溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn).pdf

張卓 汪小旵 趙進(jìn) 等 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2020 41 1 124 132 ZHANG Zhuo WANG Xiaochan ZHAO Jin et al Design and experiment of root heating system for greenhouse potted crops J Journal of South China Agricultural University 2020 41 1 124 132 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 張 卓1 汪小旵1 2 趙 進(jìn)1 劉景娜1 Morice O ODHIAMBO1 1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 江蘇 南京 210031 2 江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 南京 210031 摘要 目的 為解決長江三角洲地區(qū)冬季沒有加溫設(shè)備的溫室或大棚中盆栽作物易受低溫冷害的問題 設(shè)計(jì)一種適 用于矮株作物的根區(qū)加熱系統(tǒng) 方法 研制了一種嵌套式雙層栽培盆 夾層采用絕緣脂發(fā)泡劑填充 栽培盆基質(zhì) 內(nèi)分別放 置 2塊 80 W m2 15 cm 12 cm的硅橡膠加熱板 加熱板 由 STM32單片機(jī)輸出信號到固態(tài)繼電器進(jìn)行加熱 功率控制 使用模 糊 PID控制算法 實(shí)時(shí)控制作物根區(qū)溫度到設(shè)定值 結(jié)果 根區(qū)溫度控制相對誤差不超 過 5 在 連續(xù)低溫條件 下 連續(xù)一周平均氣溫低 于 5 當(dāng)根區(qū)溫度分別設(shè)定 為 15 20和 25 時(shí) 相比于對照組 高度 為 25 35 cm的作物地上部分日間平均溫度分別提 高 1 4 2 6和 3 7 夜間平均溫度分別提 高 2 1 2 9和 4 0 且與 普通栽培盆相比 本文設(shè)計(jì)的保溫栽培盆 在 3種不同根區(qū)溫度下分別節(jié)省電 能 24 2 25 3 和 23 8 結(jié)論 設(shè)計(jì) 的作物根區(qū)加熱系統(tǒng) 在連續(xù)低溫條件下 不僅能有效提高作物根區(qū)溫度 同時(shí)對作物地上部分也具有升溫效果 一 定條件下可緩解低溫脅迫對冬季作物生長的影響 關(guān)鍵詞 溫室 溫度控制 作物根區(qū) 栽培盆 硅橡膠加熱板 STM32 中圖分類號 S22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1001 411X 2020 01 0124 09 Design and experiment of root heating system for greenhouse potted crops ZHANG Zhuo1 WANG Xiaochan1 2 ZHAO Jin1 LIU Jingna1 Morice O ODHIAMBO1 1 College of Engineering Nanjing Agricultural University Nanjing 210031 China 2 Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment Nanjing 210031 China Abstract Objective To design a root heating system suitable for dwarf crops so as to solve the problem that potted crops in greenhouse without heating equipment in the Yangtze river delta region are vulnerable to low temperature and cold damage in winter Method A nested double layer cultivation pot was designed The interlayer was filled with insulating fat foaming agent Two silicone rubber heating plates of 80 W m2 and 15 cm 12 cm were placed in the substrate of the cultivation pot The heating plate was controlled by STM32 MCU which output signals to the solid state relay for heating power control Fuzzy PID control algorithm was used to control the temperature of the crop root