温室盆栽作物根区加热系统的设计和试验

 

【目的】为解决长江三角洲地区冬季没有加温设备的温室或大棚中盆栽作物易受低温冷害的问题，设计一种适用于矮株作物的根区加热系统。【方法】研制了一种嵌套式双层栽培盆，夹层采用绝缘脂发泡剂填充，栽培盆基质内分别放置2块80W/m2、15cm×12cm的硅橡胶加热板，加热板由STM32单片机输出信号到固态继电器进行加热功率控制，使用模糊PID控制算法，实时控制作物根区温度到设定值。

 

【结果】根区温度控制相对误差不超过5%。在连续低温条件下(连续一周平均气温低于5℃)，当根区温度分别设定为15、20和25℃时，相比于对照组，高度为25~35cm的作物地上部分日间平均温度分别提高1.4、2.6和3.7℃，夜间平均温度分别提高2.1、2.9和4.0℃；且与普通栽培盆相比，本文设计的保温栽培盆在3种不同根区温度下分别节省电能24.2%、25.3%和23.8%。

 

【结论】设计的作物根区加热系统，在连续低温条件下，不仅能有效提高作物根区温度，同时对作物地上部分也具有升温效果，一定条件下可缓解低温胁迫对冬季作物生长的影响。

 

长江三角洲地区冬季生产设施作物面临着持续低温弱光的气候问题[1]，没有加温设备的温室大棚只能依靠积蓄太阳能来提高室内温度，受天气影响很大，低温季节的连续阴雨、雪天时，气温和地温都持续很低，使得蔬菜作物，尤其是喜温蔬菜生长迟缓，甚至出现冷害，严重影响蔬菜的品质和产量[2-3]。

 

为了保证作物在低温环境下安全过冬，一般采用燃煤或者焚烧作物秸秆进行加温，随着环保压力日渐增加，选用空气源[4]或水源热泵[5-8]进行温室加温也是一种新型的加温方式，但是温室整体环境加热仍然存在电能消耗高、价格昂贵等问题，采取作物根区加温是一种节能的替代方式[9]。采用电热元件直接加热作物根区，加温效果明显、热效率高，且设计性强，可根据不同使用场所设计出更符合需求的加热模式。

 

何芬等[10]分别采用发热电缆、自限温发热带、碳晶电热膜对育苗根区进行加热，分析了不同加温材料对栽培基质温度的影响；张红梅等[11]利用一种由金属发热丝嵌入聚丙烯保护膜构成的农用发热膜进行冬季茄果类育苗；周长吉[12]将栽培盆直接放置在地面，加热管道铺在栽培盆底部，直接对其加热；赵云龙等[13]将碳晶加热板系统引入番茄栽培设施中，试验表明将加热板全部掩埋在基质里加温处理番茄幼苗能显著提高番茄的根系活力和光合速率。

 

目前，大多数根区加热主要适用于育苗环节的栽培，因此在长江三角洲地区采用根区加热的方式来验证茄果类作物能否安全过冬，具有非常重要的意义。本文拟研制一种保温性能良好的双层嵌套式栽培盆，将硅橡胶加热板放置于栽培基质中，加热板由STM32微控制器进行加热功率控制，分析在不同根区温度下作物地上部分温度变化特性，以期为冬季温室中对茄果类作物进行根区加热提供参考。

 

 

1系统总体设计

 

该系统主要由栽培盆、硅橡胶加热板、发泡剂、触摸屏、继电器、电源、SPI通信模块、STM32微控制器及传感器模块等组成。温度传感器与变送电路组成采集模块，完成设备初始化后，通信模块将采集的温度信号传送至控制器，控制器计算采集到的状态值与设定值，通过在线调整模糊PID算法并计算出控制量，从而控制多路加热板加热功率，具体工作原理如图1所示。

 

1.1节能型栽培盆设计

 

1.1.1外形设计　

 

