西北日光温室小气候建模与仿真

西北日光温室小气候建模与仿真摘要:针对温室小气候的基本特点,结合国际较新的热平衡稳定状态方法,根据西北地区夏季的温室具体情况,建立了温室的温度､湿度模型｡通过对模型的分析和仿真试验,取得了较好的效果｡关键词:日光温室;小气候;系统建模On the Modeling and Emulation of the Microclimate of Sunlight Greenhouse in the Northwest ChinaAbstract: The microclimate of greenhouse was a nonstationary, nonliner dynamic environment with strong coupling and great lag. The model and emulation were established for the greenhouse microclimate in order to build a sound supervisory and control system of the greenhouse. Based on the characteristics of microclimate of greenhouse, and the specific macroclimate in the summer of northwest china, the temperature and humidity models were set up by the new international method of heat banlance steady state equation. Through the analysis and emulation experiments, the effects were basically conform what were supposed.Key words: sunlight greenhouse; microclimate; system modeling温室生产中,温室环境涉及了很多的因素,而影响作物生长的气候因素主要是温度､湿度､光照和CO2浓度｡这些环境因素之间并不是单个因素对温室作物作用的累加,而是各环境因素共同对作物的产量和质量起作用,它们相互联系､相互促进和相互制约｡为了提高对环境管理和控制的有效性,研究温室小气候和作物模型是非常必要的｡掌握温室环境因素的特点,为温室环境的调节控制提供了依据｡为了更好地改进现有温室,必须从温室的小气候模型进行分析,建造适合我国各地区气候特点的不同温室[1-5]｡在过去的20年里,荷兰､以色列､法国､美国､比利时､加拿大､葡萄牙等国家对温室小气候模型进行了深入地研究,积累了很多宝贵的经验[6,7],为温室的建造和控制技术提供了理论基础和实际指导｡目前,温室小气候建模主要有3种方法:机理建模､线性模型参数辨识和非线性模型参数辨识[8]｡机理建模方法基于传热学､传质学等物理学定律和蒸腾作用､呼吸作用､光合作用等作物生理学原理进行机理分析,通过能量平衡和物质平衡建立温室小气候模型[9,10]｡采用机理模型能够清楚地认知温室小气候的物理本质,可以模拟温室小气候系统｡本文就温室小气候模型的机理建模方法及西北地区夏季的温室特点对模型进行合理简化后,进行动态仿真｡1温室系统机理模型1.1试验条件及方法试验在宁夏回族自治区银川市宁夏农业科学研究院内的大型连栋温室中进行｡温室为东西走向,覆盖材料为双层PC板｡温室南北方向共分为3跨,结构单元跨度每跨长为10.8 m,温室檐高3.5 m｡每区开间为5 m,共10开间,长为50 m｡冬季用保温幕来减少热量损失,节约能源｡夏季采用内加湿帘——风机系统进行加湿控制,风机单独工作时进行降温控制｡风机装在温室的北边,湿帘装在南边｡风机分为4组,每组4台｡根据室内环境的情况,开启不同组数的风机,这样可以实现较好的降温效果,同时可节约能源｡温室内空气的温湿度由装在室内的温湿度传感器检测,通过计算机监控系统自动记录保存数据｡测量项目包括室外的温度､湿度､风速､太阳总辐射和太阳平均辐射,基质温湿度,CO2浓度,光照强度等｡1.2温室温度机理模型温室环境中各环境因素之间是相互作用的,温室环境中既存在物理现象,又存在着一些植物的生理现象｡因此,要对温室环境建立一个全面的､完整的模型是相当困难的｡国际上对此的研究已进行了很多年,直至热平衡稳定状态方法的引入,为温室建模提供了一种新的思路｡