溫室溫度控制系統及控制方法的研究

何禹　李敏　李建軍　李延國　黃雷　劉柱

摘 要：溫室環境控制系統由空氣循環系統、熱交換系統和自動控制系統組成。分為2個階段：定期把溫室內的空氣排出溫室外面；將溫室外面空氣吸入溫室內，交替置換通過加熱處理的室外冷空氣。另外，第一階段的空氣相對濕度要大于預定的相對濕度，以控制溫室內部的溫度和相對濕度的相對穩定。

關鍵詞：環境控制；加熱；溫度；相對濕度

中圖分類號：S625.51 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20161131021

引言

溫室內植物在生長過程中經過光合作用和蒸騰，溫度和相對濕度會發生變化，影響植物健康生長。光合作用是植物將二氧化碳和水轉換為有機物，并釋放出氧氣的生化過程。蒸騰作用是指土壤中的水分經由植物表面，以水蒸氣狀態散失到大氣中的過程，植物通過根系吸水、體內輸水和葉面氣孔開放等過程，從土壤中代謝所需的營養和水分，來營養它們的葉子和其它器官。相對濕度，是指空氣中的水分在凝結成液態之前，每單位體積最大含水量與同溫度下飽和空氣中所含水蒸氣的質量之比。

植物只能在一定的溫度和相對濕度范圍內才能夠茁壯成長，否則不能就健康生長，甚至出現病態。植物對溫度和相對濕度的變化非常敏感，必須提供人工監測，在大多數溫室內種植多葉植物和蔬菜，溫度需要保持在18～22℃之間，相對濕度保持在75%～82%之間，才能保證植物健康生長。

在封閉的溫室環境中，相對濕度增加，導致水份從土壤里的蒸騰變得很難控制。通常采用控制溫室內的相對濕度的措施，把溫室中潮濕的熱空氣定期釋放出去，替換吸入溫室外冷空氣。此過程空氣溫度和相對濕度都會產生較大波動，所以溫室的管控需要消耗很多的能量，費用支出也是比較昂貴的。

1 自動控制系統的組成

溫室溫濕度控制系統由空氣循環系統、熱交換系統和自動控制系統組成。技術關鍵就是控制溫室溫度和相對濕度，通過定期將溫濕的空氣排放到溫室外面，并置換通過加熱處理的室外冷空氣，當溫濕的空氣排出時，溫室溫濕度控制系統引進適度加熱的室外空氣。該方法，對控制溫室內溫度和相對濕度的波動具有顯著功效。

熱交換系統通過選擇“通風”模式或“維護”模式進行操作?？諝庋h系統和熱量交換系統包括2個階段，第一階段熱空氣流出時使用制冷劑，制冷系統產生的熱量通過熱交換機用于第二階段加熱溫室外面進入溫室的冷空氣。通過大功率的散熱器和排氣風機系統中相對較長的空氣管道，排氣熱交換器選擇性地驅動溫暖潮濕的空氣從溫室內排出溫室外，或把外面的空氣引入溫室中。換熱器包括可控制溫室外面冷空氣通過高效的散熱器入口和較長的空氣管道進入熱換熱系統，自動控制系統控制整個系統的正常工作。

在通風操作模式下，溫室溫濕度控制系統控制驅動溫室內濕熱空氣通過排氣散熱器排到溫室外面，并驅動進氣風扇系統將溫室外面空氣吸入溫室，通過散熱器交替排放溫室內氣體和吸入空氣。通風時，散熱器制冷液體吸收被排放的熱空氣熱量，通過通風散熱器到進氣散熱器，制冷系統傳輸這部分被提取的熱量并用于進氣散熱器循環加熱進氣風扇系統吸入溫室的冷空氣。也就是說，排氣熱交換器冷卻通風空氣溫度的幅度可等于外部空氣的溫度，進氣散熱器加熱空氣可達到溫室所需的溫度范圍。

