基于LCA 和Ecotect 的塑料連棟溫室節(jié)能優(yōu)化研究

盧艷玲 周素涓 高新南*

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué),江蘇 南京 210031)

溫室大棚設(shè)施農(nóng)業(yè)是提升農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、增加農(nóng)民收入、實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的重要手段和載體。中國(guó)從2009 年開(kāi)始成為世界設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó),其中溫室大棚占地面積穩(wěn)居世界第一。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式相比,設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)能源的依賴性更強(qiáng)[1],其中連棟溫室由于配備控溫設(shè)備對(duì)溫室內(nèi)部氣候進(jìn)行調(diào)控以滿足周年生產(chǎn)的需要,導(dǎo)致其能源消耗率最高。

為了定量估算農(nóng)業(yè)能耗,為降低溫室能耗提供依據(jù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,本文基于LCA(即生命周期評(píng)價(jià)法)的能耗計(jì)算理論,以連棟溫室中使用面積最廣的塑料連棟溫室和溫室內(nèi)最常見(jiàn)的種植作物黃瓜為例,定量估算溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗,分析影響溫室能耗的主要因素,并根據(jù)情景分析法設(shè)定具有節(jié)能潛力的若干情景,采用Ecotect 軟件分析節(jié)能情況并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可行性分析,以期為南京市及周邊地區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用提供借鑒。

1 基于LCA 的塑料連棟溫室能耗計(jì)算

1.1 基于LCA 的能耗計(jì)算理論概述

塑料連棟溫室的能耗計(jì)算以生命周期評(píng)價(jià)法(Life Cycle Assessment,簡(jiǎn)稱LCA)為理論依據(jù)。它可以評(píng)估某個(gè)產(chǎn)品、過(guò)程或活動(dòng)從原材料獲取、生產(chǎn)、使用、直至最終處置整個(gè)生命周期產(chǎn)生的影響。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于1997 年將LCA 結(jié)構(gòu)確定為研究目標(biāo)和系統(tǒng)邊界、清單分析、影響評(píng)價(jià)及結(jié)果解釋四部分。

栽培黃瓜的塑料連棟溫室LCA 研究目標(biāo)包括：定量估算該溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗；分析影響該溫室能耗的關(guān)鍵因素,為使用情景分析法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究提供依據(jù)。研究的系統(tǒng)邊界包括溫室建造與作物生產(chǎn)管理兩部分。作物生產(chǎn)管理包括田間耕作播種、噴灑農(nóng)藥、施用化肥、灌溉等過(guò)程。塑料連棟溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量作物的能耗需求量計(jì)算方法如式(1),式(1)中溫室建造所需能耗與溫室作物生產(chǎn)管理所需能耗分別由式(2)與式(3)計(jì)算得出。

A 溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量溫室作物所需能耗(MJ.kg-1)

1.2 基于LCA 能耗計(jì)算理論的實(shí)例分析

1.2.1 塑料連棟溫室概況

本文選取的研究模型是江蘇省南京市某三連棟塑料溫室,占地1056m2,朝向?yàn)槟掀珫|30°左右,單棟跨度8米,南北長(zhǎng)44 米,檐高3 米,總高4.4 米；以32 毫米的熱鍍鋅鋼管為骨架,覆蓋材料為0.1mm 厚的聚乙烯薄膜,用作黃瓜生產(chǎn)。該溫室結(jié)構(gòu)符合南京市設(shè)施農(nóng)業(yè)項(xiàng)目規(guī)定的“8332 鋼架溫室”的要求,是南京市使用范圍最廣的溫室結(jié)構(gòu)之一；覆蓋材料是設(shè)施農(nóng)業(yè)最常見(jiàn)的覆蓋材料之一,具有代表性,因此以該模型進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義。采用Revit 建立溫室模型,將其Gbxml 格式導(dǎo)入到Ecotect 軟件中,如圖1 所示。

