地面輻射采暖應用于溫室大棚的策略研究

摘要：溫室大棚以其為植物生長提供適宜生存的氣候小環(huán)境為主要目的。為達到這一目的，最主要的影響因素是如何保持溫室大棚室內的溫度。本文從溫室大棚的自身特點出發(fā)，分析了利用碳纖維發(fā)熱線地面輻射供暖的策略，供暖負荷的計算方法，地面供暖工程的結構工藝及供暖工程的控制策略。

關鍵詞：溫室大棚；碳纖維；地面輻射供暖；負荷計算；結構工藝；控制策略

中圖分類號： TU832 文獻標識碼： A 文章編號： 1674-0432（2013）-20-48-2

1 研究背景

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增長，人們對植物產(chǎn)品的數(shù)量和質量的要求愈來愈高，進而促進了溫室大棚技術的發(fā)展。目前，伴隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，人們對于反季節(jié)化、多樣化、反地域化和超時令生產(chǎn)的植物蔬菜的需求越來越高[1]。但我國目前的溫室大棚技術發(fā)展的速度跟不上人們需求增長的速度，其中制約溫室大棚栽培技術發(fā)展的主要因素在于如何創(chuàng)造適宜植物生長的溫濕度條件。

溫室大棚又稱太陽能溫室，設計之初的目的就是以其利用太陽的能量提高塑料大棚內或玻璃房內的溫度，為植物創(chuàng)造適宜生長的溫度環(huán)境。但是，由于我國北方大部分地區(qū)冬季室外溫度低，太陽輻射強度弱，同時溫室大棚內還得保持一定量的通風次數(shù)，以上種種原因導致我國嚴寒、寒冷地區(qū)的溫室大棚內必須采用一定的采暖方法才能保持適宜植物生長的室內溫度。

農(nóng)作物的生長，一方面取決于農(nóng)作物本身的遺傳特性，另一方面也取決于外界環(huán)境因素[2]。只有在具有良好的遺傳特性的前提下，同時具備適宜農(nóng)作物生長的外界環(huán)境因素，農(nóng)作物才能健康發(fā)育。為農(nóng)作物創(chuàng)建適宜生長的環(huán)境條件成為農(nóng)作物能否健康生長的重要因素。

地面輻射采暖系統(tǒng)是目前應用于建筑采暖行業(yè)效果較好的一種采暖方式。但地面輻射采暖系統(tǒng)不能簡單的照搬到溫室大棚中來。雖然在建筑行業(yè)和溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)都是為了創(chuàng)造人工小氣候環(huán)境，但是二者的應用卻是不同的。在建筑行業(yè)中，應用地面輻射采暖系統(tǒng)，是為了創(chuàng)造人們適宜生活的室內環(huán)境，其載熱體是鋪設在地板層的下部，固定在地面層以下，施工完成后基本不存在復雜的工作環(huán)境；而溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)則不同，其是為了創(chuàng)造適宜農(nóng)作物生長的人工小環(huán)境，而且一般的溫室大棚內每年還得耕種翻土，這就使得地面輻射采暖系統(tǒng)處于極端復雜的工作環(huán)境下。

地面輻射采暖系統(tǒng)應用于溫室大棚時應從采暖負荷、施工工藝、溫度控制等方面研究。

2 采暖負荷計算

2.1 溫室大棚室內設計溫度的選取：

由于應用彩盒的不同，溫室大棚的室內設計溫度不應簡單的采用《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》中的規(guī)定溫度，還應參考《中國農(nóng)業(yè)百科全書：蔬菜卷》中對不同蔬菜適宜生長溫度的說明。一般的蔬菜作物在5℃～10℃的情況下，緩慢生長；在10℃～20℃的情況下，正常生長；在20℃～35℃的情況下，加速生長；在溫度超過35℃時，農(nóng)作物的生長將受到損害[3]。

