生物質(zhì)能清潔供暖在溫室大棚中的應(yīng)用*

祁帥杰，時(shí) 浩，馬培勇

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009）

目前，我國(guó)大部分溫室大棚仍采用散煤燃燒的方式取暖，效率低且易產(chǎn)生一氧化碳等有毒氣體，對(duì)農(nóng)戶自身安全以及大氣質(zhì)量的影響十分嚴(yán)重。而常見的電采暖、空氣能采暖以及太陽(yáng)能采暖等方式雖然安全性較高，但仍存在安裝及運(yùn)行成本高、容易受周圍空氣環(huán)境影響等缺點(diǎn)。雖然采用生物質(zhì)鍋爐對(duì)溫室大棚進(jìn)行供暖的前期成本較高，但采用合適的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)后，其應(yīng)用在一方面能促進(jìn)大棚內(nèi)作物秸稈的回收利用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)資源的自產(chǎn)自銷，從而降低成本；另一方面鍋爐燃燒排出的氣體清潔無(wú)污染，產(chǎn)生的二氧化碳又能促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，達(dá)到一爐多用的效果。本研究提出了一種基于生物質(zhì)能的溫室大棚清潔供暖方案，旨在為以后生物質(zhì)能清潔供暖在溫室大棚中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 生物質(zhì)能供暖

生物質(zhì)能源作為世界第四大能源，是一種清潔的可再生能源，大多來(lái)源于植物光合作用所產(chǎn)生的有機(jī)物。根據(jù)其來(lái)源不同，可將生物質(zhì)能分為林業(yè)資源、農(nóng)業(yè)資源、生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水、城市固體廢物以及畜禽糞便五類[1]。我國(guó)農(nóng)村大量的農(nóng)作物秸稈沒有得到充分的利用，致使生物質(zhì)資源浪費(fèi)嚴(yán)重。2017年10月習(xí)近平總書記提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略；國(guó)家能源局指出要讓生物質(zhì)能在農(nóng)村清潔取暖中發(fā)揮更大的作用；2017年12月，我國(guó)多部委聯(lián)合發(fā)布《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》中制定了4種清潔供暖方式，其中就有包括生物質(zhì)能的可再生能源供暖方式；2019年7月，國(guó)家能源局綜合司發(fā)函對(duì)《關(guān)于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進(jìn)過(guò)程中有關(guān)問(wèn)題的通知》征求意見，提出因地制宜拓展多種清潔供暖方式，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，在農(nóng)村重點(diǎn)發(fā)展生物質(zhì)能供暖；我國(guó)的生物質(zhì)能供熱方式大致分為生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)和生物質(zhì)成型燃料供熱兩類，據(jù)估算2019年生物質(zhì)供熱面積可達(dá)4.8億平方米[2]；2020年和2021年國(guó)務(wù)院發(fā)布的中央一號(hào)文件《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于抓好“三農(nóng)”領(lǐng)域重點(diǎn)工作確保如期實(shí)現(xiàn)全面小康的意見》和《中共中央、國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》中再次表明國(guó)家對(duì)“三農(nóng)”（農(nóng)村、農(nóng)業(yè)、農(nóng)民）的重視，即對(duì)農(nóng)村發(fā)展、農(nóng)業(yè)振興和對(duì)農(nóng)民人居環(huán)境的重視。因此，通過(guò)有效利用農(nóng)村豐富的生物質(zhì)能源來(lái)實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境的清潔供暖也是“三農(nóng)”工作和鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵。

采用生物質(zhì)能進(jìn)行清潔供暖，一方面能夠充分利用農(nóng)村豐富的資源（如玉米、小麥等秸稈），緩解生物質(zhì)資源浪費(fèi)的同時(shí)能夠減輕農(nóng)村居民在取暖方面的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生物質(zhì)資源的自產(chǎn)自銷；另一方面，傳統(tǒng)散煤燃燒的取暖方式產(chǎn)生的一氧化碳、氮氧化物等有毒氣體對(duì)居民自身健康以及大氣環(huán)境造成危害，根據(jù)我國(guó)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13271-2014）的規(guī)定，目前新建鍋爐的二氧化硫排放濃度不能超過(guò)50mg/m3，氮氧化物排放濃度不超過(guò)200mg/m3，顆粒物排放濃度不超過(guò)20mg/m3，而采用高效清潔的生物質(zhì)燃燒技術(shù)能夠有效降低污染物的排放，進(jìn)而減輕大氣污染；此外，生物質(zhì)資源的有效利用，也在一定程度上緩解了煤炭、石油等能源的緊張，優(yōu)化了資源配置，保障了國(guó)家的能源安全。

