作者：李强，郭峰，江稔
第一作者单位：山东建筑大学热能工程学院摘自《煤气与热力》2023年10月刊
李强，郭峰，江稔. 日光温室的研究现状与发展趋势［J］. 煤气与热力，2023，43（10）：A34-A37.农业支撑着我国国民经济建设与发展［1］。为不断提高人民生活水平，设施农业发展势在必行［2］。然而，在我国城镇化快速发展的今天，农业的发展面临着土地资源短缺和气候约束的关键性问题，同时大量的高科技农业产品不断涌现，使农业的发展也具有了前所未有的挑战与动力。温室大棚、日光温室的高效利用使人们对高质量蔬菜水果的需求得到保障。然而，日光温室除了能够提供农作物种植环境外，还可利用其生产淡水。Davies等人［3］最早提出了海水温室，利用两级蒸发器：一级蒸发器用于促进回收植物蒸腾作用产生的水蒸气，二级蒸发器利用太阳能使海水蒸发，最后通过冷凝器产生淡水。因此，日光温室为靠近海洋或地表苦咸水而无法获得廉价淡水的地区制备适用农业用途的淡水提供了途径。本文分析日光温室与温室大棚的区别，对日光温室研究现状与发展趋势进行探讨。在我国设施农业中，日光温室的应用涉及主要农业产业，对解决北方地区冬季蔬菜供应问题、增加农民收入、节约能源、促进农业产业结构调整作出了重大贡献［4］。而温室大棚由于需要提供各种供暖和保温措施，加之种植面积较小等弊端，市场需求逐渐缩小［5］。日光温室、温室大棚外观见图1、2。二者的主要区别可从作用、性质两方面进行总结。日光温室是节能日光温室的简称，是一种不加温的温室，即使在寒冷的冬季，也仅依靠日照维持一定室内温度，以满足植物生长。日光温室在我国西北干燥地区较为常见，可利用日光温室淡化苦咸水。温室大棚指塑料大棚，自身保温性能很差，适合我国南方气候温暖、潮湿的地区。由于北方冬季天气寒冷，加温能耗高，因此不适宜作为北方越冬生产使用。温室大棚主要用于蔬菜、水果、养殖等产业。对于日光温室，在采光方面，太阳辐射既维持室内温度又保持热量平衡，也确保植物光合作用的进行。在保温方面，日光温室的保温由围护结构和保温材料两部分组成。日光温室的保温蓄热不仅是温室设计理论的研究重点，也是生产实践的重要保障［6］。对于温室大棚，敷设塑料薄膜后，室内外温度存在着明显的季节变化。新敷设的塑料薄膜透射率可达到90%，但在使用期内受粉尘污染、吸附水滴、老化等影响，透射率下降明显。由于塑料薄膜的气密性比较好，易受棚内土壤水分蒸发和作物蒸腾作用形成棚内高湿环境。3 日光温室的研究现状
许多学者建立了阿曼海水温室（SWGH）除湿装置的稳态数学模型，阿曼海水温室工艺流程见图3。经过滤的海水被输送至冷海水箱。冷海水进入冷凝器与饱和热空气4进行换热后温度升高，然后经一级蒸发器对室外高温干燥空气1进行加湿降温，然后进入热海水箱。经一级蒸发器加湿降温的室外高温干燥空气1变为低温湿空气2。在通风机作用下，低温湿空气2经过种植区，带走植物蒸腾作用产生的余热余湿，变为高温不饱和空气3。高温不饱和空气3经过二级蒸发器被热海水（经日光温室屋顶加热管，由太阳辐射加热）继续加湿，使进入冷凝器的空气处于饱和状态。二级蒸发器出口的饱和热空气4经过冷凝器，受冷海水冷却作用产生的凝结水被收集到淡水箱中用于灌溉作物。经冷凝器减湿减温后的空气5经通风机排至日光温室外。Douani等人［7］对阿曼海水温室的冷凝器进一步模拟，并对模型进行了修正，使淡水凝结速率与实际更加接近。Suwailam等人［8］设计了一种填料式直接接触式冷凝器，实验得出，与阿曼海水温室中传统冷凝器（换热管由很多PVC管组成）相比，填料式直接接触式冷凝器淡水产量是传统冷凝器淡水产量的75.9倍。填料式直接接触式冷凝器具有体积小、易维护、成本低、换热阻力小等优点，用于苦咸水淡化，换热效率高，产水量多。当日光温室作为植物大棚使用时，影响作物生长的环境因素有很多，如温度场、气流模式等。Li等人［9］采用计算流体力学联合进化算法（CFD-EA），建立了日光温室气候模型，并对作物生长环境参数进行了优化。目前，对日光温室内环境影响的研究大多集中在通风设计与外屋面喷淋对日光温室内空气温度、空气相对湿度的影响。对于全封闭状态的日光温室，通风设计对自然通风效果起着至关重要作用。Rasheed等人［10］采用k-ε湍流模型和离散源辐射模型，结合太阳辐射的影响，对7种不同屋顶出风口（进风口位于日光温室两侧外立面）的日光温室内空气温度和通风量进行了比较，结果表明，不同屋顶出风口的日光温室内外空气温差为3.2~9.6 ℃，换气次数变化范围为0.33~0.49 min-1。Ghani等人［11］利用计算流体力学（CFD）方法对日光温室小气候进行了模拟，研究结果表明，增加换气次数可以降低高入射太阳辐射引起的温升。田宇［12］基于日光温室的结构特点，分析了多种因素对太阳能烟囱强化通风效果的影响，当烟囱高度1.5 m，通道宽度0.5 m，北墙通风口高度间隔1.0 m时的间隔式太阳能烟囱的通风效果最优。夏季降低日光温室内温度对作物的生长起着至关重要的作用，日光温室内空气温度超过40 ℃不仅影响植物的生长，而且消耗植物自身储存的能量。日光温室外屋面喷淋可以有效降低日光温室内空气温度、控制室内空气相对湿度。Guo等人［13］针对夏季日光温室温度分布不均的情况，采用数值模拟方法，利用多孔介质模型，得出外屋面喷淋可以有效降低日光温室内空气温度1~2 ℃，对于屋顶的冷却效果更加显著，温度降幅在10~12 ℃。于海利等人［14］在日光温室外屋面加装喷淋装置，测量了日光温室内空气温度、空气相对湿度、室内光照强度的变化情况。结果显示，室外空气温度为31.6 ℃时，采用外屋面加装喷淋装置的日光温室内空气温度维持在25~28 ℃，而采用遮阳网的日光温室内空气温度在26~30 ℃。