CN109699352A - 给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于设施农业工程的环境因子调控领域的一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法。所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统是适用于作物栽培行下使用的、基于地面下潜管道送风的作物冠层综合环境调控系统，包括主风管、支风管、系统送风风机，支风管辅助增压风机，加温电热源，二氧化碳气源，通道转换阀；根据环境因子检测与调控模块的检测数据，控制主风管、支风管、系统送风风机，支风管辅助增压风机，加温电热源，二氧化碳气源，通道转换阀的运行；对温室设施主动气流、温度、湿度、气体等的环境调控。本发明实现对作物冠层的局部空间调控目标，针对性强，调控效率高，能耗低，经济性好。

Description

给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法

技术领域

本发明属于设施农业工程的环境因子调控领域，特别涉及一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法。具体说适用于日光温室等中小型温室设施主动气流调控，尤其适用于作物冠层特定空间针对性的气流、温度、湿度、气体等的环境调控。

背景技术

我国社会经济的快速发展，迫切需要农业现代化、产业化、规模化和工业化，这需要农产品能够在集约化程度较高，环境变量可控的环境下进行生产。目前，利用日光温室及塑料大棚等设施进行作物栽培是我国设施农业中非常重要的一种形式，在设施农业生产中占有很重要的比重，其中以日光温室尤为突出。由于日光温室性价比高，冬季保暖蓄热效果明显，在我国三北地区的越冬生产中得到了广泛的应用，为实现北方地区冬季蔬菜供应问题做出了重要贡献。虽然日光温室具有以上的技术优势和推广效果，但是目前单位土地面积上的产量以及产品品质的提升都遇到了瓶颈，究其原因，还是在于缺乏经济有效的主动环境调控措施，作物获得最佳生长环境的时间不够造成了室内的气流、温度、湿度、二氧化碳等环境都不甚理想，因此提高日温室的环境调控能力，是未来设施农业发展的重要内容。

为了维持高效的生产，综合环境调控是不可或缺的。根据研究，适当的气流是作物生长的重要环境因子，当作物周围风速在0-1m/s时，随着风速增加，作物产量也增加，即在一定风速范围内，作物产量与风速呈正相关。之所以会有这样的效果，是因为气流会直接影响作物的生长，主要表现在几个方面：一是一定的风速会促进植物叶片边界层空气的流动，减小气孔阻力，促进叶片的蒸腾作用和光合作用；二是流动的空气，可以有效缓解高湿空气在叶片表面的结露现象，降低病虫害发生的风险；三是均匀的气流可以改进温室内温度、湿度、二氧化碳等环境因子的空间分布，为作物的均匀生长提供有利条件。可见，气流调控是环境调控的关键。目前日光温室虽有自然通风，但不是以调节气流为目的，且现有通风口布置方式很难为作物冠层提供均匀有效的气流环境。少数研究或温室尝试将用于连栋温室的循环风机用到日光温室中，但是因为日光温室空间形状特殊、空间尺度有限，循环风机的使用效果极为有限。

其次，二氧化碳也是温室作物生产过程中极为重要的环境因子，是作物光合作用的原料。白天，随着室外太阳辐射照度的增加，作物光合作用增强，会吸收大量二氧化碳，导致温室内二氧化碳含量降低；在封闭栽培条件下，如果不及时进行二氧化碳的补充，当二氧化碳浓度低到一定程度时，就会反过来抑制作物光合作用，影响生产。当前的日光温室内，通常采用自然通风换气、吊挂二氧化碳气肥袋，以及采用秸秆反应堆等来补充，但是补充的量有限，或者补充的方式不可控等因素，都不能适配作物生长的需求。

另外，在冬季生产中，为了适应保温需要，日光温室等生产性的温室多处于密闭状态，不仅保证不了气流和二氧化碳环境，相反经常会出现低温高湿现象，容易导致病害发生。目前常用的解决措施也就是通风换气，但效果不甚理想，因为为了减少热量损失，为维持室内温度，通风时间往往有限，且通风口的不均匀设置，也很难保证室内环境的均匀性。

综上所述，目前环境调控缺少对气流调控重视，对温湿度的有效调节，以及对二氧化碳浓度的精准调控，总而言之，缺少对冠层空间环境的综合调控方案，以及有效且经济的技术和设备。因此，生产中急需一种适用于日光温室或塑料大棚等设施特点的、能够实现作物冠层特定空间有针对性调控的多因子综合环境调控方法及设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法，其特征在于，所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统是适用于作物栽培行下使用的、基于地面下潜管道送风的作物冠层综合环境调控系统，包括主风管、支风管、系统送风风机，支风管辅助增压风机，加温电热源，二氧化碳气源，通道转换阀；其中，在温室外墙1的一面外墙上设置室外新风进风入口8及其室外新风进风入口开关阀9；室外新风进风入口8处上端设置内部气流入口10及其内部气流入口开关阀11，形成室内外进风转换装置；室外新风进风入口8处下端设置主风机7，主风机7出风口安装加温电热源6，出风口管道侧面装有二氧化碳源5，出风口管道与主风管2连接，在远离主风管2进风端的多根支风管3的开口端并排平行与主风管2连接，并且各支风管3的开口端加装辅助增压风机15；各支风管3露出地面14部分开平行的两排出风小孔4；在温室外墙1的适当位置固定环境因子检测与调控模块16。

