周長吉，富建魯，張月紅（農業(yè)農村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125）

大規(guī)模連棟玻璃溫室周年生產，除了熱帶地區(qū)外，基本都離不開冬季的加溫系統(tǒng)。由于受國家環(huán)境保護政策的限制，傳統(tǒng)的燃煤供熱方式在工業(yè)與民用建筑供熱熱源中基本被淘汰，取而代之的主要是地源熱泵、電熱鍋爐和天然氣鍋爐等清潔能源。雖然這些替代能源都是清潔能源，但由于地源熱泵和電熱鍋爐都使用電力做能源，運行成本較高，所以，國內大規(guī)模連棟玻璃溫室生產基本都采用以天然氣為燃料的燃氣鍋爐供熱，而且采用天然氣做燃料向溫室供熱還可回收燃料燃燒后的煙氣進行溫室CO2施肥，一方面有效利用了燃氣的能量和物質，另一方面也減少了燃料燃燒后的尾氣排放量，減輕了環(huán)境污染，更是一種低碳的農業(yè)生產模式[1]。

一套完整的供熱系統(tǒng)一般由供熱熱源（鍋爐）、熱分配與控制設備、散熱器以及輸送管道、動力水泵和各類閥門等配套設備組成。本文將進入溫室散熱器之前的供熱設備統(tǒng)稱為供熱首部，這樣溫室的供熱系統(tǒng)將只有供熱首部和散熱器兩大部分組成。散熱器的用量及其在溫室中的布置，筆者已經做過論述[2]，為此，本文將圍繞以天然氣為燃料的燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)，就供熱首部的設備組成及配套要求進行分析和討論，可供同類溫室工程的供熱系統(tǒng)設計參考。

供熱首部組成

從參與供熱系統(tǒng)的流體種類來講，有氣體和液體，其中氣體包括鍋爐燃燒之前的天然氣、與燃料混合進行燃燒的空氣（為提高燃料的燃燒效率，有的設備還可能配套氧氣）以及燃燒之后的煙氣（主要是CO2和水汽，燃燒不完全時可能有CO 或NOx等）；液體部分包括向鍋爐補水的軟化冷水以及經過鍋爐加溫后的循環(huán)熱水。輸送和控制這些流體并使之發(fā)生物理和化學變化的設備即組成溫室的供熱系統(tǒng)，其中天然氣在鍋爐中與空氣（氧氣）混合燃燒是整個系統(tǒng)的核心，是熱能的產源，也是全系統(tǒng)唯一的化學反應過程。

圍繞熱源鍋爐，按照氣、液兩種流體的相對獨立輸送與控制設備，可將溫室供熱首部分為氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)，以下將按照這兩個不同相態(tài)的設備及其管路分別進行論述。

氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)是從天然氣氣源開始，經過調壓后輸送到鍋爐點火器點燃，再與空氣混合在鍋爐爐膛內燃燒，將天然氣轉化為CO2和水等組分的混合煙氣（簡稱煙氣）。傳統(tǒng)的供熱鍋爐燃燒后的煙氣是直接排入大氣，但溫室供熱系統(tǒng)的煙氣則主要用于白天向溫室內補充CO2，所以，經過檢驗有害氣體濃度不超標時，鍋爐燃燒后的煙氣將直接送入溫室（在送入溫室之前應進行降溫和脫水并與空氣混合成適當濃度），但如果檢測發(fā)現(xiàn)煙氣中有害氣體濃度超標，應切斷煙氣向溫室內供應的管路，將煙氣排入大氣，并自動控制將部分煙氣分流到鍋爐燃燒室的進氣端，與空氣混合再燃燒，實現(xiàn)煙氣的回燃，以提高天然氣的燃燒效率、降低排放煙氣中有害氣體濃度。經過一段時間的煙氣回燃，當排放煙氣中有害氣體濃度符合要求后再重新打開通向溫室的管路通道，同時關閉排入大氣的煙氣通道，將煙氣導入溫室進行CO2施肥。當溫室中不需要進行CO2施肥期間，從鍋爐排出的煙氣可直接排入大氣。一個完整的氣路流程與系統(tǒng)設備組成如圖1 所示。

圖1 供熱首部氣路系統(tǒng)

