当前世界环境

介绍

Kutch地区位于印度西北部，其特点是降雨量少且不稳定，环境温度高，土壤受盐影响，水质差^[13]。露天栽培容易失败，产量低^[13]能够减少作物歉收风险、提高产量和更好地利用稀缺水资源的技术将是非常可取的。温室技术可以帮助实现这些目标。但它在印度仍然相对较新，而且到目前为止，这些装置大多在较冷的地区。它在提高炎热干旱地区生产力方面的潜在作用尚未得到重视;也没有开展将其应用于这些领域的研究。米尔斯^[7]虽然温室通常被认为是在寒冷气候下提供温暖环境的必要条件，但也有研究表明，通过适当设计的冷却系统，可以改善植物在炎热气候下的生长条件。将现代冷却技术应用于印度的条件，无疑会增加在环境极其恶劣的地区生产高价值植物和材料的机会。受保护的耕作还具有大幅度提高单位用水量的植物生产力的潜在好处，这在许多优质水严重有限的地区非常重要”。

常见的冷却方法是风扇和垫系统和雾喷嘴或雾器。对布吉(距项目点90公里)气候条件下冷却所需水量的估计表明，需要冷却约120天的5个月作物将消耗超过700毫米的水，与露天农田的需水量相当。这是一个主要的障碍。替代冷却程序需要较少的水或不需要水。一种可能的替代方案是地管热交换器(ETHE)，另一种可能是自然通风。

南地中海地区的温室也有同样的问题。基塔斯等人。^［6］“地中海和干旱地区温室面积的发展需要有效的温室夏季适应。自然通风是温室降温最常用的系统。库奇地区的降温需求将会延长。但同时也有风。例如，4月、5月和6月白天(上午10点至下午4点)的平均风速分别为6米/秒、8米/秒和9米/秒。鉴于电力昂贵且供应不可靠，依靠自然通风也是适当的。

Santamouriset al。^［１１］回顾了来自不同国家的18套温室装置。在所有这些设施中，它都是用来补充供暖的。它对总供暖需求的覆盖范围从28%到60%不等。在某些情况下，在最冷的日子里，温室空气温度比环境温度高，从3°C到10°C不等。他们没有提到冷却模式。但他们通过模拟证明，这种气体同样是一种有吸引力的制冷补充。利用TRNSYS软件对一个在雅典(37.50 N)环境下运行的温室进行了模拟。对夏季温室的气温进行了预测，并与1000米的测量结果进行了比较²雅典的玻璃覆盖的温室与ETHE相连。模拟结果表明，利用地埋管道的空气持续通风可以使温室内的空气温度保持在40℃以下。在雅典的夏季，封闭、不通风的温室里的温度通常高达45°C。在Kothara(北纬23°14)，封闭的房屋在10月、11月、12月和1月的温度分别上升到55°C、38°C、34°C和59°C。这里可能需要一个ETHE。

据报道，地中海地区和美国部分地区对自然通风进行了广泛的研究。Boulard和Baille^[1]布拉德和德拉维^[2]开发了有用的表达式来预测在416米的大范围测量后屋顶通风口的通风率²法国阿维尼翁的双跨塑料温室。在给定屋顶通风口尺寸和风速的情况下，计算通风量的几种模型之一是:

在那里,

G =通风量;

S =排气面积;

=经验确定的无量纲系数，风速为6至9米/秒

为(0.20±0.008);

V =风速

表(1)显示了其他几位作者确定的经验系数。

表1:无遮挡通风口的经验风系数

源	屋顶	一方	双方	屋顶+ 一方
帕帕达基斯等人(1996)	0.246	0.142	-	0.210
基塔斯等人(1996)	-	-	0.230	-
基塔斯等人(2002)	0.288(无屏幕); 0.136(带屏幕)	-	-	-

Kacira等人。^［4］利用计算流体动力学(CFD)软件对侧面和屋顶有通风口的锯齿形温室的空气变化率、风的流动模式进行了研究。模拟结果表明，风速、通风口位置相对于风向对空气变化率有显著的正影响。迎风面的侧通风口比屋顶通风口更有效。例如，在室外风为2米/秒的两跨房屋的空情况下，换气率为4.05次/分钟，迎风面通风口与两个屋顶通风口一起打开。如果没有侧排气孔，换气量下降到每分钟0.7次(换气量的六分之一)。侧面通风口面积占楼面面积的9%，两个屋顶通风口各占楼面面积的12%。这三个通风口的面积都占到地面的33%。在风速较慢的情况下，下降比例更大。从模拟中得到的气流模式很有趣，有助于理解通风口大小和位置的有用性。

