利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析

<p>中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象 ( Chinese Journal of Agrometeorology) 2015 年doi: 103969/j issn1000 6362201503006辛敏 ， 仝宇欣 ， 楊其長(zhǎng) ， 等 利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析 J 中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象 ， 2015， 36( 3) : 287 295利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析*辛 敏 ， 仝宇欣， 楊其長(zhǎng)， 魏靈玲 ， 王 君 ， 卞中華( 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 /農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 北京 100081)摘要 : 通過(guò)利用室外冷源空氣協(xié)同空調(diào)進(jìn)行植物工廠降溫 ， 以僅使用空調(diào)降溫的植物工廠為對(duì)照 ， 同時(shí)結(jié)合零濃度差 CO2施肥方法使植物工廠內(nèi)外 CO2濃度保持一致 ， 調(diào)查引進(jìn)室外冷源空氣對(duì)植物工廠內(nèi)空氣溫度 、飽和水汽壓差 、CO2濃度 、降溫設(shè)備的節(jié)能率 、性能系數(shù) ( COP， coefficient of performance) 及奶油生菜產(chǎn)量和光合色素含量的影響 。結(jié)果表明 : ( 1) 引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法可以將試驗(yàn)植物工廠內(nèi)溫度控制在目標(biāo)范圍 : 明期23 27、暗期 18 22， 外界溫度越低 ， 溫度變化幅度越大 ; 同時(shí)段試驗(yàn)植物工廠內(nèi)的空氣飽和水汽壓差 ( 明期 1. 3 2. 7kPa， 暗期 1. 2 1. 9kPa) 高于對(duì)照 ( 明期 0. 3 1. 3kPa， 暗期 0. 3 0. 5kPa) ; 配合零濃度差 CO2施肥法基本能將明期大部分時(shí)段的 CO2濃度控制在與外界濃度相同范圍內(nèi) ( 400 500mol·mol1) 。( 2) 試驗(yàn)期間 ， 與僅使用空調(diào)的降溫方法相比 ， 引進(jìn)室外冷源空氣的方法能使植物工廠總耗電量節(jié)省 10. 8%， 其中試驗(yàn)植物工廠降溫系統(tǒng)比對(duì)照節(jié)省了 66. 2%的耗電量 。( 3) 在外界溫度 4 5以及顯熱比 0. 4 0. 9 的條件下 ， 引進(jìn)室外冷源空氣的風(fēng)機(jī)性能系數(shù)為 19. 3 28. 9， 高于空調(diào)降溫的 COP 值 ( 試驗(yàn)植物工廠為 5. 3 14. 7， 對(duì)照植物工廠為 5. 8 14. 9) 。( 4) 引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法未對(duì)生菜產(chǎn)量和光合色素含量造成顯著影響 。因此 ， 采用引進(jìn)室外冷源空氣的控制方法不僅可以節(jié)省植物工廠的降溫耗電量 ， 還能提高降溫設(shè)備的性能系數(shù) ，取得顯著的節(jié)能效果 。關(guān)鍵詞 : 空調(diào) ; 降溫性能系數(shù) ; 溫度 ; CO2濃度 ; 節(jié)能eduction in Electric-energy Consumption for Cooling by Introducing OutsideCold Air in a Plant FactoryXIN Min， TONG Yu-xin， YANG Qi-chang， WEI Ling-ling， WANG Jun， BIAN Zhong-hua( Institute of Environment and Sustainable in Agriculture， Chinese Academy of Agricultural Science/Key Laboratory for Energy Saving andWaste Disposal of Protected Agriculture， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China)Abstract: The commercial use of the plant factory( PF) with artificial light is limited because of its high operation costThus， in order to reduce electric-energy consumption for cooling and the operation cost， two PFs were used in thisstudy， in the experimental PF， a coupling control method by introducing outside cold air with fan together with airconditioner( AC) was employed for cooling， while in