王建軍 代 晉 沈維元 張瑞芳 付 玲 李成江 任懷富*

（1宿州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，安徽宿州 234000；2宿州市埇橋區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽宿州 234000；3宿州新研石墨烯工貿(mào)有限公司，安徽宿州 234000）

由于當(dāng)前嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和嚴(yán)厲的環(huán)保政策，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推廣清潔能源的生產(chǎn)和使用勢(shì)在必行，蔬菜集約化育苗增溫設(shè)施的改進(jìn)及推廣迫在眉睫。石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加溫作為綠色環(huán)保的新能源，在蔬菜集約化育苗上應(yīng)用既解決了育苗設(shè)施大量燃煤供暖對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的污染問(wèn)題，又解決了苗床溫度穩(wěn)定性問(wèn)題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

安徽省宿州市埇橋區(qū)是我國(guó)重要的瓜菜集約化嫁接育苗基地之一，年育苗量逾5億株，可以提供早春、露地、秋延后等嫁接苗4～5批次，種苗遠(yuǎn)銷(xiāo)全國(guó)20多個(gè)省、市、自治區(qū)。埇橋地區(qū)的育苗設(shè)施主要是節(jié)能日光溫室、多層覆蓋塑料大棚和少量現(xiàn)代化PC板連棟溫室，年生產(chǎn)嫁接苗300萬(wàn)株以上的育苗單位和育苗大戶有56家，育苗時(shí)間主要集中在12月底至翌年5月初，期間正遭遇淮北地區(qū)一年中最冷的12月至翌年1月，隨后低溫、陰雨、寡照天氣也較多。因此，在做好育苗保溫的同時(shí)，必須輔助人工增溫。傳統(tǒng)增溫方式有燃煤水熱、燃油風(fēng)熱和電熱線（毯）、電熱風(fēng)等，由于高能耗、低安全、不環(huán)保、安裝復(fù)雜、專(zhuān)業(yè)操作技術(shù)性強(qiáng)等問(wèn)題，致使種苗成本較高，不利于規(guī)模化生產(chǎn)，也不符合我國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)政策要求。因此，在充分利用太陽(yáng)能等自然資源和合理加熱方式的前提下，必須對(duì)苗床加溫設(shè)備進(jìn)行優(yōu)選淘汰，盡可能降低設(shè)施、設(shè)備的一次性投入，降低運(yùn)營(yíng)成本，才能提高生產(chǎn)效益，提高種苗市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

為徹底解決集約化育苗加溫設(shè)備難題，尋找替代傳統(tǒng)鍋爐水暖、熱風(fēng)爐、電熱線、燃?xì)鉅t、燃油爐等加熱設(shè)備，受石墨烯家庭電暖應(yīng)用的啟發(fā)，筆者選用石墨烯電暖新能源設(shè)備作為集約化育苗的加熱設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。

1 石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖工作原理

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出來(lái)的單層碳原子材料，是由碳原子以sp2雜化方式緊密結(jié)合構(gòu)成的二維六方單層結(jié)構(gòu)（何新民 等，2018），石墨烯及其復(fù)合物廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器、晶體管、電磁屏蔽等領(lǐng)域（龐思遠(yuǎn)和劉希喆，2018）。石墨烯有著超強(qiáng)的導(dǎo)熱性和優(yōu)異的電學(xué)性能，作為熱電材料目前主要應(yīng)用于地暖、暖畫(huà)、理療暖貼和發(fā)熱服裝等。石墨烯電熱加溫板使用的是一種通電后即能發(fā)熱的石墨烯水性碳納米材料，在電場(chǎng)作用下電熱膜中的碳分子在電阻中產(chǎn)生聲子、離子和電子，由碳分子團(tuán)及導(dǎo)電金屬之間的相互摩擦而產(chǎn)生熱能，會(huì)輻射大量波長(zhǎng)為8～14 μm的遠(yuǎn)紅外線，能被生物體有效吸收（植物最適宜的遠(yuǎn)紅外生命光線為6～14 μm）。石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖工程是一種基于石墨烯技術(shù)電發(fā)熱板的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，包括石墨烯電熱加溫板、溫控裝置、電路、電源等的集成安裝，有效電熱能總轉(zhuǎn)換率達(dá)99%以上，發(fā)熱性能穩(wěn)定長(zhǎng)久，與傳統(tǒng)鍋爐相比可節(jié)省30%～50%的能耗。