从Kittas等人的研究结果来看，温室的开口被昆虫屏障覆盖，这大大降低了通风率。^［5］表1中。米格尔等人。^[8]测试了七种不同的筛管材料，确定了筛管间的压降，并估计了渗透率。他们证明了压降最好用著名的福切默方程来描述。穆尼奥斯^[9]开发了关于两个重要参数的信息，即通风口的排放系数和结构的风效系数，这些参数需要计算给定房屋中给定通风口大小和位置的通风率。

让我们概括一下，温室技术可以提高炎热干旱地区的生产力。为了促进它的采用，人们希望开发出需要更少的水或不需要水的冷却方法，而且在电力使用上也很经济。地中海地区的一些地方正在努力在温室中采用自然通风，以降低冷却成本。在像印度库奇这样的炎热干旱地区，静电通风似乎很有希望。这些都需要试验。

材料与方法

在印度古吉拉特邦Kutch地区的Kothara村建立了一个设施。Kothara由一个温室组成，以闭环模式连接到ETHE，并配有侧面和屋顶通风口以及顶部的可伸缩遮阳网。整个组件被称为干旱地区温室(AAG)。

干旱区温室试验设计

1998年，当我们开始在干旱地区推行环境控制农业时，当地还没有关于深层地温状况的数据库，当然也没有在该地区应用的任何实例。建立本地数据库需要做大量的基础工作。首先，对深地温状态进行了表征。沙朗和贾达夫^[14]报告称，3 m深度的温度状况稳定，平均为27°C，季节性波动幅度小。然后在加热和冷却模式下进行单次测试^{[13] [15]}。然后，艾哈迈达巴德动物园安装了一个使用ETHE的实际系统来冷却老虎的住所^［１６］。所有这些经验都被用于设计和建造Kothara的设施。

温室结构

温室为锯齿型结构，框架由方形封闭的镀锌铁制成。桥跨6米，桥长20米，桥脊高3.5米;建筑面积120m²封闭体量360m^3.(图1)排水沟是东西向的。用于包覆的200微米UV稳定PE薄膜。

图1:干旱试验区温室 Kothara, Kutch, Gujarat 点击此处查看图

通风口

虽然已经开展了一些工作，但印度还没有自然通风温室换气率的标准。ASAE的标准是每分钟换气0.75 - 1次。方程-2给出了空气流速和要去除的热量之间的关系(ASHRAE1985基本原理)。

H

Q = -------------------------- ..............(2）

(Cf₂) (T_我- T_o）

在那里,

Q =空气流速(m^3./ h),

H =需要从空间中移除的热量(W);

Cf₂=计算系数0.34;

T_我和T_o=内外空间温度(K)。

表2是由上式得到的给定换气速率下的温差。换气量约为1时，可以预期室内温度与室外温度相差不超过2度。我们选择每分钟或360米换气一次^3./分钟在Kothara设施。所以现在我们需要确定通风口的总面积和位置。通风口将有屏幕，在操作期间将有农作物。

表2:换气速率和温差

T(°C)	换气量
1	2.1
2	1.1
3.	0.8
4	0.7

通风口位置

位于相对两侧的两个开口增加了空气流速;此外，由于热梯度引起的流动，开口之间需要有一定的垂直距离(ASHRAE Fundamentals 1985)。侧面和屋顶配置已被Feuilloley等人推荐。^［3］肖特被收养了。我们决定有三个通风口——两个相对在同一水平面上，一个在屋脊(屋顶)上。侧通风口是连续的，脊式通风口是分段的。由于所有三个通风口都可以手动关闭，因此这种配置可以提高操作的灵活性。

开口尺寸

Kothara地区夏季(3 ~ 6月)的最高风速为8 ~ 10 m/s。我们取4m/s(峰的一半)来确定排气口的大小。利用Papadak给出的风系数^[10]通风口的高度(长度等于侧面或脊的长度-20米)的配置-一个在一侧，一个在屋顶对面-被发现是0.53米(每个)。这里的通气量是1。由于它被选中有三个通风口，所有通风口都是20米X 0.5米。总通风口面积占建筑面积的25%，其中17%在侧面，8%在屋脊。通风口被屏蔽。屋顶上有可伸缩遮阳罩，由50%遮阳的无纺布遮阳网制成。三个通风口配置的系数-两个在侧面，一个在屋顶-没有在文献中找到。同样，在该设施建成的时候，与风有关的系数并不容易获得屏蔽的通风口。因此，不可能先验地确定实际结果的确切通风率。对温室外的烟流进行了目测。 Smoke was generated at three points in the closed and empty greenhouse. In one test all three vents were simultaneously opened. The wind direction at the time was south-west. Most of the smoke went out of the vent at the bottom on the north side. A much smaller amount exited through the top vent. House became apparently clear of smoke in just a few minutes.