the control PF， only AC was used Null CO2concentrationdifference method to maintain inside CO2concentration at the same level as that of atmosphere was used in both PFsThe effects of introducing outside cold air on the air temperature， vapor pressure deficit( VPD) ， CO2concentration，electric-energy consumption， coefficient of performance( COP) of AC and fan， yield and content of photosyntheticpigments of lettuce were investigated The results showed that: ( 1) inside air temperature could be maintained at thesuitable range( light period: 23 27， dark period: 18 22) for lettuce growth by introducing outside cold air VPDin the experimental PF( light period: 1. 3 2. 7kPa， dark period: 1. 2 1. 9kPa) was higher than that in the control PF( light period: 0. 3 1. 3kPa， dark period: 0. 3 0. 5kPa) Null CO2concentration difference method could maintain the* 收稿日期 : 2014 10 17通訊作者 。E-mail: tongyuxin caas cn; yangqichang caas cn基金項(xiàng)目 : 863 計(jì)劃資助課題 ( 2013AA103007) ; 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目( BSF201405)作者簡(jiǎn)介 : 辛敏 ( 1989 ) ， 女 ， 甘肅酒泉人 ， 主要從事植物工廠節(jié)能環(huán)境控制研究 。E-mail: xinmin0028163 com中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 第 36 卷inside CO2concentration as the same level as that of atmosphere ( 2) The total electric-energy consumption was around10. 8% lower in the experimental PF than that in the control PF ( 3) When the outside air temperature ranged from 4to 5， the sensible heat factor ranged from 0. 4 to 0. 9， COP of the fan of 19. 3 28. 9 was higher than that of the ACs( 5. 3 14. 7 in the experimental PF; 5. 8 14. 9 in the control PF) ( 4) There were no significant differences on theyield and content of photosynthetic pigments of lettuce in two PFs The results indicate that PF cooling by introducingoutside cold air can be considered as an efficient method for reducing its electric-energy consumptionKey words: Air conditioner; Coefficient of Performance; Temperature; CO2concentration; Energy saving人工光植物工廠作為一種創(chuàng)新的植物生產(chǎn)模式 ，被公認(rèn)為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的最高級(jí)階段 1。與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比 ， 其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在 : 擺脫了自然環(huán)境的限制 ， 實(shí)現(xiàn)了周年穩(wěn)定生產(chǎn) ; 大幅提高了作物產(chǎn)量 、質(zhì)量和投入資源 ( 土地 、水等 ) 的利用效率 ; 產(chǎn)品安全無(wú)污染 ， 可就近消費(fèi) ， 大大減少了從產(chǎn)地到餐桌的長(zhǎng)途運(yùn)輸能耗 、物流成本和碳排放 ; 操作省力 ， 機(jī)械化程度高等 2。因此 ， 近年人工光植物工廠在國(guó)內(nèi)外 ， 尤其是亞洲地區(qū)具有廣泛的應(yīng)用需求 3-4。然而 ， 植物工廠的推廣應(yīng)用也面臨著諸多問(wèn)題 ， 如成本過(guò)高 、能耗較大 、經(jīng)濟(jì)效益欠佳等 。