设施环境调控ppt课件.ppt

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1、设施环境调控绪论一、农业设施与设施环境二、设施环境工程在农业生产中的作用第一章 设施光环境及其调控 第一节 建筑日照的基本理论 一、地球的公转与太阳赤纬角 二、地球的自转与太阳时 三、太阳高度角和方位角 第二节 设施光环境特征 一、与设施内环境相关的光、热辐射 二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量 三、各种光辐射度量单位的相互关系 四、设施光环境特点第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外地面上太阳辐射照度的计算 二、 进入设施内的太阳辐射计算第四节 设施光环境的调节 一、温室内的人工补光 二、人工光照的配置计算 三、光质调节 四、日长调节第二章第二章 设施热环境及其调节设施热环境及其调节

2、第一节 热量传递的基本方式 第二节 辐射换热 第三节 导热 第四节 对流换热 第五节 温室热环境 一、温室传热与能量平衡 二、温室采暖热负荷 三、温室的节能保温 四、温室的降温调节第三章第三章 温室的气体环境与通风调节温室的气体环境与通风调节 第一节 温室通风概述 一、 温室通风换气的目的 二、 温室通风的设计要求 三、 通风的基本形式与特点 第二节 温室的必要通风量 一、 控制室温的必要通风量 二、 维持CO2浓度的必要通风量 三、 控制温室内湿度的必要通风量 第三节 温室通风 一、热压作用下的自然通风 二、风压作用下的自然通风 三、自然通风系统设置 四、温室的机械通风第四章第四章 温室环境

3、自动控制温室环境自动控制 第一节 自动控制基本原理 第二节 设施环境常用控制器 第三节 设施环境自动调控系统绪绪 论论 一、农业设施与设施环境一、农业设施与设施环境1 1、农业设施、农业设施 农业设施是能够提供适宜的生产环境等条件，具有特定生产功能的农农业设施是能够提供适宜的生产环境等条件，具有特定生产功能的农业生产性建筑、配套设备的工程系统。业生产性建筑、配套设备的工程系统。2 2、农业设施的特点、农业设施的特点 （1 1）可以为各种农业生产对象提供比自然环境更加适宜的生产环境）可以为各种农业生产对象提供比自然环境更加适宜的生产环境条件，且可以调控环境。为此设施一般应具备建筑围护结构或具有围

4、护作条件，且可以调控环境。为此设施一般应具备建筑围护结构或具有围护作用的构造物，以形成与外界相对隔离的空间条件。用的构造物，以形成与外界相对隔离的空间条件。 （2 2）依靠各种生产设备实现高效生产。）依靠各种生产设备实现高效生产。3 3、设施环境（农业生物环境）、设施环境（农业生物环境） 农业生物环境一般分为：农业生物环境一般分为： 物理环境：包括生物周围的温度、光照和热辐射、空气和水的运动物理环境：包括生物周围的温度、光照和热辐射、空气和水的运动状态等，其中由空气温度、湿度、热辐射、空气和水的流动等因素所构成的状态等，其中由空气温度、湿度、热辐射、空气和水的流动等因素所构成的环境称为热环境。

5、环境称为热环境。 化学环境：指生物周围空气、土壤和水中的化学物质成分组成。化学环境：指生物周围空气、土壤和水中的化学物质成分组成。 生物环境：除农业生物个体以外的其他所有生物。包括空气、土壤、生物环境：除农业生物个体以外的其他所有生物。包括空气、土壤、或水中的微生物，生物体内外的寄生物，以及周围的其他同类生物群体等。或水中的微生物，生物体内外的寄生物，以及周围的其他同类生物群体等。 光照光照水和肥水和肥料料温度温度CO2湿度湿度温室的环境调控应该实现以光照为主导因子的综合环境管理。温室的环境调控应该实现以光照为主导因子的综合环境管理。 4 4、设施结构、设施结构环境环境生物之间的相互关系生物之

6、间的相互关系 设施环境设施环境外界环境外界环境设施结构设施结构生物活动状态和代谢过程生物活动状态和代谢过程 设施结构决定了其环境性能，所以在设施环境调控之前，首先设施结构决定了其环境性能，所以在设施环境调控之前，首先确定好的结构，才能做到环境调控的节能、低成本。确定好的结构，才能做到环境调控的节能、低成本。 5 5、设施环境调控的原理和方法、设施环境调控的原理和方法（1 1）理论）理论 1 1）质量守恒定律）质量守恒定律 2 2）热力学第一定律）热力学第一定律能量守恒定律能量守恒定律 3 3）质热传递过程的理论）质热传递过程的理论 4 4）环境与生物间相互影响的生态学原理）环境与生物间相互影响

