喷雾对温室温湿度影响的试验研究

李景浩，朱德兰

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌712100）

0 引 言

温室大棚能够为经济作物提供良好的生长环境，其显著的经济效益和社会效益使得温室栽培成为设施农业的重要组成部分[1,2]。其中，温度和湿度是温室内小气候环境中最为重要的影响因子，温湿度是否处于合理区间，直接关系到作物的生长状态。夏季温室易积聚大量多余的热量，造成温室内温度极高，严重影响室内农作物的生长[3]。较高的湿度会影响植株的授粉，导致植株的叶片薄而软，极易感染真菌类疾病[4]。

针对夏季温室降温的问题，众多研究学者从温室通风降温、喷雾降温、湿帘风机降温以及遮阳降温等方面开展了大量研究[5-14]。何科奭[15]研究表明，不同通风方式所形成的温室环境差异较大，顶部和侧部风口均开启时，温室通风率最高，导致室内外温差最小，同时也能产生较为均匀的室内气候，优于单开顶、侧风口。杨家飞[16]研究表明，高温天气情况下，当湿帘风机降温系统在密闭饲养蛋鸡舍运行时，鸡舍内温度较舍外温度低约5.4 ℃，舍内湿度较舍外平均增高14.81%；孙维拓[17]设计了日光温室正压湿帘冷风降温系统，在典型夏季高温白天，正压湿帘冷风降温系统配合遮阳网比采用自然通风配合遮阳网的对照区低5.4～11.1 ℃，比室外低2.4～5.4 ℃，降温效果良好。张芳[18]在夏季典型晴天开展了喷雾降温试验，试验结果表明，试验温室与对照温室相比，气温分别要低3～6 ℃，空气相对湿度分别增加10%～23.8%。综上所述，前人针对如何降低温室内温度的问题进行了大量研究，但对于单喷头最优使用工况的问题尚未很好解决，同时关于微喷头雾化指标、喷雾时间和侧窗开闭情况对温室温湿度的影响尚不明晰。

基于此，本文应用了微喷头的喷雾降温方式，对单喷头喷雾降温过程及效果进行探究。测试不同雾化指标下的单喷头在双拱双膜温室内，连续工作5、10和15 min，开启或关闭侧窗的组合模式下温室内温湿度的变化情况，以期为喷雾降温提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点为西北农林科技大学旱区节水农业研究院（纬度34°20′N、经度108°24′E）。试验温室为双拱双膜大棚，屋脊为南北朝向，温室长6.0 m，宽5.2 m，脊高4.0 m。拱架为钢筋结构，温室顶部配有纺织材料制成的保温棉被（可调节展开或收起），透光材料为聚氯乙烯薄膜，且配有卷帘机、通风口、风机、湿帘等控制设备。

1.2 试验设计

本试验选取温室常用的橙色单出口雾化喷头作为试验喷头，喷嘴形状为圆形，最大直径1 mm，喷洒半径为0.5～0.7 m，喷头安装在温室内顶部中间位置，高度距地面3.5 m，安装形式为下喷，试验装置包括蓄水池、变频水泵、压力传感器、叠片式过滤器和电磁阀。喷头的输水管道布置在温室顶部，支管上预留三通口以安装雾化喷头。试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置及测点示意图（单位：m）Fig.1 Schematic diagram of test device and measuring points

本试验设有4个因素，分别为水压力（3水平）、喷嘴直径（3 水平）、喷水时间（3 水平）和侧窗开闭（2 水平），试验共54组处理，见表1。

表1 试验因素和水平Tab.1 Experimental factors and levels

1.3 测试指标

（1）室内外空气温湿度值。在温室南北中间截面内布设温湿度传感器。温室内试验测点位置见图1。空气温湿度传感器（T1～T5）分别放置在温室内距离左右两侧窗0.4、1.4 和2.4 m 远处，离地高为1 m，用来监测温室内生菜生长区的空气温湿度。室内采用RS-485 温湿度传感器，室外采用RSFSXCS超声波一体式气象站。

试验开始时，记录试验初始数据，试验开始后30 min 内，每1 min 记录一次温湿度数据，监测数据自动保存在PC 端组态王软件中，存储频率可根据需要任意设定，之后将采集完成的数据生成EXCEL 文件。试验结束后，所有温湿度数据均取均值处理。

（2）变频水泵的电流和电压值。在试验过程中记录变频水泵的电流和电压值，以计算不同工况下喷雾系统的能耗。

2 结果与分析

2.1 不同雾化指标对温室内温湿度的影响

为探究喷头雾化指标H（m）/D（m）对温室内温湿度的影响，本文选择2021年7月8日至7月10日15∶00～15∶30（室内外环境情况基本一致）侧窗关闭时不同雾化指标下，喷雾5 min 的试验数据进行分析。图2 是温室内的降温增湿幅度变化图。

