日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)應(yīng)用效果研究

∶為了提高北方地區(qū)冬季日光溫室內(nèi)的溫度，滿足作物生長(zhǎng)需求，同時(shí)減少溫室加溫能耗，設(shè)計(jì)了一種水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)以日光溫室墻體結(jié)構(gòu)為依托，以水為介質(zhì)進(jìn)行熱量的蓄積與釋放，利用冬季晴天時(shí)北墻部位的太陽(yáng)輻射熱量使水增溫，并把水儲(chǔ)存在蓄熱水箱內(nèi)；夜間溫室內(nèi)溫度降到一定程度時(shí)，利用所貯蓄的熱量給溫室加溫。結(jié)果表明，應(yīng)用該系統(tǒng)可使溫室每天平均氣溫提高3.65 ℃以上，地溫提高2.00 ℃左右；夜間氣溫至少提高3.00 ℃，地溫提高1.00 ℃以上；既能有效地提高溫室溫度滿足作物生長(zhǎng)需求，還能替代化石燃料的使用而減少CO、CO2、SO2、NOx等有害氣體的排放量；冬季3個(gè)月產(chǎn)生環(huán)境效益2.8萬(wàn)元。

∶水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)；日光溫室；蓄能；增溫

設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展解決了長(zhǎng)期困擾我國(guó)北方地區(qū)蔬菜冬淡季的供應(yīng)問(wèn)題。目前北京市日光溫室面積占蔬菜生產(chǎn)總面積的28.3%，冬季日光溫室蔬菜生產(chǎn)量達(dá)到了北京市冬季蔬菜生產(chǎn)總量的75.0%，極大地豐富了全市人民的菜籃子。北京市日光溫室蔬菜生產(chǎn)既對(duì)蔬菜供應(yīng)起到了重要的作用，又呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，是北京市設(shè)施生產(chǎn)的主要組成部分。

筆者通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，北京市日光溫室生產(chǎn)存在以下問(wèn)題∶一是正常天氣下墻體在夜間向室內(nèi)釋放的熱量是有限的，熱量釋放值在前半夜較大，后半夜較小，致使后半夜和凌晨時(shí)段經(jīng)常出現(xiàn)低溫現(xiàn)象，作物凍害時(shí)有發(fā)生；二是在連陰天等極端天氣下，溫室太陽(yáng)輻射量較小，夜間溫室內(nèi)溫度急劇下降，使栽培作物的生長(zhǎng)受到抑制，甚至遭到凍害；三是冬天冷水灌溉大大降低了土壤溫度，可導(dǎo)致作物發(fā)生凍根現(xiàn)象。為提高凌晨時(shí)段、極端天氣時(shí)和冷水灌溉土壤的溫度低等問(wèn)題，農(nóng)戶采用了各種加溫和保溫方式，比如煤爐加溫、增加墻體厚度等等，導(dǎo)致溫室冬季加溫能耗費(fèi)用提高，且用于溫室加溫的能源主要來(lái)自于化石燃料，例如煤炭，燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的CO2、SO2、NOx等，導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，進(jìn)而制約設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展和生產(chǎn)效益的提高。目前已有學(xué)者開(kāi)始研究新型綠色加熱模式，如地中換熱、太陽(yáng)能板集熱、相變蓄熱、熱泵加熱等（孫心心，2010；方慧，2011；方慧 等，2012；劉伯聰 等，2012；周長(zhǎng)吉，2012；李凱 等，2013），但由于蓄熱效果有限或投資成本較高，推廣受到限制。

郭建業(yè)，中級(jí)工程師，專業(yè)方向∶農(nóng)業(yè)工程，E-mail∶guojianyelele@163.com

針對(duì)以上問(wèn)題，北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站根據(jù)北方冬季氣候特點(diǎn)以及日光溫室特有環(huán)境，研發(fā)了一種日光溫室水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能集熱技術(shù)，以水為蓄放熱載體，通過(guò)后墻改造、蓄熱罐設(shè)計(jì)、集熱裝置設(shè)計(jì)、循環(huán)水泵等部件，構(gòu)成水循環(huán)系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能白天給系統(tǒng)蓄熱，夜間循環(huán)放熱，同時(shí)可用16 ℃左右的循環(huán)水灌溉，提高土壤溫度。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)溫室概況

