北方高寒地區(qū)溫室節(jié)能途徑探討＊

張 娟，崔世茂，張麗紅，路 艷，潘 璐，王紅飛，宋 陽**

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學園藝與植物保護學院，呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)設施園藝工程技術研究中心，呼和浩特 010010；3.赤峰喀喇沁旗農(nóng)牧局，內(nèi)蒙古赤峰 024499；4.赤峰敖漢旗農(nóng)牧局，內(nèi)蒙古赤峰 024399）

溫室生產(chǎn)是發(fā)展鄉(xiāng)村振興，鞏固扶貧成果，切實解決三農(nóng)問題的重要途徑之一。鄉(xiāng)村振興必須發(fā)展產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展了，農(nóng)民有活干、能掙錢，收益好才能可持續(xù)發(fā)展。溫室生產(chǎn)主要集中在北方寒冷地區(qū)，可以在北方實現(xiàn)一年生產(chǎn)多茬，現(xiàn)代溫室生產(chǎn)技術還可以在鹽堿地、荒地、沙地和坡地進行園藝產(chǎn)品的生產(chǎn)，節(jié)省大量土地生產(chǎn)糧食，而且產(chǎn)值要高出大田農(nóng)作物數(shù)倍。由于北方地區(qū)寒冷，極大地限制了設施園藝的正常生產(chǎn)，人工加溫又增加了生產(chǎn)成本，而且對環(huán)境保護也無益。北方寒冷地區(qū)溫室的采光、保溫和蓄熱成為溫室生產(chǎn)的重要突破點。本文根據(jù)多年來在內(nèi)蒙古高寒地區(qū)研究日光溫室的經(jīng)驗，總結(jié)討論了與溫室節(jié)能密切相關的光照、保溫和蓄熱等問題。

采光節(jié)能

溫室的溫度和植物光合作用的能源主要來源于太陽光，若沒有光，溫室效應及保溫蓄熱也就無從談起，植物也就無法生長發(fā)育。因此，要想保溫蓄熱，首先要解決好溫室的采光和溫室采光角度等問題，對此前人已有許多研究，但在生產(chǎn)細節(jié)上還要注意以下4 個方面。

溫室結(jié)構(gòu)

日光溫室的后坡、后墻和東西山墻在冬季的保溫方面起到了重要作用，但在春夏秋三季遮擋了大量的光線進入溫室，嚴重影響了溫室內(nèi)作物的光合作用，這也是日光溫室產(chǎn)量低于連棟溫室的主要原因之一。針對普遍存在的遮光問題，筆者團隊設計了冬（溫）室夏（大）棚的結(jié)構(gòu)（圖1）。春夏秋季后面保溫被可以卷起，實現(xiàn)透光和通風的目的，特別寒冷地區(qū)可再加一層內(nèi)保溫被進行保溫防寒。內(nèi)架后部水箱改為軟塑料水管橫置，冬季注水，春夏秋排出水，保證透光和通風，或者下層水箱，上部橫置4～5 層軟塑料蓄水管。東西兩側(cè)山墻采用“三膜兩被”覆蓋，春夏秋保溫被可落下透光。其優(yōu)點是全年采光好，夏季通風降溫好，冬季保溫蓄熱、防雪災性能強?；A采用地錨鋼過梁基礎，組裝式可移動結(jié)構(gòu)，不破壞耕作層。智能連棟溫室建造時，屋脊東西走向適合北方高寒地區(qū)的冬季采光，保證在10:00～16:00 進光量最大且光照均勻。

圖1 冬（溫）室夏（大）棚結(jié)構(gòu)剖面圖/mm

透光覆蓋材料選用與清潔

選用透光好的PO 膜（圖2），必要時每年更換。風沙大塵土多的地區(qū)要及時清理膜面的塵土（圖3）。

圖2 應用不同透光覆蓋材料效果圖

圖3 透光覆蓋材料利用漂浮帶除塵

保溫被起放時間

白天保溫被要起到最高點，盡可能不遮光，多進一份光就多一份熱。保溫被的起放時間要根據(jù)作物需求，保證作物不受影響的前提下，早揭晚落。

合理密植

采用大行距小株距的單行種植模式，保證后墻或立面蓄熱體和地面盡可能多接受光照，多蓄熱。

保溫節(jié)能

高寒地區(qū)溫室保溫是實現(xiàn)冬季生產(chǎn)、提高溫室收入的重要手段。為了保證冬季能生產(chǎn)喜溫性果類菜，需要進行人工加溫。有的則加厚外保溫被，其保溫性雖然提高了，但受雪災危害的風險也增大了。2021 年內(nèi)蒙古通遼和赤峰地區(qū)，大雪壓塌、受冷凍災害的日光溫室超過1 萬棟，2008 年和2012 年兩次大雪壓塌日光溫室也超過了1 萬棟，損失慘重。為了解決這些問題，筆者團隊在保溫方面做了以下研究。

