一种带有新型集中式环境控制系统的温室气候-产量模型

《Biosystems Engineering》：A climate-yield model for a greenhouse with a novel centralised environmental control system

　　

温室栽培有助于满足不断增长和日益城市化的人口对粮食的需求。依赖化石燃料供暖和自然通风通常使传统温室在能源和碳方面效率低下。封闭式温室通过资源回收和能量回收解决了这些局限性。虽然一种集成气候控制和热回收的集中式环境控制系统（ECS）已显示出在高纬度地区改善温室作物性能的潜力，但其全年能源使用和能源相关碳足迹的减少潜力仍未得到充分量化。本研究扩展了一个现有的动态温室气候模型，以纳入一种新型集中式ECS，该ECS在（半）封闭温室中集成了空气再循环、加热、冷却和热回收。该模型使用来自挪威的实验数据进行了验证，重现了温度和相对湿度，均方根误差（RMSE）分别为1.40–1.63?°C和7.60–8.55%。能源使用和番茄产量的预测相对误差分别为3.8–8.4%和1.6–4.2%。在挪威条件下的情景模拟表明，与开放温室相比，带有热回收的（半）封闭温室可减少超过80%的化石燃料使用，同时增加15–41%的番茄产量，这是由于通风减少和热回收导致二氧化碳（CO2）浓度和温度的变化。完全依赖现场冷储存的完全封闭式温室的性能受冷却能力和缓冲器尺寸的限制，特别是在夏季；增加补充冷能源（如地表水）可以提高其性能。尽管进行了热回收，仍有3–10%的残余锅炉供暖需求。通过优化气候控制，可以进一步提高能源效率和作物性能。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
传统温室依赖化石燃料供暖和自然通风，导致能源利用率和碳效率低下。封闭式温室通过资源回收和能量回收可改善性能，但集成气候控制与热回收的集中式环境控制系统（ECS）在高纬度地区的全年能源使用及碳足迹减少潜力尚未充分量化。为此，本研究旨在扩展动态温室气候模型，纳入新型集中式ECS，并评估其在挪威条件下对作物产量、能源效率和碳足迹的影响。该论文发表在《Biosystems Engineering》。

**研究方法概述**
研究人员扩展了van Beveren et al. (2015)的温室气候模型，链接了Vanthoor, de Visser, et al. (2011)的番茄产量模型，并新增了ECS模块（包含四个状态变量描述冷却和加热热交换器出口温湿度）。热回收模型改编自Righini et al. (2020)。模型基于挪威S?rheim (58°46′N, 5°39′E)的两个独立实验（2023年4月–10月、2024年8月–2025年2月）进行验证，实验在Venlo型温室的两个225 m²隔间内进行，使用LED补光及ECS系统。随后，研究人员模拟了8种温室设计系统（开放温室、半封闭ECS、全封闭ECS、MCD等），比较了不同冷却容量、缓冲容量及热回收策略下的能源使用、番茄产量和碳足迹。

**研究结果**

**3.1 模型评估**
- **3.1.1 温室气候**：模型模拟温度均方根误差（RMSE）为1.40–1.63?°C，相对湿度RRMSE为6.9–9.8%，精度可接受，但白天温度峰值略有低估，湿度在夏季突发冷却事件时略有低估。
- **3.1.2 作物产量**：模拟番茄产量相对误差（RE）为1.6–4.2%，早期产量略有高估，但总体在实测变异范围内。
- **3.1.3 ECS电力使用**：ECS电力消耗RE为3.8–8.4%，模拟值略高估，RMSE在0.83–5.90 W m^-2之间。
- **3.1.4 敏感性分析**：ECS电力消耗对空气流量（f_air）最敏感（±30%变化导致约10%变化），热交换器体积和潜热分数影响可忽略。

**3.2 评估温室系统性能**
- **3.2.1 温室气候条件**：全封闭无通风（ECS (NoNV)）出现最多热小时（677小时），温度可高达40?°C；而ECS或MCD配合自然通风的系统热/冷小时低于30。全封闭场景（ECS (UCB)和ECS (NoNV)）维持最高CO₂浓度，开放温室最低。
- **3.2.2 作物产量**：开放温室番茄产量为131 kg m^-2 year^-1，封闭/半封闭温室采用热回收后产量增加15–41%。ECS (UCB)场景最高（185 kg m^-2），但ECS (NoNV)因夏季高温导致LED补光关闭，产量较低。
- **3.2.3 能源使用**：人工照明占总能量输入的55–75%。采用热回收的ECS或MCD场景锅炉供暖输入大幅降低（116–439 MJ m^-2 year^-1），相比开放温室（1972–2042 MJ m^-2 year^-1）减少超过80%。ECS (UCB)总能耗最高（5560 MJ m^-2 year^-1），但锅炉贡献仅3%。MCD (HS)比ECS (RC)总能耗更低，因ECS空气再循环降低了整体能效系数（COP）。
- **3.2.4 单位产品能源使用**：开放温室能源输入最高（39 MJ kg^-1），ECS (NoNV)最低（22 MJ kg^-1）。
- **3.2.5 能源相关碳足迹与CO₂使用**：碳足迹范围29–169 kgCO₂eq m^-2 year^-1，ECS (UCB)最低（29 kgCO₂eq m^-2 year^-1），开放温室最高（1.26 kgCO₂eq kg^-1）。开放温室CO₂使用量最高（68 kg m^-2 year^-1），封闭场景显著降低。

**总结与结论**
**讨论总结**：模型精度与文献相当，但存在简化假设（如忽略ECS内湿气添加、压力损失、温室空间不均匀性等）。ECS系统相比MCD能耗更高，但热回收显著降低化石燃料依赖。全封闭系统受限于夏季冷却能力和冬季热回收不足，需要外部冷源（如海水）或季节性储能。研究还指出，降低冷却容量（从600 W m^-2到300 W m^-2）可节省约21%总能耗，且产量损失极小。挪威水电为主的电力结构使碳足迹远低于荷兰等国家。

**研究结论翻译**：本研究扩展了van Beveren et al. (2015)的温室气候模型，链接了番茄产量模型，并新增了模块以模拟完全封闭温室操作，该温室配备集成加热、冷却、除湿和热回收的集中式环境控制系统（ECS）。该扩展使模型能够包含集中式气候控制和闭环能量流，这是以往温室建模研究未涉及的。模型在挪威气候条件下准确再现了气候动态、能源使用和番茄产量。情景模拟表明，与常规开放温室相比，采用热回收的封闭和半封闭温室可减少超过80%的化石燃料使用，同时增加15–41%的番茄产量。这些改进与通风减少和热回收导致的温室CO₂浓度、温度和照明操作的变化相关。原位机械冷却除湿（MCD）系统比ECS能耗更低，部分原因是空气再循环率较低。总体而言，带有热回收的（半）封闭温室为挪威及其他低碳电力供应高纬度地区提供了低碳、高效作物生产的可行路径。完全依赖现场日间热缓冲器的ECS全封闭操作受冷却能力、热缓冲器尺寸和温度管理的限制。