農(nóng)業(yè)建筑中供暖方式及設(shè)備的選擇

馮碩+胡文舉+李德英

摘 要：介紹了我國(guó)北方地區(qū)溫室大棚的供暖方式，論述了溫室大棚負(fù)荷計(jì)算中室內(nèi)外溫度的選取方法，并在選取合適溫度的基礎(chǔ)上，對(duì)溫室大棚的負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行了描述。重點(diǎn)針對(duì)不同的供熱熱源和末端設(shè)備進(jìn)行了介紹，分別敘述了每種熱源和設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后溫室大棚選取合適的熱源和設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：溫室大棚；采暖；設(shè)備

中圖分類號(hào)：TU833 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.019

Abstract： The heating mode of greenhouse in the north of China was introduced， the selection methods of indoor and outdoor temperature of greenhouse load calculation was discussed. And on the basis of selecting the appropriate temperature， the load calculation was described. According to different heat source and terminal equipment， the advantages and disadvantages of each heat source and equipment were described respectively， which laid the foundation for the selection of suitable heat source and equipment in the future.

Key words： greenhouse； heating； equipment

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代文明發(fā)展的需要，人們對(duì)于農(nóng)作物產(chǎn)品的要求也越來(lái)越高。溫室大棚作為一種新型的農(nóng)業(yè)設(shè)施受到業(yè)界人士的追捧。溫室又稱暖房，是一種以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料，能透光保溫，可在冬季或其它不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)供栽培植物的建筑，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗等。

良好的保溫性能是反季節(jié)蔬菜在溫室大棚里健康成長(zhǎng)的必要條件，但我國(guó)北方地區(qū)冬季日照率較低，溫室大棚在保證密封保溫的前提下也要保持一定量的通風(fēng)次數(shù)，通風(fēng)時(shí)較低的室外溫度會(huì)對(duì)農(nóng)作物的發(fā)育產(chǎn)生影響。這就要求我國(guó)北方地區(qū)的溫室大棚必須采用一定的供暖方式來(lái)保持適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的室內(nèi)溫度[1]。

溫室大棚供暖設(shè)備的選取與住宅供暖設(shè)備的選取不同，這是因?yàn)槎叩慕Y(jié)構(gòu)組成、建筑材料、設(shè)計(jì)理念以及內(nèi)部負(fù)荷需求都不相同，若一味地按照住宅供暖設(shè)備的選取方式為溫室大棚進(jìn)行供暖設(shè)備的選取，不僅不能滿足溫室大棚供暖需求，還會(huì)造成能源的浪費(fèi)。因此，采用合適的方法和供暖設(shè)備，是保證溫室大棚產(chǎn)量和降低能耗的必要舉措。

1 溫室供暖方式

目前，我國(guó)現(xiàn)有的溫室大棚供暖方式主要有6種[2-6]，即土法供暖、熱風(fēng)供暖、熱水供暖、淺層地?zé)峁┡⑻?yáng)能供暖及復(fù)合供暖方式。

土法供暖就是自己制作簡(jiǎn)易供暖裝置對(duì)大棚進(jìn)行供暖。其主要燃料為農(nóng)作物秸稈或者燃煤，方法簡(jiǎn)單，操作容易。但是需要人員實(shí)時(shí)看守，否則容易導(dǎo)致溫度過高，且會(huì)產(chǎn)生大量灰塵，對(duì)溫室大棚內(nèi)造成污染。

熱風(fēng)供暖是采用一定設(shè)備向大棚內(nèi)通入熱風(fēng)，保證溫室大棚的溫度。熱風(fēng)設(shè)備包括燃煤風(fēng)爐和電熱風(fēng)爐。這種供暖方式效率高，見效快，但是風(fēng)速較大，且容易降低大棚內(nèi)濕度，影響植物生長(zhǎng)，溫室內(nèi)溫度也不容易控制。

