中条彩未九头身:溫室降溫方法

来源:百度文库 编辑:中财网 时间:2024/03/28 21:44:47
方煒  台大農機系
一、前言
二、由結構設計著手
三、由選擇被覆資材著手
四、由減少熱量進入溫室著手
五、由加強內外空氣交換量著手
六、配合使用蒸發冷卻法
七、其它降溫方法
八、結語
九、參考文獻
溫室環控在全世界的應用已證實其為可行的技術,本省欲有效發展溫室環控,技術上沒有問題,其成敗關鍵應是在經濟效益上之評估以及需充份瞭解其因地制宜的特性。沒有任何一種溫室結構、資材是不擇地皆可用的,國外之最適不見得合用於本地,譬若PE塑膠膜添加紅外線阻隔層之目的在保溫,本省境內經常過熱常需降溫的溫室即不適合採用。結構、資材如此,環控設備與策略亦然。無目標地擴充硬體以嘗試錯誤法行溫室環控若不是無濟於事就是投資不菲,而終致投資抱酬低落,難以回收。溫室產業界的農友不太可能有此裕度來嘗試錯誤,是以合理的作法應是從本省的天候狀況與各地區實際栽培之作物上著手,配合學理上之印證,瞭解各地區環控上之極限後再選擇適當之環控設備。此類基礎研究應儘速完成,以為設計之參考。
溫室環控的項目繁多, 70 年代能源危機之際,歐美日等溫室產業先進國家中,溫室環控之研究著重於如何保溫,如何節約能源。但就本省現階段的發展情形而言,溫室環控之重點在如何降溫,使溫室能維持全年作業而不至在暑熱季節被迫休耕。本章著重於各種溫室降溫方法的探討。
在高溫多濕的氣候下,防暑對策是很重要的,針對夏季的暑熱,使用環控設備調節環境內的溫、濕度僅為輔助辦法,最基本的還是應從結構的設計、方位及建地的選擇開始。
其次,為了減少進入溫室內的熱量,須控制日射與增加防熱之功能。並為了舍內散熱與高濕氣體之移走,須促進通風。由於本省溫室有許多為開放或半開放式建築,是以在建地的選擇與結構設計上應以風的活用為著眼點。若仍不足,可再配合風機行強制通風或採蒸發冷卻方式等來緩和暑熱。正確的降溫方法應是多管齊下才能收相輔相成之功效。
在結構的設計上,對新蓋的溫室,有以下幾點建議,第五項以後的建議,同時適用於已蓋好的溫室:
較高的建築:若擬全靠自然通風來降溫,無其它降溫措施,則屋簷應高,建議採3.5m或更高,若有配合其它降溫措施如外遮蔭、風機、造霧等,則屋簷高度可稍減,但仍有其低限,以維持在三米或以上為宜。
允許上升的熱空氣可由上方離開:太子樓式、側翼開啟式或不對稱斜坡(鋸齒式)屋頂皆屬此類建築,可在開口下方加裝抽風風扇以加強換氣。
採用開放或半開放的建築:配合場地的選擇,夏季之風向等,善加利用自然通風方式來降溫。
屋頂灑水:將水直接噴灑於溫室屋頂,靠水份蒸發帶走潛熱降低屋頂溫度,未蒸發的水可經由天溝回收利用。
使用外遮蔭:外遮蔭系統平時可採固定安置方式,遮蔭網距屋頂應至少有 20cm 之距離以允許空氣流通,其原因可參考表 5-1。 表 5-1 所示為靜滯的空氣層與允許空氣流通之空氣層,各不同厚度下之熱傳導係數值。外遮蔭系統應提供手動收起功能,以防止強風時吹壞。
使用內遮蔭:目的在將熱阻隔於遮蔭網之上方,配合風機之使用可將上方較熱空氣抽走。內遮蔭系統應採可收放式,需注意在張開時不要擋了下層空氣至屋頂上方開口之路徑。
使用側遮蔭:側遮蔭系統可有伸出式或捲揚式兩種,兩式皆可在強日照時遮蔽強光;但就降溫之目的而言,伸出式會優於捲揚式,因為前者屬屋簷之延伸,後者在捲下遮蔭時會減少入風口面積較為不利。後者之優點在於不佔面積、價廉,亦可在低溫或強風時提供保溫與擋風之功能。午後,西側的側牆特別需要遮蔭。
表 5-1 空氣層的熱傳導係數 空氣層厚度 熱傳導係數
靜滯的空氣層 5 cm 10 cm 20 cm 0.35 0.52 1.12
允許空氣流通之空氣層 5 cm 10 cm 15 cm 20 cm 30 cm 0.13 0.10 0.08 0.07 0.07
註:空氣層之長度為 4 公尺,靜滯空氣層之風速為 0,允許空氣流通時之風速為 0.3 m/s.
被覆資材 (Glazing, 在歐洲則習用 Cladding) 的選擇為溫室規劃建構的要項之一。除玻璃之外,PE, PVC, PC 等種類繁多,更有多種添加的如增塑劑、防霧劑,紅/紫外線阻隔層,光選擇性膜及漫反射膜等。選用適當的被覆資材則後續的溫室降溫已成功一半;反之,則徒增降溫設備的負擔。譬若 PE 塑膠膜添加紅外線阻隔層之目的在保溫,本省境內經常過熱常需降溫的溫室即不適合採用。
1950 年代各種塑膠布的發明使透明材料有新的面貌, 改變以往玻璃獨當一面的現象。聚乙烯和聚氯乙烯塑膠布既不昂貴,且又能為作物提供適當的生長環境及光線。這些塑膠布的發展促成了農業環境控制技術的革新。由於其初期成本不高,故幾乎使每個人都有能力以生產花卉、菜蔬為事業。但塑膠布的壽命有限,其材質很容易為紫外線的輻射所破壞。但由於其價格便宜,修補容易,故並不會妨礙其實用性。
塑膠布現添加了抗紫外線及抗紅外線的物質,並且又能減緩塑膠布表面水滴的凝結,故已是相當實用化的產品。在聚乙烯塑膠布中加入乙基乙烯基醋酸鹽可增加在折角處的抗壓性。一張寬 16 公尺或捲成捲筒狀時寬 8 公尺的塑膠布在美國幾乎可隨意買到任何尺寸的長度。現在所使用的塑膠布預期壽命是三年,可利用多層及轉角突出部份處理技術形成更實用之產品。
