蔡致榮1
摘 要
栽培環境調控牽涉範圍廣泛，一般以溫室內生產較容易實際運作，大體而 言，溫室環境控制包括溫室結構、相關設備與特徵化溫室作物生產之每日管理決 定。而植物健康管理所揭示「經由揣摩植物本身與週遭之生物、物理與化學條件 等相關性，藉人為技術之修飾」之意涵，實是溫室環境最佳化管理長期以來追求 與努力之目標。本文除整理改寫佛羅里達溫室蔬菜生產手冊中有關溫室環境考 量、溫室環境控制與植物生理之基本內涵與觀念，提供讀者全盤理解，俾利未來 植物健康管理實踐參考外，亦說明「整合無線區域網路與即時視訊之溫室數位環 控肥灌系統」之國內環境控制實例。最後並強調「管理光合作用與呼吸作用並藉 助環控技術進行作物控制」之理念與努力方向，冀望將植物健康管理概念融入現 代化環境控制系統，以進一步形塑根基於生物資訊之最佳化先進控制技術。
關鍵詞：環境控制、植物健康管理、作物控制
前 言
栽培環境調控牽涉範圍廣泛，一般以溫室內生產較容易實際運作，大體而 言，溫室環境控制包括溫室結構、相關設備與特徵化溫室作物生產之每日管理決 定，其牽涉新興建技術與致動器之發展、植物生理過程與溫室環境之模式化，以 及溫室環境最佳化管理等相關技術之精進。典型溫室控制乃手動調整、定時事件 與定溫調整作動等之混合，複雜操作則使用電腦，而電腦化環境控制讓整合溫室 不同組件成有效率且獲利之系統成為可能。
林等(2005)闡述並指出植物健康管理乃是整合各種農業技術成為知識，以知 識及遵循自然生態原則來營造環保的植生環境並創造產業利潤，經由揣摩植物本 身與週遭之生物、物理與化學條件等相關性，藉人為技術之修飾，佐以企業化經 營，從健康種苗量產一直到作物栽培及植生環境之管理，以預防醫學及保健原 則，配合標準作業流程(SOP)，期能不施用或減少造成環境問題之化學製劑，穩 定量產安全、高機能營養、富風味、可安心食用且具經濟效益之生機農產品，並 營造健康安全的生存環境及改善生活品質。睽其意旨，「經由揣摩植物本身與週
1 行政院農委會農業試驗所農業工程組
遭之生物、物理與化學條件等相關性，藉人為技術之修飾」部分實是溫室環境最 佳化管理長期以來追求與努力之目標，畢竟獲利性溫室生產取決於牽涉植物生長 化學過程之複雜系統，靠著最佳化溫室與栽培管理系統，種植者才能最大化植物 生長效率，並因而有高品質產品之高產出。
本文除整理改寫佛羅里達溫室蔬菜生產手冊中有關溫室環境考量、溫室環境 控制與植物生理之基本內涵與觀念，提供讀者全盤理解，俾利未來植物健康管理 實踐參考外，亦說明「整合無線區域網路與即時視訊之溫室數位環控肥灌系統」
之國內環境控制實例。
溫室環境設計考量(Jones, 2008a)
溫室之初始目的在於簡單地維持原本無法於外界冬天氣候狀況下倖存之作 物使能夠存活，早期北方緯度之種植者認知有時果蔬的生產或在作物無法正常成 長的地方溫暖的溫度條件是必須的，因此，早期溫室被設計成可提供作物陽光與 溫暖兩項基本成分，後來，種植者開始理解降溫對特定作物於溫暖時期生產之重 要性，排氣因此被增加以允許溫室內溫暖空氣與外界冷空氣進行交換。
目前園藝學家確認每一作物品種(甚至相同種間)有其特殊之溫度反應特 性，就種植者而言，其意味著在整個冷熱氣候期間僅維持作物存活並不足夠，成 功之種植者必須一貫地提供作物可發展與正常生產之溫度，因此，加熱與冷卻系 統必須被設計成不只避免溫度達到極度損害程度，而且可於種植作物正常生長與 發展溫度特性範圍內平穩地運作。
一、熱能交換
任何時間溫室溫度取決於溫室系統與外界環境之熱平衡或能量淨流，有三種 基本熱能交換過程，即傳導、對流與輻射。熱傳導係經由固體材料或直接物理接 觸材料之能量轉換，其傳導速率取決於材料之物理特性(密度與傳導率)、材料厚 度與通過材料間溫度差異。藉由傳導之熱傳遞可以使用不良導熱材料予以最小 化，例如快速泡沫塑料(styrofoam)係熱的不良導體，銅則有非常高的熱傳導率，