天然氣供氣系統(tǒng)及設備組成

氣源及其調壓設備

向鍋爐供氣的天然氣來源一般有兩種方式，一種是用液態(tài)天然氣罐供氣；另一種是采用管道天然氣供氣。從經濟性和方便管理的角度考慮，有條件的地區(qū)應優(yōu)先選用管道天然氣供氣，一是價格相對便宜，二是不需要經常性地組織運氣、換氣等作業(yè)，三是節(jié)省建設用地空間。但在沒有天然氣管道接口，或天然氣管道遠離溫室建設地點而從天然氣主管輸送天然氣到溫室所在地的外線管路過長投資較大，或地方政策不允許將天然氣管道接入溫室建設地點時，溫室天然氣供熱就只能采用液態(tài)天然氣罐供氣。

采用液態(tài)天然氣罐供氣時，液態(tài)天然氣首先必須經過汽化器將其從液態(tài)汽化為氣態(tài)，再經過調壓才能輸送到供熱鍋爐（圖2a），而管道天然氣由于管中天然氣本身就是氣態(tài)，因此可省去汽化器直接通過調壓箱調壓后輸送到溫室供熱鍋爐（圖2b）。液態(tài)天然氣汽化設備配置與液態(tài)CO2汽化設備配置的方法[3]基本相同，不同的只是兩種物質的物理性質（包括在液態(tài)罐內的溫度和壓力、汽化潛熱、比熱容等）在數(shù)據(jù)上的差異，國家標準《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》（GB 50028-2006）[4]也有詳細的設計要求，這里不多贅述。

從液態(tài)罐經汽化器汽化或從管道天然氣管接入的氣態(tài)天然氣，首先要進入調壓設備調壓，之后才能進入鍋爐房設備。調壓設備主要由管路總閥、壓力表、溫度計、過濾器、調壓器以及安全放散閥等組成。為保證安全供氣，主供氣管路應并聯(lián)設置一套相同的管路，同時還應附加一路手動控制的旁路（圖3）。為保證供氣設備防火安全并盡量縮短外線管路，氣源的調壓設備一般應放置在室外，在滿足與鍋爐房和溫室之間安全防火距離的條件下應盡可能將氣源設備靠近溫室鍋爐房的位置布置（圖2）。

圖2 天然氣供氣氣源及其設備組成

圖3 天然氣氣源調壓箱管路系統(tǒng)圖

天然氣管從調壓箱出來直到鍋爐燃燒器之前，全程應表面涂刷明黃色顏色，以醒目地告知人們該道管的用途。

爐前天然氣供氣系統(tǒng)

從天然氣氣源調壓箱出來的氣態(tài)天然氣在進入鍋爐燃燒之前還需要進行一系列的安全控制，這一階段的氣體輸送、測量及控制設備統(tǒng)稱為爐前管路（即從調壓箱到鍋爐燃燒器之間的全部管路和設備）。按照供氣管路功能的不同可將爐前管路分為3 部分：供氣主管路、單臺鍋爐的供氣支管路和管道氣體吹掃管路（圖4）。對于大規(guī)模連棟溫室，正常生產一般都需要配置2臺及以上的供熱鍋爐。從調壓箱到每臺鍋爐供氣分支管之間的管路稱為總供氣管路，或稱供氣主管。從供氣主管分支口到每臺鍋爐燃燒器之間的管路稱為鍋爐供氣支管路，是直接向每臺鍋爐供氣的供氣管路。管道氣體吹掃管路是用管道內天然氣或惰性氣體（統(tǒng)稱為介質氣體）清掃主管路和支管路中其他氣體的專用管路，主管路吹掃從“總關斷閥”后接入介質氣體（圖4），在壓力作用下介質氣體經過主管路中所有管路和閥門后從“放散閥”排出，從而將殘留在主管路中的非介質成分的氣體排出管路。支管路吹掃從支管路的“切斷閥”后接入介質氣體，介質氣體沿支管路流動直到支管路的“放散閥”排出管路將殘留在支管路中的非介質成分的氣體排出管路。

主管路一般由總開關、流量計、過濾器、壓力調節(jié)閥以及安全閥和高低壓力報警器等安全控制設備組成；支管路一般由管道流量和壓力控制與測量、燃燒器供氣控制以及燃燒狀態(tài)檢測等設備組成。管路中所有過濾、壓力調節(jié)、流量調節(jié)等部位應并聯(lián)設置“旁路”，當管路中的氣流滿足鍋爐燃燒要求時，天然氣可通過旁路分流，以降低管路壓力損失，減小輸氣動力的運行能耗（圖4）。

