太陽能在溫室供熱中的應(yīng)用

太陽能在溫室供熱中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)建筑相比，溫室的周圍結(jié)構(gòu)沒有蓄水能力，植物的蓄熱能力低。冬季炎熱的特點(diǎn)是溫室?guī)缀鯖]有熱量。我國(guó)大部分地區(qū)冬季都比較寒冷,供暖對(duì)于保證溫室作物的正常生長(zhǎng)和發(fā)育就顯得尤為重要。但是冬季加溫需要消耗大量的能源,使得溫室運(yùn)行費(fèi)用很高。目前,國(guó)內(nèi)多數(shù)溫室在生產(chǎn)過程中,普遍存在能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高的問題,這在很大程度上限制了溫室園藝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為降低溫室運(yùn)行成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效益,必須高度重視溫室供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì),以提高能量的使用效率,降低能量的消耗,而這其中,熱源、熱媒的選擇,散熱器的布置又顯得尤為重要。太陽能在溫室供暖中的應(yīng)用溫室供暖熱源形式多種多樣,除以化石燃料、電能為代表的常規(guī)能源外,還有太陽能、地?zé)崴?、工業(yè)余熱等其他形式的能源作為有益的補(bǔ)充。

常規(guī)熱源鍋爐作為溫室內(nèi)常用熱源設(shè)備,技術(shù)成熟,應(yīng)用廣泛,包括了燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃油熱風(fēng)機(jī)和電鍋爐等多種類型。從所用燃料來看,煤炭?jī)r(jià)格較低,但其燃燒熱值較低;燃油價(jià)格稍貴,但其燃燒熱值較高;天然氣燃燒熱值高而且無污染,然而其儲(chǔ)運(yùn)成本較高。我國(guó)煤炭資源豐富,運(yùn)行費(fèi)用低,但是由于其燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重,一些大中城市已經(jīng)對(duì)燃煤鍋爐的建造制定了一些限制條件。燃油和燃?xì)忮仩t的空氣污染和固體污染很少,在大型溫室的加溫中逐漸得到了應(yīng)用,但其燃料價(jià)格較貴,加熱成本相對(duì)較高。與化石燃料相比,電的轉(zhuǎn)化效率更高,但運(yùn)行價(jià)格也較高。以前,電采暖主要應(yīng)用于溫室局部加熱,其加熱量較少?，F(xiàn)在,采用電鍋爐蓄熱裝置可以將低谷用電時(shí)段的電能轉(zhuǎn)化為熱能儲(chǔ)存起來,供熱用戶在需要時(shí)使用,在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)電鍋爐停止加熱,將蓄熱裝置(蓄熱水箱)內(nèi)的熱量釋放出來,達(dá)到電網(wǎng)“削峰填谷”采暖經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。蓄熱電鍋爐初投資費(fèi)用與燃油(氣)鍋爐相近,但運(yùn)行費(fèi)用僅為燃油(氣)鍋爐運(yùn)行費(fèi)用的50%,并且無污染。

太陽能我國(guó)太陽能資源豐富,利用范圍廣,在溫室中合理利用太陽能熱效應(yīng),替代傳統(tǒng)化石燃料或用作輔助能源,無疑具有廣闊的發(fā)展前景。近年來,全玻璃真空管太陽集熱器以其效率高、隔熱性能好,受到特別的關(guān)注。李德堅(jiān)等人對(duì)利用全玻璃真空管太陽集熱器給大型四連棟蔬菜溫室冬季供暖進(jìn)行了試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在集熱器面積與溫室面積為1:6,溫室熱損系數(shù)為8137W/m2·℃條件下,可保持溫室內(nèi)溫度在5℃左右。在2000年12月中旬以前和2001年2月中旬以后期間,溫室外日最低氣溫在-4℃以上時(shí),太陽能主動(dòng)和被動(dòng)供暖能夠維持室溫,無需燃油爐供暖,平均太陽能主動(dòng)供暖率達(dá)26%。12月中旬到第二年2月中旬期間需太陽能和燃油爐聯(lián)合供暖,由于此間氣溫較低,平均太陽能供暖率約為10%?？梢?太陽能集熱器可以作為溫室熱源的有益補(bǔ)充,在溫室熱負(fù)荷不大的情況下可以滿足溫室供暖的需求。需注意的是要解決太陽能裝置所產(chǎn)生的熱水的綜合利用問題,以提高這種方法的綜合效益。

