日光温室加温技术与装备的研究进展.pdf

nullnull 农业装备 农业开发与装备 2023年第12期 日光温室加温技术与装备的研究进展 孙小丽 1 2 肖林刚 1 宋兵伟 1 2 刘 晨 3 1 新疆农业科学院农业机械化研究所 新疆乌鲁木齐 830000 2 新疆设施农业智能化管控技术重点实验室 新疆乌鲁木齐 830000 3 新疆农业农村机械化发展中心 新疆乌鲁木齐 830000 摘要 日光温室是我国北方地区重要的设施农业结构 形式 温度作为温室环境调控中一个非常重要的影响 因子 极大影响着设施作物的生长 通过对国内日光 温室传统加温方式和新型能源加温技术 不同加温方 式及其加温效果等进行综合对比 并对几种典型加温 方式的能效和经济性进行分析 探讨针对不同地区 不同作物选择适合的加温方式 为解决日光温室冬季 能源消耗过高的问题提供参考 关键词 日光温室 加温效果 能效 经济性分析 0 引言 日光温室是我国北方地区重要的设施农业结构形 式 能在作物生长的不同时期提供适宜的温度 实现 在不适宜的栽培季节仍能获得更高的产量这个目标 1 在温室环境调控系统中 温度是一个非常重要的调控 参数 在北方寒冷的冬季生产中 温室必须配备相应 的加温装备才能保证温室内作物的正常生长发育 2 随 着纬度的增高 冬季加温在温室生产运行中的能耗占 比越来越高 不同纬度地区的加温能耗占运行总成本 的30 70 2 3 1 温室主要加温方式 根据加热源不同 温室加温方式有化石能源加 热 电加热 生物质加热和太阳能加热 化石能源是 一次性能源 在燃烧过程中会排放大量有害物质污染 环境 使用这种能源 不符合设施农业绿色可持续发 展的要求 电能是清洁二次能源 但能源转换效率不 高 使用成本增加 一般应用在应急加热或育苗加热 床 生物质作为一种仅次于煤 石油 天然气的可再 生能源 但生产过程复杂且周期长 生产使用受地域 限制 其产热阶段具有一定的不稳定性 不能满足温 室加温的长期需求 太阳能是一种可再生清洁能源 利用自身热量作为温室集热热源 在我国北方地区光 源丰富 技术相对成熟 应用形式多样 具有很好的 潜在优势 根据传热工质不同 温室加温可分为对温室内空 气 土壤 水 相变材料等进行加热 通过将热量储 存在工质中 夜间释放进行再利用 空气比热容小 在相同体积下所蓄积的热量较低 不易储存 但是空 气加热速度快 且具有不易被冻结的优点 因此研究 中多以空气作为传热工质 3 水和土壤的成本低廉 来 源广泛 具有比热容大的优点 在温室加热研究中大 多采用对水和土壤加热蓄积热量 尤其在太阳能热的 利用中应用较多 相比于水和空气介质 相变材料等 固体传热工质的体积和质量相对较大 但蓄积的热量 输出不是很稳定 5 根据供能方式不同 温室加热又可分为 热风炉 加热 集中供暖 电加热 太阳能和热泵加热 热风 炉多采用常规能源燃烧进行加热 热量持续时间较 长 但其具有保温容易升温难的特点 很难在短时 间内将温室温度较快提升 且会对环境造成一定的污 染 正被逐步淘汰和改造升级 集中供暖多以锅炉加 热水给温室供暖为主 能为温室提供足够的热源 成 本较低 但是一旦发生故障温室内温度难以维持 且 前期暖气投入较高 在连栋温室应用居多 以电力为 能源为主的电热线和空调加热 能耗成本较高 一般 用于温室育苗和应急加温 热泵作为一种节能和高效 环保的能量 近年来与太阳能结合使用 越来越多地 应用在温室供热中 6 根据加温对象不同 温室加温分为空气与作物根 区的加温 气温影响作物地上部分各器官生理过程 土壤温度则影响作物根系代谢与生长 并对叶片呼 吸 光合与蒸腾作用等都有影响 1 2 在日光温室中 