圖4 天然氣爐前供氣管路系統(tǒng)

為保證安全送氣，一般主管路總切斷閥應并聯(lián)設置兩路供氣控制管道，一路為電磁閥自動控制管路，另一路為手動閥門手動控制管路（圖5a），可分別用于日常運行中的自動控制和自動控制故障或其他緊急情況下的手動控制；每臺鍋爐的支管路也應并聯(lián)設計2 路相同管路（圖5b），一備一用，當一條管路發(fā)生故障時可立即啟動另一條平行的管路供氣，并聯(lián)的兩條控制管路均可采用自動控制，不再設手動控制管路，以降低設備造價、提高管路自動化運行水平。

圖5 管路安全備份設置方法

吹掃散放管道的主要作用，一是系統(tǒng)停止運行進行修理時，為檢修工作安全需要把管道內的天燃氣吹掃干凈，這時需要的吹掃介質氣體為惰性氣體，一般為CO2或N2；二是在較長時間停止工作后再投入運行時，為防止燃氣和空氣混合物進入爐膛引起爆炸（天然氣的爆炸極限范圍為5%～15%，即在鍋爐檢修和運行中天然氣的濃度應控制在爆炸極限范圍之外）要先進行吹掃，將可燃混合氣體排出管道，排入大氣，這時需要的吹掃介質氣體為管道內天然氣或先用惰性氣體吹掃后再用天然氣吹掃。

燃氣鍋爐啟動前需對鍋爐的所有氣路，包括燃氣供氣管道、鍋爐爐膛及煙氣通道進行吹掃。吹掃時間一般不應少于5 min，并在吹掃口（即放散管處）取樣分析，含氧量不超過1%為合格。

當以燃氣作為吹掃介質時，為防止流速過大帶動管內未清理干凈的碎石、鐵渣沖擊管壁產生火花引起爆炸，吹掃開始時應微開啟閥門，控制流速在5 m/s 以下，將空氣驅走。當從吹掃口取樣分析其含氧量在2% 以下時，再開大閥門進行吹掃。

當以惰性氣體作為吹掃介質時，吹掃分兩步，先用惰性氣體將燃氣系統(tǒng)內的空氣置換干凈，然后切斷惰性氣流用燃氣將系統(tǒng)內的惰性氣體再置換干凈。

煙氣系統(tǒng)及其配套設備

天然氣從鍋爐燃燒器點燃后，與引風機送入鍋爐爐膛燃燒室中的空氣或氧氣混合燃燒，一方面產生熱量提高爐膛內水箱的水溫（這是鍋爐的主要功能），另一方面產生以CO2和水汽為主要成分的煙氣（其中CO2是溫室作物CO2施肥的主要來源）。要保證系統(tǒng)安全高效運行，系統(tǒng)設計中，一是要保證天然氣在爐膛內的完全燃燒，二是要將煙氣中攜帶的熱量回收利用。由此在嚴格控制天然氣和空氣（氧氣）混合燃燒比例在爆炸極限范圍外的條件下，鍋爐煙氣系統(tǒng)中重點要把控好鍋爐爐膛內的氣壓，同時要對煙氣進行部分回燃，這是實現(xiàn)天然氣充分和完全燃燒，保證煙氣中除CO2和水蒸氣外不含過多的CO 和NOx等有害氣體成分的重要措施，此外，還應配套專門的煙氣余熱回收系統(tǒng)，一可以回收能量提高能效；二可以減低煙氣溫度將煙氣中水蒸氣離析出來，減少煙氣作為CO2施肥氣體輸送管路對管道排水、防腐、動力等要求。

鍋爐爐內壓力控制系統(tǒng)

鍋爐爐膛內的氣壓主要通過煙道的引風和送風系統(tǒng)來實現(xiàn)。根據(jù)鍋爐爐膛內的壓力不同，煙道引送風系統(tǒng)分為平衡通風、負壓通風和正壓通風三種。

平衡通風是在鍋爐煙氣風道系統(tǒng)中同時裝設送風機和引風機，利用送風機壓力克服爐膛內風道及燃燒設備中的全部風道阻力，利用引風機壓力克服全部煙道系統(tǒng)阻力，在爐膛出口處保持20～30 Pa 的負壓。平衡通風使風道中正壓不大，鍋爐爐膛及全部煙道又處在合理負壓下運行。

