日光溫室冬季新型增溫技術(shù)在葉菜生產(chǎn)中應(yīng)用對(duì)比研究＊

劉 旺，安紅艷，胡 浩，謝 杰，盛 順，苗秋生，張京開，張迪婧，宋愛敏，李雪婷（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079）

日光溫室是京郊地區(qū)葉菜生產(chǎn)的重要設(shè)施，其廣泛應(yīng)用不僅提高了農(nóng)業(yè)資源的利用率，而且保證了葉菜等農(nóng)產(chǎn)品的周年均衡供應(yīng)，成為解決農(nóng)業(yè)發(fā)展、資源、環(huán)境三大基本問題的關(guān)鍵[1-2]。冬季是日光溫室葉菜生產(chǎn)的旺季，生產(chǎn)效益最顯著，但是由于冬季氣溫較低，冰雪、霜凍等自然災(zāi)害時(shí)常發(fā)生，會(huì)對(duì)日光溫室內(nèi)的作物造成凍害等不利影響，尤其是隨著北京“煤改電”“煤改氣”等煤改清潔能源工程的實(shí)施，京郊日光溫室冬季節(jié)能增溫技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用受到了越來越多的關(guān)注。目前，京郊地區(qū)應(yīng)用較多的增溫方式是利用太陽能、電能，將空氣或水加熱并貯存起來，待夜間溫度較低時(shí)釋放熱量進(jìn)行加熱，也有利用電能將電熱線或電加熱板加熱直接提高地溫或氣溫。郭建業(yè)等[3]設(shè)計(jì)了一種水循環(huán)增溫蓄熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用冬季晴天時(shí)北墻部位的太陽輻射熱量使水增溫，并把水儲(chǔ)存在蓄熱水箱中，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，可使溫室日均氣溫提高3.65℃以上，地溫提高2.0℃。馬前磊等[4]以太陽能為熱源，白天通過水循環(huán)將太陽能以熱能的型式收集于蓄水池內(nèi)，夜間通過冠層增溫管道釋放熱量，對(duì)番茄冠層進(jìn)行局部增溫。王志偉[5]以南疆地區(qū)現(xiàn)有典型日光溫室為出發(fā)點(diǎn)研發(fā)了水幕集熱—地暖加溫系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)白天將到達(dá)后墻的部分太陽能利用水循環(huán)收集、轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存在植物栽培槽底部深層土壤與地暖管中，夜間將儲(chǔ)存的熱量釋放出來。

葉菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研發(fā)了智能通風(fēng)地溫加熱系統(tǒng)，白天利用太陽能加熱空氣，儲(chǔ)存在土壤中，夜間釋放熱量增加地溫[6]。電熱采暖加溫系統(tǒng)主要是利用電能直接對(duì)溫室進(jìn)行加溫，一般是通過地下埋入電熱線或增加電加熱板，持續(xù)釋放熱量。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，利用太陽能增加溫室溫度的方法可實(shí)現(xiàn)能源清潔化，適于長期使用，但使用該類設(shè)備需對(duì)溫室進(jìn)行工程改造，較復(fù)雜且費(fèi)用較高，如果遇到連續(xù)陰天、雪天發(fā)揮作用有限，不能應(yīng)對(duì)突如其來的寒冷、凍害。電熱采暖比較耗能，而埋入地下的電線容易影響農(nóng)機(jī)正常作業(yè)，同時(shí)電加熱板的數(shù)量較少，加溫效果不明顯，但電加熱板實(shí)施中不用對(duì)溫室進(jìn)行改造，該方法適用于短期應(yīng)對(duì)極端寒冷天氣。葉類蔬菜一般喜冷涼溫和的氣候，生產(chǎn)最適宜溫度范圍為10～25 ℃，白天溫度高于25 ℃以上，需要揭膜通風(fēng)、降溫、排濕，夜間低于10 ℃生長緩慢，長期低于0℃，容易受到凍害影響，現(xiàn)有增溫技術(shù)多應(yīng)用于茄果類蔬菜或經(jīng)濟(jì)作物，尚未發(fā)現(xiàn)適宜葉類蔬菜的綠色、低碳、環(huán)保的增溫技術(shù)。因此本研究擬利用施工較少的太陽能-相變材料組合、石墨烯電加熱技術(shù)進(jìn)行冬季日光溫室增溫，擬探索一種適用于葉類蔬菜種植、綠色、高效增溫方式。