area to the set value in real time Result The relative error of root zone temperature control did not exceed 5 Under the condition of continuous low temperature average temperature below 5 for a week when the root zone set temperature was 15 20 and 25 the average daytime temperature of the aboveground parts with 30 35 cm height of crops increased by 1 4 2 6 and 3 7 respectively compared with the control group while their average night temperature increased by 2 1 2 9 and 4 0 respectively Compared with the common pot the pots with root zone temperature of 15 20 25 saved electric energy by 收稿日期 2019 01 03 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2019 12 19 14 19 26 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 作者簡介 張 卓 1993 女 碩士 E mail 315859420 通信作者 汪小旵 1968 男 教授 博士 E mail wangxiaochan 基金項(xiàng)目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目 CX 16 1002 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of South China Agricultural University 2020 41 1 124 132 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 201901005 24 2 25 3 and 23 8 respectively Conclusion Under the condition of continuous low temperature our system can not only effectively increase the temperature of crop root zone but also can heat up the aboveground part of crop Under certain conditions our system can alleviate the effects of cold stress on winter crop growth Key words greenhouse temperature control crop root zone cultivation pot silicone rubber heating plate STM32 長江三角洲地區(qū)冬季生產(chǎn)設(shè)施作物面臨著持 續(xù)低溫弱光的氣候問題 1 沒有加溫設(shè)備的溫室大 棚只能依靠積蓄太陽能來提高室內(nèi)溫度 受天氣影 響很大 低溫季節(jié)的連續(xù)陰雨 雪天時(shí) 氣溫和地溫 都持續(xù)很低 使得蔬菜作物 尤其是喜溫蔬菜生長 遲緩 甚至出現(xiàn)冷害 嚴(yán)重影響蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量 2 3 為了保證作物在低溫環(huán)境下安全過冬 一般采用燃 煤或者焚燒作物秸稈進(jìn)行加溫 隨著環(huán)保壓力日漸 增加 選用空氣源 4 或水源熱泵 5 8 進(jìn)行溫室加溫也 是一種新型的加溫方式 但是溫室整體環(huán)境加熱仍 然存在電能消耗高 價(jià)格昂貴等問題 采取作物根 區(qū)加溫是一種節(jié)能的替代方式 9 采用電熱元件直 接加熱作物根區(qū) 加溫效果明顯 熱效率高 且設(shè)計(jì) 性強(qiáng) 可根據(jù)不同使用場所設(shè)計(jì)出更符合需求的加 熱模式 何芬等 10 分別采用發(fā)熱電纜 自限溫發(fā)熱 帶 碳晶電熱膜對育苗根區(qū)進(jìn)行加熱 分析了不同 加溫材料對栽培基質(zhì)溫度的影響 張紅梅等 11 利用 一種由金屬發(fā)熱絲嵌入聚丙烯保護(hù)膜構(gòu)成的農(nóng)用 發(fā)熱膜進(jìn)行冬季茄果類育苗 周長吉 12 將栽培盆直 接放置在地面 加熱管道鋪在栽培盆底部 直接對 其加熱 趙云龍等 13 將碳晶加熱板系統(tǒng)引入番茄栽 培設(shè)施中 試驗(yàn)表明將加熱板全部掩埋在基質(zhì)里加 溫處理番茄幼苗能顯著提高番茄的根系活力和光 合速率 目前 大多數(shù)根區(qū)加熱主要適用于育苗環(huán) 