試驗(yàn)于2014年12月22日至2015年1月14日進(jìn)行。試驗(yàn)溫室為位于北京市種子站昌平基地內(nèi)的23號(hào)溫室，對(duì)照溫室為同排的29號(hào)溫室。溫室均為東西走向，長(zhǎng)80 m，寬8 m，高2.5 m。溫室后墻是復(fù)合夾心墻，即紅磚+聚苯板+紅磚結(jié)構(gòu)。2014年12月1日分別在兩棟溫室內(nèi)定植番茄幼苗，品種為仙客8號(hào)，株距35 cm，行距70 cm。

1.2水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)

水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)由北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站設(shè)計(jì)，主要由蓄熱裝置、集熱裝置、循環(huán)水泵及連接管路等組成。在原構(gòu)造磚墻的內(nèi)表面覆蓋1 cm厚度的土泥，土泥中加入吸熱黑色材質(zhì)，再在水泥墻上覆蓋一層塑料膜，提高保溫能力。蓄熱裝置是在溫室的東側(cè)或西側(cè)墻處安置4個(gè)串聯(lián)的帶有水閥的儲(chǔ)熱罐，通過(guò)水泵、連接管路與后墻的集熱管相連，形成一個(gè)循環(huán)管路，加熱后的熱水便不斷地被收集到儲(chǔ)熱罐中。儲(chǔ)熱罐的容積為1 m3，采用常用的PE塑料材質(zhì)。為了提高儲(chǔ)熱罐的儲(chǔ)熱能力，在儲(chǔ)熱罐外加設(shè)易拆卸的黑色保溫棉。集熱裝置以水為蓄熱介質(zhì)，使用金屬板傳熱和水蓄熱的集熱方式。在后墻內(nèi)表面距地面1.5 m的高度處串聯(lián)安裝一套太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)，即12個(gè)金屬集熱片，金屬集熱片連接在分集水器上。每個(gè)集熱片是由6個(gè)暖氣專用管并聯(lián)而成，長(zhǎng)度2 m，高度30 cm。12個(gè)集熱片呈1排，間距2 m均勻布置在后墻表面。集熱片內(nèi)裝滿蓄熱介質(zhì)水。白天蓄熱介質(zhì)吸收太陽(yáng)的輻射能，并通過(guò)水的循環(huán)將熱量轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)熱裝置中；夜間后墻的集熱裝置又充當(dāng)散熱器，與儲(chǔ)熱裝置一同將熱量傳遞到溫室內(nèi)，為溫室加熱。在冬季還可利用水泵，將16 ℃左右溫水通過(guò)管道輸送到室內(nèi)栽培地面，可有效提高土壤溫度。水泵的作用是白天將后墻集熱管中的水與儲(chǔ)熱罐中的水循環(huán)換熱，因此循環(huán)泵的選擇需滿足揚(yáng)程的要求，功率為0.5 kW。為了更方便地操作水泵，對(duì)水泵加設(shè)時(shí)間控制設(shè)備，每天10∶00～15∶00的各整點(diǎn)時(shí)刻開(kāi)啟10 min，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行的靈活操作。系統(tǒng)示意如圖1 所示。

圖1　日光溫室內(nèi)水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)

1.3試驗(yàn)方法

采用“農(nóng)用通”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定每30 min對(duì)試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室內(nèi)的空氣溫度、土壤溫度進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)在溫室的縱向中間、橫向靠近后墻1/3的位置；氣溫傳感器置于1/2高度處，地溫傳感器置于地下5 cm處。同時(shí)，對(duì)室外溫度進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔也為30 min。每天記錄試驗(yàn)地點(diǎn)的天氣狀況。試驗(yàn)期間，每天8∶30開(kāi)啟外保溫被，16∶30覆蓋外保溫被，通風(fēng)口在12∶00～13∶00采用電動(dòng)開(kāi)膜器自動(dòng)開(kāi)啟。

