风光互补的新型智能温室大棚

蔡楦 周姣姣 申健 付胡鑫 黄莺 张铭雨 盛富城 白军

西藏农牧学院水利土木工程学院，林芝 860000

现阶段，温室大棚在设施农业中得到广泛应用，它可实现反季节种苗繁育、农作物种植。在温室大棚中，空气温湿度、光照、土壤温湿度、二氧化碳浓度等环境参数会严重影响农作物的生长[1.2]。由于传统温室大棚保温、通气能力差，供暖方式需消耗大量煤炭和电能。一方面藏区物质匮乏，地广人稀，人工成本高；另一方面会产生大量二氧化碳和有害气体，不利于碳中和的实现，无法及时满足人们的生产需求，再加上后期新型材料的出现，高原地区风光互补智能温室大棚的出现就成为了必然。

环境温度严重影响农作物的生长，西藏地处我国西南边陲，气候带分布复杂，全年气候干冷，传统的温室大棚都是通过太阳收集热量给大棚供暖，夜间温度骤降可能会威胁到农作物的正常生长甚至死亡[3]。因此，风光互补的新型智能温室大棚采用太阳能平板集热器收集热量，保温水箱储存能量，经智能温度系统的控制为大棚持续供暖并合理配比温室大棚内的温度、水分、养分、二氧化碳浓度等，极大提高了农作物产量、降低了人工成本。

1 研究背景及意义

1.1 温室大棚现状

美国、德国、日本、荷兰等一些国家早在20年代就开始研究将自动化应用于设施农业系统中。我国设施农业温室大棚水平低，装备落后，结构简单，不环保，维护成本高，设施装备研究起步较晚，经过了几十年的发展，设施农业在硬件方面取得了一些成果，但在软件方面还有待提高[4]。

目前温室大棚在农业生产中发挥着重要作用。它们提供了一个受控的环境，可以调节温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等因素，从而优化植物生长条件。温室大棚可以延长种植季节，保护作物免受恶劣天气和害虫的侵害，并提高产量和质量。近年来，温室大棚技术不断发展和创新。现阶段温室大棚已经逐渐采用先进的自动化系统，配备气候控制设备、灌溉系统和光照设备等。采用了以上技术后，温室大棚的生产效率得到了提升，同时还减少了能源消耗，并且使农业生产更加可持续和环保，同时也在节能保温，采光、排水、杀菌等方面提升温室大棚效率和性能。温室大棚还被广泛用于种植各种蔬菜、水果、花卉和草药等植物。它们不仅可以提供新鲜的农产品，还可以满足对反季节性商品的需求，实现机械化，提高质量，生产绿色无公害蔬菜。此外，温室大棚还有助于种植适应非本地气候条件的作物，促进了农业的多样性和市场的多元化。温室大棚的现状是不断发展和进步的，随着技术的不断创新，温室大棚可以更好地满足农业生产的需求，并为人们提供更多的新鲜农产品。温室大棚将会成为未来农业发展的重要趋势。

1.2 高海拔地区对新型智能温室大棚的特殊需求

西藏地处我国西南边疆，气候条件较为恶劣，阳光辐射强烈，气候干燥，昼夜温差大，风力大，是一个典型的高原气候。目前，区内的果蔬供应主要以内地运输为主，又受交通不便等因素的影响，新鲜果蔬的供应受到很大限制。高海拔地区通常氧气含量较低，大气稀薄，会对作物生长产生影响。传统的温室大棚不能应对冷冻和极端寒冷的天气，保持适宜的生长温度，自动化水平低、人力作业、产量低[5]。因此，高海拔地区急需一种保温性能好，能够有效控制光照和湿度的智能温室大棚，以抵御恶劣的自然环境和可能出现的自然灾害。

与传统温室大棚相比，新型智能温室大棚的种植基本不受外界环境的影响，在高原地区能给农作物提供最佳的生长的环境。智能化控制的温室大棚相比于传统温室大棚产量和质量都有极大的提高，生产效率可以提高30%以上[6]。通过新型智能温室大棚种植的果蔬，不仅可以提高农作物的产量，还可以反季节种植，让农户一年四季都可以吃到新鲜的果蔬。由于藏区昼夜温差大，反季节种植对大棚温度、土壤湿度等参数的要求较高，需要辅助设备为农作物提供适应的生长环境，因此智能化的温室大棚成为了必然[7]。

