第四章园艺设施的环境特征及其调节控制

1.光照环境的要素 2.温室光照环境特征 3.光照环境调控方式 4.人工光源
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1. 光照环境的要素
• 光质（光色）
– 各波长光的能量分布（考虑不同波长光对植物 的不同作用）
• 光照强度与光照量
– 光照的强弱及累积量、分布均匀性（满足植物 光合作用的需要）
• 光照周期
– 明期、暗期的长短和交替周期规律（考虑植物 的光周期作用）
W/m2
4.2 (4)
光合有效 光量子流密度
mmol/m2.s
16.8 (18)
对应的太阳 总辐射照度
W/m2
10
k lx数 ×4 ≈ W/m2
W/m2 ×4 ≈ mmol/m2.s
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几种光源的光照强度单位近似换算关系
光源
PAR / 照度 W·m-2 / klx
PPFD / 照度 mmol·m-2·s-1 /
式中 i — 内表面换热系数，一般8.7W/(m2·℃)； o — 外表面换热系数，一般23.0W/(m2·℃)；
j — 材料的厚度，m； j — 材料的导热系数， W/(m·℃) 。
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透明材料主围护覆盖层单独使用时的传热系数
覆盖材料 单层玻璃
传热系数 W/(m2∙℃)
6.4
覆盖材料 单层聚乙烯(PE)薄膜
一、采暖 二、通风 三、降温
传热原理
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一、温室采暖
1. 采暖系统的类型
⑴采暖的能源 燃煤 燃油 天然气 电能 太阳能 地热能
⑵采暖方式
根据采暖范围分类 全面采暖 局部采暖
根据采暖设备分类
① 热水采暖
② 蒸汽采暖
③ 热风采暖
④ 电热采暖
⑤ 辐射采暖
⑥ 火炉采暖
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2. 温室的热平衡分析
⑴采暖热负荷及其确定方法原理
（北纬30°～45°地区、晴好天气、正午时刻）
太阳辐射
室内水平面 冬季 150～400 W/m2 夏季 300～600 W/m2
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室外水平面 冬季 350～650 W/m2 夏季 900～1000 W/m2
夜间：
加温温室
采暖系统 加温热量 100～300W/m2
不加温温室
地面放热量 20～30W/m2
③光合有效光量子流密度 （PPFD或PPF）单位时间、 单位面积上照射的光合有效辐射光量子数。 单位：mmol/m2.s
④太阳总辐射照度 单位：W/m2
说明：光合成有效辐射 —— 400～700nm波长范围内的光辐射
mol（摩尔） —— 物质的数量单位，1mol=.6.02257×1023 1mol=1000000 mmol
地中传热Qf 10
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3. 温室采暖热负荷的计算
主要参照《温室加热系统设计规范》JB/T 10297-2001
Q hQwQ f Qv
⑴ 通过温室围护覆盖材料的传热量
Qw KjAgj(tito)
j
式中 ti —— 室内气温，℃；
W
to —— 室外气温，℃；
Ag j —— 温室覆盖层各部分面积，m2；
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2.温室光照环境特征
• 透光量减小（覆盖材料、骨架材料） • 透光分布不均匀（骨架阴影） • 光质有变化（覆盖材料的分光透过性）
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普通玻璃和热反射玻璃（玻璃-膜-玻 璃）的透光率
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硬质板的透光率
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软质塑料膜的透光率
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老化和尘垢对塑料膜透光率的影响
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直射光透过率的季节变化
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四连栋温室全天直射光透过率的分布
klx
PPFD / PAR mmol·m-2·s-1 / W·m-
2
荧光灯
2.73
12.5
4.59
金属卤化灯
3.13
14.4
4.59
高压钠灯
2.8
14
5
白炽灯
3.96
19.9
5.02
蓝色LED
38.5
145
3.76
红色LED
24.0
132
5.52
日光（对照）
4.2
16.8
4
北京地区冬季晴天正午时刻的温室内外光照强度
第四章
园艺设施的环境特征 及其调节控制
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温室环境因素
环境调控技术
温度
土壤温度 空气温度