負壓通風是在煙道內只裝設引風機，利用引風機的入口壓力來克服全部煙道和風道內阻力，鍋爐處于較大的負壓下運行。

第三，在小學語文教學中運用經典誦讀有助于提高學生的寫作能力。小學生通過經典誦讀可以積累大量的素材，并在此過程中充分掌握與了解不同文章的寫作技巧與寫作方式，為今后學生寫作能力的提高奠定了堅實的基礎。

正壓送風是在鍋爐煙、風系統(tǒng)中只裝設送風機，利用送風機的壓力來克服全部煙道和風道阻力，此時煙道、風道均處于正壓狀態(tài)。

平衡通風和負壓通風系統(tǒng)爐膛和煙道內都處于負壓狀態(tài)，管路漏風量較大，當鍋爐燃燒不良時，可燃氣體會進入鍋爐后部煙道，與后部煙道漏入的空氣混合形成爆炸性氣體，在高溫作用下，可能會引起二次燃燒或爆炸，此外，煙氣中氣體成分復雜，無法直接用于向溫室補充CO2使用。正壓送風系統(tǒng)由于送風強度高，燃燒強度也隨著提高，同時減少了鍋爐漏風量和排煙損失，可延長風機壽命，減少電耗，煙氣中CO2的成分也更純潔，所以目前大規(guī)模連棟溫室熱氣聯(lián)供系統(tǒng)的鍋爐運行均采用正壓送風方式。

煙氣回燃

煙氣回燃，就是將鍋爐尾部約10%～30% 的煙氣（溫度約170℃），經不銹鋼煙氣管道吸入到燃燒器進風口，并將其混入助燃空氣后進入爐膛（圖6）。由于回燃煙氣的溫度較高，與助燃空氣混合后可提高空氣的溫度，由此可提高燃燒的效率。

在高溫條件下，空氣中的N2經氧化生成NOx，成為熱力型NOx。熱力型NOx形成的主要控制因素是溫度，溫度對熱力型NOx的形成呈指數(shù)關系。影響熱力型NOx形成的另一個因素是煙氣中氧的濃度，NOx形成的速率與氧氣濃度的0.5次方成正比。煙氣回燃，一是降低火焰區(qū)域的最高溫度，同時也降低氧和氮的濃度，從而可達到降低NOx的目的，實現(xiàn)降低NOx排放量，提高燃燒效率，最終達到節(jié)能減排的目的。對溫室熱氣聯(lián)供系統(tǒng)而言，減少煙氣中的NOx實際上就是降低CO2施肥中的有害氣體，也是作物進行CO2施肥的基本要求。為此，在溫室熱氣聯(lián)供的供熱鍋爐設計中應配套煙氣回燃管路及其配套管路風機。

煙氣余熱回收

回收煙氣中熱量的途徑有兩種：一是在煙道的前端設置空預器（圖6a），將鍋爐尾部煙道中排出的煙氣中攜帶的熱量通過散熱片傳導到進入鍋爐前的空氣中，提高空氣的溫度，從而在降低煙氣溫度的同時提高了燃氣的燃燒效率；二是在煙道的中末段設置冷凝器（圖6a、圖6b），用補充鍋爐的軟化冷水做介質，將其加熱后送入鍋爐的回水管，進而進入鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)，將煙氣余熱直接用于溫室加熱系統(tǒng)。

圖6 煙氣處理與利用

水路系統(tǒng)

溫室供熱系統(tǒng)實際上是一個水循環(huán)系統(tǒng)。冷水經過鍋爐加熱后升高溫度變成為熱水，通過供水主管道輸送到溫室散熱器中，熱水在溫室內散熱器中散熱降溫后再通過回水管道返回到鍋爐中加熱，如此循環(huán)往復形成溫室的供熱系統(tǒng)。在溫室供熱系統(tǒng)中，水是熱的載體，水在鍋爐及管道和散熱器中的循環(huán)流動，攜帶熱從鍋爐向溫室內轉移和釋放，所以，水是溫室供熱系統(tǒng)中不可或缺的工作介質。

按照供熱系統(tǒng)中水的性質和用途來分，可將整個水路系統(tǒng)的水分為圍繞鍋爐補水的冷水系統(tǒng)和在鍋爐和散熱器間循環(huán)流動的熱水系統(tǒng)。

鍋爐冷水系統(tǒng)