2 石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖應(yīng)用于集約化育苗的效果

2.1 具體應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證和評(píng)價(jià)石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖在集約化育苗中的實(shí)際應(yīng)用效果，為進(jìn)一步推廣提供科學(xué)依據(jù)，2017年12月筆者在宿州市蔬樂(lè)園農(nóng)業(yè)科技有限公司育苗基地進(jìn)行安裝試驗(yàn)示范（圖1）。試驗(yàn)地位于安徽省宿州市埇橋區(qū)灰古鎮(zhèn)，試驗(yàn)溫室為PC板連棟溫室，面積3 168 m2，內(nèi)部四周用絲綿被保溫。溫室內(nèi)有移動(dòng)苗床59個(gè)，總面積2 171.7 m2，苗床上搭建小拱棚，4絲農(nóng)膜覆蓋，夜間加蓋保溫被。

圖1 石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖安裝和使用效果

試驗(yàn)采用地面式石墨烯電熱板（宿州新研石墨烯工貿(mào)有限公司提供），產(chǎn)品額定功率330 W，規(guī)格（長(zhǎng)×寬×厚）為300 cm×50 cm×6 cm，按苗床方向安裝在苗床下面的橫支撐上，電熱板面積∶苗床面積為1∶4，電熱板距離苗床底部約40 cm。配套安裝石墨烯遠(yuǎn)紅外電熱板自動(dòng)控制系統(tǒng)，每個(gè)移動(dòng)苗床安裝1個(gè)自動(dòng)控溫儀和控制開(kāi)關(guān)，設(shè)定分時(shí)分區(qū)控制，溫度區(qū)間可自動(dòng)設(shè)置調(diào)控，溫度經(jīng)設(shè)定后可自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，達(dá)到恒溫效果。

設(shè)定石墨烯電熱板表面溫度恒溫45 ℃，預(yù)計(jì)在室外低溫-2 ℃以下時(shí)室內(nèi)溫度可以達(dá)到10～35℃，苗床棚內(nèi)溫度控制在夜間15～25 ℃、白天25～35 ℃。以西瓜嫁接育苗為試材，對(duì)石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖在西瓜集約化育苗中的應(yīng)用效果進(jìn)行觀測(cè)記錄，包括溫濕度、種苗生長(zhǎng)狀況等。

2.2 應(yīng)用效果分析

2.2.1 增溫效果 2017年12月26日13：00浸泡西瓜種子，15：00開(kāi)啟石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖系統(tǒng)對(duì)苗床提溫；18：00苗床播種催芽，此時(shí)室外溫度1 ℃，棚內(nèi)苗床溫度35 ℃，濕度80%；21：00～24：00，室外-1 ℃，苗床恒溫25 ℃，濕度95%。隨后的育苗階段，宿州市連續(xù)遭遇寒冬低溫、雨雪、寡照天氣7天、大霧10天，溫室外晝夜溫度-10.6～9.1 ℃，歷時(shí)28天。從記錄結(jié)果看，在夜間室外溫度-15～-2 ℃的情況下，室內(nèi)溫度整體可達(dá)到2～15 ℃，育苗床上小拱棚內(nèi)溫度可達(dá)16～26℃，正常維持在21 ℃，增溫效果穩(wěn)定。按需求預(yù)置恒溫?cái)?shù)據(jù)，以保證西瓜嫁接苗順利越冬生長(zhǎng)。

2.2.2 育苗效果 2017年12月26日接穗播種、12月31日砧木播種，2018年1月6日開(kāi)始嫁接，至2月3日西瓜嫁接苗達(dá)到三葉一心的壯苗標(biāo)準(zhǔn)，歷時(shí)38天。整個(gè)管理過(guò)程為苗床每隔1天補(bǔ)水1次，不施肥，沒(méi)有病菌感染，苗壯葉旺，長(zhǎng)勢(shì)良好。通過(guò)石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加溫后，種子出苗率達(dá)到98%左右，嫁接苗成活率達(dá)到98%以上，與普通加熱方法種苗80%左右的出苗率相比較提高10個(gè)百分點(diǎn)。應(yīng)用石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加熱過(guò)程中，沒(méi)有進(jìn)行消毒、噴灑農(nóng)藥、施肥等工序，根壯苗旺，大大減少人工作業(yè)，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)也縮短了種苗培育時(shí)間，石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加溫與其他加溫方式相比，西瓜嫁接苗提前10～15天出圃，且長(zhǎng)勢(shì)良好。

2.3 成本分析

2.3.1 安裝成本 2017年12月20日石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢，成本包括電熱板、智能溫控儀及安裝、調(diào)試費(fèi)等，折計(jì)成電熱板價(jià)格約合每片560.00元，共安裝使用365片，投入20.44萬(wàn)元，折合單位造價(jià)為64.52元·m-2。該試驗(yàn)溫室原安裝燃煤鍋爐供暖系統(tǒng)，包括2.5 t鍋爐和配套的鍋爐房、熱水管道、管道熱水泵、散熱器（鍍鋅翹片管）、高溫水閥等，投入24.12萬(wàn)元，折合單位造價(jià)為76.14元·m-2。石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖與燃煤鍋爐水暖安裝成本相當(dāng)，沒(méi)有進(jìn)行變壓器增容。

