大棚降温技术研究进展及展望

2021-12-09孙信成张忠武黄琳蒋万陈位平杨连勇康杰彭元群王桢

南方农业·上旬 2021年11期

孙信成张忠武黄琳蒋万陈位平杨连勇康杰彭元群王桢

摘要大棚作为一个半封闭的设施结构，可以调控棚内的温度、湿度、光照强度等环境因子，为作物生长提供合适的环境，以提高作物的产量和品质，已广泛应用于现代农业的设施蔬菜生产中。夏季棚室内常会出现40 ℃以上的高温，严重影响棚内作物的生长，已成为制约设施农业发展的难题。从通风（自然通风、机械通风）、遮阳、蒸发、反射、制冷、热交换降温技术等方面综述大棚降温技术研究进展，并从多种降温措施配合使用和改良优化棚室结构两个方面进行展望。

關键词大棚;降温;通风降温;遮阳降温;蒸发降温;反射降温;热交换

中图分类号：S625 文献标志码：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.31.011

大棚已经广泛应用于现代农业的设施蔬菜生产中，作为一个半封闭的设施结构，可以调控棚内的温度、湿度、光照强度等环境因子，为作物生长提供合适的环境，以提高作物的产量和品质。我国设施园艺栽培面积居世界首位，设施栽培类型和栽培范围也在不断发展扩大，北方大棚以日光温室为主，南方则以塑料大棚为主。统计数据显示，“十三五”时期我国塑料大棚面积平均为1.5×106 hm2，日光温室面积为0.8×106 hm2，连栋温室面积为0.07×106 hm2，在设施栽培总面积中所占的比例达到了64%、33%、3%[1]。

华中及华南地区夏季平均气温在30 ℃以上，但棚内常会出现40 ℃以上的高温，严重影响棚内作物的生长，因此研究大棚降温技术已成为设施农业发展亟需解决的问题。随着设施农业的发展，环境调控技术的不断提升，越来越多的降温措施已得到应用，不仅可以利用通风口、遮阳网等降温设施，还可以采用喷淋、风机、湿帘、涂料等降温方式进行降温。本文主要从大棚通风降温、遮阳降温、蒸发降温、反射降温、制冷降温、热交换降温等方面进行综述，以期为南方大棚降温研究提供参考依据。

1 大棚降温技术

1.1 通风降温技术

1.1.1 自然通风降温

自然通风降温技术是根据热压和风压的相对平衡原理，高温空气向上运动，低温空气向下运动，以及棚外风力造成的风压，通过开通风口、棚门等促使空气流动，进行棚内外的通风换气。大棚自然通风降温方式包括侧通风、顶通风、棚头通风和风井通风。

马承伟等研究表明，当大棚进风口的风速为1 m·s-1时，风阻为3.7 Pa左右;若进风口安装有防虫网，则风阻可达到10～16 Pa，作物风阻5～10 Pa[2]。吴玉发等指出，若大棚所在区域的海拔不超过300 m，太阳辐射强度不超过5 klx，能够满足大棚降温要求的通风量需要达到2.5 m3·（m2·min）-1[3]。齐振宇等表明，在自然通风条件下，屋顶全开启温室的降温效果要优于普通顶窗温室[4]。王新忠等研究了自然通风对屋顶全开型玻璃连栋温室夏季降温的影响，通过建立计算流体力学（CFD）模型，分析表明，在侧窗开角为45°、天窗开角调整至60°的温室降温效果最佳，从对照的38.4 ℃降至36.9 ℃，降温效果明显[5]。Kittas等针对连续开窗温室大棚，以通风口设置和风速为研究对象，发现随着风速的增大，降温效果非线性地降低，证明了不同侧窗形式和不同角度的天窗对自然通风降温效果的影响[6]。Bartzanas等研究了圆拱型大棚不同通风口的通风降温效果，表明侧窗和天窗联合通风的形式具有最优的通风效果[7]。Baptista等依据示踪气体技术研究四连栋温室的自然通风率，表明风速对通风率有较大影响，在风速较低条件下，棚室内外的温差对通风率起主要影响[8]。