溫室供熱系統(tǒng)中的水首先是來自于冷水（常溫水）。在鍋爐啟動前，第一步的工作就是用冷水清洗鍋爐并向鍋爐及水循環(huán)管路內注滿冷水。在鍋爐運行過程中，由于管道、散熱器等水力管道的“跑冒滴漏”以及系統(tǒng)排污等也會使系統(tǒng)內的總水量減少，為此，需要及時補給新水，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。所以，冷水供應系統(tǒng)是鍋爐運行中不可缺少的設備組成部分。

鍋爐供水與溫室灌溉用水對水質的要求有顯著差別。除不得含有有機或無機顆粒物外，為保證鍋爐的安全運行，國家標準對鍋爐供水的水質有嚴格的要求（表1），如果水源原水不能滿足鍋爐供水水質要求，就必須對原水進行處理。因為不符合水質要求的原水不進行處理或處理不當，會在鍋爐爐體的受熱面上結垢，致使爐壁傳熱性能變差，鍋爐熱效率降低，單位能量消耗燃料量增加，還會產生腐蝕、鼓包、爆管，甚至引起爆炸等事故。此外，鍋爐給水水質不良，還會引起金屬腐蝕，導致熱水鍋爐金屬構件破壞，嚴重時發(fā)生穿孔，威脅人身的安全。所以，水處理是保證鍋爐設備安全運行的必要條件。

表1 鍋爐供水水質要求

熱水鍋爐水處理的最終目標是通過預處理、軟化、除鹽、除氧（氣）等工藝，防止鍋爐結垢和防止鍋爐腐蝕。為此，根據(jù)原水的水質條件，熱水鍋爐供應冷水的水質處理設備一般包括過濾（砂石過濾和疊片過濾）、軟化以及除氧等設備（圖7）。

圖7 鍋爐供水冷水水質處理與儲存設備

系統(tǒng)配置上，經過過濾和軟化的水首先儲存在軟化水儲水箱中，在進入鍋爐循環(huán)水之前有的設計還配套了除氧設備，去除水中的氧氣，這對保護鍋爐及整個供熱系統(tǒng)管路和設備的抗氧化腐蝕有非常積極的作用。

經過軟化和除氧的水即可進入鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)。補充新水進入鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)的路徑有3 條：一是連接到鍋爐循環(huán)水的回水管，直接進入鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)；二是送入鍋爐煙氣的余熱回收設備，吸收煙氣余熱提高水溫，之后再進入到鍋爐循環(huán)水的回水管（當然，吸收煙氣余熱也可直接用循環(huán)管路中回水，但補給新水由于溫度更低，換熱效率高，可降低換熱器的造價和運行成本，為此被大量采用）；三是直接將原水送入鍋爐的水鍋中。前兩種方法主要用于鍋爐運行期間的補水，第三種方法則主要用于鍋爐的檢修和啟動階段補水。

鍋爐運行期間由于新水補給是間歇性供水，為了減少供水水泵的啟動頻率，降低運行成本，延長水泵使用壽命，一般在管路中配置一套定壓設備，補給新水首先打入定壓容器，鍋爐需要補水時首先從定壓容器內取水，當定壓容器內水量或壓力不足時再開啟補水水泵向定壓容器補水。但在鍋爐啟動前向鍋爐內注水時，可不通過上述設備和管路，而是直接將軟化除氧符合鍋爐供水水質的原水注入鍋爐水鍋中。

熱水鍋爐提供的熱水在供熱的過程中，除了鍋爐水鍋中會產生水垢外，在供熱管網(wǎng)和散熱器中也會出現(xiàn)水垢，這些水垢都會阻塞熱水流通，影響供熱質量，增加運行成本。為減少鍋爐及管路和散熱器內結垢，一是在熱水循環(huán)管路的回水管末端設置除污器，將循環(huán)管路中出現(xiàn)的污垢阻截并排出循環(huán)系統(tǒng)；二是在鍋爐爐體上設置排水管路，定期排水，部分排除長時間循環(huán)的陳水，同時補充新水，以保證循環(huán)系統(tǒng)中的總水量不變，鍋爐的排水管路同時還可用于鍋爐檢修和清污時排放污水。

鍋爐及其給排水管路的典型工藝流程和設備配置如圖8。

圖8 鍋爐及其給排水管路典型工藝流程與設備配置

熱水循環(huán)系統(tǒng)

