農業建筑中供暖方式及設備的選擇

馮碩+胡文舉+李德英

摘 要：介紹了我國北方地區溫室大棚的供暖方式，論述了溫室大棚負荷計算中室內外溫度的選取方法，并在選取合適溫度的基礎上，對溫室大棚的負荷計算進行了描述。重點針對不同的供熱熱源和末端設備進行了介紹，分別敘述了每種熱源和設備的優缺點，為以后溫室大棚選取合適的熱源和設備奠定了基礎。

關鍵詞：溫室大棚；采暖；設備

中圖分類號：TU833 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.019

Abstract： The heating mode of greenhouse in the north of China was introduced， the selection methods of indoor and outdoor temperature of greenhouse load calculation was discussed. And on the basis of selecting the appropriate temperature， the load calculation was described. According to different heat source and terminal equipment， the advantages and disadvantages of each heat source and equipment were described respectively， which laid the foundation for the selection of suitable heat source and equipment in the future.

Key words： greenhouse； heating； equipment

隨著人類社會的發展和人民生活水平的提高，傳統的農業生產模式已經不能滿足現代文明發展的需要，人們對于農作物產品的要求也越來越高。溫室大棚作為一種新型的農業設施受到業界人士的追捧。溫室又稱暖房，是一種以采光覆蓋材料作為全部或部分圍護結構材料，能透光保溫，可在冬季或其它不適宜露地植物生長的季節供栽培植物的建筑，多用于低溫季節喜溫蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗等。

良好的保溫性能是反季節蔬菜在溫室大棚里健康成長的必要條件，但我國北方地區冬季日照率較低，溫室大棚在保證密封保溫的前提下也要保持一定量的通風次數，通風時較低的室外溫度會對農作物的發育產生影響。這就要求我國北方地區的溫室大棚必須采用一定的供暖方式來保持適宜農作物生長的室內溫度[1]。

溫室大棚供暖設備的選取與住宅供暖設備的選取不同，這是因為二者的結構組成、建筑材料、設計理念以及內部負荷需求都不相同，若一味地按照住宅供暖設備的選取方式為溫室大棚進行供暖設備的選取，不僅不能滿足溫室大棚供暖需求，還會造成能源的浪費。因此，采用合適的方法和供暖設備，是保證溫室大棚產量和降低能耗的必要舉措。

1 溫室供暖方式

目前，我國現有的溫室大棚供暖方式主要有6種[2-6]，即土法供暖、熱風供暖、熱水供暖、淺層地熱供暖、太陽能供暖及復合供暖方式。

土法供暖就是自己制作簡易供暖裝置對大棚進行供暖。其主要燃料為農作物秸稈或者燃煤，方法簡單，操作容易。但是需要人員實時看守，否則容易導致溫度過高，且會產生大量灰塵，對溫室大棚內造成污染。

熱風供暖是采用一定設備向大棚內通入熱風，保證溫室大棚的溫度。熱風設備包括燃煤風爐和電熱風爐。這種供暖方式效率高，見效快，但是風速較大，且容易降低大棚內濕度，影響植物生長，溫室內溫度也不容易控制。

熱水供暖是通過加熱設備產生熱水，再經過末端設備，將熱水的熱量傳遞給溫室大棚。一般末端設備采用散熱片。這種供暖方式安全、穩定，機械部件少，但是投資成本和設備維護成本太高，并且容易積灰，不便清潔。

淺層地熱供暖和太陽能輻射供暖是兩種比較新型的供暖方式。二者主要利用熱泵設備，從地熱或者太陽能中取能，通過一定方法供給室內。這兩種方式更能節約化石能源，減少環境污染，并且對大棚內植物基本沒有影響，但是設備運行維護要求高，且由于各個地區地熱能和太陽能分布不均，因而這兩種方式容易受地域限制。因此，多數情況是將這兩種供暖方法與其他方法結合，形成復合供暖方式。