硬塑材料亦已經開發出來,而且也已應用到溫室工業。這些材料包括玻璃纖維強力板,聚碳酸酯板(為了節能,將之壓縮並封住空氣於其凹槽中)以及壓克力板(具有使用年限長及良好隔熱和 PAR 傳導效果)。目前美國 1000 平方公尺以上的溫室設施,其屋頂大多使用聚乙烯材料,而側壁則使用聚碳酸酯或壓克力板材料。依估計,目前美國溫室結構約有 60% 以上是以聚乙烯塑膠為透明材料, 20% 為玻璃, 其餘的 20% 則採用玻璃纖維強力板、壓克力板和聚碳酸酯板等。聚碳酸酯板很容易因日久而變色,但近年來經過改良,利用壓克力聚合體可獲較佳的效果。這種複合板結合了聚碳酸酯和壓克力板的優點。聚碳酸酯板抗磨損的能力比壓克力板弱,但耐火性卻較強。壓克力板比較堅固,且可大片使用,以減少日影並增加陽光的接收量。兩種板材在較冷的天氣中都無法克服其凹槽內所產生之水滴凝結問題。導致凹槽處產生藻類並累積泥沙。利用特殊塑膠蓋覆裝置將槽之兩端密封則可以解決這項難題。
在自動化農業推行的這幾年,各單位所提出之預算幾乎均以購買玻璃溫室為主。表面上看來似乎玻璃溫室較適合台灣地區使用,但這個問題仍值得深入探討。目前所引進或提議建造的單位均為改良場或研究機構,其所要求者為固定的財產的設備,並非作為今後推廣的一種標準型式。荷蘭溫室以玻璃為主,有其客觀的條件,故其玻璃溫室佔 98% 以上。但反觀日本的溫室,其使用塑膠布者佔 96%,玻璃溫室則僅及 4% 而已。 而美國則有 19.6% 為玻璃溫室,27.6% 為硬塑料及玻璃纖維,其餘 52.8% 為塑膠布溫室。
以塑膠布為材料主要有下列優點:
容易裝卸,所費人工較少。
成本較低,容易維護。
可製成任意型狀及長度,適應各種規格及用途。
結構較為簡單。
本身具有彈性,抗風性較強。
可採用雙層結構,絕熱性較佳。
其一般缺點如下:
不能耐久,每兩至三年必須加以更換一次。
容易沾塵,需常加清洗。
不容易作成天窗形式,必須由側面通風,或需佐以風扇通 風。新式設計巳突破此缺點。
更換後之塑膠廢料處理容易造成環境污染的問題。此情形尤以 PVC塑膠布為嚴重。
以玻璃作為溫室材料,其優點可歸納如下:
玻璃的透光性良好,故可收集更多的太陽熱能。這種特性在緯度較高的地區尤為重要。這些地區在冬季的外界溫度常在零點以下,其他秋冬季節,外氣之溫度亦甚低,因此需要較多的陽光,以保持溫室內之光照及溫度。
玻璃溫室之使用壽命較長,有時可達十年以上。而玻璃在使用過程中,沒有老化或黃化的問題,故其透光性可常保如新。
容易加裝控制系統,其骨架較為堅固。一般玻璃的溫室結構必須要有較為堅強的結構方可以維持其強度。故在建造上亦較為講究,也需要較高的建築技術。
較無環境污染的問題。玻璃材料之再使用性較高,其處理亦較為容易,不會造成公害問題。
另一方面,使用玻璃亦有下面之缺點存在:
價格高,每坪建造費用約為 5仟至 1 萬台幣不等。
容易受颱風侵襲,破碎後分散於室內作物群落間,不易處理。
會有所謂的溫室效應產生,此點在本省而言為其致命傷。
雖然 PVC 塑膠透明材料廣泛應用於日本, 在法國及其他南歐地區也很受歡迎。但在美國則鮮少使用。目前本省農民所用之塑膠透明材料以 PVC 為多。 這是因為日本廠商積極推銷的緣故,事實上世界的潮流是使用 PE 布為主。日本因為設備已經投資,故主張採用 PVC。PVC 的優點是保溫性較好,但對於以冷卻為主的台灣溫室而言,此項優點並無多大好處。而 PVC 則有下列缺點:
PVC布之廢棄物污染甚為嚴重,燃燒時容易造成空氣污染。
PVC之寬度固定,無法作大面積之應用。
PVC布容易沾油塵,而且不易洗滌。
PVC布容易長青苔,減少其透明度。
(一)、屋頂灑水或噴霧
於屋脊頂端設水管使水均勻流下形同於屋頂設一層水膜以吸收近紅外光。一般水流為循環使用,由於水不易將紅外光釋出,是以水溫將增高導致降溫效果有限,但由於所需之成本不高是以一般也設置以作為附加配備。本法在本省應用需特別注意水質,由於水內易含鐵與碳酸鹽等雜質會污染屋頂造成透光率之降低。屋頂噴霧為可行的方式,水份可完全蒸發,不需考慮回收,可有效降低屋頂上方之空氣溫度。
(二)、遮光
溫室內白天溫度的上升,主要便是由於進入室內的輻射能量未能及時經由空氣帶出而蓄積之結果。入射至溫室內的光量受被覆資材反射、吸收及結構體擋光之影響而低於地表上之日射量。台灣夏季日射量特別大,造成室溫增加及植株蒸散旺盛等現象,不利作物生長,因此設置外部遮蔭網成為台灣溫室之特色。
國外常見之內部遮蔭布幕尚有蓄熱保溫之功能於本省較為少見。若溫室夠高 (4 米),可考慮安裝多重內部遮蔭網,由於各層遮蔭網具不同之遮光能力,此系統對於遮光控制的彈性因而大增;可彈性控制使入射至溫室內之日射量達到屋外日射量的 10 ~ 90% (表 5-2)。以塗料塗佈在屋頂面以遮光也能抑制光線入射,但由於屋頂面吸收日射之量亦因此而增加,是以整體降溫效果不如外部遮蔭網。
使用固定式或可移動式外遮蔭網可直接減少進入溫室的日射量,為最便宜最有效的降溫方法,但容易受風吹而損壞;可移動式內遮蔭網無法減少進入溫室的日射量,但可減少直達溫室內地面之日射量。在內遮蔭網上方至屋頂之間所形成的小閣樓型三角型空間所蓄積的熱要有適當的通風將之排走。
內遮蔭法較容易控制,但仍會增加溫室內之溫度。在台灣地區可考慮外遮蔭的方式。在陽光未進入溫室以前,即行隔絕,其效果較大。但外遮蔭必須考慮抗風的問題,而且若經費許可亦應採可收式外遮蔭系統。
使用遮蔭網之主要目的除了所謂陽傘效應的降溫之外,亦有保護作用。對適合弱光的作物而言,光量過高亦可能造成生理障礙。然而,為了降溫之目的而遮掉大部份之光,影響到光合作用的進行或植物形態上之異常亦非明智之舉。所以,瞭解溫室所在地之地表日射量、瞭解各種遮光材料之光透過性、瞭解植物對光的需求將有助於正確使用遮光網,在降溫與光合作用難兩全之情況下做一正確之抉擇。
表 5-2 各種遮光材料之光透過特性 材 料 品 號 顏 色 密 度
條/ 英吋 日 射
透 過 率
遮 光 網 4 m/m
6 m/m
9 m/m 黑

