生物質石墨烯電熱膜在農業(yè)大棚中的應用

張娟娟，徐曉曉，何 勇

（1.濟南圣泉集團股份有限公司，山東 濟南 250000；2.山東省汶上縣蜀山源家庭農場，山東 汶上 272000；3.江蘇格蘭特科技新材料股份有限公司，江蘇 淮安 223001）

眾所周知，溫度是影響植物生理活動和生化反應的重要因素，植物的生長發(fā)育離不開光合作用，溫度變化會直接影響植物的光合作用。而作為植物的生態(tài)因子而言，溫度變化會對植物的生長發(fā)育和分布產生非常重要的作用。當植物在生長發(fā)育過程中遇到溫度突然變化的情況，會打亂植物原本的生理節(jié)奏，對植物造成傷害，嚴重時會導致植物死亡。而溫室大棚的出現(xiàn)就很好的解決了北方冬季氣溫低無法種植作物的問題。溫室大棚種植模式主要是利用密閉的大棚營造一個適合作物生長的小氣候環(huán)境，是我國設施農業(yè)最普及的生產方式，不僅大大提高土地產出率，而且解決了反季節(jié)生產的問題。但是目前現(xiàn)在卻有一個很大的困擾，就是冬季夜間、連續(xù)陰雨、雪天氣下棚內溫度低，作物生長緩慢，如果遇到強烈寒潮天氣，大棚內作物還有可能被凍死，從而出現(xiàn)大面積減產，甚至絕產。無法滿足現(xiàn)代農業(yè)對土地要求提高利用率，提高產量，更加智能、高效、自動化的要求。之前大多溫室大棚熱源采用熱風爐、采暖爐或電熱線等，不僅能耗高、污染大，而且穩(wěn)定性差、成本高，效果也不佳。目前在國家大力治理霧霾的大環(huán)境下，非清潔能源的取暖增溫措施正逐漸被淘汰。石墨烯電加熱作為一種全新采暖方式，不但應用于家居生活，在農畜牧業(yè)也具有廣泛的應用，涵蓋蔬菜大棚、花卉栽培、農林育苗、土壤保溫、雛雞孵化、特種水產養(yǎng)殖等產業(yè)?，F(xiàn)在有了生物質石墨烯電加熱系統(tǒng)的暖棚，大棚冬季取暖問題就迎刃而解了。我國是一個農業(yè)大國，溫室大棚、花卉蔬菜、工廠化食用菌、規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖、特種水產反季節(jié)養(yǎng)殖等，都迫切需要加快研發(fā)與示范推廣清潔的石墨烯電加熱采暖方式。

生物質石墨烯是石墨烯大家族中的一員。它是以特有的玉米芯多孔活性纖維素為原料，采用基因配位組裝(GCA)法，在熱催化條件下經(jīng)過配位組裝、高溫碳化、逐步遷移、有序附著、薄層分離等高效而精密的加工工藝而得到。生物質石墨烯生產工藝沒有強氧化劑氧化和化學還原過程，不僅避免了環(huán)境污染與環(huán)境治理，達到了綠色生態(tài)制造，而且產品中也不存在化學物質殘留，極大地提高了產品使用的生物安全性。生物質石墨烯不僅具有一般石墨烯的特性如良好的熱傳導性，導電性等性能，它還具有自己特有的性能，例如低溫遠紅外功能和超強的抗菌抑菌性能。生物質石墨烯電熱膜是以生物質石墨烯材料作為主要發(fā)熱材料的低溫遠紅外輻射電熱膜。生物質石墨烯暖棚是以生物質石墨烯電熱膜為主要加熱元件，輔以科學合理的安裝而形成的遠紅外加熱系統(tǒng)大棚。本文研究了以生物質石墨烯電熱膜作為主要加熱部件，給溫室大棚加熱的實施方法和效果。

1 材料與方法

1.1 溫室概況

試驗在山東省汶上縣蜀山源家庭農場進行，蜀山源家庭農場是一家集科研、生產、銷售、技術服務于一體的規(guī)?；瘜I(yè)型農業(yè)科技農場。溫室概況如表1。

表1 溫室概況

1.2 生物質石墨烯電熱膜概況

生物質石墨烯電熱膜是以生物質石墨烯材料作為主要發(fā)熱材料的低溫遠紅外輻射電熱膜。其特點是：

快速升溫：通電即熱，1分鐘內即可達到工作溫度；面狀發(fā)熱，制熱效果好，整個發(fā)熱面內溫差不大于7℃。節(jié)能：電熱轉換效率>99%；安全可靠，使用壽命長；電熱轉換率高、絕緣強度高、阻燃、防水、防潮、耐腐蝕、免維修，可與建筑物同壽。

