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第四章 园艺设施的环境特征及其调节控制2021/8/311 温室环境因素 环境调控技术 土壤温度温度 加温、保温、可再生能源利用 空气温度 空气湿度 通风、降温 CO2环境 - CO2施肥 光照 - 光照调控 根圈环境(水份、养分) - 灌溉与施肥2021/8/3124.1 温室光照环境及其调控1.光照环境的要素2.温室光照环境特征3.光照环境调控方式4.人工光源2021/8/3131. 光照环境的要素 光质（光色） 各波长光的能量分布（考虑不同波长光对植物的不同作用） 光照强度与光照量 光照的强弱及累积量、分布均匀性（满足植物光合作用的需要） 光照周期 明期、暗期的长短和交替周期规律（考虑植物的光周期作用）2021/8/314太太阳阳辐辐射射光光谱谱波长（波长（nmnm）0 05005001500150010001000200020003000300025002500250025002000200015001500100010005005000 0辐射能（辐射能（W/mW/m2. 2.m mmm）地面地面大气层外缘大气层外缘6000K6000K黑体辐射黑体辐射可见光可见光红外线红外线紫外线紫外线38038076076048.348.38.7%8.7%43.0%43.0%植物光合有效辐射植物光合有效辐射( (生理辐射生理辐射) )300300780nm780nm 对植物生理对植物生理产生作用的光辐产生作用的光辐射波长范围射波长范围400400720nm720nm 产生植物光产生植物光合作用的光辐射合作用的光辐射波长范围，一般波长范围，一般在在400400700nm700nm的的范围计量范围计量光质（光色）2021/8/315光照的强度及度量光照度根据人的视觉光谱光效应确定的单位面积光通量。

555nm黄绿光感觉量为1单位：lx（勒克斯）光合有效辐射照度（PAR）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射能量单位：W/m2光合有效光量子流密度（PPFD或PPF）单位时间、单位面积上照射的光合有效辐射光量子数单位：mmol/m2.s太阳总辐射照度单位：W/m2说明：光合成有效辐射400700nm波长范围内的光辐射 mol（摩尔）物质的数量单位，1mol=6.0225710231mol=1000000mmol光照度光合有效辐射照度光合有效光量子流密度2021/8/316各种光照度量单位的相互关系光照度、辐射照度、光量子流密度等与光谱能量分布密切相关，几者之间无固定的比例关系只有在确定的光谱能量分布情况下，才有明确的相关关系一般天气自然（太阳）光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系 光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mmol/m2.s对应的太阳总辐射照度W/m2光照度1klx4.2(4)16.8(18)10klx数4W/m2W/m24mmol/m2.s 2021/8/317室 外日光温室内连栋温室内多数阳性植物最低要求光照度(lx)3000050000 1500035000 120002500020000PAR(W/m2)120210601405010080PPFD(mmol/m2s)500840250580200400300北京地区冬季晴天正午时刻的温室内外光照强度 光 源PAR / 照度Wm-2 / klxPPFD / 照度mmolm-2s-1 / klxPPFD / PARmmolm-2s-1 / Wm-2荧光灯2.7312.54.59金属卤化灯3.1314.44.59高压钠灯2.8145白炽灯3.9619.95.02蓝色LED38.51453.76红色LED24.01325.52日光（对照）4.216.84几种光源的光照强度单位近似换算关系 2021/8/318植物的光周期现象 在植物的光周期反应中，光作为植物生长发育的控制信息发挥作用，连续光照时间与光质是决定其作用的重要因素，能量大小是次要因素，照度仅数十lx即可发挥作用。

