石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)的應(yīng)用前景淺析

趙永旺，車業(yè)貴，管遠(yuǎn)紅，蘇曉健，陶 靜，石敏慧

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖方式從散養(yǎng)戶為主體發(fā)展到規(guī)?；?、集約化模式，在專業(yè)化程度和規(guī)模上都有極大的提升。畜禽養(yǎng)殖設(shè)備在不斷更新，自動(dòng)化程度越來越高，但畜牧生產(chǎn)中冬季采暖仍在使用傳統(tǒng)的高能耗、高污染的加溫設(shè)備，在如今低碳環(huán)保的綠色發(fā)展理念下，畜牧業(yè)采暖模式急需變革。石墨烯電熱膜具有節(jié)能環(huán)保、升溫快、功率穩(wěn)定、使用壽命長、發(fā)熱更加均勻和安全等特點(diǎn)，可以替代傳統(tǒng)加溫設(shè)備，在畜牧業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

1 畜牧業(yè)采暖面臨的問題

在畜禽養(yǎng)殖過程中，畜禽舍的溫度是決定畜禽生長的重要因素。寒冷季節(jié)，家禽育雛舍、母豬產(chǎn)房及仔豬保溫箱等都需要消耗大量的能源來維持畜牧生產(chǎn)所需的溫度。目前，畜牧業(yè)常見的冬季采暖熱源形式主要有燃煤鍋爐、燃油熱風(fēng)機(jī)、燃?xì)忮仩t、生物質(zhì)燃料等。

燃煤鍋爐加熱速度快，運(yùn)行成本低，但是需要專人看守且溫度不好控制，不利于畜牧業(yè)的規(guī)模化生產(chǎn)。由于環(huán)保原因，目前絕大部分地區(qū)已經(jīng)禁用燃煤。燃油熱風(fēng)機(jī)升溫迅速，但運(yùn)行成本高，使用中還存在溫差大的問題，所以一般養(yǎng)殖場都用作應(yīng)急備用。燃?xì)忮仩t與用電比成本相對(duì)較低，但養(yǎng)殖場位置偏遠(yuǎn)，難以鋪設(shè)天然氣管道，冬季可能存在供應(yīng)不足的問題。生物質(zhì)燃料價(jià)格跟煤差不多，不過熱值不及燃煤的2/3，且易受潮、不耐燒，增大取暖工作量。這些傳統(tǒng)加溫模式普遍存在運(yùn)行成本高、熱效率低、溫度不穩(wěn)定及環(huán)境污染等問題。

2 清潔能源在畜牧業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

由于當(dāng)前嚴(yán)峻的能源形勢(shì)和嚴(yán)厲的環(huán)保政策，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推廣清潔能源的生產(chǎn)和使用勢(shì)在必行，畜牧業(yè)增溫設(shè)施的改進(jìn)及推廣迫在眉睫。在“碳達(dá)峰、碳中和”計(jì)劃的新形勢(shì)下，各地畜牧工作者也在積極探索實(shí)踐各種新型高效節(jié)能的加溫模式，促進(jìn)畜牧業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。

李俊營等[1]研究了利用地源熱泵系統(tǒng)供暖的密閉式雞舍環(huán)境參數(shù)變化和雛雞生長發(fā)育情況，證明采用地源熱泵系統(tǒng)供暖能夠滿足蛋雞育雛的要求，但應(yīng)加強(qiáng)管理，采取必要措施提高雞舍的相對(duì)濕度。周曉容等[2]為研發(fā)更為合理有效的斷奶仔豬保溫設(shè)備，提高養(yǎng)豬效益，采用遠(yuǎn)紅外碳纖維發(fā)熱板加熱、溫控器控溫以及木箱箱體和聚氯乙烯門簾保溫組合方式對(duì)普通仔豬保育箱進(jìn)行了改進(jìn)，并通過對(duì)比試驗(yàn)考察該設(shè)備的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，改進(jìn)后的保育箱可顯著提高斷奶初期日采食量，具有提高仔豬日增重、免疫力，降低仔豬腹瀉的趨勢(shì)，升溫和保溫效果明顯，節(jié)能高效，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。胡陳明等[3]研究煙道加熱、水暖加熱和空氣能做育雛加熱系統(tǒng)對(duì)優(yōu)質(zhì)肉雞育雛生產(chǎn)的影響。證明空氣能熱泵升溫速度最快、溫度分布均勻性好，雛雞均重高、生產(chǎn)性能好，對(duì)工作人員及環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生其他危害，運(yùn)行成本最低，但前期投入更高，對(duì)有一定規(guī)模的育雛廠來說是一種較好的育雛加熱模式。蔣青榮等[4]以石家莊峪口禽業(yè)有限公司為例，統(tǒng)計(jì)分析了空氣源熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)代化大規(guī)模雞場中的供暖情況及其經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明，空氣源熱泵熱水機(jī)組與地暖及風(fēng)盤結(jié)合形成的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代化大規(guī)模蛋雞育雛場中，既可以滿足雞舍的供暖需求，又可以降低成本、保護(hù)環(huán)境、節(jié)省能源。