黑 6 x 6
4 x 4
3 x 3 75
80
82
不 織 布 素面

銀黑 透明

銀黑 -
-
- 93
42
36
寒 冷 紗 F1000
F3000
510
520
11
500
327
650
6100
660
560
3434
8022 透明
透明










黑 23 X 23
18 X 18
15 X 15
12 X 12
18 X 18
22 X 21
32 X 27
18 X 18
15 X 15
29 X 23
18 X 18
34 X 34
54 X 54 95
94
76
89
79
82
44
65
48
30
65
33
10
(三)、使用遮蔭用塗料
遮蔭用塗料可塗抹或噴灑於溫室被覆資材之上,大部份的塗料在夏季過後即自然剝落,少部份需使用肥皂及刷子來清洗。此類塗料與外部遮蔭之原理相同,目的在減少進入溫室的陽光。其降溫效果不如外部遮蔭,因為仍有部份光線可穿透塗料,穿透量的多寡視塗料噴灑的厚度而定。此法在高緯度國家,怕熱又需光時之應用頗廣,有些塗料甚至可做到日照強時遮光,下雨天受潮後變成透明允許光線進入。由於屋頂面吸收日射之量亦因此而增加,是以整體降溫效果不如外部遮蔭網;此種降溫方式在本省較為少見。
(一)、自然通風
密閉型溫室之降溫方式最基本者為自然通風與機械通風。前者為溫室周圍或頂層留通風窗(側窗與天窗),當室內溫度由於日照而提高時,熱空氣會因密度降低而上浮由天窗溢出,而外界空氣由側窗流入造成對流,當溫度差異愈大時其流速愈快,但室溫仍將大於外溫。如圖 5-1a 所示為加強自然通風效果之單棟溫室設計;如圖 5-1b 所示為加強自然通風效果之連棟溫室設計。
自然通風在冬天效果最好,因為此時內外空氣的溫差最大。由於空氣溫差,可使屋頂排氣孔成為絕佳的出氣口,側面排氣孔大則成為絕佳的進氣口。當天氣很熱時,內外的空氣溫差就很小,甚至不存在。事實上,當你最需要通風的時候往往是自然通風最小的時候。若通風是外界風所引起,則較溫暖的地區,使用自然通風應有較佳的效果。