长日照植物每天12小时以上光照促进生长发育（大多数叶菜、豌豆、葱、蒜、荷花、唐菖蒲等）短日照植物每天光照少于1214小时才能正常生长发育（茼蒿、扁豆、豇豆、秋菊、一品红、牵牛花等）中光性植物对光照时数无严格要求，一般每天816h均可（黄瓜、番茄、辣椒、四季豆、月季、香石竹、天竺葵等） 2021/8/3192.温室光照环境特征 透光量减小（覆盖材料、骨架材料） 透光分布不均匀（骨架阴影） 光质有变化（覆盖材料的分光透过性）2021/8/3110普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻璃）的透光率 2021/8/3111硬质板的透光率 2021/8/3112软质塑料膜的透光率 2021/8/3113 老化和尘垢对塑料膜透光率的影响 2021/8/3114直射光透过率的季节变化 2021/8/3115四连栋温室全天直射光透过率的分布2021/8/31163. 满足温室光照环境要求的调控工程手段uu 开发和选用合适的温室覆盖材料u温室建设方面，采用合理的方位与温室结构u人工调控光强与光量调控遮光调节（适当减弱光强）光合补光（强光补充）光周期调控遮光调节（严密遮光）延长暗期（低于10Lx）补光调节（50Lx以上弱光即可）延长光照时间（整夜连续补光、早晚延长补光和夜间间断补光）光质调控采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源补光采用满足要求的具有特定光谱透过率的覆盖材料2021/8/31174. 人工光源对人工光源主要的要求u光谱性能：富含400500nm蓝紫光和600700nm橙红光并有适当的组成比例，以及满足其他特定的光谱要求u效率：发出的光合有效辐射量与消耗功率之比u其他：使用寿命、价格等人工光源的种类热辐射光源：白炽灯、卤钨灯钨丝中通过电流产生高温（24003000）发光气体放电光源：荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯物质原子受电子激发产生光辐射。

半导体光源：LED（发光二极管）2021/8/3118卤钨灯寿命、发光的功率提高，光色有所改善，发光效率也有所提高几种人工光源热辐射光源：白炽灯结构简单、价格便宜，光照强度易于调节；辐射光谱主要在红外范围，可见光所占比例很小，发光效率低，且红光偏多，蓝光偏少；寿命短（1000小时）不宜用作光合补光的光源但可作光周期补光的光源2021/8/3119气体放电光源：荧光灯光谱性能好，发光效率较高，寿命长功率小，满足一定光照强度所需灯具多，对自然光遮光大目前在园艺设施补光中使用较多，尤其是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的人工光照高压水银荧光灯易达到较高功率，寿命较长，但光色较差，发光效率略低于荧光灯，使用较少金属卤化物灯发光效率较高，功率大；光色好（可改变金属卤化物组成满足不同需要）；寿命较高（数千小时）使用较多2021/8/3120高压钠灯发光效率高，功率大；光谱分布范围较窄，黄橙光为主；寿命高（1200020000小时）目前在园艺设施补光中使用较多低压钠灯发光效率很高，功率大；光色为单一的589nm黄色光；寿命高（平均寿命18000小时）光色单一，很少单独使用，但可与其他光源配合使用2021/8/3121发光二极管（LED）u单色性，波谱域宽仅20nm左右；u没有中、长波红外辐射（对光合作用无效）的能量浪费，发热少，可实现近距离补光（提高光利用效率）；u辐射效率和光量子效率极高；u具有多种光色器件，可按需要组合不同单色（如红蓝）的LED满足植物光合作用对光谱的需要；u单体尺寸小，便于组合和使设备小型化；u使用寿命长（5万小时以上）；u价格高，尤其是蓝色LED目前价格较贵。

