劉 旺

（北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站，北京 100079）

空氣能熱泵系統(tǒng)是利用空氣中的能量產(chǎn)生熱能，通過(guò)熱交換可以全天24 h 大水量、高壓、恒溫供應(yīng)熱水，其耗電量?jī)H為普通電熱水器的1/4、燃?xì)鉄崴鞯?/3、太陽(yáng)能熱水器的1/2，熱效率高達(dá)300%～500%（錢華梅，2017），節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行成本低，深受廣大用戶歡迎。在設(shè)施農(nóng)業(yè)中，由于常規(guī)能源加熱溫室，不僅耗能、成本較高，并且容易出現(xiàn)溫室氣溫過(guò)高而地溫偏低的加熱不均衡現(xiàn)象，滿足不了喜溫作物對(duì)地溫的要求（馬承偉 等，1999；王永維 等，2003）。因此，尋找新型節(jié)能增溫技術(shù)一直是人們研究的熱點(diǎn)。

日光溫室生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生根結(jié)線蟲為害，根結(jié)線蟲除了直接危害日光溫室中的蔬菜作物以外，還會(huì)造成作物根系組織腐爛，腐爛部位更易被其他真菌、細(xì)菌等侵染，導(dǎo)致土傳病害發(fā)生嚴(yán)重，造成作物減產(chǎn)或絕產(chǎn)。夏季高溫悶棚是滅殺土壤中根結(jié)線蟲最直接、有效、安全的方法（郭江山 等，2006）。本試驗(yàn)擬通過(guò)對(duì)北京地區(qū)使用的傳統(tǒng)空氣能熱泵熱水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，充分發(fā)揮空氣能熱泵系統(tǒng)的加熱優(yōu)勢(shì)，即在冬季對(duì)溫室進(jìn)行補(bǔ)溫，提高溫室地溫和室內(nèi)氣溫，減少凍害發(fā)生；夏季配合高溫悶棚，進(jìn)行溫室加熱提高地溫防治土壤中的根結(jié)線蟲，以減少病蟲害發(fā)生，提高溫室耕作頻次，保障溫室綜合生產(chǎn)效益，促進(jìn)農(nóng)民增收。

1 材料與方法

1.1 供試溫室及作物

試驗(yàn)地點(diǎn)位于北京市平谷區(qū)東高村鎮(zhèn)趙家務(wù)村北京華雨博森農(nóng)業(yè)種植中心。溫室為普通型磚混結(jié)構(gòu)日光溫室，東西長(zhǎng)48 m，南北跨度8 m，脊高3.6 m，骨架間距1 m。種植作物為草莓，南北向單壟雙行種植，行距30 cm，株距25 cm，2019 年8 月底定植。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照溫室和處理溫室，對(duì)照溫室與處理溫室所有材料和管理方法基本一致。

1.2 供試設(shè)備及安裝

空氣能熱泵系統(tǒng)主要由空氣能熱泵、熱水箱、循環(huán)泵、熱水管及管道閥門組成。其中空氣能熱泵是按照“逆卡諾”循環(huán)原理，空氣能熱泵機(jī)組輸入少量的電能為驅(qū)動(dòng)力，以制冷劑為工作介質(zhì)，通過(guò)室外側(cè)換熱器（蒸發(fā)器）不斷吸收外部空氣中低品位熱能，將其轉(zhuǎn)化為高品位熱能，最終實(shí)現(xiàn)低溫?zé)崮芟蚋邷責(zé)崮艿霓D(zhuǎn)變和熱量轉(zhuǎn)移；再將高品位熱能從水側(cè)換熱器（冷凝器）釋放給進(jìn)入換熱器中的冷水，冷水被加熱到60 ℃以上直接進(jìn)入保溫水箱儲(chǔ)存，通過(guò)熱水供應(yīng)管路輸送到溫室，滿足供暖加熱需求。JM-30CDGR/B Ⅱ型超低溫空氣能熱泵（廣東九沐新能源設(shè)備有限公司）高溫冷暖機(jī)組安裝在溫室操作間外側(cè)（圖1）。溫室種植區(qū)域使用大理石板砌成的土壤栽培槽，栽培槽間距85 cm，寬度35 cm，高度40～50 cm。在栽培槽中鋪設(shè)2 根間距20 cm、直徑15 mm、長(zhǎng)度6 m 的熱鍍鋅鐵水管，北側(cè)相互連接形成管路，南側(cè)分別連接進(jìn)水管和回水管，鍍鋅管距離栽培槽上表面的距離為25 cm（圖2）。

圖1 空氣能熱泵

圖2 溫室栽培槽地加熱布置示意圖

1.3 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用2 套WDT-64 型多點(diǎn)溫濕度巡檢儀進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。儀器設(shè)備準(zhǔn)確度0.2 ℃，可以根據(jù)測(cè)試要求設(shè)定溫度數(shù)據(jù)采集間隔，一次完成所有測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，試驗(yàn)完成后，數(shù)據(jù)用Excel 進(jìn)行分析。試驗(yàn)儀器經(jīng)無(wú)錫市計(jì)量檢定所（法定計(jì)量部門）檢定合格。

