地面輻射采暖應(yīng)用于溫室大棚的策略研究

摘要：溫室大棚以其為植物生長提供適宜生存的氣候小環(huán)境為主要目的。為達(dá)到這一目的，最主要的影響因素是如何保持溫室大棚室內(nèi)的溫度。本文從溫室大棚的自身特點(diǎn)出發(fā)，分析了利用碳纖維發(fā)熱線地面輻射供暖的策略，供暖負(fù)荷的計(jì)算方法，地面供暖工程的結(jié)構(gòu)工藝及供暖工程的控制策略。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；碳纖維；地面輻射供暖；負(fù)荷計(jì)算；結(jié)構(gòu)工藝；控制策略

中圖分類號(hào)： TU832 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1674-0432（2013）-20-48-2

1 研究背景

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長，人們對(duì)植物產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量的要求愈來愈高，進(jìn)而促進(jìn)了溫室大棚技術(shù)的發(fā)展。目前，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們對(duì)于反季節(jié)化、多樣化、反地域化和超時(shí)令生產(chǎn)的植物蔬菜的需求越來越高[1]。但我國目前的溫室大棚技術(shù)發(fā)展的速度跟不上人們需求增長的速度，其中制約溫室大棚栽培技術(shù)發(fā)展的主要因素在于如何創(chuàng)造適宜植物生長的溫濕度條件。

溫室大棚又稱太陽能溫室，設(shè)計(jì)之初的目的就是以其利用太陽的能量提高塑料大棚內(nèi)或玻璃房內(nèi)的溫度，為植物創(chuàng)造適宜生長的溫度環(huán)境。但是，由于我國北方大部分地區(qū)冬季室外溫度低，太陽輻射強(qiáng)度弱，同時(shí)溫室大棚內(nèi)還得保持一定量的通風(fēng)次數(shù)，以上種種原因?qū)е挛覈鴩?yán)寒、寒冷地區(qū)的溫室大棚內(nèi)必須采用一定的采暖方法才能保持適宜植物生長的室內(nèi)溫度。

農(nóng)作物的生長，一方面取決于農(nóng)作物本身的遺傳特性，另一方面也取決于外界環(huán)境因素[2]。只有在具有良好的遺傳特性的前提下，同時(shí)具備適宜農(nóng)作物生長的外界環(huán)境因素，農(nóng)作物才能健康發(fā)育。為農(nóng)作物創(chuàng)建適宜生長的環(huán)境條件成為農(nóng)作物能否健康生長的重要因素。

地面輻射采暖系統(tǒng)是目前應(yīng)用于建筑采暖行業(yè)效果較好的一種采暖方式。但地面輻射采暖系統(tǒng)不能簡單的照搬到溫室大棚中來。雖然在建筑行業(yè)和溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)都是為了創(chuàng)造人工小氣候環(huán)境，但是二者的應(yīng)用卻是不同的。在建筑行業(yè)中，應(yīng)用地面輻射采暖系統(tǒng)，是為了創(chuàng)造人們適宜生活的室內(nèi)環(huán)境，其載熱體是鋪設(shè)在地板層的下部，固定在地面層以下，施工完成后基本不存在復(fù)雜的工作環(huán)境；而溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)則不同，其是為了創(chuàng)造適宜農(nóng)作物生長的人工小環(huán)境，而且一般的溫室大棚內(nèi)每年還得耕種翻土，這就使得地面輻射采暖系統(tǒng)處于極端復(fù)雜的工作環(huán)境下。

地面輻射采暖系統(tǒng)應(yīng)用于溫室大棚時(shí)應(yīng)從采暖負(fù)荷、施工工藝、溫度控制等方面研究。

2 采暖負(fù)荷計(jì)算

2.1 溫室大棚室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的選?。?/p>

由于應(yīng)用彩盒的不同，溫室大棚的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度不應(yīng)簡單的采用《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定溫度，還應(yīng)參考《中國農(nóng)業(yè)百科全書：蔬菜卷》中對(duì)不同蔬菜適宜生長溫度的說明。一般的蔬菜作物在5℃～10℃的情況下，緩慢生長；在10℃～20℃的情況下，正常生長；在20℃～35℃的情況下，加速生長；在溫度超過35℃時(shí)，農(nóng)作物的生長將受到損害[3]。

而農(nóng)作物適宜生長的土壤溫度同樣有具體溫度的要求。蔬菜作物主要根群深度及溫度要求見表1[4]。

由表1可以看出，一般蔬菜的主根群深度不超過30厘米，適宜生長的溫度在20℃～30℃之間，由以上數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)地暖輻射供暖的設(shè)計(jì)溫度和控制溫度。