圖1 某塑料連棟溫室Ecotect 模型

1.2.2 清單分析

塑料連棟溫室輸入物質(zhì)涉及溫室建造與作物生產(chǎn)管理兩方面。溫室建造的物質(zhì)輸入包括基本建材、溫室設(shè)備、人力和柴油四部分。其中,基本建材使用數(shù)量及使用周期通過(guò)查閱文獻(xiàn)[2]和實(shí)地調(diào)研獲得；溫室設(shè)備包括控溫設(shè)備、黃瓜種植過(guò)程應(yīng)用于深翻、旋耕、起壟、覆膜、滅茬和行間作業(yè)的機(jī)械設(shè)備,溫室設(shè)備使用數(shù)量和使用周期通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲得；人力主要在建造溫室過(guò)程投入,其使用工時(shí)通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研獲得；柴油用于溫室建造物質(zhì)的運(yùn)輸,其耗油量根據(jù)實(shí)地調(diào)研獲得。人力和柴油使用周期均按一茬黃瓜生長(zhǎng)周期,包括播種、發(fā)芽、生長(zhǎng)、開(kāi)花、結(jié)果和成熟,約為120 天計(jì)算。最終溫室建造輸入物質(zhì)清單如表1 所示。作物生產(chǎn)管理的物質(zhì)輸入包括化肥與有機(jī)肥、種子、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)、柴油、灌溉水、人力七個(gè)方面。其中,有機(jī)肥、種子、農(nóng)藥、人力使用數(shù)量根據(jù)《全國(guó)農(nóng)產(chǎn)品收益成本資料匯編》數(shù)據(jù)折算而來(lái)；化肥主要包括氮肥、磷肥、鉀肥,其施用量通過(guò)查閱參考文獻(xiàn)[3] 獲得；柴油使用數(shù)量根據(jù)Ecotect 軟件分析溫室采暖負(fù)荷,再利用燃油取暖器采暖計(jì)算而來(lái)；農(nóng)機(jī)包括土地深翻、旋耕、起壟、覆膜、黃瓜滅茬和行間作業(yè)過(guò)程使用的機(jī)械設(shè)備,總使用小時(shí)數(shù)通過(guò)實(shí)地調(diào)研、咨詢專業(yè)人士獲得。作物生產(chǎn)輸入物質(zhì)的使用周期均按一茬黃瓜生長(zhǎng)周期計(jì)算。最終每公頃塑料連棟溫室作物生產(chǎn)管理輸入物質(zhì)清單如表2 所示。

表1 塑料連棟溫室建造輸入物質(zhì)清單

表2 每公頃塑料連棟溫室作物生產(chǎn)管理輸入物質(zhì)清單(以黃瓜一個(gè)生長(zhǎng)周期為例)

1.2.3 能耗分析

能耗分析基于1.1 小節(jié)中的能耗計(jì)算理論,其中輸入物質(zhì)對(duì)應(yīng)的能耗當(dāng)量通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料[4]獲得,最終能耗當(dāng)量清單如表3 所示；作物生長(zhǎng)周期按120 天計(jì)；單位面積溫室作物產(chǎn)量通過(guò)實(shí)地調(diào)研獲得,該塑料連棟溫室在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)黃瓜產(chǎn)量約為11000kg/畝。

表3 塑料連棟溫室輸入物質(zhì)能耗當(dāng)量清單

能耗計(jì)算結(jié)果表明：該塑料連棟溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗約為6.47MJ,其中單位面積溫室建造能耗約為2.41×105MJ,單位面積作物生產(chǎn)管理能耗約為8.26×105MJ。對(duì)生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗起決定性作用的因素是作物生產(chǎn)管理過(guò)程中控溫能耗的投入,其次是溫室建造、氮肥和灌溉水。這四部分在總能耗中的占比如表4 所示,總占比為90.81%,其余各部分占比較小。

表4 控溫、溫室建造、氮肥、灌溉水能耗占比

2 節(jié)能優(yōu)化研究與節(jié)能效果評(píng)估

根據(jù)塑料連棟溫室LCA 研究確定的影響溫室能耗的關(guān)鍵因素,利用情景分析法進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究,并結(jié)合LCA 與Ecotect 軟件進(jìn)行節(jié)能效果評(píng)估。情景一和情景二從溫室建造的角度出發(fā),減少控溫能耗,從而降低總能耗；情景三從作物生產(chǎn)管理的角度出發(fā),保證氮肥和灌溉水供給充足,提高作物產(chǎn)量水平,從而降低單位產(chǎn)量作物所需能耗。

2.1 情景一：調(diào)整溫室朝向

根據(jù)《溫室加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,黃瓜生長(zhǎng)溫度應(yīng)維持在8-35℃。利用Ecotect 分析南京市的CSWD 氣候數(shù)據(jù),結(jié)果表明,南京地區(qū)月平均氣溫最低值和最高值分別出現(xiàn)在1 月,2.1℃和7 月,28.6℃,12 月至次年2 月的月平均溫度均低于黃瓜正常生長(zhǎng)要求,需要適當(dāng)采暖。因此,本文重點(diǎn)研究12 月至次年2 月(采暖季)溫室節(jié)能。為滿足溫室生產(chǎn)和節(jié)能要求,應(yīng)選擇合理的朝向,使其在采暖季盡可能多地接收太陽(yáng)輻射,該輻射能量可用于溫室升溫以及作物光合作用的原料。利用Ecotect 的Weather Tool 工具,進(jìn)行溫室最佳朝向分析,結(jié)果如圖2所示。該溫室最佳朝向?yàn)槟掀?2.5°,最佳朝向下,該溫室頂部和南立面接收太陽(yáng)輻照度分別為1574.192kW.h/m2、193.673kW.h/m2；原朝向下,該溫室頂部和南立面接收太陽(yáng)輻照度分別為1570.517kW.h/m2、83.837 kW.h/m2。與原朝向相比,最佳朝向下該溫室的節(jié)能率為6.86%。