在日光温室内空气相对湿度与室内光照强度方面，采用遮阳网同样不如采用外屋面喷淋装置的效果良好。日光温室作为设施农业的主要组成部分，对于反季蔬果的供应、苦咸水淡化利用、增加农民收入等起着至关重要的作用。目前，日光温室的主体支撑骨架基本出自标准化生产，从加工、运输到安装，不仅成本低，而且便捷、易操作［15］。智能农业温室的发展越来越受到关注。曾学等人［16］针对内蒙古当地气候以及对节地型日光温室的设计需求，提出基于物联网技术的日光温室控制系统设计方案。通过在土壤和生长环境中安装传感器以及控制终端等装置，对日光温室内空气温度、空气相对湿度等进行监测，实现灌溉、喷淋、打药自动化。20世纪90年代以后，中国的温室农业由单纯追求数量、单产量，向高质量、高效益转变，更加注重市场需求和科技创新。面对21世纪的挑战，设施农业应从生物学、环境、工程方面实现一体化、标准化和系统化。环境控制应向自动化、智能化、网络化发展，提高劳动生产率。目前，节能型日光温室在中国北方发展迅速，已成为冬春生产温热带果蔬的重要设施。日光温室提高了农业资源的利用率，提高了农产品的产量和质量，是保证蔬菜、水果产量大幅增长的方法，是解决现代农业发展、资源、环境问题的重要途径。［ 1 ］曾平阳. 滴灌技术在日光温室中的应用［J］. 农家参谋，2021（13）：29-30.［ 2 ］张景臣，姜雨，王海丰. 温室在设施农业中的应用［J］. 黑龙江水利科技，2009（2）：194-195.［ 3 ］DAVIES P A，PATON C. The Seawater Greenhouse：Background，Theory and Current Status［J］. International Journal of Low-Carbon Technologies，2006（2）：183-190.［ 4 ］冯毅松，杨建伟. 日光棚成了农民的“生金棚”［N］. 山西经济日报，2022-06-27（2）.［ 5 ］陆琳. 云南省温室大棚生产发展现状与建议［J］. 农业工程技术，2016（1）：40-43.［ 6 ］孙潜. 内保温日光温室温光性能的研究（博士学位论文）［D］. 呼和浩特：内蒙古农业大学，2021：115-116.［ 7 ］DOUANI M，TAHRI T，ABDUL W S A，et al. Modeling Heat Exchange in the Condenser of a Seawater Greenhouse in Oman［J］. Chemical Engineering Communications，2011（12）：1579-1593.［ 8 ］SUWAILAM T K B，Al-ISMAILI A M，AL-AZRI N A，et al. Enhancement of Freshwater Production of the Seawater Greenhouse Condenser［J］. Journal of Arid Land，2021（4）：397-412.［ 9 ］LI K，XUE W，MAO H，et al. Optimizing the 3D Distributed Climate Inside Greenhouses Using Multi-Objective Optimization Algorithms and Computer Fluid Dynamics［J］. Energies，2019（15）：1-19.［10］RASHEED A，LEE J W，KIM H T，et al. Efficiency of Different Roof Vent Designs on Natural Ventilation of Single-Span Plastic Greenhouse［J］. Journal of Bio-Environment Control，2019（3）：225-233.［11］GHANI S，EL-BIALY E M A A，BAKOCHRISTOU F，et al. Experimental and Numerical Investigation of the Thermal Performance of Evaporative Cooled Greenhouses in Hot and Arid Climates［J］. Science and Technology for the Built Environment，2020（2）：141-160.［12］田宇. 单坡面日光温室的自然通风及强化研究（硕士学位论文）［D］. 西安：西安建筑科技大学，2021：53-64.［13］GUO J，LIU Y，LV E. Numerical Simulation of Temperature Decrease in Greenhouses with Summer Water-Sprinkling Roof［J］. Energies，2019（12）：1-15.［14］于海利，苏俊平，张仲保，等. 日光温室外屋面喷淋系统降温效果探究［J］. 农业工程技术，2020（7）：52-54.［15］王娟. 论日光温室技术要点［J］. 农业技术与装备，2021（6）：91-92.［16］曾学，贺成柱. 基于物联网的温室大棚控制系统设计［J］. 机械研究与应用，2021（6）：83-86.维普免费下载《煤气与热力》论文（现刊和过刊均可）
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