能耗問(wèn)題一直是植物工廠發(fā)展的瓶頸 ， 尤其是以電能消耗為主的人工光植物工廠 ， 能耗成本居高不下嚴(yán)重影響了其商業(yè)化進(jìn)程 。研究顯示 ， 能耗成本占人工光植物工廠運(yùn)行成本的 30% 50% 5-6。人工光植物工廠的能耗主要來(lái)自于人工光源及室內(nèi)溫度調(diào)節(jié) ， 其中溫度調(diào)節(jié)主要為降溫 ， 降溫能耗約占全年空調(diào)能耗的 90%。因此 ， 減少人工光植物工廠降溫能耗是降低其運(yùn)行成本的關(guān)鍵 7-8。人工光植物工廠主要采用具有加熱 、制冷 、送風(fēng)等多項(xiàng)功能的空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié) 2， 9， 其節(jié)能水平用性能系數(shù) ( COP) 來(lái)衡量 。理論上 ， 空調(diào)在其制冷負(fù)荷 60% 80%運(yùn)行時(shí) ， COP 值最高 10。然而 ， 在實(shí)際生產(chǎn)中 ， 為使人工光植物工廠內(nèi)溫度可以周年控制在目標(biāo)范圍內(nèi) ， 空調(diào)功率的選擇一般以能滿足植物工廠內(nèi)最大負(fù)荷時(shí)的功率為依據(jù) 。而實(shí)際上 ， 植物工廠內(nèi)制冷負(fù)荷遠(yuǎn)小于空調(diào)的制冷功率 ， 空調(diào)長(zhǎng)期處于低效率運(yùn)行狀態(tài) ， 尤其是在室外溫度較低的冬天或制冷負(fù)荷較低的暗期 。在這種情況下 ， 不但會(huì)造成空調(diào)的頻繁啟動(dòng) ， 增大壓縮機(jī)的磨損程度 ， 還會(huì)增加空調(diào)耗電量 ， 造成能源的浪費(fèi) 11。因此 ， 如何使空調(diào)減少頻繁啟停次數(shù) ， 保持在高 COP 下運(yùn)行是降低植物工廠降溫能耗的關(guān)鍵 。中國(guó)北方地區(qū) ， 春 、秋 、冬三季的室外溫度一般都低于植物工廠內(nèi)植物生長(zhǎng)所需溫度 ， 即存在室外冷源 。王君等 12研究證明了充分利用室外冷源空氣降溫方法的可行性 ， 但對(duì)降溫設(shè)備的性能系數(shù)及其影響因素未作深入分析 ， 對(duì)引入室外空氣造成的環(huán)境因子的變化及其對(duì)植物生長(zhǎng)的影響也未加考慮 。因此 ， 本試驗(yàn)擬采用引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法來(lái)控制植物工廠溫度 ， 為了減少 CO2的逸散損失 ，結(jié)合零濃度差 CO2施肥方法 ， 即將 CO2濃度控制在室外的濃度水平 13。著重研究引進(jìn)室外冷源空氣對(duì)植物工廠內(nèi)環(huán)境因子 ( 溫度 、VPD、CO2濃度 ) 、降溫設(shè)備節(jié)能率及其性能系數(shù)的影響 ， 分析其影響因素 ， 并調(diào)查引進(jìn)室外冷源空氣與零濃度差 CO2施肥方法對(duì)生菜產(chǎn)量和光合色素含量的影響 。1 材料與方法1. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于 2013 年 11 月 13 日 12 月 18 日在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所兩個(gè)相同的植物工廠 ( 39°57&#39;N， 116°19&#39;E) 內(nèi)進(jìn)行 。植物工廠規(guī)格均為 3. 5m × 3. 0m × 2. 5m( 長(zhǎng) × 寬 × 高 ) 。植物工廠內(nèi)部有空調(diào) 、光源 、營(yíng)養(yǎng)液池 、栽培槽 、泡沫板 、水泵 、CO2鋼瓶等設(shè)備 ， 每個(gè)植物工廠內(nèi)可種植生菜 720株 。其中一個(gè)為試驗(yàn)植物工廠 ， 頂部安裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)用以引進(jìn)室外冷源空氣 ( FY-25LD2C， 廣東產(chǎn) ) ， 風(fēng)量為250m3·h1， 功率為 90W。另一個(gè)為對(duì)照 ， 除無(wú)風(fēng)機(jī)外 ， 其它設(shè)備與試驗(yàn)植物工廠相同 。兩個(gè)植物工廠裝有同一型號(hào)的空調(diào) ( FTXN32KV2C，北京產(chǎn) ) ， 制冷功率為 1100W。試驗(yàn)期間通過(guò)布設(shè)于室內(nèi)外的溫濕度傳感器 ( HY-102， 北京產(chǎn) ) 的實(shí)時(shí)觀測(cè) ， 與植物工廠內(nèi)溫度設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比 ， 控制風(fēng)機(jī)和空調(diào)的開啟和關(guān)閉 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的調(diào)控 。兩個(gè)植物工廠明期 CO2濃度均采用零濃度差的方式控制 ， 即通過(guò)布設(shè)在植物工廠內(nèi)部的 CO2濃度傳感器 ( GMT222， 芬蘭 ) 的實(shí)時(shí)觀測(cè) ， 與室外 CO2濃度值進(jìn)行對(duì)比 ， CO2自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)控制鋼瓶的開啟和關(guān)閉 ， 以及質(zhì)量流量控制計(jì) ( HTK20131101， 韓國(guó) ) 的開度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣中 CO2濃度保持相同水平 。