nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第12期 日光溫室加溫技術(shù)與裝備的研究進(jìn)展 孫小麗 1 2 肖林剛 1 宋兵偉 1 2 劉 晨 3 1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 新疆烏魯木齊 830000 2 新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆烏魯木齊 830000 3 新疆農(nóng)業(yè)農(nóng)村機(jī)械化發(fā)展中心 新疆烏魯木齊 830000 摘要 日光溫室是我國北方地區(qū)重要的設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu) 形式 溫度作為溫室環(huán)境調(diào)控中一個(gè)非常重要的影響 因子 極大影響著設(shè)施作物的生長 通過對(duì)國內(nèi)日光 溫室傳統(tǒng)加溫方式和新型能源加溫技術(shù) 不同加溫方 式及其加溫效果等進(jìn)行綜合對(duì)比 并對(duì)幾種典型加溫 方式的能效和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析 探討針對(duì)不同地區(qū) 不同作物選擇適合的加溫方式 為解決日光溫室冬季 能源消耗過高的問題提供參考 關(guān)鍵詞 日光溫室 加溫效果 能效 經(jīng)濟(jì)性分析 0 引言 日光溫室是我國北方地區(qū)重要的設(shè)施農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)形 式 能在作物生長的不同時(shí)期提供適宜的溫度 實(shí)現(xiàn) 在不適宜的栽培季節(jié)仍能獲得更高的產(chǎn)量這個(gè)目標(biāo) 1 在溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)中 溫度是一個(gè)非常重要的調(diào)控 參數(shù) 在北方寒冷的冬季生產(chǎn)中 溫室必須配備相應(yīng) 的加溫裝備才能保證溫室內(nèi)作物的正常生長發(fā)育 2 隨 著緯度的增高 冬季加溫在溫室生產(chǎn)運(yùn)行中的能耗占 比越來越高 不同緯度地區(qū)的加溫能耗占運(yùn)行總成本 的30 70 2 3 1 溫室主要加溫方式 根據(jù)加熱源不同 溫室加溫方式有化石能源加 熱 電加熱 生物質(zhì)加熱和太陽能加熱 化石能源是 一次性能源 在燃燒過程中會(huì)排放大量有害物質(zhì)污染 環(huán)境 使用這種能源 不符合設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā) 展的要求 電能是清潔二次能源 但能源轉(zhuǎn)換效率不 高 使用成本增加 一般應(yīng)用在應(yīng)急加熱或育苗加熱 床 生物質(zhì)作為一種僅次于煤 石油 天然氣的可再 生能源 但生產(chǎn)過程復(fù)雜且周期長 生產(chǎn)使用受地域 限制 其產(chǎn)熱階段具有一定的不穩(wěn)定性 不能滿足溫 室加溫的長期需求 太陽能是一種可再生清潔能源 利用自身熱量作為溫室集熱熱源 在我國北方地區(qū)光 源豐富 技術(shù)相對(duì)成熟 應(yīng)用形式多樣 具有很好的 潛在優(yōu)勢(shì) 根據(jù)傳熱工質(zhì)不同 溫室加溫可分為對(duì)溫室內(nèi)空 氣 土壤 水 相變材料等進(jìn)行加熱 通過將熱量?jī)?chǔ) 存在工質(zhì)中 夜間釋放進(jìn)行再利用 空氣比熱容小 在相同體積下所蓄積的熱量較低 不易儲(chǔ)存 但是空 氣加熱速度快 且具有不易被凍結(jié)的優(yōu)點(diǎn) 因此研究 中多以空氣作為傳熱工質(zhì) 3 水和土壤的成本低廉 來 源廣泛 具有比熱容大的優(yōu)點(diǎn) 在溫室加熱研究中大 多采用對(duì)水和土壤加熱蓄積熱量 尤其在太陽能熱的 利用中應(yīng)用較多 相比于水和空氣介質(zhì) 相變材料等 固體傳熱工質(zhì)的體積和質(zhì)量相對(duì)較大 但蓄積的熱量 輸出不是很穩(wěn)定 5 根據(jù)供能方式不同 溫室加熱又可分為 熱風(fēng)爐 加熱 集中供暖 電加熱 太陽能和熱泵加熱 熱風(fēng) 