基于碳晶電熱膜的溫室育苗保溫加溫系統(tǒng)研究

何 芬，侯 永，李 愷，魏曉明，劉雅青

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100125）

0 引言

育苗作為蔬菜生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是提高蔬菜生產(chǎn)綜合效益的關(guān)鍵技術(shù)措施之一。種苗質(zhì)量對(duì)蔬菜種植效果影響顯著，因此培育優(yōu)質(zhì)種苗是蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。北方用于育苗的設(shè)施主要有日光溫室和連棟溫室，其中連棟溫室自身具備較好的環(huán)境調(diào)控能力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照等環(huán)境的調(diào)控，但其初期投資和冬季能耗大，運(yùn)行成本高。日光溫室保溫性能好、能耗低、建造成本低，但環(huán)境調(diào)控能力差，特別是冬春季節(jié)，在無(wú)外部加溫時(shí)育苗面臨低溫冷害的問(wèn)題。目前溫室冬季生產(chǎn)多采用消耗化石能源以水和空氣作為熱媒介進(jìn)行加溫。常用的加溫設(shè)備以鍋爐+散熱末端為主[2-3]，增加溫室內(nèi)空氣或土壤溫度[4-5]。近年隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，民用建筑中應(yīng)用較多的空氣源[6]、水源[7]和地源熱泵[8-9]也越來(lái)越多應(yīng)用到溫室生產(chǎn)中。孫先鵬等[10]開(kāi)展了太陽(yáng)能蓄熱聯(lián)合空氣源熱泵進(jìn)行溫室加熱研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可明顯改善室內(nèi)溫濕度等環(huán)境。陳教料等[11]設(shè)計(jì)了一種開(kāi)放式溫室地表水源熱泵供暖系統(tǒng)，系統(tǒng)平均制熱性能系數(shù)為2.3。方慧等[12]設(shè)計(jì)建造了一套地源熱泵與地板散熱方式相結(jié)合的供暖系統(tǒng)，制熱系數(shù)達(dá)到3.14，與燃煤鍋爐相比節(jié)能36.3%?？傮w來(lái)說(shuō)這些系統(tǒng)和設(shè)備加溫效果較好，但初期投資較多、占地面積大、自動(dòng)化程度較低；且多以加溫空氣為主，因溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)散熱量大，加溫效率較低。而局部加溫可直接對(duì)作物根區(qū)或冠層加溫，能量轉(zhuǎn)化效率、可調(diào)控性較高、運(yùn)行安全可靠，多應(yīng)用于溫室育苗等作物生產(chǎn)。張瑩等[13]、王雙喜等[14]采用太陽(yáng)能集熱加熱蓄水箱中的水，采用循環(huán)水泵將熱水通過(guò)地埋管加熱地溫。王永維等[15]、戴巧利等[16]、Leyla ozgener[17]通過(guò)軸流式風(fēng)機(jī)將熱空氣通過(guò)送風(fēng)管送入地下加熱溫室內(nèi)地溫。張紅梅等[18]利用加溫線進(jìn)行了冬季黃瓜育苗和栽培試驗(yàn)。Pere Llorach-Massana等[19]選擇適用相變材料在地中海溫室內(nèi)對(duì)作物根區(qū)進(jìn)行加溫。張卓等[20]設(shè)計(jì)了一種利用硅橡膠加熱板的適用于矮株作物的根區(qū)加熱系統(tǒng)，根區(qū)溫度控制相對(duì)誤差不超過(guò)5%。李衍素等[21-22]將碳晶電熱板應(yīng)用到日光溫室番茄生產(chǎn)和黃瓜育苗中，育苗應(yīng)用中比對(duì)照最低溫度和平均溫度分別高12.1℃和6.07℃。何芬等[23-24]將毛細(xì)管通低溫?zé)崴畱?yīng)用到日光溫室草莓生產(chǎn)和番茄育苗中，發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管網(wǎng)苗床加溫可使育苗基質(zhì)夜間溫度平均值及最低值提高3.2～3.4℃和0.8～1.4℃。這些方式大部分采用電作為能源直接產(chǎn)生熱，可較好解決溫室內(nèi)冬季小規(guī)模育苗和盆栽作物的生產(chǎn)。碳晶電熱膜是一種通電后能發(fā)熱的半透明的聚酯膜，具有耐高壓、耐潮濕、承受溫度范圍廣、高韌度、運(yùn)行安全等優(yōu)良性能，多在民用建筑中用于低溫輻射供暖。2018年，作者比較了發(fā)熱電纜、自限溫發(fā)熱帶、碳晶電熱膜3種材料對(duì)育苗根區(qū)加溫效果的影響，發(fā)現(xiàn)碳晶電熱膜的加溫效果和均勻性均最優(yōu)[25]。本研究旨在將碳晶電熱膜進(jìn)一步與育苗生產(chǎn)結(jié)合，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套基于碳晶電熱膜的低溫輻射育苗保溫加溫系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的保溫加溫效果進(jìn)行測(cè)試，為今后溫室大規(guī)模商品化育苗提供環(huán)境可控的育苗裝備。