當(dāng)室內(nèi) CO2濃度低于室外時(shí) ， 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制 CO2鋼瓶開啟 ， 根據(jù)差值大小控制質(zhì)量流量控制計(jì)的開度 ， 直到 CO2濃度與室外水平相同時(shí)停止 。·882·第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析CO2施放裝置結(jié)構(gòu)見圖 1。為使植物工廠內(nèi)部 CO2氣體分布均勻 ， 采用 6 條 3mmPE 管作為氣體施放管道 ， 分別延伸到每層栽培架 ， 并在管路上鉆孔以保證氣體施放均勻度 。由于試驗(yàn)植物工廠要引入外源冷空氣 ， 因此 ， 其內(nèi)部 CO2的補(bǔ)充實(shí)際來(lái)源于外界空氣和鋼瓶的補(bǔ)充 ， 而對(duì)照植物工廠內(nèi) CO2則完全來(lái)源于鋼瓶 。試驗(yàn)期間植物工廠內(nèi)種植奶油生菜 ， 采用穴盤育苗 ， 待生菜生長(zhǎng)到一葉一心 ( 約 15d) 后 ， 將其移栽至植物工廠內(nèi) ， 栽培期為 35d。每個(gè)植物工廠栽培面積為7. 2m2( 2m ×0. 6m ×3 ×2， 長(zhǎng) × 寬 × 層數(shù) × 架子組數(shù) ) ，栽培密度為 25 株 ·m2。試驗(yàn)期間明期設(shè)定為 9: 00 23: 00， 暗期為 23: 00 次日 9: 00。栽培光源采用 24W的三基色熒光燈 ( YZ24-T5， 廣州產(chǎn) ) ， 每個(gè)植物工廠安裝熒光燈管 72 根 ， 照明總功率為 1728W。光照強(qiáng)度和光周期分別為 150mol·m2·s1和 14h·d1。1. 2 測(cè)量指標(biāo)及方法1. 2. 1 測(cè)量指標(biāo)溫濕度 、CO2濃度分別由溫濕度傳感器和 CO2濃度傳感器測(cè)得 ， 并由數(shù)據(jù)采集器記錄 。試驗(yàn)植物工廠內(nèi)布置溫濕度測(cè)點(diǎn) 5 個(gè) ， 分別位于風(fēng)機(jī)和空調(diào)室內(nèi)進(jìn) 、出風(fēng)口以及植物工廠中間位置 ， 高度為 1. 5m。對(duì)照植物工廠內(nèi)布置溫濕度測(cè)點(diǎn) 3 個(gè) ， 分別位于空調(diào)進(jìn) 、出風(fēng)口以及植物工廠中間位置 ， 高度為 1. 5m。在室外布置一個(gè)測(cè)點(diǎn) ， 位于植物工廠圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè) ， 高度為 1. 5m。CO2濃度測(cè)點(diǎn)有 3 個(gè) ， 試驗(yàn)植物工廠和對(duì)照植物工廠內(nèi)各一個(gè) ， 均位于植物工廠中間位置 ，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn) ， 高度均為 1m。數(shù)據(jù)采集間隔為 1min。共裝有 7 個(gè)電表 ( KW8115， 日本產(chǎn) ) 分別計(jì)量?jī)蓚€(gè)植物工廠的光源 、空調(diào) 、風(fēng)機(jī)及總耗電量 。圖 1 CO2施肥裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the CO2enrichment system每隔 7d 分別取試驗(yàn)和對(duì)照處理中的 6 株生菜用電子天平稱量植株葉片和根鮮重 ， 烘箱溫度設(shè)定為70， 將鮮樣品放入烘箱烘干 72h 后取出 ， 稱量葉片和根干重 。同時(shí)另各取 6 株生菜的葉片 ， 采用 95%乙醇浸取比色法測(cè)定葉綠素含量 14。1. 2. 2 計(jì)算方法( 1) 試驗(yàn)植物工廠降溫耗電量節(jié)省率 =WCK WEWCK×100 ( 1)式中 ， 為試驗(yàn)植物工廠降溫耗電量節(jié)省率 ( %) ;WCK為對(duì)照植物工廠耗電量 ( kW·h) ， 指電表記錄數(shù)據(jù) ; WE為試驗(yàn)植物工廠耗電量 ( kW·h) ， 指電表記錄數(shù)據(jù) 。( 2) 降溫性能系數(shù) ( COP 值 )COP 值用焓差法進(jìn)行計(jì)算 15-18， 每 10min 計(jì)算一次 。COP =QP( 2)式中 ， Q 為制冷量 ( kW) ; P 為降溫設(shè)備輸入功率( kW) 。Q =q·( I1 I2)v( 1 + X)( 3)式中 ， q 為測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)量 ( m3·s1) ， 以空調(diào)和風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量計(jì)算 ， 空調(diào)為 0. 08m3·s1， 風(fēng)機(jī)為0. 07m3·s1; I1為內(nèi)部進(jìn)風(fēng)口空氣焓值 ( kJ·kg1) ;I2為內(nèi)部出風(fēng)口空氣焓值 ( kJ·kg1) ; 為測(cè)點(diǎn)處空氣比容 ( m3·kg1) ; X 為絕對(duì)濕度 ( kg·kg1) 。