CN102150585B - 一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法，温室冠层环境调控系统由首部装置和管网组成，首部装置由压力热风装置、压力CO2气源装置、通风换气装置和滴灌施肥装置组成，管网由输水管、支管、毛管和滴灌灌水器构成。通过切换不同的首部装置，可以实现温室的冠层温度调节、CO2施肥、通风、换气、降温、除湿及滴灌施肥等操作。本发明由于应用滴灌管网实施温室冠层环境的调控，调控的空间由整个温室空间缩减到作物冠层内，同时均匀性也得以大幅度提高，从而可大量减少温室环境调控的能耗，降低调控设施的投入，为作物生长提供均匀、适宜的生长环境，提高作物生产量及品质。

Description

一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法
技术领域
本发明属于设施农业技术领域，涉及设施农业环境控制系统与方法，具体涉及一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法。
背景技术
温室环境调控是利用工程技术手段，对温室内的温度、湿度、光照、CO2浓度进行调节与控制，为作物提供适宜的生长环境。温室环境的调控技术及应用效果在很大程度上决定着设施农业生产的成败和生产效益的高低，而传统温室的温度调节、CO2施肥、通风、换气、降温、除湿等温室环境调控技术是在整个温室空间内进行的，将整个温室空间的环境参数都控制在设定的理想范围内，由于调控空间大，能源消耗及运行费用较高，调控的均匀性也难以得到保证。温室是一种高能耗的抗逆性生产设施，一般温室的能耗占温室生产成本的10%～40%，一些高纬度地区温室的能耗甚至占到温室生产成本的50%～60%。在维持温室正常运行的费用中，供热采暖占了温室冬季能耗费用的主要部分，通风、降温是夏季温室生产能源消耗的主要因素。对于温室生产来说，节约能源、提高能源利用率是降低温室生产成本、提高温室生产效益的重要途径。滴灌管网布设于作物种植区域，滴灌灌水器具有一定的压力调节能力，高密度、均匀的分布于作物冠层内的根部区域，因此利用滴灌管网进行温室冠层环境的调控，能够获得高度均匀的调控效果。作物的生长空间一般局限于冠层以内，只要调控冠层内的环境因素，就能为作物提供良好的生长环境，而且冠层环境调控的空间小，易于实现多因子的精确测控，能够有效降低能耗及投入成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法，通过给滴灌管网配置热风、CO2施肥、通风换气与滴灌施肥的综合性首部控制装置，进行采暖、CO2施肥、通风、换气、降温、除湿等温室冠层环境的综合调节以及节水灌溉与施肥，易于实现精确测控，增加控制均匀性，改善调控效果，提高滴灌管网的利用效率，降低环境调节设施的投入与能源消耗。
为实现上述目的，本发明采取的技术解决方案是：基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统由首部装置和管网组成，首部装置由压力热风装置、压力CO2气源装置、通风换气装置、滴灌施肥装置组成，管网由输水管、支管、毛管和滴灌灌水器构成。
所述的一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统，压力热风装置、压力CO2气源装置、通风换气装置、滴灌施肥装置并联后与输水管连接。
所述的一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法，压力热风装置包括压力热风发生设备、热风压力调节器、热风流量计、热风压力计和压力热风装置的控制阀；压力CO2气源装置包括压力CO2气体发生设备、CO2气体压力调节器、CO2气体流量计、CO2气体压力计和压力CO2气源装置的控制阀；通风换气装置包括压力空气源、气体压力调节器、气体流量计、气体压力计和通风换气装置的控制阀；滴灌施肥装置包括压力水源、施肥设备、过滤器、水压力调节器、水流量计、水压力计和滴灌施肥装置的控制阀。
所述的一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控方法，包括：
 1）冠层温度调控：关闭压力CO2气源装置、通风换气装置、滴灌施肥装置，打开压力热风装置，使具有一定压力的热风通过输水管进入支管，由支管分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的温度。调节热风压力调节器，控制进入管道内的热风压力，调控作用于灌水器上的热风压力，控制灌水器的热气流量，通过灌水器释放出的的热气就能够稳定、均匀的作用于作物冠层内，将采暖热能充分有效的供给到作物所需要的区域，使冠层内的温度保持在一个适宜作物生长的温度范围内，实现温室的冠层温度调节。使用热风流量计来计量冠层温度调节所需的热风流量，能够掌握温室冠层温度环境调控规律与调控量，便于制定温度调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。