圖 5-1 (a) 單棟溫室,加強自然通風效果之設計

圖 5-1 (b)連棟溫室,加強自然通風效果之設計
玻璃溫室通常使用屋頂排氣窗。塑膠溫室若要行自然通風則必須利用塑膠布溫室本身屋頂之側舉上升或下降動作造成屋頂開口通氣作用。這種方式在日本、中國及南歐地區比較大的塑膠溫室區使用相當普遍。在美國和加拿大,有些塑膠溫室也裝有屋頂排氣孔,但這對每三年需換一次的塑膠布造成很大的困擾。側面排氣孔可以自動開啟,但排氣孔通常是手動者為多。溫室側面可以鐵絲網遮蓋以防鳥、蟲飛入,但網目過細時卻會嚴重妨礙自然通風效果。
頂部排氣孔通常使用於玻璃溫室或硬塑膠溫室。在美國紐澤西州所用之山牆排氣孔寬度通常約為地面寬度的 15%。換言之,一間10公尺寬的溫室可有雙排氣孔而每個排氣孔的寬度是75 cm。側排氣孔的寬度通常和山牆通氣孔相同,或為75 cm。在連棟式的溫室中,順風和逆風排氣孔的運作非常重要。有些時候,當風直接吹入順向通風口時,反而會降低溫室內部的通風作用。
側窗配合天窗的使用為本省一般溫室之特徵,溫室兩側可自動或以手動方式向上捲起,側窗與天窗都應該是一個連續的開口。若只有側窗,則通風之效果全賴溫室所在地在夏季是否常有風,若配合天窗的使用,則可利用熱空氣密度小(較輕)的原理,讓蓄積在上方之較熱空氣有一出口,有助於自然對流的發生。此系統由於不需投資另外的設備成本與操作成本,是以在本省最為盛行。若透過此二自然的力量仍無法將溫室內氣溫降至合適之範圍,則須另採機械通風方式。
除了溫差之影響外,風速也是一主要因子,若只有側窗而無天窗,則溫室之跨距不宜大過15 m;在風速低時,跨距大,有側窗及天窗之溫室內需在天窗下方或側窗上安裝風機來輔助帶動氣流,此即所謂機械式通風,又稱強制通風。風機將溫室內熱空氣強制抽出同時由於壓差而將大氣吸入達到通風之效果。
(二)、強制通風
機械式通風一般使用風機將溫室內熱空氣強制抽出同時由於壓差而將大氣吸入達到通風之效果。此系統需維持適當的氣密性才能使空氣由進氣口進,由排氣風機出;但是也因為氣密而容易有熱累積的現象,若設施之被覆資材為玻璃,則蓄熱情況更是嚴重,是以在設計上需注意通風量的大小,至少其降溫效果要優於自然通風,即要比在同一地點蓋一採側窗配合天窗的溫室的降溫效果要好。
一般只具遮雨功能之完全開放型簡易溫室其最低溫為同於大氣溫度,很難作進一步有效的控制,但可作為密閉型溫室是否使用其它降溫設備之判斷標準。密閉型溫室若無良好之通風,其溫度高出室外10 ~20 ℃也是可能,如圖 5-2 所示。密閉型溫室若有足夠的通風能維持每分鐘同溫室體積的空氣交換速率,則可保持溫室內溫度只比室外溫度高10 ℉(5 ℃),其降溫極限亦相同於外界氣溫。
利用風扇在溫室內產生負壓之強行通風式比自然通風系統可靠,通常將通風率設計為每一分鐘一個溫室體積(1 AC, Air Change)的通氣風量率。一間10m x 33m的溫室大約需700 m3/min的通氣風量率。由1kW 馬達帶動的風機(系統負壓為2.5 厘米水柱)可提供此風量率。若風扇以平均每天1 元,則業者每月每 m2溫室面積之電費應為1 元。電費會隨季節、作物種類和地理位置的不同而有所差異。
圖 5-2 通風換氣速率與溫室內增溫程度關係圖
利用控制系統來監控入氣窗的大小可以達到分段的效果。溫室的溫度決定風扇運作的個數。氣窗的開啟和預定 3.6 m/s 的空氣流動速度相配合。氣窗的開啟可利用電腦(計算氣窗開啟所需的時間)或控制器(利用機械開關系統來感應窗子的位置)來控制。
對於自然和機械兩種通風系統的差異一直有爭論存在。在美國紐澤西州羅格斯大學生物資源工程系Giacomelli 教授在塑膠布連棟溫室中做了許多實驗以比較二者之差別。表5-5所示的試驗結果可看出使用風扇通風優於自然通風許多。由圖5-2 亦可同時看出無論多大的風量,機械通風之降溫極限亦為同於大氣之乾球溫度。表5-6 所示為適於採用自然通風或強制通風之溫室之比較。
表 5-5 機械通風與自然通風之效果 系統改變
從 ---- 到 改變後經過
的時間,分 內部溫度差
℃ 日光輻射量
W/㎡ 風速
mile/hr
風扇----自然 12 2.3 680 8.2
自然----風扇 6 -2.2 740 11
風扇----自然 6 2.1 789 11
自然----風扇 3 -2.0 862 8.6
風扇----自然 3 1.8 772 6.3
自然----風扇 6 -2.5 804 8.2
風扇----自然 3 1.5 517 9.4
自然----風扇 9 -1.1 480 5.3
表 5-6 適於採用自然通風或強制通風之溫室 採自然通風方式為較有利之溫室:
小型溫室,側窗與天窗開口面積較大者
連棟溫室,屋頂能大幅打開者
跨距在15 m以下之單棟塑膠布溫室,其側壁能全開者
盛夏時休耕的溫室
採強制通風方式為較有利之溫室:
高溫期通風不良,側窗與天窗開口面積較小之溫室
天窗結構不佳或位處強風區天窗頻受風吹破壞之溫室
跨距在15 m以上,側窗與天窗功能無法充份發揮之溫室
希望能保持通風及低濕的溫室
夏季以蒸發冷卻法降溫之溫室
本省之高溫期長達八個月以上,就算溫室內溫度可降至與外溫相同,其溫度仍然偏高。加濕(蒸發)冷卻方式為進一級的降溫方式,常見者有風機濕簾 ( 水牆) 法(Fan and Pad)、風機水霧法(Fanand Mist) 及風機微霧法(Fan and Fog)。前二者之降溫極限為外界空氣之濕球溫度,末者之降溫極限則為原來內部空氣之濕球溫度。
(一)、風機濕簾法與風機水霧法
風機濕簾( 水牆) 法之設計優良者其效率在75 - 85 % (如圖5-3 ),風量過大、風速過高,將降低空氣與溼簾之接觸時間,效率反而下降。水牆之安置可有多種方法(圖5-4 ),一般以直立式最為常見。
圖 5-3 典型的風機濕簾(水牆)法, 濕簾部份設計圖
依據所噴出之水珠大小,風機水霧法又分為水霧(mist)與細霧(micromist);其顆粒大小分別為1 mm 與0.1 mm。由於水霧之顆粒較大,噴出之後很快就落至植株體上或著地,是以蒸發效果不好,後者大約只有50%的水份能有效蒸發帶走蒸發潛熱,前者能帶走的熱更少。更有甚者,前者可能造成過濕而導致植株的腐敗,使用上不可不慎。
風機濕簾法與風機水霧法之水牆與水霧產生設備通常只安裝在溫室之一側(圖 5-5 ),是以無可避免的溫室內會有溫度梯度的現象。風機微霧法通常有多重『水線』,譬若在吸氣口側廣設預冷水線,在室內氣流之中途設再冷水線(如圖 5-6 ),一般降溫效果較佳且均勻。設計良好之風機微霧型降溫設備可將溫室溫度降至同於外界大氣之濕球溫度。噴霧系統的降溫能力除了與噴嘴的效率相關之外,其噴水量是否適量亦是一重要關鍵,圖 5-7 所示分別為水量不足與水量充足之同一噴霧設施之降溫能力比較。
臺灣為亞熱帶地區海島,一般皆會直覺的認為一定是高溫高濕,非常不利於採用加濕(蒸發)冷卻方式進行降溫,然而在正午及午後的高溫時段,空氣之相對濕度通常只有約50 % (如圖5-8 ),整天的濕球溫度均保持在25 ℃左右。是以在最需降溫之同時,風機濕簾(水牆)、風機水霧及風機微霧等三種蒸發冷卻式降溫方法仍有其可發揮之處。本省目前以風機濕簾法最為大眾熟悉,此系統在使用時需注意維持溫室之氣密性,必需使進入溫室之空氣全都經過水牆才能發揮蒸發冷卻效果。


