零能耗光電光熱耦合立體生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚的研究分析

艾雅茹 魯珊 周麗 李成杰 陳夢娟 李安英 曹燕

[摘 要]為了改進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的諸多不足之處，本團(tuán)隊(duì)將立體生態(tài)農(nóng)業(yè)與光電、光熱產(chǎn)業(yè)等新型模式引入傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，進(jìn)行分析計(jì)算研究，以一定比例進(jìn)行種植、養(yǎng)殖，鋪設(shè)光伏板，使大棚能夠?qū)崿F(xiàn)能量的自給自足，并進(jìn)行了優(yōu)勢、推廣可行性分析。

[關(guān)鍵詞]太陽能;光伏發(fā)電;溫室大棚;利用效率;發(fā)展對策

[中圖分類號]P747 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

1 前言

在武漢市組織的新青年下鄉(xiāng)活動中，我們設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)許多農(nóng)戶使用的是傳統(tǒng)塑料大棚，而這種大棚的弊病有很多，例如效率低，土地資源得不到更有效的利用，產(chǎn)生大量白色污染。所以這些問題是本團(tuán)隊(duì)在這次設(shè)計(jì)中主要想解決的。我們提出了零能耗光電光熱耦合立體生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)，該農(nóng)業(yè)大棚分為上下兩個(gè)空間，上層種植農(nóng)作物，下層養(yǎng)牲畜，將各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的廢物進(jìn)行再利用，屋頂及四周均鋪設(shè)光伏板，外部設(shè)置風(fēng)力發(fā)電裝置，產(chǎn)生的電力用于大棚運(yùn)作，多余的能量儲存起來，在陰天及夜晚的時(shí)候再將能量釋放，實(shí)現(xiàn)大棚的零能耗。

2 能耗與發(fā)電計(jì)算比較

零能耗光電光熱耦合立體農(nóng)業(yè)大棚的能耗使用分析包括8個(gè)方面，分別是：采光要求，大棚補(bǔ)光燈，集熱管冬季需達(dá)到的溫度，沼氣和產(chǎn)生的生物肥，孵蛋器能耗，養(yǎng)雞專用LED燈能耗，養(yǎng)雞降溫設(shè)備能耗，光伏板發(fā)電。

2.1 采光要求

大棚的平面尺寸為南北朝向40m，東西朝向15m。其中，上層蔬菜種植層，空間為15×40×3（m3），下層為雞舍，空間為 15×40×2.5（m3），其中側(cè)窗戶寬0.8m，高1.2m，天窗井長2m，寬2m。由表1可知，大棚采光等級為Ⅳ，采光系數(shù)最低值1%，由表2可知，單側(cè)采光有效深度為工作面至窗口上沿垂直距離的兩倍。

設(shè)2m內(nèi)一扇窗，則長40m安裝20扇側(cè)窗，寬15m安裝7扇側(cè)窗，其中側(cè)窗共計(jì)20×2+7×2=57扇，面積S1=57×0.96=54.72 ㎡，由圖2可知平天窗是雙側(cè)窗窗地面積的3倍，在大棚中間安裝4個(gè)天窗井 則4個(gè)天窗井換算成側(cè)窗面積為S2=2×2×4×3=48㎡ S總=103㎡，大棚一層面積為600㎡ 所以為滿足采光需要的窗戶面積為600×0.2=120㎡，故如此布窗基本能夠滿足大棚光照的要求。

2.2 大棚補(bǔ)光燈（冬季）

計(jì)算得，照射面積為600m2，本研究選用功率為60W的LED，共需76盞，共計(jì)能耗76×0.06=4.56度/h，一天總能耗為4.56×24=109.5度。

2.3 集熱管冬季需達(dá)到的溫度（冬季）

資料顯示，大白菜最適宜的生長溫度為20℃。采集數(shù)據(jù)可知，在冬季，集熱管未供應(yīng)熱水時(shí)，大棚內(nèi)的土壤溫度為0℃，冬季熱水器溫度達(dá)到26℃，即可滿足換熱要求。現(xiàn)設(shè)供水體積為V，已知熱水管直徑d=0.05m，土的密度ρ0=1.29×103，土的比熱容C0=1.34×103，土層厚度H=0.1m ，面積S=13×35.2=457.6㎡，由此可得等式Q土=Q水，即