加温、保温、可再生能源利用
空气湿度 通风、降温
CO2环境 光照
--------------- CO2施肥 --------------- 光照调控
根圈环境(水份、养分) --------- 灌溉与施肥
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4.1 温室光照环境及其调控
辐射效率和光量子效率极高；
具有多种光色器件，可按需要组合不同单色（如红＋蓝）的 LED满足植物光合作用对光谱的需要；
单体尺寸小，便于组 合和使设备小型化；
使用寿命长（5万小时 以上）；
价格高，尤其是蓝色 LED目前价格较贵。
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LED人工光源
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人工光源的应用例
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4.2 温度环境及其调控
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温室的热平衡方程 (Qs+Qh)－(Qw+Qf+Qvs+Qvl) = 0
采暖热负荷
Qh = (Qw+Qf+Qvs+Qvl) － Qs
长波辐射 50
对流
冬季夜间采暖热负荷
长波辐射
30
Qh = Qw+Qf+Qvs
35
对流
45
覆盖层传热Qw
冬季夜间加温温室中 的热量平衡
加温热量Qh 100
冷风渗透Qvs 10
室外
日光温室内
连栋温室内
多数阳性植物 最低要求
光照度(lx)
30000～50000 15000～35000 12000～25000 20000
PAR(W/m2)
120～210
60～140
50～100
80
PPFD(mmol/m2·s) 500～840
25. 0～580
200～400
300
⑶植物的光周期现象
传热系数 W/(m2∙℃)
6.8
双层玻璃
4.0
单层聚乙烯(PE)保温膜
6.6
单层聚碳酸酯(PC)板
6.3
双层聚乙烯(PE)薄膜
4.4
6mm聚碳酸酯(PC)双层中空板
4.2
单层聚氯乙烯(PVC)薄膜
6.6
8mm聚碳酸酯(PC)双层中空板
4.0
单层聚氯乙烯(PVC)保温膜
6.5
10mm聚碳酸酯(PC)双层中空板 3.6
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⑴光质（光色）
2500 辐射能（W/m2.mm）
植物光合有效辐射(生理辐射)
6000K黑体辐射
2000
300～780nm —— 对植物生理
产生作用的光辐
大气层外缘
1500
射波长范围
地面
400～720nm —— 产生植物光 合作用的光辐射
1000
波长范围，一般
太 阳 500
在 400 ～700nm的 范围计量
日光温室
墙面放热量 30～50W/m地2 面放热量
20～30W/m2
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温室的 热量收支
长波辐射 3～80mm 对流
设备发热
覆盖层传热
Qm
Qw
室内反射
反射
太阳辐射 0.2～3mm
吸收
通风Qvs
加温热量Qh
太阳热Qs
光合Qp 呼吸Qr
蒸腾蒸发Qvl
地中传热Qf
温室的热平衡方程
(Qs+Qm+Qh+Qr)－(Qw+Qf+Qvs+Qvl+Qp) = 0
寿命短（1000小时）。 不宜用作光合补光的光源 但可作光周期补光的光源
卤钨灯
寿命、发光的功率提高，光色有所改善，发光效率也有
所提高。
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气体放电光源： 荧光灯
光谱性能好，发光效率较高，寿命长。 功率小，满足一定光照强度所需灯具
多，对自然光遮光大。 目前在园艺设施补光中使用较多，尤其
是用于无遮挡自然光问题产生的组培室中的 人工光照。 高压水银荧光灯
缀铝膜（33%铝膜，67%透明膜） 36
缀铝膜（50%铝膜，50%透明膜） 39
缀铝膜（67%铝膜，33%透明膜） 42
缀铝膜（75%铝膜，25%透明膜） 44
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3. 满足温室光照环境要求的调控工程手段
开发和选用合适的温室覆盖材料
温室建设方面，采用合理的方位与温室结构
人工调控
光强与光量调控 —— 遮光调节（适当减弱光强） 光合补光（强光补充）
光周期调控 —— 遮光调节（严密遮光）延长暗期（低于10Lx） 补光调节（ 50Lx以上弱光即可）延长光照时间
在植物的光周期反应中，光作为植物生长发育的控制信息 发挥作用，连续光照时间与光质是决定其作用的重要因素，能 量大小是次要因素，照度仅数十lx即可发挥作用。 长日照植物
每天12小时以上光照促进生长发育 （大多数叶菜、豌豆、葱、蒜、荷花、唐菖蒲等） 短日照植物 每天光照少于12～14小时才能正常生长发育 （茼蒿、扁豆、豇豆、秋菊、一品红、牵牛花等） 中光性植物 对光照时数无严格要求，一般每天8～16h均可 （黄瓜、番茄、辣椒、四季豆、月季、香石竹、天竺葵等）
钨丝中通过电流产生高温（2400～3000℃）发光 气体放电光源：荧光灯、高压水银荧光灯、金属卤化物灯、
高压钠灯、低压钠灯 物质原子受电子激发产生光辐射。 半导体光源：LED（发光二极管）