2）冠层CO2施肥：关闭压力热风装置、通风换气装置、滴灌施肥装置，打开CO2气源装置，使具有一定压力的CO2气体通过输水管进入支管，由支管分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的CO2气体浓度。通过调节CO2气体压力调节器，控制进入管道内的CO2气体压力，调控作用于灌水器上的CO2气体压力，控制灌水器的CO2气体流量，通过灌水器释放出的的CO2气体就能够稳定、均匀的作用于作物冠层内，将CO2气体供给到作物所需要的区域，使冠层内的CO2气体浓度保持在一个适宜作物生长的范围内，实现温室的CO2气体浓度调节。使用CO2气体流量计来计量冠层CO2气体环境调节所需的CO2气体流量，能够掌握温室冠层CO2气体环境调控规律与调控量，便于制定CO2气体环境调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。采用燃烧法产生CO2气体或将CO2气体加热进行CO2施肥，还可以实现温室采暖升温及CO2施肥的综合调控。
3）冠层空气质量调控：关闭压力热风装置、CO2气源装置、滴灌施肥装置，打开通风换气装置，使具有一定压力的空气通过输水管进入支管，由支管分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，置换冠层内空气，调控冠层内的空气质量，实现冠层内的通风、降温、换气以及除湿功能。通过调节压力控制阀，控制进入管道内的空气压力，调控作用于灌水器上的空气压力，控制灌水器的空气流量，通过灌水器释放出的的空气就能够稳定、均匀的作用于作物冠层内，使冠层内的空气质量保持在一个适宜作物生长的良好的状态，实现温室的冠层空气质量调节。使用流量计来计量冠层空气质量调节所需的空气流量，能够掌握温室冠层空气质量环境调控规律与调控量，便于制定空气质量调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。
4）灌溉施肥：关闭压力热风装置、压力CO2气源装置、通风换气装置，打开滴灌、施肥装置，使具有一定压力的灌溉水及肥液通过输水管进入支管，由支管分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而浸润到作物根系部位的土壤内，为作物生长提供一个适宜的土壤水分和养分环境，实现温室土壤水分和养分的调控。将灌溉水加热后进行滴水灌溉，还能够增加土壤温度，实现土壤热环境的调控。
本发明的有益效果：本发明以滴灌技术及设备为基础，进行温室节水灌溉、施肥及冠层温度、湿度、CO2气体及空气质量调控技术的研究，能够形成温室节水灌溉、施肥、环境的综合测控与调配技术。由于加温、通风、降温及CO2施肥等都是利用滴灌管网在作物冠层内进行，调控的空间小，便于精确控制，同时滴灌灌水器具有一定的压力调解能力，而且高密度、均匀的分布于作物种植区域，能够获得高度均匀的调控效果。冠层环境调控系统与技术只需要将作物冠层内的环境调控至作物适宜的生长范围即可，能够合理地利用调控系统所提供的能量，使之充分有效地供给生长在地面上的作物。而作物冠层以外的空间环境，对于作物生长来说没有实际的意义，所以本发明即能够将作物的生长环境控制在要求的理想状态下，又降低了温室环境的调控空间，能够有效减少温室的能耗，易于精确测控，增加控制均匀性，改善调控效果，从而大幅度降低温室的运行成本。提高了滴灌管网与设施的利用效率，降低温室环境调节设施的一次性投入。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一个实施例的系统示意图。
图2是图1中压力热风装置示意图。
图3是图1中压力CO2气源装置示意图。
图4是图1中通风换气装置示意图。
图5是图1中滴灌施肥装置示意图。
图中， 1.压力热风装置   2.压力CO2气源装置   3.通风换气装置   4.滴灌施肥装置  5.压力热风装置的控制阀   6.压力CO2气源装置的控制阀   7.通风换气装置的控制阀     8.滴灌施肥装置的控制阀   9.输水管 10.支管   11.毛管   12.滴灌灌水器   13.热风机   14.热风压力调节器   15.热风流量计   16.热风压力计   17.瓶装液态CO2   18.CO2气体压力调节器   19.CO2气体流量计   20.CO2气体压力计   21.风机   22.气体压力调节器   23.气体流量计   24.气体压力计   25.水泵   26.水压力调节器   27.施肥设备   28.过滤器   29.水流量计   30.水压力计。
具体实施方式
实施例：
参照图1，一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统由首部装置和管网组成，首部装置由压力热风装置1、压力CO2气源装置2、通风换气装置3、滴灌施肥装置4组成，压力热风装置1、压力CO2气源装置2、通风换气装置3、滴灌施肥装置4并联后与输水管9连接。管网由输水管9、支管10、毛管11和滴灌灌水器12构成，支管10与输水管9连接，毛管与支管10连接，各毛管之间为并联关系，灌水器并列安装在毛管上。