本實驗所用到的生物質石墨烯電熱膜產品由山東圣泉新材料有限公司提供。產品外觀，如圖1。

圖1 生物質石墨烯電熱膜外觀

1.3 實施過程

實驗時間：2021年11月至2022年2月。實驗的大棚內分實驗區(qū)和對照區(qū)。實驗區(qū)：大棚棚口到大棚50米區(qū)，安裝生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)。對照區(qū)：棚50米到100米，未安裝生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)。試驗區(qū)和對照區(qū)設置隔離帶，隔離帶主要組成為保溫毛氈簾。溫室大棚內的布局如圖2所示。

圖2 大棚內布局

1.4 生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的安裝

安裝：大棚內有多條栽培畦，生物質石墨烯電熱膜安裝在栽培相鄰的栽培畦之間。間隔5米安裝一條。所有生物質石墨烯電熱膜并聯(lián)，并連接集中溫控裝置。溫控裝置由溫控探頭、液晶顯示屏、溫控系統(tǒng)構成。種植戶可以通過溫控裝置將大棚內溫度恒定在某一溫度。大棚石墨烯加熱系統(tǒng)總功率12千瓦。初始投資約為4000元。生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的具體安裝由江蘇格蘭特新材料科技有限公司實施。加熱系統(tǒng)安裝完畢后外觀如圖3所示。通電測試：接通電源，用紅外熱成像儀檢查紅外發(fā)熱情況，紅外熱成像圖如圖4。

圖3 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)安裝畢后外觀

圖4 石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)通電后紅外成像

1.5 數(shù)據(jù)記錄

1.5.1 實驗區(qū)溫度設定根據(jù)作物生長需求，將實驗區(qū)溫控器的溫度設定為20℃。實驗區(qū)溫度高于20℃時，生物質石墨烯電熱膜停止加熱；低于20℃時，生物質石墨烯電熱膜開始加熱，直至到達20℃。如果陽光較好，大棚內溫度較高時，將采取通風降溫措施。整個過程由種植戶持續(xù)觀察記錄。

1.5.2 大棚內實驗區(qū)和對比區(qū)的溫度采集 實驗區(qū)和對比區(qū)各設置一個溫度計，定時讀取溫度計上溫度。

1.5.3 一個種植季的用電消耗情況 讀取相連接的電表上的用電度數(shù)。

1.5.4 大棚內實驗區(qū)和對比區(qū)的作物長勢 由種植戶持續(xù)觀察記錄。

2 結果與分析

2.1 溫度變化情況

大棚內實驗區(qū)、對照區(qū)、外界環(huán)境的溫度變化情況見表2。

表2 大棚內實驗區(qū)、對照區(qū)、外界環(huán)境的溫度變化

通過表2可以看出，11月天氣開始轉冷，12月、次年1月是全年最冷的兩個月，次年2月氣溫開始回升。對照區(qū)的溫度變化和外界環(huán)境溫度變化是一致的。溫室大棚在白天有光照的時候，溫度較高，夜間是一個降溫過程，大棚有一定的保溫作用，白天墻體和空間儲蓄的熱量在夜間釋放，環(huán)境溫度越低，釋放速度越快，故在環(huán)境溫度較低的時候，夜間溫度下降很快，在次年1月份溫度甚至可以降到零下。而有生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的實驗區(qū)，可以一直保持在≥20℃的狀態(tài)。

2.2 大棚內作物長勢

實驗區(qū)和對照區(qū)的圣女果苗為11月10日無差別栽種。11月份：果苗剛栽種后的第一個月，實驗區(qū)的果苗明顯比對照區(qū)長的要快一些，從高度上肉眼可以直接觀察出來。實驗區(qū)的果苗比對照區(qū)提前5天出現(xiàn)花穗。12月份：果苗進入花果期。兩區(qū)果苗高差距漸漸不明顯。花果差異明顯：實驗區(qū)的花果比對照區(qū)的花果更多一些，生長更快。1月份：花果生長期。在1月份出現(xiàn)的極端低溫天氣中，實驗區(qū)的果苗并未受影響，保持著快速生長的勢頭。而對照區(qū)，生長相對緩慢。實驗區(qū)的花果更多一些。至月底最先長出的第一穗果已經(jīng)成熟變紅。對照區(qū)的還沒有見到紅果。2月份：果實全面成熟期。實驗區(qū)的果實比對照區(qū)提早成熟20天。具體對比見表3。

表3 實驗區(qū)和對照區(qū)作物長勢

2.3 耗電情況

11月至次年2月，實驗區(qū)共用電2891度。

每月耗電量的趨勢如圖5。各月的具體環(huán)境氣溫不同，導致生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)的啟動運行時間也不同，具體分析見表4。