而雙層嵌板系統(double-layered glazing systems)則利用熱傳導率低的空氣形成空 氣絕緣層以減低熱損失。
對流熱傳遞係氣體或液體在不同溫度區域間之物理移動所造成之現象，例 如，冬天在溫室內當溫暖空氣上升，並傳遞其熱量至溫室嵌板(藉傳導傳遞能量 至外界空氣)之冷表面時，即發生對流熱傳導，而當溫室空氣在溫室頂端與嵌板 表面接觸而冷卻後，其將流回至地板。滲透(infiltration)情形係對流熱交換之另一 型式，其交換溫室內外空氣，滲透率取決於裂口與其他溫室外殼開口之大小與數
目，也與外界風速有關。滲透之能量交換率係空氣進入溫室與離開溫室間溫度差
表一、總熱傳遞係數(Jones, 2008a) Table 1. Overall heat transfer coefficients
嵌板材質
Glazing materials
總熱傳遞係數 Overall heat transfer
coefficient
表二、溫室洩漏空氣交換(Jones, 2008a) Table 2. Greenhouse leakage air exchange 結構類型
Type of construction
每小時空氣交換 Air exchanges per hour 新結構：
為便於估計，表3給予美國佛羅里達州鄉鎮與其相關冬天設計溫度之列示，
就每一場所而言，都有99%與97.5%兩種設計溫度。99%欄位意謂在12月、1月與 2月份，所紀錄每小時溫度之99%超過所列設計值。就本計算例而言，假設溫室 係建造在Tallahassee附近以種植水耕番茄，其係單棟結構並鑲嵌透明雙層聚乙烯 膠膜，溫室尺寸為長120 ft、寬36 ft、拱形屋頂最高點高16 ft，以及邊牆高8 ft，
圖1顯示該溫室之尺寸示意圖。就番茄而言，為避免作物損傷，據建議溫室溫度 不可下降低於50°F，然而，為有最佳著果與水果品質，也有建議溫度不可低於 62°F。
表三、所選擇佛羅里達鄉鎮之設計溫度(Jones, 2008a) Table 3. Design temperatures for selected Florida towns
冬天(Winter), ℉ 夏天(Summer), ℉ 城鎮
99﹪ 97.50﹪ 1﹪ 2.50﹪
Bell Glade 41 44 92 91
Daytona
Beach 32 35 92 90
Ft. Lauderdale 42 46 92 91
Ft. Myers 41 44 93 92
Ft. Pierce 38 42 91 90
Gainesville 28 31 95 93
Jacksonville 29 32 96 94
Lakeland 39 41 93 91
Ocala 31 34 95 93
Orlando 35 38 94 93
Panama City 29 33 92 90
Pensacola 25 29 94 93 Sanford 35 38 94 93 Tallahassee 27 30 94 92
Tampa 36 40 94 92
West Palm
Bch 41 45 92 91
計算大概之傳導熱損失(Qc)：計算溫室表面積(A)，從表一選取適當之總熱 傳遞係數(U)，以及從表3選擇冬天設計溫度(To)。為計算總溫室表面積，須加總
下述項：邊牆(As= 2 xl20 ft x 8 ft = 1920 ft2)、端牆(Ae = 2 x 36 ft x12 ft = 864 ft2) 與屋頂(Ar = 120 ft x 40 ft =4800 ft2)。本例中，假設最小可接受空氣溫度(Ti)為 50℉。獲得相關數值如下：
圖一、單棟雙層聚乙烯膠膜溫室(典型蔬菜生產系統)之尺寸示意圖(Jones, 2008a) Fig. 1. A schematic of a single-bay, double-poly greenhouse typical of vegetable production systems.