熱水循環(huán)系統(tǒng)就是將經過鍋爐加溫的熱水（設計水溫一般為95℃）通過供水管路輸送到溫室散熱器，向溫室提供熱量，在經過散熱器散熱并降溫后再通過回水管路回送到鍋爐進行再次加熱升溫形成熱水的一套閉合水流循環(huán)水路。

傳統(tǒng)的溫室供熱系統(tǒng)是直供系統(tǒng)，即鍋爐產生的熱水直接輸送到溫室采暖，在溫室中經散熱器散熱降溫后的回水直接進入鍋爐進行加熱，由此形成一個完整的水循環(huán)系統(tǒng)。該循環(huán)系統(tǒng)中由于散熱器和管路等的“跑冒滴漏”造成循環(huán)系統(tǒng)中總水量減少的部分再通過冷水補給系統(tǒng)予以增補。這種系統(tǒng)一般是鍋爐夜間運行向溫室供熱，而白天大部分時段由于溫室接受太陽輻射后室內溫度升高基本不需要額外供熱或需要的熱負荷大大減小，因此鍋爐處于停止或半停止工作狀態(tài)，只有在冬季比較寒冷的地區(qū)白天室外溫度很低且光照也不足，這時才需要晝夜供熱，鍋爐24 h 運行。直供式供熱系統(tǒng)由于主要是夜間供熱，所以只供熱而不供氣（CO2氣體），對于以天然氣為燃料的供熱鍋爐，供熱只利用了天然氣的熱能，卻浪費了溫室作物生產所需要的CO2氣體。

為了能最大限度開發(fā)利用天然氣的物質和能量，大規(guī)模連棟溫室種植作物采用天然氣為燃料冬季供暖時基本都采用鍋爐白天運行、夜間休息的熱氣聯(lián)供運行模式。鍋爐白天運行，將天然氣燃燒產生的煙氣經過檢驗合格后直接送入溫室用于提高溫室內CO2濃度，可有效提高溫室作物的光合作用，從而提高作物產量和品質，同時鍋爐運行產生的熱量將被集中收集在儲熱罐內，到了夜間溫室作物光合作用停止，溫室不需要輸送CO2而需要熱量時再從儲熱罐中抽取熱量用于溫室的加溫。這種鍋爐運行方式與直供系統(tǒng)相比相當于免費地獲得了溫室需要的CO2，使天然氣的物質和能量得到了充分的開發(fā)和利用，因此，是一種經濟且環(huán)保的運行管理模式。在設施農業(yè)發(fā)達的國家（如荷蘭），甚至還采用熱氣電聯(lián)產的做法，將燃燒天然氣的“功”用于發(fā)電，熱用于溫室加溫，燃燒尾氣用于溫室作物的CO2施肥，使燃燒天然氣的能量和物質進一步利用，真正實現(xiàn)對天然氣燃料的“吃干榨盡”，不僅提高了溫室生產的經濟效益，而且將不可再生的化石能源得到了充分的開發(fā)和利用，是減少碳排放、實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的一種良好技術手段。

由此可見，對于以天然氣為燃料的溫室熱氣聯(lián)供采暖系統(tǒng)而言，溫室加溫熱水循環(huán)系統(tǒng)是由鍋爐、儲熱罐與散熱器共同構成。白天鍋爐工作向儲熱罐供熱，提高儲熱罐內的水溫，形成鍋爐與儲熱罐之間的水流循環(huán)；夜間鍋爐停止工作，儲熱罐向溫室供熱，形成儲熱罐與溫室散熱器之間的水流循環(huán)，將白天鍋爐運行儲存在儲熱罐中的熱量釋放到溫室中，補充溫室夜間散熱損失，保持溫室夜間作物生長的要求溫度。當儲熱罐的儲熱量不足時，無論是白天還是夜間，計算機都可以根據(jù)溫室供熱量的需要自動控制啟動鍋爐運行，形成鍋爐與溫室散熱器之間的水流循環(huán)。因此，熱氣聯(lián)供供熱系統(tǒng)中的水循環(huán)共有3 種循環(huán)路徑（圖9）。3 個循環(huán)系統(tǒng)中的配置設備除天然氣鍋爐外，主要還包括儲熱罐、散熱器以及供熱熱源向散熱器供熱的熱分配設備。