参照图2，压力热风装置1由热风机13、热风压力调节器14、热风流量计15、热风压力计16和压力热风装置的控制阀5依次连接组成。
参照图3，压力CO2气源装置2由瓶装液态CO217、CO2气体压力调节器18、CO2气体流量计19、CO2气体压力计20和压力CO2气源装置的控制阀6依次连接组成。
参照图4，通风换气装置3由风机21、气体压力调节器22、气体流量计23、气体压力计24和通风换气装置的控制阀7依次连接组成。
参照图5，滴灌施肥装置4包括水泵25、水压力调节器26、施肥设备27、过滤器28、水流量计29、水压力计30和滴灌施肥装置的控制阀8组成，水泵25、水压力调节器26、过滤器28、水流量计29、水压力计30和滴灌施肥装置的控制阀8依次连接，水压力调节器26与过滤器28之间并联连接施肥设备27。
参照图1、图2、图3、图4、图5，基于滴灌管网的温室冠层环境调控方法，是通过切换不同的首部装置，实现温室的冠层温度调节、CO2施肥、通风、换气、降温、除湿及滴灌施肥等的调控功能，具体方法如下：
1）当温室需要采暖升温时，则关闭压力CO2气源装置2、通风换气装置3和滴灌施肥装置4，打开压力热风装置1的控制阀5，启动热风机13，产生具有一定压力的热风，压力热风经过热风压力调节器14、热风流量计15、热风压力计16和控制阀5后进入输水管9，通过输水管9进入支管10，由支管10分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的温度。通过热风压力调节器14调节热风压力计16的压力值，控制进入管网内的热风压力，调控作用于灌水器上的热风压力，控制灌水器的热气流量，使通过灌水器释放出的热气稳定、均匀的作用于作物冠层内，将采暖热能充分有效的供给到作物所需要的区域，使冠层内的温度保持在一个适宜作物生长的温度范围内，实现温室的冠层温度调节。使用热风流量计15来计量冠层温度调节所需的热风流量，能够掌握温室冠层温度环境调控规律与调控量，便于制定温度调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。
2）当温室需要进行CO2气体施肥时，则关闭压力热风装置1、通风换气装置3、滴灌施肥装置4，打开CO2气源装置2的控制阀6，开启瓶装液态CO2 17，产生具有一定压力的CO2气体，压力CO2气体经过CO2气体压力调节器18、CO2气体流量计19、CO2气体压力计20和控制阀6后进入输水管9，通过输水管9进入支管10，由支管10分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的CO2气体浓度。通过CO2气体压力调节器18调节CO2气体压力计20的压力值，控制进入管网内的CO2气体压力，调控作用于灌水器上的CO2气体压力，控制灌水器的CO2气体流量，通过灌水器释放出的CO2气体就能够稳定、均匀的作用于作物冠层内，将CO2气体供给到作物所需要的区域，使冠层内的CO2气体浓度保持在一个适宜作物生长的范围内，实现温室的CO2气体浓度调节。使用CO2气体流量计19来计量冠层CO2气体环境调节所需的CO2气体流量，能够掌握温室冠层CO2气体环境调控规律与调控量，便于制定CO2气体环境调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。采用燃烧法产生CO2气体或将CO2气体加热进行CO2施肥，可以实现温室采暖升温及CO2施肥的综合调控。
3）当温室需要进行通风、降温、换气、除湿等空气质量调控操作时，则关闭压力热风装置1、CO2气源装置2、滴灌施肥装置4，打开通风换气装置3的控制阀7，启动风机21，产生具有一定压力的空气，压力空气经过气体压力调节器22、气体流量计23、气体压力计24和控制阀7后进入输水管9，通过输水管9进入支管10，由支管10分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，置换冠层内空气，调控冠层内的空气质量，实现冠层内的通风、降温、换气以及除湿功能。通过气体压力调节器22调节气体压力计24的压力值，控制进入管网内的空气压力，调控作用于灌水器上的空气压力，控制灌水器的空气流量，通过灌水器释放出的空气就能够稳定、均匀的作用于作物冠层内，使冠层内的空气质量保持在一个适宜作物生长的良好的状态，实现温室的冠层空气质量调节。使用流量计23来计量冠层空气质量调节所需的空气流量，能够掌握温室冠层空气质量环境调控规律与调控量，便于制定空气质量调控计划，实施计量、精准调控，有利于控制成本与能耗。
4）当温室需要灌溉、施肥时，则关闭压力热风装置1、压力CO2气源装置2、通风换气装置3，打开滴灌、施肥装置4的控制阀8，启动水泵25从灌溉水源取水，产生具有一定压力的灌溉水，然后开启施肥设备27，灌溉水及肥液便经过过滤器28、水流量计29、水压力计30和控制阀8后进入输水管9，通过输水管9进入支管10，由支管10分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而浸润到作物根系部位的土壤内，为作物生长提供一个适宜的土壤水分和养分环境，实现温室土壤水分和养分的调控。将灌溉水加热后进行滴水灌溉，还能够增加土壤温度，实现土壤热环境的调控。
