一種以秸稈燃燒為地熱熱源的溫室設(shè)計

劉 晶，王慧杰，劉躍鵬，竹夢婕

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，山西 運城 044000；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西 太原 030031）

0 引言

溫室，又稱暖房，能透光、保溫（或加溫），是用來栽培植物的設(shè)施。在不適宜植物生長的寒冷季節(jié)，能通過增溫的方式來提供作物的生育期和增加產(chǎn)量，多用于低溫季節(jié)喜溫蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。目前溫室大棚在全國已經(jīng)得到大面積推廣，尤其是在反季節(jié)瓜果蔬菜等經(jīng)濟作物的栽培種植上取得了較大的成果，獲得了可觀的經(jīng)濟收益[1-7]。

現(xiàn)有的溫室大棚大多利用太陽能，采用玻璃、塑料膜、后墻體等材料來吸收太陽能，使溫室大棚內(nèi)的溫度得到提高[8-10]。這種依靠太陽能使塑料大棚增溫的方式，在實踐中存在以下問題：一是冬天的長夜，特別是高緯度、高海拔地區(qū)遇到極端氣候情況時，日光溫室極易發(fā)生凍害，造成損失；二是遇到較長時間的陰天、霧霾天或光照不足時，日光溫室溫度不足，易造成溫室內(nèi)植物生長不良，發(fā)育遲緩現(xiàn)象，溫室效益得不到保障[11,12]。

1 地熱型溫室的設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

針對現(xiàn)有日光溫室大棚冬季溫度不足[13-15]，增溫緩慢的現(xiàn)象，設(shè)計一種以秸稈燃燒為地熱熱源的溫室技術(shù)，將熱量通過地暖管輸送至溫室大棚，可以快速有效地增加大棚內(nèi)的溫度，使大棚內(nèi)部升溫均勻，同時溫室內(nèi)作物生長溫度的可控性也得到提高。

地熱型溫室主要由秸稈爐和溫室大棚兩大部分組成。秸稈爐包括水箱、爐灶口、添柴口、暖氣片組和爐體；溫室大棚由大棚支架、大棚膜、地暖管、循環(huán)泵和分集水器組成。地熱型溫室大棚總體設(shè)計如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 地熱型溫室總體設(shè)計圖Fig.1 The overall design of the greenhouse

秸稈爐爐體內(nèi)部是一個左中右貫通的空腔，暖氣片組位于爐體內(nèi)空腔的中部，水箱在暖氣片組的上方爐體的外側(cè)，爐體的上方左右兩邊各有1個爐灶口，右側(cè)爐灶口的右側(cè)有一添柴口；大棚支架呈圓拱形，大棚膜鋪滿大棚支架，使其形成密封的空間，地熱管位于大棚支架的底部，分為左右2支，開端上設(shè)有分集水器，循環(huán)泵安裝在地暖管的進水口處。

使用時，首先向水箱內(nèi)注水，使暖氣片組和地熱管中充滿水，當水充滿后，將秸稈添入添柴口，點火。秸稈燃燒后，熱量先將暖氣片組內(nèi)的水溫升高，進而在循環(huán)泵和連接管道的作用下通過水的循環(huán)作用將地熱管中的水溫升高，通過地熱管散熱使整個溫室大棚的溫度得到提高，當棚內(nèi)溫度提高到適宜作物生長時，停止向添柴口添加秸稈。為了維持恒溫狀態(tài)，可以定時定量添加秸稈。在給溫室大棚供熱的同時，在2個爐灶口處還可以燒水做飯，使熱量得到充分的利用。若種植的作物較少時，可以在大棚的中間豎起分隔板，通過關(guān)閉分集水器上的閥門來減少地熱管熱量循環(huán)，從而可以減少秸稈使用量，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

2 技術(shù)特點

以秸稈燃燒為地熱熱源的溫室技術(shù)，有如下特點：

1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，采用地熱方式為大棚供暖，可以快速有效地提升大棚內(nèi)的溫度，且升溫均勻。

2）燃燒原料來源廣泛，各種作物秸稈、果木枝條等均可作為熱源。

3）秸稈爐爐體是由若干塊水泥發(fā)泡保溫板拼接而成，水泥發(fā)泡保溫板質(zhì)量輕、方便組裝，拼接而成的爐體結(jié)構(gòu)緊密、牢固，加強了保溫隔熱效果，同時爐內(nèi)設(shè)置了電點火器和提溫消煙器，加速了點火，有效除塵，使可燃物能夠充分燃燒，環(huán)保經(jīng)濟，具有結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、使用方便的優(yōu)點。