爐多采用常規(guī)能源燃燒進(jìn)行加熱 熱量持續(xù)時(shí)間較 長 但其具有保溫容易升溫難的特點(diǎn) 很難在短時(shí) 間內(nèi)將溫室溫度較快提升 且會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污 染 正被逐步淘汰和改造升級(jí) 集中供暖多以鍋爐加 熱水給溫室供暖為主 能為溫室提供足夠的熱源 成 本較低 但是一旦發(fā)生故障溫室內(nèi)溫度難以維持 且 前期暖氣投入較高 在連棟溫室應(yīng)用居多 以電力為 能源為主的電熱線和空調(diào)加熱 能耗成本較高 一般 用于溫室育苗和應(yīng)急加溫 熱泵作為一種節(jié)能和高效 環(huán)保的能量 近年來與太陽能結(jié)合使用 越來越多地 應(yīng)用在溫室供熱中 6 根據(jù)加溫對(duì)象不同 溫室加溫分為空氣與作物根 區(qū)的加溫 氣溫影響作物地上部分各器官生理過程 土壤溫度則影響作物根系代謝與生長 并對(duì)葉片呼 吸 光合與蒸騰作用等都有影響 1 2 在日光溫室中 氣溫與土壤溫度變化并不同步 同一天內(nèi)土壤溫度峰 值出現(xiàn)時(shí)間較空氣溫度峰值晚了近5 h 土壤溫度明顯 滯后于空氣溫度 對(duì)作物生長 產(chǎn)量和品質(zhì)等均有不 利影響 7 空氣加溫存在前期設(shè)備投入較大 能耗高 化石能源燃燒污染環(huán)境等劣勢(shì) 根區(qū)加溫 8 利用太陽能 加熱水或空氣通過地埋管的形式加熱土壤 這些方式 存在初期投入大 受客觀天氣影響過大等缺點(diǎn) 目前 多集中于使用電熱線 碳晶面板 碳晶電熱膜 毛細(xì) 管網(wǎng)等散熱末端直接加熱作物根部土壤基質(zhì)或加熱育 苗盤 種植盆底部 9 能夠精準(zhǔn)調(diào)控根區(qū)溫度 直接影 基金項(xiàng)目 自治區(qū)青年基金項(xiàng)目 2019D01B31 自治區(qū)區(qū)域 協(xié)調(diào)創(chuàng)新專項(xiàng) 科技援疆計(jì)劃 2022E02106 新疆農(nóng)科院自主培育專項(xiàng) xjnkyzzp 2022005 作者簡(jiǎn)介 孫小麗 1984 女 甘肅天水人 高級(jí)工程師 研究方向 設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程 nullnull 農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第12期 響作物根系的生長和對(duì)水分及營養(yǎng)物質(zhì)的吸收 運(yùn)轉(zhuǎn) 和貯存 2 不同加溫系統(tǒng)的溫室加溫效果 相對(duì)于傳統(tǒng)的空氣加溫方式 根區(qū)加溫能使作物 正常生長所需環(huán)境溫室比空氣加溫條件低5 15 可 節(jié)約能耗28 一般應(yīng)用于育苗或盆栽花卉等附加值 高的作物生產(chǎn) 在育苗中常用電熱絲線制作電熱溫床 以加熱苗木根系土壤 張守仕等 10 將電熱線鋪在溫室 地面上作為苗木溫床 提高了觀賞桃基質(zhì)溫度4 以 上 始花時(shí)間縮短 花徑明顯大于不加溫觀賞桃 但 是這種方法的加溫范圍有限 李寧等人 11 對(duì)天津地區(qū)日光溫室電暖風(fēng)機(jī)加溫效果 進(jìn)行試驗(yàn)分析 研究了不同溫度時(shí)間及在極端天氣和外 界氣溫條件下的溫室加溫效果 采用電暖風(fēng)機(jī)加熱后的 溫室比對(duì)照組溫度高4 23 低溫天氣時(shí)較對(duì)比溫室高 4 24 高溫天氣時(shí)高出對(duì)比溫室4 48 并得出在外 界溫度 12 4 時(shí)對(duì)溫室加溫效果最佳的結(jié)論 為緩解和降低常規(guī)能源消耗帶來的能源資源壓力 和環(huán)境污染壓力 太陽能和熱泵加溫系統(tǒng)正逐漸應(yīng)用 于溫室加溫 12 馮前前等用太陽能集熱系統(tǒng)加熱 提 高了冬季溫室內(nèi)的土壤溫度 當(dāng)散熱管埋深40 cm時(shí)地 溫最高且溫度值保持穩(wěn)定 李炳海等在蔬菜根層30 cm 處埋設(shè)散熱管 主要對(duì)15 25 cm深度的土壤進(jìn)行集中 加熱 對(duì)淺層土壤溫度的影響較小 方慧等 13 提出基 于熱泵技術(shù)的日光溫室淺層水媒介質(zhì)蓄熱方法 