为了提高植物光能及电能利用效率,降低植物工厂光源的投入产出比,该文从不同红蓝光配比(R/B)对生菜光合作用影响机理入手,分析不同R/B对生菜光能及电能利用效率的影响。以荧光灯处理(FL)作为对照,通过设置不同红蓝光配比(R/B)共7个处理进行试验,测定不同R/B下生菜的Ru Bis Co羧化速率和氧化速率、光合电子流分配以及叶氮分配。结果表明:1)当R/B≥8时,增大蓝光比例显著降低了总电子传递速率向参与光呼吸的光合电子流的分配,促进了叶氮向羧化系统和生物能学系统中的投入,提高了叶片的光合作用;2)当R/B≤8时,生菜电能利用效率(electric-energy use efficiency,EUE)和光能利用效率(light use efficiency,LUE)随着R/B增加而显著增大,R/B≥8处理间EUE无显著性差异,但R/B=12处理下LUE较R/B=8处理高12.5%。综上所述,在光强为200μmol/(m2·s)的红蓝LED植物工厂中,R/B为8是影响生菜光合作用、光能及电能利用效率的转折点;为保证生菜高效生产,以红蓝光配比不小于8为宜。
为进一步提高日光温室内主动蓄放热热能的利用效率,该文以主动蓄放热加热基质系统(active heat storage-release substrate warming system,AHSSWS)提升栽培基质温度作为试验组,以主动蓄放热加热空气系统(active heat storage-release air warming system,AHSAWS)提升夜间气温处理作为对照组,比较了2种加温方式对基质温度、室内气温及番茄生长、产量的影响,并对2个系统的能量收支情况、设备投入、运行成本进行了比较。试验结果表明,相比主动蓄放热加热空气系统,主动蓄放热加热基质系统可提高基质温度2.5~5.3℃;与加热空气相比,加热基质处理可提高番茄株高及产量(增产43%)。连续晴天情况下,主动蓄放热加热基质系统的COP(coefficient of performance)为1.5~1.9,主动蓄放热加热空气系统的COP为3.0~4.0;连续阴天情况下,主动蓄放热加热基质系统的COP为0.5~0.9,主动蓄放热加热空气系统的COP为1.0~2.2。相对于主动蓄放热加热空气系统,主动蓄放热加热基质系统的集热效率、节能率、平均COP略低;但试验组的单位产量耗能量为0.7 k J/kg,低于对照组的单位产量耗能量(1.0 k J/kg),从单产能耗角度来讲,主动蓄放热加热基质系统更具优势,因此可根据番茄销售价格及当地电价来选择相应的加温系统。该文研究结果为主动蓄放热热能的高效利用以及主动蓄放热加热基质系统在日光温室冬春季番茄加温栽培应用提供了理论依据。
由于日光温室的蓄热能力有限,后半夜温度往往比较低,难以满足作物生长需求。针对这一问题,该文提出了基于热泵的日光温室浅层土壤水媒蓄放热方法,其原理是白天开启循环水泵,将后墙获得的太阳辐射储存到温室浅层土壤中;前半夜通过浅层土壤热量的自然释放加热温室;当温室温度较低时,启动热泵系统将浅层土壤中的热量提升后加热温室。试验结果表明,在阴天系统系数(coefficient of performance,COP)能达到3以上,与燃煤热水锅炉相比节能33%;与对照温室相比,盖上保温被后,由于试验温室蓄热量大于对照温室,试验温室空气温度和土壤温度分别比对照温室平均高3.2和3.3℃;开启热泵机组后,试验温室空气温度和土壤温度分别比对照温室平均高5.7和2.9℃。
针对日光温室土地利用率低,单体小不能进行立体栽培果树种植,不利于机械化操作等问题。该文提出一种大跨度主动蓄能型温室,该温室南北走向,双屋面拱形钢骨架结构,并采用主动蓄放热系统进行能量的蓄积与释放。该试验以传统砖墙日光温室作为对照,对大跨度主动蓄能型温室室内外温湿度以及主动蓄放热系统的能量收支进行分析,并对比2种温室的建造成本,综合分析了试验温室保温节能效果及经济效益。结果表明：大跨度主动蓄能型温室土地利用率高达87.4%。温室夜间平均气温高于10℃,无极端低温,晴天夜间平均气温比对照温室高1.5～3.1℃,比室外高13.9～19.3℃;阴天夜间平均气温比对照温室高1.2～2.8℃,比室外高12.5～18.9℃。夜间室内相对湿度平均比对照温室低7%～10%。主动蓄放热系统性能系数COP（coefficient of performance）为3.4～4.2,平均每天能耗0.013 k Wh/m2,与传统燃煤锅炉加温系统相比,平均节能率为47%。大跨度主动蓄能型温室建造成本每平米307.2元,比传统砖墙日光温室低144.5元。大跨度主动蓄能型温室是一种土地利用率高,单体大,保温性能良好,能进行冬季果菜生产的新型温室类型,且投入少,综合其经济环境效益,值得推广应用。
为了增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动和简化通气管道施工工艺,该研究设计了一种集栽培床和通风管路于一体的导气栽培槽(cultivation bed integrated with draft-tube,CBT)。利用流体计算软件(computational fluid dynam...
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为了增加植物工厂多层栽培模式中作物冠层内部气流扰动和简化通气管道施工工艺,该研究设计了一种集栽培床和通风管路于一体的导气栽培槽(cultivation bed integrated with draft-tube,CBT)。利用流体计算软件(computational fluid dynamics,CFD)构建了CBT模型,通过模拟和实测入口速度为5.0 m/s时植物冠层内部的气流速度,得到栽培区域几何中心截面速度的模拟值与实测值分布趋势一致,计算模拟值与实测值的均方根误差为0.22 m/s,表明该模型能准确模拟气流速度。利用验证的模型模拟了不同进气速度对作物冠层内部气流分布的影响得到入口速度为6.0 m/s时,植物冠层空间适宜的气流区域体积占比最高,为56.3%,该入口速度下冠层区域的气流平均速度为0.15 m/s。根据模拟结果,选取6.0 m/s为CBT的入口速度,以成熟期生菜作为试验材料,在同一环境条件下对比CBT通风模式和传统通风模式(traditional ventilation control,TVC)下生菜冠层内部微环境,测试通风调温效果。结果表明,CBT处理的冠层内光期温度为22.4℃,低于TVC处理的23.7℃,暗期处理间温度差异不明显;CBT模式冠层内的光、暗期平均相对湿度分别为65.8%和71.6%,比TVC处理低11.4和3.0个百分点。由此可见,相比于传统通风模式,CBT对冠层内多种微环境参数调控起到了积极作用,降低环控要求,提高了空调温控效率,具有推广价值。
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