2 设计原理

随着社会经济的发展，人们越来越注重环境保护，风光互补的新型发电系统逐渐出现在了人们的视野中，然而单独的风力发电和太阳能发电存在不稳定性，将风能和太阳能结合在一起组成的风光发电系统被人们广泛应用于生产中[8]。在大棚周围安装风力发电机，扇叶旋转的机械能通过电机转化成电能储存在蓄电池内，太阳辐射照射集热器表面，被集热器表面镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水。管内水吸热后温度上升，比重减小而上升，形成向上的动力，水会在集热器内逐渐升温，达到一定温度后由水泵泵入保温水箱。藏区空气稀薄，紫外线强烈，白天可打开遮光布给植物杀菌消毒。在智能温度系统的控制下，当棚内温度低于农作物生长所需要的温度时，控制器打开保温水箱与肋片散热器之间的阀门，利用肋片散热器将水的热量换入棚内空气中，以达到农作物生长所需的温度，另外可以控制水流大小来控制换热量从而控制不同的温度。肋片散热器出口流过的水重新进入集热系统，以形成循环，保持大棚温度恒定。使新型智能温室大棚在没有电的情况下也可以正常工作，方便用户日常使用。除此之外，温室大棚还安装有土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照传感器、CO2浓度传感器，这些装置可远程实时监测大棚内作物生长情况，农户可借助手机实时发布命令控制相关设备，以达到适合农作物生长的环境，并为绿色果蔬种植奠定了良好的种植基础[9]。

图1 温室大棚模型图Figure 1 Greenhouse model diagram

3 结构设计

3.1 风光互补发电系统

将风光互补发电系统应用于智能温室大棚，不但能完全脱离电网，自主供电，还更加低碳环保，因此新型智能温室大棚是将可再生能源用于设施农业生产的最高效、清洁的方式［10］。藏区地广人稀，很多农户住在远离电网覆盖的山区，目前，区内的果蔬供应主要以内地运输为主，加上昂贵的运费，农户很难吃上新鲜的果蔬，针对上述问题笔者设计出了一种风光互补的新型智能温室大棚，来缓解高海拔地区人员因气候环境、特殊地理位置等因素造成新鲜果蔬严重供应不足的问题。

风光互补发电控制技术是目前应用前景最广阔的一种清洁能源利用技术。在温室大棚顶部和侧面分别安装风力发电机和太阳能板，风能通过交流风机将风能转化为电能在经过逆变器将电能储存在蓄电池中；同时通过太阳能电池板将太阳能转化为电能储存在蓄电池中，有风的时候充分利用风能，无风的情况下充分利用太阳能，从而能够为系统提供源源不断的电能支持，实现清洁能源的有效转化［11］。由于风能和太阳能发电的互补性，使得系统在不同的天气条件下提供稳定的电力供应，给温室大棚供电的同时也可满足用户日常照明。用风光互补发电系统代替传统的风能发电系统或者太阳能发电系统，使温室大棚可以脱离电网供电成为自给自足的独立式发用电系统，这在供电极为不方便的偏远藏区尤为适用［12］。同时将多余的电能通过逆变器储存在蓄电池中，在夜间为大棚持续供电。此外，这种系统还可以提高发电效率和稳定性，减少对传统能源的依赖，降低对环境的影响，促进可持续发展。在“双碳”目标指引下，为我国实现碳达峰、碳中和目标打下良好的基础。

3.2 供热循环系统

温室大棚供热量包括［13］：（1）室内照明、人员、设备散热；（2）热物料散热量等；（3）太阳能及风能发电存储的电能。其中利用太阳能及风能转换而来的能量在夜间供入温室的最多。

太阳能平板集热器通过太阳辐射充分吸收热量，将热能存储在储能水箱中。由于藏区昼夜温差大，夜间温度骤降，为保证温室大棚内温度保持恒定，温度传感器接收信号后向控制器发送指令，控制器通过电磁阀控制循环水泵通过肋片散热器给大棚快速升温，达到适合作物生长的温度时断开水泵。当储能水箱中的热水快用尽时，蓄电池供电给电加热设备加热水为储能水箱持续供水。本产品结合当地气候条件，日照时间长，风能资源丰富，充分利用风能和太阳能等清洁能源，采用太阳能集热器收集能量，保温水箱储存能量，经智能温度系统的控制下为大棚持续供暖。

3.3 光照系统

光照是植物生长和发育过程中非常重要的因素之一，光照充足时，植物能够进行充分的光合作用，从而促进生长和产生充足的能量和养分。温室大棚智能光照控制系统是一种利用先进的技术和传感器来监测和控制温室大棚内的光照条件的系统。该系统可以根据植物的需求和环境条件自动调整光照强度和持续时间，并适当给温棚内种植物杀菌消毒，以提供最佳的生长条件。光照传感器实时测量温室大棚内的光照水平，并将数据传输给控制系统。控制系统根据光照传感器的数据和预设的参数，自动调整LED灯、遮光布设备的工作状态。利用智能光照控制系统，可根据植物的生长周期和需求，调整光照的强度和持续时间。农户可以更精确地控制温室大棚中植物的光照条件，提供适合植物生长的环境。这不但能够改善生产，而且能够节约能源，降低人为干扰。

3.4 通风系统

该系统可以根据植物的需求和环境条件自动调整湿度水平，以提供最佳的生长条件。湿度传感器测量温室大棚内的湿度水平，并将数据传输给控制系统。控制系统根据湿度传感器的数据和预设的参数，根据植物的生长周期和需求，自动调整喷雾装置或排风扇设备的工作状态。利用智能湿度系统，农户可以更精确地控制温室大棚中植物的湿度条件，提供适合植物生长的环境。这有助于预防湿度过高或过低引发的病虫害问题，提高植物的生长健康程度，进而提高产量和质量。此外，智能湿度系统还可以提高工作效率和节省人力成本。