1991年Bot､1993年Boulard和Baille用能量和物质平衡方程来描述温室气候[11-14]｡根据温室的热平衡稳定状态原理,可以得出温室气体温度的动态方程式:ΔQ=Qrad+Qheat+Qvent+Qcac+Qcrad+Qsoil+Qleaf-Qcool-Qtran-Qp (1)其中,ΔQ为温室空气的显热增量,Qrad为太阳光照辐射能量,Qheat为加热能量,Qvent为通风热交换能量,Qcac为与外界热传导能量,Qcrad为长波辐射能量,Qsoil为与土壤热交换能量,Qleaf为室内空气与作物叶面的热传导能量,Qcool 为降温设备所带走的能量,Qtran为作物蒸腾所需要的能量,Qp为作物光合作用所需能量｡假设温室内部空气､水蒸气混合分布均匀,将温室内部空气视为一个整体,则温室内温度的变化由温室小气候系统中能量的变化决定｡根据气候条件,对式(1)模型可以作进一步简化｡因为是日光温室所以不考虑加热能量,同时忽略叶面热传导､光合作用､作物蒸腾等对温度的微小影响,最后得到简化模型为:ΔQ=Qrad+Qvent+Qcac+Qcrad-Qcool (2)将上述各项的计算公式代入(2)式,导出试验温室能量平衡方程:VρCp=AsIaτa+ρCp?准vent(Ti-To)+ε12Asσ(Ti4-To4)+AsKg(Ti-To)-(2 501-2.36Tavg)?准ventρ(xa-xb)(3)其中,反映了温室内温度的变化率,V为温室容积(m3),ρ为空气密度(kg/m3),Cp 是空气中热含量[J/(kg·k)],As是温度覆盖材料表面积(m2),Ia是室外总辐射强度(W/m2),τa是覆盖材料表面积总的透光率,?准vent是总通风量(m3/s),ε12是表面之间的发射率,由它们各自的发射率系数ε1和ε2决定,相应的关系式为ε12=(ε1-1+ε2-1-1)-1,AS为表面之间的接触面积(m2)｡σ是Stefan-Boltzmann常数[W/(m2·k4)],Kg为温室大棚的传热系数[W/(m2·k)],Ti､To分别为室内､外温度(K),Tavg为温室内平均温度(℃),xa､xb为通过湿帘前后空气的含湿量(%)｡1.3温室湿度机理模型温室小气候的物理过程如开窗通风､覆盖材料的冷凝､作物的蒸腾和土壤的蒸发､湿帘水蒸发引起的物质交换,用不同的符号来表示温室内水蒸气产生和损失,从而建立的温室物质(水蒸气)平衡如图1｡温室内的潜热(水蒸气)平衡用来描述温室单位面积内绝对湿度的变化率｡根据温室的物质平衡建立动态模型如下:ΔE=Et(Esoil+Etran)+Event+Econd+Ecool(4)其中,Et为作物蒸腾作用释放的水汽量和土壤表面水汽蒸发量之和[kg/(m2·s)];Event为通风换气损失水汽量[kg/(m2·s)];Econd为在覆盖层内表面冷凝损失的水汽量[kg/(m2·s)];Ecool为温室薄雾化或者湿帘产生的水汽量[kg/(m2·s)]｡根据对温室的研究,在白天,覆盖材料的内表面几乎不发生冷凝现象;然而在晚上水蒸气在覆盖材料内表面的冷凝不可忽略,但因为主要是针对夏天进行控制,忽略在覆盖层内表面冷凝损失的水汽量｡如果在灌溉的无土栽培或者土壤和底土层用白色的发射表面覆盖温室中,土壤水汽的蒸发可以忽略｡另外在玻璃温室中,土壤的水汽蒸发也可以忽略[15]｡可进一步简化模型如下:ΔE=Etran+Event+Ecool(5)将上述各项的计算公式代入(5)式得:++(6)其中,Ks为冠层消光系数,Rn为冠层上方的净辐射,e为实际水汽压(kPa),rs为气孔阻力(s/cm),rb为叶表面边界层的空气动力学阻力,γ为水蒸发的能量系数,LAI(leaf area index)为叶面积系数,ρ为空气密度(kg/m3),Cp是空气中热含量[J/(kg·k)],Tavg为平均温度(℃),?准vent为总通风量(m3/s),Ad为温室地表面积,xi 为室内湿度,xo为室外湿度,ρo为室外空气密度(kg/m3),xa､xb分别为湿帘前后空气的含湿量(%)｡2模型仿真为了验证模型的可行性,能体现夏季温室内的各个物理过程,如考虑室外辐射､作物蒸腾作用散发水汽量､蒸汽加热､数据的连贯性等因素,综合比较以上因素,选择2009年7月17日的数据进行模拟仿真｡这段期间白天室外的太阳辐射大,室外风速稳定,温室内的温湿度稳定,符合作物生长要求,它具有典型的温室夏季运行特征和外界气候条件｡温室模型的具体参数见表1｡2.1温度模型仿真图2为温度仿真模型图,由于温度模型比较复杂,通风量与室内温度不是线性关系,由温室数学模型可以看出它是一个非线性对象,模型不能显式地给出通风量与室内温度Ti之间的关系,室内温度同时还受室外太阳辐射与室外温度To的影响｡