以空氣能熱泵為代表的新型清潔能源設(shè)備在一些養(yǎng)殖場已有安裝使用，但受限于前期購買設(shè)備投入較大，以及設(shè)備啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷過重，需改造變壓器等問題，在畜牧業(yè)中普遍推廣應(yīng)用存在一定難度。

3 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)的應(yīng)用前景

3.1 石墨烯電熱膜性能

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料[5]。石墨烯電熱膜是以石墨烯為加熱體通電后可產(chǎn)生熱能的聚酯薄膜柔性發(fā)熱器件[6]。石墨烯電熱膜具有升溫快、熱效率高、功率穩(wěn)定、發(fā)熱均勻、安全、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.1 熱效率高，節(jié)能

石墨烯有效電熱能總轉(zhuǎn)換率達(dá)99%以上，通電后能將電能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，且在實(shí)際工作條件下功率低，耗電少，是目前所有電采暖系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)化效率最高的，與傳統(tǒng)鍋爐相比可節(jié)省 30%～50%的能耗[5]。其每升高 1℃可節(jié)約成本 0.2～0.5元(空調(diào)供暖最不理想)，且在 22℃～28℃，其維持消耗最少，極大地促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.1.2 升溫快，發(fā)熱均勻穩(wěn)定

石墨烯材料具有超強(qiáng)的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，能在通電幾秒內(nèi)迅速升溫，室內(nèi)達(dá)到適宜溫度只需十幾分鐘，而傳統(tǒng)水暖至少需要6 h的預(yù)熱時(shí)間。石墨烯膜是整體面狀發(fā)熱，即使某處破損也不會(huì)形成斷路，發(fā)熱更加均勻、穩(wěn)定。電熱膜擁有自限溫特性，即使溫控器在失靈狀態(tài)下，電熱膜本身也不會(huì)出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，使用更安全。

3.1.3 安裝便捷，維護(hù)成本低，綠色環(huán)保

石墨烯電熱膜可以根據(jù)使用場地、使用功能、使用目的不同，與各種材料相結(jié)合，制定不同類型的石墨烯發(fā)熱產(chǎn)品，具有安裝便捷、占用空間小、通電即可發(fā)熱等特點(diǎn)，可以滿足各種設(shè)計(jì)需求。電熱膜智能化控制，無需專人看守，節(jié)省了人工成本。電熱膜防水，耐腐蝕，使用壽命長達(dá)50年，運(yùn)行過程中不產(chǎn)生噪聲和有害污染物，穩(wěn)定可靠，維護(hù)成本很低。

3.1.4 遠(yuǎn)紅外功效

石墨烯電熱膜通電后能釋放6 ～15 μm的遠(yuǎn)紅外波長，該波長與生物體波長接近，被譽(yù)為生命之光。遠(yuǎn)紅外波可與機(jī)體細(xì)胞形成“分子共振”和“內(nèi)熱效應(yīng)”，不僅具有體感溫度高和促生長功效，還能夠改善機(jī)體血液循環(huán)、增強(qiáng)新陳代謝、激活生物分子活性、提高免疫功能。