2 溫室大棚供暖現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)有的溫室大棚供暖主要有土法供暖、熱風(fēng)供暖、熱水供暖、淺層地?zé)峁┡?、太?yáng)能供暖和復(fù)合供暖等方式[3-4]。

土法供暖是一種較為傳統(tǒng)的供暖方式，即農(nóng)戶自己采用散煤、煤氣爐等方式直接燃燒供暖。該供暖方式成本較低，但需要通過(guò)排煙管道將燃燒產(chǎn)生的廢氣和灰塵排出，否則易造成農(nóng)戶一氧化碳中毒，危害自身健康及大棚環(huán)境。同時(shí)土法供暖的效果受供暖面積影響，無(wú)法維持溫室大棚的溫度恒定。

熱風(fēng)供暖與熱水供暖是通過(guò)電加熱或燃煤加熱設(shè)備向大棚內(nèi)輸送較高溫度的空氣或采用熱水爐與散熱器進(jìn)行供暖，是目前最常見的供暖方式。兩種供暖方式的供暖效果較好，運(yùn)行穩(wěn)定，易維持大棚室內(nèi)溫度的恒定，但電加熱方式運(yùn)行成本較高，燃煤加熱方式會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等氣體污染物以及灰塵顆粒物，而且熱風(fēng)供暖的高溫度空氣會(huì)對(duì)大棚內(nèi)的濕度造成影響，從而影響作物生長(zhǎng)。

地?zé)峁┡约疤?yáng)能供暖是通過(guò)從外部環(huán)境中獲取地?zé)崮芎吞?yáng)能并通過(guò)散熱設(shè)備進(jìn)行供暖的方式。這兩種供暖方式節(jié)能環(huán)保，對(duì)作物生長(zhǎng)影響較小，但供暖效果易受環(huán)境影響。復(fù)合供暖即采用多種供暖方式結(jié)合對(duì)大棚進(jìn)行供暖，雖然效果較好，但投資及運(yùn)行成本昂貴，農(nóng)戶難以負(fù)擔(dān)。

3 基于生物質(zhì)能的溫室大棚供暖系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)需要適宜的光照、溫度、二氧化碳濃度和養(yǎng)分等。該系統(tǒng)綜合利用了生物質(zhì)鍋爐釋放的熱量調(diào)節(jié)大棚溫度，產(chǎn)生的二氧化碳在大棚內(nèi)部通過(guò)作物的光合作用實(shí)現(xiàn)能量的利用與碳循環(huán)。因此，在溫室大棚外部圍繞生物質(zhì)鍋爐設(shè)置了配套的煙氣除塵裝置、蒸汽發(fā)生裝置和二氧化碳儲(chǔ)罐等，大棚內(nèi)部設(shè)置蒸汽出口、翅片散熱器和二氧化碳釋放器等，內(nèi)外部由管道進(jìn)行連接。生物質(zhì)燃燒器加熱鍋爐產(chǎn)生水蒸氣為大棚內(nèi)部提供水分，保證大棚內(nèi)部濕度。鍋爐排出的煙氣經(jīng)過(guò)除塵過(guò)濾后輸送到翅片散熱器與大棚內(nèi)部進(jìn)行熱量交換以調(diào)節(jié)大棚溫度，隨后最終匯集到二氧化碳儲(chǔ)罐貯存用于調(diào)節(jié)大棚內(nèi)部二氧化碳濃度。溫室大棚外部生物質(zhì)鍋爐及煙塵處理裝置如圖1所示。

圖1 溫室大棚外部生物質(zhì)鍋爐及煙塵處理裝置

溫度是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，表1所示為一般農(nóng)作物不同生命活動(dòng)所需溫度。通過(guò)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境溫度控制，使作物處于適宜生長(zhǎng)的環(huán)境中，有利于縮短作物的成長(zhǎng)周期。對(duì)于一些需要糖分積累的作物，在夜間提供合適的溫度調(diào)整作物的呼吸作用，有利于提高作物的品質(zhì)。