所述出风小孔4的一边通过转轴13固定微压力开启式防护罩12。

所述与主风管2并排平行连接的多根支风管3沿栽培行布置，每一栽培行间采用地面下潜式管道布置。

所述主风管、支风管均采用硬质PVC管制作。

一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统的调控方法，其特征在于，包括：

(1)本系统在温室管道布置上沿温室长度方向布置，同时采用沿栽培行布置，支管道布置于栽培行间，主管道布置在山墙一侧，节省了温室空间，方便机械作业，在不妨碍正常作业情况下，实现温室内环境调控；

(2)在管道布置方式中，主风管、支风管均采用地面下潜式管道布置，即管道截面有1/2部分置于地面以下；此种布置方式最大的优点在于尽可能减少占用温室地面以上部分的空间，便于生产作业，同时管道散发的热量，起到直接加热作物根部环境的作用，热能利用率较高；主风管、支风管均采用硬质PVC管材料制作，不生锈，使用寿命长；管道直径根据送风量具体要求进行设计；

(3)在主风管一端装有风机，从支风管的均布出风口进行送风，从作物根部直接为冠层提供定向气流；在远离入风口的支管位置处设置了辅助增压风机，解决了远离入风口的支管位置处压强过小的问题，改善管道内送风不均状况；达到近似均匀送风效果；所述支风管的出风口防护罩设计，非送风状态下，出风口外侧的防护罩在重力作用下处于自然关闭状态，防止泥土等杂物从出风口落入管道；当风机启动，管内压力大于管外，二者空气压差达到一定值时，防护罩就会从内打开，实现冠层送风目的；

(4)所述的地面下潜管道送风系统，在进风口位置，装有如图所示的加温电热源6，根据需求加热进风口空气。电热源的布置详细如图1所示。在系统检测到温室内气温过低时，可以启动系统的温风送风模式。从作物根部送风，热空气会自动向上扩散，有利于整个冠层空间加热。

(5)在主风管进风口位置安装有进风转换装置，可实现室内空气循环和室外新风进风两种模式；通常情况下，以室内空气循环模式为主，经济节能；当室内湿度较高，通过加温也无法将之控制在较为适宜范围内时，将进风暂时切换到室外新风进风模式，通过引进部分室外干燥新风、加热后送风的方式，实现降湿目的；

(6)在风机后侧装有二氧化碳气源，在环境因子检测与调控模块检测到二氧化碳浓度低于一定值时，同时启动送风和二氧化碳释放模式，通过送风管道，二氧化碳会被迅速均匀地释放到作物叶片附近；从作物根部进行增施，因浓度差导致的扩散作用，二氧化碳会自动上浮，以覆盖整个作物冠层空间，二氧化碳利用效率高，施肥效果得以保障。

本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明以实现作物冠层这一特定的、局部的空间调控为目标，针对性强，调控效率高，能耗低，经济性好。具有以下优点：

1.采用基于作物栽培行间均匀送风的综合调控方法，送风系统所具有的电热源、二氧化碳气源、辅助增压风机的配置以及进风转换装置等，可实现室内空气循环模式和室外新风进风模式，可进一步实现作物冠层空间的空气温度、二氧化碳浓度以及相对湿度等的多因子综合环境调控；可实现作物冠层空间气流的主动、均匀调控。解决了目前日光温室生产中调控能力不足，实现了作物冠层空间均匀送风的效果。

2.沿作物栽培行布置的送风系统，主风管道、支风管道采用地面下潜管道式布置方式，解决了管道布置占用空间大的问题，节省了温室空间，方便机械作业，在尽可能不妨碍正常作业情况下，实现了环境调控。

3.支管出风口“加防护罩”设计，在风机停止运行时，防护罩12关闭，避免了泥土等杂质进入管道中；风机启动时，在正压送风条件下，风管内外产生压强差，防护罩12受力而开启，达到送风目的。

4.主风管、支风管均采用硬质PVC管材料制作，不生锈，使用寿命长。

附图说明

图1是地面下潜管道送风的作物冠层环境调控系统俯视图。

图2是地面下潜管道支管剖面图。

图3是支管出风口“加防护罩”示意图。

【主要组件符号说明】

1——温室外墙；2——主风管；3——支风管；4——出风小口；5——二氧化碳气源；6——加温电热源；7——主风机；8——室外新风进风入口；9——室外新风进风入口开关阀；10——室内空气入口；11——室内空气入口开关阀；12——微压力开启式防护罩；