上半 夜通過淺層土壤中的水循環(huán)放熱 可提高溫室氣溫 3 2 地溫3 3 后半夜溫度過低時(shí)啟動(dòng)熱泵加熱 可提高溫室氣溫5 7 地溫2 0 李文等 14 設(shè)計(jì)了一 種安裝在后墻的水簾幕布蓄放熱系統(tǒng) 晴天試驗(yàn)區(qū)比 對(duì)照區(qū)溫度高出6 3 陰天或多云天氣試驗(yàn)區(qū)比對(duì)照 區(qū)溫度高4 6 耿東現(xiàn)等 15 分析了墻體散熱方式 地面散熱方式 墻體和地面同時(shí)散熱方式下溫室氣溫和地溫升高效 果 結(jié)果表明 試驗(yàn)區(qū)相比于對(duì)照區(qū) 墻體散熱方式 下溫室平均氣溫提高3 6 0 1 0 3 0 5 m深度平均 地溫提高1 3 1 0 0 6 地面散熱方式下溫室平均氣 溫提高0 9 0 1 0 3 0 5 m深度的平均地溫提高了 2 5 3 3 4 1 墻體和地面同時(shí)散熱方式下溫室平均 氣溫提高2 1 0 1 0 3 0 5 m深度的平均地溫提高 了1 8 2 3 3 2 因此 實(shí)際中要根據(jù)不同作物生長 所需溫度要求來采取不同的散熱方式 以達(dá)到高效節(jié) 能的加溫效果 柴立龍等 16 進(jìn)行了基于地源熱泵技術(shù)的淺層地能 利用試驗(yàn)研究 結(jié)果表明 加溫溫室夜間溫度維持在 18 以上 比不加溫溫室夜間平均氣溫高約11 9 能夠保證大多數(shù)設(shè)施作物的正常生長 證明地源熱泵 加溫系統(tǒng)在溫室中具有較好的加熱效果和熱穩(wěn)定性 張曉慧等 12 開展的地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)加溫試驗(yàn) 測(cè)試 了在不同天氣條件下溫室內(nèi)的空氣濕度和地溫變化情 況 晴天熱泵溫室比對(duì)照溫室地溫高7 3 陰天熱泵 溫室比對(duì)照溫室地溫高7 9 地源熱泵系統(tǒng)有效改善 了溫室內(nèi)的地溫 同時(shí)具有除濕效果 3 溫室加溫系統(tǒng)的能耗與經(jīng)濟(jì)性分析 中國北方地區(qū)冬季溫室加熱成本非常高 35 N 地區(qū)溫室冬季加熱耗能約占總生產(chǎn)成本的30 40 40 N地區(qū)約占40 50 43 N以上地區(qū)能耗占比高 達(dá)60 70 12 柴立龍等 16 將地源熱泵系統(tǒng)能耗以標(biāo) 準(zhǔn)煤的消耗作為參照 計(jì)算出采用地源熱泵加溫給溫 室供熱量為14 927 4 MJ 相當(dāng)于燃煤11 88 t提供的熱 值 系統(tǒng)運(yùn)行的電量消耗為10 826 11 kWh 相當(dāng)于6 9 t 煤燃燒后的發(fā)電量 加熱性能系數(shù)為3 83 與燃煤供 熱系統(tǒng)相比 系統(tǒng)可節(jié)煤41 6 具有很好的節(jié)能 減排效果 張曉慧等 12 對(duì)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱力經(jīng)濟(jì) 性分析 系統(tǒng)制熱系數(shù)COP h 值為4 16 消耗常規(guī)能源 及直接用電取暖的熱效益小于1 因此地源熱泵空調(diào)系 統(tǒng)比其它燃煤 燃?xì)饧訙卦O(shè)備節(jié)能效果好 李寧等 11 研究了華北地區(qū)溫室電加熱能耗費(fèi)用 在 12 1 2月這3個(gè)月最寒冷的時(shí)間段 最低溫 12 4 采用電暖風(fēng)機(jī)每天加溫10 h 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)日光溫 室每天的加溫費(fèi)用約為32 4元 冬季的加熱費(fèi)用約為 2 916元 薛玉華 18 提出一種電熱線加溫溫床的方法可 提高溫度10 標(biāo)準(zhǔn)日光溫室內(nèi)蔬菜增產(chǎn)14 經(jīng)濟(jì) 效益增值25 王強(qiáng)等 21 對(duì)江蘇省常州市張家港地區(qū)某一農(nóng)場(chǎng)內(nèi)連 棟薄膜溫室內(nèi)的空氣源熱泵加熱效果進(jìn)行試驗(yàn)分析 1月晴好天氣運(yùn)行空氣源熱泵加溫溫室 室內(nèi)外溫差為 10 1 17 2 日耗電量212 5 kWh 空氣源熱泵COP值 1 76 較對(duì)照組燃煤鍋爐加溫溫室節(jié)能23 