節(jié)的栽培 因此在長江三角洲地區(qū)采用根區(qū)加熱的 方式來驗(yàn)證茄果類作物能否安全過冬 具有非常重 要的意義 本文擬研制一種保溫性能良好的雙層嵌套式 栽培盆 將硅橡膠加熱板放置于栽培基質(zhì)中 加熱 板由STM32微控制器進(jìn)行加熱功率控制 分析 在不同根區(qū)溫度下作物地上部分溫度變化特性 以 期為冬季溫室中對茄果類作物進(jìn)行根區(qū)加熱提供 參考 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)主要由栽培盆 硅橡膠加熱板 發(fā)泡劑 觸摸屏 繼電器 電源 SPI通信模塊 STM32微控 制器及傳感器模塊等組成 溫度傳感器與變送電路 組成采集模塊 完成設(shè)備初始化后 通信模塊將采 集的溫度信號傳送至控制器 控制器計(jì)算采集到的 狀態(tài)值與設(shè)定值 通過在線調(diào)整模糊PID算法并計(jì) 算出控制量 從而控制多路加熱板加熱功率 具體 工作原理如圖1所示 1 1 節(jié)能型栽培盆設(shè)計(jì) 1 1 1 外形設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一種雙層嵌套式栽培盆 外 層栽培盆口徑尺寸40 cm 40 cm 底徑24 cm 24 cm 高35 cm 內(nèi)層栽培盆口徑尺寸30 cm 30 cm 底徑18 cm 18 cm 高26 cm 將小盆嵌套在大盆內(nèi) 部 間隙使用發(fā)泡劑填充 間隙底部發(fā)泡劑厚度為 8 cm 四周間隙厚度為5 cm 栽培盆內(nèi)壁兩側(cè)各放 入硅橡膠電熱板 三維效果圖如圖2所示 發(fā)泡劑 的主要成分為聚氨酯 聚氨酯廣泛用于建筑 化工 加熱負(fù)載 Heating load 微控制器 STM32 STM32 microcontroller 電源 Power supply 觸摸屏 Touch screen 狀態(tài)指示燈 Status light 栽培盆 1 Cultivation pot 1 栽培盆 n Cultivation pot n 溫度采集 Temperature collection 加熱負(fù)載 Heating load 溫度采集 Temperature collection 圖 1 溫度控制系統(tǒng)工作原理圖 Fig 1 Schematic diagram of temperature control system 第 1 期 張 卓 等 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 125 電子等領(lǐng)域的一種新興的有機(jī)高分子材料 該材料 導(dǎo)熱系數(shù)極低 不易吸水 具有黏結(jié) 密封 隔熱等 特點(diǎn) 是一種優(yōu)質(zhì)保溫材料 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)起到隔 熱保溫進(jìn)而節(jié)能的作用 1 1 2 硅橡膠加熱板的設(shè)計(jì) 加熱板采用硅橡膠 電熱板 它具有良好的柔韌性 可與被加熱物體緊 密接觸 雙面散熱 電加溫線排布如圖3所示 外形 呈長方形 長 寬 厚為150 mm 120 mm 1 mm 電 熱板發(fā)熱形式為面狀 相比電熱線以自身為輻散中 心呈線性散熱 可避免栽培盆內(nèi)局部溫度過高 受 熱不均勻等問題 且相同功率下其表面溫度較低 可減少對植物根系的傷害 14 16 對于穩(wěn)態(tài)的一維平壁導(dǎo)熱問題 17 18 采用第一 類邊界條件 可利用傅里葉定律求解加熱板所需的 熱流量 其數(shù)學(xué)描寫為 0 dx A dx 1 即熱流量和熱流密度為 8 A A q 2 式中 為熱流量 W q為熱流密度 W m2 為 不同平壁面的溫度 A為平壁的導(dǎo)熱熱阻 K W 為平壁的面積熱阻 m2K W 以加溫栽培盆為模型 模擬出作物在極端寒冷 天氣下所需的加溫能耗量 計(jì)算以單片加熱板加熱 作物根區(qū)為例 其中栽培盆與硅橡膠加熱板厚度不 計(jì) 模型示意圖見圖4 據(jù)文獻(xiàn) 19 21 可知辣椒喜溫不耐霜凍 生長 期間若長期處于0 5 以下低溫時(shí) 會出現(xiàn)葉綠素 減少等冷害表現(xiàn) 即溫室氣溫 f 的極端值范圍為 0 5 計(jì)算時(shí) f取1 試驗(yàn)設(shè)定根區(qū)溫度范圍 在15 25 栽培基質(zhì)層溫度 1 取最高值25 此時(shí)保溫層溫度 2 維持在40 將上述數(shù)據(jù)代 入到公式 3 和 4 得到2個(gè)方向的熱流密度 栽培盆 Cultivation pot 栽培盆 Cultivation pot 發(fā)泡劑 Foaming agent 加熱板 Heating plates 栽培基質(zhì) Growing media a 分體圖 a Division diagram of cultivation pot b 整體透視圖 b Diagram of overall structure c 斜拋圖 c Oblique drawing 圖 2 節(jié)能栽培盆結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 