2　結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)期間的天氣狀況

由表1可知，試驗(yàn)期間北京市昌平天氣未出現(xiàn)暴雪、連降雨類天氣，但在2015年1月3～5日、12～14日均出現(xiàn)連續(xù)中到重度霧霾天氣，并在14日降有小雪。此外，在2014年12月31日夜晚北京迎來(lái)初雪，昌平降雪以小雪為主，雪量不足1 mm，初雪過(guò)后冷空氣較重，第二天昌平的最低氣溫達(dá)到-8 ℃。因此，本試驗(yàn)中將2015年的1月1日、3～5日以及12～14日作為極端天氣處理，其余按照正常天氣處理。

表1　試驗(yàn)期間北京市昌平地區(qū)天氣情況

2.2日光溫室內(nèi)氣溫變化

如圖2所示，在正常天氣條件下，試驗(yàn)溫室內(nèi)每天的平均氣溫均高于對(duì)照溫室，最大溫差4.65℃，最小溫差3.65 ℃，平均溫差4.08 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可使溫室每天氣溫提高約4.00℃；試驗(yàn)溫室的夜間溫度（當(dāng)日22∶00至次日凌晨4∶00的測(cè)試溫度）均高于對(duì)照溫室，最大溫差4.99 ℃，最小溫差3.05 ℃，平均溫差3.38 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可至少提高溫室的夜間氣溫3.00 ℃。

如圖2所示，在極端天氣條件下，試驗(yàn)溫室的每天平均氣溫也均高于對(duì)照溫室，最大溫差5.90℃，最小溫差3.00 ℃，平均溫差3.65 ℃，水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可使溫室每天氣溫提高約3.65 ℃；試驗(yàn)溫室的夜間溫度均高于對(duì)照溫室，最大溫差4.73℃，最小溫差3.14 ℃，平均溫差4.11 ℃，水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可使溫室夜間氣溫至少提高3.00 ℃。

2.3日光溫室內(nèi)地溫變化

本試驗(yàn)中，由于測(cè)試點(diǎn)距地表較近，隨太陽(yáng)能輻射變化較明顯，土壤溫度波動(dòng)較大，但試驗(yàn)溫室的土壤溫度基本維持在14 ℃以上，較高的土壤溫度有利于作物生長(zhǎng)。如圖3所示，在正常天氣下，試驗(yàn)溫室每天的地溫要高于對(duì)照溫室，最高溫差3.28 ℃，最小溫差1.35 ℃，平均溫差2.17 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可使溫室每天地溫提高2.00℃左右；試驗(yàn)溫室的夜間地溫高于對(duì)照溫室，最大溫差3.28 ℃，最小溫差1.86 ℃，平均溫差2.51 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)可至少提高夜間溫室地溫1.86 ℃。

圖2　日光溫室內(nèi)氣溫變化情況

圖3　日光溫室內(nèi)地溫變化情況

如圖3所示，在極端天氣條件下，試驗(yàn)溫室的每天平均地溫基本維持在11.50 ℃以上，高于對(duì)照溫室，最大溫差3.49 ℃，最小溫差1.53 ℃，平均溫差2.02 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)在極端天氣條件下可使溫室每天平均地溫提高約2.00 ℃左右；試驗(yàn)溫室的夜間地溫基本維持在13.00 ℃以上，高于對(duì)照溫室，最大溫差1.98 ℃，最小溫差1.01 ℃，說(shuō)明水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)在極端天氣條件下可使夜間溫室地溫至少提高1.00 ℃。

