南疆沙漠日光溫室水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王志偉 李明 劉文科 劉義飛

新疆南疆地區(qū)位于歐亞大陸腹地，境內(nèi)光熱資源豐富、空氣質(zhì)量高、出口便利，具備發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的先天優(yōu)勢(shì)和潛力[1]。新疆太陽(yáng)年總輻射量達(dá)到5000～6400 MJ/m2，而南疆地區(qū)基本都在5800 MJ/m2以上[2]。南疆和田地區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠邊緣，沙漠土地資源豐富，屬于典型沙漠設(shè)施農(nóng)業(yè)類型。和田地區(qū)依托沙漠大力發(fā)展沙漠設(shè)施農(nóng)業(yè)，截至2018年4月和田地區(qū)沙漠設(shè)施農(nóng)業(yè)種植面積達(dá)到28097.16畝（1783 hm2），全年計(jì)劃新建日光溫室溫室900座、拱棚1610座（數(shù)據(jù)來(lái)源于和田地區(qū)農(nóng)業(yè)局）。設(shè)施園藝的發(fā)展不僅對(duì)南疆地區(qū)城鄉(xiāng)居民生活改善具有重要作用，更為南疆地區(qū)脫貧攻堅(jiān)、安居穩(wěn)定和各民族團(tuán)結(jié)提供了切實(shí)可靠的保障。未來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)將要承擔(dān)“促進(jìn)南疆農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效、全方位拓展市場(chǎng)、成為南疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新亮點(diǎn)”的任務(wù)[3-4]。

近年來(lái)，南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，截至2017年底，全疆共有30個(gè)設(shè)施蔬菜萬(wàn)畝縣（市），南疆占到了11個(gè)，南疆4地州設(shè)施農(nóng)業(yè)面積（不含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)）占到全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)的1/3，達(dá)到2.09萬(wàn)hm2，其中日光溫室0.86萬(wàn)hm2，拱棚1.23萬(wàn)hm2;新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)南疆地區(qū)第一師、第二師、第三師、第十四師日光溫室總面積達(dá)到869.33 hm2，占設(shè)施總面積的76.2%，僅2016年6月～2017年6月設(shè)施農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到5.10億元[5-6]。設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為南疆地區(qū)僅次于“糧、棉、林果、畜牧”的重要支柱產(chǎn)業(yè)。日光溫室是南疆地區(qū)最重要的園藝設(shè)施，但受建造水平的限制，普遍存在著冬季夜間室內(nèi)氣溫不高的問(wèn)題，冷害凍害時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響了作物產(chǎn)量和品質(zhì)。當(dāng)?shù)毓鉄豳Y源豐富的優(yōu)勢(shì)并未轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，嚴(yán)重制約了南疆地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。

后墻是日光溫室維持夜間室內(nèi)氣溫的重要構(gòu)件。傳統(tǒng)的后墻兼顧保溫和蓄熱功能，可在日間儲(chǔ)蓄太陽(yáng)輻射能和空氣熱能，在夜間向室內(nèi)放熱。但上述儲(chǔ)放熱方式屬于被動(dòng)過(guò)程，不僅效率低，而且易出現(xiàn)后半夜溫度較低的現(xiàn)象。研究表明，日光溫室后墻白天接受太陽(yáng)總輻射約占地面接收太陽(yáng)總輻射的50%～60%，夜間，室內(nèi)獲得的熱量中墻面放熱量約占1/3，地面放熱量約占2/3[8]。此外，土壤夜間放熱性能較為穩(wěn)定，受外界自然氣候條件影響小。為此，筆者開(kāi)發(fā)了一種水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)（圖1），可通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的水將后墻吸收的太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，將其傳遞并儲(chǔ)存在土壤中，加強(qiáng)夜間土壤放熱能力，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射能在時(shí)間與空間的轉(zhuǎn)移，進(jìn)而改善夜間室內(nèi)氣溫水平，增強(qiáng)日光溫室對(duì)連續(xù)陰天等不利氣象條件的抵御能力。

