设施大棚智能加热系统的设计与试验研究

2022-11-15江苏省苏州市农业机械技术推广站张文斌

农机科技推广 2022年10期

○江苏省苏州市农业机械技术推广站严宇叶涛张文斌

随着现代科技在农业生产中的广泛应用，设施大棚的种植规模越来越大，设施蔬菜的产量也在逐年攀升。苏州地区属于亚热带季风海洋性气候，冬季最冷月平均气温为3.1℃，极端最低气温为-9.8℃。本地农户为设施大棚加热保温常常会采取一些临时措施，如加盖尼龙、设置内棚、配置增温灯、烧煤炉、烧焦碳等。这些举措不仅无法根据棚内的温度需求及时调控加热装置，而且烧煤炉和焦碳会产生大量一氧化碳，容易造成棚内工作人员一氧化碳中毒，存在极大的安全隐患。

因此，针对苏州地区冬季设施大棚的加热保温需求，本文设计研发了一种设施大棚智能加热系统，能够实时控制设施大棚内的温度，满足作物生长需求。

一、总体方案设计

1. 功能需求分析。通过走访苏州地区的设施大棚种植户，向他们了解和征求设施大棚温控系统所需具备的功能和建议，整理后得到设施大棚智能加热系统需具备的功能表，见表1。

表1 设施大棚智能加热系统需具备的功能表

2. 总体方案设计。根据功能需求分析，可以将智能加热系统设计为通过持续向大棚内输送热气来实现加热和保温功能。首先设定满足作物生长需求的温度区间，通过安装在大棚内的温度传感器实时监测棚内温度，并将温度信息实时反馈至中央控制系统。当设施大棚内温度低于设定温度最低值时，加热装置工作；当设施大棚内温度高于设定温度最高值时，加热装置停止工作，以此实现对设施大棚内温度智能调控，满足作物生长需求。具体设施大棚智能加热系统结构框图如图1所示。

图1 设施大棚智能加热系统结构框图

二、智能加热系统的设计

1.系统工作流程设计。智能加热系统主要由鼓风机、热风炉、传热管道、温度传感器、中央控制系统等设备组成。根据棚内种植作物的生长需求和棚外温度情况设定合理温度区间，安装在大棚内的温度传感器实时采集棚内的温度信息，并将温度数据反馈至中央控制系统。当温度低于设定最低温度值A时，中央控制系统开启鼓风机和热风炉，鼓风机输出的气流经热风炉加热，再通过传热管道进入大棚内，实现大棚内快速升温；当棚内温度达到设定最高温度值B时，中央控制系统关闭鼓风机和热风炉，不再加热。当棚内温度降至最低温度值A，重启上述步骤，实现智能调控棚内温度，保障温度在作物生长所需要的范围。智能加热系统工作流程图如图2所示。

图2 智能加热系统工作流程图

2.智能加热系统搭建。根据设施大棚智能加热系统总体设计方案，通过对设备硬件进行选型组装，搭建成智能加热系统，主要组成部件及实现功能如表2所示。

表2 智能加热系统主要组成部件及实现功能

设施大棚智能加热系统布局示意图如图3所示，各部件棚内实地安装连接如图4所示。

图3 温室大棚智能加热系统布局示意图

图4 智能加热系统部件棚内实地安装连接图

如图3、4所示，当智能加热系统开始工作时，先启动鼓风机，待鼓风机输出稳定的风量时，再打开热风炉，将鼓风机输出的风量进行加热，再通过管路分流器将加热后的暖风输送至东、西两侧的传热管道。东西两侧的传热管道开设有孔径6mm、间距120mm的若干散热小孔，方向朝下，使传热管道内的热风向下输出。传热管道向北延伸的末端处于封闭状态，目的是保持传热管道内的风压，使每个散热小孔都能输送出一定量的热风，提高散热均匀性。

三、试验研究

1.试验环境。试验地点为吴中区胥口镇现代农业投资发展有限公司蔬菜基地3连栋大棚，南北长40m，东西宽24m，面积960m2。

试验时间为2022年3月2日。

2.试验设计。为验证智能加热系统加热保温效果，保证试验过程中棚内温度受外界影响较小，选择2号晚上6点至9点进行试验，此时棚内温度11.1℃，棚外温度为10.1℃，设定智能加热系统最低温度值A为13℃，最高温度值B为14℃，启动智能加热系统，每隔15分钟采集一次棚内温度。采集数据见表3。

表3 温度采集表

序号时间棚内温度/℃棚外温度/℃87：45pm13.09.8 98：00pm13.29.7 108：15pm13.39.6 118：30pm13.49.5 128：45pm13.49.4 139：00pm13.59.3

3. 试验分析。由表3得出如图5所示的设施大棚内外温度随时间变化关系图。从图5中可以看出当温度传感器监测棚内温度低于设定最低温度时，中央控制系统自动开启加热装置，热气由传热管道小孔多点流出到大棚中，使棚内温度逐渐升高。在7：45pm（105分钟）时，棚内温度达到设定温度区间内最低温度值13℃，并且仍有上升的趋势，但随着设施大棚外温度逐渐降低，设施大棚内温度仍维持在13.5℃左右，起到较好加热保温效果。