13——转轴；14——地面；15——辅助增压风机；16——环境因子检测与调控模块。

具体实施方式

本发明提供一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统及调控方法，下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1中“3条”支管仅为示意图，并不限制支管的具体数量；在实际应用中，也可以在左右两端同时对系统进行送风，左右两端的设备完全一样，现只表示出了左端设备，右端部分已省略。

如图1所示的地面下潜管道送风的作物冠层环境调控系统俯视图。在温室外墙1的一面外墙上设置室外新风进风入口8及其室外新风进风入口开关阀9；室外新风进风入口8处上端设置内部气流入口10及其内部气流入口开关阀11，形成室内外进风转换装置；室外新风进风入口8处下端设置主风机7，主风机7出风口安装加温电热源6，出风口管道侧面装有二氧化碳源5，出风口管道与主风管2连接，N根支风管3的开口端并排平行与主风管2连接，并且各支风管3的开口端加装辅助增压风机15；各支风管3露出地面14部分开平行的两排出风小孔4(如图1、2所示)；出风小孔4的一边通过转轴13固定微压力开启式防护罩12(如图3所示)。在温室外墙1的适当位置固定环境因子检测与调控模块16；

所述环境因子检测与调控模块16的检测指标包括室内温度、湿度、二氧化碳浓度；当检测到结果后，环境因子检测与调控模块16对这些指标进行处理，然后分别控制室外新风进风入口开关阀9和内部气流入口开关阀11、增压风机7、辅助增压风机15、加温电热源6、以及二氧化碳源5的运行。

实施例

如图1所示，支风管3均匀布置于温室作物行间、根部，分布方向与作物种植行方向一致；考虑到未来机械化作业需求，建议沿温室长度方形种植并布置管道；主风管以及配套装备置于温室山墙一侧。管道安装时，支风管3横截面的1/2部分埋入地面以下(如图2所示)；支管出风小口4开孔方向斜向上(如图3所示)，倾斜角一般以45°为宜，但对具体角度不做要求。主风机7安装在主风管2的一端，附近分别有室外新风进风入口8和室内空气入口10；负责将外部气流通过主风机7输送到主风管道2，再由主风管道2将气流输送到三个支风管3，通过支风管3上的出风口4将气流均布吹到作物冠层区域。外部气流入口开关阀9和内部气流入口开关阀11分别控制室外新风进风入口8和室内空气入口10的开关。

当系统运行时，增压风机7开启，管道内外形成气压差，气流由室外新风进风入口8或室内空气入口10进入到主管道2。为了平衡由于局部阻力和沿程阻力对于各个支风管3的内压强的影响，在从风机到各支风管3的气流轨迹路程较远的两根支风管处安装了辅助增压风机15。气体经过支风管之后，由于管内压强大于管外压强，气流将从出风小口4以一定速度排出，对周围作物产生影响。出风小口4防杂物进入的构造如图3所示，主要由转轴13和微压力开启式防护罩12构成，当管内压强略高于管外压强时，气压差P作用于防护罩12，迫使防护罩12旋转一定角度直至受力平衡，气流经由出风小孔4排出。当不需要气流调控时，所有风机都停止运行，内外压差为零，微压力开启式防护罩12由于重力作用自然关闭，起到了防杂物进入管内的作用。

本系统除了可以调节温室内气流外，还可以调节温度，湿度，二氧化碳浓度等环境因子。当环境因子检测与调控模块16检测到室内温度过低时，室内空气入口开关阀11开启，室外新风进风入口开关阀9关闭，主风机7，辅助增压风机15开启，同时，加温电热源6开启，较高温度气流从出风小口4吹出。低温往往伴随着高湿，因此提高温度也会同时起到降低湿度的效果；另外，支风管3内暖风从下部送出，也可起到提升作物根部环境温度的作用。当室内相对湿度较高，通过加温调控仍然无法满足降湿需求时，需要进行降湿调控；冬季由于外部空气湿度小于内部，所以环境因子检测与调控模块16可暂时开启室外新风进风入口开关阀9，关闭室内空气入口开关阀11，增压风机7，辅助增压风机15开启，同时，加温电热源6开启。干冷的外部气流经过加温电热源6，变成较热干空气，进而通过出风小口4均布到作物生长区。当环境因子检测与调控模块16检测到室内二氧化碳浓度过低时，主风机7和辅助增压风机15开启，同时，二氧化碳源5开始释放二氧化碳，通过在管内空气与二氧化碳的充分混合，由支风管3的出风小孔4迅速地将富含二氧化碳的空气释放到作物冠层空间。

