太陽能熱利用技術在我國溫室中的應用現狀

中國農業(yè)科學院農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 ■ 伍綱 楊其長 張義 方慧

0 引言

2017年初，中共中央、國務院發(fā)布的《關于深入推進農業(yè)供給側結構性改革 加快培育農業(yè)農村發(fā)展新動能的若干意見》指出，必須轉變農業(yè)原有生產方式，大力推動綠色農業(yè)的發(fā)展，加強農業(yè)發(fā)展的可持續(xù)能力。

現階段，北方越冬農作物的生產全部依靠溫室，絕大多數溫室仍沿襲傳統(tǒng)的燃煤供暖方式，廢氣的排放影響了大氣環(huán)境，運行費用也占據了較高比例，這些都制約著溫室生產的經濟效益。尤其是近年來，霧霾災害肆虐，我國北方許多城市都出臺了相關政策，堅決取締傳統(tǒng)的燒煤小鍋爐。而對于部分不加溫日光溫室，仍面臨著冬季低溫冷害頻發(fā)的困境。太陽能作為一種分布較廣的清潔能源，在溫室增溫中能夠替代煤炭來進行加熱[1]。溫室自身就是一個太陽能高效利用的設施，但仍然存在部分能源未被有效利用的情況，溫室的太陽能熱利用技術研發(fā)仍有巨大的發(fā)展空間。

1 溫室中太陽能熱利用技術的應用現狀與主要形式

圖1 全國設施園藝面積及結構類型的逐年變化

根據農業(yè)部統(tǒng)計的數據(見圖1)，截止到2016年，我國溫室總占地面積達到208萬hm(1 hm=10000 m2)，已成為全球該類設施擁有量最多的國家。在34°N～42°N區(qū)域的冬季，利用具有中國特色的節(jié)能日光溫室，在不加溫的條件下，也能在室內進行農作物的連續(xù)生產[2]。但另一方面，由于農戶自身經濟條件的限制，溫室設施比較簡陋，結構不規(guī)范，導致溫室生產效率低。北方地區(qū)廣泛使用的日光溫室的熱量完全來自太陽能，部分喜溫蔬菜溫室采用熱源進行補充供暖。

1.1 溫室太陽能集熱技術

國家氣象局太陽能中心將全國太陽能資源劃分為4類，其中，Ⅰ類地區(qū)(資源豐富帶)和Ⅱ類地區(qū)(資源較豐富帶)為全年輻射量在5400 MJ/m2以上的地區(qū)[3]。這類地區(qū)緯度較高，在冬季寒流來臨時容易給溫室蔬菜生產造成嚴重侵害。值得慶幸的是，我國1月份0 ℃等溫線(見圖2中紅線)以北的大部分地區(qū)，太陽能資源非常豐富。如圖2、圖3所示，北方省份溫室面積在全國占很大比重，這與我國北方寒冷地區(qū)不加溫進行蔬菜越冬栽培具有一定的正相關性。因此，利用太陽能對溫室進行儲能調溫，符合當前低碳節(jié)能的發(fā)展趨勢，也具有廣闊的發(fā)展前景。

我國溫室的內置太陽能集熱器一般靠近北墻，這樣幾乎不占用室內種植面積；外置太陽能集熱器一般位于溫室北墻之上，或是除溫室北側之外的四周空地上。溫室中常用的太陽能集熱器可劃分為平板集熱器和全玻璃型真空管集熱器。按傳熱工質類型可分為液體和空氣集熱方式。

圖2 我國太陽能資源與各省溫室面積(圓面積)的相對分布(2015年)

圖3 1月0 ℃等溫線以北各省溫室面積分布(2015年)[2]

溫室的設計與建設必須堅持因地制宜的原則，依據當地的自然氣候和作物種植要求建設最適宜的溫室。北方地區(qū)的溫室建設重點在于節(jié)能保溫和抗暴風雪。若在冬季使用平板集熱器(外置)必須考慮防凍措施，而全玻璃型真空管集熱器在所處環(huán)境為-15 ℃以上時，具有一定的防凍功能。相較于以上兩種集熱器，熱管型真空管集熱器在冬季長時間處于陰天和夜間低溫條件下也不會損壞[4]。平板集熱器適用于我國南方地區(qū)，全玻璃型真空管集熱器則可在華北和部分西北地區(qū)使用，而熱管型真空管集熱器則適宜在寒冷地區(qū)使用。因此，從技術和經濟性方面考慮，不同的太陽能集熱器在我國適用的地區(qū)及價格不同，具體如表1所示。

表1 我國太陽能集熱器分布地區(qū)及價格

許多國內與國外研究者都考慮利用太陽能集熱的方法來改善溫室內的微氣候。李文等[5]利用溫室內部北墻上的集熱器進行主動蓄放熱，白天利用水流介質將到達溫室北墻的太陽輻射吸收并蓄積起來，等夜晚環(huán)境溫度降低以后，再通過反向循環(huán)將熱量在室內釋放出來。在該主動方式下，蓄積和釋放熱能的效率被成倍提高，同時也提升了冬季夜晚溫室的內部溫度。馬承偉等[6]采用溫室屋架管網水循環(huán)集放熱系統(tǒng)，進一步提升了白天溫室的太陽能利用率，吸收室內部分熱能，再通過釋放儲存的熱量用于夜間增溫。陳紫光等[7]研發(fā)了一種可直接安裝在日光溫室后墻頂部、體積小、安裝方便且不占用耕地的日光溫室專用多曲面槽式太陽能空氣集熱器，晴好天氣時，空氣集熱器的最大單位日積累熱量可達6.2 MJ/(m2·d)。但這類新穎的太陽能集熱器最主要的問題在于其對太陽輻射的接收面積偏少，集熱量相對于溫室的需求來說比較有限，如何進一步提高集熱效率，研發(fā)與溫室結構相適宜的熱能利用形式是技術突破的關鍵。

