基于熱電制冷技術的營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。