温室大棚湿度控制系统概要

云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书1温室大棚湿度控制系统——加湿设备及除湿设备的选择依据及应用领域1、前言1.1、课题背景设施农业是外来词汇，在我国也称“工厂化农业”，目前学术界和经济界还没有一个统一和权威的定义。一般来说，所谓设施农业是具有一定的设施、能在局部范围改善或创造出适宜的气象环境因素、为动植物生长发育提供良好的环境条件而进行有效生产的农业。具体地说，设施农业是指利用人工建造的设施，通过调节和控制局部范围内环境、气象因素，为作物生长提供最适宜的温度、湿度、光照、水和肥等环境条件，使作物处于最佳生长状态，从而获得高产优质的农产品。但随着经济的发展和科技的进步，高新技术在设施农业中的应用的趋势日趋明显。1.2、国内外温室控制技术发展概况1.2.1我国温室产业发展现状与发展趋势我国是温室栽培起源最早的国家，在2000多年前就已经能利用保护设施(温室的雏形)栽培多种蔬菜，至20世纪60年代，中国的设施农业始终徘徊在小规模、低水平、发展速度缓慢的状态，70年代初期地膜覆盖技术引入中国，对保温保墒起到一定的作用。随着经济的发展和科技的进步，70～80年代，相继出现了塑料大棚和日光温室。90年代开始，中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向发展，技术水平有了大幅度提高。随着近年来国家相关科研项目的启动，在学习借鉴、吸收消化国外先进技术成果的基础上，中国的设施农业有了较快发展，设施面积和设施水平不断提高。近代温室的发展经历了改良型日光温室、大型玻璃温室和现代化温室三个阶段，但由于各地区生产状况、经济条件和利用目的的差异，至今各阶段不同类型的温室依然并存。我国在“九五”、“十五”期间，在科技部领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究与示范”项目，利用引进的现代化温室设备及配套技术，通过消化吸收与技术创新，进行了品种选育、设施栽培、配套设备及温室中温度、湿度和2CO等环境因素综合调控技术的研究与云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书2攻关，一大批科技成果相继诞生，有效地推动着我国设施农业的发展。国内有关科研院所在温室环境管理系统、栽培模式、温室降温、补光、除湿和增施2CO，等方面也展开了卓有成效的研究工作，初步形成了具有中国特色的现代化设施农业技术体系。如北京市农业机械研究所研发了具有中国特色的节能日光温室及适应于不同领域的新型系列温室、现代化温室环境智能控制系统等设施设备；国家农业信息技术研究中心进行了温室环境监控系统和决策支持系统的研究开发；中国农业大学以及中国农科院蔬菜花卉研究所在环境控制与栽培技术等方面进行了卓有成效的研究，等等。但有关“适合各地方日光温室群环境智能化监控系统的开发与应用”方面的研究和报道较少，即使有，单因素的监控系统较多，多因素复合监控系统很少且很难大面积推广。1.2.2国外温室产业发展现状与发展趋势国外温室栽培的起源以罗马为最早。罗马的哲学家塞内卡(Seneca，公元前3年至公元69年)记载了应用云母片作覆盖物生产早熟黄瓜。20世纪70年代以来，西方发达国家在设施农业上的投入和补贴较多，设施农业发展迅速。目前，全世界设施农业面积已达400余万2hm。荷兰、日本、以色列、美国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，其设施设备标准化、种苗技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加工商品化技术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施环境综合调控及农业机械化技术水平等都具有较高的水平，局世界领先地位。