日光溫室保溫

日光溫室外保溫改為內(nèi)保溫（圖4～6），這在風大的寒冷地區(qū)尤為重要，風速大帶走的熱量更多更快，特別是瞬時負壓引起的保溫被上下運動，使得膜與被之間形成氣流，加速了熱量的散失。而內(nèi)保溫的設計隔絕了風直接吹到保溫被上，在膜與被之間形成了靜止空氣層，可有效地提高保溫效果。特別寒冷地區(qū)可采用內(nèi)外雙層保溫被設計[1]（圖7～9），下雪時拉起外保溫被，夜間雪停后再放下外保溫被，也可以在外架下吊掛1～6 層的多層保溫幕布（圖10），白天拉開，夜間關閉。溫室四周地下埋設80～180 cm 深、10 cm 厚的聚苯板隔熱，防止地下熱量向外傳導。

圖4 雙膜單被日光溫室/mm[2]

圖7 雙膜雙被日光溫室/mm[2]

圖8 雙膜雙被日光溫室外觀

圖9 雙膜雙被日光溫室內(nèi)部

圖10 外架下掛多層保溫幕

連棟溫室保溫

將連棟溫室內(nèi)頂部的內(nèi)保溫幕布和遮陽網(wǎng)改為兩層內(nèi)保溫，上層為太空棉內(nèi)保溫被，下層采用1～6 層連體膜，四個立面為太空棉內(nèi)保溫被和一層塑料膜（圖11～12）。保溫被白天拉開，夜間閉合，可以單獨控制。2015～2017年內(nèi)蒙古烏海3000 m2塑料連棟溫室內(nèi)，在外界為-22～-20 ℃的條件下，接入城市集中供熱管道，室內(nèi)氣溫維持在15℃以上，比以往保溫幕布和遮陽網(wǎng)的配置提高了12～13℃，2018 年在內(nèi)蒙古包頭農(nóng)科院10000 m2連棟玻璃溫室、2019 年在包頭土默特右旗30000 m2連棟玻璃溫室中，冬季按熱量收費，費用為50 元/m2，保溫節(jié)能效果較好。

圖11 智能連棟溫室橫拉內(nèi)保溫被

蓄熱節(jié)能

蓄熱是指將太陽能儲存到溫室內(nèi)，待夜間室溫降低時再放出熱量，可代替暖氣加溫，節(jié)省能源。

后墻蓄熱

傳統(tǒng)后墻的蓄熱材料主要是土、磚和石頭，其熱容量較小，筆者團隊的設計是采用熱容量較大的水來進行蓄熱，目前國內(nèi)有水箱、水袋以及水幕+蓄水池的方式（圖13）進行蓄放熱，都取得了較好效果。根據(jù)2018～2019 年冬季內(nèi)蒙古包頭固陽的水蓄熱日光溫室測試（圖14），水箱蓄放熱量是厚墻體的2 倍，當外界氣溫-30℃時，幾種內(nèi)保溫水蓄熱和厚墻體日光溫室最低溫度均達到了8℃[2]；2020～2021 年冬季外界-35℃時，溫室內(nèi)最低溫度為5℃。2020～2021 年冬季在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準格爾召滿世集團基地的測試結(jié)果顯示雙膜單被水蓄熱日光溫室的氣溫與雙膜單被暖氣加溫的日光溫室相同（圖15～16）。外界-24 ℃的氣溫下，日光溫室內(nèi)最低溫度7.7℃，雙膜單被暖氣加溫的日光溫室最低溫度為6.8℃，高出0.9℃。

圖13 不同裝置的日光溫室水蓄熱圖[2]

圖14 2018 年冬季年包頭固陽不同日光溫室氣溫[2]

圖15 2020 年12 月29～31 日室外內(nèi)外氣溫變化圖

地面蓄熱

圖12 智能連棟溫室立面內(nèi)保溫被

地面也是很重要的蓄熱體，地面吸收太陽光轉(zhuǎn)化為熱，從而提高地溫，夜間溫室內(nèi)氣溫低于地溫時，地面向溫室內(nèi)釋放熱量。此外，地溫是日光溫室越冬生產(chǎn)的主要限制因素，因此，提高地溫對冬季溫室防凍和提高園藝作物產(chǎn)量非常重要。地溫的提高可以通過加大種植行距，盡可能多接受太陽光能、多施有機肥（有機肥分解可放出熱量）、起壟覆蓋地膜等常規(guī)方式來解決。還可通過一些裝置來增加土壤中熱量，如內(nèi)蒙古工業(yè)大學科研團隊發(fā)明的跨季節(jié)土壤儲熱技術（圖17），該系統(tǒng)在10～11 月通過對太陽能的收集將空氣加溫到140 ℃，再將熱空氣輸送到溫室內(nèi)地下，將土壤溫度提高到20～25 ℃，由于土壤降溫慢，這樣可以在寒冷的1 月和12 月保持溫室內(nèi)土壤溫度達到15℃以上，有效地解決了果類菜冬季越冬生產(chǎn)的難題。其優(yōu)點是地下管道不怕漏氣，建造工藝要求不高，栽培面積900 m2的日光溫室運行費用為408 元/年。

