智慧农业 | 温室环境控制（通风与降温）

控制温室环境可能具有挑战性，因为温室在白天获得热量的能力很强，而由于夜间温度低，热量会迅速散失。无论出于何种目的，管理温室环境背后的基本原则都可以广泛应用。

温室种植时需要经常通风，防止极端高温所需的通风可能会导致产量损失或作物歉收。降低温室温度包括自然或机械通风、蒸发冷却和遮阳。了解温室是如何冷却的，以及不同冷却方法的局限性，对温室管理者至关重要。

温室中的热量增加是通过捕获太阳辐射来实现的。短波长的光通过透明玻璃（覆盖物）进入温室，并被吸收和再辐射为长波长。较长的波长无法像较短的波长那样快速穿过玻璃（覆盖物），这导致温室温度随着空气量的持续获得热能而升高。过去，低矮的温室被用来在作物冠层附近保持温暖的空气。目前温室设计的趋势是提高棚顶高度以增加温室空气量。通过增加空气量，温室结构可以更好地缓冲温度变化。

体积越大，空气缓冲温度变化的能力越强。随着温室高度的增加，暴露在太阳辐射下的表面积不会与温室体积成比例增加。下图显示了两个占地面积为10m * 30m的独立温室。温室A的侧壁高4.5m，温室B的侧壁高1.5m。温室A的总空气量为1700m³而温室B的总空气量则为1050m³与温室B相比，温室A每平方米建筑面积的空气量增加了近60%。然而，与温室A相比，温室B每立方米空气暴露于太阳辐射的表面积增加了约25%。这导致高度较低的温室B的热量增加更快。

现代温室使用较高的棚顶来帮助缓冲温度变化，从而增加体积与占地面积的比例。目前的行业心态是越高越好；然而，更高的温室每平方米的造价可能更高。

自然通风利用室外空气流动，通过墙体或屋顶的通风区域将温室内的热空气排出。风是大多数自然通风的驱动力。即使微风也能有效地将空气吹过温室，只要风速达到每小时4.5公里，就可以成功地为大多数设计合理的结构进行通风。为了防止热量增加，必须通过通风设施，每分钟更换一次温室内的空气量——通风面积越大，空气交换的机会就越多。美国农业和生物工程师协会建议通风面积应当处于温室占地面积的15%到25%之间，在夏季极端的高温地区，可能需要更大的通风面积。

增加温室每平方米的通风面积占比，主要通过增加温室侧墙的高度，并利用增加的表面积来设置通风口来实现。在温室设计的初期阶段就应考虑这一概念。在较冷的月份，由于室外气温大幅降低，通风程度的变化会更加明显。根据室外温度升降卷帘机可以减少室内温度突然下降。手动控制温度可能比较困难，因为需要不断检查室内温度。机械化卷帘系统可以与计算机化的环境控制系统相结合，从而在一年中较冷的时段实现通风系统的自动化。

一致性和均匀性是整个温室中风力驱动通风系统的常见问题。温室面积越大，就越有可能出现停滞的气穴。在某些情况下，循环风扇用于帮助防止这种情况产生。

大面积且相互连接的温室可以降低单位面积的结构成本；然而，随着结构占地面积的增加，每平方米通风面积的比例会下降，因此小面积温室在通风方面可能更有效。

上升气流也可以成为通风的有效手段，因为温暖潮湿的空气会上升。如果屋顶有通风设施，当热空气从屋顶排出时，会产生真空效应，从侧面的通风口吸入新鲜凉爽的空气。热带地区的温室经常使用屋顶通风设施。

如前所述，温室能够捕获并保留大量的热能。温室排风扇能够排出热空气，同时确保整个温室内的空气均匀分布。在设计机械通风系统时，需要考虑很多因素。为防止出现空气滞留区域，风扇之间的间距不应超过7.5m。为优化风扇性能，温室长度应限制在45m以内。风扇的排气方向还应与盛行风向一致。如果无法实现这一点，制造商或工程师可能会建议增加通风能力。温室进风口或出风口处的任何限制都可能降低风扇效率。负责引入新鲜空气的风口面积应约为所有排风扇总面积的1.25至1.5倍。

设计风扇尺寸的一般原则是，其容量应能够在每分钟内更换温室1.0至1.5倍的空气体积。实现有效冷却所需的体积交换率取决于所在地区，温室制造商可能会根据建筑的位置和设计使用更高的交换率。在设计通风系统时，温室体积计算中的高度通常限制在2.5m至3m。这一高度以上的空气被认为是滞留的，并不总是纳入计算范围。