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⑶几种人工光源 热辐射光源： 白炽灯
结构简单、价格便宜，光照强度 易于调节；
辐射光谱主要在红外范围，可见 光所占比例很小，发光效率低，且 红光偏多，蓝光偏少；
采暖热负荷 在室外气温to下，为维持要求的设施内气温ti，采 暖系统在单位时间内应向温室内提供的热量。
确定采暖热负荷的方法 统计温室的所有热量收支（得热、失热），根据 能量平衡的原理，由热平衡方程式计算。
热负荷 = ∑失热 － ∑得热
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⑵温室的热平衡分析 温室内的热量来源 白昼：室内外水平面太阳辐射热量
附加保温覆盖的热节省率
保温覆盖材料
聚乙烯(PE)薄膜 聚氯乙烯(PVC)薄膜 乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜 乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜
无纺布 混铝薄膜 镀铝薄膜
草帘 复合材料保温被
热节省率 a /（%）
32 35 34 35 25 40 50 70 65
保温覆盖材料
热节省率 a /（%）
缀铝膜（25%铝膜，75%透明膜） 34
辐
波长（nm）
射 00
500
1000
1500
2000
2500
3000
光
380
760
谱
紫外线 可见光
红外线
8.7% 43.0%
48. .3
⑵光照的强度及度量
①光照度 根据人的视觉光谱光效应确定的单位面 积光通量。（555nm黄绿光感觉量为1。） 单位： lx（勒克斯）
②光合有效辐射照度（PAR）单位时间、单位面积 上照射的光合有效辐射能量。 单位：W/m2
（整夜连续补光、早晚延长补光和夜间间断补光）
光质调控 —— 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覆盖材料
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4. 人工光源
⑴对人工光源主要的要求 光谱性能：富含400～500nm蓝紫光和600～700nm橙红光
并有适当的组成比例，以及满足其他特定的光谱要求 效率：发出的光合有效辐射量与消耗功率之比 其他：使用寿命、价格等 ⑵人工光源的种类 热辐射光源 ：白炽灯、卤钨灯
易达到较高功率，寿命较长，但光色较 差，发光效率略低于荧光灯，使用较少。 金属卤化物灯
发光效率较高，功率大； 光色好（可改变金属卤化物组成满足不
同需要）； 寿命较高（数千小时）。使用较. 多
高压钠灯 发光效率高，功率大； 光谱分布范围较窄，黄橙光为主； 寿命高（12000～20000小时）。
目前在园艺设施补光中使用较多。
光照度 光合有效辐射照度 光合有效光量子流密度
各种光照度量单位的相互关系
光照度、辐射照度、光量子流密度等与光谱能量分布密切相 关，几者之间无固定的比例关系。
只有在确定的光谱能量分布情况下，才有明确的相关关系。
一般天气自然（太阳）光照情况下几种光照度量单位的近似换算关系
光照度 1 klx ≈
光合有效 辐射照度
源自文库
单层玻璃纤维增强丙烯(FRA)板 6.3
双层充气聚乙烯(PE)膜
4.3
单层丙烯树脂(有机玻璃 MMA)板 6.3
双层充气聚氯乙烯(PVC)膜
4.1
单层聚酯(PET)片材
6.3 双层充气乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜 4.2
单层乙烯-四氟乙烯(ETFE)片材 6.3 . 双层充气乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜 4.1
低压钠灯 发光效率很高，功率大； 光色为单一的589 nm黄色光； 寿命高（平均寿命18000小时）。 光色单一，很少单独使用，但可与
其他光源配合使用。
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发光二极管（LED）
单色性，波谱域宽仅±20nm左右；
没有中、长波红外辐射（对光合作用无效）的能量浪费，发热 少，可实现近距离补光（提高光利用效率）；
Kj —— 各覆盖层的传热系数，W/(m2·℃)。
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关于传热系数 K
辐射 对流
对流
导热
辐射
非透明平壁的传热
辐射 对流
对流
导热 辐射
辐射
透明平壁的传热
.
非透明平壁的传热系数：
1
1
K R 1
j 1
i j j o
非透明平壁的传热阻：
R1 j 1
i j j o
m W 2℃ /() m2℃ /W
双层聚氯乙烯(PVC)薄膜
4.2
16mm聚碳酸酯(PC)双层中空板 3.3 单层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜 6.7
10mm聚碳酸酯(PC)三层中空板 3.3 双层乙烯-醋酸乙烯(EVA)复合膜 4.3
16mm聚碳酸酯(PC)三层中空板 2.9 单层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜 6.6
单层玻璃纤维增强聚酯(FRP)板 6.3 双层乙烯-醋酸乙烯(PO)复合膜 4.2