圖9 供熱首部熱水循環(huán)系統(tǒng)原理圖

鍋爐容量應按照溫室建設地點的室外采暖設計溫度和室內種植作物的適宜生長溫度以及溫室結構及其保溫性能按照熱量平衡原理采用傳熱學理論計算確定[5]。溫室散熱器及其布置形式應按照作物的種植品種和種植方式以及溫室的結構形式設計[2]。相關的設計和計算方法筆者已經進行過論述，這里僅就供熱系統(tǒng)的儲熱罐和供熱首部的熱分配設備進行拾遺補漏。

儲熱罐

儲熱罐儲熱是天然氣鍋爐溫室供暖系統(tǒng)的一個主要特征。儲熱罐的容積應根據(jù)溫室白天需要CO2的量來確定[6]。具體的確定方法是首先根據(jù)溫室作物光合作用需要的CO2量推算出需要燃燒的天然氣量，再根據(jù)燃燒天然氣量所能產生的熱量來確定需要的熱水量，最后根據(jù)需要儲放熱水量確定儲熱罐的容積，具體計算公式如式（1）。

式中：Vx為蓄熱水罐容積（m3）；Nr為日間運行鍋爐功率（kW）；tx為鍋爐日間運行時間（h），等于煙氣供應CO2時間；△Tx為蓄熱水罐可利用溫差（℃），可按40℃取值；η1為蓄熱水罐保溫效率，宜取95%；η2為蓄熱水罐容積利用系數(shù)，宜取0.9；η3為系統(tǒng)水膨脹系數(shù)，宜取0.97；ρ為熱水密度，宜取1000 kg/m3。

對儲熱罐的要求，一是應具有足夠的強度和承壓能力，不得發(fā)生罐體變形。為此，蓄熱罐罐體一般均選用圓柱形鋼制罐體，罐體鋼板采用壓型瓦楞鋼板，鋼板厚度應按照罐體內水位高度所產生的內壓力以及室外風雪荷載所產生的外壓力通過荷載組合的內力分析按照最不利荷載組合下的應力確定，尤其需要注意的是罐體的基礎應根據(jù)地基的土壤性質和承壓能力以及溫室建設地冬季的凍土層深度和地下水位高度等因素按照建筑基礎設計規(guī)范確定。

二是罐體整體應防腐蝕、無滲漏，即要求儲熱罐的內襯應耐高溫、耐腐蝕，且密封嚴密。為了提高儲熱罐的耐腐蝕能力，對于閉式承壓水罐一般還配套氮氣膨脹系統(tǒng)，即用氮氣充滿罐體內非熱水占據(jù)空間，避免氧氣進入罐體形成對罐體及后續(xù)管網(wǎng)的腐蝕，為此，需要專門配備一套制氮設備（圖10a），制氮設備的能力應能保證儲熱罐罐體頂部氮氣壓力保持在20±5kPa。

三是罐體應做好保溫防護，減少儲熱期間熱量的無謂損失，一般要求保溫材料的厚度應符合罐體外表面與周圍空氣溫差不大于5℃，保溫材料應為難燃或不燃材料，除了罐體的保溫外，儲熱罐與基礎之間也應做好保溫。

儲熱罐內沿高度方向每隔10% 設計水深應等距設置測溫裝置（圖10c，圖11），根據(jù)罐體內的溫度場變化，計算機自動計算罐體內的儲熱量和供熱能力，并與燃氣鍋爐和供熱分水缸聯(lián)動控制，保證溫室內穩(wěn)定的供熱能力。

圖10 儲熱罐及其系統(tǒng)設備配置

儲熱罐與鍋爐間熱水循環(huán)時，儲熱罐內熱水采用“上進下出”的模式。從鍋爐加熱的熱水從儲熱罐的頂部注入，將儲熱罐內的低溫熱水壓向底部，進入鍋爐的回水從儲熱罐的底部回流，如此循環(huán)往復將儲熱罐內的水溫整體提高到設計供水溫度。當熱水在儲熱罐與溫室散熱器間循環(huán)時（實際上是儲熱罐與供熱首部的分水缸和集水缸之間的直聯(lián)循環(huán)），儲熱罐內熱水采用“上出下進”的模式，從儲熱罐上部抽出的熱水進入分水缸分配到不同用途的分主管送到溫室內散熱器，從散熱器回水管返回的涼水集中到集水缸，再統(tǒng)一輸送到儲熱罐（圖10a、圖10b）。由此看出，不論是儲熱罐與鍋爐間的熱水循環(huán)，還是儲熱罐與溫室散熱器之間的熱水循環(huán)，儲熱罐內水體的溫度場永遠是“上熱下涼”，在水體循環(huán)的過程中“熱水”和“冷水”之間存在一個溫度場劇烈變化的“斜溫層”（圖11），該斜溫層的位置變化趨勢以及斜溫層的精準位置表明了儲熱罐的儲熱和放熱狀態(tài)以及儲熱量的多寡。生產運行中計算機會根據(jù)儲熱罐內設置溫度傳感器的位置判斷斜溫層的位置，據(jù)此來預判確定鍋爐啟動和停止運行的時間，實現(xiàn)鍋爐啟停的精準控制，達到系統(tǒng)運營的高效、低耗。為保證精準控制，設計中一般要求斜溫層的厚度應控制在1 m以內。