1.1.2 机械通风降温

机械通风降温技术属于强制通风，当自然通风达不到温室的要求时，如在夏季高温，室外温度超过33 ℃以上时，就要采用强制通风的形式，强迫空气流动进行温室换气来降温。

黄震宇等以南方连栋塑料温室为对象，建立了三维全尺度瞬态及稳态计算流体力学仿真模型，提供的控制策略最高可减少60%能源消耗，作物冠层温度仅升高0.21 ℃[9]。肖波等根据通风口通风和湿帘风机降温对比试验，发现在初夏阶段利用通风口自然通风，可将棚内温度降至35 ℃以下;采用湿帘风机在连续晴热天气下也能达到较好的降温效果，棚内温度能够降低4～7 ℃[10]。Lamrani等研究发现温室内使用环流风扇可减少垂直温度梯度，并有效消除温室屋脊处积聚的多余热量[11]。Bournet等采用CFD方法研究了不同风机形状及安装方式下的温室内空气流场分布情况[12]。

1.2 遮阳降温技术

遮阳降温技术是在大棚的上部设置遮阳材料，反射太阳辐射，以减少进入大棚内部的热量来达到降温的目的。常用的遮阳材料有塑料薄膜、合成纤维织品、无纺布、涂银帆布、铝箔和苇帘子，以及在透光覆盖材料外表面喷涂化学涂料等。根据遮阳网安装位置的不同分为外遮阳和内遮阳。

张伟建等利用试验和CFD模型分析了遮阳网对温室夏季降温效果的影响，表明遮阳网使用层数对温室降温影响显著，在两层遮阳网下，温室内外温度相差最大，为4.5 ℃[13]。任旭琴等研究涂料和遮阳网覆盖对棚内温度的影响，表明涂料的遮阳降温效果与其稀释比例有关，稀释比例越小，遮阳降温效果越好[14]。袁培等研究表明，内外遮阳装置同时开启能显著降低棚内温度，比内遮阳装置和外遮阳装置单独开启的1h范围内温度低3～5 ℃[15]。徐进等研究遮阳网和环流风机对大棚降温的影响，表明单项降温措施中以遮阳网的降温效果最好，在环流风机的基础上能再降1 ℃左右;遮阳网和环流风机组合可在遮阳网的基础上再降2 ℃左右[16]。Willits运用布点测量的研究方法，发现遮阳网的使用不仅有利于温室的降温，也有利于温室内作物水分的保持[17]。

1.3 蒸发降温技术

蒸发降温技术就是利用水在蒸发过程中吸收空气里的显热而令空气降温，1 g液态水蒸发成1 m3水蒸气能够使其自身温度降低2.5 ℃。主要有湿帘-风机降温系统、高压喷雾降温系统和屋顶喷淋降温系统。

刘云骥等研究发现，在高温、低湿气候下，湿帘风机系统的棚室内平均降温6.7 ℃，最高可降温9.2 ℃;而在高湿地区，降温效果降低，平均降温4.8 ℃[18]。刘佳等研究表明，使大棚获得最佳气流速度时，风机与湿帘之间的距离应该在30～70 m[19]。张璐瑶等验证了高温低湿气候条件下湿帘风机降温系统的效果，表明棚内最高降温9.2 ℃，湿帘蒸发冷却效率达到90.3%[20]。张芳等研究了大跨度温室中夏季采用喷雾降温系统对棚内温湿度的影响，发现系统开120 s、关300 s的喷雾模式最佳，可降低棚内温度6 ℃，喷雾蒸发冷却效率为47.2%[21]。于海利等研究表明，采用遮阳网和外屋面喷淋均能显著降低棚内温度，且外屋面喷淋降温比遮阳网降温效果更显著[22]。Chen等采用CFD方法研究了湿帘、风机安装位置与湿帘风机系统降温效果之间的关系[23]。Toida等在喷雾降温系统的喷管上垂直安装了2个100 mm×100 mm大小的风扇，增强了向上的气流，从而提高降温效果，与不加装风扇的喷雾降温系统比较，其蒸发率是原来的1.5倍，降温区域是原来的3倍[24]。

1.4 反射降温技术

反射降温技术是通过反射材料将200～2 500 nm波段的太阳红外线、可见光和紫外线进行高热反射，减少棚室的吸热和蓄热，达到降温的效果。

研究发现，喷涂降温剂，不仅可以反射太阳光，还可以将进入棚室中的太阳光转换为对作物生长有益的散射光。北京志盛威华化工有限公司研制的涂覆ZS-221防晒热反射隔热涂料，能对400～500 nm的太阳红外线、可见光和紫外线进行高反射，降低物体的温度。王婷等通过添加纳米氧化锡锑透光隔热涂料削弱透光率和高压喷淋装置形成双重降温系统，实现了全封闭日光温室的降温和室内水分的循环利用，促进了温室作物的生长[25]。罗婷倚等研究表明，以含氟丙烯酸酯乳液为成膜基料制备的热反射涂料反射率约为78%，说明含氟丙烯酸酯热反射涂层具有良好的降温效果[26]。张仁哲等系统研究了反射隔热涂料的太阳能反射率和辐射率对温度的影响，表明反射隔热涂料可比对照的表面温度降低13.6 ℃，室内温度降低5.4 ℃[27]。李景对降温涂料的降温效果进行研究发现，涂层反射率与粒子直径有关，粒径越小，粒子分散效果越好，涂层反射率越高，最佳涂膜厚度在120 μm左右[28]。