气温与土壤温度变化并不同步 同一天内土壤温度峰 值出现时间较空气温度峰值晚了近5 h 土壤温度明显 滞后于空气温度 对作物生长 产量和品质等均有不 利影响 7 空气加温存在前期设备投入较大 能耗高 化石能源燃烧污染环境等劣势 根区加温 8 利用太阳能 加热水或空气通过地埋管的形式加热土壤 这些方式 存在初期投入大 受客观天气影响过大等缺点 目前 多集中于使用电热线 碳晶面板 碳晶电热膜 毛细 管网等散热末端直接加热作物根部土壤基质或加热育 苗盘 种植盆底部 9 能够精准调控根区温度 直接影 基金项目 自治区青年基金项目 2019D01B31 自治区区域 协调创新专项 科技援疆计划 2022E02106 新疆农科院自主培育专项 xjnkyzzp 2022005 作者简介 孙小丽 1984 女 甘肃天水人 高级工程师 研究方向 设施农业环境工程 nullnull 农业装备农业开发与装备 2023年第12期 响作物根系的生长和对水分及营养物质的吸收 运转 和贮存 2 不同加温系统的温室加温效果 相对于传统的空气加温方式 根区加温能使作物 正常生长所需环境温室比空气加温条件低5 15 可 节约能耗28 一般应用于育苗或盆栽花卉等附加值 高的作物生产 在育苗中常用电热丝线制作电热温床 以加热苗木根系土壤 张守仕等 10 将电热线铺在温室 地面上作为苗木温床 提高了观赏桃基质温度4 以 上 始花时间缩短 花径明显大于不加温观赏桃 但 是这种方法的加温范围有限 李宁等人 11 对天津地区日光温室电暖风机加温效果 进行试验分析 研究了不同温度时间及在极端天气和外 界气温条件下的温室加温效果 采用电暖风机加热后的 温室比对照组温度高4 23 低温天气时较对比温室高 4 24 高温天气时高出对比温室4 48 并得出在外 界温度 12 4 时对温室加温效果最佳的结论 为缓解和降低常规能源消耗带来的能源资源压力 和环境污染压力 太阳能和热泵加温系统正逐渐应用 于温室加温 12 冯前前等用太阳能集热系统加热 提 高了冬季温室内的土壤温度 当散热管埋深40 cm时地 温最高且温度值保持稳定 李炳海等在蔬菜根层30 cm 处埋设散热管 主要对15 25 cm深度的土壤进行集中 加热 对浅层土壤温度的影响较小 方慧等 13 提出基 于热泵技术的日光温室浅层水媒介质蓄热方法 上半 夜通过浅层土壤中的水循环放热 可提高温室气温 3 2 地温3 3 后半夜温度过低时启动热泵加热 可提高温室气温5 7 地温2 0 李文等 14 设计了一 种安装在后墙的水帘幕布蓄放热系统 晴天试验区比 对照区温度高出6 3 阴天或多云天气试验区比对照 区温度高4 6 耿东现等 15 分析了墙体散热方式 地面散热方式 墙体和地面同时散热方式下温室气温和地温升高效 果 结果表明 试验区相比于对照区 墙体散热方式 下温室平均气温提高3 6 0 1 0 3 0 5 m深度平均 地温提高1 3 1 0 0 6 地面散热方式下温室平均气 温提高0 9 0 1 0 3 0 5 m深度的平均地温提高了 2 5 3 3 4 1 墙体和地面同时散热方式下温室平均 气温提高2 1 0 1 0 3 0 5 m深度的平均地温提高 了1 8 2 3 3 2 因此 实际中要根据不同作物生长 所需温度要求来采取不同的散热方式 以达到高效节 能的加温效果 柴立龙等 16 进行了基于地源热泵技术的浅层地能 利用试验研究 结果表明 加温温室夜间温度维持在 18 以上 比不加温温室夜间平均气温高约11 9 能够保证大多数设施作物的正常生长 证明地源热泵 加温系统在温室中具有较好的加热效果和热稳定性 张晓慧等 12 开展的地源热泵空调系统加温试验 测试 