地?zé)崂玫責(zé)豳Y源供暖,能夠有效降低溫室生產(chǎn)成本。利用溫泉地?zé)釋?duì)溫室供暖,難度在于熱媒溫度低,而室內(nèi)氣溫要求高,傳熱溫差小,給供暖設(shè)備選型和布置帶來困難。但其技術(shù)并不復(fù)雜,經(jīng)濟(jì)合理,對(duì)環(huán)境無污染,特別適合在有條件的地方推廣。在沒有地?zé)崴Y源的地區(qū),可以嘗試采用地源熱泵系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能夠利用外界的輸入功從低溫?zé)嵩次鼰?然后往高溫?zé)嵩捶艧?大幅度提高供暖系統(tǒng)效率。經(jīng)過分析,知道在峰谷電價(jià)比拉開的情況下,電熱泵加熱費(fèi)用可以大大降低,在峰谷電價(jià)比3:1時(shí)僅是燃煤方式的1.5倍?？紤]其環(huán)保效益和使用時(shí)的方便簡(jiǎn)捷,熱泵加熱方式具有很大的應(yīng)用潛力。其不足之處在于隨著環(huán)境溫度的降低,熱泵的制熱量也會(huì)降低,與用戶的需熱量提高形成矛盾。因而,在采用熱泵進(jìn)行供暖時(shí)需先進(jìn)行充分的考慮和論證。

工業(yè)余熱采用蒸汽回?zé)釀?dòng)力循環(huán)的火電廠、化工廠、鋼鐵廠等,存在著大量的工業(yè)余熱資源,其大部分以熱水形式被直接排放。這些低溫?zé)崴m然工業(yè)使用價(jià)值不大,但是經(jīng)過適當(dāng)處理后,可以作為溫室熱源加以利用。利用工業(yè)余熱供暖,可以充分利用資源,變廢為寶,有利于保護(hù)環(huán)境,同時(shí)降低了溫室的運(yùn)行成本,其不足之處在于前期投資較大。在有條件的地區(qū),可大力推廣。

地中熱交換系統(tǒng)白天用風(fēng)機(jī)將溫室內(nèi)部的過熱空氣輸送到地中埋管,經(jīng)由管壁將熱量傳給土壤并貯存起來。夜間這部分熱量再被釋放到室內(nèi)。該系統(tǒng)在整個(gè)冬季生產(chǎn)中可維持較高的室內(nèi)溫度(氣溫比對(duì)照溫室高3~7℃,地溫高4~8℃)。華北型連棟塑料溫室選用PVC波紋管作為與土壤的熱交換管材,采用正反雙向送風(fēng)風(fēng)機(jī),提高了熱交換效率和土壤蓄放熱總量。經(jīng)理論計(jì)算,在采暖溫室中應(yīng)用此系統(tǒng),比普通連棟溫室節(jié)省燃料38%左右。系統(tǒng)的滯后性

熱水采暖采暖熱媒是在供暖系統(tǒng)中傳遞熱量的媒介,常用的溫室供暖熱媒包括了熱水、蒸汽和熱風(fēng)等。熱水采暖是指在供暖系統(tǒng)中利用熱水作為采暖熱媒。采用熱水鍋爐采暖加熱,熱媒水管可在溫室內(nèi)任意布置,從而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的均勻加熱,使得溫室內(nèi)的溫度分布均勻。除此之外,由于水的比熱容較大,室內(nèi)氣溫受外界干擾較小,室內(nèi)溫度波動(dòng)相對(duì)較小。但熱煤水的存在也增加了溫室的滯后性,即在鍋爐起始加熱的時(shí)候,鍋爐要首先加熱管道內(nèi)的熱媒水。當(dāng)熱媒水的溫度達(dá)到一定的值后,才能加熱溫室。如果沒有一個(gè)較完善的自動(dòng)控制系統(tǒng),溫室內(nèi)的溫度控制很容易超出被控范圍而造成能量的浪費(fèi)。

蒸汽供暖蒸汽供暖是以溫度為100~110℃的蒸汽作為熱媒的一種供暖方式,其系統(tǒng)組成與熱水采暖系統(tǒng)相近。由于熱媒的特殊性,要求管道和散熱器具有耐高壓、高溫、耐腐蝕、密封性好的特點(diǎn)。相對(duì)于熱水采暖系統(tǒng),蒸汽供暖系統(tǒng)一次性投資較低,但管理的要求較嚴(yán)格,適用于有蒸汽資源的條件下或給大面積連片溫室群供暖。

