不同区域半封闭温室的能源方案_张江锋.pdf

设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 26 27 特别关注Special Attention 消耗 在作物幼苗期 对温度 湿度的要求相对较高 加热 制冷 除湿系统的运行时间和强度会增加 而在作物开花结 果期 可能需要更长时间的补光 补光系统的能耗会比营养 生长期增加 3 半封闭温室主要能源消耗系统 3 1 加热系统 冬季和春秋过度季节 维持温室内部适宜温度是保证作物生 长的关键 加热系统根据能源介质的不同 可以分为 电加热 天燃气加热 燃油加热 煤加热 电厂余热等多种方式 温室中 常用的为电加热和天然气加热两种方式 电加热的设备可以分为 空气源热泵 风冷冷热水机组 带热水收的空调机组 电锅炉等 天然气加热的设备主要为天然气锅炉 热风炉等 电厂余热或者 工业废热等 需要项目地附近要有对应的电厂和工业 且要综合 考虑输送距离 能源价格的优略势 1 3 2 降温系统 夏季温室内部的温度会偏高 需要对温室内部的空气进行 降温 才能够保证作物的正常生长 根据降温的方式不同 降 温系统可以分为物理降温 电制冷降温 物理降温 即在物 质的相变过程中 如液体蒸发成气体或气体冷凝成液体时 会 伴随着热量的吸收或释放 通过利用这些相变过程 可以在保 持系统焓值不变的前提下 实现温度的升高或降低 湿帘降温 高压喷雾降温 其原理就是在未饱和的空气中采用适当的方法 加入大量的水分 而随着大量水分蒸发 空气中由温度体现的 显热转化为蒸发潜热 从而降低空气自身的温度 电制冷降温 即电制冷机组的通过压缩 冷凝 膨胀 蒸发等过程 将热量 从室内转移到室外 达到制冷的效果 不同地区根据空气湿度 温度及当地资源的情况 可以采用风冷机组或者水冷机组 例 如风冷式冷热水机组 水冷制冷机组 冷却塔 地源热泵机组 水源热泵机组等 3 3 补光系统 在种植生产过程中 光照是最重要的影响因子 光是植物生 长的最终能量来源 合适强度的光可以使产量更高 为了更好地 利用设备和人力资源 发挥温室的最大效能 尽可能提高产量与 不同区域半封闭温室的能源方案 摘要 该文针对半封闭温室的能源方案配置 分析了影响能源的 主要因素和能源的消耗形式 总结了能源的配置方案 为农业研 究人员和温室管理者提供了有力的支持 促进农业产业健康可持 续的发展 关键词 半封闭温室 能源方案 加温系统 降温系统 中图分类号 S62 半封闭温室作为现代农业生产的重要设施 其能源方案直接 关系到农业项目的初期投资 生产的成本和效益 本分析旨在探 究适合半封闭温室的能源方案 为农业研究人员优化能源利用以 及温室生产经营者降低成本提供参考依据 同时也可为温室管理 者的投资决策提供有力支持 1 半封闭温室的构成 半封闭温室由半封闭间 风筒和空气处理系统组成 半封 闭间包括 侧窗 湿帘 空气处理室 空气处理单元 AHU 风筒组成 空气处理系统包括窗户 加热系统 空调系统 二 氧化碳系统 半封闭温室相对于常规温室的优势主要体现在以 下五点 密封性好 减少防虫网维护工作量 减少病虫害 温室设计不受宽度限制 单体温室可以设计得更大 气候 均匀性更好 2 半封闭温室中影响能源的主要因素 影响的主要因素有室外环境 温室保温性能 作物生长 阶段对温度的需求 室外环境温度的变化对加热 降温和 通风系统的运行有很大的影响 当室外温度降低于作物需求 的生长温度时 半封闭温室的加热系统 通风系统需启动运行 而当室外温度高于作物需求的生长温度时 降温系统 通风 系统就会启动运行 当空气内的相对湿度较高时 除湿系统 就会启动运行 温室的保温性能 主要是体现在四周及顶部 围护结构 基本配置都是单层玻璃 或者中空玻璃 例如4 mm 单层玻璃 4 mm 6A 4 mm 双层中空玻璃 4 mm 9A 4 mm 双 层中空玻璃等 其节能能力有限 为此又配置了幕布系统 如顶部内遮阳 顶部内保温 侧面内保温等 作物生长阶段 不同作物生长阶段对温湿度 光照的要求不同 会改变能源 张江锋 李亚运 珠科现代农业团队 广东 珠海 519000 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 26 27 农业工程技术 设施农业 效益 确保投资回报 配备人工补光系统成了必要的手段 温室 中常见的补光灯 大多使用顶部数字镇流器 高压钠灯光源 株 间LED 灯系统 3 4 通风系统 通风系统用于提高温室内温度和CO 2 浓度的均匀性 在冬季 夏季为了保温节能 