同时可以监测温室内的二氧化碳浓度，并根据植物的需求和环境条件自动调整二氧化碳浓度，以促进植物的生长和发育。二氧化碳传感器测量温室大棚内的二氧化碳浓度，并将数据传输给控制系统。控制系统根据二氧化碳传感器的数据和预设的参数，自动打开排风扇或二氧化碳喷嘴设备的工作状态。通过智能二氧化碳系统，农户可以更精确地控制温室大棚中植物的二氧化碳浓度，提供最佳的生长环境。在二氧化碳浓度不足的情况下，补充二氧化碳可以促进植物的光合作用，增强植物的生长速度和产量。此外，智能二氧化碳系统还可以提高能源利用效率，减少二氧化碳的浪费。

3.5 智能控制系统

温室大棚智能控制系统是通过应用先进的技术和传感器来监测和调节温室大棚内的环境参数，以实现自动化的控制和优化植物生长的系统。该系统可以根据植物的需求和环境条件，自动控制温室大棚内的温度、光照、湿度、二氧化碳浓度等参数，为植物提供最佳的生长条件。通过温室大棚智能控制系统，农户可以实现对温室大棚环境的精确控制，在果蔬种植的过程中，通过针对不同果蔬生长条件要求设定不同信息，同时进行高精度计算，为果蔬生长提供最适宜的条件，保证果蔬充分吸收养料，从而提高产量、质量和效益，节约能源和劳动成本。并将监测的数据上传至云端，农户能够根据传感器采集的数据对农作物的生长环境进行实时监测调整，实现农作物的精细化管理，降低种植成本。该智能控制系统能有效提高农业生产效率，为服务农业生产提供更多选择，具有良好的应用价值与发展前景［14，15］。

图2 温室大棚原理图Figure 2 Schematic diagram of a greenhouse

4 数学模型

依据相关传热学知识，一般的热量传递有三种方式即热辐射、热对流、热传导三种，而本设计互补温室大棚主要为解决夜间农作生长需求，故本设计不涉及三种传热方式中的热辐射，只有热对流、热传导两种传热过程。

图3 温室大棚传热模型简图Figure 3 Schematic diagram of the heat transfer model of a greenhouse

4.1 热传递

互补温室大棚的外围结构主要作用是夜间通过肋片散热器等输暖设备得来的热量将温室大棚的温度维持在农作物的生长需求所规定的温度，然而由于高原的恶劣天气特别是夜间时分，温室大棚外部环境的温度急剧下降，导致外围结构也不能完全将阻挡住这种来自大自然的影响，这种温度骤降也将会影响到温室大棚内部的某些微小环境，并且由于温室大棚夜间为密封状态，故其内部气流速度将会非常缓慢，但是又与外部环境的影响，其内部也将会进行一定范围内的自然对流，即热对流，同时根据传热学相关知识，温室大棚外围结构由于与外部环境巨大的温降而引起的强气流有一定的作用，并且由于温室内外较大的温度差异，这将会导致一定的能量传递损失，即外围结构的热传递。而依据传热学理论，由热传递引起的能量交换可以用以下式子来表示即：

式中，λ——材料导热系数，W/（m·k)；

tin——室内温度，℃；

tout——室外温度，℃；

δ——材料厚度，mm。

4.2 外围结构壁面的对流换热系数

对流换热是热量传递中较为常见的现象，其可以理解为流体能量传递的宏观运动的一种现象，这种现象在生活中也能够时常见到，但是其形成过程一般伴随着多种运动的进行，这样就导致了对流换热计算时受到了多种影响因素，因此将会非常麻烦，故根据相关经验公式，此互补温室大棚外围结构的对流换热系数可如下公式计算［14］：

式中，v——室外风速，m/s；

4.3 边界条件

对于外围护结构由于室内温度保持一定的恒定值故采用第三类边界条件，而根据外围结构边界面的热平衡，其温室内部传向边界面的流体的热流密度应该等于边界面传递给附近流体的热流密度，且此过程为稳态的对流换热过程，则由傅里叶定律与牛顿冷却公有：

式中，λ——热导率，W/（m·k)；

h——对热交换系数，稳态对流换热故为常数；

tw——边界温度；

tf——室内流体温度。

5 结语

综上所述，该温室大棚在传统温室大棚上进行了较大的构造改动，相较于旧式大棚有了更多创新点。将物联网技术与智能控制技术相结合，对温室大棚内果蔬进行远程智能监控，农户通过检测装置和自动控制系统实现可视化果蔬种植，提高监测精度；同时建立换热数学模型，实现精确的棚内环境调控，从根本上解决土壤温度控制不均匀的问题，为果蔬种植增值提效，推动现代农业发展。风光互补的新型智能温室大棚更注重利用清洁能源实现环境保护，在国家大力推进碳达峰、碳中和的背景下，该温室大棚可为“碳减排”贡献我们高原的“雪域力量”［9.16，17］。