当前，国外温室产业发展呈以下态势：温室建筑面积呈扩大化趋势，在农业技术先进的国家，每栋温室的面积都在0.52hm以上，便于进行立体栽培和机械化作业；覆盖材料向多功能、系列化方向发展，比较寒冷的北欧国家，覆盖材料多用玻璃，法国等南欧国家多用塑料，日本则大量使用塑料；无土栽培技术迅速发展；由于当今科学技术的高度发展，采用现有的机械化、工程化、自动化技术，实现设施内部环境因素(如温度、湿度、光照、2CO浓度等)的调控由过去单因素控制向利用环境计算机多因子动态控制系统发展；温室环境控制和作物栽培管理向智能化、网络化方向发展，而且温室产业向节约能源、低成本的地区转移，节能技术成为研究的重点；广泛建设和应用喷灌、滴灌系统。过去发达国家灌溉是以土壤含水量或水位为依据进行水肥管理，而现在世界上正在研究以作物需水信息为依据的智能灌溉监控系统，如加拿大的多伦多大学正在研发超声波传感器，可检测作物缺水程度，以指示灌溉。云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书32、温室环境湿度的相关概念及湿度控制对温室环境的重要性2．1、温室环境湿度的相关概念2.1.1空气湿度空气湿度表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。2.1.2绝对湿度绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。绝对湿度只有与温度一起才有意义，因为空气中能够含有的湿度的量随温度而变化，在不同的高度中绝对湿度也不同，因为随着高度的变化空气的体积变化。但绝对湿度越靠近最高湿度，它随高度的变化就越小。空气中的含水量是有一定程度的，达到最大容量时，称为饱和水蒸气含量。当空气的温度升高时，它的饱和水蒸气含量也相应增加；温度降低，则空气的饱和水蒸气含量也相对降低。绝对湿度计算公式：VmTReHwwa其中：e——蒸汽压，单位：帕斯卡（Pa)；wR——水的气体常数=461.52J/(kgK)；T——温度，单位：开尔文（K）；m——在空气中溶解的水的质量，单位：克（g）；V——空气的体积，单位:立方米（3m）。2.1.3相对湿度相对湿度是指空气中水蒸气的含量与同一温度下的饱和水蒸气含量的比值，并用百分比表示。它是一个量纲为1的量，日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度。在许多与大气湿度有关的现象里，如农作物的生长、棉纱的断头以及人们的感觉等，都与大气的绝对湿度没有直接关系，而主要与大气中的水气离饱和状态的远近程度有关。空气的相对湿度决定于空气的含水量和温度，在空气含水量不变的情况下，随着温度的增加，其相对湿度也就相应地降低；当温度降低时，空气的相对湿度增加，在大棚内，夜间蒸发量下降，但空气湿度反而增加，主要就是由于温度降低的原因。云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书4相对湿度计算公式：%100%100%100maxSsEeHwwr其中：w——绝对湿度，单位：克/立方米（g/3m）；maxw——最高湿度，单位：克/立方米（g/3m）；e——蒸汽压，单位：帕斯卡（Pa）；E——饱和蒸汽压，单位：帕斯卡（Pa）；s——比湿，单位：克/千克（g/kg）；S——最高比湿，单位：克/千克（g/kg）。2.1.4露点众所周知，水的饱和蒸气压会随着温度的降低而逐渐下降。当空气的温度下降到某—温度时，空气中的水蒸气与同温度下的饱和水蒸气压相等。此时，空气中的水蒸气将转化为液态而凝结成露珠，此时的相对湿度是100％。这—特定的温度低于0C0，水蒸气将其结霜，因此又称为霜点温度。通常两者不予区分，通称为露点。空气中水蒸气压越小，露点越低，因此可以用露点表示空气中的湿度大小。图1为温度－相对湿度－露点的对应关系。图1.温度－相对湿度－露点的对应关系Figure1.Temperature-relativehumidity-dewpointofthecorrelationbetween2.2、湿度控制对温室环境的重要性由于作物生长的不确定性和温室环境的可变性,传统的自动化控制手段已不能满足于农业现代化发展的需要。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室环境内要求有适合云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书5于温室植物生长的湿度，保证植物生长所需的水分，当湿度偏高或偏低时有调节的能力。