2 溫室大棚供暖負荷計算

2.1 室內計算溫度選取

居住建筑室內溫度的選擇，是根據人員需求設定的，而溫室大棚室內溫度的選擇，主要根據室內植物的生長需求設定。因此，溫室大棚的室內設計溫度與居住建筑室內設計溫度的選擇是不一樣的，要根據《中國農業百科全書：蔬菜卷》中對不同蔬菜適宜生長溫度的說明來確定溫室大棚的室內設計溫度。一般情況下，在溫度較低時，農作物會緩慢生長；合適的溫度下會正常生長甚至加速生長；而溫度過高時，農作物的生長將受到損害。部分農作物生長溫度如表1所示。

從表1中可以看出，大部分農作物的生長溫度都在20～30 ℃左右，根系溫度在20 ℃左右，這就確定了溫室大棚的室內溫度，為設計計算提供基礎。

2.2 室外計算溫度選取

在供暖熱負荷計算中，確定室外計算溫度是一個相當重要的問題。通過氣象資料可以看出，最冷的天氣并不是每年都會出現。如果采暖設備是根據歷年最不利條件選擇的，即把室外計算溫度定得過低，那么在采暖運行期的絕大多數時間里，會顯得設備能力富裕過多，造成浪費；反之，如果把室外計算溫度定得過高，則在較長的時間里不能保持必要的室內溫度，達不到采暖的目的和要求。因此，正確地確定和合理地采用采暖室外計算溫度是一個技術與經濟統一的問題[7]。

為了比較合理地確定采暖室外計算溫度，在結合我國國情和氣候特點以及建筑物的熱工情況下，并以國內外有關資料為借鑒，我國制定了以日平均溫度為統計基礎，按歷年不保證5 d的原則，確定供暖室外計算溫度[7]。這種方法對連續供暖的工業與民用建筑是恰當的，但對溫室大棚卻不合適。首先，溫室大棚熱惰性很差，與工業建筑和住宅建筑不同，可以在很短時間內完成熱量交換；其次，植物與人不同，溫室大棚內植物對溫度比較敏感，稍微的溫度變化就會影響植物生長，持續時間久了甚至會導致植物死亡。所以，不能簡單地將民用建筑規范應用于溫室大棚。endprint

針對溫室大棚室外計算溫度的選取，國內外許多專家學者做出了相關研究。張亞紅等[8]通過確定我國連棟溫室室外設計溫度，計算分析了室外設計溫度在全國的分布狀況，進而計算連棟溫室最大熱負荷。邢丙丙等[9]以雄縣地熱溫室為研究對象，提出采用保證率法確定溫室供暖設計室外計算溫度的方法，并將計算值與實測值進行對比，證明所用方法是可行的。張亞紅等[10]介紹的日本利用度時計算溫室期間采暖負荷的方法，在選取溫室設計室外計算溫度時采用了3種方法：一是采用數年一遇的最低溫度；二是采用近20年中連續最低氣溫的平均值；三是根據建筑供暖中不保證天數確定。周長吉等[7]在分析國家和行業相關標準的基礎上，借鑒國外經驗，提出根據溫室的設計使用壽命，采用“一定年限內累年年最低溫度的平均值”作為溫室采暖設計室外計算溫度的計算方法，并結合分析國內氣象數據，分析得出該方法計算所得的溫室采暖設計室外計算溫度可使溫室采暖期的保證率提高到99%±0.5%。筆者認為這種方法是最適合的溫室大棚室外計算溫度的選取辦法。

2.3 負荷計算

與住宅建筑不同，溫室大棚內需同時保持一定量的二氧化碳和氧氣濃度，以使植物進行光合作用和呼吸作用，所以溫室大棚內須有一定的換氣次數。溫室大棚的供暖負荷，經過簡化后主要包括圍護結構耗熱量、土壤的散熱量、冷風滲透耗熱量、通風換氣耗熱量和溫室大棚頂棚輻射耗熱量，計算公式如下。