在維護操作模式下，溫室溫濕度控制系統控制溫室運行在植物健康生長所需的范圍內。通過相對緩慢而穩定地將大量室外空氣加熱，加熱后的熱空氣進入溫室。溫室溫濕度控制系統控制進氣和排氣風扇系統來引入外部空氣進入溫室并加熱到所需的溫室溫度。外部空氣進入的速度決定了溫室內的氣壓，保證溫室內氣壓略大于大氣壓力。隨之而來的就是溫室內空氣泄漏，空氣泄漏的速度等于空氣流入溫室的速度。制冷系統產生的熱能同時被用于加熱流入的溫室外面空氣。

進入維護模式時，需要通過開關來控制通風的持續時間和頻率。溫室溫濕度控制系統控制溫室的溫度和相對濕度。

溫室溫濕度控制系統包括2組換熱器，每組換熱器包括散熱器和驅使空氣流動進行散熱的風扇系統；第一組換熱器為制冷劑循環系統，制冷劑在2組換熱器之間循環流動；加熱器可加熱制冷劑；控制器在通風模式下，加熱器加熱制冷劑，第一和第二風扇系統驅動從外面流入的空氣，通過散熱器獲得制冷劑的熱量。維護模式使用第一風扇系統，空氣從內部流向溫室外面，通過散熱器時，制冷系統儲存了散出的熱量；通風系統使用第二個風扇系統，驅動溫室外面的空氣流入溫室，并在通過進氣散熱器，獲取儲存在制冷系統中的熱量。當然也可以選擇第三換熱器控制溫室內的熱空氣，它包括散熱器，接收第二風扇系統通過加熱制冷劑得到的空氣，再通過散熱器加熱，然后流入溫室里面。該裝置的流量控制是可控制的?？蛇x則在通風模式下，控制器控制流體閥門，連接第一制冷系統和第二制冷系統。

在維護模式下，控制器控制第三熱交換器，極大地避免吸收溫室內的熱量?？刂破髂軌蚩刂茰厥覂鹊臒峥諝?，當內部空氣溫度下降到低于預定的最低溫度時，第三熱交換器可加熱溫室內空氣?？刂破鬟€可控制風扇系統，第一換熱器和第二換熱器將大量的成正比的空氣按照平均流量吸入溫室內?？蛇x流量在2500m3/h至3000m3/h?；?000m3/h 至3500m3/h，或等于約3000 m3/h。

在溫室中如果相對濕度大于預定的最低相對濕度，那么控制器將控制設備運行在通風模式下?？刂破骺梢园垂潭〞r間切換通風模式和維護模式的間隔。在通風操作模式下，重復頻率可為1Hz/h。也可以使用控制器來操作，控制2種模式的開始和結束時間。

2 控制系統工作原理

如圖1所示，為溫室的溫濕度控制系統，操作該系統以保持溫室內的溫度和相對濕度，工作原理如圖所示。

圖中：1.常規溫室；2.窗戶；3.排氣風扇；4.左山墻；5.右山墻；6.溫室溫濕度控制系統；7.溫度監測傳感器；8、相對濕度監測傳感器；9.溫濕度控制器；10.內部換熱器；11.制冷劑加熱器；12.散熱器；13.進口管道；14.出口管道；15.散熱器風機；16.分流通風管；17.通風管；18.空氣流出通風管箭頭；19.圖圖2運行程序圖；20.模塊；21.模塊；22.判斷模塊；23.模塊；24.模塊；25.判斷模塊；26.模塊；27.模塊；28.判斷模塊；29.溫室相對濕度變化曲線；30.溫室溫度變化曲線；31.溫室內空氣的相對濕度函數曲線；32.溫室內空氣的溫度函數曲線；33.溫室外空氣的相對濕度的函數曲線；34.溫室外空氣的溫度的函數曲線。

如上圖，將圖1和圖2進行對比。針對傳統的常規溫室溫濕度控制系統的組件和操作進行描述和詳細說明。圖3和圖4針對傳統的溫濕度控制系統，圖1所示為溫室環境中的相對濕度和空氣溫度。