1 材料與方法

1.1 育苗保溫加溫系統(tǒng)構(gòu)成

育苗保溫加溫系統(tǒng)由上部的尖頂拱形保溫覆蓋、苗床加溫材料、苗床控制系統(tǒng)等組成（圖1）。該系統(tǒng)的保溫功能主要靠單層膜覆蓋；為防止主動(dòng)加溫?zé)崃看怪蓖绱蚕虏總鬟f，苗床上部依次設(shè)置保溫隔熱層、熱反射膜、低溫輻射層。保溫隔熱層可選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的聚苯乙烯板等，熱反射膜選用無(wú)紡布基反射膜，低溫輻射層采用碳晶電熱膜作為加溫材料。碳晶電熱膜通電后產(chǎn)生的熱能以遠(yuǎn)紅外輻射（峰值波為8～15 μm）和對(duì)流的形式對(duì)外傳遞，電能與熱能的轉(zhuǎn)換率高達(dá)98%以上。

圖1 溫室育苗保溫加溫系統(tǒng)示意圖

控制系統(tǒng)主要包括加溫控制和外保溫覆蓋膜卷放控制。加溫控制主要采用設(shè)定溫度、溫度回滯量、溫升速度、最高溫度值作為控制閾值，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度＞設(shè)定溫度+溫度回滯量時(shí)，關(guān)閉加熱；當(dāng)實(shí)時(shí)溫度＜設(shè)定溫度-溫度回滯量時(shí)，開(kāi)啟加熱。系統(tǒng)在實(shí)測(cè)溫升速率低于設(shè)定溫升速率，則提醒溫升速度過(guò)慢，關(guān)閉自動(dòng)加熱；電熱膜溫度超過(guò)最高溫度時(shí)，則提醒苗床溫度過(guò)高，關(guān)閉自動(dòng)加熱。外保溫覆蓋膜卷放控制通過(guò)采用設(shè)定收攏時(shí)刻和展開(kāi)時(shí)刻對(duì)覆膜進(jìn)行定時(shí)卷放。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)于2019年12月19日—2020年1月3日在河北永清縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院精準(zhǔn)試驗(yàn)基地的連棟溫室內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)用溫室為文洛型溫室，東西長(zhǎng)112 m，南北寬36 m，設(shè)置有加溫系統(tǒng)、內(nèi)外遮陽(yáng)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)等。整個(gè)溫室采用玻璃隔斷設(shè)置為7個(gè)區(qū)，本次試驗(yàn)在其中的一個(gè)區(qū)進(jìn)行。測(cè)試期間多為連續(xù)晴天，室外氣溫-16.3～6.6℃，而試驗(yàn)溫室在有熱水輔助加溫的情況下室溫為8.7～28.7℃。