2 Structure of energy saving pot 圖 3 硅橡膠電熱板結(jié)構(gòu)圖 Fig 3 Schematic diagram of silicon rubber heating plate 1 0 35 W m K 2 0 024 W m K 1 25 2 40 f 1 1 9 cm 2 5 cm 1 栽培基質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù) 2 絕緣脂發(fā)泡劑的導(dǎo)熱系數(shù) 1 栽培基質(zhì) 層的溫度 2 絕緣脂發(fā)泡劑層的溫度 f 溫室的溫度 1 基質(zhì)層的厚 度 2 絕緣脂發(fā)泡劑的厚度 1 Thermal conductivitiy of cultivated substrate 2 Thermal conductivitiy of insulating grease foaming agent 1 Temperature of cultivated substrate 2 Temperature of insulating grease foaming agent f Greenhouse temperature 1 Substrate thickness 2 Thickness of insulating grease foaming agent 圖 4 栽培盆導(dǎo)熱示意圖 Fig 4 Schematic diagram of heat conduction in pot 126 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 41 卷 q1 2 1 1 1 1 2 1 1 3 q2 2 1 2 2 2 2 1 2 4 加熱板的熱流為2個(gè)方向的熱流密度之和 q q1 q2 5 通過公式 3 5 算得加熱板所需熱流密度 q為76 7 W m2 說明在實(shí)際試驗(yàn)中采用80 W m2功 率的加熱板是較為合理的 1 2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)微控制器選用STM32F407 其具有良好的 瞬態(tài)反應(yīng)和抗噪聲能力 可保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行 溫度采集電路采用 級K型熱電偶加調(diào)理芯片 MAX6675 通過SPI串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳送至 STM32 每路熱電偶單獨(dú)連接一個(gè)溫度調(diào)理芯片 通過譯碼器譯碼來選擇讀取的熱電偶通道 輸入面 板采用TFT顯示屏 可通過控制面板設(shè)置溫度值 電路原理圖如圖5所示 1 3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了確保系統(tǒng)控制根區(qū)溫度的穩(wěn)定性 采用抗 干擾能力強(qiáng) 響應(yīng)迅速的自整定模糊PID控制算 法 22 24 模糊PID控制結(jié)構(gòu)如圖6所示 采用二維 模糊控制結(jié)構(gòu) 以溫度誤差e k 和誤差變化率ec k 作為輸入 PID參數(shù)調(diào)整量 Kp Ki和 Kd作為輸出 本系統(tǒng)采用三角形隸屬度函數(shù) 設(shè)定輸入輸出 量的詞集取7個(gè)模糊子集 即 NB 負(fù)大 NM 負(fù) 中 NS 負(fù)小 Z0 零 PS 正小 PM 正中 PB 正 大 其中 大 中 小 表示控制量的程度 正 負(fù) 表示變量的變化趨勢方向 正變化或負(fù)變化 設(shè)定初始溫度 s 開始階段使用開關(guān)控制使加熱板 開始加溫 待土壤溫度上升到一定溫度后采用模糊 PID來控制 PID調(diào)節(jié)實(shí)際溫度 c的范圍在 s e s e 內(nèi) 誤差的變化率ec范圍在 Us T ec Us T ec 內(nèi) 則E和EC的基本論域?yàn)?e e 和 ec ec 根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn) 本文將溫度信號誤差e和溫度 信號誤差變化率ec的模糊論域設(shè)為 6 6 控制器 輸出變量 Kp Ki和 Kd的論域分別為 0 12 0 12 0 30 0 30 和 0 09 0 09 溫度信號誤差 的量化因子Ke 6 e 溫度信號誤差變化率的量化因 子Kec 6 ec 這將e和ec從基本論域范圍轉(zhuǎn)換為模 糊論域范圍 比例因子分別是0 020 0 050和 0 015 工作時(shí) 系統(tǒng)不斷讀取e ec值 模糊控制器 實(shí)時(shí)輸出 Kp Ki和 Kd的值 根據(jù)公式 6 得到 PID算法的Kp Ki和Kd 從而實(shí)現(xiàn)PID控制的參數(shù) a 采集電路 a Acquisition circuit b STM32 微控制器電路 b STM32 microcontroller circuit c 固態(tài)繼電器電路 c Solid state relay circuit P3 2 1 