温室的环境相对封闭 加热 制冷设备很难 保证在温室各处的均匀性 因此 合理使用环流风机可以保证室 内温度 相对湿度及CO 2 的均匀分布 从而保证室内作物生长的 一致性 通风系统一般使用环流风机 轴流风机两种形式 在半 封闭温室中 为了实现智能化 更有效的节能 多数采用EC风机 实现大风量 长距离输送热量或者冷量 CO 2 等 3 5 其他系统 温室中还存在一些零散的用电耗能设备 例如拉幕电机 常 规照明 登高作业和采摘作业设备用电等 4 半封闭温室的能源系统方案 4 1 温室冷热源的能源方案 中国幅员辽阔 地大物博 南北和东西环境差距显然 以其 中的西北 华东 华中 华北 华南五个地区为例进行能源方案 的配置 温室冷热源的能源方案选配原则如下 温室加温系统 设计 应根按照种植作物需求的温度 设定温度的预定值 室 内温度设定值 不应低于夜间温室种植作物需求的最低值 当 不能确定种植作物时 应综合考虑运行需求 周边对农产品需求 情况以及温室定位 选择合适的室内设定温度 温室降温系统 设计与加温系统类似 但室内温度的设定值 不应高于白天温室 种植作物需求的最高值 根据以上条件计算出温室总体热负荷 冷负荷 合理选配设备的型号及数量 室内种植作物对温度需 求的基本参考 以 5 hm 2 为例 在半封闭温室的能源配置方案可以有以下几 种 根据项目实际情况进行合理选择搭配 以下数据均为按照温 室基本建筑配置信息以及所处的地理位置进行计算的结果 温室 基本建筑配置信息 温室四周及顶部覆盖为4 mm单层玻璃 温 室内顶部布置一层内遮阳和一层内保温 四周侧面玻璃位置布置 一层内保温 以下数据根据作者的经验进行的总结 可以作为一 个参考 实际运用时 需要农业研究人员根据实际情况进行变动 4 2 加热及加温除湿方案 4 2 1 天然气锅炉选择与配置 华北地区 例如北京市 温室总热负荷配置约10000 kW 可 以选配两台8 t 制热量 5600 kW 的锅炉 一个1250 m 3 的容积 的储热罐 华中地区 武汉市温室总热负荷配置约5600 kW 可 以选配两台 4t 制热量 2800 kW 的锅炉 一个 1000 m 3 的容 积的储热罐 华南地区 广州市温室总热负荷配置约3800 kW 可以选配两台3 t 制热量2100 kW 的锅炉 一个800 m 3 的 容积的储热罐 西北地区 例如西安市 温室总热负荷配置约 8000 kW 可以选配两台 6 t 制热量 4200 kW 的锅炉 一个 1250 m 3 的容积的储热罐 西南地区 例如昆明市 温室总热负 荷配置约5300 kW 可以选配两台4 t 制热量2800 kW 的锅 炉 一个1000 m 3 的容积的储热罐 在加热及加温除湿过程中 如果锅炉的燃料为天然气锅炉 因为天然气主要成分为甲烷 甲烷燃烧后的烟气主要成分为CO 2 生产中可把锅炉制热过程中 产生的烟气利用起来 经过科学合理的工序处理后 提取出烟 气中的CO 2 将 CO 2 作为气肥 通过风机及管路输送到温室内的 种植作物附近 促进光合作用 达到节能增产的目的 并同时 实现碳中和的理念 4 2 2 空气源热泵 电锅炉选择与配置 若使用电能作为能源 则生产中加热加温除湿方案可配置空 气源热泵或者电锅炉 电锅炉与天然气锅炉配置基本相同 空气 源热泵则大多设置在北方偏冷地区 半封闭温室中通常使用超低 温空气源热泵 在中原及南方 冬季气候比较暖和的地区 通常 使用普通空气源热泵 限于目前市面绝大部分空气源热泵产品的 实际情况 本文单台空气源热泵的实际制热能力按照130 kW来配 置 北京市温室总热负荷配置约10000 kW 可以选配80台制热量 130 kW的超低温空气源热泵 一个1250 m 3 的容积的储热罐 武汉 市温室总热负荷配置约5600 kW 可以选配46 台制热量130 kW的 普通温空气源热泵 一个1000 m 3 的容积的储热罐 广州市温室 总热负荷配置约3800 kW 可以选配32台制热量130 kW的普通 温空气源热泵 一个800 m 3 的容积的储热罐 西安市温室总热 负荷配置约8000 kW 可以选配64台制热量130 kW的超低温温 空气源热泵 一个1250 m 3 的容积的储热罐 昆明市温室总热负 荷配置约5300 kW 可以选配44台制热量130 kW的普通温空气 源热泵 一个 1000 m 3 的容积的储热罐 配置电锅炉和空气源热 泵时 要综合考虑市政配电的情况 因为用的电能 其电能耗用 量相对天然气锅炉要大 需要在策划可研阶段 配置对应的电容 容量 4 3 制冷降温方案 