7、的生态学原理（2 2）方法）方法 定量化描述生物与环境、外界环境与设施内部环境间的相定量化描述生物与环境、外界环境与设施内部环境间的相互关系互关系模型的建立及应用模型的建立及应用 采用工程化的手段，利用专用设备来实现。采用工程化的手段，利用专用设备来实现。Control systemSimulationsMeasured valuesModelData Acquisition SystemDynamic Databasecompare27 Oct26 Oct28 Oct29 Oct30 Oct1 Nov2 Nov3 NovALLALLALLStress Detector # 17# 17 on

8、 Duty!Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es Lt d .Sh a n y R a y T ec h n o lo g i es Lt d .Number of days analyzed: 7Number of alarms: 4DANGER!DANGER!My ComputerLPS #14LPS #17LPS #26LPS #99Alarm Diary9:00-12:00 Air VPD 2 kPa12:00-15:00 Leaf T 34 C Air VPD 4 kPa15:00-16:00 Air VPD 2 kPa Test # 1 negat

9、iveS SR RCrop 现代化连栋温室的环境控制及其设备环境因子环境因子 控制设备控制设备光照光照人工光源、帘幕系统人工光源、帘幕系统温度温度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋喷淋/喷雾系统喷雾系统CO2浓度浓度 CO2施肥系统、通风系统施肥系统、通风系统湿度湿度采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、采暖设备、降温系统、通风系统、帘幕系统、喷淋喷淋/喷雾系统喷雾系统绪 论二、设施环境工程在农业生产中的作用 参考教材 P24第一章 设施光照环境及其调控第一节 建筑日照的基本理论 一、地球的公转与太阳赤纬角 1、太阳赤纬角 太阳光线与地球赤道

10、面的夹角 太阳直射光线投射到地球表面，光线与地面垂直处的地理纬度)365284360sin(45.23n)365172360cos(45.23n三、太阳高度角和方位角四、斜面太阳入射角b与其他角度之间的关系)cos(sincoscossincosefcacab五、日出、日没时刻 )tantan(cos10t第二节 设施光环境特征 一、与设施内环境相关的光、热辐射 1、电磁波谱 2、太阳辐射的光谱能量分布（教材P144150） 3、常温物体的热辐射黑体常温下的热辐射波谱010203040020406080100波长(m)辐射力(W/m2m) 不同波长的光热辐射对植物及环境的作用不同波长的光热辐射

11、对植物及环境的作用mm长波红外长波红外辐射辐射m W/m1khcexphc220520bTM普朗克定律（黑体的单色辐射力） 波长，m； T 热力学温度，K； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； k 玻尔兹曼常数（1.380710-23J/K）； c0 真空中的光速（2.9979108m/s）Km 6 .2897 maxT 维恩位移定律（最大辐射力对应的波长）第二节第二节 设施光环境特征设施光环境特征 二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量二、与太阳辐射有关的光辐射强度的度量 1 1、辐射（能）通量、辐射（能）通量 单位为单位为W W。 2 2、辐照度、辐照度（辐射能通量密度）单位为（辐

12、射能通量密度）单位为W/m2W/m2。 3 3、光通量、光通量 按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量( (辐射功辐射功率率) )，光源在单位时间内，光源在单位时间内, ,向周围空间辐射出的使人眼产生光感的能量向周围空间辐射出的使人眼产生光感的能量, ,称为光通量称为光通量,单位为单位为lmlm： 光通量和辐射通量这两个非常相似的概念，光通量和辐射通量这两个非常相似的概念， 错误地认为既然光是属于一定错误地认为既然光是属于一定波长范围内的一种电磁辐射，光通量就是辐射通量。波长范围内的一种电磁辐射，光通量就是辐射通量。 光通量是一个包含着主客观双重因

13、素的物理量光通量是一个包含着主客观双重因素的物理量 辐射通量虽然是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量，但是，它并不能完辐射通量虽然是一个反映光辐射强弱程度的客观物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人们的主观感觉整地反映出由光能量所引起的人们的主观感觉视觉的强度（即明亮程度）视觉的强度（即明亮程度） 4 4、光照度、光照度 受照平面上接受的光通量面密度（单位面积光通量），单位：受照平面上接受的光通量面密度（单位面积光通量），单位：lxlx； 5 5、光合有效辐射照度、光合有效辐射照度 PAR PAR ：（：（Photosynthetically Active RadiationPh

14、otosynthetically Active Radiation）单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射（单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射（400400700nm700nm）的能量。）的能量。单位：单位：W/m2W/m2 6 6、光合有效光量子流密度、光合有效光量子流密度 PPFDPPFD或或PPFPPF，单位：，单位：mol/m2smol/m2s第二节 设施光环境特征 三、各种光辐射度量单位的相互关系一个光量子所具有的能量为： J hc)( q 式中 波长，m； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）。1、光合有效辐射照