1.5 制冷降溫技术

机械制冷降温技术是通过机械设备，如空调、压缩机等进行降温。在外界温度条件不同的情况下，能使棚室达到适宜要求的温度。耿李姗等对空调系统制冷降温性能进行研究，表明140 mL排量压缩机的降温性能优于120 mL压缩机，制冷量大于4.5 kW[29]。朱文倩等把太阳能技术和制冷技术相结合，设计出一种降温制冷屋顶，在建筑面积为10 m2，屋顶外围空气温度达35.6 ℃的状况下，其内部温度可降至25 ℃以下[30]。吴加生关于空调制冷中除湿量对制冷降温速度的研究表明，内机风量大，除湿量小，制冷降温速度快[31]。贾静等对高温高湿地区兔舍制冷空调的降温效果及经济效益进行分析，表明密闭空调舍的日平均温度、日最高温度及温湿度指数均显著低于密闭舍和开放舍，经济分析显示夏季使用空调降温系统能够产生良好的经济效益，具有经济可行性[32]。

1.6 热交换降温技术

热交换降温技术是通过土壤或地下水等温度较低的媒介，利用两者之间的温差，与棚室内空气之间进行热交换，以实现棚室内降温。主要有土壤-空气热交换降温系统和地下水-空气热交换降温系统。

崔良卫等利用空气-土壤换热系统研究大棚降温，表明埋管深4 m的换热器可将输入的空气温度降低10.9 ℃[33]。鲍恩财等在地中热交换系统对园艺设施夏季降温效果进行探究，表明管道埋深越大、风机流量越大、管道直径越大，降温效果越好[34]。刘德志探究地中热交换系统对温室大棚的夏季降温效果，表明在陕西杨凌地区，管道埋深150 cm、风机功率550 kw、管径200 mm的地热交换系统的降温效果最好，在晴天、阴雨天分别可降温2.46 ℃、1.43 ℃[35]。王晨晨对苏南地区高温高湿条件下，S型地热交换系统和I型地热交换系统对塑料大棚夏季降温效果进行比较，发现S型地热交换系统更适宜在当地塑料大棚中进行降温应用，比I型的棚内温度降低3.7 ℃[36]。王嘉维等对苏南地区夏季浅层地热交换的降温效果研究，表明在该地区5—7月，浅层地热交换大棚内平均降温为0.8～3.4 ℃，初步证明浅层地热交换系统在苏南地区具有实用可行性[37]。

2 各种降温方式的优缺点

2.1 优点

自然通风降温方式不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，是一种经济有效的降温方式。机械通风降温方式可以人为地加大送风量，增加棚内外的通风换气次数，风速可控。遮阳降温方式的降温效果好，性价比高。湿帘风机降温系统的设备一般安装在温室侧墙上，不占温室空间，有利于温室的栽培管理等，而且水可循环利用，利用效率高;棚室内温湿度均匀，利于植物的光合作用。高压喷雾降温适合各类温室大棚，其降温过程节水、节能、无污染，运行费用较低。屋顶喷淋降温不会增加棚室内湿度，内部的温度和湿度分布比较均匀，降温能耗小。反射隔热涂料属于新型环保节能材料，不会造成环境污染，对耐候性、耐酸碱、抗老化和防水硬度等要求较高。制冷降温方式能实现温度可控可调节，同时也可以控制棚室内湿度和通风。热交换降温方式可以回收热能，实现夏季降温、冬季增温的作用，是一种清洁无污染的可再生能源利用形式，一次投入，多年使用，高效节能。