由图2（a）可知，各处理的降温幅度均表现出明显的先增大后趋于稳定并逐渐减小的规律性。这是由于喷雾开始，温室中水雾的含量逐渐上升，水雾蒸发吸收的热量逐渐大于温室吸收的外部热量，降温幅度逐渐增大；随后，降温幅度开始趋于稳定并缓慢下降，这是由于温室吸收外部热量大于喷雾水雾蒸发吸收温室内的热量；各处理中，降温幅度最大的为D3-30 处理（雾化指标为4×104），为5.4 ℃，降温幅度与水压力和喷嘴直径均呈正相关。

图2 晴天天气情况下喷雾试验结果Fig.2 Spray test results in sunny weather

由图2（b）可知，温室内增湿的变化趋势与降温的变化趋势一致，增湿幅度先增大后趋于稳定并逐渐减小。各处理中，增湿幅度最大的为D3-30 处理，为25.9%，此时，温室内的湿度可达到69%，作物长时间生存在高湿度的环境内，可能会引起多种病虫害。增湿幅度最小的为D1-20 处理，为14%。同一喷嘴直径下，水压力越大即雾化指标越大，增湿幅度越大。同一水压力下，喷嘴直径越大即雾化指标越小，增湿幅度越大。

需要特别说明的是，D2-20 处理和D3-30 处理的雾化指标均为4×104，但两个处理的降温效果和增湿幅度却不相同，这是因为这两个处理相同时间内的喷雾量不同，喷雾量大的处理降温效果优于喷雾量小的处理。

2.2 不同喷雾时长对温室内温湿度的影响

为了比较不同喷雾时长的降温和增湿情况，依据同一时刻室外环境差异较小的原则，试验时间选取了2021年6月30日到2021年7月2日连续3 天的数据进行分析。6月30日喷雾时间设定为5 min；7月1日喷雾时间设定为10 min；7月2日喷雾时间设定为15 min。喷嘴直径均为0.5 mm，水压力均为0.25 MPa，侧窗关闭。

试验期间，30日、1日和2日15∶00～15∶30 室外平均温度分别为34.4、34.7 和34.8 ℃，室内初始时刻温度分别为40.1、40.5和40.7 ℃，3次试验室内外温度基本一致。

图3（a）为6月30日到7月2日15∶00～15∶30 试验温室内温度的变化。6月30日到7月2日15∶00～15∶30 的试验温室初始温度与最低温度的差值即降温幅度分别为3.7、5.2 和6.7 ℃。降温幅度最大值均出现在喷雾结束后3 min左右，之后开始趋于稳定并缓慢下降。其中，喷雾15 min 的处理保持较高降温幅度的时间最长，达到8 min，喷雾5 min和10 min的处理分别为4 min和6 min，这是由于喷雾时间长，温室内的空气水雾含量较高，可以更好地抵御外部高温，从而延长降温的效果。仅从降温效果上看，喷雾时间为15 min 的喷雾模式降温效果更好，且持续时间更长。

图3 晴天天气情况下不同喷雾时长试验结果Fig.3 Test results of different spray times in sunny weather

图3（b）为6月30日到7月2日15∶00～15∶30 试验温室内湿度的变化。6月30日-7月2日15∶00～15∶30 的试验温室初始湿度与最高湿度的差值即增湿幅度分别为19.7%、26.1%和35.9%。增湿幅度变化趋势同降温幅度，随着喷雾时间增加，其相对湿度也随之增加。虽然喷雾15 min 降温效果最好，但其湿度也是增加最明显的，喷雾15 min 的处理温室内最高湿度可达65.9%，喷雾5 min 和10 min 处理温室内最高湿度分别为49.7%和56.1%，但由于长时间处于高湿环境，会抑制植株正常的水分蒸腾，诱发病虫害，故从喷雾降温增湿可控性来说，喷雾时间为10 min的喷雾模式降温效果更好。

2.3 侧窗开闭对温室内温湿度的影响

本试验选取6月20日（开启侧窗）和7月1日（关闭侧窗）2天的试验数据并对其分别进行处理分析，比较在晴天天气情况下，喷嘴直径为0.5 mm，水压力为0.25 MPa，开启侧窗和关闭侧窗温室喷雾10 min 后30 min 内温室内温湿度的变化情况。2次试验室内外环境基本一致，室内初始温度分别为38.4和37.9 ℃，相对湿度分别为31.6%和33.1%。

由图4（a）可以看出晴天时侧窗开闭情况不同，温室内温度变化规律不同。在试验30 min 内晴天开启侧窗温度下降幅度大于关闭侧窗温度下降幅度，其下降幅度在结束喷雾2 min 后最高可达7.6 ℃，而关闭侧窗温度下降幅度最高为5.2 ℃。开始喷雾后，开启侧窗比关闭侧窗降温速率更快，到达最高点后，开启侧窗处理降温幅度开始出现下降，直至28 min 时趋于稳定，降温幅度最终为5.6 ℃，这是因为，喷雾结束后，风带走了温室内过多的水蒸气，导致温度小幅回升，最终趋于稳定。关闭侧窗处理降温幅度到达最高点后开始趋于稳定并缓慢下降。开启侧窗的降温效果要优于关闭侧窗的情况，降温幅度差值最终为1.2 ℃。