圖5 11月至次年2月各月耗電量趨勢

表4 11月至次年2月各月耗電量具體分析

2.4 增收情況

經(jīng)種植戶反映實驗區(qū)與對照區(qū)相比增收約為15000元。差距主要來自于兩方面：（1）實驗區(qū)的果實早成熟約20天，當時上市量不多，價格比較有優(yōu)勢，比20天后的價格平均多4元/公斤。（2）推出的采摘活動。成熟較早而且果實成熟均勻，色澤好，相比其他往年有更多的顧客源。采摘情況如圖6。

圖6 果實成熟后采摘

3 討論與結論

3.1 生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)對大棚的加熱效果

通過對比實驗區(qū)和對照區(qū)的溫度，可以看出生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以有效的提升大棚溫度。尤其是在冬季連續(xù)陰天、雨、雪、寒潮天氣下，大棚內依然可以保持作物所需的最佳生長溫度和環(huán)境，從而使作物快速生長。而對照區(qū)就是典型的“看天生長”，在極端天氣下，棚內溫度會持續(xù)下降，甚至連續(xù)出現(xiàn)零下溫度的情況。

3.2 生物質石墨烯加熱系統(tǒng)對植株生長和果實成熟的影響

通過實驗區(qū)和對照區(qū)作物長勢的對比，可以看出生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以顯著加快作物的生長，提早果實成熟時間，相比較對照區(qū)的，作物在溫度較高時生作物長較好。而在寒潮天氣下的低溫天氣中，幾乎停止生長，甚至被凍壞造成減產式樣的“看天生長”，實驗區(qū)的作物始終保持快速健康生長。

生物質石墨烯電熱膜電加熱系統(tǒng)對植株的生長促進作用，體現(xiàn)在兩點：

（1）溫度的提高。環(huán)境溫度是影響植物生長發(fā)育、地域分布以及作物產量和品質的最關鍵因素之一。植物需要在一定的溫度度數(shù)以上才能開始生長。并且，只有足夠的溫度總量，植物才可以完成生長周期，一般情況下，將植物整個生長發(fā)育期或某一發(fā)育階段內，高于一定溫度度數(shù)以上的晝夜溫度總和稱為某植物或某發(fā)育階段的積溫。不同植物種在整個發(fā)育期內，要求有不同的積溫總量。因此環(huán)境溫度的提高，可以在一定程度上縮減植物的整個發(fā)育期，即使植物更早的成熟。本文中大棚內實驗區(qū)和對照區(qū)白天溫度相仿，但是在夜間，生物質石墨烯電熱膜電加熱系統(tǒng)有效的提高了實驗區(qū)的溫度，使其保持≥20℃，而對照區(qū)的夜間溫度會快速下降，與實驗區(qū)有一定的差距，寒潮時期，對照區(qū)的溫度能到達零下。因此實驗區(qū)中的作物到達需要的積溫數(shù)據(jù)時間更短，也就是實驗區(qū)的作物出現(xiàn)了更早的開花和成熟。

（2）增加了遠紅外線的照射。光周期是通過影響植物內源生長素的積累和植物幼苗的生長來調節(jié)植物發(fā)育，因此調節(jié)植物光周期可提高光合效率、促進光合產物的形成，最終促進植物生長。生物質石墨烯電熱膜在通電后可以發(fā)射紅外線，而試驗證明，各種有機物和高分子物質以及含有水分的其他物質，對紅外線都具有較好的吸收性能。紅外線能夠產生熱效應，能夠保證植物果實的成熟趨于一致，因而實驗區(qū)的果實比對照區(qū)的成熟要更早一些，果實成熟更加均勻。

3.3 經(jīng)濟效益

生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)具有升溫速度快，熱量以紅外輻射的形式直達作物表面，熱量利用效率高，不需要將環(huán)境溫度升的太高，作物便可以接收利用，故整體耗能相比傳統(tǒng)加熱方式要低。而且為智能化控制，將溫度設定好無需專人看守，省去人工成本。一個生長季節(jié)共耗電：2891度，按照當?shù)仉妰r0.5469元/度核算，共花費2891×0.5469=1581元。而最終增收15000元，遠大于電費消耗。扣除掉生物質石墨烯電加熱系統(tǒng)的初始成本4000元，共計帶來15000-4000-1281=9719元的凈增收。

綜上所述，生物質石墨烯電熱膜加熱系統(tǒng)可以有效提高大棚內的溫度，尤其是在冬季連續(xù)陰天、雨、雪、寒潮天氣下，大棚內的依然可以保持作物所需的最佳生長溫度，從而使作物快速生長。而且升溫速度快，熱量以紅外輻射的形式直達植株表面，熱量利用效率高，不需要將環(huán)境溫度升的太高，作物便可以接收利用。故整體耗能相比傳統(tǒng)加熱方式要低。智能化控制，將溫度設定好無需專人看守，省去人工成本。建議在北方區(qū)域進行推廣。