地管换热器

在任何特定地点为特定尺寸的温室设计或选择风扇垫系统的程序都已建立，并附有规定的组件标准。这与基于ETHE的系统不同。在计算温室的通风需求(每小时换气次数)时，假设温室有农作物顶棚(不是空的)，并且在高峰时间保持阴凉。这个装置每小时为温室提供20次换气。计算表明，更高的通风率是可取的，但系统变得笨重，昂贵。因此，决定将空气变化的规模限制在20个，并在高峰时间提供雾器来增加冷却。空气由一个4千瓦，1440转的电机驱动的离心鼓风机移动。

它由八根管子组成，分成两层。第一层有四根管子，放置在3m深度，第二层也有四根管子，放置在第一层上方1m处。每根管子长23米，直径20厘米。管道由低碳钢制成，壁厚3mm。这种管道通常用作管井套管。管道间隔1.5m。在每一层的两端都有一个共同的报头。空气从温室中抽出，通过埋在地下的管道循环，然后返回温室。共39台，流量为7lph，操作压力为4kg/cm²。

灌溉施肥单元

有一个施肥装置和滴管，用于浇水和施肥。

监测环境参数的仪器仪表

在系统附近安装了一个8通道数据记录仪，由可充电的12v电池供电。空气温度、相对湿度和风速(离地面5米的三杯风速计)由数据记录器(印度气象技术公司)每小时在现场测量和记录。温度测量精度为±0.2℃(分辨率±0.1℃)，相对湿度测量精度为±3%(分辨率±0.1%)，风速测量精度优于±0.5 m/s，失速速度为0.3m/s。三个屏蔽天气的温度传感器放置在离地面1米的位置，分别位于中线两端和中间。在两个土壤温度传感器中，一个放置在30厘米深的地方，另一个放置在地表以下。相对湿度传感器放置在离地面1m的中线上方。数据记录仪有LCD显示，实时时钟日历，和串行输出端口连接到PC机与打印机或内存模块并行接口。

结果与讨论

温室环境控制

作物内部自然通风(支撑番茄1.9米高的棚架)和顶棚封闭温室在6月份显示出9.8°C的峰值增益(表3)。当所有通风口打开时，增益降至3.1°C。预计这些结果不会与其他地点的结果相同。但是，将这些结果与Tietel和Tanny报告的结果进行比较是有趣的^［１７］。他们研究了位于以色列南部的温室(北纬31.28度，东经34.38度，上午7.5米)的瞬态行为。该设施为四跨锯齿结构，长960m²67米的地板和连续屋顶窗户²总面积占楼面面积的6.9%。在测试中，它把辣椒拖到2.8米的高度。经过几天的测试(直到7月1日)，温室在关闭后加热一小时，上午10点温度为32.5°C，比环境温度高6.3°C。当屋顶通风口打开时，房子开始冷却，并在大约38分钟内达到稳定状态。到那时，房子已经冷却到仅比环境温度高1.2°C，而环境温度几乎保持不变(约31°C)。试验期间，辐射水平接近872W/m左右²风速为2.5m/s。测试在几天内重复进行，结果相似。

表3:温度增益(2005年6月前遮阳温室内作物)

通风口和冷却系统的状态	临时增加。在 2005年6月 下午2点(°C)	起雾时用水量(升/小时)
所有通风口关闭	9.8	从
所有通风口都打开了	3.1	从
所有通风口关闭 (上午10点开机，下午4点关机)	2．5	从
所有通风口关闭 (上午十时至下午四时开班，闭班30分钟，开班2分钟)	1.2	18
注意:6月16日至22日进行的测试;太阳辐射和风速传感器出现故障。在测试前几天，上午10点至下午4点之间的平均辐射水平为883瓦/米2平均风速为8米/秒。

the的运作

当系统运行时(所有通风口关闭)，仅该系统就能够将增益限制在2.5°C。当系统连同雾化也完成(2分钟爆发每半小时)，增益进一步降低到仅1.2°C。进一步增加雾化频率，但效果不明显。该表还显示了补充蒸发冷却每小时18升，每次每小时120秒的两次爆发时的失水量。规定每分钟换气0.33次。如果没有屏风，里面也没有作物，三个通风口的换气率预计将接近1。筛网显著降低了流速(表1)。高作物的存在进一步降低了流速。Feuilloley等人。^［3］研究了通风孔大小、位置风速和植被高度对拟齐特隧道通风量和降温效果的影响。他们报告说:“最好的通风系统有顶部和底部开口，底部开口面积大于顶部开口面积。该系统的最佳总开口面积为32%(顶部15%，底部17%)”。他们使用CO测量了通风系数(每小时换气率)₂)示踪技术。开放面积达到32%，在光秃秃的地面上通风系数为76，在1.8米高的植被上通风系数为40。通过在隧道内设置塑料防风林，模拟了植物高度对通风系数的影响。Kothara的三个通风口配置提供了少于一次的换气率，这似乎是合理的。风力机对空气施加机械力，其输出不受作物的影响。因此，接近的表现可能是合理的。