1.4 冬季日光溫室加熱試驗(yàn)

依據(jù)JB/T 10594—2006《日光溫室和塑料大棚結(jié)構(gòu)與性能要求》的方法，分別對(duì)22 號(hào)溫室（處理溫室）和20 號(hào)溫室（對(duì)照溫室）進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，測(cè)點(diǎn)均布置在栽培槽內(nèi)中心位置。其中1、2、3 和7、8、9 兩組測(cè)點(diǎn)與兩側(cè)山墻的距離均為9.5 m，4、5、6 測(cè)點(diǎn)的位置在溫室長(zhǎng)度的中間部位，測(cè)點(diǎn)1、4、7 和3、6、9 分別距離后墻和前沿1 m，南北向行內(nèi)各測(cè)點(diǎn)間距相等（圖3）。

圖3 溫室水平測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

溫室氣溫測(cè)試在各測(cè)點(diǎn)位置垂直向上設(shè)3 個(gè)點(diǎn)，分別位于栽培槽地表上方0.2、0.5 m和1.5 m處，共布置27 個(gè)測(cè)點(diǎn)。由于受溫室前屋面的限制，3、6、9 對(duì)應(yīng)的1.5 m 測(cè)點(diǎn)高度調(diào)整為1.2 m。溫室地溫測(cè)點(diǎn)垂直向下，分別位于栽培槽地表以下10、20 cm和40 cm 處，共布置27 個(gè)測(cè)點(diǎn)。設(shè)置儀器采集數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為20 min，取平均值。

冬季加熱試驗(yàn)于2019 年12 月至2020 年3 月進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，選擇2019 年12 月25—29 日（冬至后較為寒冷的連續(xù)4 d）的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)期間根據(jù)溫室草莓種植要求，設(shè)定系統(tǒng)加熱溫度保持在30 ℃左右，處理溫室每天在0：00—6：00 用低谷期電加熱6 h，其他時(shí)間不加熱；對(duì)照溫室不進(jìn)行任何輔助加熱。

1.5 夏季日光溫室地溫加熱防治根結(jié)線蟲試驗(yàn)

空氣能熱泵系統(tǒng)的加熱管為6 組并聯(lián)，每組加熱9 個(gè)栽培槽，共加熱54 個(gè)栽培槽，采用簡(jiǎn)要測(cè)量方法，對(duì)栽培槽進(jìn)行編號(hào)，選3 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位于栽培槽縱橫向中心。其中第1 點(diǎn)選擇在第1組后端的9 號(hào)栽培槽的南側(cè)，第2 點(diǎn)選擇在第2 組的中部17 號(hào)栽培槽的北側(cè)，第3 點(diǎn)選擇在第4 組的34 號(hào)栽培槽的中間位置。測(cè)點(diǎn)深度分別位于地表以下15、30 cm 和45 cm 位置，共布置9 個(gè)地溫測(cè)點(diǎn)；34 號(hào)栽培槽中間位置室內(nèi)1.5 m 高度設(shè)置1點(diǎn)，測(cè)量溫室內(nèi)氣溫。

于2020 年8 月4—6 日進(jìn)行高溫悶棚。開啟設(shè)備前，在溫室內(nèi)按5 點(diǎn)法取樣，取土深度為0～30 cm，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)室采用貝爾曼漏斗法（毛小芳 等，2004）檢測(cè)高溫悶棚后土壤樣品中線蟲和根結(jié)線蟲總數(shù)。8 月7 日8：00 開始啟動(dòng)空氣能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行加熱，連續(xù)加熱8 h 后，在先前取樣的5 個(gè)測(cè)點(diǎn)附近按相同方法取土樣，再次檢測(cè)空氣能熱泵系統(tǒng)加熱后線蟲和根結(jié)線蟲總數(shù)，計(jì)算滅蟲率和滅蟲均勻性。

滅蟲率（a）=〔（試驗(yàn)前蟲體數(shù)量-試驗(yàn)后蟲體數(shù)量）/試驗(yàn)前蟲體數(shù)量〕× 100%

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季空氣能熱泵系統(tǒng)加熱處理對(duì)日光溫室氣溫的影響

由圖4 可以看出，處理和對(duì)照溫室內(nèi)的氣溫均遠(yuǎn)高于室外氣溫，且變化趨勢(shì)基本一致。由于有溫室積溫的存在，處理溫室的氣溫高于對(duì)照溫室。在冬季溫度較低的12 月25—29 日，處理溫室最高氣溫31.06 ℃，最低氣溫5.92 ℃，均高于對(duì)照溫室，日平均氣溫比對(duì)照溫室提高2.86 ℃（表1）。

表1 冬季日光溫室增溫后氣溫變化 ℃

圖4 冬季日光溫室增溫后氣溫變化趨勢(shì)

