- 基于熱電制冷技術的營養液溫控系統的研究
- 采用有較強防腐性和較好導熱性的材料
- 根據不同的需要設計出不同規格的溫控系統
引言
植物根際溫度對其水分代謝、礦物質吸收、植物激素代謝、生長發育、光合作用等具有顯著影響，根系對高溫逆境的脅迫表現最為敏感，尤其是吸收根。Adams等研究認為，在番茄營養液膜無土栽培中，當根際溫度保持在12~24℃范圍內條件下，其植株干質量、葉面積和果實產量隨營養液溫度的升高而增加。
目前國內主要采用地下水、加冰、電熱管加熱以及加大營養液槽的體積等措施控制營養液的溫度。
夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營養液的溫度，但對地下水浪費嚴重，且受地理環境因素的制約；采用加冰的方法即不易于實現對營養液溫度的控制，也易對周邊環境造成污染。冬季，采用電熱管加熱雖然能夠滿足植物生長的要求，但加熱一段時間后，加熱棒表面出現Cat+,Mgt+離子的結垢，勢必引起營養液成分的變化川。研究一種節能、高效的營養液溫度控制系統具有現實意義。
熱電制冷技術已經廣泛地應用于醫療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個領域，但在農業生物環境控制領域的應用很少。筆者針對單株番茄樹特種栽培營養液溫度控制中存在的問題，研究開發了一套熱電制冷溫控系統，以解決植物栽培中營養液夏季降溫和冬季加溫的問題。
1 熱電制冷器的工作原理
熱電制冷器的基本元件是P型和N型半導體元件連接而成的熱電偶對。如圖1所示，當熱電偶對中通以電流后，電子和空穴分別從金屬片3流入N和P型半導體，產生電子一空穴對時吸收的熱量大于通過金屬片3時產生的熱量，使金屬片3與P和N型半導體結合處的溫度降低，電絕緣層1成為冷端，物體2被冷卻。當電子和空穴從N和P型半導體流入金屬片5時，電子和空穴結合放出的熱量大于帶走的熱量，使金屬片5和P,N型半導體的結合處的溫度升高，電絕緣層6成為熱端，物體8被加熱。所以熱電偶對在冷端吸收周圍介質的熱量，實現制冷；在熱端散發熱量，加熱與之接觸的物體。電流方向改變，冷、熱端互換。實際使用時通常把幾個或上百個熱電偶對連接在一起，并加工成片狀，稱為熱電制冷器或熱電制冷片。
2 試驗材料及方法
2.1 溫室
試驗溫室為中國農業大學水利與土木工程學院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃；頂部設置天窗自然通風；溫室內設置內保溫幕，外置遮陽幕；南面安裝風機，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。
圖2為溫室橫向剖面圖。
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2.2 熱電溫控系統
熱電制冷設備結構設備采用對稱結構（圖3），蓋板2為保溫性能良好的聚苯塑料板，以減小外界環境與流體之間的熱交換。上下蓋板利用螺栓連接，既保證了熱電制冷片6和銅板4的充分接觸，又減小了熱電制冷片與銅板之間的接觸熱阻。320mmx295mmx6mm（長x寬x高）的橡膠墊3內加工出5個平行排列（間距10mm）并相互導通的矩形槽（280mmx44mmx6mm），主要起導流作用。
熱電制冷片采用杭州建華熱電制冷集團有限公司生產的teC-12706熱電制冷片，共26片。其最大工作電流6A，電壓15.4V，最大制冷量51.4W，最大溫差67℃。根據王錦俠等的研究結果，確定設計參數為：制冷器熱端最高溫度45V-，冷端溫度20°C，工作電壓（DC）12Vo散熱方式熱電制冷片的制冷量和制冷系數與制冷片冷熱端的溫差密切相關，溫差越大制冷量越小，制冷系數越低。對于特定的熱電制冷片，散發掉熱端的熱量是提高熱電制冷系數和增大熱電制冷量的關鍵。由于控制對象為營養液，其水冷換熱系數高，換熱效果好，故采用水冷方式進行散熱。
