日光溫室冬季新型增溫技術在葉菜生產中應用對比研究＊

劉 旺，安紅艷，胡 浩，謝 杰，盛 順，苗秋生，張京開，張迪婧，宋愛敏，李雪婷（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

日光溫室是京郊地區葉菜生產的重要設施，其廣泛應用不僅提高了農業資源的利用率，而且保證了葉菜等農產品的周年均衡供應，成為解決農業發展、資源、環境三大基本問題的關鍵[1-2]。冬季是日光溫室葉菜生產的旺季，生產效益最顯著，但是由于冬季氣溫較低，冰雪、霜凍等自然災害時常發生，會對日光溫室內的作物造成凍害等不利影響，尤其是隨著北京“煤改電”“煤改氣”等煤改清潔能源工程的實施，京郊日光溫室冬季節能增溫技術的研發和應用受到了越來越多的關注。目前，京郊地區應用較多的增溫方式是利用太陽能、電能，將空氣或水加熱并貯存起來，待夜間溫度較低時釋放熱量進行加熱，也有利用電能將電熱線或電加熱板加熱直接提高地溫或氣溫。郭建業等[3]設計了一種水循環增溫蓄熱系統，該系統利用冬季晴天時北墻部位的太陽輻射熱量使水增溫，并把水儲存在蓄熱水箱中，夜間溫室內溫度降到一定程度時，利用所貯蓄的熱量給溫室加溫，可使溫室日均氣溫提高3.65℃以上，地溫提高2.0℃。馬前磊等[4]以太陽能為熱源，白天通過水循環將太陽能以熱能的型式收集于蓄水池內，夜間通過冠層增溫管道釋放熱量，對番茄冠層進行局部增溫。王志偉[5]以南疆地區現有典型日光溫室為出發點研發了水幕集熱—地暖加溫系統，可實現白天將到達后墻的部分太陽能利用水循環收集、轉化、儲存在植物栽培槽底部深層土壤與地暖管中，夜間將儲存的熱量釋放出來。

葉菜創新團隊研發了智能通風地溫加熱系統，白天利用太陽能加熱空氣，儲存在土壤中，夜間釋放熱量增加地溫[6]。電熱采暖加溫系統主要是利用電能直接對溫室進行加溫，一般是通過地下埋入電熱線或增加電加熱板，持續釋放熱量。在實際使用中發現，利用太陽能增加溫室溫度的方法可實現能源清潔化，適于長期使用，但使用該類設備需對溫室進行工程改造，較復雜且費用較高，如果遇到連續陰天、雪天發揮作用有限，不能應對突如其來的寒冷、凍害。電熱采暖比較耗能，而埋入地下的電線容易影響農機正常作業，同時電加熱板的數量較少，加溫效果不明顯，但電加熱板實施中不用對溫室進行改造，該方法適用于短期應對極端寒冷天氣。葉類蔬菜一般喜冷涼溫和的氣候，生產最適宜溫度范圍為10～25 ℃，白天溫度高于25 ℃以上，需要揭膜通風、降溫、排濕，夜間低于10 ℃生長緩慢，長期低于0℃，容易受到凍害影響，現有增溫技術多應用于茄果類蔬菜或經濟作物，尚未發現適宜葉類蔬菜的綠色、低碳、環保的增溫技術。因此本研究擬利用施工較少的太陽能-相變材料組合、石墨烯電加熱技術進行冬季日光溫室增溫，擬探索一種適用于葉類蔬菜種植、綠色、高效增溫方式。

材料與方法

試驗溫室

日光溫室位于北京市大興區，采用磚＋混凝土結構，普通370 mm 磚抹水泥，前屋面為鋼龍骨結構，溫室南北寬8 m，東西長60 m，由于使用年限較長，保溫效果不佳。研究設置2 個試驗溫室和1 個對照溫室，編號1 號，2 號，3 號，其中1 號溫室安裝相變材料，2 號溫室安裝石墨烯電加熱設備，3 號溫室為對照溫室，2020 年12月24 日分別在3 個溫室內相同位置定植相同數量的芹菜、圓白菜、‘射手101’生菜和娃娃菜，溫室日常管理均一致。