设计一种双层嵌套式栽培盆，外层栽培盆口径尺寸40cm×40cm，底径24cm×24cm，高35cm；内层栽培盆口径尺寸30cm×30cm，底径18cm×18cm，高26cm。将小盆嵌套在大盆内部，间隙使用发泡剂填充，间隙底部发泡剂厚度为8cm，四周间隙厚度为5cm，栽培盆内壁两侧各放入硅橡胶电热板，三维效果图如图2所示。发泡剂的主要成分为聚氨酯，聚氨酯广泛用于建筑、化工、电子等领域的一种新兴的有机高分子材料，该材料导热系数极低，不易吸水，具有黏结、密封、隔热等特点，是一种优质保温材料，在系统运行时起到隔热保温进而节能的作用。

 

 

1.1.2硅橡胶加热板的设计

 

　加热板采用硅橡胶电热板，它具有良好的柔韧性，可与被加热物体紧密接触，双面散热。电加温线排布如图3所示，外形呈长方形，长×宽×厚为150mm×120mm×1mm，电热板发热形式为面状，相比电热线以自身为辐散中心呈线性散热，可避免栽培盆内局部温度过高、受热不均匀等问题，且相同功率下其表面温度较低，可减少对植物根系的伤害[14-16]。

 

对于稳态的一维平壁导热问题[17-18]，采用第一类边界条件，可利用傅里叶定律求解加热板所需的热流量，其数学描写为：

 

式中，Φ为热流量，W；q为热流密度，W/m2；θ、θ′为不同平壁面的温度，℃；δ/λA为平壁的导热热阻，K/W；δ/λ为平壁的面积热阻，m2K/W。

 

以加温栽培盆为模型，模拟出作物在极端寒冷天气下所需的加温能耗量，计算以单片加热板加热作物根区为例，其中栽培盆与硅橡胶加热板厚度不计，模型示意图见图4。

据文献 [19-21] 可知辣椒喜温不耐霜冻，生长期间若长期处于 0~5 ℃ 以下低温时，会出现叶绿素减少等冷害表现，即温室气温 (θf) 的极端值范围为0~5 ℃，计算时 θf 取 1 ℃，试验设定根区温度范围在 15~25 ℃，栽培基质层温度 (θ1) 取最高值 25 ℃，此时保温层温度 (θ2) 维持在 40 ℃，将上述数据代入到公式 (3) 和 (4)，得到 2 个方向的热流密度：

 

通过公式 (3)~(5) 算得加热板所需热流密度q 为 76.7 W/m2，说明在实际试验中采用 80 W/m2 功率的加热板是较为合理的。

1.3    温度控制系统设计

 

为了确保系统控制根区温度的稳定性，采用抗干扰能力强、响应迅速的自整定模糊 PID 控制算法[22-24]。模糊 PID 控制结构如图 6 所示，采用二维模糊控制结构，以温度误差 e(k) 和误差变化率 ec(k)作为输入，PID 参数调整量?Kp、?Ki 和?Kd 作为输出。

本系统采用三角形隶属度函数，设定输入输出量的词集取 7 个模糊子集，即{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，Z0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}，其中“大、中、小”表示控制量的程度，“正、负”表示变量的变化趋势方向 (正变化或负变化)。设定初始温度 θs，开始阶段使用开关控制使加热板开始加温，待土壤温度上升到一定温度后采用模糊PID 来控制，PID 调节实际温度 θc 的范围在 [θs?θe，θs+θe] 内，误差的变化率 ec 范围在 [?Us/T?θec，Us/T+θec] 内，则 E 和 EC 的基本论域为 [?θe，θe] 和 [?θec，θec]。

根据工程经验，本文将温度信号误差 e 和温度信号误差变化率 ec 的模糊论域设为 [?6，6]，控制器输出变量?Kp、?Ki 和?Kd 的论域分别为 [?0.12，0.12]、[?0.30，0.30] 和 [?0.09，0.09]。温度信号误差的量化因子 Ke=6/θe，温度信号误差变化率的量化因子 Kec=6/θec，这将 e 和 ec 从基本论域范围转换为模糊论域范围，比例因子分别是 0.020、0.050 和0.015，工作时，系统不断读取 e、ec 值，模糊控制器实时输出?Kp、?Ki 和?Kd 的值，根据公式 (6) 得到PID 算法的 Kp、Ki 和 Kd，从而实现 PID 控制的参数自整定。