王深研，汪春，牛文祥

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所）

在我國(guó)北方寒地稻區(qū)，寒地氣候?qū)λ敬焊a(chǎn)極為不利，特別是對(duì)水稻育秧造成許多困難，可能導(dǎo)致水稻播種延遲。長(zhǎng)期以來(lái)，水稻種植多為人工催苗，出苗時(shí)間需要7～9 d，且出苗不整齊、易傷熱，這是長(zhǎng)期困擾寒地稻區(qū)水稻催苗的一個(gè)瓶頸。另一方面，我國(guó)農(nóng)業(yè)又面臨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，正從數(shù)量型向數(shù)量與質(zhì)量并重的現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要體現(xiàn)，是發(fā)展節(jié)能、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效農(nóng)業(yè)的必然要求，寒地稻區(qū)作為我國(guó)商品糧的重要基地，一直受到各級(jí)部門的關(guān)注[1]。

目前，寒地稻區(qū)都采用大棚提前育秧的方式，水稻種子發(fā)芽是有酶參與下的生物化學(xué)過(guò)程。酶的生物活性與溫度、濕度有十分密切的關(guān)系，而溫度條件是水稻種子出苗期的最基本的環(huán)境條件。所以在育秧過(guò)程中要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)適宜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的環(huán)境，以培育壯秧，增加產(chǎn)量。要保證大棚水稻種子從播種到出苗的最佳環(huán)境，就必須配置增溫系統(tǒng)[2]。蒸汽增溫傳熱功率高，傳熱穩(wěn)定性好，既能保證水稻出苗時(shí)需要的溫度條件，又能保證其需要的較高空氣濕度[3]。選擇蒸汽增溫在針對(duì)水稻催苗期有很大的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)蒸汽催苗的環(huán)節(jié)，出苗快，出苗齊，比不經(jīng)蒸汽出苗直接擺入育秧大棚育秧的早出苗5～7 d，從而達(dá)到了在相同的育秧時(shí)間內(nèi)增加秧齡，提高秧苗帶蘗的目的，有利于搶早插秧，對(duì)實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)具有重要意義。

因此，在結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段基本國(guó)情與國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種塑料大棚內(nèi)再搭建塑料小棚的水稻催苗蒸汽增溫系統(tǒng)，其成本低，出苗后無(wú)需移動(dòng)秧盤可完成后續(xù)育秧全程。詳細(xì)介紹了這種塑料大棚蒸汽增溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，旨在為今后的推廣提供科學(xué)依據(jù)。

1 蒸汽增溫系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，蒸汽增溫系統(tǒng)包括電蒸汽發(fā)生器、溫度控制器、壓力噴頭、三通、彎頭、不銹鋼無(wú)縫管，繼電器等[4]。以黑龍江省八一農(nóng)墾大學(xué)的普通保溫型透明塑料薄膜大棚為基礎(chǔ)，塑料大棚南北走向，長(zhǎng)50 m，跨距為8 m，頂高2 m，棚內(nèi)設(shè)有鍋爐增溫裝置。在大棚內(nèi)搭建長(zhǎng)5m，跨距為2m，頂高1m的塑料小棚。小棚的覆蓋材料采用單層0.08 mm厚的PVC長(zhǎng)壽無(wú)滴塑料薄膜。蒸汽發(fā)生器型號(hào)為L(zhǎng)DR0.004-07，管路為外徑31 mm，內(nèi)徑29 mm的不銹鋼無(wú)縫管，每節(jié)管兩頭加工30mm長(zhǎng)外螺紋，分別均布四個(gè)型號(hào)DN15全銅折射式可調(diào)銅微噴頭的壓力噴頭[5]。多點(diǎn)溫度控制儀型號(hào)為D80-01-01-sl，連接15個(gè)溫度傳感器。

圖1 蒸汽增溫系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of steam temperature system for plastic film greenhouse

