1、設施環境調控緒論一、農業設施與設施環境二、設施環境工程在農業生產中的作用第一章 設施光環境及其調控 第一節 建筑日照的基本理論 一、地球的公轉與太陽赤緯角 二、地球的自轉與太陽時 三、太陽高度角和方位角 第二節 設施光環境特征 一、與設施內環境相關的光、熱輻射 二、與太陽輻射有關的光輻射強度的度量 三、各種光輻射度量單位的相互關系 四、設施光環境特點第三節 進入設施內的太陽輻射計算 一、室外地面上太陽輻射照度的計算 二、 進入設施內的太陽輻射計算第四節 設施光環境的調節 一、溫室內的人工補光 二、人工光照的配置計算 三、光質調節 四、日長調節第二章第二章 設施熱環境及其調節設施熱環境及其調節

2、第一節 熱量傳遞的基本方式 第二節 輻射換熱 第三節 導熱 第四節 對流換熱 第五節 溫室熱環境 一、溫室傳熱與能量平衡 二、溫室采暖熱負荷 三、溫室的節能保溫 四、溫室的降溫調節第三章第三章 溫室的氣體環境與通風調節溫室的氣體環境與通風調節 第一節 溫室通風概述 一、 溫室通風換氣的目的 二、 溫室通風的設計要求 三、 通風的基本形式與特點 第二節 溫室的必要通風量 一、 控制室溫的必要通風量 二、 維持CO2濃度的必要通風量 三、 控制溫室內濕度的必要通風量 第三節 溫室通風 一、熱壓作用下的自然通風 二、風壓作用下的自然通風 三、自然通風系統設置 四、溫室的機械通風第四章第四章 溫室環境

3、自動控制溫室環境自動控制 第一節 自動控制基本原理 第二節 設施環境常用控制器 第三節 設施環境自動調控系統緒緒 論論 一、農業設施與設施環境一、農業設施與設施環境1 1、農業設施、農業設施 農業設施是能夠提供適宜的生產環境等條件，具有特定生產功能的農農業設施是能夠提供適宜的生產環境等條件，具有特定生產功能的農業生產性建筑、配套設備的工程系統。業生產性建筑、配套設備的工程系統。2 2、農業設施的特點、農業設施的特點 （1 1）可以為各種農業生產對象提供比自然環境更加適宜的生產環境）可以為各種農業生產對象提供比自然環境更加適宜的生產環境條件，且可以調控環境。為此設施一般應具備建筑圍護結構或具有圍

4、護作條件，且可以調控環境。為此設施一般應具備建筑圍護結構或具有圍護作用的構造物，以形成與外界相對隔離的空間條件。用的構造物，以形成與外界相對隔離的空間條件。 （2 2）依靠各種生產設備實現高效生產。）依靠各種生產設備實現高效生產。3 3、設施環境（農業生物環境）、設施環境（農業生物環境） 農業生物環境一般分為：農業生物環境一般分為： 物理環境：包括生物周圍的溫度、光照和熱輻射、空氣和水的運動物理環境：包括生物周圍的溫度、光照和熱輻射、空氣和水的運動狀態等，其中由空氣溫度、濕度、熱輻射、空氣和水的流動等因素所構成的狀態等，其中由空氣溫度、濕度、熱輻射、空氣和水的流動等因素所構成的環境稱為熱環境。

5、環境稱為熱環境。 化學環境：指生物周圍空氣、土壤和水中的化學物質成分組成。化學環境：指生物周圍空氣、土壤和水中的化學物質成分組成。 生物環境：除農業生物個體以外的其他所有生物。包括空氣、土壤、生物環境：除農業生物個體以外的其他所有生物。包括空氣、土壤、或水中的微生物，生物體內外的寄生物，以及周圍的其他同類生物群體等。或水中的微生物，生物體內外的寄生物，以及周圍的其他同類生物群體等。 光照光照水和肥水和肥料料溫度溫度CO2濕度濕度溫室的環境調控應該實現以光照為主導因子的綜合環境管理。溫室的環境調控應該實現以光照為主導因子的綜合環境管理。 4 4、設施結構、設施結構環境環境生物之間的相互關系生物之