供暖系统

Kothara的夜间温度通常在12月开始降到18°C以下。一月份的夜晚更冷，气温下降到8到9摄氏度。大约在二月中旬，夜间气温上升到18°C以上。夜间封闭温室内的温度被观察到与环境温度几乎相同。因此，从12月15日到2月15日左右需要供暖。据报道，加热是非常有效地完成与歌德^[12]。当室内温度低于15°C时，电灯就会打开。它能在30分钟内将温度提高到22-23°C。可采用开/关程序-当温度达到15℃左右时打开，当温度升高到22℃时关闭。温度通常需要70到80分钟才能降到15°C以下。

环境管制时间表

在寒冷的月份(11月至1月和2月的部分时间)，只要在中午左右打开通风口两个小时就足够了。需要在夜间加热，这可以很容易地完成。从2月开始，顶部被遮蔽，通风口在中午左右打开4小时。这个过程使内部温度保持在34°C以下。四月初开始运行，偶尔也使用雾化。该过程将内部温度保持在34°C -36°C左右。种植一直持续到5月中旬。温室从5月15日至6月30日关闭。7月恢复种植。

温室番茄栽培

先正达的Avinash F2型杂交番茄进行了种植试验，这在商业种植者中更为常见(图2)。2004年10月28日播种幼苗(表4)。2005年5月15日最后一次采摘。作物在温室中保存到6月的第三周(仅用于试验和其他观察)。4月以后，产品的价格变得更好，因为3月以后，整个省的任何地方都没有长期的番茄作物。但到了5月底，果实变小了，每周采摘的数量也减少了，天气也变得太热了。在这个炎热干旱的地区，我们能够在夏季很好地进行种植是一项非常重要的成就。

图2:干旱地区温室番茄 Kothara, Kutch, Gujarat 点击此处查看图

表4:干旱区温室种植试验情况汇总

老不。	细节	番茄
1.	各种	Avinash F2混合动力车
2.	植物间距	45 × 45厘米。
	种植面积	95米2
3.	种植日期	二四年十月二十八日
	第一个用花装饰的	种植后30天
	第一个选择	2月16日(种植后100天)
	最后的选择	2005年5月15日(195天后)
4.	水果的大小	长轴5.5 - 6.0厘米
		次要5.2 - 5.8厘米
5.	株高	190.0厘米
6.	收益率	56.3吨/公顷
7.	总雾水应用	0

节约用水

总灌溉水量211 mm。这仅仅是露天种植番茄的一半(早些时候曾说过，产量更少，季节在3月结束)。虽然在第一次试验过程中偶尔使用雾化器，但在这次种植试验中没有使用雾化器。不使用雾化器的原因是，落在叶子上的水颗粒似乎会造成微小的暗褐色斑点，看起来像是盐烧伤。

增加每轮作物的产量

总产量相当于56.3吨/公顷。据种植者报告，在这个地区的邻近地区，露天田的最佳产量仅为15吨/公顷。然而，在该省其他潮湿地区，报告的最佳产量为30吨/公顷。因此，在该省潮湿地区，AAG产量几乎是最好的露地产量的两倍。

结论

适应适宜的温室技术可用于炎热干旱地区，以提高产量、延长种植季节和更好地利用稀缺的水资源。土管换热器和静态通风是两种很有前途的环境控制方法。这也为冬夜供暖提供了有效的手段。具有这些特征的设施被称为干旱地区温室。Kothara AAG的静态通风口面积相当于楼面面积的25%(两侧通风口占17%，山脊通风口占8%)。这台空调每小时能换气20次。它嵌入在温室下方2至3米的地层中，平均温度为27°C，年波动幅度较小。

1. 从上午11点到下午4点打开通风口，从顶部遮阳，足以使房子保持在34°C以下，直到1月中旬。随后，需要对其进行操作。该操作限制了温度增益，并将内部温度保持在36°C附近。
2. 在古吉拉特邦，种植一种杂交番茄作物所需的水量几乎是露天农田所需水量的一半。产量几乎是本省露天条件下的两倍。

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