温室大棚蒸腾水吸收与利用智能化系统研究

张家鹤，陈凌阳，于林平，王 伟，孙 悦，陈玲钰，孟 齐

(大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023)

1 研究背景

全球现有12亿人面临中度到高度缺水的状况，80个国家水源不足，20亿人的饮水得不到保证。预计到2025年，形势将会进一步恶化，缺水人口将达到28～33亿人。我国属于缺水国之列，人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，居世界第109位，已被列入全世界人均水资源较少的13个贫水国家之一。

近几年，我国全国总供水量大约在5500亿m3左右，灌溉用水量大约在3600亿m3，占全国总供水量的65%左右。然而，在农业生产中，作物吸收的总的水量只有不足1%用做其自身生长，而通过呼吸蒸腾作用散失的水高达99%。尤其当作物在温室大棚中时，蒸腾散失的水无法进入大气循环利用，造成了大量水资源的浪费。以北方大棚生菜为例，1亩大棚生菜在一个生长周期内，共需要用水约105 m3。其生长周期内蒸腾作用散失的水占用水量的50%～60%，如果按回收70%计算的话，那就是44 m3。而我国的温室和大棚面积高达200万hm2，如果能将温室大棚中这部分浪费的水资源得以回收再利用，那么就能节约13.2亿m3的水，能有效地缓解农业用水带来的浪费。另一方面，对于大棚内的植物来说，塑料薄膜不透气，棚内栽培由于土壤水分的蒸发和作物的蒸腾作用，使棚内空气湿度增长；若不通风，棚内空气相对湿度可达90%以上，甚至达100%。如果棚内相对湿度过高，植株叶片的蒸腾作用就会受到抑制。土壤湿度和棚内的空气湿度增高，棚膜上凝结大量水珠，既影响作物的光合作用，不利于植株的生长发育，又容易使病菌繁殖，病害流行，危害严重。因此，调节棚内湿度，特别是调节夜间湿度，是防治病害、促进作物生长发育的重要措施。如若能够将作物的蒸腾水有效合理地回收，进而控制大棚内的湿度在一个合理有效的范围内，这样不仅保障了作物的正常生长，还可以使大棚的种植利益最大化(图1)。

综上所述，温室大棚中浪费的蒸腾水不容忽视。这部分水资源合理回收利用，既可以减少农业用水量，大幅度提高用水效率；同时也可以使大棚种植环境得到改善，使农作物更好地生长，可谓一举两得。

图1 温室大棚实景

2 温室大棚蒸腾水的吸收与利用智能化系统的研究

2.1 研究内容

研究内容基于高效节水、环保节能的可持续发展理念，以温室大棚中的蒸腾水收集、利用为目的，在收集分析温室大棚农作物适宜湿度等信息的基础上，基于智能化控制的理念研究温室大棚中的蒸腾水收集(捕捉)、处理和再利用的途径与方法，保障农业用水的高效可持续利用。包括：①温室大棚农作物适宜湿度的资料收集与分析；②大棚蒸腾水的收集(捕捉)与处理系统的研究；③基于智能化控制理念收集蒸腾水并用于大棚灌溉及其它农业灌溉的研究。

2.2 系统的模块设计

本系统由蒸腾水吸收与利用模块和智能控制模块两部分组成，其中吸收与利用模块如图2所示，两个模块在整个系统中发挥着不同作用，系统的主要部分见图2。

图2 吸收与利用模块设计

2.2.1 捕水器部分

如图3所示，捕水器设计为半球体形状，在其顶端的圆壁周围打孔以铺设金属滤网。滤网用于冷凝大棚中的水蒸气，使其凝结成水滴并透过滤网流下[1～3]。同时，在半球体中设置排风扇，以促使大棚中的蒸腾水向捕水器聚集，达到高效回收蒸腾水的目的。

图3 捕水器模拟

2.2.2 水处理与水检测部分

由于捕水器捕捉到的水可能掺有杂质和细菌，系统设计了水处理与检测装置[4]。此部分设双层过滤材料(活性炭和紫外线)用来吸附杂质和消毒，水经过双层过滤材料后进入水检测分流器。经检测合格的水通过下方导管进入地下储藏室进行储藏，若不合格，则水由上方导管运输至双层过滤装置，重复该过程至水质检测合格。

2.2.3 智能控制部分

在捕水器与电源之间安装一个跨阵M4，手机通过跨阵M4设置设备运行的条件，自动监控大棚内的相对湿度和相对温度，当达到所设定的条件，整个装置运行，自动调节大棚内的相对湿度和温度。

(1) 智能开关的设计及原理。整个系统通过跨阵M4实现装置的开启。当大棚内的湿度达到收集的标准时，排风扇自动转动，帘门自动打开，吸收夹杂着大量蒸腾水的空气。与此同时，紫外线杀毒装置开启。跨阵M4与K3G-2互联网控制开关并联，手机App控制其余电器开关，实现了在没有人工干预的条件下，装置自行启动运行。跨阵M4以及串联的相关电器均采用220V转5V电压供电，允许通过最大的电流为10A，加热器以及控制开关采用220V转12V的电压供电。整个系统最核心的部分采用Wi-Fi连接设置，实现了“一机在手，智能操作”的设计理念。

(2) 智能开关的工作流程 。如图4所示，在装置正式投入使用前，设置跨阵M4中温度感应器开关的开启和关闭的湿度条件。连接电源后，WRN-101(温、湿度传感器)开始工作，当大棚内湿度达到开关开启的湿度时， WRN-101控制开关开启，小型风扇(A) 和紫外线杀毒(UV)。K3G-2互联网控制开关启动，水质检测仪和水泵启动。第二部分定时开关，当跨阵M4启动，定时开关的常闭系统开启，达到定时开关设定时间后，常开系统打开。接通电源，水质检测仪开始工作，检测合格后的水进入蓄水池，到达指定水位后水泵开始工作，将多余的水抽出蓄水池。

图4 智能开关工作电路

3 系统的创新特色

温室大棚蒸腾水吸收与利用系统的设计，为温室农产品的健康生产和水资源的循环利用提供可能，该系统具有以下创新特色。

(1)以温室大棚为单位，实现蒸腾水水资源的吸收(捕捉)、处理与再利用，实现了节水理念的创新。

(2)蒸腾水吸收与处理系统的研究，实现了蒸腾水收集、处理方式的创新。

(3)基于智能化控制理念的蒸腾水吸收与灌溉利用系统的研究，实现了蒸腾水收集与利用方式的集成创新。