4 4 結(jié)論與討論 日光溫室加溫方式形式有多種 常規(guī)化石能源加 溫方式的加溫成本高 且需要固定人員投入 能源燃 燒過程中會(huì)排放C0 2 S0 2 CO等大量溫室氣體和有害 物質(zhì)污染環(huán)境 不符合國家設(shè)施農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展 的要求 正在逐步淘汰 電加熱能源轉(zhuǎn)換效率不高 集群連片使用需增加電力設(shè)施投入 溫室內(nèi)需要增加 不同形式的加溫設(shè)備 在北方使用成本激增 一般應(yīng) 用在臨時(shí)應(yīng)急加熱或育苗加熱床 太陽能和熱泵技術(shù)是清潔 節(jié)能和高效環(huán)保的能 量 現(xiàn)有太陽能 熱泵技術(shù)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi) 的溫度提升 在日光溫室加溫領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同形式的日光溫室太陽能和熱泵加熱 開展了研究和試驗(yàn) 溫室的夜間溫度均有不同程度的 nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第12期 提升 提升效果與溫室地理位置 太陽輻射 外界環(huán) 境溫度等因素均有關(guān)系 連陰天情況下的蓄熱能力不 足 需通過其他加溫方式補(bǔ)齊溫度短缺 無論采取何種加溫方式 一般都通過加熱溫室內(nèi) 的空氣或作物根系土壤 提供給作物適宜的生長溫度 環(huán)境 在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件 溫室蓄熱 保溫性能 太陽輻射等條件 結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境與種植作 物進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析和對(duì)比后選擇適合的加溫方式 分析 不同加溫方式的能源消耗和投入 對(duì)于用戶選擇經(jīng)濟(jì) 有效的加溫設(shè)備 減小溫室耗能和提高經(jīng)濟(jì)效益等具 有重要意義 參考文獻(xiàn) 1 V P Seth S K Sharma 谷端銀 等 加溫技術(shù)在世界農(nóng)業(yè) 溫室中應(yīng)用的調(diào)查及評(píng)價(jià) C 中國園藝學(xué)會(huì)設(shè)施園藝分 會(huì)2015年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 北京 設(shè)施園藝 2015 26 2 馬承偉 苗香雯 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程 M 北京 中國農(nóng)業(yè)出 版社 2015 3 張明星 陳超 馬彩雯 等 新型雙集熱管多曲面槽式空氣 集熱器在烏魯木齊日光溫室的應(yīng)用研究 J 新疆農(nóng)業(yè)科 學(xué) 2017 54 5 945 952 4 周長吉 現(xiàn)代溫室工程 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2009 5 伍綱 楊其長 張義 等 太陽能熱利用技術(shù)在我國溫室中 的應(yīng)用現(xiàn)狀 J 太陽能 2018 12 5 8 6 趙麗平 劉春旭 張連萍 等 寒冷地區(qū)現(xiàn)代溫室加溫系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2011 33 10 245 248 7 徐微微 曲明山 栗亞飛 等 根際加溫提高冬季日光溫 室番茄產(chǎn)量和品質(zhì)的試驗(yàn)研究 J 設(shè)施栽培理論和技術(shù) 2005 3 320 329 8 何芬 丁小明 司長青 等 溫室作物根區(qū)溫度調(diào)控技術(shù)現(xiàn) 狀和發(fā)展趨勢(shì) J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2022 11 12 16 9 趙云龍 于賢昌 李衍素 等 碳晶電地?zé)嵯到y(tǒng)在日光溫室 