圖11 儲熱罐內配水管布置與溫度場分布和斜溫層位置

熱水分配

從鍋爐或儲熱罐出來的高溫熱水首先統(tǒng)一進入熱水分水缸，之后從熱水分水缸中再分出一級供熱主管（圖12a）。如果把鍋爐和儲熱罐比作人體心臟的話，一級供熱主管是溫室供熱系統(tǒng)的“大動脈”。為了確保供熱主管路的安全運行，每條主管上至少應設置2 臺水泵，一備一用，有的甚至采用了3 臺水泵，用二備一（圖12b）。設計中具體采用哪種方案應視單臺水泵的流量和揚程以及供回水管路管道直徑和管道長度經過水力學計算確定。

為了盡量使溫室內溫度保持均勻，對于大面積的連棟溫室，一般應將溫室劃分為若干供熱單元，每個供熱單元的面積盡量相等或根據(jù)不同單元的熱負荷（不同供熱單元由于種植作物不同熱負荷可能不同）盡量使每個單元的熱負荷相近。從分水缸出來的一級供熱主管不是直接連接到溫室內散熱器，而是首先被分流到各供熱單元，這樣就保證了各供熱單元的供水溫度基本相同。為了進一步減小管路阻力，保證輸水管路的水力平衡，由此減小管路水泵的壓力和運行能耗，保證室內溫度分布更加均勻，從分水缸出來的一級主管熱水分配到各供熱單元的供熱點一般應設置在每個供熱單元溫室側墻或山墻的中部。

進入各供熱單元供熱點的熱水，再次進行分流，分配到不同用途的各支路主管（稱為二級主管），一般包括天溝化雪管支路、地面軌道散熱器支路、株間散熱器支路、空中吊掛散熱器支路、外墻面散熱器支路、輔助車間散熱器支路、辦公室/ 宿舍散熱器支路等。其中天溝化雪支路可根據(jù)溫室建設地區(qū)冬季降雪情況進行設置，南方冬季無降雪或一次降雪量極小的地區(qū)可不設，此外，由于天溝化雪支路只在降雪天才開啟運行，與室內采暖供熱支路的控制完全不在一個時段，為便于控制，有的設計者也將二級化雪管支路升級為一級供熱主管（如圖12a），集中統(tǒng)一控制，保證溫室結構的安全和溫室的必要采光。

圖12 分水缸及一級主管配套設備

二級供熱主管從一級供熱主管中分流出的熱水是近乎鍋爐或儲熱罐的高溫水（一般設計按95℃計算），由于不同散熱器運行要求的供回水溫度不同，所以，在各支路散熱器接入二級供熱主管前，首先要對二級主管內的熱水溫度進行調節(jié)。不同用途各支路散熱器的供回水溫度如表2。

表2 溫室散熱器不同支路的供回水溫度/℃

調節(jié)二級供熱主管內供水溫度的方法是將本支路中的回水與供水混合，用低溫回水來降低一級供熱主管內熱水的溫度。一般在二級供水主管的供水段上設有溫度傳感器，系統(tǒng)運行中可根據(jù)主管上溫度傳感器的測量數(shù)值由計算機自動控制電動控制閥的開度，調節(jié)回水流量，實現(xiàn)主管內熱水的設定供水溫度（圖13a、圖13b）。實際工程設計中，為了保證管路運行的可靠性，在供水主管與回水主管間除了設置電動控制閥自動控制供水主管內的水溫外，還應該設置手動控制閥（圖13c），以備在自動控制閥失效時能夠啟用手動控制閥人工控制來調節(jié)供水主管內的水溫。

圖13 二級供回水主管及其調溫管路和設備