北方智能連棟玻璃溫室供暖節(jié)能研討
——以宏福烏蘭察布農(nóng)業(yè)園區(qū)為例

袁 偉

（北京宏福農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司，北京 102601）

近年來(lái)，智能連棟玻璃溫室發(fā)展迅速。與傳統(tǒng)日光溫室相比，其受外界環(huán)境條件限制更小，可以為作物提供更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，產(chǎn)品品質(zhì)更加可控，產(chǎn)量更高，成為越來(lái)越多現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)進(jìn)行工廠化蔬菜生產(chǎn)的選擇。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，智能連棟溫室的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本一直居高不下。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有大型智能連棟玻璃溫室除極少數(shù)能實(shí)現(xiàn)收支平衡或略有盈利外，其余大部分都由于成本過(guò)高，處于入不敷出的經(jīng)營(yíng)狀態(tài)。而中國(guó)大部分北方地區(qū)，冬季氣溫普遍較低，溫室熱需求普遍很高，造成溫室加溫所消耗的燃料或其他能源較多。據(jù)宏福農(nóng)業(yè)北京園區(qū)往年數(shù)據(jù)，加溫能耗成本占智能連棟玻璃溫室生產(chǎn)總成本的40% 以上。減少溫室生產(chǎn)過(guò)程中的加溫能耗是溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。

宏福農(nóng)業(yè)烏蘭察布園區(qū)于2021 年10 月份建設(shè)完成，采用工業(yè)余熱、水源熱泵、燃?xì)忮仩t等多種能源結(jié)合的形式為溫室供暖，取得了很好的成效，使其在烏蘭察布冬季平均氣溫在-18℃～-4℃的情況下仍能實(shí)現(xiàn)供暖成本低于50 元/m2。本文將以該園區(qū)為例，闡述北方智能連棟玻璃溫室如何實(shí)現(xiàn)冬季供暖節(jié)能。

適宜溫室選址

大型智能連棟玻璃溫室建設(shè)成本高，在選址時(shí)不僅要綜合考慮當(dāng)?shù)氐墓庹铡囟?、濕度等自然條件以及政策條件，還要盡可能的選擇具有豐富熱源的地點(diǎn)。常見的有地?zé)豳Y源、電廠余熱、冶金余熱等，均能大幅度降低冬季加溫能耗。

合理保溫設(shè)計(jì)

近年來(lái)在政府的大力支持下，大型智能連棟玻璃溫室發(fā)展迅速，規(guī)模不斷增大，但在設(shè)計(jì)建造上普遍存在生搬硬套的現(xiàn)象，造成溫室內(nèi)部氣候調(diào)控困難，產(chǎn)生資源和能源上的浪費(fèi)。烏蘭察布溫室設(shè)計(jì)建造時(shí)，針對(duì)烏蘭察布當(dāng)?shù)囟緲O寒的自然條件采取了一系列的節(jié)能保溫手段。

三層幕布系統(tǒng)

現(xiàn)代溫室注重采光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和透光材料的研究開發(fā)，室內(nèi)平均透光率可達(dá)70%。但溫室白天由于強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，溫室內(nèi)溫度往往會(huì)超過(guò)作物生長(zhǎng)適宜的溫度，對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)吸收和果實(shí)品質(zhì)造成不利影響。而夜間又會(huì)因?yàn)闊崃可⑹?，室溫降于作物生育適溫以下，影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。幕布的合理使用可以協(xié)調(diào)溫室內(nèi)作物在不同時(shí)間對(duì)于光照和溫度的要求，更好地減少溫室夜間的熱量散失，是溫室節(jié)能的關(guān)鍵[1]。所以大型連棟玻璃溫室冬季生產(chǎn)對(duì)于保溫幕布的保溫性能有較高要求。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，正確使用設(shè)計(jì)合理的幕布系統(tǒng)（圖1）可以有效防止熱量散失[2]。

圖1 三層保溫幕布

該園區(qū)溫室內(nèi)部上層采用WAS30MILDFR型號(hào)內(nèi)遮陽(yáng)幕，結(jié)構(gòu)為全透明膜，幕布完全收攏時(shí)寬25 cm，保溫率為21%。中層遮陽(yáng)幕布采用AAS10FR 型號(hào)內(nèi)保溫幕，結(jié)構(gòu)為白膜與磨砂膜的組合，幕布完全收攏時(shí)寬25 cm，保溫率為22%；下層采用Z-WPE75MD 型號(hào)3D 氣候幕布，內(nèi)部填充物主要為納米纖維棉，幕布完全收攏時(shí)寬50 cm，保溫率可達(dá)72%。三層幕布（圖2）組合運(yùn)用總保溫率可達(dá)85%。