2.2 缺点

通风降温技术的棚内温度不能降低到棚外温度以下，因此降温有一定的局限性。自然通风降温方式会受到气候条件、大棚朝向、通风口位置和大小等的影响，存在着很大的随机性和复杂性，难以人为调控温度高低。机械通风降温方式和湿帘风机降温系统的能耗大，棚室内气温不均匀;温室内方便安装，而在拱形塑料大棚安装不便。湿帘长期使用会发生变形或收缩，产生堵塞，阻力损失增大，效率降低，寿命变短，性价比不高;降温效率还与外界湿度紧密联系，对高温高湿气候条件的适应性差。遮阳降温方式会降低棚内光照强度，降低蔬菜的光合效率，影响其正常生长。蒸发降温的喷雾降温方式会增大温室内的湿度。制冷降温方式的成本和运行费用均较高，因温室或大棚的面积较大，热负荷高，使用极不经济。屋顶喷淋降温系统安装在温室顶部，对顶部的空气温度降低有效果，下部空气降温效果差;易使覆盖材料老化，采光量降低;需要消耗大量的水资源，容易造成资源的浪费。热交换降温方式的最大缺点是耗资大，且布置管道网络技术难度相对较大，也不易对设施进行日常维护和防止管道泄漏;金属或塑料制的地下管道会发生腐蚀，不利于作物生长。

3 展望

3.1 多种降温措施配合使用

通风降温、遮阳降温、蒸发降温、反射降温、制冷降温和热交换降温等方式各有优缺点，结合地理位置、气候等实际情况来组合使用，可实现降温效果和经济效益最大化。根据实际气温，夏季早晨、傍晚或温度不是太高的时候，降温要求不是很高，就可以采用单一、节能的降温方式，如自然通风降温、覆盖遮阳网等降温方式;当对降温幅度要求高时，就可以采用组合降温方式，如通风降温+外遮阳、噴雾降温+内遮阳、湿帘风机+外遮阳、通风降温+喷涂降温剂、湿帘风机+机械制冷、遮阳降温+热交换降温等组合模式，也可将3种降温方式组合使用。胡建对4种组合降温系统的降温效果进行对比研究，发现降温效果从高到低依次为湿帘风机+外遮阳+屋顶喷淋、湿帘风机+外遮阳、机械通风+外遮阳、自然通风+外遮阳[38]。刘春来等对外遮阳、湿帘风机+外遮阳、喷淋+外遮阳、湿帘风机+喷淋+外遮阳等4种降温措施进行了试验，其中湿帘风机+外遮阳的降温效果最佳，棚内温度从43℃降至31.5 ℃[39]。一般来说，降温效果越好，运行成本自然越高，需要根据气候条件及作物生育期对温湿度的要求，结合经济性考虑来选择适宜的降温方式及其组合方式。

3.2 优化改良棚室结构

部分学者对南方设施大棚进行改良优化设计，以解决夏秋季的降温问题。孙信成等研发设计了大跨度不等高大棚，棚体规格为跨度16.0～20.0 m，单侧跨度8.0～10.0 m，脊高4.5～5.0 m，肩高≥2.0 m;桁架、斜撑等结构提高了大棚的荷载能力、抗风雪能力和散热能力;试验表明，设计的顶通风口和侧通风口可降低棚内温度5～10 ℃。在塑料拱棚上进行改良，以利于通风降温，如凸拱形或凹拱形塑料大棚。凸拱形塑料大棚的主要特点就是在拱形大棚的顶上再加一个小凸拱，小凸拱顶面覆盖塑料薄膜，两个侧面覆盖防虫网用于通风降温，可用于南方地区。凹拱形塑料大棚的主要特点就是在拱形大棚的顶部区域有一个“V”型通风口，可用于北方地区。

参考文献：

[1] 束胜，康云艳，王玉，等.世界设施园艺发展概况、特点及趋势分析[J].中国蔬菜，2018（7）：1-13.

[2] 马承伟.农业生物环境工程[M].北京：中国农业出版社，2005.

[3] 吴玉发，李惠玲.华南地区温室大棚通风降温设施结构形式及设计分析[J].现代农业装备，2013（5）：60-62.

[4] 齐振宇，马帆，孔德栋，等.屋顶全开启型Venlo式温室的降温效果[J].实验室研究与探索，2015，34（5）：31-35.

[5] 王新忠，张伟建，张良，等.基于CFD的夏季屋顶全开型玻璃温室自然通风流场分析[J].农业机械学报，2016，47（10）：332-337.

[6] Kittas C， Bartzanas T， Jaffrin A.Greenhouse evaporative cooling： measurement and data analysis[J].Transactions of the ASAE， 2001，44（3）：67-74.

[7] Bartzanas T， Boulard T， Kittas C.Effect of vent arrangement on windward ventilation of a tunnel greenhouse[J].Biosystems Engineering， 2004，88（4）：479-490.

[8] Baptista F J， Bailey B J， Randall J M， et al.Greenhouse ventilation rate： theory and measurement with tracer gas techniques[J].Journal of Agricultural Engineering Research， 1999，72（4）：363-374.

[9] 黄震宇，高浩天，朱森林，等.南方连栋塑料温室夏季机械通风优化设计[J].农业机械学报，2017，48（1）：252-259.