2.2 冬季空氣能熱泵系統(tǒng)加熱處理對(duì)日光溫室地溫的影響

從圖5 可以看出，處理溫室比對(duì)照溫室的地溫略高，兩溫室地溫變化趨勢(shì)一致，10 cm 處的地溫日變化值較大，在8：00 左右最低，15：00 左右達(dá)到最高值，且白天高于20 cm 和40 cm 處地溫，夜間則低于二者；20 cm 處的地溫日變化較平緩，在9：00 左右最低，17：00 左右達(dá)到最高值，夜間則高于10 cm 和40 cm 處地溫；40 cm 處的地溫變化趨勢(shì)與20 cm 處相近。處理溫室地表下10、20、40 cm 處日平均地溫分別比對(duì)照溫室高1.77、1.97、2.09 ℃。在12 月25—29 日期間，處理溫室最高地溫14.75 ℃，最低12.37 ℃，均高于對(duì)照溫室；日平均地溫比對(duì)照溫室提高1.94 ℃（表2）。

表2 冬季日光溫室增溫后地溫變化 ℃

圖5 冬季日光溫室增溫后各層地溫變化趨勢(shì)

2.3 夏季空氣能熱泵系統(tǒng)加熱處理對(duì)日光溫室根結(jié)線蟲防治效果的影響

2.3.1 夏季日光溫室增溫后地溫變化 從圖6 可以看出，在開啟加熱循環(huán)泵2 h 后，溫室內(nèi)氣溫、地溫逐漸上升，至14：00 各層地溫先后達(dá)到50 ℃左右，此時(shí)溫室內(nèi)氣溫也接近50 ℃，氣溫上升速率略微低于地溫上升速率，45 cm 處地溫上升最明顯，30 cm 和15 cm 處地溫上升速率基本一致。14：00—16：00 連續(xù)2 h 內(nèi)各層地溫始終保持在50 ℃左右，其中45、30、15 cm 處平均地溫分別為50.96、50.19、51.38 ℃。16：01 停止加熱，但系統(tǒng)仍保持循環(huán)狀態(tài)，使土壤自然降溫。

圖6 夏季日光溫室增溫后各層地溫及氣溫變化趨勢(shì)

2.3.2 夏季日光溫室增溫對(duì)根結(jié)線蟲的防治效果 悶棚3 d 后，利用空氣能熱泵系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)土壤進(jìn)行高溫加熱，土壤中線蟲和根結(jié)線蟲的數(shù)量明顯減少，線蟲總滅蟲率為88.7%，滅蟲均勻性為95.6%；根結(jié)線蟲滅蟲率為92.3%，滅蟲均勻性為98.9%（表3）。

表3 夏季日光溫室增溫對(duì)根結(jié)線蟲的防治效果

3 討論與結(jié)論

空氣能熱泵系統(tǒng)在日光溫室中的應(yīng)用符合國(guó)家節(jié)能減排政策，在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?yàn)槭状螒?yīng)用，相關(guān)技術(shù)及運(yùn)營(yíng)管理需要進(jìn)一步完善。該系統(tǒng)主機(jī)及附屬設(shè)備一次性投入約20 萬(wàn)元，日常運(yùn)行每小時(shí)耗電約27 kW·h，低谷期電價(jià)北京地區(qū)按0.35 元 ·（kW·h）-1計(jì)算，系統(tǒng)每天運(yùn)行6 h，運(yùn)行成本約56.7 元。如果在其他地區(qū)使用，由于電價(jià)的差異，生產(chǎn)運(yùn)行成本或許會(huì)增加。因此，在安裝使用該設(shè)備時(shí)，首先應(yīng)考慮使用地的用電情況，最好選擇在用電低谷期運(yùn)行，溫室宜種植高附加值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物；其次應(yīng)注意溫室的保溫性能，在遇到極端天氣及時(shí)啟動(dòng)設(shè)備，保障溫室作物正常生長(zhǎng)。

對(duì)冬季溫度較低的4 d 進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，處理溫室平均氣溫和地溫均高于對(duì)照溫室。其中，夜間平均氣溫、最低地溫比對(duì)照溫室分別提高3.71、2.34℃；日平均氣溫提高2.86 ℃，平均地溫提高1.94℃。表明空氣能熱泵系統(tǒng)在冬季對(duì)日光溫室增溫效果明顯，能同時(shí)提高地溫和氣溫，滿足農(nóng)作物在連續(xù)陰天時(shí)的溫度需要。建議在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)種植作物對(duì)環(huán)境的要求適當(dāng)調(diào)整加熱時(shí)間，來(lái)滿足作物生長(zhǎng)的需求。

在夏季日光溫室休閑期，結(jié)合高溫悶棚，啟動(dòng)空氣能熱泵系統(tǒng)對(duì)溫室栽培槽土壤進(jìn)行加熱，在土壤溫度達(dá)到50 ℃時(shí)保持2 h 后，土壤線蟲平均滅蟲率為88.7%，平均滅蟲均勻性95.6%；根結(jié)線蟲平均滅蟲率為92.3%，平均滅蟲均勻性98.9%。表明利用空氣能熱泵系統(tǒng)加熱可以有效殺死線蟲和根結(jié)線蟲，同時(shí)還可以消滅蟲卵、病菌等，起到防治土壤病蟲害的作用，有利于日光溫室連作、提高日光溫室生產(chǎn)綜合經(jīng)濟(jì)效益。