圖2 上中下三層幕布示意圖

溫室立面保溫

溫室四周立面覆蓋雙層中空鋼化玻璃覆蓋（5 mm+6A+5 mm，6A 表示空腔間隔寬度6 mm）。側(cè)墻采用R-WMD 型號(hào)三段式保溫幕布，內(nèi)部填充物主要為納米纖維棉，保溫率為66%。

防寒溝設(shè)置

在日光溫室中，防寒溝設(shè)計(jì)較為普遍。但在大型連棟玻璃溫室設(shè)計(jì)中鮮有使用。白義奎等[3]研究表明設(shè)置防寒溝在日光溫室中可以有效阻止熱量的橫向傳遞，起到保溫、隔熱的作用，改善了溫室的熱環(huán)境。由于烏蘭察布冬季嚴(yán)寒，項(xiàng)目在建設(shè)時(shí)，選擇75 mm 厚擠塑聚苯板作為防寒溝絕熱材料，沿圈梁埋深1.5 m。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，防寒溝的設(shè)置有效減少了溫室內(nèi)熱損失，有助于保持溫室內(nèi)溫度尤其是周墻溫度。需要注意的是，在設(shè)置防寒溝時(shí)，防寒溝埋深應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂颍瑴y(cè)試防寒溝的有效影響深度。

綜合使用以上手段，可以有效減少溫室各方向上的熱量散失。使溫室在供水溫度在不高于45℃的情況下，即可實(shí)現(xiàn)夜間溫度15～19℃的調(diào)控（圖3）。

圖3 軌道管溫度、外溫和溫室內(nèi)溫度對(duì)比圖

多種能源組合使用

在中國(guó)北方地區(qū)，冬季嚴(yán)寒，溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)及溫室內(nèi)作物的蓄熱能力低，溫室白天積蓄的熱量難以維持夜間作物生長(zhǎng)所需的溫度環(huán)境。因此，溫室必須配備與溫室熱負(fù)荷相匹配的供暖設(shè)備和散熱器。

供暖設(shè)備

溫室供暖系統(tǒng)能源中心采用4 臺(tái)14 MW 燃?xì)忮仩t（圖4），可以滿足極寒天氣的供暖需求。

圖4 燃?xì)忮仩t（14 MW）

余熱經(jīng)水源熱泵系統(tǒng)與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)相串聯(lián)，互為備用，不同工況時(shí)分別啟動(dòng)。水源熱泵系統(tǒng)由板式換熱器和水源熱泵機(jī)組系統(tǒng)組成（圖5）。當(dāng)過(guò)渡季節(jié)負(fù)荷需求較低時(shí)，可利用余熱水通過(guò)板式換熱器轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入采暖末端系統(tǒng)的分集水器。當(dāng)室外溫度低于一定溫度時(shí)，供熱負(fù)荷需求進(jìn)一步提高，則關(guān)閉板換直供系統(tǒng)，開啟水源熱泵系統(tǒng)。當(dāng)溫室需求供水溫度高于70℃時(shí)，水源熱泵系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置在鍋爐房的電動(dòng)閥切換，進(jìn)入燃?xì)忮仩t系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充加熱至80℃，再進(jìn)入分集水器。

圖5 水源熱泵機(jī)組運(yùn)行示意圖

通過(guò)余熱、水源熱泵和鍋爐串聯(lián)的形式可以有效降低燃?xì)獾氖褂昧?。?shí)際生產(chǎn)中試驗(yàn)表明，在外界氣溫相同的情況下，余熱溫度35℃配合良好的溫室保溫效果，可以有效延遲鍋爐的開啟時(shí)間，降低鍋爐運(yùn)行功率，從而達(dá)到燃?xì)馐褂昧抗?jié)能51%（圖6）。

圖6 余熱使用前后燃?xì)馐褂昧繉?duì)比圖

散熱器

溫室內(nèi)供熱系統(tǒng)主要有兩種形式，即熱風(fēng)供熱系統(tǒng)和熱水供熱系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)與熱風(fēng)系統(tǒng)相比，室內(nèi)溫度場(chǎng)更均勻，不容易造成植物葉面結(jié)露，所以熱水系統(tǒng)適用范圍更廣。宏福農(nóng)業(yè)烏蘭察布園區(qū)采用三維立體式熱水散熱系統(tǒng)[5]。溫室底部每8 m 跨度用10 個(gè)φ51×2.3 mm 加熱管來(lái)加熱，組成軌道加熱系統(tǒng)（圖7）。柱間采暖采用每8 m 跨度用10 個(gè)DN38 的株間散熱器加熱，組成植株間加熱系統(tǒng)（圖8）。所有天溝布置兩根融雪加溫管，兩側(cè)各一根φ51×2.3 mm加溫管道，組成頂部融雪加熱系統(tǒng)（圖9）。但是，熱水系統(tǒng)為保持系統(tǒng)中流動(dòng)的水不結(jié)冰，在極寒地區(qū)的冬季生產(chǎn)中即使不下雪也需要為天溝融雪段供給額外的熱量，產(chǎn)生能源的浪費(fèi)。