水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖2），其運(yùn)行原理（圖3）是以水泵驅(qū)動(dòng)水循環(huán)，白天，流經(jīng)水幕集熱裝置的循環(huán)水吸收太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)熱升溫，然后流經(jīng)地暖管時(shí)水將熱量交換到植物栽培槽底部深層土壤中，夜間，儲(chǔ)存在深層土壤和地暖管中的熱量被動(dòng)地釋放出來(lái)，主動(dòng)提高植物根區(qū)溫度與室內(nèi)空氣溫度，通過(guò)土壤與空氣的熱交換實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。系統(tǒng)巧妙地解決了傳統(tǒng)溫室僅依靠后墻蓄熱的局限，有效利用了溫室地面這個(gè)巨大的蓄熱體，將熱量進(jìn)行時(shí)間與空間的轉(zhuǎn)移。

傳統(tǒng)主動(dòng)蓄放熱系統(tǒng)是依靠大體積蓄熱水池，導(dǎo)致土方作業(yè)成本高、溫室荷載大，而水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)在于使用0.5 m3小體積水，通過(guò)動(dòng)態(tài)循環(huán)熱流體直接將熱量?jī)?chǔ)存在植物栽培槽底部深層土壤中，改善土壤溫度的同時(shí)提升空氣溫度，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝栽培措施與設(shè)施環(huán)境調(diào)控匹配結(jié)合，可以有效抵御傳統(tǒng)系統(tǒng)在陰天集熱不足的問(wèn)題。

日光溫室水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

水幕集熱裝置設(shè)計(jì)

水幕集熱裝置為整個(gè)集熱系統(tǒng)的核心部分，由吸熱層、導(dǎo)流水幕層、保護(hù)層和固定框架等構(gòu)件組成（圖4）。其中吸熱層、導(dǎo)流水幕層和保護(hù)層3者粘合在一起，水可從水幕上部出水管路流入，沿導(dǎo)流水幕層向下流動(dòng)并離開(kāi)水幕，沿著回水管路流回水桶。

吸熱層主要用于收集太陽(yáng)輻射能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能，在此基礎(chǔ)上綜合考慮生產(chǎn)成本、壽命等因素，選用0.12 mm碳黑色聚氯乙烯鹽膜作為吸熱層材料。該材料主要合成材料為樹(shù)脂、增塑劑、穩(wěn)定劑和潤(rùn)滑劑等混合材料，不僅耐老化、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度大而且制作工藝中加入的光穩(wěn)定劑可以有效屏蔽太陽(yáng)紫外線，具有很好的防漏防滲特性。此外，該材料制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品厚度均勻平整，接頭處易與小型熱塑機(jī)快速粘合，便于安裝推廣。為了簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序，選用該材料作為水幕的保護(hù)層。

導(dǎo)流水幕層可使流經(jīng)水幕集熱裝置的水形成薄水膜，充分吸收并轉(zhuǎn)移吸熱層的熱量。經(jīng)過(guò)前期研究，選用厚度0.5 cm的絲綿（合成纖維）作為導(dǎo)流水幕層（圖5），其技術(shù)特點(diǎn)是重量輕、拉力好、耐腐蝕、高度蓬松及面部均勻不跑絲，吸水晾干后可恢復(fù)原狀。

在實(shí)際生產(chǎn)中，如何將吸熱層、導(dǎo)流水幕層材料和保護(hù)層有效粘合在一起是制作水幕集熱裝置的關(guān)鍵所在。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的粘合工藝有熱熔法[9]、有機(jī)溶劑法[10]、淋膜法[11]等。根據(jù)水幕集熱裝置結(jié)構(gòu)材料，選用熱熔機(jī)和有機(jī)溶劑兩種方法（圖6）。熱熔機(jī)用以粘合水幕集熱裝置上、下兩層膜左右接口以及進(jìn)、出水口的塑形;有機(jī)溶劑用以粘合導(dǎo)流水幕層和水幕集熱裝置上、下兩層膜。

固定框架用于將水幕和管道固定在后墻。根據(jù)實(shí)際要求，水幕集熱裝置的固定框架采用市場(chǎng)上常見(jiàn)的鍍鋅卡膜槽（長(zhǎng)4 m）和卡簧（Φ2 mm）通過(guò)鍍鋅鋼釘固定于后墻合適位置（圖7）。

地暖管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

地暖管放熱裝置是儲(chǔ)/放熱系統(tǒng)的核心部分，其功能是轉(zhuǎn)移熱量并與儲(chǔ)熱介質(zhì)土壤進(jìn)行熱交換。地暖管的選型應(yīng)滿足成本低、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、具有一定承壓能力和抗機(jī)械損傷能力等要求。為此，該系統(tǒng)選用PE材質(zhì)滴灌管（Φ16 mm）作為地暖管放熱裝置（圖8）。