2.4水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

鍋爐燒煤系統(tǒng)供熱成本主要包括設(shè)備（包括鍋爐、暖氣片等）造價(jià)成本和燃料成本。其中，設(shè)備成本費(fèi)為12 000元·棟-1，折舊年限10 a，每年折舊費(fèi)1 200元·棟-1；1棟溫室1個(gè)月至少消耗4 t煤（以4 t計(jì)），冬季供暖以3個(gè)月計(jì)，則一個(gè)冬季需至少耗用煤12 t·棟-1，煤炭?jī)r(jià)格為800～900 元·t-1，以均價(jià)850元·t-1計(jì)，則1個(gè)月用煤成本為3 400元·棟-1，冬季3個(gè)月用煤成本為10 200 元·棟-1。因此，采用鍋爐燒煤供熱的日光溫室一年的成本達(dá)11 400元·棟-1（表2）。

水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)供熱成本主要包括設(shè)備（包括水罐、墻體材料、暖氣片等）造價(jià)成本，為22 000元·棟-1，極端天氣需遠(yuǎn)紅外熱通風(fēng)設(shè)備供暖，造價(jià)為1 500元·套-1·棟-1，每棟需兩套，折舊年限均為10 a，則每年的折舊費(fèi)為2 500元。每天的運(yùn)行成本包括水泵和遠(yuǎn)紅外熱通風(fēng)的耗電，冬季3個(gè)月極端天氣出現(xiàn)概率在10%以下，每月按30 d計(jì)，則冬季極端天氣最多9 d；水泵功率為0.5 kW，每天總運(yùn)行1 h（每天的10∶00～15∶00各整點(diǎn)分別開(kāi)啟10 min，循環(huán)1次水），昌平種子基地電價(jià)為2.5元·度-1，則3個(gè)月的運(yùn)行成本為112.5元·棟-1；遠(yuǎn)紅外熱通風(fēng)設(shè)備功率為8 kW，每天運(yùn)行4 h（24∶00至凌晨5∶30點(diǎn)，每間歇0.5 h開(kāi)啟1 h），則9 d的運(yùn)行成本為720 元·棟-1；冬季3個(gè)月水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)的用電成本總計(jì)為832.5元·棟-1。采用水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)一年的費(fèi)用為3 332.5元·棟-1（表2）。綜合設(shè)備與運(yùn)行成本，水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)比鍋爐燒煤系統(tǒng)能節(jié)約8 067.5元·年-1·棟-1。

2.5水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)環(huán)境效益分析

由表3可知，燃燒1 t標(biāo)準(zhǔn)煤的污染物排放量為2 711 kg，其產(chǎn)生的環(huán)境成本為310.6元；則在冬季3個(gè)月采用溫室水循環(huán)增溫系統(tǒng)可減少污染物排放量244 t，產(chǎn)生環(huán)境效益2.8萬(wàn)元。

表2　水循環(huán)蓄熱系統(tǒng)供熱成本與傳統(tǒng)鍋爐燒煤系統(tǒng)供熱成本比較

表3　單位污染物排放量和環(huán)境成本

2.6水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析

3　結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)提高日光溫室溫度是可行的，并得出以下結(jié)論∶

在正常天氣下應(yīng)用水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，可使溫室每天平均氣溫提高約4.00 ℃，地溫提高2.00 ℃左右；夜間氣溫至少提高3.00 ℃，地溫至少提高1.86 ℃。

在極端天氣下應(yīng)用水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，可使溫室每天平均氣溫提高約3.65 ℃，地溫提高約2.0℃左右；可使溫室夜間氣溫至少提高3.00 ℃，地溫至少提高1.00 ℃。

綜合設(shè)備與運(yùn)行成本，水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)比鍋爐燒煤能節(jié)約8 067.5元·年-1·棟-1。在冬季3個(gè)月采用溫室水循環(huán)增溫系統(tǒng)可減少污染物排放量244 t，產(chǎn)生環(huán)境效益2.8萬(wàn)元。并且在日光溫室中應(yīng)用該系統(tǒng)后，由于蓄放熱量的增加，溫室內(nèi)溫度有保證，可實(shí)現(xiàn)喜溫果菜類蔬菜（如番茄）安全過(guò)夜，保證農(nóng)作物在整個(gè)冬季安全越冬。

