nullnull 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2023年第12期 日光溫室加溫技術與裝備的研究進展 孫小麗 1 2 肖林剛 1 宋兵偉 1 2 劉 晨 3 1 新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所 新疆烏魯木齊 830000 2 新疆設施農(nóng)業(yè)智能化管控技術重點實驗室 新疆烏魯木齊 830000 3 新疆農(nóng)業(yè)農(nóng)村機械化發(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)重要的設施農(nóng)業(yè)結構 形式 溫度作為溫室環(huán)境調控中一個非常重要的影響 因子 極大影響著設施作物的生長 通過對國內日光 溫室傳統(tǒng)加溫方式和新型能源加溫技術 不同加溫方 式及其加溫效果等進行綜合對比 并對幾種典型加溫 方式的能效和經(jīng)濟性進行分析 探討針對不同地區(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 關鍵詞 日光溫室 加溫效果 能效 經(jīng)濟性分析 0 引言 日光溫室是我國北方地區(qū)重要的設施農(nóng)業(yè)結構形 式 能在作物生長的不同時期提供適宜的溫度 實現(xiàn) 在不適宜的栽培季節(jié)仍能獲得更高的產(chǎn)量這個目標 1 在溫室環(huán)境調控系統(tǒng)中 溫度是一個非常重要的調控 參數(shù) 在北方寒冷的冬季生產(chǎn)中 溫室必須配備相應 的加溫裝備才能保證溫室內作物的正常生長發(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 在燃燒過程中會排放大量有害物質污染 環(huán)境 使用這種能源 不符合設施農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā) 展的要求 電能是清潔二次能源 但能源轉換效率不 高 使用成本增加 一般應用在應急加熱或育苗加熱 床 生物質作為一種僅次于煤 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 技術相對成熟 應用形式多樣 具有很好的 潛在優(yōu)勢 根據(jù)傳熱工質不同 溫室加溫可分為對溫室內空 氣 土壤 水 相變材料等進行加熱 通過將熱量儲 存在工質中 夜間釋放進行再利用 空氣比熱容小 在相同體積下所蓄積的熱量較低 不易儲存 但是空 氣加熱速度快 且具有不易被凍結的優(yōu)點 因此研究 中多以空氣作為傳熱工質 3 水和土壤的成本低廉 來 源廣泛 具有比熱容大的優(yōu)點 在溫室加熱研究中大 多采用對水和土壤加熱蓄積熱量 尤其在太陽能熱的 利用中應用較多 相比于水和空氣介質 相變材料等 固體傳熱工質的體積和質量相對較大 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 熱風爐 加熱 集中供暖 電加熱 太陽能和熱泵加熱 熱風 爐多采用常規(guī)能源燃燒進行加熱 熱量持續(xù)時間較 長 但其具有保溫容易升溫難的特點 很難在短時 間內將溫室溫度較快提升 且會對環(huán)境造成一定的污 染 正被逐步淘汰和改造升級 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)生故障溫室內溫度難以維持 且 前期暖氣投入較高 在連棟溫室應用居多 以電力為 能源為主的電熱線和空調加熱 能耗成本較高 一般 用于溫室育苗和應急加溫 熱泵作為一種節(jié)能和高效 環(huán)保的能量 近年來與太陽能結合使用 越來越多地 應用在溫室供熱中 6 根據(jù)加溫對象不同 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 同一天內土壤溫度峰 值出現(xiàn)時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 對作物生長 產(chǎn)量和品質等均有不 利影響 7 空氣加溫存在前期設備投入較大 能耗高 化石能源燃燒污染環(huán)境等劣勢 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 目前 多集中于使用電熱線 碳晶面板 碳晶電熱膜 毛細 管網(wǎng)等散熱末端直接加熱作物根部土壤基質或加熱育 苗盤 種植盆底部 9 能夠精準調控根區(qū)溫度 直接影 基金項目 自治區(qū)青年基金項目 2019D01B31 自治區(qū)區(qū)域 協(xié)調創(chuàng)新專項 科技援疆計劃 2022E02106 新疆農(nóng)科院自主培育專項 xjnkyzzp 2022005 作者簡介 孫小麗 1984 女 甘肅天水人 高級工程師 