除上述技術(shù)要求外，管埋深度和間距也是重要指標(biāo)。管埋深度要考慮到不對(duì)耕作層機(jī)械操作造成障礙，同時(shí)不影響作物根系的生長(zhǎng)，所以埋設(shè)深度確定為40 cm。管埋間距根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)栽培槽底部尺寸（長(zhǎng)7 m、寬50 cm）確定為10 cm，每個(gè)栽培槽底部埋設(shè)4根，相鄰栽培槽間距1.5 m，地暖管沿著相鄰栽培槽底部呈“S”型鋪設(shè)。

水泵及水桶選型

水泵的作用是將水幕集熱裝置中回流到水桶內(nèi)的高熱循環(huán)水直接泵到深層土壤內(nèi)的地暖管中，經(jīng)過(guò)與土壤熱交換后再進(jìn)入到水幕集熱裝置內(nèi)，往復(fù)循環(huán)。因此，循環(huán)水泵應(yīng)滿足高揚(yáng)程、小流量的基本要求。根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)，水泵選擇QD3-35/2-0.75，運(yùn)行功率0.75 kW，流量3 m3/h，揚(yáng)程35 m，為系統(tǒng)運(yùn)行提供動(dòng)力，水桶容積為0.5 m3。

系統(tǒng)對(duì)溫室空氣溫度、土壤溫度的影響

由表1可得，12月27日（典型晴天）條件下，白天，G1、G2溫室跨中空氣平均溫差分別為28.9℃和23.3℃，夜間，G1、G2空氣平均溫差為13.2℃和11.1℃。水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)白天能為溫室空氣增溫5.6℃，夜間可為溫室空氣增溫2.1℃。

從表2可得，2019年12月27日（典型晴天）條件下，G1槽內(nèi)根區(qū)最高最低溫度差值最大在地表處為17.6℃，最小在20 cm處為3.9℃，G2槽內(nèi)根區(qū)最高最低溫度差值最大也在地表處為20.0℃，最小在40 cm處為2.0℃。G1槽內(nèi)根區(qū)晝夜溫度平均差值最大在地表處為8.1℃，最小在40 cm處為2.0℃，G2槽內(nèi)根區(qū)晝夜溫度平均差值最大也在地表處為8.4℃，最小在40 cm處為-1.1℃。G1槽內(nèi)40 cm處埋有地暖管，土壤溫度明顯高于G2。

經(jīng)濟(jì)效益分析

技術(shù)示范推廣地點(diǎn)位于新疆維吾爾自治區(qū)和田縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技園區(qū)（北緯28.7°、東經(jīng)79.8°），日光溫室長(zhǎng)度60 m，跨度8 m，脊高3.95 m，后墻高2.55 m，后坡為10 cm厚泡沫保溫板，后墻和山墻為厚度0.48 m空心紅磚墻，磚墻內(nèi)側(cè)膜水泥砂漿，磚墻外側(cè)貼10 cm厚的泡沫板保溫，西紅柿品種為‘金棚系列。

水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)結(jié)合南疆地區(qū)特有的光照資源，巧妙地解決了傳統(tǒng)溫室僅依靠后墻蓄熱的局限，有效利用了溫室地面這個(gè)巨大的蓄熱體，將熱量進(jìn)行時(shí)間與空間的轉(zhuǎn)移。應(yīng)用水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)的日光溫室，作物根系生長(zhǎng)良好（圖9～10），在番茄溫室中應(yīng)用該系統(tǒng)提前了番茄收獲期，提高了產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益明顯高于普通溫室（表3）。

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*項(xiàng)目支持：塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目（TDZKQN201504）;中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)-塔里木大學(xué)聯(lián)合基金項(xiàng)目（ZNLH201906）。

作者簡(jiǎn)介：王志偉（1994-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樵O(shè)施果蔬高效栽培、設(shè)施園藝環(huán)境工程調(diào)控。E-mail：1104350407@qq.com。

**通信作者：劉義飛（1986-），男，講師，現(xiàn)主要從事設(shè)施園藝環(huán)境工程與智慧生產(chǎn)。E-mail：

273551364@qq.com。

[引用信息]王志偉，李明，劉文科，等.南疆沙漠日光溫室水幕集熱-地暖加溫系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2020，40（19）：42-46.