6、間的相互關系 設施環境設施環境外界環境外界環境設施結構設施結構生物活動狀態和代謝過程生物活動狀態和代謝過程 設施結構決定了其環境性能，所以在設施環境調控之前，首先設施結構決定了其環境性能，所以在設施環境調控之前，首先確定好的結構，才能做到環境調控的節能、低成本。確定好的結構，才能做到環境調控的節能、低成本。 5 5、設施環境調控的原理和方法、設施環境調控的原理和方法（1 1）理論）理論 1 1）質量守恒定律）質量守恒定律 2 2）熱力學第一定律）熱力學第一定律能量守恒定律能量守恒定律 3 3）質熱傳遞過程的理論）質熱傳遞過程的理論 4 4）環境與生物間相互影響的生態學原理）環境與生物間相互影響

7、的生態學原理（2 2）方法）方法 定量化描述生物與環境、外界環境與設施內部環境間的相定量化描述生物與環境、外界環境與設施內部環境間的相互關系互關系模型的建立及應用模型的建立及應用 采用工程化的手段，利用專用設備來實現。采用工程化的手段，利用專用設備來實現。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 現代化連棟溫室的環境控制及其設備環境因子環境因子 控制設備控制設備光照光照人工光源、簾幕系統人工光源、簾幕系統溫度溫度采暖設備、降溫系統、通風系統、簾幕系統、采暖設備、降溫系統、通風系統、簾幕系統、噴淋噴淋/噴霧系統噴霧系統CO2濃度濃度 CO2施肥系統、通風系統施肥系統、通風系統濕度濕度采暖設備、降溫系統、通風系統、簾幕系統、采暖設備、降溫系統、通風系統、簾幕系統、噴淋噴淋/噴霧系統噴霧系統緒 論二、設施環境工程在農業生產中的作用 參考教材 P24第一章 設施光照環境及其調控第一節 建筑日照的基本理論 一、地球的公轉與太陽赤緯角 1、太陽赤緯角 太陽光線與地球赤道

10、面的夾角 太陽直射光線投射到地球表面，光線與地面垂直處的地理緯度)365284360sin(45.23n)365172360cos(45.23n三、太陽高度角和方位角四、斜面太陽入射角b與其他角度之間的關系)cos(sincoscossincosefcacab五、日出、日沒時刻 )tantan(cos10t第二節 設施光環境特征 一、與設施內環境相關的光、熱輻射 1、電磁波譜 2、太陽輻射的光譜能量分布（教材P144150） 3、常溫物體的熱輻射黑體常溫下的熱輻射波譜010203040020406080100波長(m)輻射力(W/m2m) 不同波長的光熱輻射對植物及環境的作用不同波長的光熱輻射

11、對植物及環境的作用mm長波紅外長波紅外輻射輻射m W/m1khcexphc220520bTM普朗克定律（黑體的單色輻射力） 波長，m； T 熱力學溫度，K； h 普朗克常數（6.62610-34Js）； k 玻爾茲曼常數（1.380710-23J/K）； c0 真空中的光速（2.9979108m/s）Km 6 .2897 maxT 維恩位移定律（最大輻射力對應的波長）第二節第二節 設施光環境特征設施光環境特征 二、與太陽輻射有關的光輻射強度的度量二、與太陽輻射有關的光輻射強度的度量 1 1、輻射（能）通量、輻射（能）通量 單位為單位為W W。 2 2、輻照度、輻照度（輻射能通量密度）單位為（輻

12、射能通量密度）單位為W/m2W/m2。 3 3、光通量、光通量 按照國際約定的人眼視覺特性評價的輻射能通量按照國際約定的人眼視覺特性評價的輻射能通量( (輻射功輻射功率率) )，光源在單位時間內，光源在單位時間內, ,向周圍空間輻射出的使人眼產生光感的能量向周圍空間輻射出的使人眼產生光感的能量, ,稱為光通量稱為光通量,單位為單位為lmlm： 光通量和輻射通量這兩個非常相似的概念，光通量和輻射通量這兩個非常相似的概念， 錯誤地認為既然光是屬于一定錯誤地認為既然光是屬于一定波長范圍內的一種電磁輻射，光通量就是輻射通量。波長范圍內的一種電磁輻射，光通量就是輻射通量。 光通量是一個包含著主客觀雙重因

