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温室具有改善全球粮食安全的潜力，但高能源成本是使它们在温暖气候下成为农业前沿的持续挑战。

在这里，“智能玻璃”（SG）的节能潜力，这是一种装有ULR-80薄膜的漫射玻璃，允许传输85%的光合作用活性光并阻挡发热辐射，这是温暖气候温室的特征。

在高科技温室中连续两次6个月的茄子作物试验，以比较SG与标准漫射玻璃在凉爽和温暖的气候条件下。在较冷的月份，SG将冷却能源使用量减少了4.4%，施肥需求减少了29%，在温暖的月份，冷却能源使用量减少了4.4%，施肥需求减少了18%。

SG没有显著影响通风或加热能源的使用，但大大降低了果实产量。SG可能有助于减少商业温室的养分/水的使用以及少量的节能。但是，重新设计光谱特性SG可以提高茄子果实产量，同时保持温室中能源，养分和水的使用减少。

引言

据预测，到本世纪中叶，全球粮食需求的增长将需要增加25-70%的粮食产量。气候变化，经济增长，人口增加和可耕地减少之间存在密切关系，这引起了对未来水和能源可用性的担忧。 因此，必须重新审视有限的耕地种植潜力，提高现有粮食生产系统的效率。

温室园艺既可以改善粮食安全，又可以保持较低的生态足迹，最近受到广泛关注。虽然温室传统上用于较冷或更温带地区，因为它们能够捕获热量，但它们也可以在温暖的气候中使用，从而通过提高用水效率，最大限度地减少肥料渗入地下水以及减少农药对环境和人类健康的损害来减轻环境负担。

中低技术温室可以采用基本特征，例如防止害虫的物理屏障，遮荫，风屏障，创新的覆盖材料，全自动水培灌溉以及其他控制温室供暖，通风和空调的技术。

屋顶温室和室内植物设施等受保护的种植在城市环境中也很有效，大大提高了每平方米的作物产量，降低了运输和物流成本，并减少了食物浪费和碳足迹。

高科技温室允许控制和自动化温室环境的许多方面，例如一氧化碳2浓度、相对湿度、太阳辐射、灌溉、照明、气流和温度。这使得温室成为种植许多经济上重要的蔬菜作物的理想选择，特别是番茄和茄子，它们具有相似的种植要求。

茄子作物需要大约13周才能成熟，并且大多是等香物种，在水分胁迫下继续呼吸。因此，它们在最佳光照、温度、湿度和浇水条件下的生产力更高，这在露天环境中难以维持。

正常的茄子花粉萌发和坐果需要夜间温度大于15°C，白天温度小于40°C，而在强光照条件下，在22°C左右可实现最佳生长。

尽管产量大大提高，但温室园艺目前是一种资本密集型的粮食生产手段。撇开高昂的初始投资成本不谈，在较小的温室单元中，劳动力和能源通常占运营成本的50%以上。

因此，提高能源效率是全球保护性种植研究和开发的关键领域。在寒冷气候中，供暖是能源使用的主要贡献者，燃气、电力、地热和太阳能加热技术等加热技术在很大程度上已经成熟或旨在利用现有的自然资源。

本文描述了SG在两个6个月的生长期内对温室茄子作物的能量，水和养分使用的长期影响。

通过检查多跨温室中SG涂层和漫射玻璃隔间的冷却能源使用，通风活动和作物用水的变化，实现了操作表征。总体目标是深入了解SG温室在高科技温室运营中的优缺点。

本文首先描述了温室设施和安装技术的物理布置，以及收集和分析高分辨率传感器数据的方法。比较对照和SG处理的施肥，能量使用和通风活动。最后，参考其他研究对象和作物研究，介绍了生理和基本经济分析，并就保护性作物SG技术的未来发展提出了建议。

1. 材料和方法

1.1. 温室设施和研究参数

实验持续时间与高科技温室中茄子作物的商业实践一致，实验地位于澳大利亚新南威尔士州里士满的多跨山墙屋顶温室。

外部气候参数，包括气温，湿度和太阳辐射，位于温室东北3.9公里处的里士满RAAF位置。

1.2. 温室制冷和供暖

四个温室隔间都使用了主动和被动冷却系统。每个隔间都配备了冷却能量表。每个隔间安装了两排屋顶通风口，所有这些都根据盛行风向在背风或迎风通风口之间交替。

通风孔径根据空气温度，隔间和外部相对湿度和一天中的时间改变。所有实验都使用相同的策略。这些通风口通过背风产生的压差和热浮力释放热空气。

每个隔间的屋顶下安装了一个低压雾化装置，该装置与通风口相结合，旨在将相对湿度保持在所需的设定点。

虽然温度设定点不影响雾化器运行，但雾化器通常在此过程中通过蒸发冷却来散发热量，这涉及使用通风口从温室中去除潮湿空气。因此，SG的冷却性能通过分析通风口和冷却器的能源使用和运行来评估。

作物管理和水果生产

植物在自动Priva气候和施肥控制系统的调节下生长和维护，并为植物提供最佳生长条件。从每株植物中挑选三根茎，并在移栽三周后用悬挂在高丝系统上的绳子支撑。

茎每周用手缠绕在支撑绳上。允许果实发育，直到侧枝上主茎的第二个节点。每周修剪一次侧枝第二节点以外的生长，留下两到三片叶子用于养分分配。

综合虫害管理（IPM）做法与生物控制措施一起实施，在收获季节，成熟的茄子果实每周收获一次，目标果实大小为300-400克。测量收获的果实并记录为每个排水沟的果实数量和质量。