在試驗(yàn)區(qū)安裝了2套育苗保溫加溫苗床系統(tǒng)，將其分別設(shè)置為育苗加溫區(qū)和育苗無(wú)加溫區(qū)。每個(gè)育苗試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)6.5 m，寬1.7 m，面積11.05 m2。試驗(yàn)區(qū)以外的區(qū)域?yàn)榛卣Ｓ缟a(chǎn)區(qū)。試驗(yàn)用碳晶電熱膜為面狀，厚度0.25 mm，寬度50 cm，長(zhǎng)度按加熱區(qū)域面積以25 cm為單位進(jìn)行裁剪，內(nèi)部是碳素發(fā)熱區(qū)、銅箔載流條、銀漿載流條、基膜等。碳晶電熱膜表面溫度能達(dá)到50℃，單面散熱，發(fā)熱密度120 W/m2。

保溫加溫系統(tǒng)采用基質(zhì)溫度作為控制閾值，設(shè)定溫度值為24℃，溫度回滯量1℃。則當(dāng)實(shí)時(shí)溫度＞25℃時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉加熱；當(dāng)實(shí)時(shí)溫度＜23℃時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)啟加熱。外保溫覆蓋膜設(shè)定卷放時(shí)間為9:30和16:00。

1.3 試驗(yàn)方法

測(cè)試期間，連棟溫室內(nèi)外、苗床內(nèi)部的空氣溫濕度均由溫濕度記錄儀（TR-72U，北京渠道科學(xué)器材有限公司）測(cè)量，精確度為±0.3℃和±5%；基質(zhì)溫度采用智能土壤溫度記錄儀（TJ1，北京合眾博普科技發(fā)展有限公司）進(jìn)行測(cè)量，精確度為±0.2℃；數(shù)據(jù)采樣間隔為30 min。

為測(cè)試保溫加溫系統(tǒng)的運(yùn)行效果，在2個(gè)育苗測(cè)試區(qū)分別布置相同的測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。連棟溫室內(nèi)空氣溫濕度記錄儀距地面高度1.5 m；基質(zhì)溫度傳感器埋設(shè)在穴盤中；苗床表面溫度可將溫度傳感器固定，上部采用熱反射裝置遮住，以防止測(cè)試出的溫度受太陽(yáng)輻射影響；室外空氣溫濕度記錄儀放置在空曠的場(chǎng)區(qū)內(nèi)，距地面高度3 m。

圖2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣溫濕度變化分析

溫室內(nèi)外和育苗區(qū)空氣溫度和相對(duì)濕度變化如圖3所示，溫室內(nèi)、加溫區(qū)和不加溫區(qū)內(nèi)空氣溫度差異不大。溫室內(nèi)外及育苗試驗(yàn)區(qū)內(nèi)溫濕度極值統(tǒng)計(jì)如表1所示。加溫區(qū)空氣溫度的平均值比溫室內(nèi)高1℃，可見(jiàn)采用碳晶電熱膜加溫對(duì)育苗區(qū)空氣溫度有一定的提升作用，但影響不大，主要原因是碳晶電熱膜鋪設(shè)在育苗穴盤下部，其大部分熱量主要靠低溫?zé)彷椛溥@種熱傳遞方式傳遞給基質(zhì)，少部分熱量與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱；且因碳晶電熱膜下面鋪設(shè)有熱反射膜和絕熱材料，熱量只能垂直向上傳遞，向下傳遞的熱量非常少。無(wú)加溫育苗區(qū)溫度平均值比溫室內(nèi)低1.8℃，主要原因是溫室內(nèi)配套有熱水加溫系統(tǒng)，下午16:00時(shí)當(dāng)育苗保溫加溫系統(tǒng)的外覆蓋單層膜放下，直接阻止溫室內(nèi)熱量進(jìn)入育苗區(qū)內(nèi)，而育苗區(qū)內(nèi)又無(wú)主動(dòng)加溫設(shè)施，從而導(dǎo)致無(wú)加溫育苗區(qū)內(nèi)空氣溫度較溫室內(nèi)低。因連棟溫室內(nèi)配置了熱水加溫系統(tǒng)，室內(nèi)相對(duì)濕度平均值較室外低19.8%，平均值為47.8%；加溫區(qū)因采用碳晶電熱膜加溫，其相對(duì)濕度平均值較不加溫區(qū)低3%。