2.3.2 應(yīng)用成本 石墨烯電熱板單片額定功率330 W，實(shí)際工作功率270 W，本試驗(yàn)溫室共安裝365片，總功率約100 kW（365片×270 W），即每小時(shí)約耗電100 kW，按本次育苗經(jīng)歷的極端低溫天氣核算，整個(gè)苗期平均每天用電1 200 kW·h，若電價(jià)按0.56元·kW-1·h-1計(jì)算，日加溫費(fèi)用為672元。該試驗(yàn)溫室原來(lái)燃煤鍋爐日使用塊狀煤1 t，單價(jià)860元·t-1，鍋爐工作人員每天工資120元，而且在夜間加溫過(guò)程中，鍋爐房、育苗溫室需2人值班，監(jiān)控鍋爐安全及苗床溫度變化，每天綜合費(fèi)用超過(guò)1 000元，費(fèi)工費(fèi)力不安全。

同步進(jìn)行與電熱線加溫的比較試驗(yàn)，取相鄰2個(gè)相同規(guī)格的苗床（1.8 m×17.5 m）分別安裝4盤(pán)電熱線（1 000 W）和4片石墨烯電熱板（330 W，300 cm×50 cm×6 cm）。電熱線預(yù)熱時(shí)間為2 h，每小時(shí)耗電3.7 kW；石墨烯電熱板升溫迅速且均勻，每小時(shí)耗電1.3 kW。采用石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖，可節(jié)省能耗30%～50%。目前，試驗(yàn)基地以前采用的傳統(tǒng)鍋爐水暖、地?zé)峋€等加溫采暖方式，因效果不佳、能耗過(guò)高，已停用。

3 存在問(wèn)題及應(yīng)用前景分析

3.1 存在問(wèn)題

石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖前期一次性投入相對(duì)較高，但是使用成本低、應(yīng)用效果好、使用壽命長(zhǎng)（電熱板壽命50年，溫控器壽命3～8年）。石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖在集約化育苗中初次應(yīng)用，具體數(shù)據(jù)、參數(shù)還需要進(jìn)一步試驗(yàn)總結(jié)，進(jìn)而形成產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和安裝、操作技術(shù)規(guī)程。

3.2 技術(shù)改進(jìn)

在今后的應(yīng)用中，石墨烯電熱板使用面積與苗床面積比率可為1∶5～1∶4，并進(jìn)一步運(yùn)用智能化，采用可全觸摸操控集成控制系統(tǒng)，通過(guò)恒溫分時(shí)分區(qū)控制，如升級(jí)基于GPRS的遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，利用互聯(lián)網(wǎng)對(duì)溫控器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和管理，支持長(zhǎng)達(dá)180天的歷史記錄存儲(chǔ)，可查詢(xún)歷史溫度曲線和加熱狀態(tài)，分多區(qū)域控制在網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集約化育苗產(chǎn)業(yè)化精準(zhǔn)作業(yè)。

3.3 應(yīng)用前景

石墨烯電加熱產(chǎn)品經(jīng)3 750 V耐壓測(cè)試，不存在漏電、觸電的危險(xiǎn)，防水等級(jí)高達(dá)IPX7標(biāo)準(zhǔn)，是通電后即能快速發(fā)熱，達(dá)到設(shè)定溫度的高科技綠色環(huán)保新能源材料；優(yōu)點(diǎn)是能耗低，使用壽命長(zhǎng)，安全性高，防水、防漏電，能夠解決冬季燃煤、燃油、燃甲、乙醇、燃?xì)獾裙┡廴镜碾y題，且有凈化空氣的功能。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、熱效率高，大大縮短了安裝工期，電熱轉(zhuǎn)換率高達(dá)99.15%，熱能利用率高，節(jié)能效果顯著。石墨烯電熱板通電后產(chǎn)生的8～14 μm遠(yuǎn)紅外“生命光波”，容易被植物吸收并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，種苗無(wú)需進(jìn)行定期消毒、噴灑農(nóng)藥和施肥等工序，大大減少病蟲(chóng)害防治次數(shù)，降低了生產(chǎn)成本，培育的種苗綠色環(huán)保。

綜上，石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖加溫系統(tǒng)一次性投入較高，但綜合成本低，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益及環(huán)境效益突出，可以在瓜菜類(lèi)集約化育苗中推廣應(yīng)用。