Watergy项目的创新原理通过两种方式得以实现:①在西班牙建造以水生产为主的封闭式温室;②在德国建造以热能和水生产为基础的节能建筑群。介绍了西班牙南部封闭式温室的原理、结构与效益，以为我国温室的建设与发展提供一定参考。
当今世界，很多地区的水资源都极度匮乏，而农业灌慨用水量约占总用水量的70%，在发展中国家，这一数字甚至达到80%。因此，为减少农业用水量，必须大幅度提高用水效率。各国都在农业生产方式上寻求新的突破，而节水节能型温室则成为关键途径之一。
Watergy项目由欧盟能源、环境和可持续发展规划署提供资金，旨在建立一个能实现能源、食物和水供给多目标为一体的综合技术平台。该项目设计了2个物理原型，一是位于西班牙南部的封闭式温室，另一个是德国的综合温室节能建筑。本文系统介绍了西班牙南部封闭式温室的原理、结构与效益，以为我国温室的建设与发展提供一定的参考。
基本技术原理
Watergy封闭式温室由德国柏林科技大学与荷兰瓦赫宁根大学共同设计完成，主要依赖太阳能运行。该温室位于西班牙南部阿尔梅里亚省埃尔埃希多市的卡雅玛尔基金会科学研究院，属半干旱区，占地200m2，由镀锌铁框架和聚乙烯塑料顶棚组成，机理土壤层深20-30cm，每平方米土壤表面约有5kg有机物。第一轮作物为四季豆，第二轮为秋葵。温室包括4个区域:种植区（plant area)、内顶棚区(inner roof)、热交换器（冷却及加热导管(cooling/heating duct)和土壤层（soil layer)。每个区域都有各自的水、热平衡系统。冷却管中的热交换器由聚丙烯软管制成，内顶棚为种植区上方的透明塑料层,带有喷灌系统。棚外置有3个水箱和1个收集排水的容器，3个水箱与冷却/加热导管相连。此外,温室的水、热、二氧化碳过程均由温室外的两个控制室控制，1个用于监控气温、二氧化碳浓度和辐射，另一个负责监控灌溉情况。
温室充分利用太阳能，使植被区和热交换器间形成内部空气循环，避免使用热杲进行冷却。白天，系统将热量转移出温室并进行储存;夜间，利用外部储存的热量对温室进行加热。封闭式温室日间运作模式见图1。由图1可知，日间，阳光照射，种植区(plantarea)气温上升(1);空气受热后上升，穿过内顶棚区（inner roof)(2);喷洒的苦咸水/污水经阳光照射，蒸发水蒸气上升（3);热空气进入外管，受热继续上升(4);由于塔的顶端为封闭状态，热空气进入塔身的中央管道由热交换器（cooling/heating duct)冷却(5);冷却处理后的冷凝水直接落入冷凝
注:a.冷却塔:塔内装有热交换器，塔身可促进空气流通;b.热交换器：由薄聚丙烯毛细管构成,在热交换过程中,将空气中的湿气冷凝成水并加以储藏;c.排水收集装置:用于闭合水循环，土壤底层装有聚乙烯脱水板,可循环利用排水;d.内顶棚：内部的顶棚将温室分成两个气候区，一个气候区适宜作物生长，另一个位于种植区上方,温度较高,苦咸水/污水在此可以得到处理并形成冷凝水;e.排水槽:用于回收冷凝水与喷洒的苦咸水/污水;f.喷洒装置:位于内顶棚,用于降低白天温室内的温度，增加蒸发水量;g.冷凝水收集器:位于冷却塔底部,用于收集冷却处理后的冷凝水，并将之置于外部的冷凝水收集器中；h.温室种植区:主要用于植物种植。
图1：封闭式温室日间水热循环示意
水收集器,冷却后的空气重新流入温室（6)——完成了一次循环。
作物生长所需的二氧化碳由二氧化碳供给器自动供给。日间,封闭的温室里保持较高的二氧化碳浓度（约千分之一),主要用于提高光合作用效率和作物耐高温能力。从园艺角度来看，封闭的温室能够提高作物产量,主要体现在以下3个方面:①通过调节气候延长作物的生产周期;②提高空气中的二氧化碳浓度;③减少杀虫剂的使用。
实现途径
1、水循环过程