研究方向 設施農(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水分及營養(yǎng)物質的吸收 運轉 和貯存 2 不同加溫系統(tǒng)的溫室加溫效果 相對于傳統(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 提高了觀賞桃基質溫度4 以 上 始花時間縮短 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 對天津地區(qū)日光溫室電暖風機加溫效果 進行試驗分析 研究了不同溫度時間及在極端天氣和外 界氣溫條件下的溫室加溫效果 采用電暖風機加熱后的 溫室比對照組溫度高4 23 低溫天氣時較對比溫室高 4 24 高溫天氣時高出對比溫室4 48 并得出在外 界溫度 12 4 時對溫室加溫效果最佳的結論 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 高了冬季溫室內的土壤溫度 當散熱管埋深40 cm時地 溫最高且溫度值保持穩(wěn)定 李炳海等在蔬菜根層30 cm 處埋設散熱管 主要對15 25 cm深度的土壤進行集中 加熱 對淺層土壤溫度的影響較小 方慧等 13 提出基 于熱泵技術的日光溫室淺層水媒介質蓄熱方法 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 后半夜溫度過低時啟動熱泵加熱 可提高溫室氣溫5 7 地溫2 0 李文等 14 設計了一 種安裝在后墻的水簾幕布蓄放熱系統(tǒng) 晴天試驗區(qū)比 對照區(qū)溫度高出6 3 陰天或多云天氣試驗區(qū)比對照 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 墻體和地面同時散熱方式下溫室氣溫和地溫升高效 果 結果表明 試驗區(qū)相比于對照區(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 以達到高效節(jié) 能的加溫效果 柴立龍等 16 進行了基于地源熱泵技術的淺層地能 利用試驗研究 結果表明 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系統(tǒng)加溫試驗 測試 了在不同天氣條件下溫室內的空氣濕度和地溫變化情 況 晴天熱泵溫室比對照溫室地溫高7 3 陰天熱泵 溫室比對照溫室地溫高7 9 地源熱泵系統(tǒng)有效改善 了溫室內的地溫 同時具有除濕效果 3 溫室加溫系統(tǒng)的能耗與經(jīng)濟性分析 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60 70 12 柴立龍等 16 將地源熱泵系統(tǒng)能耗以標 準煤的消耗作為參照 計算出采用地源熱泵加溫給溫 室供熱量為14 927 4 MJ 相當于燃煤11 88 t提供的熱 值 系統(tǒng)運行的電量消耗為10 826 11 kWh 相當于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 對地源熱泵系統(tǒng)進行熱力經(jīng)濟 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 因此地源熱泵空調系 統(tǒng)比其它燃煤 燃氣加溫設備節(jié)能效果好 李寧等 11 研究了華北地區(qū)溫室電加熱能耗費用 在 12 1 2月這3個月最寒冷的時間段 最低溫 12 4 采用電暖風機每天加溫10 h 一個標準日光溫 室每天的加溫費用約為32 4元 冬季的加熱費用約為 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 標準日光溫室內蔬菜增產(chǎn)14 經(jīng)濟 效益增值25 王強等 21 對江蘇省常州市張家港地區(qū)某一農(nóng)場內連 棟薄膜溫室內的空氣源熱泵加熱效果進行試驗分析 1月晴好天氣運行空氣源熱泵加溫溫室 室內外溫差為 10 1 17 2 日耗電量212 5 kWh 空氣源熱泵COP值 1 76 較對照組燃煤鍋爐加溫溫室節(jié)能23 4 4 結論與討論 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 燒過程中會排放C0 2 S0 2 CO等大量溫室氣體和有害 物質污染環(huán)境 不符合國家設施農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展 的要求 正在逐步淘汰 電加熱能源轉換效率不高 集群連片使用需增加電力設施投入 溫室內需要增加 不同形式的加溫設備 在北方使用成本激增 一般應 用在臨時應急加熱或育苗加熱床 太陽能和熱泵技術是清潔 節(jié)能和高效環(huán)保的能 量 現(xiàn)有太陽能 