熱風(fēng)采暖熱風(fēng)采暖是利用熱源將空氣加熱到要求的溫度,然后利用風(fēng)機(jī)將熱空氣送入溫室中。熱風(fēng)采暖設(shè)備投資低,可以和冬季通風(fēng)相結(jié)合,供熱分配均勻,便于調(diào)節(jié)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。但是采暖系統(tǒng)停止工作后余熱小,溫室中溫度降低較快,實(shí)行自動(dòng)控制可以有效減小這一不利影響。熱風(fēng)爐采用熱風(fēng)直接加熱,也就沒有起始加熱時(shí)加熱總管道中熱媒水的熱量損失,有利于節(jié)省能源。同時(shí),溫室加熱的滯后較短,溫室升溫速度較快,但是這樣也使得溫室內(nèi)的溫度波動(dòng)較大。與熱水鍋爐相同,燃煤熱風(fēng)爐的調(diào)節(jié)性能較差,但室內(nèi)加熱的熱慣性較小,溫室耗煤量相對(duì)較小。溫室地面加熱溫室常用的散熱器,包括了柱狀散熱器、圓翼型散熱器、光管散熱器等。其中,柱狀散熱器由于占用空間多,目前在溫室內(nèi)很少使用。圓翼型散熱器具有散熱面積大、節(jié)省材料、占地小、運(yùn)輸拆裝方便、美觀等優(yōu)點(diǎn),是溫室中常用的一種散熱器。光管散熱器,常用來做成蛇型,直接從近地面對(duì)植物加熱,同時(shí)兼作軌道,在大型連棟溫室中應(yīng)用較多。合適的生態(tài)環(huán)境,尤其是合理的溫度場(chǎng)分布,能夠大幅度提高作物產(chǎn)量。散熱器在溫室內(nèi)的布置將直接影響到溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的分布與能量的消耗。散熱器布置的原則是盡量保證溫度分布均勻,熱損失小,管路短,且不妨礙生產(chǎn)操作。對(duì)于一般連棟溫室,常常將散熱器靠四周的覆蓋材料布置,這樣可以防止冷氣流產(chǎn)生,使流經(jīng)工作區(qū)的空氣比較溫暖。大型連棟溫室的中部常將散熱器安在立柱兩側(cè),離地面20~30cm處。四周的散熱器則靠墻水平重疊布置。這樣,占地面積不大,遮光少,對(duì)溫室作業(yè)影響小。在日光溫室中散熱器常放在后墻內(nèi)側(cè)。從供暖效果來看,溫室內(nèi)的管道布置與溫室的作物要求密切相關(guān)。溫室內(nèi)的管道布置越多,溫度場(chǎng)分布越均勻,溫度波動(dòng)越小。反之,溫度場(chǎng)分布不均勻,溫度波動(dòng)大。在選擇溫室的管道布置時(shí),不僅要考慮作物的需要,還要考慮傳熱的效率。從輻射傳熱的角度考慮,供熱管道應(yīng)位于靠近作物并處于作物高度的1/2處,這時(shí)輻射熱效率最大;從對(duì)流傳熱角度考慮,供熱管道的豎向位置應(yīng)靠近地面,這時(shí)對(duì)流換熱效率最好,且溫室中熱氣流的分布最理想,但輻射效率和對(duì)流效率兩者不能同時(shí)達(dá)到最佳。在兼顧輻射和對(duì)流兩方面效率的情況下,供熱管道的合理位置應(yīng)為靠近作物并處于作物高度的1/4~1/3處。一系列的研究表明:提高土壤溫度不僅直接影響作物根系的形成和生長(zhǎng),還影響植物對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收,土壤微生物繁殖和活動(dòng),部分蔬菜作物的花芽分化和產(chǎn)量等。尤其在低溫時(shí)期,對(duì)地溫的調(diào)節(jié)更為重要。在土壤內(nèi)布置散熱器將有效地提高地溫,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育。溫室地面加熱是指將加熱管置于地表以下,加熱管將熱量傳遞給地面,然后以整個(gè)地面作為散熱面加熱溫室的一種加熱方式。整個(gè)地面作為散熱面,使加熱系統(tǒng)散熱表面面積大,而且分布均勻,使溫內(nèi)氣溫在水平和垂直方向上的分布均勻。熱量從地面向溫室空間散發(fā),首先使植物根部和冠層受熱,使其處于良好的溫度環(huán)境,溫室上層空間的溫度較低,通過覆蓋材料向室外散失的熱量相對(duì)較少,比較節(jié)省能源。據(jù)報(bào)道,使用地面加熱系統(tǒng),與傳統(tǒng)加熱方式相比,節(jié)能最高達(dá)80%。溫室供熱計(jì)量技術(shù)的選擇、使用受條件限制從我國(guó)國(guó)情出發(fā),一段時(shí)間內(nèi),化石燃料仍將是我國(guó)溫室供暖的主要熱量來源,大部分地區(qū)還將采用燃煤鍋爐作為溫室熱源設(shè)備。從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā),可提高鍋爐技術(shù),減少環(huán)境污染。利用地?zé)豳Y源、工業(yè)余熱可以有效降低溫室成本,但是受條件限制。蓄電鍋爐、太陽能和地源熱泵技術(shù)適用范圍廣,極具發(fā)展前景。從熱媒來看,熱水、水蒸氣、熱風(fēng)作為溫室供暖熱媒,各有其特點(diǎn)。采用熱水作為熱媒,溫室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定