13、素的物理量光通量是一個包含著主客觀雙重因素的物理量 輻射通量雖然是一個反映光輻射強弱程度的客觀物理量，但是，它并不能完輻射通量雖然是一個反映光輻射強弱程度的客觀物理量，但是，它并不能完整地反映出由光能量所引起的人們的主觀感覺整地反映出由光能量所引起的人們的主觀感覺視覺的強度（即明亮程度）視覺的強度（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（單位面積光通量），單位：受照平面上接受的光通量面密度（單位面積光通量），單位：lxlx； 5 5、光合有效輻射照度、光合有效輻射照度 PAR PAR ：（：（PhotosyntheticallyPhotosynthetically

14、Active Radiation Active Radiation）單位時間、單位面積上到達或通過的光合有效輻射（單位時間、單位面積上到達或通過的光合有效輻射（400400700nm700nm）的能量。）的能量。單位：單位：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，單位：，單位：mol/m2smol/m2s第二節 設施光環境特征 三、各種光輻射度量單位的相互關系一個光量子所具有的能量為： J hc)( q 式中 波長，m； h 普朗克常數（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）。1、光合有效輻射照

15、度與光合有效光量子流密度間的換算設光合有效輻射照度為Ea（W/m2）；光合有效光量子流密度為Ep（mol/m2s）；換算系數為Ep=kapEa，即kap=Ep/Ea（mol/s）/ W；單色光的輻射照度分布密度為E（W/m2m）；光合有效輻射的波長范圍為a-b（m）；則：2a W/mdbaEEsmol/m dhcN10 d/hcN10 d)(N102A6A6A6pbababaEEqEE式中 波長，m； h 普朗克常數（6.62610-34Js）； c 真空中的光速（2.9979108m/s）； NA 阿伏加德羅常數（6.0221023 mol-1），因此：W)mol/s( dd108.36 d

16、d10022.6109979.210626.610 dd10/babababababa6238346A6apapEEEEEEhcNEEk近似估計：對于日光，如按在400700nm范圍內E為常量估計，W)mol/s( 598.4210)400700( 108.36 2 108.36 )(2108.36 2108.36 dd 108.36 dd108.36 /96ab6ab2a2b62666apapbabababababaEEEEEEk2、光合有效輻射照度與光照度間的換算換算系數為Ev=kavEa， )lx/(W/m dd)( d1d)(12e,e,me,e,mavavbabababaVKAVKA

17、EEk式中 e,波長為的單色光的輻射能通量，W/m (W)； V()標準光度觀測者明視覺光譜光視效率； Km 最大光譜光視效能，Km = 683 lm/W。根據有關資料，對于日光，kav = 238 lx / (W/m2)，即：光合有效輻射照度 1W/m2 = 238 lx 光照度3、光照度與光合有效光量子流密度間的換算換算系數為Ep=kvpEv，即:s/lxmol/m 2avapavapvpvpkkEEEEEEk對于日光，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、對應量 已知量光照度lx光合有效輻射照度W/m2光合有效光量子流密度mol/m2.s總短波輻射照度W/m2光照度1 lx 10.00420.0040.01680.0180.01光合有效輻射照度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總短波輻射照度1 W/m2 1000.421.681四、設施光環境特點1、光照強度 室內光照強度比自然光弱。2、光照時數 室內光照時數受到溫室類型的影響3、光質 主要影響380nm以下紫外光的透過率，大多不能透過310nm以下紫外光。 影響紅外光的透過率。

19、4、光分布 室內光照分布不均勻。 第三節 進入設施內的太陽輻射計算 一、室外水平地面上太陽輻射照度的計算 （一）太陽常數 在大氣層外，平均日地距離處，垂直于輻射傳播方向上單位面積1個小時內測得的太陽輻照度為1353W /m2 ，稱為太陽常數，以J0表示。 實際上大氣層外的太陽輻照度隨著日地距離的改變，在一定范圍內變化。一年中第n天在法向平面上的大氣層外的輻照度 Jon為： )365360cos033. 01 (0nJJon （二）室外水平面上的直射光輻射照度 見教材P151公式48aPrrJJadsinsin/1200第三節 進入設施內的太陽輻射計算 一、室外水平地面上太陽輻射照度的計算 （三