熱泵技術在一定程度上實現(xiàn)了溫室內 的溫度提升 在日光溫室加溫領域得到發(fā)展和應用 國內外學者對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 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系 連陰天情況下的蓄熱能力不 足 需通過其他加溫方式補齊溫度短缺 無論采取何種加溫方式 一般都通過加熱溫室內 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 在實際生產(chǎn)中應根據(jù)當?shù)貧夂驐l件 溫室蓄熱 保溫性能 太陽輻射等條件 結合生產(chǎn)環(huán)境與種植作 物進行經(jīng)濟分析和對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 對于用戶選擇經(jīng)濟 有效的加溫設備 減小溫室耗能和提高經(jīng)濟效益等具 有重要意義 參考文獻 1 V P Seth S K Sharma 谷端銀 等 加溫技術在世界農(nóng)業(yè) 溫室中應用的調查及評價 C 中國園藝學會設施園藝分 會2015年學術年會論文集 北京 設施園藝 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用研究 J 新疆農(nóng)業(yè)科 學 2017 54 5 945 952 4 周長吉 現(xiàn)代溫室工程 M 北京 化學工業(yè)出版社 2009 5 伍綱 楊其長 張義 等 太陽能熱利用技術在我國溫室中 的應用現(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)量和品質的試驗研究 J 設施栽培理論和技術 2005 3 320 329 8 何芬 丁小明 司長青 等 溫室作物根區(qū)溫度調控技術現(xiàn) 狀和發(fā)展趨勢 J 農(nóng)業(yè)工程技術 溫室園藝 2022 11 12 16 9 趙云龍 于賢昌 李衍素 等 碳晶電地熱系統(tǒng)在日光溫室 番茄生產(chǎn)中的應用 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2013 29 7 131 138 296 10 張守仕 謝克英 石明生 等 根系加溫技術對溫室觀賞桃 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 日光溫室電暖風機加溫效果評 估及其經(jīng)濟投入分析 J 氣象與環(huán)境學報 2013 29 4 100 105 12 張曉慧 陳青云 曲梅 等 地源熱泵空調系統(tǒng)在日光溫室 中的加溫效果 J 上海交通大學學報 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 J 農(nóng)業(yè)工程學報 2012 28 20 210 216 14 李文 楊其長 張義 等 日光溫室主動蓄放熱系統(tǒng)應用效 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 地源熱泵技術在日光溫室中的 加溫實驗研究 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)學通報 2011 27 14 171 174 18 薛玉華 溫室電熱溫床設置方法及注意事項 J 農(nóng)業(yè)工程 技術 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用效果研究 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報 2010 41 2 190 194 21 王強 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)濟效益對比 加溫方式 前期投入 運行費用 優(yōu)缺點 電加溫 5 000元左右 日耗電量120 kW h 電費0 55元 kW h 計 算 日電費約為66元 設備安裝和操作簡單 人工投入少 但熱效率不 高 對高溫升溫效果有限 運行成本高 停機后 保溫性差 燃煤熱風爐 7 000元左右 日需煤量約0 078 t 按照800元 t計算 直 接燃煤費用62 4元 天 設備簡單 前期投入小 操作簡單 停機后降溫 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計算 直接 燃煤費用24元 加人工成本日運行費用約 65元 集中供熱面積大 使用壽命長 余熱多 停機后 保溫性好 但投資較高 停機后再啟動升溫慢 太陽能加溫 8萬元左右 12 15元 m 2 年運行費用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