作，且水质较硬的区域需要对水进行软化处理后再使用，推广具有一定的限制性。

3 解决措施

华南地区的温室一般都配备自然通风与外遮阳，降温效果要求高一些的温室配置湿帘风机降温系统、空调降温以及其他机械降温设备。

在华南地区夏季室外温度较高，通风降温不能满足要求，要采用湿帘风机降温。针对湿度增高对降温效果的影响，增加了除湿室和除湿剂再生子系统，其原理是空气中的水蒸气在经过除湿剂后被吸收，湿度降低后再通过湿帘风机系统，达到进一步降温的目的，满足高温高湿地区夏季降温的要求。从使用方法角度，可考虑湿帘风机和机械通风间隔使用，控制室内的湿度[17]。

生产中更多用到的是组合降温措施，试验表明，组合降温效果优于单一措施，不过具体实施办法应结合作物生长特点，考虑开启时间和能量消耗的因素。郑慧珍[25]设计了一套降温控制系统，在尽量低成本、低能耗的情况下，调节通风、遮阳、湿帘风机、微雾设备等，实现降温效果较明显、适合作物生长要求的微气候环境。刘妍华[26]建立了华南地区温室环境调节试验平台，研究了开窗、外遮阳网、屋顶喷淋、湿帘风机、室内喷雾5 种单项调节措施以及外遮阳分别与开窗、湿帘风机、天面喷淋结合的3 种组合措施对室内温湿度的影响。研究结果表明，组合降温效果一般优于单一降温技术，但能耗也更高，实际应用中，应综合考虑各影响因素，根据温室用途和作物生长特性等，选择经济有效的降温技术，在夏季达到良好的降温效果。

4 结论与展望

组合降温可以弥补单项降温措施的不足，增强降温效果。在实际生产过程中要根据地理气候条件、作物种类需求、建设投资、管理运行费用等选择合适的降温方式。

随着温室产业的发展，还会不断有新的降温技术出现并应用于温室，为夏季温室降温问题提供更好的借鉴和参考。

基于温室环境和作物时序数据，采用人工智能算法优化温室环境控制，达到高效节能的降温效果。在温室部署各种传感器（空气温度，湿度，CO2，营养液EC、pH，植物温度以及光照度），通过温室控制系统收集一系列传感器数据，并上传于数据平台用于数据分析建模，建好模型再下达指令控制系统，通过控制系统使降温组合装备精准执行。