材料與方法

試驗(yàn)溫室

日光溫室位于北京市大興區(qū)，采用磚＋混凝土結(jié)構(gòu)，普通370 mm 磚抹水泥，前屋面為鋼龍骨結(jié)構(gòu)，溫室南北寬8 m，東西長60 m，由于使用年限較長，保溫效果不佳。研究設(shè)置2 個(gè)試驗(yàn)溫室和1 個(gè)對(duì)照溫室，編號(hào)1 號(hào)，2 號(hào)，3 號(hào)，其中1 號(hào)溫室安裝相變材料，2 號(hào)溫室安裝石墨烯電加熱設(shè)備，3 號(hào)溫室為對(duì)照溫室，2020 年12月24 日分別在3 個(gè)溫室內(nèi)相同位置定植相同數(shù)量的芹菜、圓白菜、‘射手101’生菜和娃娃菜，溫室日常管理均一致。

試驗(yàn)材料

研究中的相變材料是一種新型有機(jī)材料，利用特殊的加工制作方法，將固-液相變轉(zhuǎn)化為固-固相變形式，通過固-固相變實(shí)現(xiàn)吸熱放熱，在天氣突變的情況下，可減少溫室內(nèi)部溫度驟變，有利于保持室內(nèi)環(huán)境的溫度穩(wěn)定，為植株生長提供溫度支持。相變材料通過吸收日間太陽輻射，經(jīng)過儲(chǔ)能可以用于溫室夜間放熱，減少冬季溫室能耗。墻體是日光溫室維護(hù)結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)成之一，其熱物性功能主要包括保溫作用和蓄熱作用，因此，將相變材料、紅磚墻構(gòu)筑復(fù)合相變墻體，以提高墻體的蓄熱能力。相變材料磚塊位于后墻中間，垂直粘貼4 塊，每塊磚尺寸為30 cm×30 cm×5 cm。石墨烯是一種高新科技新型納米材料，由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的材料，其電熱轉(zhuǎn)化率接近100%，其應(yīng)用在溫室的基本原理是：電熱板向溫室散發(fā)熱量，控制室內(nèi)恒溫。北側(cè)+南側(cè)雙重加熱傳導(dǎo)，可以在短時(shí)間內(nèi)提升室溫，降低損耗，保障根系土壤溫度。本實(shí)驗(yàn)中，北側(cè)安裝20 塊石墨烯板，間隔為3 m，尺寸為150 cm×60 cm，每塊板電功率為2 kW；南側(cè)安裝20 塊板，間隔3 m，尺寸為150 cm×30 cm，每塊板電功率為1 kW。溫控設(shè)置為12℃，即低于12℃開始工作，大于等于12℃停止工作，溫度傳感器位于溫室中部離地面1.5 m 處。

圖1 相變材料布置圖

圖2 石墨烯電加熱設(shè)備布置圖

試驗(yàn)儀器及操作方法

試驗(yàn)溫度采用單點(diǎn)溫度計(jì)進(jìn)行測試，溫度計(jì)使用前放置在室內(nèi)同一位置處進(jìn)行校正，溫度相差0.11～0.24 ℃。試驗(yàn)前對(duì)3 個(gè)溫度計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，放置在室內(nèi)，觀測了6 天，三個(gè)傳感器的6 天平均溫度分別為18.21、18.34、18.10 ℃，相差不到0.3 ℃，因此測試溫度較為穩(wěn)定、準(zhǔn)確。試驗(yàn)時(shí)，單點(diǎn)溫度計(jì)放置在溫室正中央，離地高度1.5 m，實(shí)時(shí)記錄溫室溫度，溫度數(shù)據(jù)每10 min 監(jiān)測1 次并傳輸?shù)浇K端。為了減少人為操作誤差，3 個(gè)溫室均由1 個(gè)人管理，都是同時(shí)操作的。所測溫室采用連續(xù)3 天溫度，具有重復(fù)性，結(jié)論可靠。