圖 5-4 水牆之各種安置方法

圖 5-5 水牆與水霧產生設備安裝在溫室之一側

圖 5-6 風機微霧法典型之多重『水線』安裝方式


圖 5-7 風機微霧法水量不足(上)與水量充足時(下圖)降溫能力之比較

圖 5-8 本省典型之夏季氣候(最熱時,濕度最低)

圖 5-9 小型吹入式蒸發冷卻單元機
小型溫室可採用小型吹入式蒸發冷卻單元機如圖5-9所示(Nelson,1985 ),其構造與基本原理與今日市面上有售之涼風扇相同,基本上是將水牆與風扇安裝於同一單元,空氣經過水牆被風機吹入溫室。目前本省已有相類似的產品問世。
(二)、結合水牆法與水霧法的噴水夾板牆設計
Luchow 與Zabeltitz (1992 )的實驗探討噴出之水珠與空氣流向對降溫效果之影響。

圖 5-10 結合風機水牆法與風機水霧法的噴水夾板牆示意圖
如圖5-10之噴水夾板牆法,此系統之特色在空氣與水霧之接觸時間頗長,噴嘴分別安裝於兩夾層,空氣流經兩夾層,在一邊噴出之水珠與空氣流向為同向(Con-currentFlow ),另一邊則為反向(Counter-current Flow)。空氣通過此噴水側之降溫效率(β)可採水牆效率之計算公式。
Ti - Ta
β =   ─────
Ti - Tw
其中,Ti,Ta如圖5-10 所示,分別為進入與離開噴水側之空氣溫度,Tw則為外界空氣之濕球溫度。Luchow 與Zabeltitz 探討以下三種情況之降溫效率,簡列如下:
使用單列水管,空氣流向與噴嘴噴水之方向相同,
使用單列水管,空氣流向與噴嘴噴水之方向相反,
使用雙列水管,空氣流向與噴嘴噴水之方向先相同再相反。
第二者優於第一者的原因在於第二者中空氣與水珠之接觸時間較長,當第一者之水壓為0.5 MPa (約5 個大氣壓)而第二者之水壓為0.2 MPa (2 個大氣壓)時,二者之降溫效果相差不多,但很明顯的,由於第一者使用之水壓較高,其初始與操作成本皆要比第二者高出許多。第三者使用之水量為前二者之兩倍,其降溫效果為最佳是可預見的。
作者考慮用水量,降溫效果與安裝成本得到的結論為第二者最佳。此系統的最大好處在成本低廉,安裝、維修容易且效率比水牆高。此處所謂之效率係指噴水側之降溫效率。效率為100% 代表離開噴水側進入溫室之空氣溫度為同於大氣之濕球溫度。
本省在高濕高熱之夏季當可採用此系統,若經費不缺,可採用前述之第三種設計,其效果會比水牆好,成本也較低廉。
(三)、風機微霧法
風機微霧法簡稱噴霧法( fogging ), 此類系統的使用早已存在,卻是直到最近才廣泛被應用在溫室中。噴霧系統所噴出之霧氣(fog )是由水蒸氣和極細小的水滴所組成的。傳統的霧氣產生方式是水經由高壓過程通過極小的洞(噴嘴)所產生的「雲( cloud )」。就理想狀況而言,「雲」應該能懸浮在空中,且維持一段時間,是以能完全蒸發。另外,霧氣的產生亦可透過超音波振盪方式或旋轉離心方式產生。
噴霧方式所產生霧氣之顆粒大小是由噴嘴的管徑和水壓的大小來決定的。 我們這裡所指的霧氣( fog )和薄霧( mist )並不相同。薄霧的水滴比霧氣的大且較重,而且會造成潮溼。霧氣起初是呈現懸浮的狀態,最後會蒸發掉,若空氣含水程度已達飽和,則其會再變成水滴。圖 5-11 所示為溫濕度與顆粒大小對水珠蒸發前所能移動之距離的影響。
傳統的風機水霧法與風機微霧法都使用噴嘴,其對水質與水壓之要求均高, 前者之水壓需求在 10~14 大氣壓之間, 後者則維持在35 大氣壓或以上; 基於高壓之需求,管路之材質與噴嘴之要求均較高,相對的成本亦較高。