15、度与光合有效光量子流密度间的换算设光合有效辐射照度为Ea（W/m2）；光合有效光量子流密度为Ep（mol/m2s）；换算系数为Ep=kapEa，即kap=Ep/Ea（mol/s）/ W；单色光的辐射照度分布密度为E（W/m2m）；光合有效辐射的波长范围为a-b（m）；则：2a W/mdbaEEsmol/m dhcN10 d/hcN10 d)(N102A6A6A6pbababaEEqEE式中 波长，m； h 普朗克常数（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）； NA 阿伏加德罗常数（6.0221023 mol-1），因此：W)mol/s( dd108.36 d

16、d10022.6109979.210626.610 dd10/babababababa6238346A6apapEEEEEEhcNEEk近似估计：对于日光，如按在400700nm范围内E为常量估计，W)mol/s( 598.4210)400700( 108.36 2 108.36 )(2108.36 2108.36 dd 108.36 dd108.36 /96ab6ab2a2b62666apapbabababababaEEEEEEk2、光合有效辐射照度与光照度间的换算换算系数为Ev=kavEa， )lx/(W/m dd)( d1d)(12e,e,me,e,mavavbabababaVKAVKA

17、EEk式中 e,波长为的单色光的辐射能通量，W/m (W)； V()标准光度观测者明视觉光谱光视效率； Km 最大光谱光视效能，Km = 683 lm/W。根据有关资料，对于日光，kav = 238 lx / (W/m2)，即：光合有效辐射照度 1W/m2 = 238 lx 光照度3、光照度与光合有效光量子流密度间的换算换算系数为Ep=kvpEv，即:s/lxmol/m 2avapavapvpvpkkEEEEEEk对于日光，kvp = kap / kav = 4 / 238 = 0.0168 mol/m2s / lx，即光照度 1 lx = 0.0168 mol/m2s 光合有效光量子流密度

18、对应量 已知量光照度lx光合有效辐射照度W/m2光合有效光量子流密度mol/m2.s总短波辐射照度W/m2光照度1 lx 10.00420.0040.01680.0180.01光合有效辐射照度PAR 1 W/m2 23825014.04.62.38光合有效光量子流密度PPFD 1 mol/m2.s 59.555.60.250.2210.595总短波辐射照度1 W/m2 1000.421.681四、设施光环境特点1、光照强度 室内光照强度比自然光弱。2、光照时数 室内光照时数受到温室类型的影响3、光质 主要影响380nm以下紫外光的透过率，大多不能透过310nm以下紫外光。 影响红外光的透过率。

19、4、光分布 室内光照分布不均匀。 第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外水平地面上太阳辐射照度的计算 （一）太阳常数 在大气层外，平均日地距离处，垂直于辐射传播方向上单位面积1个小时内测得的太阳辐照度为1353W /m2 ，称为太阳常数，以J0表示。 实际上大气层外的太阳辐照度随着日地距离的改变，在一定范围内变化。一年中第n天在法向平面上的大气层外的辐照度 Jon为： )365360cos033. 01 (0nJJon （二）室外水平面上的直射光辐射照度 见教材P151公式48aPrrJJadsinsin/1200第三节 进入设施内的太阳辐射计算 一、室外水平地面上太阳辐射照度的计算 （三

20、）室外水平面上的散射光辐射照度 见教材P151公式49PPHJJasln4 . 111sin2 . 1sin0 （四）室外水平面上的总辐射照度 sdJJJ第三节 进入设施内的太阳辐射计算 二、影响室内光照环境的主要因素见教材P152-154 三、室内总辐射照度的计算见教材P154-155 第四节 设施光环境的调节一、温室内的人工补光 1. 对人工光源的要求 光谱性能：富含400500nm蓝紫光和600700nm橙红光 适当的红色、蓝色光比例（R / B比） 适当的红光（600700nm）远红光（700800nm）比例（R / FR比） 具有其他特定要求的光谱（如补充紫外的不足等） 效率：发出的

21、光合有效辐射量与消耗功率之比 可视光效率（光效率） lm / W 光合有效辐射效率（辐射效率） mW / W 光合有效光量子效率（光量子效率） (mol/s) / W或mol / J 其他：使用寿命、价格等 2. 人工光源的种类 第四节 设施光环境的调节一、温室内的人工补光 3. 人工光源的光照配置 （1） 点光源照度的逐点计算法 照射到微元面积dA上的光辐射通量为d时，该微元面积上的照度为： d/dAE cos/ d dAA 式中 dA 面积dA在垂直于光源方向的平面上的投影，m2； 光源对于入射平面的入射角；Idd式中 I 光源在计算方向的发光强度，cd（坎德拉）； d 微元面积dA对应的