Header 2 GND C8 104 C9104 VCC MAX6675 1 2 3 4 GND GND U2 NC T SO T CS VCC SCK 8 7 6 5 MISO CS 1 SCK CND CS 6pF 6pF 32 768 K C6 CND CS 114 CS 213 CS 312 CS 411 10 9 8 c PB2 PB3 PB4 PB5 PC14 OSC31 IN PC15 OSC32 OUT VSS VDD PA7 PA5 PB6 PB7 PB8 PB9 1 2 3 4 5 6 7 VCC MISO SCK IN 01 IN 02 IN 03 IN 04 P1 2 1 Header 1 GND COM 01 COM 015 VDD 6 U1 NO VCC COM CND NC IN JQC3F 05VDC C 1 2 3 VCC IN 01 GND 圖 5 控制系統(tǒng)電路原理圖 Fig 5 Schematic diagram of control system circuit 模糊控制器 Fuzzy controller PID控制器 The PID controller 負(fù)載 Load de d 溫度傳感器 Temperature sensor r s e k ec k f y h c kd ki kp s 溫度信號的采樣值 c 溫度信號的設(shè)定值 e k 溫度信號誤差 ec k 溫度信號誤差變化率 Kp k Ki k 和 Kd k 為PID控制器的參數(shù)調(diào)整量 f h為溫度控制量 s The sampling value of temperature signal c The set value of temperature signal E k Error of temperature signal EC k Change rate of E k Kp k Ki k Kd k are parameter adjustment quantities of PID controller f h are control quantities of temperatare 圖 6 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖 Fig 6 Structural diagram of the PID control block 第 1 期 張 卓 等 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 127 自整定 8 Kp k Kp s 0 02 Kp k Ki k Ki s 0 05 Ki k Kd k Kd s 0 015 Kd k 6 式中 Kp s Ki s和Kd s分別為PID參數(shù)基值 2 材料與方法 2 1 材料 供試?yán)苯菲贩N為 蘇椒5號 該品種的辣椒 株高最高可達(dá)50 60 cm 栽培基質(zhì)為椰殼 Galuku Group 澳大利亞 辣椒栽培期間定期施用營養(yǎng)液 試驗(yàn)期間外界氣溫較南京冬季平均氣溫偏低 風(fēng)速 適中 是典型的南方冬季低溫弱光氣候 試驗(yàn)于 2017年11月4日播種于孔穴盤中 12月6日 四 葉一心 時(shí)選取長勢一致的植株移植到栽培盆中 進(jìn)入加溫栽培期 2 2 方法 采用TP 300手持式測溫儀對根區(qū)溫度進(jìn)行 檢測 測量時(shí)溫室內(nèi)溫度8 由于栽培基質(zhì)質(zhì)地 松軟 導(dǎo)熱系數(shù)較低 25 屬于熱的不良導(dǎo)體 電熱板 在基質(zhì)里放出的熱量到達(dá)植物根際有一定滯后性 測量時(shí)每個(gè)栽培盆設(shè)置5個(gè)測點(diǎn) 以植物根莖 5 cm為半徑 深度為10 cm的5個(gè)點(diǎn) 測量點(diǎn)分布 如圖7所示 設(shè)置3組根區(qū)溫度 15 20和25 每組溫度處理3株植株 對每株植物進(jìn)行4次重復(fù) 觀測 取平均值作為測量值 每次測量相互獨(dú)立 作物地上部分 莖稈 葉片 溫度測量時(shí) 設(shè)置 根區(qū)溫度為15 20和25 測量時(shí)間為每天05 00 試驗(yàn)采用的辣椒株高均在25 35 cm 且作物外形相 似 對作物地上部分的溫度測量分為莖桿和葉片兩 部分 莖稈上每隔2 cm設(shè)置為一個(gè)測點(diǎn) 每一葉片 沿著葉脈方向均勻選取3個(gè)測點(diǎn) 測點(diǎn)之間間隔相 等 測點(diǎn)分布如圖8 圖9所示 使用TYS 4N型植 物營養(yǎng)測定儀對整株作物溫度進(jìn)行測量 測量時(shí)按 下測量壓頭 使測量位置夾住作物葉片停留約2 3 s 直到蜂鳴器發(fā)出提示音 松開測量壓頭 對作物地上部分溫度進(jìn)行連續(xù)測量 07 00 21 00每隔2 h測量1次 觀測點(diǎn)選擇作物基底 部 作物中部和冠層頂部3個(gè)高度 每個(gè)高度隨 機(jī)選擇4個(gè)測點(diǎn) 測點(diǎn)分布如圖10所示 采用 TYS 4N型植物營養(yǎng)測定儀測量各個(gè)測點(diǎn)的溫 度 為避免環(huán)境溫度的波動對測量結(jié)果產(chǎn)生影 響 4次測量均在1 min內(nèi)完成 