1.2 工作原理

封閉小棚，蒸汽發(fā)生器通電后開(kāi)始工作，當(dāng)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)出的蒸汽壓力超過(guò)壓力噴頭額定壓力時(shí)由4個(gè)壓力噴頭開(kāi)始向小棚內(nèi)注入蒸汽，小棚內(nèi)分布的15個(gè)溫度傳感器將采集到的溫度反饋到溫度控制儀上，當(dāng)任意一點(diǎn)溫度傳感器反饋溫度超過(guò)溫度控制儀設(shè)定的上限（31℃）或低于下限（29℃）時(shí)，向繼電器發(fā)出繼電器信號(hào)，關(guān)閉或開(kāi)啟蒸汽發(fā)生器電源，以達(dá)到控制溫度的目的。

2 實(shí)驗(yàn)方案

利用一臺(tái)（額定功率3 kW，額定蒸發(fā)量4 kg·h-1）的蒸汽發(fā)生器加熱實(shí)驗(yàn)小棚內(nèi)的空氣。大棚內(nèi)搭建另一個(gè)外形尺寸相同，無(wú)增溫設(shè)備的小棚，進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。

采用T型熱電偶對(duì)增溫棚[6]及對(duì)照棚內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，距地2 cm，用多點(diǎn)測(cè)溫儀連接電腦自動(dòng)采集溫度數(shù)據(jù)，增溫棚內(nèi)多點(diǎn)溫度控制儀與多點(diǎn)溫度測(cè)試儀測(cè)點(diǎn)重合，溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，對(duì)照棚內(nèi)由于沒(méi)有增溫設(shè)備，溫度測(cè)點(diǎn)可相對(duì)減少，可使用6路溫度測(cè)試儀，溫度測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)間為2013年4月20日上午9：00～2013年4月23日上午8：00。主要采集空氣溫度，記錄時(shí)間間隔為1 h。

圖2 增溫棚傳感器布點(diǎn)位置圖Fig.2 Point locationmap of the warming shelf sensor

圖3 對(duì)照棚傳感器布點(diǎn)位置圖Fig.3 Point locationmap of shed sensor control

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)連續(xù)三天對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)由于是在完全動(dòng)態(tài)的條件下進(jìn)行的，在不同的環(huán)境溫度下，每天的結(jié)果不盡相同，但總體趨勢(shì)不變。以下針對(duì)測(cè)量出來(lái)的兩個(gè)小棚內(nèi)的平均氣溫和增溫棚內(nèi)的臨界點(diǎn)氣溫變化分別進(jìn)行討論。

3.1 兩個(gè)小棚內(nèi)的平均氣溫變化

由圖4可看出，增溫棚內(nèi)三天的平均氣溫變化趨勢(shì)基本相同。小棚3 d內(nèi)最高平均氣溫為31.3℃。最低平均氣溫為29.1℃。平均氣溫為29.8℃。整體溫度變化都在適宜水稻種子萌發(fā)的溫度區(qū)間內(nèi)變化，增溫效果良好。

圖4 增溫棚平均氣溫變化Fig.4 Average temperatures of thewarming shed

由圖5可以看出，對(duì)照棚內(nèi)三天的變化趨勢(shì)也基本相同。但受外界環(huán)境影響比較大，平均氣溫21.3℃，主要是由于早春晝夜溫度變化大，造成對(duì)照棚內(nèi)最大溫差達(dá)5.5℃，且在高溫區(qū)域內(nèi)時(shí)間較短，在此溫度下進(jìn)行催苗，生物酶的活性比較低，需要比較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行催苗工作。

圖5 對(duì)照棚平均氣溫變化Fig.5 Average temperatures change of control shed

3.2 增溫棚內(nèi)的臨界點(diǎn)氣溫變化

由于對(duì)照棚內(nèi)無(wú)增溫設(shè)備，所以只考慮增溫棚內(nèi)臨界點(diǎn)的溫度變化。圖6、7所示，增溫棚內(nèi)有個(gè)點(diǎn)溫度達(dá)到上限31℃和下限溫度29℃時(shí)其他各點(diǎn)的溫度。系統(tǒng)開(kāi)始工作，8號(hào)測(cè)點(diǎn)首先達(dá)到溫度控制儀上限31℃，蒸汽發(fā)生器停止工作，此時(shí)15號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度為最低點(diǎn)，為30.2℃。系統(tǒng)停止工作期間，15號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度首先達(dá)到下限29℃。蒸汽發(fā)生器開(kāi)始工作，8號(hào)測(cè)點(diǎn)為最高點(diǎn)，為29.6℃。