番茄生產(chǎn)中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 29 7 131 138 296 10 張守仕 謝克英 石明生 等 根系加溫技術(shù)對(duì)溫室觀賞桃 生長的影響 J 北方園藝 2015 23 8 61 64 11 李寧 黎貞發(fā) 申雙和 等 日光溫室電暖風(fēng)機(jī)加溫效果評(píng) 估及其經(jīng)濟(jì)投入分析 J 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào) 2013 29 4 100 105 12 張曉慧 陳青云 曲梅 等 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在日光溫室 中的加溫效果 J 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào) 2008 26 5 436 439 13 方慧 楊其長 張義 等 基于熱泵的日光溫室淺層土壤水 媒蓄放熱裝置試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2012 28 20 210 216 14 李文 楊其長 張義 等 日光溫室主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)應(yīng)用效 果研究 J 中國農(nóng)業(yè)氣象 2013 34 5 557 562 15 耿東現(xiàn) 劉文合 于威 不同散熱方式下生態(tài)溫室太陽能 輔助加溫系統(tǒng)加溫試驗(yàn)研究 J 北方園藝 2019 23 73 79 16 柴立龍 馬承偉 張義 等 地源熱泵技術(shù)在日光溫室中的 加溫實(shí)驗(yàn)研究 J 2008農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程國際論 壇 北京 中國農(nóng)業(yè)出版社 2008 114 119 17 徐剛毅 劉明池 李武 等 電鍋爐供暖日光溫室土壤加溫 系統(tǒng) J 中國農(nóng)學(xué)通報(bào) 2011 27 14 171 174 18 薛玉華 溫室電熱溫床設(shè)置方法及注意事項(xiàng) J 農(nóng)業(yè)工程 技術(shù) 溫室園藝 2007 2 28 19 馬丹 須輝 韓亞東 等 日光溫室專用燃煤熱風(fēng)爐加溫效 果分析 J 溫室園藝 1994 2012 China Academic Journal Electronic Publishing House 20 于威 王鐵良 劉文合 等 太陽能土壤加溫系統(tǒng)在日光 溫室土壤加溫中的應(yīng)用效果研究 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2010 41 2 190 194 21 王強(qiáng) 楊禹堯 夏禮如 等 基于空氣源熱泵的溫室冬季加 溫效果分析 J 中國蔬菜 2019 10 44 50 表1 不同加溫方式的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比 加溫方式 前期投入 運(yùn)行費(fèi)用 優(yōu)缺點(diǎn) 電加溫 5 000元左右 日耗電量120 kW h 電費(fèi)0 55元 kW h 計(jì) 算 日電費(fèi)約為66元 設(shè)備安裝和操作簡(jiǎn)單 人工投入少 但熱效率不 高 對(duì)高溫升溫效果有限 運(yùn)行成本高 停機(jī)后 保溫性差 燃煤熱風(fēng)爐 7 000元左右 日需煤量約0 078 t 按照800元 t計(jì)算 直 接燃煤費(fèi)用62 4元 天 設(shè)備簡(jiǎn)單 前期投入小 操作簡(jiǎn)單 停機(jī)后降溫 快 熱穩(wěn)定性差 可能產(chǎn)生有毒氣體 燃煤鍋爐 3萬元左右 日需燃煤0 03 t 按照800元 t計(jì)算 直接 燃煤費(fèi)用24元 加人工成本日運(yùn)行費(fèi)用約 65元 集中供熱面積大 使用壽命長 余熱多 停機(jī)后 保溫性好 但投資較高 停機(jī)后再啟動(dòng)升溫慢 太陽能加溫 8萬元左右 12 15元 m 2 年運(yùn)行費(fèi)用8 000 10 000元 清潔能源分布廣泛 但前期投入成本高 使用受 天氣條件限制多