大型现代化温室加温技术
的应用及思考
近些年大量资金涌入农业产业，大型现代化温室以其高效的土地利用率及标准化的生产模式而开始受到业内的青睐。国内兴起了新的一波现代智能温室热潮。好马还需配好鞍，大型现代化温室配套设施、设备更加丰富，且有极强的环境控制能力，通过不同的设备组合实现的功能更多，故而多数都有配备计算机环境控制系统的需求。相较于传统的人工环境调节，计算机环境控制系统对于温室内环境的调节更加精准、稳定，杜绝了人为造成的环境调控不及时、环境参数波动大等问题。只有通过计算机环控系统才能最大效率的利用大型现代化温室的设备设施，为不同的种植作物创造理想的环境。
通过生产实践发现，温室内设备的使用技巧直接影响温室产品的最终品质与产量。某单一设备的使用率越高意味着该设备作用于植株的影响越大。因此，如何正确、优化的使用设备至关重要。
★北方大型现代化温室常用加温设施及主要作用
加温设施作为大型现代化温室环境控制的最主要设施，对于温室优质生产有着决定性的作用。在北方，理想的大型现代化温室应配备植株间加温管、轨道加温管、上层加温与融雪管、周墙加温管等（图1）。
图 1 中国北方地区现代温室各类加温管道
植株间加温管
植株间加温管也叫植物生长管，生长管的使用为大型现代化温室环境控制的核心之一。在荷兰，由于气候温和，一些生产型企业甚至会放弃其他的加温设施，仅保留生长管。由于生长管与植株距离较近，在使用过程中管道温度不宜过高，以避免灼伤植株。
生长管具有以下作用：①辅助加温。生长管散热面积小且离植株过近，管道温度低，因而在热需求较大的北方无法作为温室主要的加温手段，但生长管的使用依然会对局部环境起到加温作用。以常见的32cm管径的生长管为例，管道温度不得超过45℃，通常温度设置在30~40℃。通常情况下，其温度（℃）等于作用半径（cm）。②除湿。植株间环境郁闭，湿度远高于温室内其他区域。高湿度带来的是蒸腾能力的减弱以及更高的病害风险。生长管的使用能有效的降低局部湿度，缓解植保压力，为植株提供更适宜的生长环境。③促进果实成熟。在番茄生产中，近成熟果实与生长管距离较近。生长管的热量加速了果实的生化反应，果实转色速度更快。催熟的优势为果实的生长周期缩短，单位时间内植株上的挂果数量减小，植株生长压力减小（尤其在弱光季节）。另外，单个果穗的果实成熟度更均一，缓解了由于管理不当造成的串收果前端过熟且末端未转色造成的成品率下降（图2）。
轨道加温管
轨道加温管不仅作为农事作业车的轨道，同时也是北方大型现代化温室最主要的加温设施。由于其散热面积大，与植株距离较远，可以允许更高的管道温度，因此轨道加温管对温室内温度提升的能力更大。由于多数温室种植者习惯将从植株上移除的老叶、侧枝以及疏落的花果丢弃在种植槽下方，轨道加温也一定程度上也起到了干燥植株残体，防止病害滋生的作用。
上层加温与融雪管
融雪管道的主要作用为及时融化降雪，避免积雪对温室顶部玻璃造成破坏，而并非用于加温。在冬季为了避免管道由于靠近顶部玻璃造成的温度过低，管道内水冻结，需要让融雪管维持一定的水温。上层加温管不同于融雪管道，还具有加热温室上层空间的作用。加温管位置离屋顶较远，在遮阳、保温幕布下方。
周墙加温管
周墙加温管主要由温室内其他加温管的主管道组成。由于发热量大，能够有效缓解温室内的边际效应。在没有主管道排布的侧墙，周墙加温管应与轨道加温系统并联，以确保热量供应充足。
★大型现代化温室温度控制系统的应用
环控计算机数据与温室内真实情况
环境控制计算机上的数据无法全部反映温室内真实情况。大型现代化温室由于需要更精准的环境控制，因此温室内会设有多个环境控制区。各个环境控制区所设置的环境传感器是计算机环境控制系统对温室内环境进行调整时的依据。为了确保传感器能够反馈给系统更加真实准确的环境数据，一般在同一环境控制区内需要设置至少2个传感器，系统多数情况下只会根据反馈数据的平均值对温室内环境进行判断并启、停相关的环境控制设备。
多传感器相较于单一传感器更能具体的反映环境控制区内的真实环境，但环境计算机的这一环境控制逻辑在实际生产中仍存在缺陷。例如图3所示的计算机环境控制系统显示的两个环境控制区：CMP.1、CMP.2，每个环境控制区配有两组环境传感器，红色框内为每个传感器反馈的温度值。以CMP.1为例：系统根据该控制区内2组传感器度数（15.3、18.2℃）计算得该区实际温度为16.7℃。由于此时系统的加热温度设定值为17.5℃，系统判断环境控制区CMP.1温度低于加热温度，需要启用加温管将该区域温度提升0.8℃。然而这一温度的提升是整个CMP.1区域同步进行，升温后势必会造成在CMP.1中左侧区域仍未达到设定值，而右侧区域温度过高。虽然更加细致的环境控制区划分可以缩小区域内的环境差异，使得环境控制更加精准，但会极大地增加温室建造及维护成本。故在种植过程中需要种植者清晰地了解温室的实际情况，制作适合各个区域的品种排布并合理的运用环控设备，来减小控制区内环境差异对作物生长所产生的影响。
管道升温的作用
降低温室内的绝对湿度不只有通风一种方法。温室下、中层的加温管道在加温时提升了周围的空气温度，热空气携带着水分子向温室顶部移动。由于上层空间温度低于下方加温区域，空气的最大含水量下降。水分子会在顶部玻璃上结成大量露滴，经由集露槽排出温室。通过这一方式，温室内的绝对湿度也会得到降低。
