袁 偉

（北京宏福農(nóng)業(yè)技術有限公司，北京 102601）

近年來，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環(huán)境，產(chǎn)品品質更加可控，產(chǎn)量更高，成為越來越多現(xiàn)代農(nóng)業(yè)企業(yè)進行工廠化蔬菜生產(chǎn)的選擇。但在實際生產(chǎn)過程中，智能連棟溫室的生產(chǎn)運營成本一直居高不下。國內(nèi)現(xiàn)有大型智能連棟玻璃溫室除極少數(shù)能實現(xiàn)收支平衡或略有盈利外，其余大部分都由于成本過高，處于入不敷出的經(jīng)營狀態(tài)。而中國大部分北方地區(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)過程中的加溫能耗是溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。

宏福農(nóng)業(yè)烏蘭察布園區(qū)于2021 年10 月份建設完成，采用工業(yè)余熱、水源熱泵、燃氣鍋爐等多種能源結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成本高，在選址時不僅要綜合考慮當?shù)氐墓庹?、溫度、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。常見的有地熱資源、電廠余熱、冶金余熱等，均能大幅度降低冬季加溫能耗。

合理保溫設計

近年來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，但在設計建造上普遍存在生搬硬套的現(xiàn)象，造成溫室內(nèi)部氣候調控困難，產(chǎn)生資源和能源上的浪費。烏蘭察布溫室設計建造時，針對烏蘭察布當?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)代溫室注重采光結構的設計和透光材料的研究開發(fā)，室內(nèi)平均透光率可達70%。但溫室白天由于強烈的太陽輻射，溫室內(nèi)溫度往往會超過作物生長適宜的溫度，對作物的營養(yǎng)吸收和果實品質造成不利影響。而夜間又會因為熱量散失，室溫降于作物生育適溫以下，影響作物生長發(fā)育。幕布的合理使用可以協(xié)調溫室內(nèi)作物在不同時間對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)能的關鍵[1]。所以大型連棟玻璃溫室冬季生產(chǎn)對于保溫幕布的保溫性能有較高要求。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，正確使用設計合理的幕布系統(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型號內(nèi)遮陽幕，結構為全透明膜，幕布完全收攏時寬25 cm，保溫率為21%。中層遮陽幕布采用AAS10FR 型號內(nèi)保溫幕，結構為白膜與磨砂膜的組合，幕布完全收攏時寬25 cm，保溫率為22%；下層采用Z-WPE75MD 型號3D 氣候幕布，內(nèi)部填充物主要為納米纖維棉，幕布完全收攏時寬50 cm，保溫率可達72%。三層幕布（圖2）組合運用總保溫率可達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）。側墻采用R-WMD 型號三段式保溫幕布，內(nèi)部填充物主要為納米纖維棉，保溫率為66%。

防寒溝設置

在日光溫室中，防寒溝設計較為普遍。但在大型連棟玻璃溫室設計中鮮有使用。白義奎等[3]研究表明設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寒，項目在建設時，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。實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，防寒溝的設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，在設置防寒溝時，防寒溝埋深應充分考慮當?shù)貧夂?，測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，即可實現(xiàn)夜間溫度15～19℃的調控（圖3）。

圖3 軌道管溫度、外溫和溫室內(nèi)溫度對比圖

多種能源組合使用

在中國北方地區(qū)，冬季嚴寒，溫室圍護結構及溫室內(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所需的溫度環(huán)境。因此，溫室必須配備與溫室熱負荷相匹配的供暖設備和散熱器。

供暖設備

溫室供暖系統(tǒng)能源中心采用4 臺14 MW 燃氣鍋爐（圖4），可以滿足極寒天氣的供暖需求。

圖4 燃氣鍋爐（14 MW）

余熱經(jīng)水源熱泵系統(tǒng)與燃氣鍋爐系統(tǒng)相串聯(lián)，互為備用，不同工況時分別啟動。水源熱泵系統(tǒng)由板式換熱器和水源熱泵機組系統(tǒng)組成（圖5）。當過渡季節(jié)負荷需求較低時，可利用余熱水通過板式換熱器轉換后，進入采暖末端系統(tǒng)的分集水器。當室外溫度低于一定溫度時，供熱負荷需求進一步提高，則關閉板換直供系統(tǒng)，開啟水源熱泵系統(tǒng)。當溫室需求供水溫度高于70℃時，水源熱泵系統(tǒng)通過設置在鍋爐房的電動閥切換，進入燃氣鍋爐系統(tǒng)進行補充加熱至80℃，再進入分集水器。

圖5 水源熱泵機組運行示意圖

通過余熱、水源熱泵和鍋爐串聯(lián)的形式可以有效降低燃氣的使用量。實際生產(chǎn)中試驗表明，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間，降低鍋爐運行功率，從而達到燃氣使用量節(jié)能51%（圖6）。

圖6 余熱使用前后燃氣使用量對比圖

散熱器

溫室內(nèi)供熱系統(tǒng)主要有兩種形式，即熱風供熱系統(tǒng)和熱水供熱系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)與熱風系統(tǒng)相比，室內(nèi)溫度場更均勻，不容易造成植物葉面結露，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φ51×2.3 mm 加熱管來加熱，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)中流動的水不結冰，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。

圖7 軌道加熱管

圖8 植株間生長加熱管

圖9 天溝融雪管

儲熱罐

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

圖10 儲熱罐

溫室環(huán)境合理調控

中國北方地區(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熱源主要是太陽能輻射，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]研究結果均表明，溫室內(nèi)環(huán)境調控采用積溫控制的思路可比傳統(tǒng)的溫度調控降低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。

應用效果分析

宏福烏蘭察布園區(qū)通過綜合運用以上技術手段，有效減少了北方大型連棟玻璃溫室冬季加溫所產(chǎn)生的能源費用。如圖12 所示，對比宏福農(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)燃氣消耗量為2.03 m3/m2，與北京園區(qū)相比降低了37.11%；能源費用為5.23 元/m2，與北京園區(qū)相比降低了43.52%，之所以能源費用較燃氣消耗量降低幅度更大，是因為烏蘭察布的燃氣價格和電價相對較低。

圖12 2022 年2 月兩地能源使用情況對比圖

總結

中國北方地區(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，要讓中國北方地區(qū)建設的大型連棟玻璃溫室節(jié)省加溫能耗，有以下幾個要點：①項目選址盡可能有余熱、地熱等熱源，尋求燃氣以外的低成本熱源，替代或輔助鍋爐進行溫室的供暖；②溫室本身要具有良好的保溫設計，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合理的溫室供暖設計，選擇合適的散熱器，建造儲熱罐；④合理的溫室溫度管理策略，盡量減少夜間的能源消耗。綜合運用以上手段，可以有效降低中國北方地區(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。