对于制冷方面 制冷机组温室中常用的为冷却塔 水冷机 组 特殊地区有合适条件可以使用地源热泵或者水源热泵 水冷 设施农业 nullnullnullnull 设施农业 nullnullnullnull 28 29 特别关注Special Attention 机组和冷却塔产品比较成熟 设备的型号数量比较齐全 以单 台制冷能力为2750 kW的机组 冷却塔以单台流量800 m 3 h 为 例 北京市温室总冷负荷配置约5500 kW 可以选配2台制热量 2750 kW的超低温空气源热泵 2台800 m 3 的冷却塔 武汉市温 室总冷负荷配置约16500 kW 可以选配6台制热量2750 kW的 普通温空气源热泵 6台800 m 3 的冷却塔 广州市温室总冷 负荷配置约16500 kW 可以选配6台制热量2750 kW的普通 温空气源热泵 6 台 800 m 3 的冷却塔 西安市温室总冷负荷 配置约5500 kW 可以选配2台制热量2750 kW的超低温空气 源热泵 2 台 800 m 3 的冷却塔 昆明市温室总冷负荷配置约 5500 kW 可以选配2台制热量2750 kW的超低温空气源热泵 2 台 800 m 3 的冷却塔 在制冷方案的配置中 温室得热量的主 要来源 为阳光辐射得热和四周维护结构的传热 在一些寒冷 地区 比如东北 新疆 内蒙等地区由于夏季室外温度比较凉爽 处理的手段大多数采用物理降温 即用湿帘或者高压喷雾即可 实现 其他地区根据当地实际情况 采用电制冷降温 配置情 况各有差异 5 不同季节温室能源运行情况 5 1 春季 秋季温室能源运行 一般春季 秋季气候宜人 气温相对全年来说不高也不低 这种情况下 温室能源运行顺序如下 开启侧墙的外窗及温 室顶部天窗 对温室进行换气 室外空气与室内空气进行混合 以达到满足生产种植的气温和湿度要求 当气温不能满足时 需要启动AHU进行温室的升温或者降温 要优先充利用室外的 空气温度 当温室需要降温时 室外气温低于室内气温 要开 启侧墙的外窗及温室顶部天窗 让室内空气跟室外空气混合 当室外空气温度高于室内温度时 采取内循环的方式即可 同 理可应用于温室升温 以上这种采用AHU 室外通风相结合的方 式来达到满足生产种植的气温要求 当湿度不能满足时 需 要启动AHU进行温室的制冷除湿或升温除湿 要优先充利用室 外的空气湿度 当室外空气湿度低于室内湿度时 要开启侧墙 的外窗及温室顶部天窗 让室内空气跟室外空气混合 当室外 空气湿度高于室内湿度时 采取内循环的方式即可 以上这种 采用AHU 室外通风相结合的方式即可来达到满足生产种植的湿 度要求 5 2 夏季温室能源运行 夏季一般情况下室外温度高于温室种植需求温度且室外空 气湿度低于室内空气湿度时 需要启动AHU的制冷模块对温室的 空气进行降温处理 当空气温度低于露点温度时 优先将温室内 的高温空气与低温空气进行混合 混合后的空气如果不能达到种 植需求 则采用AHU的加热模块对空气进行加温除湿 以此来达 到满足满足生产种植的温度和湿度要求 室外温度高于温室种植需求温度且室外空气湿度高于室内 空气湿度时 需要启动AHU的制冷模块对温室的空气进行降温处 理 当空气温度低于露点温度时 需要优先采取内循环模式来达 到满足满足生产种植的温度和湿度要求 5 3 冬季温室能源运行 冬季一般情况下室外温度低于温室种植需求温度时 需要启 动AHU的加热模块对温室的空气进行加温处理 需要优先采取内 循环模式来达到满足满足生产种植的温度和湿度要求 当室内湿 度高于种植需求时 优先要开启侧墙的外窗及温室顶部天窗 让 室内空气跟室外空气混合 其次启动AHU制冷模块进制冷除湿 来达到满足满足生产种植的温度和湿度要求 6 结语 半封闭温室的能源消耗主要集中在加热 降温 通风和补光 系统 其能耗受到室外环境温度 作物生长阶段和温室保温性能 等多种因素的影响 在不同地域能源配置方案也会有不同的配置 需要农业研究人员综合考虑 通过能源的耦合方式或者采用更先 进节能的设备 提高能源利用效率 实现能源方案的最优选 并 通过对控制系统中能源数据的分析和研究 不断探索和更新更高 效的 更经济节能的能源配置和控制方案 以促进现代农业的可 持续发展 参考文献 1 中华人民共和国工业和信息化部 JB T10297 2014温室加 温系统设计规范 S 北京 机械工业出版社 2014 作者简介 张江锋 暖通工程师 研究方向 半封闭温室能 源方案的应用 引用信息 张江锋 李亚运 不同区域半封闭温室的能源方案 J 农业工程技术 2025 45 33 26 28