通过管道加温除湿在大型现代化温室冬季生产中的作用尤为突出。从温室结构上讲：由于温室内空间较高，上下层温差更大，为水分凝结提供了有利条件；温室顶部的斜面玻璃以及集露系统更利于水分排出温室。从种植方面讲：由于冬季温室外界环境与温室内差异较大，如果因为除湿需求而加大通风量的话，外界干冷的空气会对温室内的环境造成剧烈的波动，处于湿热环境下的作物在接触到干冷空气后极易产生应激反应而影响正常生长。同时为了提升产量温室内需要施放CO2气体肥料，温室内的CO2浓度会远高于外界环境。通风除湿带来的温室内外的气体交换也会将施放的CO2带出温室。不但产生了大量浪费，增加了生产成本，而且温室内的CO2浓度难以维持在较高水平，达不到增产目的。通过管道加温除湿则不需要对温室进行大量的通风，虽然会增加能源成本，但对于良好的种植更加有利。
作物体温
作物体温不同于环境温度。在实际生产中，作物体温是种植者需要考虑的一项重要因素。植物体由于含有大量水分，故其温度的变化会滞后于环境温度的变化。
妥善的运用作物体温的变化规律，将会极大地提升种植效率：在晨间由于阳光的作用温室内环境温度会迅速上升。作物体温由于上升较慢会低于环境温度，造成叶片、果实结露。不但影响了采收品质，也增加了病害风险。如果采取凌晨时对作物进行预加热的策略，通过加温管（尤其是作物间生长管）的加热作用，提前将作物体温进行提升，则在日出后温室内快速升温的过程中能有效地杜绝结露现象，并且体温更早的提升能够使作物更早的利用起晨间的光照，增加阳光的利用率。再如果菜类生产中我们常用的温度控制策略：在日落时以通风或不使用保温幕布的方式加快温室内温度的下降，使得作物的不同组织温度出现差异。果实由于含水量最多则降温速度最慢，温度高于其他组织。这一温度差异会迫使植株主动地将白天生产的同化物向果实运输，增加产量，平衡植株长势。
★大型现代化温室能耗总结与思考
局部环境控制
大型现代化温室随着高度的增加，温室的垂直空间也会表现出环境上的差异。荷兰种植技术在种植管理上充分考虑了这些差异，并应用在了各项环境调控中。例如在苗期管理中植物由于体积小，生长点也离作物间加热管较远，如果出现较小的加温需求，温室内则不再进行整体加温。取而代之的是只使用生长管加热，利用生长管的辐射范围在幼苗区域营造微环境，保证植株全部处于加温环境中即可。这一策略将种植槽与生长管之间的空间从温室内的大空间中剥离出来，有效地节约了温室能耗。上文提到的加温除湿法，同样是将温室上下层空间独立开来，利用其局部环境差异达到高效生产。
有效的区分温室垂直空间，合理的分配能量对于温室生产的重要性毋庸置疑。在种植生产过程中如果忽视局部环境上的差异，只视整个温室为均一的环境进行调控，则会极大地降低生产效率，造成生产成本的增加。
高能耗与高产出
生产成本及单位产量的高低决定了大型现代化温室是否盈利。由于高度的可控性，大型现代化温室的能量投入量在某种程度上可以直接代表温室的产量。在温室中所利用的能源主要分为热能、电能及光能。其中电能（主要用于人造光源）与自然光能投入量的上升能够最直观的提升产量，热能的使用则可以增加光能的利用率（例如上文提到的凌晨预加热），只要合理运用，也能够提升产量。这3种能量中自然光属于免费能源，在一般情况下种植者对于自然光的利用率并未达到上限，因此在达到高产的同时如何充分利用自然光源，减小其他能源的使用量成为了降低温室生产成本的关键因素。
荷兰设施农业有着良好的市场、较低的能源价格。因此基于高产目的发展出了高能耗高产出的种植理念，其主要体现在电能及天然气的大量使用。在荷兰多数优秀的种植企业都配有热电联产机组，机组以天然气为原料，几乎全天工作。其所生产的热水用于管道加热，电能用于补光，而CO2会作为气体肥料施放入温室。
小型温室在不具备热电联产机组的情况下依然会基于环境调控、补充CO2增产的目的而燃烧大量的天然气。以荷兰温室温度策略中的核心三段式温度控制为例。温室一天内的环境控制分为4个时段：上午、下午、前半夜、后半夜。图4所示蓝线为不经调整时的温室温度变化曲线，而红色所代表的是调峰（即以24h为周期提前或延后温室内温度峰值的时间点）后荷兰三段式的温室温度曲线。三段式温度曲线前半夜温度的骤降以及后半夜温度提升的优异性前文已有所介绍。值得注意的是不同于蓝色曲线的夜间只需维持温室最低温度，三段式温度调控为了营造更加高效的种植环境，需要投入大量能源进行后半夜的升温。这一温控策略完美的贴合了荷兰设施农业高能耗与高产出的理念。
然而对于中国的大型现代化温室生产而言，应用荷兰的种植理念却存在着诸多的掣肘。最主要的矛盾体现在两点：①种植技术较荷兰落后，无法达到目标产量；②能源价格高，极大地增加了生产成本。而较高的能源价格一定程度上也限制了荷兰种植技术在中国的应用，实现产量目标难上加难。将荷兰先进种植技术本土化，寻找能源成本与产量的平衡点已然成为中国大型现代化温室行业发展中亟待解决的问题。
（作者单位：北京宏福国际农业科技有限公司）
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