圖6 上限點(diǎn)溫度分布Fig.6 Temperature distribution of limit point

圖7 下限點(diǎn)溫度分布Fig.7 Temperature distribution of low point

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)增溫棚內(nèi)有任意測(cè)點(diǎn)達(dá)到溫度控制儀設(shè)定的上下限時(shí)，其余測(cè)點(diǎn)溫度都能保持在水稻種子出芽所需要的適宜溫度之內(nèi)，證明了蒸汽催苗方式的可行性。

3.3 蒸汽增溫系統(tǒng)的增溫性能

從蒸汽發(fā)生器出來(lái)的蒸汽經(jīng)過(guò)管道由4個(gè)壓力噴頭排入棚內(nèi)，空氣與蒸汽之間的換熱量取決于蒸汽的流量與蒸汽在進(jìn)入管道和壓力噴頭出口焓值的變化，蒸汽增溫系統(tǒng)的加熱量Q可由下式計(jì)算[7]。

式中：Q—增溫?zé)崃?，kJ；Vi—蒸汽總體積流量，m3·s-1；Dt—時(shí)間段，s；r—Dt時(shí)間內(nèi)干空氣密度，kg·m-3；h1— Dt時(shí)間內(nèi)蒸汽進(jìn)管道焓值，kJ·kg-1；h2—Dt時(shí)間內(nèi)蒸汽出口焓值，kJ·kg-1。濕空氣焓h的計(jì)算式為

式中：T—溫度，℃；d—濕空氣含濕量，kJ·kg-1。濕空氣含濕量計(jì)算公式為

式中：φ—相對(duì)濕度，%；db—飽和含濕量。塑料大棚蒸汽增溫系統(tǒng)平均加熱功率F（kW）為

平均加熱功率密度為

式中：A—棚內(nèi)土壤面積，m2。

對(duì)蒸汽發(fā)生器出口和壓力噴頭出口的水蒸汽溫度采取求平均值的方法[8-10]，空氣相對(duì)濕度為100%，查空氣焓濕表，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)帶入（1）～（5），可估算出測(cè)試期間蒸汽發(fā)生器運(yùn)行期間系統(tǒng)的加熱量、平均加熱功率和平均加熱功率密度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 蒸汽增溫系統(tǒng)的加熱性能計(jì)算結(jié)果Table 1 Heating performance calculations of steam warming system

由表1的數(shù)據(jù)，可知，在試驗(yàn)期間蒸汽增溫系統(tǒng)的加熱量為2 407.543MJ，可以使塑料大棚整個(gè)土壤層以上的空氣溫度升高7.8℃～10.5℃。由于熱量向空氣中傳遞的同時(shí)，還要向土壤層傳遞熱量，故在試驗(yàn)中所得出的平均溫度29.8℃是合理的。增溫系統(tǒng)增加的熱量與電蒸汽發(fā)生器消耗的電能比為100.4～134.1。增加的熱量大于消耗的電能，具有良好的節(jié)能效果[11]。

4 結(jié)論

（1）在晴天情況下，利用蒸汽加熱的塑料大棚增溫系統(tǒng)，可使塑料大棚內(nèi)日平均氣溫提高5.6℃，夜平均氣溫提高9.7℃，大棚內(nèi)平均氣溫29.8℃。表明利用這種蒸汽增溫系統(tǒng)對(duì)水稻種子出苗期進(jìn)行增溫是可行的，具有明顯的增溫效果。

（2）在晴天情況下，系統(tǒng)增溫時(shí)，日加熱量最高可達(dá)797 745.5 kJ，平均加熱密度[12]最高為738.8W·m-2，系統(tǒng)具有良好的增溫性能。

（3）蒸汽增溫系統(tǒng)存在著初期投資較大、凝結(jié)的水蒸氣不易處理等缺點(diǎn)，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。

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