1.34×103×1.29×103×457.6×0.1×20=4.2×103×1×103×6×V ，解得：V=62.8m2

而傳統(tǒng)供熱方式為通過暖風(fēng)機(jī)給室內(nèi)環(huán)境供熱，對于本團(tuán)隊(duì)研究的土地面積大小，我們需要功率為500W的暖風(fēng)機(jī)4臺，共計(jì)能耗為0.5×4=2度/h，一天能耗2×24=48度。

因此使用集熱管在冬季供熱比一般方式一天可以節(jié)約48度。

2.4 沼氣和產(chǎn)生的生物肥

資料顯示，每只雞一天大約會排泄30g的糞便，其中鮮雞糞便含SS（固體物）20%，1㎏SS可產(chǎn)生0.3 m3的沼氣，而每立方米的沼氣可發(fā)電1.4度，無氧發(fā)酵后沼渣約為30%，本研究養(yǎng)殖的牲畜一天糞便量約為M=0.03×2000=60㎏，沼氣體積V=60×0.2×0.3=3.6 m3，這些沼氣產(chǎn)生電量，可用于發(fā)電P=1.4×3.6=5.04度，并且可以得到生物肥m=60×0.3=18㎏。

2.5 孵蛋器能耗（夏冬）

選用雞籠尺寸為1.88×2.3×1.56（m3），可用于養(yǎng)殖96只雞，大棚內(nèi)大約可養(yǎng)2000只雞。養(yǎng)殖的蛋雞的產(chǎn)蛋率較高，大棚內(nèi)每日產(chǎn)蛋量約2000枚。孵蛋器尺寸大小為1.34×0.87×168（m3）可孵雞蛋2112枚，其中一臺機(jī)器每小時(shí)耗能約為500w，雞蛋的孵化周期大約為21天，共需要機(jī)器21臺，共計(jì)一天能耗約為10×24=240度。

2.6 養(yǎng)雞專用LED燈能耗（夏冬）

養(yǎng)殖共有8處，每處長12.88m，寬0.85m，共需要布置LED燈6盞，一天共計(jì)能耗約為12×48=576W/h=0.576度/h，0.576×24=13.8度

2.7 養(yǎng)雞降溫設(shè)備能耗 （夏季）

設(shè)雞舍通風(fēng)量為Q，按照舍內(nèi)風(fēng)速計(jì)算Q=3600×V×B×H m3/h，舍內(nèi)平均風(fēng)速為1.5-2.0m/s，取V=1.5 m/s，雞舍寬度為B=40 m，雞舍過流截面平均高度為H=3 m，得

Q=3600×1.5×40×3=648000 m3/h。

又設(shè)濕簾面積為S，其中S=Q/3600V，又Q=雞舍通風(fēng)量648000 m3/h，得S=120m3。

過濕簾后雞舍內(nèi)空氣溫度T0，T0=T-η*（T-T1），式中T=室外空氣干球溫度，T1=室外空氣濕球溫度，η=濕簾降溫效率（70%-80%），其中T=35.2℃，T1=26.2℃，η=80%，得T0=28℃。

濕簾尺寸：12.88×2×4+5.44×2×5=157.5㎡ >120㎡。

已知共需要大水泵4個(gè)，小水泵5個(gè)，一天能耗約為（4×0.09+5×0.045）×24=14.04度，又風(fēng)機(jī)風(fēng)速10m/s，風(fēng)機(jī)和濕簾對立安裝共9臺，共計(jì)能耗約1.1×9=9.9度/h，一天能耗9.9×24=237.6度。

若使用其他降溫方式，在相同條件下，能耗計(jì)算如下：

①中央空調(diào)

共需9臺4150W 的中央空調(diào)，共計(jì)耗能約為4150×9= 37.35kW，一天總耗電量約為37.35×24=896.4度。

②移動冷風(fēng)機(jī)