水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，改善了日光溫室保溫性能，提高了日光溫室溫度性能，達(dá)到“高效、低耗”的目標(biāo)，符合低碳環(huán)保的要求，保證喜溫果菜類蔬菜安全越冬生產(chǎn)，大大增加農(nóng)民冬季生產(chǎn)收入，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，在日光溫室生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

方慧.2011.日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱系統(tǒng)及其與熱泵結(jié)合的試驗(yàn)研究〔碩士論文〕.北京∶中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院.

方慧，楊其長(zhǎng)，張義.2012.基于熱泵的日光溫室淺層土壤水媒蓄放熱裝置試驗(yàn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，28（20）∶210-216.

李凱，宋丹，王宏麗，裘莉娟.2013.日光溫室瓶膽式相變墻體熱性能研究.北方園藝，（5）∶40-42.

劉伯聰，曲梅，苗妍秀，陳青云.2012.太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)在日光溫室中的應(yīng)用效果.北方園藝，（10）∶48-53.

孫心心.2010.日光溫室新型保溫墻體材料的制備及應(yīng)用效果的研究〔碩士論文〕.楊凌∶西北農(nóng)林科技大學(xué).

王金南，楊金田，曹東，高樹(shù)婷，葛察忠，錢小平.1998.中國(guó)排污收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)體系的改革設(shè)計(jì).環(huán)境科學(xué)研究，5（11）∶1-7.

魏學(xué)好，周浩.2003.中國(guó)火力發(fā)電行業(yè)減排污染物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)估算.環(huán)境科學(xué)研究，5（11）∶2-7.

周長(zhǎng)吉.2012.日光溫室中太陽(yáng)能的二次利用技術(shù).農(nóng)業(yè)工程技術(shù)∶溫室園藝，（7）∶48.

Wolfram K.2000.德國(guó)和歐洲礦物燃料發(fā)電的環(huán)境損害代價(jià).國(guó)際電力，（3）∶54-61.

Abstract∶In order to increase indoor temperature of solar greenhouse in winter in the Northern region，meet the need of crop growth，and reduce energy consumption for heating，this experiment designed a water circulation system，which relied on greenhouse wall structure，took water as media to store and release heat.In sunny day time during winter，water was stored in a tank after circuiting and passing by heating device，the solar radiation was absorbed in the system，and at night，when indoor temperature reduced to certain degree，water circuiting and passing by heating device，heat was released to greenhouse and the air temperature was increased in the solar greenhouse.The results indicated that application of this system could increase the everyday air temperature in greenhouse by over 3.65 ℃，and the ground temperature increased by about 2.00 ℃；the air temperature at night in greenhouse was at least increased by 3.00 ℃，and the ground temperature increased by over 1.00 ℃.So this water circulation system could not only effectively raise room temperature to satisfy the requirement for crop growth，but also substitute the utilization of fossil fuel，thus reduce the emission of CO，CO2，SO2，NOx，etc. harmful gas，during 3 months winter season，when 280 000 yuan of environment effect were obtained.

Key words∶Water circulating，Warming and storaging heat system；Solar greenhouse；Energy storage；Increasing temperature

Studies on App lication Effects of Water Circu lating，Warm ing and Heat Storaging System in Solar Green-house

GUO Jian-ye1，QIN Gui1，2，ZHANG Yan-hong1，LIU Xiao-ming1
（1Beijing Agricultural Machinery Testing Extension Station，Beijing 100079，China；2Equipment Function Laboratory of Fruit Vegetables Industry Technology System of Beijing Agriculture Innovation Consortium，Beijing 100079，China）

郭建業(yè)1秦 貴1，2張艷紅1劉曉明1

（1北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079；2果類蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系北京市創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)施設(shè)備功能研究室，北京 100079）

∶2016-06-30；接受日期∶2016-07-20