智慧农业 | 温室环境控制（保温与加热）

在寒冷天气下，通常需要补充热量来维持温室内的最佳温度范围。温室加热的主要目的在于补充因热传导、对流和辐射而损失的热量。了解温室如何散失热量是提高保温效果以及选择正确加热设备的关键。

计算温室热量损失量的因素有很多，但实际上，热传导损失、空气渗透损失和周边热损失是主要因素。热量损失通常以英国热量单位（BTU）来表示。温室结构自然会产生温度梯度，即温室内部的温暖空气温度高于外部。在达到平衡之前，能量总是从温度高的区域（室内）流向温度低的区域（室外）。温度梯度越大，能量流动越快。换句话说，室外温度越低，温室散热越快。室内（TI）和室外（TO）温度之间的差异通常用“∆T”表示。在设计室外温度承载量时，要考虑极端天气事件。一个经验法则是，取温室所在地区一个月内的平均每日最低温度，再减去额外的8摄氏度。

温室的大部分热量损失发生在结构表面积（即墙面和棚顶）上。热量损失速率在很大程度上受温室覆盖材料的隔热性能影响。覆盖温室的材料被称为“透光材料”，可以是玻璃、玻璃纤维、聚碳酸酯或聚乙烯塑料薄膜。选择透光材料时，也需要考虑光线渗透、隔热性能、成本和耐用性等因素。大多数种植者更喜欢聚乙烯薄膜而不是硬质材料，主要是因为它成本更低且更容易更换。使用聚乙烯的种植者可能会在温室上覆盖两层塑料薄膜，并在两层之间充气以提高隔热性能。与单层薄膜温室相比，双层聚乙烯温室可以提高30%以上的保温性能。透光材料保温能力以U值表示，U值越低，材料的保温性能越好。

下表列出了常见的温室透光材料及其对应的U值。

与透光材料接触的结构建造材料也会导致热量损失。尽管这种热量损失的总效应很小，但仍然是一个需要考虑的重要因素。这个因素通常被称为“结构因素”。

要计算因温差造成的热量损失，必须知道U值、结构因素和表面积。风也会影响热传导损失，当风速超过6m/s或您所在地区经常遇到大风，则必须考虑这一因素。

温室在设计上各不相同，形状和尺寸也多种多样。计算表面积时会用到基础几何学知识，即二维物体两个维度（长度×宽度 或 高度×长度）的乘积。总表面积等于两堵端墙、两堵侧墙、两个屋顶端墙以及屋顶表面积的总和。使用以下计算方法来确定温室结构的总表面积：

总表面积=端墙×2+侧墙×2+屋顶端墙×2+屋顶

一旦计算出表面积，就可以使用以下公式来确定结构从热传导中损失的大部分热量：

QT= UA(∆T)C

式中：

QT=传输热损失

U=传热系数

A=温室表面积

∆T=室内外温度差

C=结构热损失系数

热量损失的第二大来源是空气渗漏，这在老旧建筑中可能占到总热量损失的20%之多。温室制造商将房屋的空气渗透性称为“气密性”。新建建筑往往气密性很好，空气渗透程度很低。老旧木材产生的缝隙、磨损的百叶窗以及塑料撕裂等都是老旧建筑更容易发生空气渗透的例子。温室滴灌线造成的侵蚀会导致温室框架与地面之间形成缝隙。定期对百叶窗进行维护、在门上加装密封条、填补木材间的缝隙可以显著降低供暖需求。计算因空气渗透而损失的热量时，需要包括每分钟空气交换次数这一参数。表4列出了一些不同温室条件下每分钟空气交换次数的估算值。可以使用以下公式来计算因渗透而损失的热量：

Q = 0.018NV(∆T)

式中：

Q=空气渗漏损失的热量

N=渗透速率

V=温室总体积

∆T=室内外温度差

0.018=海平面空气的热容量

燃气加热装置是商业生产中最常用的温室加热器。燃气加热装置可以使用天然气（NG）或液化石油气（LP）作为燃料。商业种植者使用带排风口的加热器，将废气排到温室外部，以防止有害气体积聚。过热废气在排出前会通过热交换器。为了散发热交换器中的热量，高速风扇会强制空气通过热交换器，吸收热量并将其传递到温室内的空气中。由于需要将热量从废气转移到热交换器，因此会损失一部分效率；然而，从长远来看，无排风口的加热器效率更低。无排风口的加热器需要更多的通风来降低湿度和有害气体浓度，从而降低整个系统的效率。带排风口的加热器对员工和作物更安全，因此在可能的情况下应优先使用，而非无排风口的加热装置。