共需120個(gè)650W的移動冷風(fēng)機(jī)，共計(jì)耗能約為650×20= 13kW，一天總耗電量約為13×24=312度。

而以上兩種降溫方式均比濕簾耗電量大，由此可見濕簾的節(jié)能性。

2.8 光伏板發(fā)電

光伏板鋪設(shè)面積為40×3×2+15×3×2+60×15=1230m2，其中其轉(zhuǎn)換效率 18%。

又輻射量Ep=HA×S×K1×K2，式中HA—每天太陽能總輻射照度（kw·h/m2），S——組件面積總和（m2），K1—組件轉(zhuǎn)換效率18%，K2——系統(tǒng)綜合效率 0.8。

其中：夏季：HA=5.1 kw·h/m2，S=1230 m2，K1=0.18 ，K2=0.8

Ep=5.1×1230×0.18×0.8=903.3kw·h

又夏季一天總耗電240+13.8+14.04+237.6=505.4 kw·h

903.3>505.4

冬季：HA=3.56 kw·h/m2，S=1230 m2，K1=0.18 ，K2=0.8

Ep=3.56×1230×0.18×0.8=630.8kw·h

又冬季一天總耗電109.5+240+13.8=363.3 kw·h

630.8>363.3

所以綜上計(jì)算可知，可以實(shí)現(xiàn)零能耗建筑。

3 優(yōu)勢、推廣可行性分析

3.1 優(yōu)勢分析

從我們的走訪調(diào)研看來，現(xiàn)農(nóng)村已經(jīng)大量使用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚，并多為單層的塑料薄膜大棚，存在著諸多問題。結(jié)合光電光熱耦合的立體生態(tài)大棚與之相比更加具有科學(xué)性、先進(jìn)性：

（1）節(jié)能性。大棚中所有的設(shè)備供電全由光伏發(fā)電和風(fēng)機(jī)發(fā)電提供，冬季中室內(nèi)溫度調(diào)控由集熱管產(chǎn)生的熱水與室內(nèi)換熱實(shí)現(xiàn)。將熱水管布置在土壤里，與傳統(tǒng)的通過空氣換熱相比減少了熱量的散發(fā)，可以將供熱溫度降低3℃-5℃，最大限度上利用了能量。減少了能耗。

（2）土地利用的高效性。在傳統(tǒng)的單層大棚上發(fā)展為立體大棚，提高空間利用率。上層養(yǎng)雞，下層種植蔬菜，是對土地的合理有效的開發(fā)。

（3）模式中的生態(tài)性。將各環(huán)節(jié)的廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，充分利用廢棄物中能量，在大棚內(nèi)構(gòu)成一個(gè)生態(tài)循環(huán)。

（4）模式的發(fā)展性。打破傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚理念，光伏發(fā)電與農(nóng)業(yè)的結(jié)合既響應(yīng)了國家能源局印發(fā)的《關(guān)于實(shí)施光伏扶貧工程工作方案》。進(jìn)一步推進(jìn)了扶貧工程，為未來農(nóng)業(yè)大棚的發(fā)展提供新的參考方向。

（5）可靠性。新型農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)更加安全可靠，并且其使用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚的使用壽命。

3.2 推廣可行性分析

零能耗光電光熱耦合立體生態(tài)農(nóng)業(yè)大棚的設(shè)計(jì)主要是為了合理提高貧困農(nóng)村土地利用率、農(nóng)業(yè)種植效率。在合適的設(shè)計(jì)比例下，不僅可以實(shí)現(xiàn)零能耗，而且在光照充足的條件下可以并網(wǎng)發(fā)電。如果發(fā)電效益可觀，還可以引入現(xiàn)有光伏補(bǔ)貼廠家進(jìn)行初始投資，共同收益。對于農(nóng)戶而言，不僅可以在一片土地上實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)產(chǎn)品收入，還能得到發(fā)電收益，并且獲得初投資，能順利實(shí)現(xiàn)脫貧致富的目標(biāo)。

[參考文獻(xiàn)]

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