圖 5-11 溫濕度與顆粒大小對水珠蒸發前所移動之距離的影響
旋轉離心式噴霧機配合風機之使用為新式之風機微霧法。此方法對水質與水壓的要求不高為其最大優點。 其產生之霧粒大小約為 43微米, 若噴霧機可懸吊在作物上方 1 公尺或以上,則所噴出之水霧在落在作物葉面上之前均可完全蒸發,效率達 100% (圖 5-12 )。
風機微霧法所產生之水珠顆粒為 0.01 ~ 0.03 mm,是以通常能近乎 100% 的有效蒸發。 英文的 mist 與 fog 皆譯為霧,實則二者在水珠的顆粒大小上有很大的區別。fog 的定義為顆粒小於 40 微米( micron,μ m )的水珠,一個 micron 為百萬分之一米,約為人髮直徑的 1/10。 0.01 ~ 0.03 mm 為 10 ~ 30 微米約為 1- 3 根頭髮之直徑。 顆粒比 1 微米還小的水珠即為『煙』。就溫室降溫之目的而言,最佳的霧粒直徑為 17 微米,此種霧粒所造成的微霧濃度適中,尚具有遮光的效果,呈煙狀的霧粒即缺乏此種附加價值。再者,濃度適中的微霧在蒸發前瀰漫於作物附近,可形成一零蒸散環境 (Zero transpiration environment), 在不影響作物生理的情況下大幅降低作物對灌溉的需求,此為另一附加價值。

圖 5-12 迴轉式離心噴霧機使用情形
1、噴霧對溫室環境之影響
噴霧對溫室環境之影響包括溼度、溫度、光照和疾病產生的情況等方面。噴霧系統對溫室環境的影響和外在環境有密切的關係。當外在環境是處在低溼、高溫、高輻射時,噴霧系統的降溫效果是最顯著的;在此種狀態下,溫度可最多降低9℃左右。
在熱且乾的情況下,使用噴霧系統可進行溼度和溫度的控制,因為霧氣在蒸發的過程中,須從空氣中吸取熱量,因此會在農作物的上方產生一層較清涼也較重的空氣。冷空氣下降、熱空氣上升,於是造成空氣的對流。所以,除了可降溫之外,亦兼有通風的效果。當外在環境是既溼且冷,則噴霧系統對溫室環境的影響將大大的減少。其它諸如灌溉頻率、用水量、加熱等環境管理策略,總之會影響溫室內濕度者對噴霧系統之效率都有影響。
2、噴霧對作物的影響
噴霧系統對溫室作物之影響包括了作物之含水程度、生產力(產量)、品質和擺在展示櫃之存活時間等。就植物生理,就其和周圍環境的作用而言,是植物本身的蒸散作用和水緊迫現象的減少。這些現象是處於既熱且乾的環境下,噴霧系統所能造成的最重要現象。作物可避免極度的水緊迫現象而長期維持在一適當的保水狀態。
噴霧系統的使用所帶來的實際成效,是使農作物的生產力和品質的提高。在玫瑰花切花的例子中,在裝設有噴霧系統相對溼度維持在80 ﹪的溫室較沒有噴霧系統的溫室, 其平均生產力可高出約 5 至50 ﹪(視季節與品種而異), 級數(如莖的長度)亦增加了 33 ﹪。同時,似乎亦可延長放在展示櫃上的存活壽命。
3、噴霧系統的成敗關鍵
噴霧系統的成敗關鍵在於水的品質,承受高壓經噴嘴噴出的水中若溶有許多可溶解的固體、無機鹽等物質,則便可能造成許多問題。溶質的累積,輕者破壞霧氣噴出的造型,且通常會使霧氣的霧滴變大,結果導致葉片的潮溼(葉面長期潮溼並不是我們所期望的);溶質累積嚴重者,更可能造成噴嘴的阻塞而使系統完全失去作用。品質不良的水所產生的另一負面影響是,如鈣等可溶解的物質會落在作物上。這在切花作物是最不好的,因為這會使美麗的花朵失去其原本的美麗色彩。
使用系統規劃完善、設計良好的噴霧系統,其結果是可以令人滿意的,由於可對植物的蒸散作用和植物本身的保水狀態作適當的控制,其不僅可提高作物的生產力和品質,在環境控制上亦可達到降溫的需求,且避免過濕。噴霧系統的主要缺憾,是對水質的要求及經常性的要對噴嘴作維護工作。此二問題一旦透過定期保養來解決,則使用噴霧系統所帶來的好處將大於其缺點。若使用迴轉離心式噴霧機則無此困擾。
(一)、冷熱水根溫調節系統
此法與美國羅格斯大學發展之桌面型熱水管加熱系統 (Bench Heating ) 與無沙水泥地底部加熱系統 (Porous Concret Floor Heating) 原理相同 ( 圖 5-13, Roberts 等, 1985 )。