圖16 2021 年1 月室內(nèi)外平均氣溫變化圖

圖17 跨季節(jié)土壤儲熱技術

討論

節(jié)能目的

節(jié)能不代表零耗能，其目的是為了降低生產(chǎn)成本，溫室生產(chǎn)的最終目的是要提質(zhì)、增產(chǎn)和增收。北方高寒地區(qū)如果通過少量的人工加溫，可實現(xiàn)越冬生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效益，并且能解決淡季蔬菜瓜果供應緊張等問題。像內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)，冬季光照資源充裕，內(nèi)保溫及水蓄熱的設計很大程度上降低了溫室熱能的損耗及日光溫室中進行喜溫類蔬菜生產(chǎn)的成本。2～3天的短暫連陰天或雪天，仍可維持作物的基本生長，3 天以上的連陰天，可配置應急加溫設備，這也就節(jié)約了很大一部分加溫耗能成本。筆者團隊設計的蓄熱水箱的另一特別之處是其加熱功能，在水箱配置一個電加熱線，遇到長時間陰天或雪天時，可以進行臨時加熱來應對低溫天氣，像這樣的低能耗換來高收益的方式十分值得推薦。

利用自然光

太陽能作為用之不竭的資源，保證經(jīng)濟效益的同時，直接用于溫室的增溫和蓄熱是最佳選擇[3]。提高溫室內(nèi)部溫度，并在溫室內(nèi)蓄熱，改善溫室內(nèi)作物的環(huán)境條件，使作物獲得高品質(zhì)、高產(chǎn)，從而達到增收。利用太陽光不僅可以增溫、蓄熱，還可以提高作物光合效率，因此，北方高寒地區(qū)不僅在冬季要充分利用太陽能，春夏秋也要充分利用太陽能增加光合作用提高產(chǎn)量。常見日光溫室由于棉被上卷高度不足，常出現(xiàn)后部多排作物遮陽重而引起作物徒長的現(xiàn)象，既影響產(chǎn)量也有損品質(zhì)，而冬室夏棚在夏秋光能利用率上具有明顯的優(yōu)勢。

水蓄熱潛力

水是最常見、最普通的材料，將其注入黑色水箱后，將光能高效地轉(zhuǎn)化為熱能，可充分發(fā)揮其大比熱容的優(yōu)勢持續(xù)放熱以抵御低溫。配有蓄熱水箱的溫室與接入集中供熱管道的溫室相比，有著更加優(yōu)異的供熱能力（圖13）。此外，水箱蓄熱系統(tǒng)與灌溉系統(tǒng)、臨時加溫系統(tǒng)結(jié)合后，不僅可以用于應急灌溉也可用于臨時加溫，以應對連續(xù)陰天。以水為蓄熱材料，能適于不同循環(huán)或儲存方式的蓄放熱系統(tǒng)，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

高效保溫措施

日光溫室之所以節(jié)能是因為保溫性好，北方高寒風大地區(qū)的保溫，既要注意強風帶走熱量的問題，也要注意保溫被荷載與雪荷載，保溫被的內(nèi)置設計很好地解決了這些問題。連棟溫室耗能大的最大原因是保溫性差，在既保溫又透光的透明覆蓋材料發(fā)明出來之前，還要做好保溫才能充分發(fā)揮連棟溫室透光性能優(yōu)勢，保證連棟溫室的盈利。

結(jié)論

適于北方高寒地區(qū)的內(nèi)保溫水蓄熱日光溫室，其大屋面角的設計可截獲更多光能，利用蓄熱水箱可將光能轉(zhuǎn)化為大量的熱能，而內(nèi)保溫的設計兼顧了保溫與防災的功能，各方面性能表現(xiàn)十分優(yōu)異。在充分利用太陽能，加強保溫蓄熱，減少人工能耗的基礎上，可改善溫室光溫條件，促進作物進行光合作用，保證安全越冬生產(chǎn)，從而提高園藝作物的品質(zhì)和產(chǎn)量，增加溫室的生產(chǎn)效益。