圖1所示，排氣風扇3安裝在溫室內相對的左山墻4和右山墻5上。溫室1包括常規溫室溫濕度控制系統6，控制溫室的溫度和相對濕度。溫室溫濕度控制系統6包括內部換熱器10，用于把溫室內空氣加熱到所需的溫度；然后通過溫室1內空氣通風管16輸送到溫室內不同的區域；還有溫室內溫度監測傳感器7和溫室內相對濕度監測傳感器8，分別用于溫室內加熱的空氣的溫度監測和相對濕度監測；控制器9，控制這套溫濕度控制系統，包括窗戶2和排氣風扇3及溫室內溫度監測傳感器7和溫室內相對濕度監測傳感器8。

內部熱交換器10，包括散熱器12和制冷回流系統。制冷回流系統又包括制冷劑加熱器11，用于加熱制冷劑；還有制冷劑泵使制冷劑進出散熱器12。制冷回流系統通過進口和出口管道13和14，分別連接到散熱器12。內部換熱器10通過兩個散熱器風機15，可驅動空氣通過散熱器11。制冷劑流經散熱器11后，空氣被加熱到所需的溫度。被加熱的制冷劑通過進口管道13進入散熱器12，溫室內的熱空氣通過散熱器風機15，熱量被儲存，用于加熱被冷卻的制冷劑，然后通過散熱器12和出口管道14回到制冷回流系統，然后再次回流進制冷劑加熱器11，再次被制冷劑加熱器11加熱。在圖1中所示，制冷劑加熱器11位于溫室1中接近內部換熱器10。但在實際應用中，制冷劑加熱器11一般設在溫室1外，并且遠離溫室。制冷劑加熱器11也可以設在溫室1內的。

通過散熱器12加熱的空氣被吹出內部換熱器10，再通過兩側的通風管17，可選則地進入與之相連的分流通風管16。分流通風管16通常由塑料薄膜或紡織物制成，可擴大熱交換器產出的熱空氣的流量。分流的通風管16上有一些洞，可以便于熱空氣的流出，及時與溫室空氣混合，盡快達到溫室所需的空氣溫度和相對濕度?？諝饬鞒鐾L管箭頭18表示空氣流出通風管的狀態。在圖1中熱空氣流出內部換熱器10，直接流入通風管16。

溫室溫濕度控制系統6中的溫濕度控制器9，可選擇定期替換從外面流入的空氣并加熱，以控制溫室中的溫度和相對濕度。按照常規的方法，圖2所示的控制系統運行流程圖，控制系統流程19用于指工藝流程圖和它所代表的組件。

參看溫濕度控制系統6，在流程圖19中，當有足夠的陽光照射溫室，溫室的空氣溫度高于所需值時，程序即進入數據流圖19中所示的模塊20。溫濕度控制器9關閉內部換熱器10，溫濕度控制系統6不再給溫室1中的空氣加熱。

在模塊21，溫濕度控制器9根據需要獲取從溫度監測傳感器7獲得的溫室1的空氣溫度測量值“T”。再由判斷模塊22的控制器確定是否測得的溫度“T”小于預定的最低氣溫。最低氣溫取決于溫室中的植物類型，許多植物在最低氣溫等于20℃時，最適宜生長。如果判斷模塊22的溫濕度控制器3確定“T”小于最低氣溫，一般這種情況可能發生在黃昏，溫濕度控制器進入模塊23，并打開溫室1中的內部換熱器10，加熱空氣，使溫度高于最低氣溫。內部換熱器通常通過散熱器12（圖1），打開散熱器風機15和啟動制冷劑回流系統。此后，溫濕度控制器7可選則進入模塊24。

如果判斷模塊22檢測到溫度小于最低氣溫，即按照前面流程操作。但假設溫濕度控制器9檢測到溫度大于或等于最低氣溫，溫濕度控制器即跳過模塊23，進入模塊24。

進入模塊24，不論溫濕度控制器9是否跳過了模塊23，控溫濕度制器都會從相對濕度監測傳感器8和判斷模塊25中獲取溫室1中空氣的相對濕度值，溫濕度控制器會比較相對濕度值和溫室所需最大相對濕度值的限度值。在判斷模塊25，溫濕度控制器可選則按照選擇預先設定的時間間隔確認溫室相對濕度。檢測相對濕度值可來源于模塊24采集的數據。經過這段時間，加熱從外面流入的空氣，如果大于最大相對濕度值，就需要進入26模塊通風置換空氣。但如果判斷模塊25檢測到相對濕度值小于最大相對濕度值，溫濕度控制器9即會選擇跳過模塊26，并進入到模塊27。