熱水供暖是通過加熱設(shè)備產(chǎn)生熱水，再經(jīng)過末端設(shè)備，將熱水的熱量傳遞給溫室大棚。一般末端設(shè)備采用散熱片。這種供暖方式安全、穩(wěn)定，機(jī)械部件少，但是投資成本和設(shè)備維護(hù)成本太高，并且容易積灰，不便清潔。

淺層地?zé)峁┡吞?yáng)能輻射供暖是兩種比較新型的供暖方式。二者主要利用熱泵設(shè)備，從地?zé)峄蛘咛?yáng)能中取能，通過一定方法供給室內(nèi)。這兩種方式更能節(jié)約化石能源，減少環(huán)境污染，并且對(duì)大棚內(nèi)植物基本沒有影響，但是設(shè)備運(yùn)行維護(hù)要求高，且由于各個(gè)地區(qū)地?zé)崮芎吞?yáng)能分布不均，因而這兩種方式容易受地域限制。因此，多數(shù)情況是將這兩種供暖方法與其他方法結(jié)合，形成復(fù)合供暖方式。

2 溫室大棚供暖負(fù)荷計(jì)算

2.1 室內(nèi)計(jì)算溫度選取

居住建筑室內(nèi)溫度的選擇，是根據(jù)人員需求設(shè)定的，而溫室大棚室內(nèi)溫度的選擇，主要根據(jù)室內(nèi)植物的生長(zhǎng)需求設(shè)定。因此，溫室大棚的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度與居住建筑室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度的選擇是不一樣的，要根據(jù)《中國(guó)農(nóng)業(yè)百科全書：蔬菜卷》中對(duì)不同蔬菜適宜生長(zhǎng)溫度的說(shuō)明來(lái)確定溫室大棚的室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度。一般情況下，在溫度較低時(shí)，農(nóng)作物會(huì)緩慢生長(zhǎng)；合適的溫度下會(huì)正常生長(zhǎng)甚至加速生長(zhǎng)；而溫度過高時(shí)，農(nóng)作物的生長(zhǎng)將受到損害。部分農(nóng)作物生長(zhǎng)溫度如表1所示。

從表1中可以看出，大部分農(nóng)作物的生長(zhǎng)溫度都在20～30 ℃左右，根系溫度在20 ℃左右，這就確定了溫室大棚的室內(nèi)溫度，為設(shè)計(jì)計(jì)算提供基礎(chǔ)。

2.2 室外計(jì)算溫度選取

在供暖熱負(fù)荷計(jì)算中，確定室外計(jì)算溫度是一個(gè)相當(dāng)重要的問題。通過氣象資料可以看出，最冷的天氣并不是每年都會(huì)出現(xiàn)。如果采暖設(shè)備是根據(jù)歷年最不利條件選擇的，即把室外計(jì)算溫度定得過低，那么在采暖運(yùn)行期的絕大多數(shù)時(shí)間里，會(huì)顯得設(shè)備能力富裕過多，造成浪費(fèi)；反之，如果把室外計(jì)算溫度定得過高，則在較長(zhǎng)的時(shí)間里不能保持必要的室內(nèi)溫度，達(dá)不到采暖的目的和要求。因此，正確地確定和合理地采用采暖室外計(jì)算溫度是一個(gè)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)統(tǒng)一的問題[7]。

為了比較合理地確定采暖室外計(jì)算溫度，在結(jié)合我國(guó)國(guó)情和氣候特點(diǎn)以及建筑物的熱工情況下，并以國(guó)內(nèi)外有關(guān)資料為借鑒，我國(guó)制定了以日平均溫度為統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)，按歷年不保證5 d的原則，確定供暖室外計(jì)算溫度[7]。這種方法對(duì)連續(xù)供暖的工業(yè)與民用建筑是恰當(dāng)?shù)?，但?duì)溫室大棚卻不合適。首先，溫室大棚熱惰性很差，與工業(yè)建筑和住宅建筑不同，可以在很短時(shí)間內(nèi)完成熱量交換；其次，植物與人不同，溫室大棚內(nèi)植物對(duì)溫度比較敏感，稍微的溫度變化就會(huì)影響植物生長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間久了甚至?xí)?dǎo)致植物死亡。所以，不能簡(jiǎn)單地將民用建筑規(guī)范應(yīng)用于溫室大棚。endprint