圖 5-13 桌面型熱水管加熱(上圖)與無沙水泥地底部加熱系統(下圖)
由於大空間的溫室降溫所耗能源較多,致使全面環控之成本高,又由於大空間所無法避免的溫度分佈不均且溫控時間延遲等缺點,因此台中種苗改良繁殖場於其引進之荷蘭溫室內的植床上另外架置冷熱水根溫調節系統以迅速達成局部溫控。在氣溫高,日射強且溼度大的夏季午後雷陣雨之後,使用蒸發冷卻降溫之系統均無法發揮其效能,若僅以外部遮蔭網遮蔭,室內仍顯得悶熱,氣溫常達 30 ℃以上。除非裝設並開啟昂貴的冷凍機械,否則植物生育受阻和病蟲害嚴重。若利用冰水機根溫系統, 則可使種苗根部及附近小區域之溫度迅即降至20 ℃,讓植株能正常發育。 又如,台灣冬季低溫期短,且白天回溫快,加溫常為間歇性,所以沒有裝置大型全室升溫設備的必要。利用上述根溫系統通導熱水機組,亦能迅速為植株根圈及小區域加溫協助種苗正常發育。
此種簡單價廉而且容易切換之冷熱系統,所造成之溫度改變雖為小區域局部性,然而,從植物生理觀點而言,種苗發育期間,植株嬌弱體小,根溫對生育之影響往往較氣溫重要。如高氣溫低根溫,植株發育顯著緩慢下來不致造成徒長。因此,尤其在台灣春秋交替季節,冷熱氣團移動頻繁又快速,使得溫室溫控操作會發生昇溫及降溫交替現象,輔此根溫系統得使我們對植株生長所需之環境有較佳的控制系統,以發揮彈性應變功能(黃,1992 )。
(二)、冷凍循環法
使用壓縮式冷氣機為是最有效的降溫方法,但耗電量高,除非符合經濟效益一般不予考慮。吸收式冷卻系統之冷卻能力雖遜於壓縮式冷氣系統, 但其耗電量甚低(小於前者之 5 % ),若有價廉之熱源,譬若廢熱、蒸氣、瓦斯、燃料油、地熱、太陽能等可以利用,則此類冷卻系統亦有其發展潛力。如圖 5-14 所示為此二類系統之設備與流程示意圖。吸收式冷卻系統係利用冷媒在低壓蒸發時吸走冷凍室內之熱量以保持冷凍室之低溫效果。外來的熱源用來提供發生器所需之熱量使冷媒與吸收劑分離而循環不已產生冷凍作用( Howell and Buckius, 1992 )。

圖 5-14 壓縮式(左圖)與吸收式(右圖)冷卻系統設備與流程示意圖
(三)、熱儲蓄法
本法使用相變材料 (Phase Change Materials, 簡稱 PCM) 來調節溫室內的溫度。當室溫超過 PCM 之融點,則 PCM 開始吸熱,由固態轉變成液態; 反之,當室溫過低,則 PCM 可釋放熱量,於是由液態朝固態轉變(圖 5-15 )。當密閉型溫室內有補充二氧化碳以加強光合作用之進行時,有時會發生因室溫過高而需運轉風扇以降溫卻同時將需要的二氧化碳帶走的窘境。 此時,使用 PCM 以調節溫度是一個可行的方法。

圖 5-15 相變材料降溫原理示意圖
(四)、乾燥除濕法
此種技術在工業界空調冷凍業者已有十餘年之應用歷史,其方法是在高濕及年溫變化小的熱帶地區,利用除濕裝置將外氣之濕度降低。產生的高溫、低濕之空氣經熱交換器加以兩次預冷,預冷降溫之空氣再經壓縮機降至更低溫度,而後進入室內與室內空氣混合達到空調效果。除濕裝置之再生能源由熱交換器、冷凍機之廢熱和太陽能收集器之熱能供應,不足之能源需以電力補足。
本法依乾燥劑之種類可大分為液體除濕與固體(吸附)除濕兩類。乾燥除濕技術在美、日等國早有成熟的應用實例,
液體除濕是利用化學溶液(如三乙基乙二醇,氯化鋰等)在固定濃度下降溫可吸水的特性以除濕,增溫可釋放所吸之水的特性以還原(如圖 5-16 )。

圖 5-16 液體除濕技術基本原理
固體除濕技術則是靠風巢轉輪上之矽膠吸附外界空氣之水份使呈低濕乾燥狀態,轉輪之還原則透過溫室內高溫空氣以加熱矽膠使釋放水份(如圖 5-17 )。經除濕後較乾的空氣以強制通風方式導入溫室,溫室內水份蒸發所釋出之潛熱便被此空氣帶走而達到降溫之效果。

圖 5-17 固體除濕技術基本原理
目前於工業技術研究院能資所正大力推廣此二種技術於農業上之應用,如溫室降溫。國內利用此技術應用於溫室降溫之方式如下:外界空氣經除濕後成低濕高溫狀態,經熱交換器降溫,再利用噴霧裝置加以加濕,加濕之空氣再進入溫室進行溫室內部降溫工作。除濕裝置再生之部份能源由溫室結構夾層收集之太陽能源供應,不足部份需由電能補助。
此降溫方式因進入溫室之氣流為開放式並未循環利用,與上述空調冷凍之密閉系統不同,因此除濕劑再生所需能源也大。由於空調系統之模擬設計與空氣濕氣圖已有現成之軟體程式,此種溫室降溫系統可就外界大氣之溫度,除濕輪之除濕能力,熱交換器之工作效率,加濕裝置之能力,配合溫室內之需求溫度條件進行此套作業系統之作業性能與所需能源之評估, 配合作業成本分析更可探討其實用性。 圖5-18 為此系統之使用概念圖(李,1992 )。