觀測值為測點(diǎn)溫 度的平均值 為了驗(yàn)證保溫栽培盆的節(jié)能性 在相同外界 條件下 比較保溫栽培盆與普通栽培盆的耗電量 普通栽培盆為內(nèi)層保溫栽培盆 即口徑尺寸30 cm 30 cm 底徑18 cm 18 cm 高26 cm 單層 不加保 溫層 加熱板放置同保溫栽培盆 在不同根區(qū)溫度 15 20和25 下分別設(shè)置3組保溫盆與3組普 采集點(diǎn) 1 Collection point 1 采集點(diǎn) 5 Collection point 5 采集點(diǎn) 2 Collection point 2 采集點(diǎn) 3 Collection point 3 采集點(diǎn) 4 Collection point 4 植物 Plant 圖 7 溫度采集點(diǎn)分布圖 Fig 7 Distribution diagram of temperature collection points 圖 8 作物莖稈測點(diǎn)示意圖 Fig 8 Schematic diagram of measuring points on crop stem 圖 9 作物葉片測點(diǎn)示意圖 Fig 9 Schematic diagram of measuring points on crop leaf 128 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 41 卷 通盆 采用電量檢測儀測量每盆作物的耗電量 每天 5 00讀取電量檢測儀的讀數(shù) 為當(dāng)日該盆的能耗 量 持續(xù)測量2周 最后對保溫栽培盆進(jìn)行實(shí)用性 分析 與燃煤鍋爐進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較 3 結(jié)果與分析 3 1 根區(qū)溫度控制試驗(yàn) 驗(yàn)證系統(tǒng)溫度控制準(zhǔn)確性的采集結(jié)果如表1 所示 計(jì)算溫度平均值時(shí) 20 組2的測量值與25 組2的測量值為可信度較低的數(shù)值 計(jì)算時(shí)應(yīng)剔 除 對剩余的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 保證得到最優(yōu)的平均 值 由試驗(yàn)結(jié)果可知 實(shí)際測得的數(shù)據(jù)比設(shè)定溫度 偏高 相對誤差保持在0 4 53 該系統(tǒng)有較好的穩(wěn) 定性與精確性 3 2 不同根區(qū)溫度作物地上部溫度的日變化特征 由表2可知 在前3個(gè)晴天試驗(yàn)日中 中午時(shí)段 太陽輻射較強(qiáng) 溫室室內(nèi)溫度迅速上升 在15 20和25 3種根區(qū)處理溫度下作物日間平均溫度 分別為11 0 12 1和13 2 CK日間平均溫度為 9 8 說明該系統(tǒng)的加溫模式在有太陽輻射的情況 下對作物地上部分溫度提升效果明顯 試驗(yàn)期間溫 室氣溫 對照組作物的平均溫度和不同根區(qū)溫度下 作物地上部溫度的變化曲線如圖11所示 由圖11 可知 作物地上部每日溫度變化呈 單峰 曲線變 化 最高溫度出現(xiàn)在12 00 14 00區(qū)間 同時(shí) 12月 16 17日為陰雨天 是典型的冬季低溫弱光天氣 溫室內(nèi)最高氣溫出現(xiàn)在16日13 00 溫度僅為 11 2 作物地上部溫度變化不明顯 日間平均溫度 為8 5 夜間平均溫度為6 4 3組根區(qū)加溫處 理作物的地上部日間平均溫度分別為10 2 11 5和 表 1 根區(qū)溫度控制試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 Experiment results of controlling root temperature 測量點(diǎn) Test point 15 20 25 CK組1 Group 1 組2 Group 2 組3 Group 3 組1 Group 1 組2 Group 2 組3 Group 3 組1 Group 1 組2 Group 2 組3 Group 3 1 15 70 15 80 15 60 20 70 20 70 20 20 25 50 26 00 25 00 8 10 2 16 00 15 60 15 10 21 00 20 60 20 50 25 60 25 70 25 40 8 80 3 15 80 15 50 15 40 20 80 22 30 20 80 25 30 25 40 25 80 8 70 4 15 60 15 40 15 80 20 50 20 50 20 30 25 10 25 60 25 50 8 80 5 15 30 15 30 15 70 20 60 20 60 20 40 25 00 27 00 25 90 9 00 平均值 Average 15 68 15 52 15 52 20 72 20 90 20 44 25 30 25 54 25 52 8 68 相對誤差 Relative error 4 53 3 46 3 46 2 88 4 50 2 20 1 20 2 16 2 08 表 2 不同根區(qū)溫度處理的作物地上部平均溫度 Table 2 