結(jié)果與分析

新型日光溫室冬季增溫技術(shù)效果及耗電量

由圖3 可知，加裝相變材料溫室的平均溫度為8.6℃，加裝石墨烯電加熱設(shè)備溫室的平均溫度為11.1℃，對(duì)照溫室的平均溫度為7.9℃，分別比對(duì)照溫室高0.7、3.2 ℃。三個(gè)日光溫室的日平均溫度均隨室外溫度變化而變化，隨著室外溫度不斷降低，溫室溫度波動(dòng)較小，加裝相變材料溫室的日平均溫度的變異系數(shù)為24.2%，加裝石墨烯電加熱設(shè)備溫室日平均溫度的變異系數(shù)為16.4%，對(duì)照溫室的日平均溫度的變異系數(shù)為30.7%，說明三個(gè)溫室保溫效果較好，其中，與對(duì)照溫室相比，加裝石墨烯設(shè)備的溫室溫度變化最小，其次是加裝相變材料溫室。

由圖3 可知，加裝石墨烯電加熱設(shè)備需要消耗電能，2020 年12 月28 日～2021 年1 月8日，室外平均溫度由-4℃連續(xù)降低到-11.8℃時(shí)，每天消耗電能呈增加趨勢，平均每天消耗電能337.4 kW.h。2021 年1 月9～11 日，室外平均溫度由-7.9℃升至-3.8℃后，電能迅速由167 kW.h降低到94 kW.h。

圖3 新型日光溫室冬季增溫技術(shù)溫度測試

不同天氣狀況下日光溫室增溫技術(shù)試驗(yàn)比對(duì)

連續(xù)晴天時(shí)日光溫室增溫技術(shù)試驗(yàn)比對(duì)

圖4 為2021 年1 月29～31 日（晴 天）溫室內(nèi)氣溫變化規(guī)律，圖中可以看出，受室外溫度和太陽輻射強(qiáng)度影響，8:00 掀開保溫被后，試驗(yàn)溫室和對(duì)比溫室內(nèi)氣溫開始升高，14:00溫度達(dá)到一天內(nèi)的最高，之后開始溫度下降，到第二天7:00 溫度達(dá)到一天內(nèi)最低，試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室變化趨勢一致，且16:00 放下保溫被后，試驗(yàn)溫室與對(duì)比溫室相比，溫度下降速度略小，溫差變化不大。溫室內(nèi)日平均氣溫高低順序?yàn)槭╇娂訜嵩O(shè)備的溫室>相變材料溫室>對(duì)照溫室，其中溫室的平均溫度分別為12.4、11.2、10.1 ℃，石墨烯電加熱設(shè)備的溫室和相變材料溫室分別比對(duì)照溫室高2.3 ℃、1.1 ℃，說明在晴天時(shí)，溫室內(nèi)平均溫度可達(dá)12 ℃，石墨烯電加熱設(shè)備在溫室內(nèi)溫度較高時(shí)不進(jìn)行加熱，相變材料溫室的保溫性比對(duì)照溫室好。

圖4 晴天時(shí)溫室內(nèi)氣溫變化規(guī)律

連續(xù)極冷天時(shí)日光溫室增溫技術(shù)試驗(yàn)比對(duì)

由圖5 可知，在極端寒冷時(shí)（室外）溫室內(nèi)連續(xù)3 天溫度變化規(guī)律。溫室內(nèi)日平均氣溫高低順序?yàn)槭╇娂訜嵩O(shè)備溫室>相變材料溫室>對(duì)照溫室，其中溫室的平均溫度分別為9.9、6.0、5.0℃，分別比對(duì)照溫室高3.3、1.0℃，最低溫度分別為4.7、-2.2、-2.1 ℃。1 月6～8 日9:00～16:00 期間，相變材料溫室、石墨烯電加熱設(shè)備溫室、對(duì)照溫室3 天的平均氣溫分別為17.9、18.4、15.6 ℃，分別比對(duì)照溫室高2.3、2.8 ℃，特別是1 月8 日最高均比對(duì)照溫室高3.7℃。1 月6～7 日晚上（16:00～次日9:00）期間，相變材料溫室、石墨烯電加熱設(shè)備溫室、對(duì)照溫室2 天的平均氣溫分別為0.3、6.1、-0.1℃，分別比對(duì)照溫室高0.4℃和6.2℃。相較于連續(xù)晴天，雖然石墨烯電加熱設(shè)備、相變材料均能提高溫室溫度，但使用石墨烯電加熱設(shè)備比相變材料增溫效果明顯，尤其是夜間石墨烯電加熱設(shè)備可提高溫室溫度6.2℃，保證葉類蔬菜正常生長。