1.2 溫室中太陽能蓄熱技術

利用太陽能進行蓄熱，就是分別對顯熱、潛熱或化學反應熱進行蓄積。顯熱儲存通常采用液體和固體兩類材料(氣體比熱容小，一般不用)。目前比較一致的看法是，在中、低溫(特別是熱水、采暖和空調系統(tǒng)所適用的溫度)范圍內，考慮到經濟成本，經常采用水作為液體蓄熱材料，同時選用砂石作為固體蓄熱材料。這些材料不僅具有熱容量大、來源廣泛和價格低廉的優(yōu)點，而且無毒性和腐蝕性；但其缺點在于質量和體積大、輸入與輸出熱流溫度變化范圍大，且不穩(wěn)定。張新橋等[8]在嚴寒地區(qū)溫室內布置蓄熱水池對太陽能進行收集和儲存，發(fā)現3～10月的節(jié)能效果顯著，其中，6～8月的節(jié)能效果為100%。

在溫室應用中，通常將太陽能集熱和土壤蓄熱技術相結合利用，因為溫室內土壤熱容量比較大，白天吸收的熱量不僅可以保持至夜間，有些還可維持數天，可起到節(jié)能增產的目的。上世紀80年代，我國開始利用太陽能集熱器對溫室土壤進行蓄熱研究，和普通太陽能熱水器利用方式類似。太陽能集熱器能夠將地溫提高3～5 ℃，同時運行費用低，但初期投資比較大[9]。而且，通過氣體進行集熱，鼓風機將溫室內部比較熱的空氣通入土壤之中，但溫室內空氣的熱量非常有限，這些熱量不足以加熱土壤供其在夜間使用[10]。

利用潛熱進行儲存能夠彌補顯熱儲存的缺點，可蓄積更多的熱量，且進出蓄熱系統(tǒng)的工質溫度波動幅度較小。不少無機鹽的水合物，在低溫范圍內，其熔點都比較適合作為儲熱的相變材料，儲能密度都在120～300 kJ/kg的范圍，且價格便宜，來源也較為豐富。正是由于無機鹽水合物較低的熔點，其與平板集熱器配合使用，可保證集熱器始終保持在較高的效率下運行。李曉野[11]選用比較常見的磷酸氫鈉和硅酸鈉的水合物作為相變儲熱材料，對溫室進行集熱蓄熱實驗，蓄熱效率約為43%。

太陽能熱利用系統(tǒng)包括太陽能集熱器、儲熱裝置、換熱設備、用熱設備、輔助能源加熱設備和控制設備等。如果使用太陽能系統(tǒng)取得低溫熱水，那么直接用水儲熱最為合理，若換用其他儲熱介質，再通過換熱設備，在傳熱過程中必將損失一部分可應用的熱能。另外，儲熱容量是必須要考慮的另一個因素。容量太大，必然會增加投資額和運行費用；當容量足夠用時，盡量保持小容量，這樣有益于快速升溫。

1.3 熱泵集熱系統(tǒng)

作為一種新能源技術，通過熱泵技術將低品味熱源提升至高品位熱源被更多地運用在溫室加溫上。太陽能集熱技術與熱泵技術是兩個比較成熟的技術。水源熱泵和地源熱泵以淺層地熱作為熱源，高效節(jié)能、系統(tǒng)穩(wěn)定。太陽能熱泵將太陽能輻射熱作為熱泵蒸發(fā)器的熱源，不斷對熱泵熱源進行能源補充，在較高的蒸發(fā)器溫度下，可獲得較大的能效比(COP)。該系統(tǒng)可防止蒸發(fā)器結霜，減少了除霜時間。太陽能作為輔助熱源提高了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，間接改善了壓縮機工作環(huán)境，延長了機組壽命，從而提高了集熱效率，增加了對太陽能的利用率，兩者互為補充。國內研究者對溫室太陽能熱泵進行加溫實驗后發(fā)現，熱泵系統(tǒng)的COP一般在3左右[12]。

隨著農業(yè)生產對能源的需求越來越強烈，節(jié)能降耗及環(huán)保方面的問題日益突出，太陽能集熱與熱泵的結合會越來越有市場，必將成為未來的主要供能手段。

2 技術發(fā)展的展望

萬物生長靠太陽。溫室是能夠同時利用太陽光光合能量和光熱轉換的設施。其中，光熱轉換利用率能夠達到80%，光合利用率約為5%，溫室種植的產量可達到露天種植的產量的5倍左右。對于人均耕地面積只占世界人均水平25%的中國來說，其意義是巨大的。未來，太陽能熱利用技術在溫室中的應用應向以下幾個方向發(fā)展。

1)太陽能直接吸收技術。該技術是利用介質流體直接全部或部分吸收太陽輻射進行光熱轉換，溫室最大的光接收面積是整個溫室的外層薄膜，應著重研究對植物生長的光熱兩相性的薄膜集熱技術及配套設施。

2)溫室內高效集熱、儲能、用能技術。采用“削峰填谷”的思路，進一步提高溫室白天的太陽輻射收集效率，高效儲能，研發(fā)適用于溫室的加溫方式，研制適用于溫室的太陽能主動截獲技術及裝備。

3)太陽能熱泵能效的提升技術。針對溫室作物需求的熱環(huán)境要素，研究制定熱泵運行機制，提高熱泵在不同天氣條件下的整體運行效率。

3 結論

本文梳理和總結了太陽能熱利用技術在我國溫室中的應用現狀與主要形式，并對該技術的發(fā)展提出了展望。未來，資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的溫室生產方式將得到進一步的推廣和應用。