Average temperature of aboveground parts of crop under treatment with different root temperature Treatment temperature 晴天 Sunny day陰天 Cloudy day 日間 Daytime夜間 Night日間 Daytime夜間 Night 15 11 0 2 08 9 4 1 46 10 2 1 60 8 8 1 58 20 12 1 1 97 10 5 1 04 11 5 1 46 9 7 0 72 25 13 2 1 66 12 0 1 20 12 5 1 93 11 4 0 77 CK 9 8 2 55 7 7 1 50 8 5 1 36 6 4 0 83 作物中部 Crop middle 冠層頂部 Canopy top 作物基底部 Crop base 圖 10 作物地上部測點(diǎn)分布示意圖 Fig 10 Schematic diagram of measuring points on plant aboveground 第 1 期 張 卓 等 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 129 12 5 夜間平均溫度分別為8 8 9 7和11 4 盡 管氣溫驟降 作物整體溫度略低于前3個(gè)試驗(yàn)日 但 沒有出現(xiàn)大幅度的溫度波動 作物的地上部仍處在 一個(gè)有利于生長的溫度環(huán)境 試驗(yàn)期間根區(qū)溫度為 15 20和25 時(shí) 作物冠層溫度日間平均提高1 4 2 6和3 7 夜間平均提高2 1 2 9和4 0 3 3 不同根區(qū)溫度對作物地上部溫度的影響 為了使作物的溫度分布更為直觀 采用RGB 相機(jī)采集作物圖像 基于Colourbar繪制作物溫度 分布圖 結(jié)果如圖12所示 由圖12可知 在沒有太 陽輻射的情況下 每組作物地上部分溫度從底部沿 冠層頂部方向呈遞減趨勢 CK組作物基部采集最 20 18 16 14 12 10 8 6 4 15 20 25 CK溫室溫度 Temperature in greenhouse 12 13 12 14 12 15 12 16 12 17 日期和時(shí)刻 Date and time 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 21 00 07 00 09 00 11 00 13 00 15 00 17 00 19 00 圖 11 不同根區(qū)溫度處理下作物溫度日變化及溫室氣溫變化 Fig 11 Changes in crop temperature and greenhouse temperature under different root zone temperatures 6 22 6 38 6 47 6 50 6 53 6 95 6 17 7 32 7 45 7 57 8 22 8 39 8 47 8 55 8 61 10 19 10 25 10 32 10 44 10 56 a CK b 15 d 25 0 05 m 0 05 m 0 05 m 0 05 m c 20 圖 12 不同根區(qū)溫度處理下作物溫度分布圖 Fig 12 Crop temperature profiles under different root zone temperatures 130 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 41 卷 高溫度為6 53 該組作物在低溫下已經(jīng)出現(xiàn)了葉 片皺縮 葉片黃斑等冷害表現(xiàn) 當(dāng)給作物根區(qū)加熱 時(shí) 由于栽培盆基質(zhì)上方?jīng)]有鋪設(shè)保溫隔熱材料 加熱板散發(fā)的熱量會垂直向上傳遞 直接加熱作物 周圍的空氣 根區(qū)溫度為15 20 25 時(shí) 3組作物 測量到的最高溫度分別為7 57 8 61和10 56 且 加溫組作物生長狀態(tài)良好 可見 本研究提出的作 物根區(qū)加熱的方法可有效地提高作物溫度 避免作 物在夜間低溫環(huán)境下遭受冷害 3 4 保溫栽培盆的能耗與實(shí)用性分析 圖13為保溫栽培盆與普通栽培盆的耗電量 試驗(yàn)結(jié)果 溫室溫度對能耗量有著重要的影響 當(dāng)室內(nèi)溫度升高時(shí) 能耗明顯降低 12月22日至 12月24日由于環(huán)境溫度高 根區(qū)溫度為15 時(shí) 不需要加熱板提供熱量 反之溫室溫度降低時(shí) 根區(qū)加熱所需能耗明顯提升 試驗(yàn)表明填充發(fā)泡 劑的栽培盆比普通栽培盆節(jié)能效果顯著 根區(qū)溫 度為15 20和25 時(shí) 普通栽培盆耗能分別為 5 19 7 51和9 61 kW h 保溫栽培盆分別耗能 4 18 5 99和7 76 kW h 保溫栽培盆比普通栽培 盆分別節(jié)省電量24 2 25 3 和23 8 節(jié)能效 果明顯 計(jì)算單位面積的耗電量 保溫栽培盆的口徑為 40 cm 40 cm 每平方米可放置6 25個(gè)栽培盆 但實(shí) 際種植時(shí)考慮盆與盆之間存在一定間隙 即按1 m2 放置4個(gè)保溫栽培盆來計(jì)算 