在水生产方面，封闭式温室的最终理念是将雨水、污水和盐水转化为纯净水。Watergy温室来水的主要途径有:①生活废水，即由家庭使用后直接排放出的水;②海水或盐水;③土壤和植物的蒸腾量。整个温室水净化工程的核心技术还是以温湿气体及太阳能收集塔为基础，伴随着物理和生物原理作用。
进入温室的水量包括:①灌溉用水。主要是由灌溉控制室控制，从外部抽水进入温室，并采用滴灌技术进行灌溉;②温室内二级收集区内的喷头出水。这部分水主要作为白天降温和增加湿度使用，污水和海水都可以作为水源;③与冷却/加热塔相连接的水。温室外设置了3个15L的水罐，它们与冷却/加热塔相连，主要是起到白天冷却和晚上加热的作用。该水循环是完全密闭的,所以水量永远保持平衡。④植物和土壤的蒸腾水量。一部分的水量会被直接送到冷却/加热塔内，形成冷凝，而另一部分没有进入塔内的，会在温室膜内形成水珠并落入二级收集区，最后由收集槽汇集起来,用作灌慨用水。
从温室排出的水量包括:①土壤渗水。这主要是灌溉后水渗入地下而形成的下渗水，不过这部分水也被最底层的塑料膜收集并输送到收集罐中，而收集的水又会被自动抽回到灌溉水塔中循环利用，所以这部分水也可以视作封闭的。②冷凝水。冷凝水是从冷却/加热塔底部流出的水,这些水会被收集主要用作灌溉用水，而冷凝水就是上面提到的蒸馏水。
可以看出封闭式温室的水循环是全封闭的。灌溉用水可以被土壤下渗水回收装置吸收，二级回收区的喷头喷出的一部分水被冷却/加热吸收塔形成冷凝水，一部分又从回收槽内回收被重新利用，而植物和土壤的蒸腾水也被吸收塔吸收最终成为凝结水的一部分。此外，二级回收区喷头出水可以利用污水和盐水，这样经过蒸腾作用,水蒸气经过浮力最后被回收塔吸收,而污水中的重物质就沉积在塑料膜上，只需要经常更换二级回收区的膜就可以进行水净化处理。而最终这部分蒸腾水会与土壤和植物的蒸腾量一起进入吸收塔,并经冷却处理成为冷凝水落入吸收槽内。试验证明，这部分水的水质要远远高于处理前的水质。
从封闭式温室所拥有的水净化处理功能可以看出，温室可以从水消耗者变为纯净水生产者。越是曰照强烈的地区，越会产生更多的植物土壤蒸发，从而也就会有更多的蒸腾水排出，这也就是为什么会将封闭式温室放置在干旱少雨、日照强烈的西班牙南部。
2、能量循环过程
能量管理的目的主要是通过以水为基础的蓄能器调节温室中的温度。Watergy能量管理主要有两种形式:一种是在地中海地区使用的昼夜温度收集器，即在白天对温室进行冷却而在夜晚对温室加热；另一种是在欧洲中部地区使用的季节性的能量存储装置,即收集夏天热量，为冬天的温室和周边的居民楼提供热量服务。
昼夜能量储存器既经济又实用，使用范围也非常广泛,特别在昼夜温差比较大的地区，使用效果会更好,因为白天更多的能量可以被收集，而夜晚能量可以得到充分释放。图2解释了封闭式温室的能量储存情况，白天收集的热能可以被输送到外部的储存罐中,而到了夜晚温度降低到一定程度时储存罐就会自动开启,将温室加热到恒定温度。此外，一个备用收集器被设置在温室外部，以防在太阳光不够强烈时可以将温室温度加热到一定程度,保证作物不受到影响。
3、关键核心技术
Watergy项目建立了一种全新的以湿润空气循环为基础的太阳能收集排放系统,该系统是整个Watergy项目的技术核心之一，如图2。
图2封闭式温室核心控制技术
收集器由一个太阳能收集塔组成，塔内的冷却管由一个空气-水的热量转换装置和一个热量蓄能器构成。在封闭式温室中，植物区的空气由于受太阳光照射，在浮力作用下上升到二级收集区，并在持续加热的情况下直至温室顶部。因为整个温室是封闭的，所以热空气会直接进入到温湿空气及太阳能收集塔中。与此同时，植物和土壤的蒸腾量将加人到这一过程当中，即成为湿气,并上升到温室顶部。此外，二级收集区的另一个加湿装置（主要由喷头组成)将在白天定时开启，这一是为了给温室降温,二是增加空气湿度。最终，温度湿度极高的气团就会进入太阳能收集塔内，而此时内设的热交换机开始冷却空气。经过冷却处理,部分空气直接凝结成蒸馏水并与热交换过程中的剩余热量被直接输送到温室外部的能量吸收罐和蒸馏水储存罐中。而一部分没有凝结成水的干冷空气又回到了温室的植物区，整个过程再次开始循环。