圖3 空氣溫度和相對(duì)濕度變化

表1 空氣溫濕度極值統(tǒng)計(jì)

2.2 基質(zhì)溫度變化分析

測(cè)試期間基質(zhì)溫度變化如圖4所示。碳晶電熱膜加溫可使基質(zhì)溫度平均值及最低值較無(wú)加溫育苗區(qū)提高7.3℃和10.7℃。從整體測(cè)試圖4(a)所示，無(wú)加溫區(qū)基質(zhì)溫度變化幅度較大，變化范圍在2.25～25.65℃；而加溫區(qū)變化范圍在12.6～25.5℃。圖4(b)為基質(zhì)溫度日變化，基質(zhì)溫度在加溫時(shí)段（16:00—次日9:30）能穩(wěn)定控制在20℃左右；在非加溫時(shí)段，加溫區(qū)和不加溫區(qū)的溫度變化趨勢(shì)基本一致，都是直接受到溫室內(nèi)空氣溫度的影響。

圖4 基質(zhì)溫度變化

2.3 加溫均勻性分析

采用基質(zhì)溫度最低值偏離度作為評(píng)判加溫系統(tǒng)均勻性的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)[26]。當(dāng)同一深度層各測(cè)點(diǎn)的基質(zhì)溫度最低值偏離度不大于20%、平均值不大于10%時(shí)，則認(rèn)為基質(zhì)溫度均勻。加溫育苗區(qū)均布置9個(gè)同一深度的基質(zhì)溫度測(cè)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算整個(gè)測(cè)試期間加溫區(qū)基質(zhì)溫度最低值偏離度，基質(zhì)溫度測(cè)點(diǎn)的最低值偏離度為2.9%，不大于20%；平均值為6.1%，不大于10%。

3 討論

3.1 加溫效果比較

根區(qū)溫度指根系周圍的土壤、基質(zhì)或營(yíng)養(yǎng)液溫度，其顯著影響作物根系的生長(zhǎng)和對(duì)水分及礦物營(yíng)養(yǎng)的吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)和貯存，從而調(diào)控植株的地上部分[27-28]。當(dāng)根區(qū)溫度高于或低于作物生長(zhǎng)和代謝的最適溫度上限和下限，則易對(duì)其生長(zhǎng)和代謝引起抑制或脅迫。一般作物根區(qū)比地上部分要求的溫度略低，而且要求的適溫范圍較窄(15～25℃)，這是根系長(zhǎng)期生活在溫度變幅較小的土壤環(huán)境中而形成的一種遺傳特征，也是作物對(duì)根區(qū)溫度比氣溫更敏感的原因所在。因此從某種意義上講控制根區(qū)溫度比控制氣溫更重要。過(guò)去人們對(duì)于改善和提高溫室內(nèi)溫度條件所采取的措施往往重視氣溫，而忽視了根區(qū)溫度的研究。在眾多的溫室加溫方式中，根區(qū)加溫方式可直接有效地增加地溫、減少能耗，改善作物生長(zhǎng)發(fā)育遲緩不良等問(wèn)題，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。國(guó)外在低溫季節(jié)就試圖通過(guò)提高番茄根區(qū)溫度促進(jìn)其生長(zhǎng)，當(dāng)根區(qū)溫度從14℃升到21.8℃時(shí)，番茄增產(chǎn)47%，而耗能僅為普通溫室的20%～25%[29]。中國(guó)也面臨能源緊缺及可持續(xù)發(fā)展等問(wèn)題，因此，控制溫室作物根區(qū)溫度已成為節(jié)能研究中的一個(gè)熱點(diǎn)和趨勢(shì)。