本发明主要用于秋冬春季的温室气流、温度、湿度以及二氧化碳调节。通过设计一种地面下潜式管道，节省了温室空间，方便作业生产，作业机械底盘只要高于露出管道外面的部分，就可以进行机械化作业；在气流出口小孔设计上，采用了防杂物设计，可避免泥土等杂物进入管道。另外，通过集成多种环境因子调控模式，方便了后续综合环境智能控制管理，减少了温室环境调控的设备以及成本。因此，本发明针具有对性强、调控参数多、调控效率高，以及使用简便、快捷，投资及运行成本低廉等特点，具有良好的应用前景。

Claims (5)

1.一种给作物冠层空间提供综合环境调控系统，其特征在于，所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统是适用于作物栽培行下使用的、基于地面下潜管道送风的作物冠层综合环境调控系统，包括主风管、支风管、系统送风风机，支风管辅助增压风机，加温电热源，二氧化碳气源，通道转换阀；其中，在温室外墙(1)的一面外墙上设置室外新风进风入口(8)及其室外新风进风入口开关阀(9)；室外新风进风入口(8)处上端设置内部气流入口(10)及其内部气流入口开关阀(11)，形成室内外进风转换装置；室外新风进风入口(8)处下端设置主风机(7)，主风机(7)出风口安装加温电热源(6)，出风口管道侧面装有二氧化碳源(5)，出风口管道与主风管(2)连接，在远离主风管(2)进风端的多根支风管(3)的开口端并排平行与主风管(2)连接，并且各支风管(3)的开口端加装辅助增压风机(15)；各支风管(3)露出地面(14)部分开平行的两排出风小孔(4)；在温室外墙(1)的适当位置固定环境因子检测与调控模块(16)。

2.根据权利要求1所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统，其特征在于，所述出风小孔(4)的一边通过转轴(13)固定微压力开启式防护罩(12)。

3.根据权利要求1所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统，其特征在于，所述与主风管(2)并排平行连接的多根支风管(3)沿栽培行布置，每一栽培行间采用地面下潜式管道布置。

4.根据权利要求1所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统，其特征在于，所述主风管、支风管均采用硬质PVC管制作。

5.一种权利要求1所述给作物冠层空间提供综合环境调控系统的调控方法，其特征在于，包括：

(1)本系统在温室管道布置上沿温室长度方向布置，同时采用沿栽培行布置，支管道布置于栽培行间，主管道布置在山墙一侧，节省了温室空间，方便机械作业，在不妨碍正常作业情况下，实现温室内环境调控；

(2)在管道布置方式中，主风管、支风管均采用地面下潜式管道布置，即管道截面有1/2部分置于地面以下；此种布置方式最大的优点在于尽可能减少占用温室地面以上部分的空间，便于生产作业，同时管道散发的热量，起到直接加热作物根部环境的作用，热能利用率较高；主风管、支风管均采用硬质PVC管材料制作，不生锈，使用寿命长；管道直径根据送风量具体要求进行设计；

(3)在主风管一端装有风机，从支风管的均布出风口进行送风，从作物根部直接为冠层提供定向气流；在远离入风口的支管位置处设置了辅助增压风机，解决了远离入风口的支管位置处压强过小的问题，改善管道内送风不均状况；达到近似均匀送风效果；所述支风管的出风口防护罩设计，非送风状态下，出风口外侧的防护罩在重力作用下处于自然关闭状态，防止泥土等杂物从出风口落入管道；当风机启动，管内压力大于管外，二者空气压差达到一定值时，防护罩就会从内打开，实现冠层送风目的；

(4)所述的地面下潜管道送风系统，在进风口位置，装有如图所示的加温电热源6，根据需求加热进风口空气，电热源的布置详细如图1所示，在系统检测到温室内气温过低时，可以启动系统的温风送风模式，从作物根部送风，热空气会自动向上扩散，有利于整个冠层空间加热；

(5)在主风管进风口位置安装有进风转换装置，可实现室内空气循环和室外新风进风两种模式；通常情况下，以室内空气循环模式为主，经济节能；当室内湿度较高，通过加温也无法将之控制在较为适宜范围内时，将进风暂时切换到室外新风进风模式，通过引进部分室外干燥新风、加热后送风的方式，实现降湿目的；

(6)在风机后侧装有二氧化碳气源，在环境因子检测与调控模块检测到二氧化碳浓度低于一定值时，同时启动送风和二氧化碳释放模式，通过送风管道，二氧化碳会被迅速均匀地释放到作物叶片附近；从作物根部进行增施，因浓度差导致的扩散作用，二氧化碳会自动上浮，以覆盖整个作物冠层空间，二氧化碳利用效率高，施肥效果得以保障。