圖5 極端低溫條件下日光溫室內(nèi)氣溫變化規(guī)律

成本分析

試驗(yàn)時(shí)，相變材料的主要費(fèi)用為材料費(fèi)和安裝費(fèi)，材料費(fèi)為56000 元，安裝人工費(fèi)、輔助材料費(fèi)等為19000 元，按10 年折舊計(jì)算，每年費(fèi)用為7500 元。石墨烯電加熱設(shè)備費(fèi)和人工安裝費(fèi)用為40000 元，運(yùn)行一個(gè)作業(yè)季節(jié)，根據(jù)葉菜生長期內(nèi)需加熱的最大天數(shù)計(jì)算，加熱30天，約消耗5223 度電，低谷電約為0.35 元/ 度，電費(fèi)約為1828 元，按10 年折舊計(jì)算，每年費(fèi)用為5828 元。以種植生菜為例，石墨烯電加熱設(shè)備溫室與對(duì)照溫室相比實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)13%，相變材料溫室與對(duì)照溫室相比實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)5%，且石墨烯電加熱設(shè)備溫室內(nèi)葉菜可提前2 周上市，供應(yīng)時(shí)菜價(jià)較高，按照12 元/kg 計(jì)算，實(shí)現(xiàn)增收109 元/667 m2。加裝相變材料溫室可提前1 周上市，由于人工成本較高，增收不增利，但可保障葉菜春節(jié)前上市供應(yīng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)果分析

研究結(jié)果表明，加裝相變材料、石墨烯電加熱設(shè)備溫室的平均溫度分別比對(duì)照溫室高0.7 ℃、3.2 ℃。與對(duì)照溫室相比，隨著室外溫度的降低加裝石墨烯設(shè)備溫室一天內(nèi)溫度變化最小，其次是加裝相變材料溫室。同時(shí)，石墨烯設(shè)備在室外相對(duì)低溫時(shí)耗電量較大，相對(duì)高溫時(shí)耗電量較小，當(dāng)室外平均溫度由-4 ℃連續(xù)降低到-11.8 ℃時(shí)，平均每天消耗電能337.4 kW.h，室外溫度升高后，電能迅速降低到167 kW.h。

連續(xù)晴天時(shí)，石墨烯電加熱設(shè)備的溫室和相變材料溫室分別比對(duì)照溫室高2.3、1.1℃，說明在晴天時(shí)，溫室內(nèi)平均溫度可達(dá)12 ℃，石墨烯電加熱設(shè)備在溫室內(nèi)溫度較高時(shí)不進(jìn)行加熱，而相變材料溫室的保溫性較好。連續(xù)極端寒冷天氣時(shí)，石墨烯電加熱設(shè)備溫室、相變材料溫室平均溫度分別比對(duì)照溫室高3.3、1.0℃。雖然石墨烯電加熱設(shè)備、相變材料均能提高溫室溫度，但使用石墨烯電加熱設(shè)備比相變材料增溫效果明顯，尤其是夜間石墨烯電加熱設(shè)備可提高溫室溫度6.2℃，保證葉類蔬菜正常生長。

經(jīng)過對(duì)比，晴天時(shí)，試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室最低氣溫均在0℃以上。連續(xù)極冷天氣時(shí)，石墨烯電加熱設(shè)備溫室最低氣溫能保持在0℃以上，避免發(fā)生凍害，滿足葉菜生長需要，缺點(diǎn)是需要耗電；相變材料溫室夜間平均氣溫在0℃以上，可有效減少葉菜凍害的發(fā)生。