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《南京农业大学》 2003年
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南方现代化温室小气候模拟及其能耗预测研究

汪小旵  
【摘要】: 设施农业,因具有技术和劳动力密集、高投入高产出的特点,对我国农村经济发展和农业国际竞争力中的提高的作用越来越突出。特别是我国南方地区,经济发达,地少人多,高科技现代温室生产的发展,不仅能增强我国农业的国际竞争实力,而且可以解决南方地区农民就业和增收问题。 本研究在进行有效试验观测的基础上,对我国南方现代化温室的不同气候条件下的小气候环境进行了模拟与分析研究,并对温室进行了能耗预测,为温室选型、温室设计、温室控制等提供了一定的理论依据。 本研究的主要内容包括: (1)温室小气候环境参数的测量。针对温室小气候的特点,选用合适的传感器及相关的数据采集系统对温室内的小气候环境进行了自动测量。 (2)研究了温室作物的蒸腾过程以及蒸腾对小气候的影响。 (3)建立了适合我国南方气候条件的现代化温室模拟模型。应用温室的传热传质机理,在前人研究的基础上对温室内部环境进行动态模拟,详细分析温室的覆盖层、室内空气层、作物层以及地表层的热量平衡,分析作物与室内空气、室内空气和室外大气间的质量平衡,提出温室质能平衡模式,建立温室气候的计算机动态模拟系统,并分析温室小气候模型中各参数对温室小气候形成的影响。通过对这些参数的考查,进一步了解温室小气候模型对外部条件、温室结构等的敏感程度。 (4)应用BP神经网络模型进一步分析梅雨季节温室小气候。充分利用神经网络的非线性特征以及处理多参数问题的优点,建立神经网络的模拟模型,分析神经网络结构中的权值和阈值,考察各相关因子的影响值,作为物理模型的有益补充。 (5)对温室运行的基础能耗进行预测分析。在充分分析温室内热量平衡的基础上,运用作物生长模型给出的作物生长的适宜条件,计算温室在冬季条件下的能量亏缺和夏季条件下的热量蓄积。 通过以上研究得出的主要结论如下: (1)在夏季和梅雨季节,温室内部温度的总体趋势和室外温度较为一致,而滞后于室外的太阳辐射。风速和室内温度呈负相关的变化趋势,较高的风速有利于降低温室内部的温度。 在冬季,室外太阳辐射强度、室外温度都较夏季要低,此时较高的室内温度在夜间主要受控于加热管的温度,加热设备提供的能量也是温室的主要能量来源, 在白天室内温度既受加热管温度影响,也受室外温度、室外太阳辐射的影响。一 天当中温度的变化仍然呈现白天高,夜间低的“差温”管理模式。 (2)从温室内各层面温度的模拟结果来看,夏季的模拟结果要高于梅雨季节 和冬季,但都具有较高的精度和较好的稳定性,能满足实际应用的需要。 (3)夏季室内相对湿度主要受室外相对湿度的影响,且随着室外温度的增 加而增加,同时室外风速与室内温度呈负相关。冬季室内相对湿度主要受作物蒸 腾速率的影响,且随着作物蒸腾速率的增加而增加,同时与室内加热管温度呈负 相关,即较高的加热管温度有利于提高温室内部的温度,从而造成温室内部湿度 的降低。梅雨季节室内相对湿度受室外相对湿度的影响最为强烈。梅雨季节温室 内部高湿主要是由于温室外部的高湿所致,同时室外风速的增加没有起到降低湿 度的作用,相反也使室内湿度增加。梅雨季节室外的太阳辐射较弱,稍稍增加的 太阳辐射又使作物的蒸腾增加,更加造成室内温度增高。 温室内部湿度的日变化一般与温度的日变化趋势反向对应。当温度升至最高 时,相对湿度往往下降至最低。由于夏季白天温室内部的温度比室外高出许多, 温度的升高又促使湿度的下降,因此在夏季温室内部的真正危害不是高温高湿, 而是高温低湿,所以将蒸发降温措施应用于南方夏季温室中的降温是可行的。冬 季温室内部的相对湿度变化比较平缓,只是在正午时分随着温室内部温度的上升, 略有降低,但基本维持在 9 0%左右变化。 梅雨季节温室内外的相对湿度基本处于98%以上的饱和状态,且二者之间的 变化趋势也基本相同。由于梅雨季节温室内部高湿直接受外界高湿的影响,使得 要降低温室内部的湿度变得特别困难。同时梅雨季节光照较弱,在湿度较高的情 况下,直接造成作物的蒸腾和光合作用减弱,使得作物的水肥供应不足,影响干 物质积累和生长发育。在这段时间内,采用补光和适当的加温降湿,可以作为改 善梅雨季节温室内,J、气候的措施之一。 从采用物理模型对湿度的模拟结果来看,夏季和冬季的模拟值和实测值都较 为一致,且夏季的模拟结果优于冬季,可以满足实际应用的需要。但梅雨季节的 模拟结果和实测值存在较大的误差,且线性也不好。 (4)采用 Penman-Montei th方法模拟我国南方现代温室黄瓜作物蒸腾速率结 果较为可靠。在现代温室环境中,冠层阻抗rc和边界层空气动力学阻杭r。的值均 较为稳定,因此可以采用固定rc和r。值模拟计算作物蒸腾速率。蒸腾速率随着净 辐射和叩D(帅or Pressure Deficit)的增加而线性增加。在冬季弱光的条件T, 蒸腾对光照的利用率提高,对光照的依赖作用增强。梅雨季节蒸腾速率对yPD的 变化更为敏感。可以使用波恩比法对温室内
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