P =Wt0( 4)式中 ， W 為降溫設(shè)備 ( 空調(diào)或風(fēng)機(jī) ) 的耗電量 ， 指t0時(shí)間段內(nèi)電表記錄數(shù)據(jù)的差值 ( kW·h) ; t0表示時(shí)間 ( h) ， 每 10min 計(jì)算一次 ， 所以 t0為 1/6h。由經(jīng)驗(yàn)公式可得溫度 T 對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力Ps 為ln( Ps) =C1T+C2+C3T +C4T2+C5T3+C6ln( T) ( 5)式中 ， Ps 表示水蒸氣飽和壓力 ( Pa) ， 即相對(duì)濕度為 100%的空氣水蒸氣分壓 ; T 為溫濕度傳感器測(cè)得的溫度對(duì)應(yīng)的開氏溫度值 ( K) ， 每 1min 記錄一次 ， 取10min 之內(nèi)平均值 ; C1= 5800. 2206; C2=1. 3914993;C3= 0. 04860239; C4= 0. 41764768 × 104; C5=0. 14452093 ×107; C6=6. 5459673。水蒸氣的分壓力 Pv( Pa) 為Pv =·Ps ( 6)·982·中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 第 36 卷式中 ， 表示溫濕度傳感器測(cè)得的相對(duì)濕度( %) ， 每 1min 記錄一次 ， 取 10min 之內(nèi)的平均值 ?？諝怙柡退麎翰?VPD( Vapor Pressure Deficit)( kPa) ， 即相對(duì)濕度為 100% 的空氣水蒸氣分壓與空氣水蒸氣分壓之差 ， 用來(lái)衡量室內(nèi)植物蒸騰和水蒸氣蒸發(fā)速率 ， 即VPD = ( Ps Pv) /1000 ( 7)絕對(duì)濕度 X 為X =0. 622PvP0 Pv( 8)式中 ， X 表示空氣絕對(duì)濕度 ( kg·kg1) ; P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 ， 101325Pa。焓值計(jì)算方法為I =1. 01t +0. 001X·( 2500 +1. 84t) ( 9)I 表示空調(diào) 、風(fēng)機(jī)進(jìn) 、出風(fēng)口的焓值 ( kJ·kg1) ， t表示溫濕度傳感器測(cè)得的攝氏溫度值 ( ) 。濕空氣比容 為v =T3. 48P00. 00132Pv( 10)式中 ， 表示測(cè)點(diǎn)處空氣比容 ( m3·kg1) 。( 3) 本研究中涉及的潛熱量和顯熱比的計(jì)算Q1=·q··( X1 X2) ( 11)式中 ， Q1表示潛熱量 ( kW) ; 代表水的汽化潛熱 ， 取 25時(shí)的數(shù)值 2400kJ·kg1; 代表空氣密度( kg·m3) ， 由于空氣密度與空氣比容互為倒數(shù) ， 所以 取 1/; X1、X2分別表示進(jìn) 、出風(fēng)口絕對(duì)濕度 ( kg·kg1) 。顯熱比 SHF( Sensible Heat Factor， SHF) 指空氣溫度及濕度變化時(shí) ， 針對(duì)全熱量變化的顯熱量占總熱量的比率 ， 即SHF =1 Q1Q( 12)1. 3 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)的處理及分析利用 Microsoft Excel 2007 和SAS 8. 0 軟件完成 。2 結(jié)果與分析2. 1 引進(jìn)冷源空氣的降溫效果分析試驗(yàn)植物工廠內(nèi)的溫度設(shè)定值為明期 25， 允許波動(dòng)范圍為 ±2， 引進(jìn)室外冷源空氣的具體控制方法為 : 設(shè)定明期風(fēng)機(jī)啟動(dòng)溫度為 24， 當(dāng)外界溫度低于 24 而內(nèi)部溫度高于 24 時(shí) ， 開啟風(fēng)機(jī)引進(jìn)室外冷源空氣 ， 直到室內(nèi)溫度下降至允許范圍 ( 即 23 27) 時(shí) ， 風(fēng)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉 ; 若室內(nèi)溫度無(wú)法控制在允許范圍 ， 即室內(nèi)溫度高于 26時(shí) ， 風(fēng)機(jī)關(guān)閉同時(shí)啟動(dòng)空調(diào)降溫 。對(duì)照植物工廠的溫度設(shè)定與試驗(yàn)植物工廠一致 ， 但僅采用空調(diào)控制溫度 。暗期溫度設(shè)定值為20， 允許波動(dòng)范圍為 ± 2， 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)定值為19， 控制方法與明期一致 。由圖 2a1、b1 可見 ， 在室外溫度較高的 12 月 3 日和溫度較低的 12 月 13 日 ，采用引進(jìn)室外冷源空氣的方法均可將試驗(yàn)植物工廠的溫度控制在 : 明期 23 27， 暗期 18 22。但與對(duì)照相比 ， 由于試驗(yàn)植物工廠引進(jìn)室外冷源空氣的風(fēng)機(jī)采用 on/off 控制并與空調(diào)協(xié)同工作 ， 導(dǎo)致植物工廠內(nèi)溫度波動(dòng)較大 。由圖 2a2、b2 可見 ， 在控制溫度的同時(shí) ， 試驗(yàn)植物工廠內(nèi)空氣飽和水汽壓差 VPD 的變化區(qū)間為 : 明期1. 3 2. 7kPa、暗期 1. 2 1. 9kPa， 高于對(duì)照的明期0. 3 1. 3kPa、暗期 0. 3 0. 5kPa， 這是由于試驗(yàn)植物工廠引進(jìn)室外低濕的冷源空氣 ， 在降溫同時(shí)也降低了室內(nèi)濕度 。