在夜间,整个流程与白天正好相反,热空气交换机将加热空气,以维持作物生长需要。总之,热交换器是整个温室小气候的核心，加热和冷却时常出现，而温室的小气候主要受热交换器吸收或释放的空气所控制。
效益分析
封闭式温室于2004年夏建造完成，之后直到2005年春季一直处于测试和调试阶段。在整个测试阶段经历了大概3个月，种植作物选取的是法国大豆，一种抗高温作物。最终测试结果非常乐观，大豆产量3kg/m2,高于普通种植条件下冬季温室产量。此外，作物健康状况良好，在没有使用任何化学药剂处理的情况下，无任何病虫害现象发生。在4个月内，整个系统的蒸发蒸腾总量大概为400L/m2，而这些蒸腾量在整个系统中都可以被循环使用。而对一些收集的水体进行的周循环分析显示，水质效果良好（氯含量低于0.05mg/L,100mL的水中大肠菌类少于3种）。2006年经研究结果表明，进入和排出温室的水量基本持平，而水利用率为97.64%。
应用前景及存在问题
Watergy项目是一个理想化的建筑结构，虽然在未来具有广阔的应用空间，但也存在不少问题。
(1)造价比较昂贵。虽然Watergy的建筑结构成本不高，但由于对太阳光的照射强度有要求，所以目前必须使用聚乙烯材料的膜，而这种膜经过长期使用后会老化，阻碍光线直接照射，直接影响作物生长。目前解决这个问题的唯一途径就是定期更换膜，但这也大大增加了建设管理成本。所以,研究人员正在积极寻找透气性更好、成本更为低廉、使用年限较长的替代品。此外，核心技术温湿空气及太阳能收集排放系统的造价也比较昂贵。所以要将Watergy推广到千家万户，如何在保证质量的同时又能降低成本是Watergy研究人员面对的现实问题。
(2)稳定性较差。Watergy项目是一个非常理想化的产品,各个环节都紧密相连，一旦一个环节出现问题可能会影响到整个系统的有效运作。虽然目前Watergy只是处于研究阶段,但是在今后的推广工作中如何使Watergy成为一种既稳定，又易操作、管理的系统也是要解决的主要问题之一。
北方温室大棚建设总结：
Watergy封闭式温室所具备的优势不是单一的，它不仅仅是一个能量和水的封闭系统。与传统温室相比，其优势体现在以下几方面。
1、理念先进
以温湿气体及太阳能收集器为核心而设计的3种模型都具有很强的超前意识，项目通过较为简单的原理搭建了一个可以将各种资源整合在一起的技术平台，在大大降低了工程造价的同时,达到了节水节能的目的。
2、封闭式结构
传统的温室必须具备相应的通风设备,所以无法采用封闭式结构。开放式结构不仅加强了植被的呼吸作用,降低了温室温度，同时还增加了病虫害发生的可能性,并使大量的蒸腾水自然流失。Watergy项目采用全封闭式结构（也装有应急通风口），这样就形成了特有的小气候，节省了温室的水汽和能量，此外更增加了植物的生长周期。封闭式温室不仅结构是封闭的,而且水循环和能量循环也是封闭的。这不仅大大降低了水耗,提高了用水效率，还将能量存储起来,实现了真正的可持续利用。
3、水处理功能
在封闭式结构中,冷却/加热塔的利用使水处理非常简单，而这在开放式的温室中是不可能的。这种技术不仅可以在温室中得到利用，今后还可以在建筑房屋中广泛推广使用。
4、能量控制
温湿气体及太阳能收集器可以存储白天产生的热能，以便在冬天加热房屋和夜晚加热温室。这种节能方式正好是目前各国大力倡导的。
5、自动化控制水平高
无论是水、能、电，还是C02输入都由电脑控制，这样就真正形成了数字化管理。
（作者：中国水利水电科学研究院： 张诚 翁白莎 秦天玲 卡雅玛基金会科学研究院（西班牙阿尔梅里亚省）：GuillermoZaragoza）