22、立体角； 2/ d dRA R 光源到照射面的距离，m。则： 22coscos/ ddRIARAIE采用n个光源时，计算点的照度为：niiiiRIE2cos（2） 线光源照度的逐点计算法 计算条件：线光源平行于被照面日 光白炽灯卤钨灯高压水银荧光灯白色荧光灯金属卤灯高压钠灯低压钠灯效率光效率lm/W（100）1719607087106143光合有效辐射效率mW/W（420）68190270300光量子效率mol/s)/W（1.68）0.340.871.241.48光照单位转换klx转换为W/m2(PAR)4.242.73.12.8W/m2(PAR)转换为mol/m2s454.64.65klx转

23、换为mol/m2s16.82012.414.314几种人工光源的发光效率及光照强度换算二、温室光照环境的调控二、温室光照环境的调控开发和选用合适的温室覆盖材料开发和选用合适的温室覆盖材料温室设计建设方面温室设计建设方面采用合理的方位与温室结构采用合理的方位与温室结构人工调控：人工调控： 光量调控光量调控 遮光与补光遮光与补光 补光又分为光合作用补光（高光强）和光周期补光又分为光合作用补光（高光强）和光周期 补光（低光强）补光（低光强） 光周期调控光周期调控 遮光调节，延长暗期遮光调节，延长暗期 补光调节，延长光照时间（整晚补光、早晚延补光调节，延长光照时间（整晚补光、早晚延 长补光和夜间间断补

24、光）长补光和夜间间断补光） 光质调控光质调控 采用满足要求的具有特定光谱分布的人工光源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补光；采用满足要求的具有特定光谱透过率的 覆盖材料覆盖材料 （一）光照强度的调控1、提高温室内光强主要措施提高温室内光强主要措施 透明覆盖材料的选择透明覆盖材料的选择 透明材料理想的透光特性为：透明材料理想的透光特性为： 300nm 300nm 低透光率（免伤害植物和覆盖材料老化、减少病虫害等）低透光率（免伤害植物和覆盖材料老化、减少病虫害等） 300300400nm 400nm 高透光率，有利植物成形、花果着色、高透光率，有利

25、植物成形、花果着色、VCVC、VDVD合成合成 400400700nm 700nm 高透光率，高透光率， （有利光合作用）（有利光合作用） 7007003000nm 3000nm 要求高透光率，以利于室内增温；当有室内降温要求要求高透光率，以利于室内增温；当有室内降温要求 时，应为低透光率时，应为低透光率 3000nm 3000nm 低透过率，减少散热，有利保温低透过率，减少散热，有利保温l设计建造方面：设计合理的屋面角度和形状；选择合理设计建造方面：设计合理的屋面角度和形状；选择合理的方位；选择粉尘、烟尘等污染较轻的地方建造。的方位；选择粉尘、烟尘等污染较轻的地方建造。 l日常管理上：日常管

26、理上：应经常打扫和清洗透光面，增加透光率。应经常打扫和清洗透光面，增加透光率。 在保持室温适宜的前提下，设施的不透明内外覆盖物在保持室温适宜的前提下，设施的不透明内外覆盖物(保温幕、保温幕、草苫等草苫等)尽量早揭晚盖，以延长光照时间增加透光率。尽量早揭晚盖，以延长光照时间增加透光率。注意作物的合理密植，注意行向注意作物的合理密植，注意行向(一般南北向为好一般南北向为好)，扩大行距，扩大行距，缩小株距，增加群体光透过率。缩小株距，增加群体光透过率。张挂反光幕。张挂反光幕。2 2、降低室内光强的措施、降低室内光强的措施 遮光：利用遮光来调控光照时数或光强。夏季避免强光灼烧叶片；抑遮光：利用遮光来调

27、控光照时数或光强。夏季避免强光灼烧叶片；抑制气温、土温和叶温的上升，降低光合强度；改善品质；或者进行制气温、土温和叶温的上升，降低光合强度；改善品质；或者进行短日照处理。短日照处理。 遮光方法：使用遮阳材料遮光方法：使用遮阳材料 在温室外屋面上方铺设或遮阳率可在在温室外屋面上方铺设或遮阳率可在40%70%40%70%的黑色遮阳网的黑色遮阳网（外遮阳），或竹帘、白色聚乙烯纱网等。（外遮阳），或竹帘、白色聚乙烯纱网等。 在室内设置透明与镀铝膜相间编织的内遮阳网。在室内设置透明与镀铝膜相间编织的内遮阳网。 在温室顶面内侧涂白以遮挡部分日光。在温室顶面内侧涂白以遮挡部分日光。3 3、提高光强分布均匀性、提高光强分布均匀性改进设施的结构改进设施的结构 建造温室时应尽量采用合理的屋面角度和形状。建造温室时应尽量采用合理的屋面角度和形状。 减少骨架材料的遮荫减少骨架材料的遮荫 选择南北方位选择南北方位（二）光周期调控 见教材P164-165（三）光质调控 见教材P164-165