圖 2a3、b3 表明 ， 采用零濃度差 CO2施肥方法均能使兩個(gè)植物工廠內(nèi)明期 CO2濃度基本保持與室外相同水平 ( 400 500mol·mol1) ， 但在用液態(tài) CO2進(jìn)行施肥時(shí)產(chǎn)生了 50 100mol·mol1的過(guò)沖現(xiàn)象 。對(duì)比分析圖 2a 和圖 2b 可見 ， 試驗(yàn)期間 ， 外界溫度越低 ( 12 月 13 日 ， 圖 2b) ， 試驗(yàn)植物工廠的溫度波動(dòng)幅度越大 ， 說(shuō)明引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法作用越明顯 ， 植物工廠主要由風(fēng)機(jī)降溫 ; 反之 ， 外界溫度越高 ( 12 月 3 日 ， 圖 2a) ， 試驗(yàn)植物工廠的溫度波動(dòng)幅度越小 ， 且越接近對(duì)照的變化趨勢(shì) ， 說(shuō)明此時(shí)引進(jìn)室外冷源空氣降溫方法的作用不明顯 ， 植物工廠主要由空調(diào)降溫 。與溫度變化趨勢(shì)相同 ， 外界溫度越低 ， VPD和 CO2濃度的波動(dòng)幅度就越大 。2. 2 引進(jìn)冷源空氣降溫的節(jié)能效果分析2. 2. 1 降溫設(shè)備耗電量表 1 以室外溫度較高 ( 12 月 3 日 ) 和較低 ( 12 月13 日 ) 的兩天為例 ， 分析了不同室外溫度對(duì)降溫設(shè)備啟停次數(shù)和耗電量的影響 。在 12 月 3 日 ， 當(dāng)室外平均溫度為 8. 32時(shí) ， 試驗(yàn)植物工廠降溫設(shè)備的耗電量比對(duì)照節(jié)省了 0. 56kW·h。而在 12 月 13 日 ， 當(dāng)室外平均溫度為 3. 48時(shí) ， 試驗(yàn)植物工廠降溫設(shè)備的耗電量比對(duì)照節(jié)省了 1. 18kW·h。與室外溫度較低的12 月 13 日相比 ， 室外溫度較高的 12 月 3 日風(fēng)機(jī)和空調(diào)的啟動(dòng)次數(shù)分別高出 2. 5 和 3. 7 倍 ， 試驗(yàn)和對(duì)照植物工廠降溫設(shè)備耗電量分別高出 3. 3 和 1. 2 倍 ?？梢?， 引進(jìn)室外冷源空氣可減少降溫耗電量 ， 且隨著室外溫度降低 ， 降溫設(shè)備的啟停次數(shù)和降溫耗電量可大大減少 。·092·第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析圖 2 不同外界溫度下 12 月 3 日 ( a) 和 12 月 13 日 ( b) 試驗(yàn)和對(duì)照植物工廠內(nèi)空氣溫度 ( 1) 、VPD( 2) 和 CO2濃度 ( 3) 的變化Fig. 2 Variation of air temperature( 1) ， VPD( 2) and CO2concentration( 3) inside and outside PFs on December 3( a) andDecember 13( b)表 1 不同外界溫度下植物工廠降溫設(shè)備啟動(dòng)次數(shù)及耗電量的比較Table 1 Compare of the number of on/off operation and electric-energy consumption of fan and air conditioners( ACs) forcooling in both PFs with different outside air temperature日期 ( 月 日 )Date( mm-dd)外界平均溫度 OT( )試驗(yàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)次數(shù) NOFE試驗(yàn)空調(diào)啟動(dòng)次數(shù) NOAE試驗(yàn)風(fēng)機(jī)耗電量EFE( kW·h)試驗(yàn)空調(diào)耗電量EAE( kW·h)對(duì)照空調(diào)耗電量EAC( kW·h)12 03 8. 32 42 74 0. 32 0. 94 1. 8212 13 3. 48 17 20 0. 18 0. 2 1. 56Note: OT is the average air temperature outside PF， NOFE is the number of on/off operation of fan in the experimental PF， NOAE is the number of on/off opera-tion of AC in the experimental PF， EFE is the electric-energy consumed by fan in the experimental PF， EAE is the electric-energy consumed by AC in the ex-perimental PF， EAC is the electric-energy consumed by AC in the control PF·192·中 國(guó) 農(nóng) 業(yè) 氣 象 第 36 卷表 2 比較了生菜從定植 收獲的整個(gè)生長(zhǎng)周期 ( 35d) 內(nèi) ， 試驗(yàn)和對(duì)照兩個(gè)植物工廠內(nèi)總耗電量 、人工光和降溫設(shè)備耗電量 。分析可知 ， 試驗(yàn)植物工廠總耗電量為 591. 3kW·h， 比 對(duì) 照 節(jié) 約10. 8%。兩個(gè)植物工廠人工光源完全相同 ， 其照明設(shè)備耗電量基本一致 。