根據上述公式，可以計算出溫室大棚地供暖負荷，為后續計算奠定基礎。

3 設備選擇

3.1 熱源設備

我國科學技術的快速發展和進步，以及人們環保意識的增強，對溫室大棚供暖設備的研究和設計產生了很大的影響。我國溫室大棚供暖設備已經開始摒棄以前部分不環保、不節能的設備，逐漸開展對環保型、節能型供暖設備的研究。陳華山[12]開展了對太陽能與鍋爐聯合供暖系統的研究，將太陽能系統與鍋爐結合使用為溫室大棚進行供暖，并取得良好效果。李曼[13]將地源熱泵系統用于草莓培育基地，為草莓種植大棚供暖，既節能環保又具有高效性和靈活性。筆者也曾針對果蔬大棚的供暖進行試驗，并將空氣源熱泵用于果蔬大棚的供暖系統，取得了非常好的效果，大棚內溫度過高時，可以進行降溫，大棚內溫度過低時，可以為大棚供暖，保證了果蔬大棚晝夜溫度。

目前，我國溫室大棚的配套設備很不完善。由于資金問題，高端的配套設備，因其造價較高而不適用于大部分溫室大棚[6]。現有的溫室大棚設備，大都是單項作業，若用高端的溫室配套設備，不但浪費資源，而且操作復雜，人機對話不便[6]。

隨著不可再生資源的使用以及人們環保意識的增強，很多專家學者都不提倡使用化石能源作為溫室大棚供暖能源的選擇。因此，開發可再生能源作為溫室大棚供暖能量來源，已經成為眾多專家學者研究的對象和目標。風能、太陽能及地熱能源等可再生能源在未來會成為能源領域的主要成員。這些能源不僅可以重復利用，而且清潔環保，不會對溫室大棚產生任何環境污染，更有利于提高溫室作物的品質，進而增加農戶的經濟收入。雖然初始投資相對較高，但在國家政策支持下，這種新型能源的溫室大棚一定會成為未來發展的趨勢。

3.2 末端設備

為給溫室大棚進行供暖，末端設備的使用是必不可少的。一般建筑供暖使用的末端設備包括散熱器、地板供暖管道以及風機盤管，但是為溫室大棚進行供暖時，必須結合實際情況進行考慮。

溫室大棚的供暖末端設備主要有地板供暖管道、散熱器（或散熱片）和風機盤管。幾種設備各自具有優缺點。（1）采用地板輻射供暖時，輻射面積大，供熱均勻，而且由于管道敷設在溫室大棚下部，距離農作物距離較近，供回水溫度可適當降低。但是一般情況下溫室大棚內的植物都是種植在地上，而采用地板輻射供暖的話，供熱管道的布置就成為一個問題了。管道不僅會占用地面空間，而且管道的保養和使用壽命也會受到室內濕空氣影響。因此，如果要采用輻射供暖，最好將管道敷設在四周墻面或者頂棚上，這樣既能保證良好的供暖溫度，又能不占用地面空間，保證作物的收成。（2）部分溫室大棚采用散熱器或者散熱片作為末端散熱設備，成本低，效果好，設備布置簡單。但同樣會占用溫室大棚的空間，而且大棚內的濕度較大，對散熱器或者散熱片這種金屬制品腐蝕性很大，影響其使用壽命。（3）采用風機盤管為溫室大棚進行供暖，采用熱空氣混合加熱的方式，可以快速使大棚內溫度達到要求，并且風機盤管采用懸掛安裝的方式，不會占用地面空間。但是，風機盤管造價較高，安裝較散熱器復雜，使用時還要控制好風速和風向，因此很多溫室大棚都未采用。

4 結 論

本文對我國溫室大棚供暖相關的室內外計算溫度的選擇和供暖負荷計算進行了論述，并對熱源設備和末端設備進行了比較。我國溫室大棚供暖設備的研究已取得巨大的進步，基本滿足了我國北方溫室大棚冬季供暖的需求，但是不同設備各有優缺點。因此，選取一種方便快捷的負荷計算方法，研究出一種價格低廉、運行穩定、可控性好、節省能源的新型供暖設備，是未來溫室大棚的重要發展趨勢。

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