試驗材料

研究中的相變材料是一種新型有機材料，利用特殊的加工制作方法，將固-液相變轉化為固-固相變形式，通過固-固相變實現吸熱放熱，在天氣突變的情況下，可減少溫室內部溫度驟變，有利于保持室內環境的溫度穩定，為植株生長提供溫度支持。相變材料通過吸收日間太陽輻射，經過儲能可以用于溫室夜間放熱，減少冬季溫室能耗。墻體是日光溫室維護結構中最重要的構成之一，其熱物性功能主要包括保溫作用和蓄熱作用，因此，將相變材料、紅磚墻構筑復合相變墻體，以提高墻體的蓄熱能力。相變材料磚塊位于后墻中間，垂直粘貼4 塊，每塊磚尺寸為30 cm×30 cm×5 cm。石墨烯是一種高新科技新型納米材料，由于其結構的獨特性，是目前發現的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的材料，其電熱轉化率接近100%，其應用在溫室的基本原理是：電熱板向溫室散發熱量，控制室內恒溫。北側+南側雙重加熱傳導，可以在短時間內提升室溫，降低損耗，保障根系土壤溫度。本實驗中，北側安裝20 塊石墨烯板，間隔為3 m，尺寸為150 cm×60 cm，每塊板電功率為2 kW；南側安裝20 塊板，間隔3 m，尺寸為150 cm×30 cm，每塊板電功率為1 kW。溫控設置為12℃，即低于12℃開始工作，大于等于12℃停止工作，溫度傳感器位于溫室中部離地面1.5 m 處。

圖1 相變材料布置圖

圖2 石墨烯電加熱設備布置圖

試驗儀器及操作方法

試驗溫度采用單點溫度計進行測試，溫度計使用前放置在室內同一位置處進行校正，溫度相差0.11～0.24 ℃。試驗前對3 個溫度計進行標定，放置在室內，觀測了6 天，三個傳感器的6 天平均溫度分別為18.21、18.34、18.10 ℃，相差不到0.3 ℃，因此測試溫度較為穩定、準確。試驗時，單點溫度計放置在溫室正中央，離地高度1.5 m，實時記錄溫室溫度，溫度數據每10 min 監測1 次并傳輸到終端。為了減少人為操作誤差，3 個溫室均由1 個人管理，都是同時操作的。所測溫室采用連續3 天溫度，具有重復性，結論可靠。

結果與分析

新型日光溫室冬季增溫技術效果及耗電量

由圖3 可知，加裝相變材料溫室的平均溫度為8.6℃，加裝石墨烯電加熱設備溫室的平均溫度為11.1℃，對照溫室的平均溫度為7.9℃，分別比對照溫室高0.7、3.2 ℃。三個日光溫室的日平均溫度均隨室外溫度變化而變化，隨著室外溫度不斷降低，溫室溫度波動較小，加裝相變材料溫室的日平均溫度的變異系數為24.2%，加裝石墨烯電加熱設備溫室日平均溫度的變異系數為16.4%，對照溫室的日平均溫度的變異系數為30.7%，說明三個溫室保溫效果較好，其中，與對照溫室相比，加裝石墨烯設備的溫室溫度變化最小，其次是加裝相變材料溫室。

由圖3 可知，加裝石墨烯電加熱設備需要消耗電能，2020 年12 月28 日～2021 年1 月8日，室外平均溫度由-4℃連續降低到-11.8℃時，每天消耗電能呈增加趨勢，平均每天消耗電能337.4 kW.h。2021 年1 月9～11 日，室外平均溫度由-7.9℃升至-3.8℃后，電能迅速由167 kW.h降低到94 kW.h。

圖3 新型日光溫室冬季增溫技術溫度測試

不同天氣狀況下日光溫室增溫技術試驗比對

連續晴天時日光溫室增溫技術試驗比對

圖4 為2021 年1 月29～31 日（晴 天）溫室內氣溫變化規律，圖中可以看出，受室外溫度和太陽輻射強度影響，8:00 掀開保溫被后，試驗溫室和對比溫室內氣溫開始升高，14:00溫度達到一天內的最高，之后開始溫度下降，到第二天7:00 溫度達到一天內最低，試驗溫室和對照溫室變化趨勢一致，且16:00 放下保溫被后，試驗溫室與對比溫室相比，溫度下降速度略小，溫差變化不大。溫室內日平均氣溫高低順序為石墨烯電加熱設備的溫室>相變材料溫室>對照溫室，其中溫室的平均溫度分別為12.4、11.2、10.1 ℃，石墨烯電加熱設備的溫室和相變材料溫室分別比對照溫室高2.3 ℃、1.1 ℃，說明在晴天時，溫室內平均溫度可達12 ℃，石墨烯電加熱設備在溫室內溫度較高時不進行加熱，相變材料溫室的保溫性比對照溫室好。