與對(duì)照相比 ， 試驗(yàn)植物工廠內(nèi)空調(diào)節(jié)約了 46. 6kW·h 的耗電量 ， 節(jié)省率達(dá)到 69. 8%。而由風(fēng)機(jī)和空調(diào)組成的降溫系統(tǒng)比僅用空調(diào)降溫節(jié)省了 44. 2kW·h 的耗電量 ， 節(jié)省率達(dá) 66. 2%。試驗(yàn)植物工廠降溫設(shè)備耗電量?jī)H占總耗電量的 3. 8% ; 而對(duì)照植物工廠中空調(diào)耗電量占總耗電量的 10. 1%。表 2 兩個(gè)植物工廠內(nèi)光源和降溫設(shè)備耗電量的比較 ( kW·h)Table 2 Compare of the electric-energy consumed by lighting andcooling equipments in the experimental and control PF( kW·h)總耗電量TEC光源耗電量ECL空調(diào)耗電量ECAC風(fēng)機(jī)耗電量ECF試驗(yàn)Experimental591. 3 554. 9 20. 2 2. 4對(duì)照Control662. 6 558. 8 66. 8Note: TEC is total electric-energy consumption， ECL is electric-energy con-sumed by lighting， ECAC is electric-energy consumed by AC， ECF is elec-tric-energy consumed by fan2. 2. 2 降溫設(shè)備性能系數(shù) ( COP)由圖 3 可知 ， 當(dāng)室外溫度在 4 5變化時(shí) ， 試驗(yàn)植物工廠風(fēng)機(jī)的 COP 為 19. 3 28. 9， 平均值為23. 8; 空調(diào)的 COP 值為 5. 3 14. 7， 平均值為 10. 9;對(duì)照植物工廠的空調(diào) COP 值為 5. 8 14. 9， 平均值為 9. 4。在相同室外溫度下 ， 風(fēng)機(jī)的 COP 值遠(yuǎn)高于試驗(yàn)和對(duì)照植物工廠內(nèi)空調(diào)的 COP 值 ， 且兩個(gè)植物工廠內(nèi)降溫設(shè)備的 COP 值均隨著室外空氣溫度升高而降低 ?？梢?， 室外溫度越低 ， 引進(jìn)室外冷源空氣進(jìn)行植物工廠降溫的節(jié)能效果越好 。隨著室外溫度的升高 ， 風(fēng)機(jī)的 COP 值逐漸下降 ， 僅利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫不能將室內(nèi)溫度控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi) ， 需使用空調(diào)協(xié)同運(yùn)行才能達(dá)到降溫的目的 ， 致使兩個(gè)植物工廠降溫設(shè)備的 COP 值逐漸趨于一致 ， 其節(jié)能效果也逐漸降低 。降溫設(shè)備 COP 除受其運(yùn)行時(shí)室外溫度影響外 ，還受到顯熱比 SHF 值的影響 。降溫設(shè)備的總制冷量為調(diào)節(jié)處理潛熱和顯熱能力的總和 ， 而 SHF 值為顯熱量在總制冷量中所占的比例 19-20。SHF 值表征制冷設(shè)備的除濕能力 ， 在一定范圍內(nèi) ， 設(shè)備 SHF 值越小 ， 其除濕能力和除濕效率越高 21。如圖 4 所示 ，SHF 在 0. 4 0. 9 變化時(shí) ， SHF 越低 ， 風(fēng)機(jī)降溫性能系數(shù)和空調(diào) COP 值越高 ， 即除濕能力越高 ， 降溫設(shè)備性能系數(shù)越高 ， 運(yùn)行越節(jié)能 。SHF 相同時(shí) ， 風(fēng)機(jī)的降溫性能系數(shù)遠(yuǎn)高于空調(diào) ， 即要達(dá)到相同的除濕效果 ， 使用風(fēng)機(jī)比使用空調(diào)更節(jié)能 。圖 3 降溫設(shè)備性能系數(shù)隨外界溫度的變化趨勢(shì)Fig. 3 Variation of the coefficient of performance( COP) forcooling of ACs and fan with the outside air temperature圖 4 降溫設(shè)備性能系數(shù)隨顯熱比的變化趨勢(shì)Fig. 4 Variation of the coefficient of performance( COP)for cooling of ACs and fan with the sensible heat factor2. 3 引進(jìn)冷源空氣降溫對(duì)生菜生物量及光合色素含量的影響分析2013 年 11 月 13 日 12 月 18 日試驗(yàn)期間 ， 試驗(yàn)和對(duì)照植物工廠內(nèi)除 VPD 有較大差異外 ， 其它環(huán)境因子如溫度 、CO2濃度以及光環(huán)境等差異較小 。由表3 可見 ， 兩個(gè)植物工廠中生菜葉鮮重和干重 、根鮮重和干重 、葉綠素 a、b 和類胡蘿卜素的含量亦均無(wú)顯著性差異 ， 說(shuō)明兩種溫度控制方法對(duì)生菜的生長(zhǎng)和品質(zhì)無(wú)顯著影響 ， VPD 的差異不會(huì)對(duì)生菜生長(zhǎng)產(chǎn)生顯著影響 。