本发明一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统与方法已通过实施例予以充分揭示，但所述实施例并非用以限制本发明，在不脱离本发明的精神或基本特征的前提下还可有其它的实施方式。如压力热风发生设备除去实施例中提到的热风机以外，还可以是锅炉、热风炉、电加热、热泵、太阳能、地热和生物能等；压力CO2气体发生设备除去实施例中提到的瓶装液态CO2以外，还可以是瓶装气态CO2、管道CO2气体、各种CO2气体发生器等；压力水源除去实施例中提到的水泵以外，还可以是自来水、输水压力管道、水塔、自压水容器等；压力空气源除去实施例中提到的风机以外，还可以是其它任何一种形式的空气加压设备；滴灌灌水器可以是孔口、小管及各种类型的滴灌灌水器。在表明本发明的范围时，应参考所附的权利要求书，而不是前述的说明。 

Claims (2)

1.一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控系统，其特征在于，包括管网和首部装置，所述管网包括输水管（9）、支管（10）、毛管（11）和滴灌灌水器（12），所述支管（10）与输水管（9）连接，毛管与支管（10）连接，各毛管之间为并联关系，滴灌灌水器（12）并列安装在毛管上；所述首部装置包括压力热风装置（1）、压力CO2气源装置（2）、通风换气装置（3）、滴灌施肥装置（4）；压力热风装置（1）、压力CO2气源装置（2）、通风换气装置（3）、滴灌施肥装置（4）并联后与输水管（9）连接；所述压力热风装置（1）由热风机（13）、热风压力调节器（14）、热风流量计（15）、热风压力计（16）和压力热风装置的控制阀（5）依次连接组成；压力CO2气源装置（2）由瓶装液态CO2（17）、CO2气体压力调节器（18）、CO2气体流量计（19）、CO2气体压力计（20）和压力CO2气源装置的控制阀（6）依次连接组成；通风换气装置（3）由风机（21）、气体压力调节器（22）、气体流量计（23）、气体压力计（24）和通风换气装置的控制阀（7）依次连接组成；所述滴灌施肥装置（4）包括水泵（25）、水压力调节器（26）、施肥设备（27）、过滤器（28）、水流量计（29）、水压力计（30）和滴灌施肥装置的控制阀（8），所述水泵（25）、水压力调节器（26）、过滤器（28）、水流量计（29）、水压力计（30）和滴灌施肥装置的控制阀（8）依次连接，水压力调节器（26）与过滤器（28）之间并联连接施肥设备（27）。
2.一种基于滴灌管网的温室冠层环境调控方法，其特征在于，包括： 
a）冠层温度调控：关闭压力CO2气源装置（2）、通风换气装置（3）和滴灌施肥装置（4），打开压力热风装置（1），使具有一定压力的热风通过输水管（9）进入支管（10），由支管（10）分配到每一条毛管（11），再经过毛管（11）上的每个灌水器（12）释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的温度；通过调节热风压力调节器（14），控制进入管道内的热风压力，使冠层内的温度保持在一个适宜作物生长的温度范围内，实现温室的冠层温度调节；
b）冠层CO2施肥：关闭压力热风装置（1）、通风换气装置（3）和滴灌施肥装置（4），打开压力CO2气源装置（17），使具有一定压力的CO2气体通过输水管（9）进入支管（10），由支管（10）分配到每一条毛管（11），再经过毛管（11）上的每个灌水器（12）释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，增加冠层内的CO2气体浓度；通过调节CO2气体压力调节器（18），控制进入管道内的CO2气体压力，使冠层内的CO2气体浓度保持在一个适宜作物生长的范围内，实现温室冠层CO2气体浓度调节，达到冠层CO2施肥目的；
c）冠层空气质量调控：关闭压力热风装置（1）、压力CO2气源装置（2）和滴灌施肥装置（4），打开通风换气装置（3），使具有一定压力的空气通过输水管（9）进入支管（10），由支管（10）分配到每一条毛管（11），再经过毛管（11）上的每个灌水器（12）释放到作物根部地面，继而扩散到作物冠层内，置换冠层内空气，调节冠层内的空气质量，实现冠层内的通风、降温、换气以及除湿功能；通过调节气体压力调节器（22），控制进入管道内的空气压力，使冠层内的空气质量保持良好的状态；
d）灌溉施肥：关闭压力热风装置、压力CO2气源装置、通风换气装置，打开滴灌、施肥装置，使具有一定压力的灌溉水及肥液通过输水管进入支管，由支管分配到每一条毛管，再经过毛管上的每个灌水器释放到作物根部地面，继而浸润到作物根系部位的土壤内，为作物生长提供一个适宜的土壤水分和养分环境，实现温室土壤水分和养分的调控。  
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