水分是植物光合作用的原料之一，空气相对湿度可直接影响叶片气孔的开合程度。相对湿度越大，气孔打开的程度越高。如果不是极端干燥或过湿，作物的生育不受湿度的影响，叶片气孔能自由开闭调节蒸腾量。如果是晴天，早上在开窗和风机打开之前，开启喷雾设施，使开启的相对湿度上升到90%以上，叶片的气孔张开到最大程度，有利于2CO的吸收，在光照和其他条件具备的情况下，光合速率会很快升到相当高的水平。但在持续干燥或水分缺乏的条件下，叶片气孔关闭，植物就会萎，降低光合作用速率，并使生长迟缓，正在发育的细胞生长减慢，叶子变小，节间变短，出现胁迫症状，如果再严重一点，叶边可能会发焦，并向内部延伸，影响到整片叶子，达到一定程度叶片会脱落。而水分过多时，植物生长快，表现为植株高但柔弱，一旦光照强烈或者干旱，植物易萎焉。如果土壤中水分持续过多，水分长期占据毛孔，可能会造成对根的危害，根系就难以吸收水或营养，导致植物萎焉，出现营养缺乏症状。果菜类开花期遇到极端过湿环境，花粉不能充分散开，花粉管伸展受阻，会产生畸形果。如果蔬菜生产是在封闭、半封闭条件下进行的，地面蒸发和作物蒸腾作用产生的水蒸汽凝结水大都滞留在室内，使空气相对湿度和绝对湿度显著高于外界。傍晚温度下降，湿度过饱和后会产生雾。土壤湿度越高，室温越低，雾持续时间越长、浓度越大。雾在薄膜上凝结成水滴，润湿作物茎叶，好湿性病原菌便随水滴侵入气孔。湿度是影响设施蔬菜病虫害发生的主要因素，高湿加上适宜发病的温度条件更会加速病虫害的发生。所以要将湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。2.3、环境控制系统中湿度调节的主要手段（1）、加湿在温暖季节，白天温室往往开窗进行通风，室内空气湿度进一步下降，与室外趋于一致。此时需要进行加湿，加湿往往与降温协调进行。增湿的主要方法：灌水、加湿器加湿、喷雾、湿帘加湿（降温的同时进行加湿）。传统的工业加湿器一般采用高压喷雾式加湿器、湿膜加湿器、汽加湿器、离心式加湿器、电热蒸汽加湿器等作为加湿设备。（2）、除湿温室空气湿度调节的目的一般是为了降低室内空气相对湿度，减少作物叶面的结露现象。环境控制系统中降低空气湿度的方法主要有以下几种。云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书6a、通风换气通风换气是调节温室内湿度环境的最简单有效的方法。温室内湿度一般高于室外，通过通风换气引进湿度相对较低的室外空气对室内空气能起到稀释作用。b、加热在室内空气含湿量一定的情况下，通过加热提高温室温度自然就能起到降低室内空气相对湿度的作用。如能将通风与加热结合起来则对于降低室内空气相对湿度最为有效。c、改进灌溉方法在温室中采用滴灌、微喷灌等节水灌溉措施可以减少地面的集水，显著降低地面蒸发量，从而降低空气相对湿度。与此相似，采用地膜覆盖也能减少地面水蒸气蒸发。如温室覆盖地膜后温室空气相对湿度由95％~100％下降为75％～80％。d、吸湿采用吸湿材料如氯化锂等吸收空气中水分可降低空气中含湿量，从而降低空气相对湿度。3、湿度控制系统3.1、湿度控制系统的组成图2.湿度控制系统组成Fig2humiditycontrolsystem3.2、湿度控制系统的工作原理系统由温湿度传感器、控制系统(含键盘和液晶显示)、加热设备和加湿设备几部分组成。整个系统的工作原理图如图3所示。云南农业大学工程技术学院毕业设计说明书7图3.湿度系统工作原理图Fig3humiditysystemworkingprinciplediagram该温室控制系统是利用控制系统把传感器采集的有关参数(如温度、湿度)转换为数字信号,并把这些数据暂存起来,与给定值进行比较,经一定的控制算法后,给出相应的控制信号进行控制。系统还可以经过串行通信接口将数据送至上位机,从而完成数据管理、智能决策、历史资料统计分析等更为强大的功能,并可以对数据进行显示、编辑、存储及打印输出。传感器把与生物有关的参量(温度、湿度等)转换为电压信号,经运算放大器组成的信号处理电路变换成压频转换器(V/F)需要的电压信号。其中温度传感器的输出电流与绝对温度成正比,且具有温度响应快、线性度好及高阻抗电流输出等特点