2.2 采暖負(fù)荷計(jì)算

溫室大棚內(nèi)需保持一定量的 濃度，提供植物光合作用所必須的，所以溫室大棚內(nèi)須有一定量的換氣次數(shù)，取0.5次/h。

溫室大棚的采暖負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱、土壤的散熱、冷風(fēng)滲透散熱、通風(fēng)換氣散熱和溫室大棚頂棚輻射散熱的總量[4]。

其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的散熱量按下式計(jì)算：

F——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；

K——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)， W/（m2·K）；

tn——溫室大棚室內(nèi)計(jì)算溫度，℃；

twn——溫室大棚室外計(jì)算溫度，℃。

其中，土壤的散熱量按下式計(jì)算：

冷風(fēng)滲透散熱量根據(jù)下式計(jì)算：

頂棚的輻射換熱量按下式計(jì)算：

根據(jù)上述公式，計(jì)算出溫室大棚所需的供暖負(fù)荷，在根據(jù)供暖負(fù)荷計(jì)算地面采暖工程所需的發(fā)熱線條數(shù)（以舍去的條數(shù)影響室內(nèi)溫度變化不超過2℃，否則進(jìn)位）。

3 施工工藝

由于溫室大棚的地面種植農(nóng)作物，當(dāng)進(jìn)行地面輻射采暖工程時(shí)，其施工工藝需與普通的建筑工程中的施工工藝有所不同。溫室大棚碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的示意圖見圖1。

具體的施工工藝包括：在平整好的土壤基層上鋪設(shè)3厘米厚的絕熱保溫層，絕熱保溫層采用聚氯乙烯擠塑板；在鋪設(shè)好的保溫層上按設(shè)計(jì)間距鋪設(shè)碳纖維發(fā)熱線，在鋪設(shè)好的碳纖維發(fā)熱線層表面鋪設(shè)10厘米厚的沙土或煤灰層，起到固定碳纖維發(fā)熱線和標(biāo)示的左右，以防在耕種中破壞發(fā)熱線；在鋪設(shè)好的沙土或煤灰層表面鋪設(shè)50厘米厚的耕種土壤。

4 控制方式

控制策略選用雙溫控制模式。由于該系統(tǒng)工程需要在保證土壤層溫度不超過35℃的前提下來保證室內(nèi)溫度。控制邏輯示意圖見圖2。

選用雙溫型溫度控制策略，一個(gè)溫度計(jì)檢測(cè)土壤層的溫度，另一個(gè)溫度計(jì)檢測(cè)溫室大棚室內(nèi)的溫度。編制控制程序，分別設(shè)定土壤層和室內(nèi)的控制溫度。當(dāng)土壤層溫度高于設(shè)定的控制溫度時(shí)或者是室內(nèi)溫度高于設(shè)定的控制溫度時(shí)，關(guān)閉發(fā)熱裝置，并返回檢測(cè)儀器，否則發(fā)熱線繼續(xù)加熱。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備測(cè)試到土壤層溫度和室內(nèi)空氣溫度都低于各自的設(shè)定控制溫度2℃或以上時(shí)，溫度加熱設(shè)備開啟，否則返回。

5 結(jié)論

本文通過理論分析，研究了碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖技術(shù)在溫室大棚中的應(yīng)用。溫室大棚以其反季節(jié)、反地域性的特點(diǎn)，為人們提供了優(yōu)質(zhì)的蔬菜類產(chǎn)品。同時(shí)也能提高農(nóng)村土地的利用率，是建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的支柱型產(chǎn)業(yè)。本文的主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)溫室大棚的自身特點(diǎn)，給出了計(jì)算溫室大棚采暖負(fù)荷的計(jì)算方法及計(jì)算公式。（2）根據(jù)溫室大棚的特點(diǎn)，給出了一種碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的工程工藝，以便指導(dǎo)實(shí)際工程的進(jìn)行。（3）根據(jù)農(nóng)作物適宜生長的溫度范圍，結(jié)合碳纖維發(fā)熱線的特點(diǎn)，制定了用于溫室大棚采暖工程的控制策略。

參考文獻(xiàn)

[1] 果海鳳.相變蓄熱技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚中的傳熱和節(jié)能特性研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2008.

[2] 劉峰.地源熱泵和熱管技術(shù)用于提高溫室地溫的研究[A].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì).走中國特色農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路——中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）[C].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)，2008，2.

[3] 中國農(nóng)業(yè)百科全書總編輯委員會(huì).中國農(nóng)業(yè)百科全書（蔬菜卷）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.

[4] 章熙民，任澤霈.傳熱學(xué)[M].北京：中國建工出版社，2001.

作者簡介：彭月明，男，碩士研究生，就職于河北建研科技有限公司，研究方向：建筑節(jié)能；權(quán)志鵬，男，碩士研究生，就職于河北建研節(jié)能設(shè)備有限公司，研究方向：建筑節(jié)能。