模塊27的控制器獲取溫度測量值，判斷模塊28確定溫度是否小于預定的最低氣溫。如果溫度大于預定的最低氣溫，溫濕度控制器返回到模塊20，并關閉內部換熱器10。另一方面，溫濕度控制器9還會返回到模塊24，獲得最新測量到的相對濕度值，以確定新的相對濕度值是否大于最大相對濕度值。如果在判斷模塊25的溫濕度控制器9，確定相對濕度值大于最大相對濕度值，為了阻止溫室內的空氣過于潮濕，溫濕度控制器9即會啟動模塊26，給溫室1換氣，以降低溫室內的濕度。要完成更換，溫濕度控制器9通過打開窗戶2，并控制排氣風扇3從溫室1里面排出空氣，從外面打開的窗口2可通過通風直接置換空氣。

模塊27的溫濕度控制器9獲取溫度測量值，如果溫度大于預定的最低氣溫，控制器返回到模塊20，并關閉內部換熱器10。經確認阻止判斷模塊28，如果溫度小于預定的最低氣溫，內部控制器9回到23模塊繼續加熱空氣。一般來講從外面吸入溫室1的空氣相對比較寒冷，通常會大大低于最低氣溫。如果立即用外界空氣替換溫室內的空氣，溫室里的空氣溫度會低于最低氣溫。一段空氣置換之后，判斷模塊28的內部控制器9一般多次返回到模塊24，循環于模塊24和判斷模塊28塊之間，加熱溫室20的空氣，直至判斷模塊28檢測到溫室內的空氣溫度大于所需的最低溫度。

圖3和圖4中曲線29和30分別表示溫室1內部和外部的空氣相對濕度和溫度。溫室溫濕度控制系統6的操作參照運行程序19。在曲線29和30中，溫室內空氣的相對濕度函數曲線31和溫室內空氣的溫度函數曲線32用粗實線表示兩天內溫室內空氣的相對濕度和溫度的函數曲線。圖表的橫坐標以小時為單位，顯示時間。點溫室外空氣的相對濕度的函數曲線33和溫室1外部空氣的溫度的函數曲線34顯示在相同的兩天內溫室外空氣的相對濕度和溫度的函數，平均每晝夜循環熱交換器運作大約7h。

從圖中可以看到，在溫室1中，空氣相對濕度和溫度的周期性波動。重復將溫室內部潮濕的熱空氣置換濕度相對較低的室外空氣，即會有節奏地產生相對較大的振幅。溫度在14～21℃之間波動，幅度大約在7℃左右。相對濕度在75%～95%之間波動，幅度大約在20%左右。

3 系統特點

3.1 第1階段

定期把溫室內的空氣排向溫室外，第2階段，將溫室外面空氣吸入溫室內，這時需要加熱空氣。第1階段和第2階段之間，溫室外面的空氣進入到溫室內時需要對空氣進行加熱；另外，第1階段的相對濕度要大于預定的相對濕度。

3.2 第1階段和第2階段

按固定時間間隔進行切換。

3.3 第1階段結束時

及時啟動第2個階段，保證經過加熱的空氣足量進入溫室。

3.4 溫室溫濕度控制系統

第2個階段進入溫室的空氣，按進入空氣比例控制進入溫室平均流量的。

4 結論

4.1 該系統能夠通過溫室的管控將溫室內潮濕的熱空氣排出溫室外面

并交替置換通過加熱處理的室外冷空氣，消耗能量少，費用支出少。

4.2 該系統自動化程度高

能夠有效的控制溫室內的溫濕度，使植物生長處于最佳狀態，不需要人為去干涉就能滿足溫室生產需求，提高產量。

作者簡介：何禹（1970-），女，本科，長春市農業機械研究院，工程師。研究方向：設施農業機械領域科研、推廣工作。