每分钟换气量=建筑面积（平方米）×（2.5米~3米）×比率（1或1.5）

一旦确定了每分钟立方米的总风量，就可以选择风扇了。大多数风扇制造商都会为每个风扇型号提供性能图表。这些图表会列出基于风扇叶片尺寸、电机马力和静压的换气值。所需的总换气量可以设计多个风扇实现，以便空气在温室内均匀分布，并在一个单元发生故障时有备用设备。例如，如果总风量为4000立方米每分钟，通常会选择两个容量为2000立方米每分钟的风扇，或者也可以选择三到四个风扇。不过，只要达到总输出要求就足够了。

蒸发冷却一直是温室降温的主要手段。水蒸发时，将需要从空气中吸收将其从液态转变为气态所需的能量，从而产生冷却效果。然而，水的蒸发潜力在很大程度上取决于相对湿度。空气所能容纳的水蒸气量是有限的，湿度越高，蒸发的潜力就越低。因此，蒸发冷却在干旱地区的效率要高得多。尽管东南地区的大部分地区湿度较高，但温室经营者仍然依赖蒸发冷却。

蒸发冷却可以通过湿帘、高压雾化系统或两者的结合来实现。蒸发冷却湿帘系统通过一块具有高表面积的饱和材料垫吸入空气。垫的材料可能是由成毡的杨木纤维或波纹状纤维素板制成，后者更为常见。波纹状纤维素垫可能有10~15厘米厚的尺寸。为了保持垫上持续的湿润，水被泵送到垫上，并在垫上形成一层薄水膜滴落。温室另一侧的排气风扇将外部空气吸入，使其穿过垫的表面。空气流动与高表面积相结合，促进了快速蒸发。即使安装了蒸发冷却系统，当空气从湿帘流向排气风扇时，其温度仍可能上升超过5摄氏度。然而，与使用冷却垫前的温度相比，初始温度可以大大降低。这种系统通常被称为“风机与冷却垫系统”。未因蒸发而损失的水滴入集水池中，然后通过一个小型水泵重新循环回冷却垫系统。相比之下，因蒸发而损失的水在集水池中不断由新的水补充，并由来自清洁水源的简单浮阀控制。

机械通风系统的一个优点是其能够确保温室内的气流均匀。为确保空气均匀分布，应在温室进气侧的全跨度安装冷却垫。风扇与冷却垫系统的尺寸必须适当，以确保其运行正常，并确保通过风扇的空气速度达到最佳。美国国家温室制造商协会建议，当空气通过10厘米厚的纤维素垫时，空气流速应为1.27米每秒；当通过15厘米厚的垫时，空气流速应为每分钟2.03米每秒。通常，高湿度地区的温室所配备的冷却垫要比中湿度与低湿度地区的温室大得多。

为确保最佳效率，应定期对冷却垫进行维护。由于大多数水源中都含有矿物质，且蒸发程度较高，这些矿物质会在冷却垫上形成沉积物。必须定期处理和清洁冷却垫，以去除藻类和矿物质沉积物。脏污的冷却垫会大大降低进入温室的空气流动效率。

雾化和喷雾系统虽然不太常见，但单独使用或与风扇和冷却垫系统结合使用时，可以提供更强的冷却效果。喷雾系统的原理是在整个温室内均匀喷洒细微的水雾。这是通过高压水和沿温室长度分布的细微水雾喷嘴来实现的。由于水滴极小，大部分水几乎会立即蒸发，有助于缓解空气在温室内流动时温度的升高。

遮阳与通风相结合，可以降低空气温度或光照强度。遮阳可以减少进入温室的辐射量。遮阳可以通过在温室覆盖物上喷涂遮阳化合物（如白漆）或使用布料覆盖温室来实现。在美国东南部，使用遮阳布很常见，因为它在应用和移除方面比遮阳化合物更具灵活性。遮阳布按百分比（30%、50%或60%）分为不同的等级。尽管遮阳百分比与光线扩散量相关，但它并不一定代表减少的热量能量。例如，30%的遮阳布可能并不会提供30%的温度降低。

遮阳布可以安装在温室内部或外部。内部遮阳通常设计为可伸缩式。内部遮阳幕有时也可以作为“保温毯”，在寒冷天气下夜间保留热量。内部遮阳幕可以提供一定的冷却效果，但热量仍然会进入温室。在大多数情况下，外部安装的遮阳布在降低温度方面会比内部安装的遮阳布效果更好。也有可伸缩的外部遮阳幕可供选择，可在季节转换时提供更大的灵活性。

遮阳布有多种颜色可供选择，但最常见的是黑色，因为它最便宜且最耐用。遮阳布的颜色对降低温度有很大影响。黑色遮阳布在阳光下会变得非常热，因为它会吸收热量。被布料吸收的热量会辐射到温室内。白色和反光遮阳布越来越常见，因为它们可能在降低温度方面更有效。