圖 5-18 液體除濕技術配合太陽能於溫室之應用
(五)、內部空氣循環
此方法沒有降溫功能,但可使溫室內之溫、濕度、二氧化碳濃度等保持均勻分佈,小型風扇之安裝與流向分佈請參見圖 5-19。

圖 5-19 小型風扇之安裝與流向分佈
以下三點為圖5-19之補充:
溫室長度每增加 15公尺 (50 ft)即增加一列風扇。
對於有三個隔間的溫室,外圍的兩個隔間的氣流必須同向。奇數隔間數的溫室,中間的三個隔間的氣流必須同向。
所有風扇的總容量(單位為m3/min)須至少相當於溫室體積的1/4。直徑16吋、1/15馬力的風扇通常已足夠。
(六)、風機噴流法
如圖 5-20 所示,風管與外部之通風口若打開,可視同機械通風裝置;輔以小型燃燒器則可當加熱設備使用;若關閉向外之通風口則成為另一種促進內部空氣循環之裝置。 其安裝與流向分佈請參見圖 5-21。以下簡介其塑膠圓管送風量之計算公式,並舉例說明。


圖 5-20 風機噴流法(Fan-Jet)系統圖
塑膠薄膜製成之圓管一直用為一般溫室之進氣管,它亦被使用於加熱或通風系統,以改善溫室內部空氣之流動分佈。這種圓管直接接於熱交換器或風機,並將熱或冷空氣均勻地輸送到溫室各角落。加熱裝置可設置於溫室外面有固定遮棚的地方,並以塑膠圓管將熱空氣送入溫室之內。通常加熱裝置的風機是一直運轉的,而燃燒室內之火焰則由恆溫器作週期性控制。 在溫室內之熱風流動速度最好低於 150 fpm (0.75 m/s)。 如此可以減少溫度之分佈差異,並可協助將二氧化碳送至植物之葉面上。若作降溫通風之用,亦可內裝類似水牆之裝置或內設噴霧器,透過蒸發冷卻原理傳送較冷空氣至全溫室。


圖 5-21 風機噴流法(Fan-Jet)系統安裝與流向分佈示意圖
空氣離開膨脹的圓管係經由其上平滑的圓孔 ( 圖 5-21),其流量方程式如下:
Q= 4005 × C × A ×(P)1/2
其中, Q : 空氣流量,CFM。 4005: 標準空氣常數。
C : 0.60,圓孔係數。 A : 圓孔面積,平方呎。
P : 靜壓,吋水柱。
例如:一個裝有塑膠圓管之加熱裝置, 可在 1/4 吋靜壓下供應1,800 CFM 之熱空氣。設空氣自管中流出之靜壓為 0.25 吋,其孔徑為 3 吋,其每孔之通風量為:
Q = 4005 × 0.6 ×([3/12]2 × 3.14)/4 × (0.25)1/2 = 59 CFM/孔
若溫室有 96 呎長,則其孔數應為 1,800 除以 59,或為 30 孔。 若孔的分佈係在懸吊圓管斷面之 4 點及 8 點鐘的方位,則需 15個位置。這表示 3 吋的孔應沿著管道以 6 呎的中心距安排。若想使用更多的孔數,則可以採用較小的孔徑。
本章介紹了多種溫室降溫的方法,多管齊下通常是最佳的降溫策略,因為可收相輔相乘之效。然而,需注意的是各種降溫方式的啟動不見得有一成不變的次序,需視當時作物之生長狀況來做判斷。
以本省之夏季溫室氣溫昇高之降溫操作為例,是選擇開啟外部遮蔭網以減少能量繼續進入?還是開啟風機濕簾裝置,或以噴霧方法移走室內潛熱?譬如,如果當時為幼苗成活期,採用外部遮蔭及噴霧方式降溫效果良好;如果作物需光線以進行光合作用則遮蔭裝置就不得長時間使用;如果作物病害嚴重,則噴霧降溫應予避免。再者,一般作物喜歡有日夜之溫差, 晴天日溫約較夜溫高 5~8 ℃,陰天則約高3 ℃,但一般原生於熱帶地區之多數觀葉植物則喜歡日夜同溫;又,作物之最適生長溫度常隨著季節與地區而有所不同,也有隨株齡與生長階段而異者,如蕃茄之株齡大者之最適溫較低,鬱金香之發芽、花芽引發、結球等之最適溫亦皆各異。
完全不考慮作物生態與生理之環境控制,有時是相當冒險的;完善控制策略的規劃需要業者、農學及工程學專家之共同努力。
方煒. 1994. 本省精密溫室環控極限與環控設備使用效率之探討. 八十三年度國科會專題研究計畫成果報告. NSC83 - 0409 - B- 002 - 094.
方煒. 1993. 「溫室環境控制 - 降溫方法之探討」. 民國82 年 4 月 1-3 日. 桃園農業改良場.
李浩銓. 1992. 液體除濕技術介紹與應用. 工業技術研究院能源與資源研究所.
Fang, W., 1994. Greenhouse Cooling in Subtropical Regions. XXIVth International Horticultural Congress. 21-27 August, KYOTO, JAPAN. 【 Invited Lecture 】
Howell, J.R. and R. Buckius. 1992. Fundamentals of Engineering Thermodynamics.