一般地666 7 m2可栽 培辣椒約為2 600株 即采用保溫栽培盆種植辣椒 可以達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)中的種植要求 以加熱到15 為例 加溫栽培2周 每平方米保溫栽培盆栽共耗 電16 72 kW h 以電費(fèi)0 5元 kW h 計(jì)算 前期投入 為每平方米11元 采用燃煤鍋爐供暖 達(dá)到與保溫 栽培盆提供相同的熱量時(shí) 燃煤量為2 4 kg m2 26 煤的價(jià)格每噸900元 前期投入為每平方米27元 27 人工費(fèi)用為每平方米2 12元 則保溫栽培盆電加熱 與燃煤鍋爐的運(yùn)行總費(fèi)用分別為19 36和31 28元 通過運(yùn)行費(fèi)用比較可知 電費(fèi)比煤的價(jià)格高 所以保溫栽培盆運(yùn)行的電費(fèi)會高于燃煤量的費(fèi)用 但燃煤鍋爐產(chǎn)生的熱量在能量傳遞過程中會有一 定損耗 所以在實(shí)際過程中耗煤量會高于理論計(jì)算 值 且燃煤鍋爐有著高昂的前期投入以及人工費(fèi) 用 綜合比較認(rèn)為保溫栽培盆是一種更為經(jīng)濟(jì)的加 溫方法 燃煤鍋爐還存在著環(huán)境污染問題 保溫栽 培盆可循環(huán)利用 節(jié)能效果良好 從長遠(yuǎn)性考慮 保 溫栽培盆更具經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益 有一定的實(shí)際 應(yīng)用價(jià)值 4 結(jié)論與討論 本文設(shè)計(jì)的雙層嵌套栽培盆具有保溫 節(jié)能的 特點(diǎn) 栽培盆內(nèi)置硅橡膠加熱板 加溫系統(tǒng)采用模 糊PID控制 提高了溫度控制精度 將誤差控制在 0 4 53 有良好的穩(wěn)定性與精確性 試驗(yàn)結(jié)果表 明 在沒有太陽輻射的情況下 加熱作物根部會使 15 保溫盆 Thermal insulation cultivation pot 20 保溫盆 Thermal insulation cultivation pot 25 保溫盆 Thermal insulation cultivation pot 15 普通盆 Normal cultivation pot 20 普通盆 Normal cultivation pot 25 普通盆 Normal cultivation pot 2 5 2 0 1 5 1 0 0 5 0 耗電量 kW h Power consumption 20 15 10 5 0 5 溫室 Temperature in greenhouse 12 16 12 17 12 18 12 19 12 20 12 21 12 22 12 23 12 24 12 25 12 26 12 27 12 28 12 29 日期 Date 溫室 Temperature in greenhouse 圖 13 不同根區(qū)溫度處理下2種栽培盆的耗電量 Fig 13 Power consumptions of two types of pots under different root zone temperatures 第 1 期 張 卓 等 溫室盆栽作物根區(qū)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn) 131 作物地上部分溫度往冠層頂部方向遞減 當(dāng)根區(qū)溫 度設(shè)置為15 20和25 時(shí) 作物冠層溫度日間分 別平均提高1 4 2 6和3 7 夜間分別平均提高 2 1 2 9和4 0 保溫栽培盆比普通栽培盆分別節(jié) 省電量24 2 25 3 和23 8 節(jié)能效果明顯 且 相比燃煤鍋爐 保溫栽培盆有著更低的運(yùn)行費(fèi)用 具有實(shí)用性 且本系統(tǒng)所采用的聚氨酯發(fā)泡劑 硅 橡膠加熱板 熱電偶傳感器等元件成本低廉 有助 于該系統(tǒng)的后期推廣 根區(qū)加溫模式不但耗能較低 而且對抵御冬季 持續(xù)惡劣天氣 保證作物安全度過低溫冷害期有著 重要意義 傳統(tǒng)溫室加溫是通過加熱整體環(huán)境 然 后熱量傳遞到作物各個(gè)部分 而根部往往是溫度最 低的部分 作物根區(qū)加熱系統(tǒng)往往是根區(qū)溫度最 高 然后溫度分布往冠層頂部方向遞減 這種溫度 分布趨勢對于抵抗短期的低溫冷害具有明顯優(yōu)勢 但是對于作物長期的長勢 尤其是產(chǎn)量的影響 還 需要進(jìn)一步的試驗(yàn)觀測 參考文獻(xiàn) 王艷利 成磊 淺談冬季大棚蔬菜種植注意事項(xiàng) J 種 子科技 2018 36 11 65 67 1 傅國海 楊其長 劉文科 LED補(bǔ)光和根區(qū)加溫對日光 溫室起壟內(nèi)嵌式基質(zhì)栽培甜椒生長及產(chǎn)量的影響 J 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2017 25 2 230 238 2 廉勇 崔世茂 包秀霞 等 根區(qū)溫度對辣椒幼苗生理特 性的影響 J 華北農(nóng)學(xué)報(bào) 2014 29 5 156 160 3 李文 楊其長 張義 等 日光溫室主動