20、）室外水平面上的散射光輻射照度 見教材P151公式49PPHJJasln4 . 111sin2 . 1sin0 （四）室外水平面上的總輻射照度 sdJJJ第三節 進入設施內的太陽輻射計算 二、影響室內光照環境的主要因素見教材P152-154 三、室內總輻射照度的計算見教材P154-155 第四節 設施光環境的調節一、溫室內的人工補光 1. 對人工光源的要求 光譜性能：富含400500nm藍紫光和600700nm橙紅光 適當的紅色、藍色光比例（R / B比） 適當的紅光（600700nm）遠紅光（700800nm）比例（R / FR比） 具有其他特定要求的光譜（如補充紫外的不足等） 效率：發出的

21、光合有效輻射量與消耗功率之比 可視光效率（光效率） lm / W 光合有效輻射效率（輻射效率） mW / W 光合有效光量子效率（光量子效率） (mol/s) / W或mol / J 其他：使用壽命、價格等 2. 人工光源的種類 第四節 設施光環境的調節一、溫室內的人工補光 3. 人工光源的光照配置 （1） 點光源照度的逐點計算法 照射到微元面積dA上的光輻射通量為d時，該微元面積上的照度為： d/dAE cos/ d dAA 式中 dA 面積dA在垂直于光源方向的平面上的投影，m2； 光源對于入射平面的入射角；Idd式中 I 光源在計算方向的發光強度，cd（坎德拉）； d 微元面積dA對應的

22、立體角； 2/ d dRA R 光源到照射面的距離，m。則： 22coscos/ ddRIARAIE采用n個光源時，計算點的照度為：niiiiRIE2cos（2） 線光源照度的逐點計算法 計算條件：線光源平行于被照面日 光白熾燈鹵鎢燈高壓水銀熒光燈白色熒光燈金屬鹵燈高壓鈉燈低壓鈉燈效率光效率lm/W（100）1719607087106143光合有效輻射效率mW/W（420）68190270300光量子效率mol/s)/W（1.68）0.340.871.241.48光照單位轉換klx轉換為W/m2(PAR)4.242.73.12.8W/m2(PAR)轉換為mol/m2s454.64.65klx轉

23、換為mol/m2s16.82012.414.314幾種人工光源的發光效率及光照強度換算二、溫室光照環境的調控二、溫室光照環境的調控開發和選用合適的溫室覆蓋材料開發和選用合適的溫室覆蓋材料溫室設計建設方面溫室設計建設方面采用合理的方位與溫室結構采用合理的方位與溫室結構人工調控：人工調控： 光量調控光量調控 遮光與補光遮光與補光 補光又分為光合作用補光（高光強）和光周期補光又分為光合作用補光（高光強）和光周期 補光（低光強）補光（低光強） 光周期調控光周期調控 遮光調節，延長暗期遮光調節，延長暗期 補光調節，延長光照時間（整晚補光、早晚延補光調節，延長光照時間（整晚補光、早晚延 長補光和夜間間斷補

24、光）長補光和夜間間斷補光） 光質調控光質調控 采用滿足要求的具有特定光譜分布的人工光源采用滿足要求的具有特定光譜分布的人工光源 補光；采用滿足要求的具有特定光譜透過率的補光；采用滿足要求的具有特定光譜透過率的 覆蓋材料覆蓋材料 （一）光照強度的調控1、提高溫室內光強主要措施提高溫室內光強主要措施 透明覆蓋材料的選擇透明覆蓋材料的選擇 透明材料理想的透光特性為：透明材料理想的透光特性為： 300nm 300nm 低透光率（免傷害植物和覆蓋材料老化、減少病蟲害等）低透光率（免傷害植物和覆蓋材料老化、減少病蟲害等） 300300400nm 400nm 高透光率，有利植物成形、花果著色、高透光率，有利植物成形、花果著色、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，以利于室內增溫；當有室內降溫要求要求高透光率，以利于室內增溫；當有室內降溫要求 時，應為低透光率時，應為低透光率 3000nm 3000nm 低透過率，減少散熱，有利保溫低透過率，減少散熱，有利保溫l設計建造方面：設計合理的屋面角度和形