而農(nóng)作物適宜生長的土壤溫度同樣有具體溫度的要求。蔬菜作物主要根群深度及溫度要求見表1[4]。

由表1可以看出，一般蔬菜的主根群深度不超過30厘米，適宜生長的溫度在20℃～30℃之間，由以上數(shù)據(jù)可以指導地暖輻射供暖的設計溫度和控制溫度。

2.2 采暖負荷計算

溫室大棚內需保持一定量的 濃度，提供植物光合作用所必須的，所以溫室大棚內須有一定量的換氣次數(shù)，取0.5次/h。

溫室大棚的采暖負荷包括圍護結構的散熱、土壤的散熱、冷風滲透散熱、通風換氣散熱和溫室大棚頂棚輻射散熱的總量[4]。

其中，圍護結構的散熱量按下式計算：

F——圍護結構的面積，m2；

K——圍護結構的傳熱系數(shù)， W/（m2·K）；

tn——溫室大棚室內計算溫度，℃；

twn——溫室大棚室外計算溫度，℃。

其中，土壤的散熱量按下式計算：

冷風滲透散熱量根據(jù)下式計算：

頂棚的輻射換熱量按下式計算：

根據(jù)上述公式，計算出溫室大棚所需的供暖負荷，在根據(jù)供暖負荷計算地面采暖工程所需的發(fā)熱線條數(shù)（以舍去的條數(shù)影響室內溫度變化不超過2℃，否則進位）。

3 施工工藝

由于溫室大棚的地面種植農(nóng)作物，當進行地面輻射采暖工程時，其施工工藝需與普通的建筑工程中的施工工藝有所不同。溫室大棚碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的示意圖見圖1。

具體的施工工藝包括：在平整好的土壤基層上鋪設3厘米厚的絕熱保溫層，絕熱保溫層采用聚氯乙烯擠塑板；在鋪設好的保溫層上按設計間距鋪設碳纖維發(fā)熱線，在鋪設好的碳纖維發(fā)熱線層表面鋪設10厘米厚的沙土或煤灰層，起到固定碳纖維發(fā)熱線和標示的左右，以防在耕種中破壞發(fā)熱線；在鋪設好的沙土或煤灰層表面鋪設50厘米厚的耕種土壤。

4 控制方式

控制策略選用雙溫控制模式。由于該系統(tǒng)工程需要在保證土壤層溫度不超過35℃的前提下來保證室內溫度。控制邏輯示意圖見圖2。

選用雙溫型溫度控制策略，一個溫度計檢測土壤層的溫度，另一個溫度計檢測溫室大棚室內的溫度。編制控制程序，分別設定土壤層和室內的控制溫度。當土壤層溫度高于設定的控制溫度時或者是室內溫度高于設定的控制溫度時，關閉發(fā)熱裝置，并返回檢測儀器，否則發(fā)熱線繼續(xù)加熱。當檢測設備測試到土壤層溫度和室內空氣溫度都低于各自的設定控制溫度2℃或以上時，溫度加熱設備開啟，否則返回。

5 結論

本文通過理論分析，研究了碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖技術在溫室大棚中的應用。溫室大棚以其反季節(jié)、反地域性的特點，為人們提供了優(yōu)質的蔬菜類產(chǎn)品。同時也能提高農(nóng)村土地的利用率，是建設社會主義新農(nóng)村的支柱型產(chǎn)業(yè)。本文的主要結論包括以下幾點：

（1）根據(jù)溫室大棚的自身特點，給出了計算溫室大棚采暖負荷的計算方法及計算公式。（2）根據(jù)溫室大棚的特點，給出了一種碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的工程工藝，以便指導實際工程的進行。（3）根據(jù)農(nóng)作物適宜生長的溫度范圍，結合碳纖維發(fā)熱線的特點，制定了用于溫室大棚采暖工程的控制策略。

參考文獻

[1] 果海鳳.相變蓄熱技術應用于溫室大棚中的傳熱和節(jié)能特性研究[D].北京工業(yè)大學，2008.

[2] 劉峰.地源熱泵和熱管技術用于提高溫室地溫的研究[A].中國農(nóng)業(yè)機械學會.走中國特色農(nóng)業(yè)機械化道路——中國農(nóng)業(yè)機械學會2008年學術年會論文集（下冊）[C].中國農(nóng)業(yè)機械學會，2008，2.

[3] 中國農(nóng)業(yè)百科全書總編輯委員會.中國農(nóng)業(yè)百科全書（蔬菜卷）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.

[4] 章熙民，任澤霈.傳熱學[M].北京：中國建工出版社，2001.

作者簡介：彭月明，男，碩士研究生，就職于河北建研科技有限公司，研究方向：建筑節(jié)能；權志鵬，男，碩士研究生，就職于河北建研節(jié)能設備有限公司，研究方向：建筑節(jié)能。