为了便于理解与仿真,每个公式用一个subsystem表示,再依照各子系统间变量的控制关系,建立被控对象温室内环境温度温室小气候系统模型,模型的等式用变量时间步长(Varible-step)的ode45(Dormand-Prince)算法积分,积分初始值为22｡为了简化,最大步长0.01,最小步长､初始步长､绝对误差均设为自动,相对误差为1×10-3｡2.2湿度模型仿真图3的湿度仿真模型图是根据式(6)的公式所得｡由于湿度模型不能显式地给出通风量与室内湿度Rhi之间的关系,室内温度同时还受太阳净辐射､室外湿度与室外温度To的影响｡为了便于理解,采用subsystem对各个小模块进行表示,再依照各子系统间变量的控制关系,建立被控对象温室内环境湿度温室小气候系统模型,模型的等式用变量时间步长(Varible-step)的ode45(Dormand-Prince)算法积分｡为了简化被控对象温室内环境湿度温室小气候系统模型,最大步长设为0.01,最小步长､初始步长､绝对误差均设为自动,相对误差为1×10-3,积分初始值为81｡3结果与分析图4为采用物理模型方式建立的温室内模拟温度和测量温度仿真结果｡其中,虚线表示模拟温度曲线,实线表示实测温度曲线｡从图中可以看出,模拟温度最大值和最小值都在作物生长允许的范围之内,仿真得到的模拟和实测温度之间的均方根误差为2.833,模拟温度曲线与实测温度曲线比较吻合｡由图5可知,经模型模拟出的温室内湿度,基本符合温室的湿度规律,由于晚上植物的呼吸作用,所以夜间温室的湿度相对较高,白天植物进行光合作用,所以下午温室内的湿度相对较低｡同时,实测温室内湿度与通过模型模拟出温室内湿度进行对比可知,模拟温室内湿度可以反映温室内的变化趋势,仿真得到的模拟和实测温度之间的均方根误差为2.772｡模拟温度曲线与实测温度曲线比较吻合｡同时,模拟的温室内湿度曲线比实际测得湿度曲线在最高湿度处相差3%~5%｡图6为风机在不同时刻的开启组数,根据西北地区夏季的气候特点知:当温度大于33℃时,相对湿度降低到50%左右｡因此当运行湿帘——风机降温系统时,温室外的温度往往比较高｡然而此时室外的相对湿度较低,经过湿帘前后的绝对湿度将变化较大｡湿帘——风机降温系统湿帘水蒸发量Ecool较大,降温能量Qcool较大｡所以,湿帘——风机降温系统在夏季温室降温中效果比较明显｡4小结针对西北地区夏季的气候特点,在机理建模的基础上,根据实际温室控制设备对于多变量的大惯性､非线性,并且有耦合､延迟等现象的温室系统,建立温湿度简化模型,并通过实测数据对模型进行了试验验证｡结果表明,该模型能较好地预测西北地区夏季温室内植物的温度和湿度｡同时由温室内实测数据与预测数据对比图可知,该模型能够很好地反映温室的温湿度状态｡这为温室内温､湿度的监控提供了良好的信息基础｡参考文献:[1] 孙可群. 温室建筑与温室植物生态[M].中国林业出版社, 1982.[2] 徐立鸿,任雪玲. 工控系统在设施农业中的应用[J]. 基础自动化,2001,8(3):40-42.[3] 蔡象元. 现代蔬菜温室设施和管理[M]. 上海:上海科学技术出版社,2000.[4] 王忠义,陈端生,黄岚. 温室植物生理指标监测及应用研究[J]. 农业工程学报,2000,16(2):101-104.[5] 包广清,骆东松,毛开富. 农业种植大棚计算机集散控制系统研究[J]. 工业控制计算机,2002,15(2):31-33.[6] 冯广和. 国内外现代温室的发展[J]. 新疆农机化,2004(3):50-51.[7] 安国民,徐世艳,赵化春. 国外设施农业现状与发展趋势[J]. 现代化农业,2004(12):34-36.[8] 彭里. 温室大棚检测控制系统的研究[J].计算机工程,2000(12):194-195.[9] 徐建国,李安桂,蒋慧君.大平面布局植被的热湿垂直分布模式初探[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),1999,31(1):5-7,17.[10] 何鹏.温室环境控制技术发展与应用[J].传感器世界,2002(2):8-11.[11] 张熙民,任泽需.传热学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.[12] BOULARD T, BAILLE A. 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