A = As + Ae + Ar = 7584 ft2 U = .7 Btu/(ft2 ℉ hr) Ti = 50℉
To = 27℉
Qc = .7 Btu/(ft2 ℉ hr) x 11,300 ft2 x (50 -27) ℉= 122,102 Btu/hr
計算大概之滲透熱損失(Qi)：計算溫室體積(V)與從表2選擇適當空氣交換值 (C)。像使用於前述傳導熱損失計算使用相同之溫度值。獲得相關數值如下：
V = 51,100 ft3
C = l air exchange per hr
Qi = .02 Btu/ft3 oF x 51,100 ft3 x 1 air exchange per hr x (50 -27) ℉= 23,506 Btu/hr
總熱損失率(Qt)係傳導熱損失與滲透熱損失之加總：
Qt = Qc + Qi = 145,608 Btu/hr
就本例中之溫室，加熱系統必須能夠提供160,000 Btu/hr(含10%安全邊際值) 之熱量，以補償在佛羅里達州Tallahassee冬天最冷日子時所可預期之能量損失。
三、加熱系統
一但加熱需求被計算出來，就可據以選擇所需容量之加熱系統，這可由使用 之設備、使用之燃油種類與後續管理實務等觀點進行考量完成選擇，加熱系統必 須與溫室結構種類與所種作物協調一致。
（一）單元空間加熱器(Unit Space Heaters)
單元空間加熱器通常以天然氣或燃料油當燃料，並使用風扇作熱分散
（二）熱水系統(Hot Water Systems)
熱水系統利用加熱管以進行周邊或列加熱，其倚賴自然對流以分散加 溫空氣，熱水也可使用於高架風扇強制加熱系統。熱水系統包括鍋爐、閥 與壓力/溫度調節控制系統。蒸汽加熱系統比熱水系統較複雜安裝，而且 需要較多維護，儘管加熱或冷卻熱水系統之管路比起蒸汽加熱系統者慢，
但溫度通常較均勻。
（三）蒸汽加熱系統(Steam Heating Systems)
蒸汽加熱系統包括鍋爐、閥、U形彎管(traps)與控制系統，其複雜度
（四）聚乙烯膠管系統(Poly-tube Systems)
聚乙烯膠管系統(如圖二)常常被使用以連結上述任一加熱單元，以提
熱器即停止，但聚乙烯膠管系統之風扇繼續循環空氣，此種系統也用於除 濕及以外氣進行通風。
在大部分大的(單一或連棟)溫室，最好經由縱走溫室長度之聚乙烯對流管提 供熱氣，此管係以柱流風扇(jet fan)充氣，亦即此柱流風扇由加熱器接收經加熱 之空氣並吹送熱氣經由對流管進入溫室。此熱散佈管之擺置必須小心思量，傳統 上此 30 吋(76 cm)大管縱走整個溫室長度，由柱流風扇至溫室之相反端，此管 通常位於地面上大約8呎(244 cm)高，因此熱係在植物葉叢上方釋放，而較多熱 係用以增加溫室較高
圖二、利用排氣孔管系統進行空氣循環
Fig. 2. Air circulation conducted by using poly-fan-tube systems
處之空氣溫度。較佳之方式係釋放熱空氣進入作物下方、放置在或接近地板 處較小之8吋(20 cm)聚乙烯膠管系統，熱氣因此上升進入作物葉叢，此種系統在 美國佛羅里達州對減少番茄葉疾病及提升果實品質業經證明有效，在此系統中棚 架(trellis)上方增加保溫網(thermal curtain)也可幫助減低能源成本。
加熱可以來自燃燒液體丙烷、天然氣與蒸汽等，在單一獨立之溫室中，使用 兩組較小加熱器是良好構想，在柱流風扇兩邊各使用一個小加熱器以取代一個較 大加熱器，萬一某加熱器失效時，較不會凍壞植物。就雙加熱器系統而言，一個 加熱器被控制當番茄葉叢溫度降至18℃時啟動，而另一加熱器則設定在16℃或 17℃，假如加熱器大小正確，溫室溫度必不會落到低於16℃。
四、通風
以實務觀點而言，冷卻溫室之唯一經濟方法牽涉交換溫室內外空氣之通風，
以實務觀點而言，冷卻溫室之唯一經濟方法牽涉交換溫室內外空氣之通風，