本研究開(kāi)發(fā)的基于碳晶電熱膜的根區(qū)保溫加溫系統(tǒng)通過(guò)控制系統(tǒng)的閾值設(shè)置，可將基質(zhì)溫度較穩(wěn)定地控制在15～25℃，符合溫室內(nèi)常用作物育苗的溫度范圍。如溫室種植品種較多的黃瓜苗期適宜溫度為19～25℃，夜間最適溫度為22℃；番茄和辣椒苗期最適溫度15～21℃，夜間最適溫度為10℃[30]。研究開(kāi)發(fā)的基于碳晶電熱膜的溫室育苗保溫加溫系統(tǒng)加溫效果較好，可使基質(zhì)溫度平均值及最低值提高7.3℃和10.7℃。與基于毛細(xì)管的低溫?zé)崴訙叵到y(tǒng)等相比，其加熱效果更好，主要原因是碳晶電熱膜直接采用電能直接加熱作物根區(qū)，而毛細(xì)管主要采用35℃左右的低溫?zé)崴訜醄23]。與同是采用電能作為能源的碳晶電熱板和硅橡膠加熱板相比，加溫效果相當(dāng)[20-22]。但碳晶電熱板和硅橡膠加熱板主要適用于盆栽作物的加熱，不適用于大面積的商品化育苗。且本研究應(yīng)用的碳晶電熱膜屬于面狀熱源，加溫均勻性較發(fā)熱電纜、自限溫發(fā)熱帶等線狀發(fā)熱材料更好[25]，作物生長(zhǎng)一致性強(qiáng)。

3.2 加溫成本分析

本研究采用碳晶電熱膜作為根區(qū)加溫材料，該材料是一種民用采暖用的新型散熱末端，成本價(jià)格僅為20～40元/m2，較毛細(xì)管[23]、鍋爐+散熱末端[3,31]、熱風(fēng)加溫[2,32]等方式的加溫成本低50%，較地源、水源熱泵系統(tǒng)等建設(shè)投資更低[33-34]，盡管地源熱泵等運(yùn)行費(fèi)為傳統(tǒng)燃煤供熱方式的30%左右，但初期建設(shè)成本達(dá)到8000～10000元/m2。毛細(xì)管也是一種工民建常用散熱末端，應(yīng)用到溫室生產(chǎn)的時(shí)間較短，成本價(jià)格為50～70元/m2，比熱風(fēng)機(jī)加溫和圓翼型散熱器成本高50%，毛細(xì)管在前期設(shè)備一次性投入中較大，如果沒(méi)有合適的工業(yè)余熱等低溫?zé)嵩矗罄m(xù)運(yùn)行費(fèi)也不低。相變材料因具有近似恒溫條件下被動(dòng)蓄放潛熱的特性，較早應(yīng)用到溫室替代冬季傳統(tǒng)燃煤等方式供暖，但因價(jià)格較貴且被動(dòng)蓄放熱受天氣環(huán)境影響不穩(wěn)定，目前僅在試驗(yàn)研究中應(yīng)用，離大面積推廣還有一段距離[35-36]。溫室加溫系統(tǒng)初期的投入成本太高對(duì)于溫室生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者來(lái)說(shuō)應(yīng)用和推廣都有極大的困難，而碳晶電熱膜加溫系統(tǒng)前期投入成本低，后期運(yùn)行電費(fèi)用較高，比較適宜育苗、盆花等附加值高且對(duì)環(huán)境要求較高的溫室作物生產(chǎn)。

4 結(jié)論

筆者將民用建筑地板采暖中應(yīng)用較廣的碳晶電熱膜應(yīng)用在溫室冬春季作物育苗根區(qū)加溫中，研發(fā)出一套新型的溫室育苗保溫加溫系統(tǒng)，并在河北永清縣冬季嚴(yán)寒時(shí)段對(duì)該系統(tǒng)的效果進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明碳晶電熱膜加溫可使基質(zhì)溫度平均值及最低值提高7.3℃和10.7℃；基質(zhì)溫度最低值偏離度為2.9%，平均值為6.1%?；谔季щ姛崮さ臏厥矣绫丶訙叵到y(tǒng)可有效提高育苗環(huán)境溫度且加溫均勻性高，為培育高質(zhì)量種苗提供有力保障。