3.2 “石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”共贏模式

我國對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)極為重視，石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被列入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和“中國制造2025”重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，一批石墨烯產(chǎn)業(yè)園紛紛涌現(xiàn)。 隨著石墨烯基礎(chǔ)研究的不斷突破，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也在不斷拓展，并逐漸延伸到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。王建軍等[7]驗(yàn)證和評(píng)價(jià)了石墨烯遠(yuǎn)紅外電暖在集約化育苗中的實(shí)際應(yīng)用效果，證明石墨烯電暖與燃煤鍋爐水暖安裝成本相當(dāng)，石墨烯電暖升溫迅速且均勻，可節(jié)省能耗30%～50%。曹新紅等[8]通過供暖試驗(yàn)對(duì)比，證明石墨烯電熱膜是一款符合“碳達(dá)峰、碳中和”需求的清潔能源采暖材料，其在升溫速度、熱量分布合理性、體感舒適性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)。劉旺等[9]利用相變材料和石墨烯電加熱技術(shù)進(jìn)行日光溫室增溫對(duì)比試驗(yàn)，探索綠色高效的冬季日光溫室增溫技術(shù)。研究結(jié)果表明，加裝石墨烯設(shè)備的溫室一天內(nèi)溫度變化最小，連續(xù)極端寒冷天氣時(shí)，石墨烯電加熱設(shè)備比相變材料增溫效果明顯。

綠色發(fā)展已經(jīng)成為畜牧業(yè)現(xiàn)代化的主旋律，引進(jìn)環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)適用型的清潔能源供熱設(shè)備，是養(yǎng)殖企業(yè)實(shí)現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖、科學(xué)養(yǎng)殖的有力保障。作為最先進(jìn)的供暖方式之一，石墨烯電熱膜加溫可滿足規(guī)?；B(yǎng)殖場對(duì)清潔采暖的剛需，重塑生態(tài)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)，促進(jìn)畜牧業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

以家禽為例，雛雞由于體溫調(diào)節(jié)機(jī)制未發(fā)育完全，對(duì)周圍環(huán)境溫度適應(yīng)范圍較小。溫度不適會(huì)對(duì)雛雞產(chǎn)生不良影響，造成生長發(fā)育遲緩，卵黃吸收不良，雞群免疫力下降等問題，因此育雛期實(shí)現(xiàn)雞舍精準(zhǔn)控溫具有非常重要的意義。石墨烯電熱膜是面狀發(fā)熱，發(fā)熱均勻穩(wěn)定，能夠精準(zhǔn)控溫，非常適合雛雞采暖。并且石墨烯電熱膜發(fā)射的遠(yuǎn)紅外光波能有效改善血液循環(huán)，增強(qiáng)新陳代謝，具有促生長作用[10]。石墨烯電熱膜作為加溫設(shè)備不僅節(jié)能環(huán)保，還有利于提高雛雞存活率和生長狀況，還可以對(duì)產(chǎn)蛋期雞群能否達(dá)到產(chǎn)蛋高峰產(chǎn)生正面影響。因此，應(yīng)該加快落實(shí)石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)的科技成果轉(zhuǎn)化，積極探尋“石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”共贏模式。

4 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

4.1 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用面臨的機(jī)遇

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，肉、蛋、奶連著千萬家，我國高度重視畜牧業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展?！丁笆奈濉比珖竽莲F醫(yī)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出到2025年，全國畜牧業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)取得重大進(jìn)展，奶牛、生豬、家禽養(yǎng)殖率先基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化?！兑?guī)劃》創(chuàng)新提出構(gòu)建‘2+4’現(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，即重點(diǎn)打造生豬、家禽2個(gè)萬億級(jí)產(chǎn)業(yè)和奶畜、肉牛肉羊、特色畜禽、飼草4個(gè)千億級(jí)產(chǎn)業(yè)，并明確了每個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指標(biāo)和產(chǎn)業(yè)布局。

《關(guān)于促進(jìn)畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》指出要堅(jiān)持綠色發(fā)展的原則，統(tǒng)籌資源環(huán)境承載能力、畜禽產(chǎn)品供給保障能力和養(yǎng)殖廢棄物資源化利用能力，協(xié)同推進(jìn)畜禽養(yǎng)殖和環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展?！兑庖姟愤€提出，全面提升綠色養(yǎng)殖水平?？茖W(xué)布局畜禽養(yǎng)殖，促進(jìn)養(yǎng)殖規(guī)模與資源環(huán)境相匹配。建立畜牧業(yè)綠色發(fā)展評(píng)價(jià)體系，推廣綠色發(fā)展配套技術(shù)。

得益于我國畜牧產(chǎn)業(yè)體量巨大，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過程中，預(yù)計(jì)畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域的石墨烯電熱膜采暖市場總量高達(dá)數(shù)億元，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。在畜牧業(yè)清潔采暖的政策引領(lǐng)下，畜牧業(yè)養(yǎng)殖供暖市場近幾年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢(shì)，石墨烯發(fā)熱膜作為石墨烯產(chǎn)業(yè)最主要的一個(gè)支撐點(diǎn)，必將迎來新的市場機(jī)遇，同時(shí)也面臨新市場的挑戰(zhàn)。