圖4 晴天時溫室內氣溫變化規律

連續極冷天時日光溫室增溫技術試驗比對

由圖5 可知，在極端寒冷時（室外）溫室內連續3 天溫度變化規律。溫室內日平均氣溫高低順序為石墨烯電加熱設備溫室>相變材料溫室>對照溫室，其中溫室的平均溫度分別為9.9、6.0、5.0℃，分別比對照溫室高3.3、1.0℃，最低溫度分別為4.7、-2.2、-2.1 ℃。1 月6～8 日9:00～16:00 期間，相變材料溫室、石墨烯電加熱設備溫室、對照溫室3 天的平均氣溫分別為17.9、18.4、15.6 ℃，分別比對照溫室高2.3、2.8 ℃，特別是1 月8 日最高均比對照溫室高3.7℃。1 月6～7 日晚上（16:00～次日9:00）期間，相變材料溫室、石墨烯電加熱設備溫室、對照溫室2 天的平均氣溫分別為0.3、6.1、-0.1℃，分別比對照溫室高0.4℃和6.2℃。相較于連續晴天，雖然石墨烯電加熱設備、相變材料均能提高溫室溫度，但使用石墨烯電加熱設備比相變材料增溫效果明顯，尤其是夜間石墨烯電加熱設備可提高溫室溫度6.2℃，保證葉類蔬菜正常生長。

圖5 極端低溫條件下日光溫室內氣溫變化規律

成本分析

試驗時，相變材料的主要費用為材料費和安裝費，材料費為56000 元，安裝人工費、輔助材料費等為19000 元，按10 年折舊計算，每年費用為7500 元。石墨烯電加熱設備費和人工安裝費用為40000 元，運行一個作業季節，根據葉菜生長期內需加熱的最大天數計算，加熱30天，約消耗5223 度電，低谷電約為0.35 元/ 度，電費約為1828 元，按10 年折舊計算，每年費用為5828 元。以種植生菜為例，石墨烯電加熱設備溫室與對照溫室相比實現增產13%，相變材料溫室與對照溫室相比實現增產5%，且石墨烯電加熱設備溫室內葉菜可提前2 周上市，供應時菜價較高，按照12 元/kg 計算，實現增收109 元/667 m2。加裝相變材料溫室可提前1 周上市，由于人工成本較高，增收不增利，但可保障葉菜春節前上市供應，提高經濟效益。

結果分析

研究結果表明，加裝相變材料、石墨烯電加熱設備溫室的平均溫度分別比對照溫室高0.7 ℃、3.2 ℃。與對照溫室相比，隨著室外溫度的降低加裝石墨烯設備溫室一天內溫度變化最小，其次是加裝相變材料溫室。同時，石墨烯設備在室外相對低溫時耗電量較大，相對高溫時耗電量較小，當室外平均溫度由-4 ℃連續降低到-11.8 ℃時，平均每天消耗電能337.4 kW.h，室外溫度升高后，電能迅速降低到167 kW.h。

連續晴天時，石墨烯電加熱設備的溫室和相變材料溫室分別比對照溫室高2.3、1.1℃，說明在晴天時，溫室內平均溫度可達12 ℃，石墨烯電加熱設備在溫室內溫度較高時不進行加熱，而相變材料溫室的保溫性較好。連續極端寒冷天氣時，石墨烯電加熱設備溫室、相變材料溫室平均溫度分別比對照溫室高3.3、1.0℃。雖然石墨烯電加熱設備、相變材料均能提高溫室溫度，但使用石墨烯電加熱設備比相變材料增溫效果明顯，尤其是夜間石墨烯電加熱設備可提高溫室溫度6.2℃，保證葉類蔬菜正常生長。

經過對比，晴天時，試驗溫室和對照溫室最低氣溫均在0℃以上。連續極冷天氣時，石墨烯電加熱設備溫室最低氣溫能保持在0℃以上，避免發生凍害，滿足葉菜生長需要，缺點是需要耗電；相變材料溫室夜間平均氣溫在0℃以上，可有效減少葉菜凍害的發生。