了在不同天气条件下温室内的空气湿度和地温变化情 况 晴天热泵温室比对照温室地温高7 3 阴天热泵 温室比对照温室地温高7 9 地源热泵系统有效改善 了温室内的地温 同时具有除湿效果 3 温室加温系统的能耗与经济性分析 中国北方地区冬季温室加热成本非常高 35 N 地区温室冬季加热耗能约占总生产成本的30 40 40 N地区约占40 50 43 N以上地区能耗占比高 达60 70 12 柴立龙等 16 将地源热泵系统能耗以标 准煤的消耗作为参照 计算出采用地源热泵加温给温 室供热量为14 927 4 MJ 相当于燃煤11 88 t提供的热 值 系统运行的电量消耗为10 826 11 kWh 相当于6 9 t 煤燃烧后的发电量 加热性能系数为3 83 与燃煤供 热系统相比 系统可节煤41 6 具有很好的节能 减排效果 张晓慧等 12 对地源热泵系统进行热力经济 性分析 系统制热系数COP h 值为4 16 消耗常规能源 及直接用电取暖的热效益小于1 因此地源热泵空调系 统比其它燃煤 燃气加温设备节能效果好 李宁等 11 研究了华北地区温室电加热能耗费用 在 12 1 2月这3个月最寒冷的时间段 最低温 12 4 采用电暖风机每天加温10 h 一个标准日光温 室每天的加温费用约为32 4元 冬季的加热费用约为 2 916元 薛玉华 18 提出一种电热线加温温床的方法可 提高温度10 标准日光温室内蔬菜增产14 经济 效益增值25 王强等 21 对江苏省常州市张家港地区某一农场内连 栋薄膜温室内的空气源热泵加热效果进行试验分析 1月晴好天气运行空气源热泵加温温室 室内外温差为 10 1 17 2 日耗电量212 5 kWh 空气源热泵COP值 1 76 较对照组燃煤锅炉加温温室节能23 4 4 结论与讨论 日光温室加温方式形式有多种 常规化石能源加 温方式的加温成本高 且需要固定人员投入 能源燃 烧过程中会排放C0 2 S0 2 CO等大量温室气体和有害 物质污染环境 不符合国家设施农业绿色可持续发展 的要求 正在逐步淘汰 电加热能源转换效率不高 集群连片使用需增加电力设施投入 温室内需要增加 不同形式的加温设备 在北方使用成本激增 一般应 用在临时应急加热或育苗加热床 太阳能和热泵技术是清洁 节能和高效环保的能 量 现有太阳能 热泵技术在一定程度上实现了温室内 的温度提升 在日光温室加温领域得到发展和应用 国内外学者对不同形式的日光温室太阳能和热泵加热 开展了研究和试验 温室的夜间温度均有不同程度的 nullnull 农业装备 农业开发与装备 2023年第12期 提升 提升效果与温室地理位置 太阳辐射 外界环 境温度等因素均有关系 连阴天情况下的蓄热能力不 足 需通过其他加温方式补齐温度短缺 无论采取何种加温方式 一般都通过加热温室内 的空气或作物根系土壤 提供给作物适宜的生长温度 环境 在实际生产中应根据当地气候条件 温室蓄热 保温性能 太阳辐射等条件 结合生产环境与种植作 物进行经济分析和对比后选择适合的加温方式 分析 不同加温方式的能源消耗和投入 对于用户选择经济 有效的加温设备 减小温室耗能和提高经济效益等具 有重要意义 参考文献 1 V P Seth S K Sharma 谷端银 等 加温技术在世界农业 温室中应用的调查及评价 C 中国园艺学会设施园艺分 会2015年学术年会论文集 北京 设施园艺 2015 26 2 马承伟 苗香雯 农业生物环境工程 M 北京 中国农业出 版社 2015 3 张明星 陈超 马彩雯 等 新型双集热管多曲面槽式空气 集热器在乌鲁木齐日光温室的应用研究 J 新疆农业科 学 2017 54 5 945 952 4 