基于熱電制冷技術(shù)的營(yíng)養液溫控系統的研究

引言

　　植物根際溫度對其水分代謝、礦物質(zhì)吸收、植物激素代謝、生長(cháng)發(fā)育、光合作用等具有顯著(zhù)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(yíng)養液膜無(wú)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(zhì)量、葉面積和果實(shí)產(chǎn)量隨營(yíng)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(yíng)養液槽的體積等措施控制營(yíng)養液的溫度。

　　夏季，利用地下水降溫雖然能夠有效控制營(yíng)養液的溫度，但對地下水浪費嚴重，且受地理環(huán)境因素的制約；采用加冰的方法即不易于實(shí)現對營(yíng)養液溫度的控制，也易對周邊環(huán)境造成污染。冬季，采用電熱管加熱雖然能夠滿(mǎn)足植物生長(cháng)的要求，但加熱一段時(shí)間后，加熱棒表面出現Cat+,Mgt+離子的結垢，勢必引起營(yíng)養液成分的變化川。研究一種節能、高效的營(yíng)養液溫度控制系統具有現實(shí)意義。

　　熱電制冷技術(shù)已經(jīng)廣泛地應用于醫療、航空航天、潛艇、船舶、家電等多個(gè)領(lǐng)域，但在農業(yè)生物環(huán)境控制領(lǐng)域的應用很少。筆者針對單株番茄樹(shù)特種栽培營(yíng)養液溫度控制中存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了一套熱電制冷溫控系統，以解決植物栽培中營(yíng)養液夏季降溫和冬季加溫的問(wèn)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(chǎn)生電子一空穴對時(shí)吸收的熱量大于通過(guò)金屬片3時(shí)產(chǎn)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(shí)，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?chē)橘|(zhì)的熱量，實(shí)現制冷；在熱端散發(fā)熱量，加熱與之接觸的物體。電流方向改變，冷、熱端互換。實(shí)際使用時(shí)通常把幾個(gè)或上百個(gè)熱電偶對連接在一起，并加工成片狀，稱(chēng)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(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院樓頂玻璃溫室。南北跨度7.3m，東西長(cháng)度23.2m;溫室覆蓋材料為雙層玻璃；頂部設置天窗自然通風(fēng)；溫室內設置內保溫幕，外置遮陽(yáng)幕；南面安裝風(fēng)機，北面安裝濕簾，用于夏季溫室降溫。