3 溫室測試試驗

3.1 溫度測試

1）測試地點為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所地熱型溫室大棚，大棚體積為68.4 m3（9.0 m×3.8 m×2.0 m）。首先，在溫室大棚北中南3個方位分別選取3個測溫點，如圖2所示，試驗中每天燃燒秸稈3次，每8 h添加一次，每次用量25 kg，每隔4 h測溫1次，連續(xù)進行3 d；同時，在同一時間點對室外的溫度進行測量；最后，將3 d的測溫數(shù)據(jù)進行整理，以平均值表示各測溫點的溫度，溫度分布如圖3所示。由圖3可見，棚內(nèi)的溫度明顯高于室外的溫度，棚內(nèi)溫度全天維持在10～15℃區(qū)間，溫度相對比較穩(wěn)定，爐子的加熱效果較好。對于面積較大的溫室大棚，可以適當增加添柴量，或是增加地熱管的密度來提高增溫效果。

2）我國是秸稈產(chǎn)生大國，尤其是玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈和稻殼等極為豐富，生產(chǎn)1 t玉米可產(chǎn)生2 t秸稈，一般秸稈熱值約為15 MJ/kg，相當于標準煤的50%，即使是發(fā)熱量最小的小麥秸稈、玉米秸稈，其熱值也有14.4 MJ/kg，相當于0.492 kg標準煤。

圖2 測溫點示意圖Fig.2 temperature measurement point

圖3 24 h溫度測定Fig.3 24h temperature test

基于上述秸稈燃燒熱值，分別使用棉花秸稈和樹枝對地熱型溫室進行升溫測試。棉柴升溫測試如表1所示，時間為12月24日，棉柴質(zhì)量為25 kg，點火時間為11：00。樹枝升溫測試如表2所示，時間為12月25日，樹枝質(zhì)量為25 kg，點火時間為11：00。

由表1—2可以看出，從開始點火到爐膛內(nèi)溫度升高，用時約20 min，在相同時間內(nèi)、燃料用量相同的情況下，使用不同秸稈作為燃料，8 h內(nèi)爐膛內(nèi)及棚內(nèi)的溫度變化情況，為秸稈燃料的選擇提供依據(jù)。

表1 地熱型溫室棉柴升溫測試Tab.1 temperature test of cotton straw ℃

表2 地熱型溫室樹枝升溫測試Tab.2 temperature test of branches ℃

3.2 燃燒排放物的監(jiān)測

在秸稈爐的煙囪底部和中部選取2個位置，如圖4所示，進行煙塵濃度、SO2濃度和NOx濃度的監(jiān)測，每個測量點做3次重復(fù)，以平均值表示各排放物的濃度，檢測結(jié)果如表3所示。

根據(jù)GB13271—2001《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求，二類區(qū)Ⅱ時段煙塵排放標準根據(jù)燃料（煤、油、氣）的不同分別是120～200 mg/m3，100～150 mg/m3，50 mg/m3，根據(jù)GB13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》的要求，SO2排放濃度限值根據(jù)燃料（煤、油、氣）的不同分別是400～550 mg/m3，300 mg/m3，100 mg/m3，NOx排放濃度限值為400 mg/m3。

圖4 測量點位置Fig.4 Measuring point position

由此得出，地熱型溫室燃燒秸稈排放的NOx濃度明顯低于排放標準，SO2濃度也低于燃煤、燃油鍋爐，煙塵濃度排放標準符合國家要求。同時，為了進一步減少煙塵的排放，設(shè)計了一種除煙裝置。

表3 排放物濃度Tab.3 Emission concentratio mg/m3

4 應(yīng)用前景

我國農(nóng)民對作物秸稈的利用有優(yōu)久的歷史，由于原來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平低、產(chǎn)量低，秸稈數(shù)量少，秸稈除少量用于墊圈、喂養(yǎng)牲畜，部分用于堆漚肥外，大部分就地焚燒。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，我國自20世紀80年代以來，糧食產(chǎn)量大幅提高，秸稈數(shù)量也隨之增加，加之省柴節(jié)煤技術(shù)的推廣、燒煤和使用液化氣的普及，農(nóng)村有大量富余秸稈，為秸稈燃料來源提供了充足的保證，也為其大力推廣提供了市場。

在能源需求持續(xù)增長、能源價格顯著上漲的背景下，秸稈作為一種可再生燃料，具有碳活性好、易燃、點火快，比燃煤降低使用成本等優(yōu)點，同時秸稈燃燒后的灰分可以回收做鉀肥，實現(xiàn)了“秸稈→燃料→肥料”的有效循環(huán)。以燃燒秸稈為熱源、以地熱方式為溫室大棚供暖，適用于種苗培育、蔬菜種植和科學(xué)研究等。