周长吉 现代温室工程 M 北京 化学工业出版社 2009 5 伍纲 杨其长 张义 等 太阳能热利用技术在我国温室中 的应用现状 J 太阳能 2018 12 5 8 6 赵丽平 刘春旭 张连萍 等 寒冷地区现代温室加温系统 J 农机化研究 2011 33 10 245 248 7 徐微微 曲明山 栗亚飞 等 根际加温提高冬季日光温 室番茄产量和品质的试验研究 J 设施栽培理论和技术 2005 3 320 329 8 何芬 丁小明 司长青 等 温室作物根区温度调控技术现 状和发展趋势 J 农业工程技术 温室园艺 2022 11 12 16 9 赵云龙 于贤昌 李衍素 等 碳晶电地热系统在日光温室 番茄生产中的应用 J 农业工程学报 2013 29 7 131 138 296 10 张守仕 谢克英 石明生 等 根系加温技术对温室观赏桃 生长的影响 J 北方园艺 2015 23 8 61 64 11 李宁 黎贞发 申双和 等 日光温室电暖风机加温效果评 估及其经济投入分析 J 气象与环境学报 2013 29 4 100 105 12 张晓慧 陈青云 曲梅 等 地源热泵空调系统在日光温室 中的加温效果 J 上海交通大学学报 2008 26 5 436 439 13 方慧 杨其长 张义 等 基于热泵的日光温室浅层土壤水 媒蓄放热装置试验 J 农业工程学报 2012 28 20 210 216 14 李文 杨其长 张义 等 日光温室主动蓄放热系统应用效 果研究 J 中国农业气象 2013 34 5 557 562 15 耿东现 刘文合 于威 不同散热方式下生态温室太阳能 辅助加温系统加温试验研究 J 北方园艺 2019 23 73 79 16 柴立龙 马承伟 张义 等 地源热泵技术在日光温室中的 加温实验研究 J 2008农业生物环境与能源工程国际论 坛 北京 中国农业出版社 2008 114 119 17 徐刚毅 刘明池 李武 等 电锅炉供暖日光温室土壤加温 系统 J 中国农学通报 2011 27 14 171 174 18 薛玉华 温室电热温床设置方法及注意事项 J 农业工程 技术 温室园艺 2007 2 28 19 马丹 须辉 韩亚东 等 日光温室专用燃煤热风炉加温效 果分析 J 温室园艺 1994 2012 China Academic Journal Electronic Publishing House 20 于威 王铁良 刘文合 等 太阳能土壤加温系统在日光 温室土壤加温中的应用效果研究 J 沈阳农业大学学报 2010 41 2 190 194 21 王强 杨禹尧 夏礼如 等 基于空气源热泵的温室冬季加 温效果分析 J 中国蔬菜 2019 10 44 50 表1 不同加温方式的经济效益对比 加温方式 前期投入 运行费用 优缺点 电加温 5 000元左右 日耗电量120 kW h 电费0 55元 kW h 计 算 日电费约为66元 设备安装和操作简单 人工投入少 但热效率不 高 对高温升温效果有限 运行成本高 停机后 保温性差 燃煤热风炉 7 000元左右 日需煤量约0 078 t 按照800元 t计算 直 接燃煤费用62 4元 天 设备简单 前期投入小 操作简单 停机后降温 快 热稳定性差 可能产生有毒气体 燃煤锅炉 3万元左右 日需燃煤0 03 t 按照800元 t计算 直接 燃煤费用24元 加人工成本日运行费用约 65元 集中供热面积大 使用寿命长 余热多 停机后 保温性好 但投资较高 停机后再启动升温慢 太阳能加温 8万元左右 12 15元 m 2 年运行费用8 000 10 000元 清洁能源分布广泛 但前期投入成本高 使用受 天气条件限制多