2021/8/3122LED人工光源2021/8/3123人工光源的应用例2021/8/31244.2 温度环境及其调控一、采暖二、通风三、降温传热原理2021/8/3125一、温室采暖1. 采暖系统的类型采暖的能源燃煤燃油天然气电能太阳能地热能采暖方式 根据采暖范围分类全面采暖局部采暖根据采暖设备分类热水采暖蒸汽采暖热风采暖电热采暖辐射采暖火炉采暖2021/8/31262. 温室的热平衡分析采暖热负荷及其确定方法原理 采暖热负荷 在室外气温to下，为维持要求的设施内气温ti，采暖系统在单位时间内应向温室内提供的热量 确定采暖热负荷的方法 统计温室的所有热量收支（得热、失热），根据能量平衡的原理，由热平衡方程式计算热负荷 = 失热 得热2021/8/3127温室的热平衡分析温室内的热量来源白昼：室内外水平面太阳辐射热量（北纬3045地区、晴好天气、正午时刻）太阳辐射室内水平面冬季150400W/m2夏季300600W/m2室外水平面冬季350650W/m2夏季9001000W/m22021/8/3128夜间：采暖系统加温热量100300W/m2日光温室加温温室不加温温室墙面放热量3050W/m2地面放热量2030W/m2地面放热量2030W/m22021/8/3129温室的热量收支地中传热Qf通风Qvs长波辐射380mm对流太阳辐射0.23mm吸收反射室内反射蒸腾蒸发Qvl加温热量Qh覆盖层传热Qw太阳热Qs设备发热Qm光合Qp呼吸Qr温室的热平衡方程(Qs+Qm+Qh+Qr)(Qw+Qf+Qvs+Qvl+Qp)=00002021/8/3130温室的热平衡方程 (Qs+Qh)(Qw+Qf+Qvs+Qvl)=0采暖热负荷 Qh=(Qw+Qf+Qvs+Qvl) Qs冬季夜间采暖热负荷 Qh=Qw+Qf+Qvs冬季夜间加温温室中的热量平衡对流30地中传热Qf10冷风渗透Qvs10长波辐射35对流45长波辐射50加温热量Qh100覆盖层传热Qw2021/8/31313. 温室采暖热负荷的计算 通过温室围护覆盖材料的传热量式中 ti室内气温，；to室外气温，；Agj 温室覆盖层各部分面积，m2；Kj 各覆盖层的传热系数，W/(m2)。

主要参照温室加热系统设计规范JB/T10297-20012021/8/3132非透明平壁的传热透明平壁的传热辐射辐射对流对流导热辐射对流导热辐射辐射对流关于传热系数 K2021/8/3133非透明平壁的传热系数：式中ai内表面换热系数，一般8.7W/(m2)； ao外表面换热系数，一般23.0W/(m2)；dj 材料的厚度，m；lj 材料的导热系数，W/(m) 非透明平壁的传热阻：2021/8/3134覆盖材料传热系数W/(m2)覆盖材料传热系数W/(m2)单层玻璃6.4单层聚乙烯(PE)薄膜6.8双层玻璃4.0单层聚乙烯(PE)保温膜6.6单层聚碳酸酯(PC)板6.3双层聚乙烯(PE)薄膜4.46mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.2单层聚氯乙烯(PVC)薄膜6.68mm聚碳酸酯(PC)双层中空板4.0单层聚氯乙烯(PVC)保温膜6.510mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.6双层聚氯乙烯(PVC)薄膜4.216mm聚碳酸酯(PC)双层中空板3.3单层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜6.710mm聚碳酸酯(PC)三层中空板3.3双层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.316mm聚碳酸酯(PC)三层中空板2.9单层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜6.6单层玻璃纤维增强聚酯(FRP)板6.3双层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜4.2单层玻璃纤维增强丙烯(FRA)板6.3双层充气聚乙烯(PE)膜4.3单层丙烯树脂(有机玻璃 MMA)板6.3双层充气聚氯乙烯(PVC)膜4.1单层聚酯(PET)片材6.3双层充气乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜4.2单层乙烯-四氟乙烯(ETFE)片材6.3双层充气乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜4.1透明材料主围护覆盖层单独使用时的传热系数 2021/8/3135保温覆盖材料热节省率a /（%）保温覆盖材料热节省率a /（%）聚乙烯(PE)薄膜32缀铝膜（25%铝膜，75%透明膜）34聚氯乙烯(PVC)薄膜35缀铝膜（33%铝膜，67%透明膜）36乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜34缀铝膜（50%铝膜，50%透明膜）39乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜35缀铝膜（67%铝膜，33%透明膜）42无纺布2。