電源當直流電源的穩波系數小于10%時，熱電制冷片的制冷性能較好。根據需要自制了1臺電源，其交流輸入電壓（AC）220V，直流輸出電壓（DC）12V，最大電流300Ao測試儀器Datataker600數據采集儀和熱敏電阻溫度傳感器，澳大利亞數據電子有限公司生產，其測量精度為士0.050C;ST5124環境溫度控制器，美國Aerotech有限公司生產，可以直接控制繼電器工作，控制精度士0.1℃；普通流量計、直流電壓表、電流表等。
2.3 試驗目的及方法
目的測試熱電溫控系統的制冷系數以及水流量對制冷系數的影響；試驗驗證熱電溫控系統的實際運行效果。
制冷系數的測試在電路中接入功率表，記下起始讀數；利用數據采集儀和溫度傳感器記錄和測量制冷水溫度的變化。按式（1）計算制冷系數：
式中：m為制冷水的質量，kg;和T:分別為制冷水的初始溫度和每次試驗結束時的溫度，℃；W為耗電量，J;。為水的比熱容（假設為常數）。
試驗設計試驗采用2因素3水平的3X3正交試驗設計方法，其中因素A為散熱水流量，分別為4.5,5.8和7.1Lmin-1;因素B為制冷水流量，分別為5.6,8.9和11.2Lmin-1。制冷水初始溫度為2610.5°C，散熱水溫度為2610.5°C。采用2個散熱水箱（分別為進水箱和回水箱）盛放散熱水，確保散熱水溫度恒定。制冷水箱箱體外加5cm厚的巖棉保溫材料，減小周圍環境與制冷水之間傳熱量，其內共35kg制冷水。數據采集間隔為1min,每次試驗30min。試驗原理見圖4營養液溫度控制試驗營養液無土栽培系統主要由水泵、營養液槽、栽培槽、閥門、熱電溫控系統，以及循環管道等組成（圖5）。試驗中共采用2套營養液無土栽培系統，其中1套系統采用熱電溫控系統控制營養液溫度，另外1套不采取任何溫度控制措施，營養液配方相同。
3 試驗結果及分析
3.1 制冷系數
在所試驗的流量范圍內，熱電溫控系統的制冷系數約為2046。制冷系數隨流量的增加而增加（圖6），但制冷系數的變化率在減小。
當散熱水流量從4.5Lmin增加到5.8Lmin時，制冷系數的增加量為1.346，而散熱水流量從5.8Lmin增加到7.1Lmin時，制冷系數的增加量為0.346。制冷系數隨制冷水流量的變化有相似的變化規律。當散熱水與制冷水水泵流量最大分別為7.1Lmin和11.2Lmin時，橡膠墊槽內流體的雷諾數分別為6643和7515，大于2000，流體處于紊流狀態，從經濟性考慮，沒有必要繼續增加流量以提高該系統的制冷系數。
3.2 營養液溫度控制結果
不同溫控措施下營養液溫度變化及環境溫度的變化曲線見圖7。在溫室內環境溫度高達35℃的情況下，利用熱電溫控系統成功地把營養液溫度控制在21-23℃溫度范圍內；當溫室環境溫度低于14℃時，營養液溫度可控制在19.5-20.5`C溫度范圍內，滿足番茄根際生長的需要。沒有采取溫控措施的營養液溫度高溫達40°C，低溫低于160C，根系出現腐爛，影響番茄的正常生長。2003-10-15采收成熟的番茄，沒有采取溫度控制措施的番茄平均單果質量為0.081kg，采用熱電溫控系統的為0.129kg.
4 結語
本文所設計的熱電溫控系統實現了對營養液溫度的合理控制，滿足番茄無土栽培中根際對營養液溫度的要求。該系統不污染環境，使用方便，能夠實現降溫和加熱的目的，并可以根據不同的需要設計出不同規格的溫控系統。需要指出的是，營養液對銅板會造成一定的腐蝕，如果營養液中Cu2+濃度過大，番茄會出現一定程度的中毒現象，因此應采用有較強防腐性和較好導熱性的材料或采取一定的防腐措施。