表1 一般農(nóng)作物不同生命活動(dòng)所需溫度

翅片散熱器是一種使用最為廣泛的換熱設(shè)備之一，它是通過(guò)在普通的基管上加裝翅片來(lái)達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的。熱煙氣在翅片散熱器處與大棚環(huán)境進(jìn)行大量的熱量交換。為達(dá)到更好的溫度調(diào)節(jié)效果，可以通過(guò)對(duì)大棚內(nèi)部的熱流場(chǎng)分析確定翅片散熱器最佳分布位置，使翅片散熱器的布置更加合理。此外位于大棚頂部的蒸汽出口除了濕度調(diào)節(jié)的目的外也具有為大棚升溫的功能，可以進(jìn)行輔助控溫。溫室大棚內(nèi)頂部蒸汽噴霧器如圖2所示。

圖2 溫室大棚內(nèi)頂部蒸汽噴霧器

二氧化碳是作物進(jìn)行光合作用的反應(yīng)物，是作物生長(zhǎng)的原料。溫室大棚二氧化碳濃度的大小也直接影響到農(nóng)作物的生長(zhǎng)，由于農(nóng)作物處于密閉的環(huán)境，隨著時(shí)間的推移，大棚內(nèi)的二氧化碳濃度會(huì)逐漸降低，為滿足作物的生長(zhǎng)需求，需要對(duì)溫室大棚的二氧化碳濃度進(jìn)行調(diào)控。大棚中二氧化碳來(lái)源主要是生物質(zhì)燃燒過(guò)程中釋放的二氧化碳，經(jīng)過(guò)管道最終運(yùn)輸?shù)蕉趸純?chǔ)罐中進(jìn)行貯存，需要時(shí)再進(jìn)行釋放，對(duì)大棚內(nèi)的二氧化碳進(jìn)行補(bǔ)充。溫室大棚內(nèi)翅片散熱器及二氧化碳儲(chǔ)罐分布如圖3所示。

圖3 溫室大棚內(nèi)翅片散熱器及二氧化碳儲(chǔ)罐分布

系統(tǒng)中有溫度、二氧化碳濃度、濕度等監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，便啟動(dòng)生物質(zhì)鍋爐為大棚供暖，溫度過(guò)高時(shí)可以通過(guò)通風(fēng)的方式進(jìn)行降溫；當(dāng)大棚內(nèi)部二氧化碳濃度低于設(shè)定值時(shí)，開啟二氧化碳儲(chǔ)罐經(jīng)由二氧化碳釋放器釋放，對(duì)大棚內(nèi)的二氧化碳進(jìn)行補(bǔ)充；當(dāng)大棚內(nèi)部濕度低于合適范圍時(shí)，可以通過(guò)加熱生物質(zhì)鍋爐進(jìn)行加濕處理。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

（1）系統(tǒng)采用生物質(zhì)鍋爐可以在降低燃燒污染提升燃燒效率的同時(shí)，充分利用農(nóng)村生物質(zhì)能源豐富的特點(diǎn)，就地取材，從而降低成本，有利于在大棚中推廣應(yīng)用。

（2）將生物質(zhì)燃燒設(shè)備與溫室大棚相結(jié)合的方式，充分利用生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的熱能對(duì)大棚進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，同時(shí)利用生物質(zhì)鍋爐產(chǎn)生的二氧化碳和水蒸氣供給于大棚，達(dá)到一套生物質(zhì)鍋爐設(shè)備為溫室大棚提供熱量、水分以及二氧化碳的目的，實(shí)現(xiàn)碳的循環(huán)再利用，減少二氧化碳的排放，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)溫度的智能調(diào)控，為作物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境。

（3）本系統(tǒng)可以與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)大棚內(nèi)的傳感器對(duì)大棚內(nèi)部的環(huán)境信息進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)智能系統(tǒng)分析后自動(dòng)控制各設(shè)備工作，使大棚內(nèi)外各單元高效穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

隨著政府對(duì)“三農(nóng)”工作和鄉(xiāng)村振興的不斷推進(jìn)，基于生物質(zhì)能清潔供暖技術(shù)的應(yīng)用前景十分巨大。農(nóng)村的生物質(zhì)資源豐富，加之溫室大棚本身就會(huì)有作物秸稈等生物質(zhì)資源產(chǎn)生，這就降低了生物質(zhì)能清潔供暖的成本。本文根據(jù)生物質(zhì)清潔燃燒特性，通過(guò)生物質(zhì)鍋爐與溫室大棚的有機(jī)結(jié)合，提出了一種基于生物質(zhì)能的溫室大棚供暖系統(tǒng)方案，使該系統(tǒng)在維持溫室大棚溫度穩(wěn)定的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)濕度、二氧化碳濃度等環(huán)境因素的智能調(diào)控，為以后生物質(zhì)能清潔供暖在溫室大棚中的應(yīng)用提供了一種新的思路。