·292·第 3 期 辛敏等 : 利用室外冷源空氣的植物工廠降溫節(jié)能效果分析表 3 兩個(gè)植物工廠生菜生物量及葉片光合色素含量的比較Table 3 Compare of yield and content of photosynthetic pigments of lettuce in both PFs葉鮮重LFW( g)葉干重LDW( g)根鮮重FW( g)根干重DW( g)葉綠素 a 含量Chla( mg·g1)葉綠素 b 含量Chlb( mg·g1)類胡蘿卜素含量CC( mg·g1)試驗(yàn) Experimental 50. 59a 2. 42a 3. 65a 0. 23a 0. 25a 0. 15a 0. 04a對(duì)照 Contorl 54. 12a 2. 58a 3. 58a 0. 17a 0. 22a 0. 14a 0. 05a注 : 小 、大寫字母分別表示處理間在 0. 05、0. 01 水平上的差異顯著性 。Note: Lowercase and capital letter indicate the difference significance between PFs at 0. 05 and 0. 01 level， respectively LFW is leaf-fresh-weight， LDW is leaf-dry-weight， FW is root-fresh-weight， DW is root-dry-weight， Chla is chlorophyll a content， Chlb is chlorophyll b content， CC is carotenoid content3 結(jié)論與討論3. 1 結(jié)論( 1) 試驗(yàn)期間兩個(gè)典型日的觀測(cè)結(jié)果說(shuō)明 ， 引進(jìn)室外冷源空氣可以將植物工廠內(nèi)部溫度控制在 : 明期23 27、暗期 18 22; 飽和水汽壓差控制在 ， 明期1. 3 2. 7kPa、暗期 1. 2 1. 9kPa， 高于對(duì)照的明期0. 3 1. 3kPa、暗期 0. 3 0. 5kPa; 配合零濃度差 CO2施肥法基本能將明期大部分時(shí)段的 CO2濃度控制在與外界濃度相同范圍內(nèi) ( 400 500mol·mol1) 。( 2) 從生菜定植到收獲的 35d 內(nèi) ， 與僅使用空調(diào)的降溫方法相比 ， 采用引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法使植物工廠總耗電量節(jié)省 10. 8%， 其中由風(fēng)機(jī)和空調(diào)組成的降溫系統(tǒng)節(jié)省了 66. 2%的電量 ， 用于降溫的耗電量占總耗電量的比重從 10. 1%下降至 3. 8%。( 3) 在外界溫度 4 5 以及顯熱比 0. 4 0. 9條件下 ， 風(fēng)機(jī)和空調(diào)的降溫性能系數(shù)隨外界溫度和顯熱比升高而降低 。其中試驗(yàn)植物工廠空調(diào) COP 值為5. 3 14. 7， 對(duì)照為 5. 8 14. 9。風(fēng)機(jī)的降溫性能系數(shù)為 19. 3 28. 9， 遠(yuǎn)高于空調(diào)的 COP 值 。( 4) 引進(jìn)室外冷源空氣的降溫方法未對(duì)生菜產(chǎn)量和光合色素含量造成顯著影響 。3. 2 討論3. 2. 1 植物工廠內(nèi)環(huán)境因子的變化及其對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響試驗(yàn)植物工廠中 ， 采用引進(jìn)室外冷源空氣方法協(xié)同空調(diào)降溫使明期溫度與對(duì)照基本一致 ， 但波動(dòng)較大 ， 暗期溫度則略低于對(duì)照 。在植物生長(zhǎng)適宜溫度范圍內(nèi) ， 降低暗期溫度可以促進(jìn)光合碳同化物在植物中的分配 ， 降低暗呼吸 ， 從而促進(jìn)植物生長(zhǎng) 。嚴(yán)妍等 22研究表明 ， 暗期溫度從 20降至 15， 生菜地上部干鮮重 、根干鮮重 、葉片數(shù)和葉面積均無(wú)顯著性變化 。本研究結(jié)果與此一致 ， 由于本試驗(yàn)中暗期溫度均控制在設(shè)定范圍內(nèi) ， 滿足植物生長(zhǎng)需要 ， 因此未對(duì)生菜產(chǎn)量和品質(zhì)造成顯著影響 。引進(jìn)室外低溫 、低濕的冷源空氣在降低室內(nèi)溫度的同時(shí) ， 也改變了室內(nèi)空氣飽和水汽壓差 ( VPD) 和CO2濃度 。VPD 值的大小會(huì)影響植物氣孔導(dǎo)度 ， 從而影響植物光合速率和蒸騰速率 。Korner 等 23研究表明 ， VPD 值過(guò)低 ， 會(huì)降低植物蒸騰作用 ， 提高植物病蟲害的發(fā)生幾率 ， 從而降低植物產(chǎn)量和品質(zhì) ; VPD 值過(guò)高則會(huì)降低植物氣孔導(dǎo)度 ， 甚至導(dǎo)致氣孔關(guān)閉 ， 降低植物內(nèi)外水蒸氣和 CO2的交換速率 ， 從而降低植物光合速率和蒸騰速率 。awson 等 24研究表明 ， 當(dāng) VPD在 0. 8 2. 7kPa 范圍內(nèi)變化時(shí) ， 不會(huì)影響小麥 、大豆 、向日葵等植株的光合速率 、氣孔導(dǎo)度和植物體內(nèi)部的水分?jǐn)U散 。Mortensen 25研究表明 ， 當(dāng) VPD 從 1kPa 下降至 0. 4kPa 時(shí) ， 對(duì)盆栽植物的生長(zhǎng)影響較小 。Grange 等 26研究表明 ， VPD 在 0. 2 1. 0kPa 范圍內(nèi)變化時(shí) ， 對(duì)番茄的生長(zhǎng)發(fā)育無(wú)顯著影響 。本研究中 ，VPD 變化范圍為 0. 3 2. 7kPa， 也未</p>