图4 晴天天气情况下不同通风情况试验结果Fig.4 Test results of different spray times in sunny weather

晴天天气情况下，侧窗开闭不同，温室内湿度变化出现显著差异。由图4（b）不难得出，关闭侧窗时的相对湿度增量（26.1%）远大于开启侧窗时的相对湿度增量（7.4%）。探究其原因，关闭侧窗时，温室内部空间相对封闭，空气流动性很低，喷雾产生的水雾经过蒸发形成水蒸气，水蒸气聚集在整个温室内，导致温室内的湿度上升幅度较大；开启侧窗时，温室内通风情况良好，水雾蒸发吸热，吸收了温室内部的热量，相较于室外，温室内部湿度较高，自然通风使空气流动，将室内高湿空气排出，再补充进入室外较干燥空气，以实现降温的同时，湿度不会明显上升。

2.4 不同处理下的能耗对比

不同工况的降温幅度不同，能耗也不尽相同。表2是初始温度为40 ℃，不同工况下降温幅度达到5 ℃时的变频水泵功率、时间和能耗值。

由表2可知，变频水泵的功率与水压力和喷嘴直径均呈正相关，变频水泵的功率随着水压力和喷嘴直径的增大而增大。同一水压力下，增大喷嘴直径会增加流量，即变频水泵功率会增大，喷嘴直径0.50 mm 和0.75 mm 下的功率仅比0.25 mm增加0.81%和1.23%，增幅不大。同一喷嘴直径下，增大水压力也会导致流量增大，变频水泵功率增大，水压力0.25 MPa和0.30 MPa 下的功率比0.20 MPa 增加17.07%和35.98%，增幅明显。改变水压力引起的变频水泵功率的变化要远大于改变喷嘴直径的影响，变频水泵功率更多的取决于水压力。

表2 不同工况下降温幅度达到5 ℃时的变频水泵功率、时间和能耗值Tab.2 Current,voltage and power values of variable frequency water pumps with different working pressure and nozzle diameter

不同工况下降温幅度达到5 ℃时，能耗最低的为喷嘴直径0.75 mm，水压力0.25 MPa 处理，为562.2 kJ。在该处理下，仅用时474 s 降温幅度便达到5 ℃。初始温度为40 ℃时，同一喷嘴直径下，降温幅度达到5 ℃的时间随着水压力的增大而减小；同一水压力下，降温幅度达到5 ℃的时间随着喷嘴直径的增大而减小。时间与水压力和喷嘴直径均呈负相关。

式（1）为水压力和喷嘴直径与能耗进行的多项式函数拟合方程，其决定系数R2为0.98，表明拟合公式可以很好地反映水压力和喷嘴直径与能耗的关系。

式中：E为喷雾系统能耗，kJ；H为水压力，m；D为喷嘴直径，mm。以喷雾系统在初始温度为40 ℃时降温5 ℃的耗电量最低为评价标准，能耗最低的处理仅耗电0.156 kWh，结合杨凌当地电价0.5元/kWh，可以得出，降温电费成本为0.078元，喷雾系统运行成本低。因此，在降温效果相近的情况下，基于节约能源的目的，应优先考虑降低水压力和增大喷嘴直径。

3 结 论

在不同雾化指标、喷雾时间和侧窗开闭情况下，对喷雾对温室温湿度的影响进行了试验研究，得出以下结论：

（1）喷雾降温的原理是水雾蒸发吸热，不同雾化指标下的喷雾对温室内的温湿度的影响有显著性差异，水压力越大（雾化指标越大）、喷嘴直径越大（雾化指标越小），即同一时间内喷出的水雾越多，降温效果越明显。初始温度为40 ℃时开启喷雾（喷嘴直径为0.75 mm，压力0.30 MPa，时间5 min），降温幅度最高可达5.4 ℃，降温效果最明显，增湿幅度变化趋势同降温趋势。在降温5℃的情况下，使整个喷雾系统的能耗最低，以喷嘴直径为0.75 mm，压力0.25 MPa最为合适。

（2）不同喷雾时长的喷雾对温室内温湿度的影响有显著性差异，喷雾时间越长，降温效果越明显，可以更好的抵御高太阳辐射值，但长时间喷雾会导致温室内湿度过高，造成植物病虫害，故连续喷雾10 min最为合适。

（3）侧窗开闭情况不同，喷雾对温室内温湿度的影响有显著性差异；相同喷雾时间下，开启侧窗的降温情况（5～7 ℃）优于关闭侧窗且相对湿度上升幅度小（5%～10%）。因此，喷雾时应开启侧窗，降温更显著。

（4）水压力0.25 MPa、喷嘴直径0.75 mm、喷雾时间10 min 并配合侧窗通风为该试验降温效果最优且能耗最低的工况，可为双拱双膜温室夏季的快速降温提供参考。