大多数种植者选择使用燃气加热器，但总是在寻找更经济的温室加热方式。在太阳能、地热能和生物质燃料方面已经取得了巨大进展。这些燃料的每百万英热单位（BTU）成本远低于液化石油气（LP）或天然气（NG）；然而，设备费用是阻碍其使用的最大障碍。在投资替代能源之前，请考虑以下问题：

• 可靠性。在关键时刻，我可以信赖这台设备吗？

• 维护和劳动力。它的成本是多少，重新装载加热器需要多少时间？这台设备需要多久维护一次？如果设备有问题，谁能修理？

• 燃料运输成本。将燃料运送到我的位置需要多少费用？

• 设备成本。与替代能源相关的长期节约是否会超过设备的初始投资？

如果使用替代热源，请确保备有燃气加热器作为备用，以降低系统故障带来的风险。在某些地区，大多数加热时间仅需要特定温室总设计BTU负荷的一小部分。采用综合方法可能会允许使用较小的替代加热器，同时配备燃气加热器作为备用。替代加热设备无需满足全部所需负荷容量。在使用替代热源时，需要更多的研究来探索一种系统方法，以更好地实现温室加热。

现代高科技温室可能会使用辐射管道系统，该系统同时作为温室通道上的轨道。这些“轨道”用于在作物之间的行间滚动小车和其他设备。辐射加热系统利用水将热量从锅炉系统传递到辐射管道。这些系统比强制空气系统更节能。此外，辐射系统能够在温室内和作物下方均匀分布热量，使热空气通过植物冠层向上流动。

控制温室内的湿度始终是一项挑战。植物蒸腾作用会向空气中释放水蒸气。相对湿度较高会增加病害压力，尤其是当水滴开始在叶片上积聚时。可以通过通风和排出潮湿空气来降低湿度。可以使用喷射风扇将干燥凉爽的空气通过打孔聚乙烯管抽入，并均匀分布在温室顶部。将凉爽的空气输送到比作物冠层更高的位置，使下降的凉爽空气与作物冠层附近的温暖空气混合。许多种植者在排气风扇关闭时使用位于作物冠层上方的水平气流（HAF）来循环空气。

空气在叶片表面的流动减少了叶片上水分的积聚，从而降低了病害压力。HAF风扇还通过混合天花板附近的温暖空气和植物冠层附近的凉爽空气，防止温室内的空气分层。HAF风扇的放置位置取决于温室的大小。计算所需总气流量的一个经验法则是，温室地面每平方米需要0.566立方米/分钟（cfm）的气流量。

控制温室环境设备可以极大地影响能源和劳动效率。频繁手动开关通风口并不经济高效。自动化可以显著降低劳动力成本并减轻管理温室的压力。设备应合理分阶段使用，以实现最高效的能源利用，同时保持恒定的室内温度。有多种设备可用于控制环境，从简单的开关到高科技计算机系统不等。小型种植者通常仅根据价格选择环境控制系统。最常用且最廉价的设备是普通恒温器。

恒温器可能不够精确或稳定，因为并排安装的恒温器之间可能存在差异。湿度和热量会随着时间的推移进一步降低恒温器的准确性。应将恒温器放置在远离直射阳光或强气流的位置，以反映作物所处的温度。可以使用吸气箱保护恒温器免受错误读数的影响。吸气箱内置小风扇，可将空气吸入箱内并吹过恒温器。对于必须分阶段运行的温室设备，效率和准确性至关重要。应特别注意正确校准每个恒温器，以确保多个环境控制设备不会不必要地同时运行。例如，风扇和加热器不应同时运行。智能或计算机控制器具有很高的灵活性，并且可以迅速调整。有时还可以通过手机监控和调整这些控制器。考虑到智能控制器的易用性和灵活性，其额外的费用可能是值得的。

考虑投资一套能够监测停电和室内温度变化的紧急呼叫系统是一个不错的想法。对于传统温室种植者来说，报警器和备用发电机必不可少，而对于水培种植者来说更是不可或缺。为了减少设备故障带来的风险，一些种植者会购买额外的耗材，如风扇皮带、电机，甚至额外的加热器。

种植者可以选择将总需求负荷（加热或通风）分散到几台较小的设备上，而不是集中在几台大型设备上。这样，如果其中一台设备出现故障，其他设备可以防止作物全部受损。这种方法适用于风扇或加热器。使用较大的电机和加热器更加节能，因此必须仔细考虑，以确定使用较小设备带来的风险降低与长期能源使用之间的平衡。