[10] 肖波，饶贵珍.江汉平原地区Venlo型温室夏季通风降温效果研究[J].北方园艺，2014（10）：34-36.

[11] Lamrani M A， Boulard T， Roy J C， et al. Airflows and Temperature patterns induced in a confined greenhouse[J].Journal of Agricultural EngineeringResearch， 2001，78（1）：75-88.

[12] Bournet P E， Boulard T.Effect of ventilator configuration on the distributed climate of greenhouses： a review of experimental and CFD studies[J].Computers Electronics in Agriculture，2010，74（2）：195-217.

[13] 张伟建，王新忠，李亮亮，等.夏季屋顶全开型温室遮阳网降温调控的CFD分析[J].江苏农业科学，2017，45（19）：253-256.

[14] 任旭琴，周强，刘浩如.涂料和遮阳网覆盖对大棚环境和辣椒光合特性的影响[J].东北农业大学学报，2012，43（11）：87-91.

[15] 袁培，刘子扬，党奥飞，等.Venlo型玻璃温室夏季遮阳降温效果[J].江苏农业科学，2019，47（8）：225-229.

[16] 徐进，赵鹤，王铁臣，等.不同降温措施对夏季塑料大棚温度的影响[J].蔬菜，2020（6）：20-24.

[17] Willits D. Intermittent application of water to an externally mounted， greenhouse shade cloth to modify cooling performance[J]. Transactions of the ASAE， 2000，43（5）：1247-1252.

[18] 刘云骥，徐继彤，庞松若，等.日光温室正压式湿帘风机系统设计及其降温效果[J].中国农业大学学报，2019，24（5）：130-139.

[19] 刘佳，李旭，王朝栋，等.玻璃连栋温室正压通风降温系统的设计与试验[J].中国农业大学学报，2020，25（1）：152-162.

[20] 张璐瑶，黄翔.降温技术在农业温室中的应用探讨[J].农业研究与应用，2013（5）：37-41.

[21] 张芳，方慧，杨其长，等.喷雾降温联合自然通风在大跨度温室中的试验[J].农业工程，2019，9（4）：41-47.

[22] 于海利，苏俊平，张仲保，等.日光温室外屋面喷淋系统降温效果探究[J].农业工程技术，2020（3）：52-54.

[23] Chen J， Cai Y， Xu F， et al. Analysis and optimization of the fan-pad evaporative cooling system for greenhouse based on CFD[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2014（4）：1-8.

[24] Toida H， Kozai T， Ohyama K， et al. Enhancing fog evaporation rate using an upward air stream to improve greenhouse cooling performance[J]. Biosystems Engineering， 2006，93（2）：205-211.

[25] 王婷，高俊明，周莹，等.全封闭日光温室降温技术的研究[J].农机化研究，2018，40（3）：264-268.

[26] 罗婷倚，曹雪娟，朱洪洲，等.含氟丙烯酸酯热反射涂料制备与降温性能研究[J].武汉理工大学学报，2012，34（12）：41-46.

[27] 张仁哲，刘东华，赵雅文，等.反射隔热涂料节能降温效果探讨[J].中国涂料，2011，26（11）：26-30.

[28] 李景.降温涂料中颜填料对降温效果的影響研究[D].济南：山东建筑大学，2010.

[29] 耿李姗，浮翔，杨涛，等.车用空调系统制冷降温性能匹配的数值模拟[J].汽车与驾驶维修（维修版），2018（10）：94-95.

[30] 朱文倩.降温制冷屋顶的设计与研究[D].广州：广东工业大学，2018.

[31] 吴加生.家用空调中除湿量对制冷降温速度影响的初步研究[A]//2016年中国家用电器技术大会论文集[C].浙江宁波，2016：554-557.

[32] 贾静，王美芝，靳薇，等.高温高湿地区兔舍制冷空调降温效果及经济效益分析[J].家畜生态学报，2014，35（3）：43-49.

[33] 崔良卫，杜震宇.利用空气—土壤换热系统对温室降温除湿的分析[J].山西能源与节能，2010（3）：35-37.

[34] 鲍恩财，刘德志，王昊天，等.地中热交换系统对园艺设施夏季降温效果探究[J].农业工程技术，2019，39（28）：40-47.

[35] 刘德志.地中热交换系统对温室大棚夏季降温效果的探究[D].杨凌：西北农林科技大学，2019.

[36] 王晨晨.塑料大棚不同浅层地热交换系统夏季降温效果初探[D].杨凌：西北农林科技大学，2018.