温室Priva系统软件和硬件管理环境控制的各个方面，包括通风，冷却，加热和施肥。植物由种植者和Priva系统管理的最佳施肥。Priva 以 5 分钟的间隔记录聚合数据平均值。

3. 结果

3.1. 制冷和供热能源使用的季节性模式

总体而言，由于HVAC的调节，控制隔间和SG隔间的隔间温度或湿度没有统计学上的显着差异。所有隔间均提供相等的 CO2水平，但SG隔室的夜间呼吸显着降低。

由于雾化、通风和蒸散作用，隔室相对湿度平均约为79%，但经历了强烈的夜间和昼夜波动。相反，虽然日平均温度通常在 20 °C 和 24 °C 之间，但 Priva 系统全天调整冷却器和排气温度设定点。

总外部辐照度与日制冷能耗的线性回归显示密切相关，外部太阳辐射，两个SG隔室每千瓦时辐照度使用的能量更少。

尽管E1包括温度升高和整体辐照度较高，但E2期间每千瓦时太阳总辐射的冷水机组能量消耗较高。

这可能是由于全年日光路径的差异，E1隔间在太阳高峰条件下接收的垂直光较少。通过墙壁而不是屋顶的日照会在不被PAR传感器捕获的情况下产生热量。

3.2. 对通风的影响

动态通风由Priva控制，Priva根据内部和外部气候条件打开和关闭屋顶通风口。通风孔径的变化引起的用电量可以忽略不计。

众所周知，与迎风通风相比，背风通风会产生更均匀的空气交换，在本研究中，在迎风通风的情况下，没有发现与冷却或加热的强相关性。

3.3. 施肥效率

与对照隔室相比，SG隔室在E22期间需要的施肥明显较少，但在E5期间未发现显着差异。SG隔室养分需求的减少可能与植物光合作用降低以及温度和太阳辐射降低有关。

E2 SG隔间表现出更多的营养水径流到排水沟，尽管它是可回收的。因此，施用和排水灌溉之间的差异是植物消耗和热量蒸发的营养水量的更好衡量标准，并在随后的分析中选择作为响应变量。

根据该指标，与对照隔室相比，SG隔室在E1和E2中使用的营养水明显较少。

3.4. 茄子光合作用的短期和长期变化

由于HVAC的调节，对照室和SG隔间在25 °C时的叶片温度没有统计学上的显着差异。总体而言，SG处理显著降低了饱和光下的净光合速率。

蒸腾速率在E1期间显着降低，这是由于长期低光条件下的光合作用活性降低，通过气孔调节导致内在WUE增加。在SG下，E1和E2的空气蒸气压亏差较高。

当一起解释时，这表明植物通过调节气孔和光系统效率来适应弱光条件，在降低光合速率的同时节约用水，这与本研究中概述的用水趋势和一般产量一致。气孔导度在饱和光下E1的SG下也降低，但E2没有显着差异。

4. 讨论

4.1. SG在温室茄子生产中的能源和成本效益比较

大多数光选择性玻璃研究涉及电致变色、热致变色、光致变色或其他“可切换”窗口的研究，这些窗口会根据刺激而改变其光谱特性。

这些玻璃可以利用太阳高峰时段和日间高峰温度之间的重叠，最大限度地减少用电量，并产生比本研究中描述的节能效果更高的能源。相反，由于高初始成本，它们需要更高的投资，并且具有较长的投资回收期。

本研究中使用的ULR-80胶片成本为19.32万美元，大部分成本是安装劳动力而不是制造。考虑到成本、效益和寿命之间的权衡，ULR-80 SG 薄膜更直接地与目前使用的廉价滤光片相媲美，而不是高性能但昂贵的可切换玻璃。

在温暖的气候，粉刷温室表面是温室蔬菜种植的固定装置，通常与其他冷却技术进行比较。在这些情况下，粉刷可以提高冷却的成本效率，并保持普通温室作物的相同或更好的产量。

将SG与粉刷进行比较时，光照水平更加均匀;薄膜更耐沉淀降解;并且消除了腐蚀温室结构的可能性，否则所有这些都可能是问题。

然而，同样重要的是日光减少对作物生长的影响，因为PAR可用性的1%变化通常被引用为导致高纬度温室作物产量变化0.8%。在温暖的气候中，PAR降低和产量减少之间的比率通常是可变的。

在这项研究中，SG薄膜ULR-80在温和的温带气候中降低了25-29%，产量降低了25-21%，因此在凉爽的月份描述了1：1的比例，在温暖的月份为1：0.74。这与两个实验期间平均冷却能耗相对较小的下降4.4%形成鲜明对比。

5. 结论

在统计建模方法中，使用多元回归和描述性统计的组合，比较了对照玻璃和SG镀膜玻璃下的温室隔间的能源使用、施肥和气候。

该结果补充了先前关于同一SG下茄子生理学变化的研究，并描述了温室冷却，加热和资源需求的季节性变化，这是以前未被探索过的。

作物产量的气候依赖性降低与文献中描述的类似PAR减少因子下的产量减少一致，并且是由开花，花的堕落和坐果的净增加引起的。

冷却能源的减少，以及依赖气候的化肥和水的使用量大幅减少，证明SG是一种有前途的技术，可以在温暖气候下保护种植，能够保持冷却节能和节水的作物生产，而不会显着影响供暖能源的使用或通风。

然而，鉴于作物生理学、冷却和加热技术与季节性气候变化之间的密切相互作用，建议需要进行详细的研究，将智能玻璃温室的系统级建模与经济分析相结合，以评估最佳种植策略并评估整体经济可行性。

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