4.2 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用存在的問題

4.2.1 石墨烯電熱膜產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

石墨烯電熱膜研究主要分為材料研究和產(chǎn)品研發(fā)，對(duì)于產(chǎn)品工藝領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域的研究較少。盡管市場上從事石墨烯電熱膜生產(chǎn)企業(yè)較多，但與應(yīng)用領(lǐng)域脫節(jié)嚴(yán)重，現(xiàn)有的石墨烯電熱膜質(zhì)量參差不一，多數(shù)產(chǎn)品存在電熱轉(zhuǎn)化效率低、衰減率高、卷曲度不高、防水防腐蝕性能不強(qiáng)、使用壽命短等缺點(diǎn)，甚至有的廠家拿碳素顆?；蛘咂渌牧厦俺涫?，對(duì)消費(fèi)市場產(chǎn)生不良影響。對(duì)畜牧加溫市場而言，適用于不同設(shè)施養(yǎng)殖場的高質(zhì)量石墨烯電熱膜產(chǎn)品還有待研發(fā)。

朱曉明等[11]開展了石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節(jié)能特性研究，得出了市售石墨烯板/膜的節(jié)能性均略遜于電阻絲的結(jié)果。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相反，其原因是否與使用的石墨烯電熱膜產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)有待考證。電熱膜材料的性能參數(shù)有待進(jìn)一步分析，電熱膜安裝利用技術(shù)與設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)的整合等都需要進(jìn)一步研究。

4.2.2 與畜牧生產(chǎn)配套的石墨烯電熱膜安裝和使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待開發(fā)

石墨烯電熱膜是新型加溫材料，目前還主要應(yīng)用于家裝地暖等環(huán)境，對(duì)畜禽養(yǎng)殖舍內(nèi)應(yīng)用石墨烯電熱膜技術(shù)儲(chǔ)備、加裝工藝、專門化的設(shè)施設(shè)備等方面還需要開展專門化的針對(duì)性研究，諸如畜牧生產(chǎn)環(huán)境中的防腐性、防水性 以及持續(xù)高溫加熱等。

石墨烯電熱膜作為畜牧業(yè)加溫設(shè)備的應(yīng)用研究還處于剛起步階段。目前僅有個(gè)別農(nóng)業(yè)高校和研究機(jī)構(gòu)在嘗試將石墨烯電熱膜作為畜禽舍加溫設(shè)備進(jìn)行對(duì)比研究，還沒有與畜牧生產(chǎn)配套的石墨烯電熱膜產(chǎn)品安裝和使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。開拓石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)應(yīng)用的新市場，還需要大量的試驗(yàn)示范數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品推廣應(yīng)用的支撐。

4.2.3 石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈有待整合貫通。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模逐年增長，由2016年40億元增至2020年230億元，年均復(fù)合增長率為54.9%。從事石墨烯材料研制生產(chǎn)的企業(yè)日漸增多，但不少地區(qū)存在布局重疊和重復(fù)建設(shè)的問題，產(chǎn)業(yè)鏈條未打通，導(dǎo)致生產(chǎn)出的石墨烯產(chǎn)品找不到合適的市場。石墨烯生產(chǎn)企業(yè)獨(dú)自構(gòu)建石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈比較困難，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新拉動(dòng)效果不顯著。市場上的產(chǎn)品魚龍混雜，部分企業(yè)炒作石墨烯概念，石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展受到不良影響。

整合貫通石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈，需要將石墨烯生產(chǎn)企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)和使用企業(yè)資源整合，形成產(chǎn)學(xué)研用一體化平臺(tái)，多渠道協(xié)同推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。石墨烯上下游企業(yè)的對(duì)接，產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)鏈的完善還需要時(shí)間。2020年12月由江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)研究會(huì)牽頭，成立了石墨烯農(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟，形成了石墨烯農(nóng)業(yè)科技研發(fā)、生產(chǎn)、推廣、應(yīng)用各方合力推進(jìn)的工作機(jī)制。

5 結(jié)語

在政策引導(dǎo)和石墨烯農(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟的推動(dòng)下，石墨烯在畜牧領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用必將加速，新一輪畜牧科技革命已經(jīng)發(fā)起，一定會(huì)促進(jìn)畜牧采暖方式轉(zhuǎn)變和資源高效利用，實(shí)現(xiàn)“石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”的共贏。