針對(duì)溫室大棚室外計(jì)算溫度的選取，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者做出了相關(guān)研究。張亞紅等[8]通過確定我國(guó)連棟溫室室外設(shè)計(jì)溫度，計(jì)算分析了室外設(shè)計(jì)溫度在全國(guó)的分布狀況，進(jìn)而計(jì)算連棟溫室最大熱負(fù)荷。邢丙丙等[9]以雄縣地?zé)釡厥覟檠芯繉?duì)象，提出采用保證率法確定溫室供暖設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度的方法，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，證明所用方法是可行的。張亞紅等[10]介紹的日本利用度時(shí)計(jì)算溫室期間采暖負(fù)荷的方法，在選取溫室設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度時(shí)采用了3種方法：一是采用數(shù)年一遇的最低溫度；二是采用近20年中連續(xù)最低氣溫的平均值；三是根據(jù)建筑供暖中不保證天數(shù)確定。周長(zhǎng)吉等[7]在分析國(guó)家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，提出根據(jù)溫室的設(shè)計(jì)使用壽命，采用“一定年限內(nèi)累年年最低溫度的平均值”作為溫室采暖設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度的計(jì)算方法，并結(jié)合分析國(guó)內(nèi)氣象數(shù)據(jù)，分析得出該方法計(jì)算所得的溫室采暖設(shè)計(jì)室外計(jì)算溫度可使溫室采暖期的保證率提高到99%±0.5%。筆者認(rèn)為這種方法是最適合的溫室大棚室外計(jì)算溫度的選取辦法。

2.3 負(fù)荷計(jì)算

與住宅建筑不同，溫室大棚內(nèi)需同時(shí)保持一定量的二氧化碳和氧氣濃度，以使植物進(jìn)行光合作用和呼吸作用，所以溫室大棚內(nèi)須有一定的換氣次數(shù)。溫室大棚的供暖負(fù)荷，經(jīng)過簡(jiǎn)化后主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、土壤的散熱量、冷風(fēng)滲透耗熱量、通風(fēng)換氣耗熱量和溫室大棚頂棚輻射耗熱量，計(jì)算公式如下。

根據(jù)上述公式，可以計(jì)算出溫室大棚地供暖負(fù)荷，為后續(xù)計(jì)算奠定基礎(chǔ)。

3 設(shè)備選擇

3.1 熱源設(shè)備

我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)溫室大棚供暖設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很大的影響。我國(guó)溫室大棚供暖設(shè)備已經(jīng)開始摒棄以前部分不環(huán)保、不節(jié)能的設(shè)備，逐漸開展對(duì)環(huán)保型、節(jié)能型供暖設(shè)備的研究。陳華山[12]開展了對(duì)太陽(yáng)能與鍋爐聯(lián)合供暖系統(tǒng)的研究，將太陽(yáng)能系統(tǒng)與鍋爐結(jié)合使用為溫室大棚進(jìn)行供暖，并取得良好效果。李曼[13]將地源熱泵系統(tǒng)用于草莓培育基地，為草莓種植大棚供暖，既節(jié)能環(huán)保又具有高效性和靈活性。筆者也曾針對(duì)果蔬大棚的供暖進(jìn)行試驗(yàn)，并將空氣源熱泵用于果蔬大棚的供暖系統(tǒng)，取得了非常好的效果，大棚內(nèi)溫度過高時(shí)，可以進(jìn)行降溫，大棚內(nèi)溫度過低時(shí)，可以為大棚供暖，保證了果蔬大棚晝夜溫度。