圖2 某塑料連棟溫室最佳朝向分析圖

2.2 情景二：調(diào)整溫室圍護(hù)材料

良好的圍護(hù)材料可使溫室在采暖季失熱少、得熱多,降低溫室內(nèi)溫度由于外擾動(dòng)變化的程度,有利于節(jié)約溫室控溫能耗。該溫室原圍護(hù)材料為聚乙烯長(zhǎng)壽無(wú)滴膜,利用Ecotect 進(jìn)行熱工分析,該溫室在采暖季熱負(fù)荷為17418.259kW·h,結(jié)果如圖3 所示。調(diào)整圍護(hù)材料為另一種常見(jiàn)的溫室圍護(hù)材料——高保溫聚氯乙烯薄膜,其密度較大,導(dǎo)熱率較小,因此保溫性能更好,有利于降低控溫能耗。利用Ecotect 進(jìn)行熱工分析,結(jié)果如圖4 所示。調(diào)整圍護(hù)材料后的溫室在采暖季熱負(fù)荷為16522.687 kW·h,相比原圍護(hù)材料,節(jié)能率為5.14%。

圖3 聚乙烯長(zhǎng)壽無(wú)滴膜熱工分析圖

圖4 高保溫聚氯乙烯薄膜熱工分析圖

2.3 情景三：保證氮肥、灌溉水供應(yīng)充足,黃瓜產(chǎn)量提高

由于該塑料連棟溫室的能耗中,控溫能耗占比大,約為60%,因此提高作物生產(chǎn)資源(氮肥、灌溉水等)的利用率對(duì)于降低溫室能耗意義不大,該情景考慮從提高作物產(chǎn)量水平從而提高資源利用率的角度出發(fā),降低溫室能耗。查閱文獻(xiàn)[5],黃瓜生長(zhǎng)過(guò)程追施氮肥540kg/hm2,增加灌溉水1080m3/hm2,可以使黃瓜增產(chǎn)23.2%。因此調(diào)整氮肥使用量為3690 kg/hm2,灌溉水使用量為17820m3/hm2,黃瓜產(chǎn)量為13552kg/畝,基于1.1 小節(jié)提出的能耗計(jì)算理論,計(jì)算單位產(chǎn)量黃瓜的能耗需求量約為5.36MJ。該結(jié)果表明提高作物產(chǎn)量水平能夠較為明顯降低溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗,降低幅度為17.16%。

3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

3.1 情景一、二經(jīng)濟(jì)可行性分析

情景一調(diào)整溫室朝向不會(huì)增加多余的資源投入,而又能節(jié)約能耗,因此具備經(jīng)濟(jì)可行性。情景二調(diào)整溫室圍護(hù)材料為高保溫聚氯乙烯薄膜,利用燃油取暖器(功率：100kW；耗油量：6.0kg/h)供暖,柴油價(jià)格為6.50 元/L。根據(jù)圖3、圖4 熱工分析結(jié)果,聚乙烯溫室采暖季熱負(fù)荷比聚氯乙烯溫室多896kW·h,采暖費(fèi)用多415.98 元。此外,聚氯乙烯薄膜使用周期為18 個(gè)月,聚乙烯薄膜使用周期為9 個(gè)月,圍護(hù)材料面積為2000m2,按直線方式計(jì)提折舊,采暖季聚氯乙烯溫室圍護(hù)材料折舊費(fèi)為460 元,聚乙烯溫室圍護(hù)材料折舊費(fèi)為853 元。故從折舊費(fèi)和采暖費(fèi)用兩方面綜合考慮,情景二具備經(jīng)濟(jì)可行性。

3.2 情景三經(jīng)濟(jì)可行性分析

原生產(chǎn)管理?xiàng)l件下,該溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗約為6.47MJ,保證氮肥、灌溉水供應(yīng)充足,提高黃瓜產(chǎn)量水平,生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗約為5.36MJ。從電能角度考慮,1 kW·h 電力能耗當(dāng)量為3.6MJ。南京市平均電費(fèi)約為0.6 元/(kW·h),將能耗折算為電費(fèi),原生產(chǎn)管理?xiàng)l件下黃瓜生產(chǎn)成本約為1.08 元/kg,保證氮肥、灌溉水供應(yīng),黃瓜生產(chǎn)成本約為0.89 元/ kg,比原生產(chǎn)管理?xiàng)l件下單位產(chǎn)量黃瓜生產(chǎn)成本降低,因此具備經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)南京市某塑料連棟溫室的節(jié)能優(yōu)化方案進(jìn)行LCA 研究和Ecotect 模擬分析,得到以下結(jié)論：(1)在溫室建造方面,調(diào)整溫室的朝向?yàn)樽罴呀ㄖ?調(diào)整溫室圍護(hù)材料為高保溫聚氯乙烯薄膜,能夠有效節(jié)約溫室控溫能耗。前者節(jié)能率約為6.86%,后者節(jié)能率約為5.14%。節(jié)能設(shè)計(jì)以后,折舊費(fèi)與采暖費(fèi)用均降低,具備經(jīng)濟(jì)可行性。(2)在作物生產(chǎn)管理方面,保證氮肥、灌溉水供應(yīng)充足,提高作物產(chǎn)量水平,能夠有效節(jié)約溫室能耗,節(jié)能率約為17.16%。與原生產(chǎn)管理?xiàng)l件相比,生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需成本降低,具備經(jīng)濟(jì)可行性。