圖7 軌道加熱管

圖8 植株間生長(zhǎng)加熱管

圖9 天溝融雪管

儲(chǔ)熱罐

由于北方地區(qū)冬季氣溫較低，溫室大部分時(shí)間是密閉的，只有在晴朗的中午會(huì)少許開窗。在這樣密閉的條件下，溫室內(nèi)的CO2氣體如果得不到補(bǔ)充，作物的光合作用必然受到影響?？梢酝ㄟ^(guò)配備儲(chǔ)熱罐的形式，將白天燃燒燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量以熱水的形式儲(chǔ)存于儲(chǔ)熱罐中，同時(shí)將產(chǎn)生的CO2氣體排放入溫室中，作為溫室的氣肥補(bǔ)充，有效節(jié)省CO2成本（圖10）。

圖10 儲(chǔ)熱罐

溫室環(huán)境合理調(diào)控

中國(guó)北方地區(qū)的生產(chǎn)型大型連棟玻璃溫室一般都具備主動(dòng)加熱能力，因此可以采用三段式溫度管理策略（圖11）。第一階段為第一天日出后到日落前，第二階段為第一天日落后到第二天的凌晨，第三階段是第二天的凌晨到第二天日出前[6]。從第三階段到第一階段的升溫?zé)嵩粗饕翘?yáng)能輻射，第一階段由于白天光照充足，充分利用自然光即可維持溫室內(nèi)溫度。

圖11 溫室三段式溫度管理策略圖

Lacroix 與Korner 等[7-8]研究結(jié)果均表明，溫室內(nèi)環(huán)境調(diào)控采用積溫控制的思路可比傳統(tǒng)的溫度調(diào)控降低7%～9% 的能耗。因此若從節(jié)能的角度考慮，溫室升溫時(shí)優(yōu)先選擇提高第一階段的白天溫度，其次考慮使用幕布減緩日落后的溫度下降速率。

應(yīng)用效果分析

宏福烏蘭察布園區(qū)通過(guò)綜合運(yùn)用以上技術(shù)手段，有效減少了北方大型連棟玻璃溫室冬季加溫所產(chǎn)生的能源費(fèi)用。如圖12 所示，對(duì)比宏福農(nóng)業(yè)烏蘭察布園區(qū)與宏福農(nóng)業(yè)北京園區(qū)在2022年2 月份的能源使用情況，烏蘭察布園區(qū)燃?xì)庀牧繛?.03 m3/m2，與北京園區(qū)相比降低了37.11%；能源費(fèi)用為5.23 元/m2，與北京園區(qū)相比降低了43.52%，之所以能源費(fèi)用較燃?xì)庀牧拷档头雀?，是因?yàn)闉跆m察布的燃?xì)鈨r(jià)格和電價(jià)相對(duì)較低。

圖12 2022 年2 月兩地能源使用情況對(duì)比圖

總結(jié)

中國(guó)北方地區(qū)的大型連棟玻璃溫室受外界溫度影響，大部分生產(chǎn)能耗主要集中在冬季加溫。綜上所述，要讓中國(guó)北方地區(qū)建設(shè)的大型連棟玻璃溫室節(jié)省加溫能耗，有以下幾個(gè)要點(diǎn)：①項(xiàng)目選址盡可能有余熱、地?zé)岬葻嵩矗瑢で笕細(xì)庖酝獾牡统杀緹嵩?，替代或輔助鍋爐進(jìn)行溫室的供暖；②溫室本身要具有良好的保溫設(shè)計(jì)，盡可能減少溫室內(nèi)白天積蓄熱量和夜間供暖熱量的散失；③合理的溫室供暖設(shè)計(jì)，選擇合適的散熱器，建造儲(chǔ)熱罐；④合理的溫室溫度管理策略，盡量減少夜間的能源消耗。綜合運(yùn)用以上手段，可以有效降低中國(guó)北方地區(qū)的大型連棟玻璃溫室冬季供暖成本，為大型連棟玻璃溫室行業(yè)的良性發(fā)展提供參考。