目前，我國(guó)溫室大棚的配套設(shè)備很不完善。由于資金問題，高端的配套設(shè)備，因其造價(jià)較高而不適用于大部分溫室大棚[6]?，F(xiàn)有的溫室大棚設(shè)備，大都是單項(xiàng)作業(yè)，若用高端的溫室配套設(shè)備，不但浪費(fèi)資源，而且操作復(fù)雜，人機(jī)對(duì)話不便[6]。

隨著不可再生資源的使用以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，很多專家學(xué)者都不提倡使用化石能源作為溫室大棚供暖能源的選擇。因此，開發(fā)可再生能源作為溫室大棚供暖能量來(lái)源，已經(jīng)成為眾多專家學(xué)者研究的對(duì)象和目標(biāo)。風(fēng)能、太陽(yáng)能及地?zé)崮茉吹瓤稍偕茉丛谖磥?lái)會(huì)成為能源領(lǐng)域的主要成員。這些能源不僅可以重復(fù)利用，而且清潔環(huán)保，不會(huì)對(duì)溫室大棚產(chǎn)生任何環(huán)境污染，更有利于提高溫室作物的品質(zhì)，進(jìn)而增加農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入。雖然初始投資相對(duì)較高，但在國(guó)家政策支持下，這種新型能源的溫室大棚一定會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.2 末端設(shè)備

為給溫室大棚進(jìn)行供暖，末端設(shè)備的使用是必不可少的。一般建筑供暖使用的末端設(shè)備包括散熱器、地板供暖管道以及風(fēng)機(jī)盤管，但是為溫室大棚進(jìn)行供暖時(shí)，必須結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行考慮。

溫室大棚的供暖末端設(shè)備主要有地板供暖管道、散熱器（或散熱片）和風(fēng)機(jī)盤管。幾種設(shè)備各自具有優(yōu)缺點(diǎn)。（1）采用地板輻射供暖時(shí)，輻射面積大，供熱均勻，而且由于管道敷設(shè)在溫室大棚下部，距離農(nóng)作物距離較近，供回水溫度可適當(dāng)降低。但是一般情況下溫室大棚內(nèi)的植物都是種植在地上，而采用地板輻射供暖的話，供熱管道的布置就成為一個(gè)問題了。管道不僅會(huì)占用地面空間，而且管道的保養(yǎng)和使用壽命也會(huì)受到室內(nèi)濕空氣影響。因此，如果要采用輻射供暖，最好將管道敷設(shè)在四周墻面或者頂棚上，這樣既能保證良好的供暖溫度，又能不占用地面空間，保證作物的收成。（2）部分溫室大棚采用散熱器或者散熱片作為末端散熱設(shè)備，成本低，效果好，設(shè)備布置簡(jiǎn)單。但同樣會(huì)占用溫室大棚的空間，而且大棚內(nèi)的濕度較大，對(duì)散熱器或者散熱片這種金屬制品腐蝕性很大，影響其使用壽命。（3）采用風(fēng)機(jī)盤管為溫室大棚進(jìn)行供暖，采用熱空氣混合加熱的方式，可以快速使大棚內(nèi)溫度達(dá)到要求，并且風(fēng)機(jī)盤管采用懸掛安裝的方式，不會(huì)占用地面空間。但是，風(fēng)機(jī)盤管造價(jià)較高，安裝較散熱器復(fù)雜，使用時(shí)還要控制好風(fēng)速和風(fēng)向，因此很多溫室大棚都未采用。

4 結(jié) 論

本文對(duì)我國(guó)溫室大棚供暖相關(guān)的室內(nèi)外計(jì)算溫度的選擇和供暖負(fù)荷計(jì)算進(jìn)行了論述，并對(duì)熱源設(shè)備和末端設(shè)備進(jìn)行了比較。我國(guó)溫室大棚供暖設(shè)備的研究已取得巨大的進(jìn)步，基本滿足了我國(guó)北方溫室大棚冬季供暖的需求，但是不同設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，選取一種方便快捷的負(fù)荷計(jì)算方法，研究出一種價(jià)格低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、可控性好、節(jié)省能源的新型供暖設(shè)備，是未來(lái)溫室大棚的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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