太陽能熱利用技術(shù)在我國溫室中的應(yīng)用現(xiàn)狀

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 ■ 伍綱 楊其長 張義 方慧

0 引言

2017年初，中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革 加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動能的若干意見》指出，必須轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)原有生產(chǎn)方式，大力推動綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)發(fā)展的可持續(xù)能力。

現(xiàn)階段，北方越冬農(nóng)作物的生產(chǎn)全部依靠溫室，絕大多數(shù)溫室仍沿襲傳統(tǒng)的燃煤供暖方式，廢氣的排放影響了大氣環(huán)境，運(yùn)行費(fèi)用也占據(jù)了較高比例，這些都制約著溫室生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。尤其是近年來，霧霾災(zāi)害肆虐，我國北方許多城市都出臺了相關(guān)政策，堅決取締傳統(tǒng)的燒煤小鍋爐。而對于部分不加溫日光溫室，仍面臨著冬季低溫冷害頻發(fā)的困境。太陽能作為一種分布較廣的清潔能源，在溫室增溫中能夠替代煤炭來進(jìn)行加熱[1]。溫室自身就是一個太陽能高效利用的設(shè)施，但仍然存在部分能源未被有效利用的情況，溫室的太陽能熱利用技術(shù)研發(fā)仍有巨大的發(fā)展空間。

1 溫室中太陽能熱利用技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與主要形式

圖1 全國設(shè)施園藝面積及結(jié)構(gòu)類型的逐年變化

根據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計的數(shù)據(jù)(見圖1)，截止到2016年，我國溫室總占地面積達(dá)到208萬hm(1 hm=10000 m2)，已成為全球該類設(shè)施擁有量最多的國家。在34°N～42°N區(qū)域的冬季，利用具有中國特色的節(jié)能日光溫室，在不加溫的條件下，也能在室內(nèi)進(jìn)行農(nóng)作物的連續(xù)生產(chǎn)[2]。但另一方面，由于農(nóng)戶自身經(jīng)濟(jì)條件的限制，溫室設(shè)施比較簡陋，結(jié)構(gòu)不規(guī)范，導(dǎo)致溫室生產(chǎn)效率低。北方地區(qū)廣泛使用的日光溫室的熱量完全來自太陽能，部分喜溫蔬菜溫室采用熱源進(jìn)行補(bǔ)充供暖。

1.1 溫室太陽能集熱技術(shù)

國家氣象局太陽能中心將全國太陽能資源劃分為4類，其中，Ⅰ類地區(qū)(資源豐富帶)和Ⅱ類地區(qū)(資源較豐富帶)為全年輻射量在5400 MJ/m2以上的地區(qū)[3]。這類地區(qū)緯度較高，在冬季寒流來臨時容易給溫室蔬菜生產(chǎn)造成嚴(yán)重侵害。值得慶幸的是，我國1月份0 ℃等溫線(見圖2中紅線)以北的大部分地區(qū)，太陽能資源非常豐富。如圖2、圖3所示，北方省份溫室面積在全國占很大比重，這與我國北方寒冷地區(qū)不加溫進(jìn)行蔬菜越冬栽培具有一定的正相關(guān)性。因此，利用太陽能對溫室進(jìn)行儲能調(diào)溫，符合當(dāng)前低碳節(jié)能的發(fā)展趨勢，也具有廣闊的發(fā)展前景。

我國溫室的內(nèi)置太陽能集熱器一般靠近北墻，這樣幾乎不占用室內(nèi)種植面積；外置太陽能集熱器一般位于溫室北墻之上，或是除溫室北側(cè)之外的四周空地上。溫室中常用的太陽能集熱器可劃分為平板集熱器和全玻璃型真空管集熱器。按傳熱工質(zhì)類型可分為液體和空氣集熱方式。

圖2 我國太陽能資源與各省溫室面積(圓面積)的相對分布(2015年)

圖3 1月0 ℃等溫線以北各省溫室面積分布(2015年)[2]

溫室的設(shè)計與建設(shè)必須堅持因地制宜的原則，依據(jù)當(dāng)?shù)氐淖匀粴夂蚝妥魑锓N植要求建設(shè)最適宜的溫室。北方地區(qū)的溫室建設(shè)重點在于節(jié)能保溫和抗暴風(fēng)雪。若在冬季使用平板集熱器(外置)必須考慮防凍措施，而全玻璃型真空管集熱器在所處環(huán)境為-15 ℃以上時，具有一定的防凍功能。相較于以上兩種集熱器，熱管型真空管集熱器在冬季長時間處于陰天和夜間低溫條件下也不會損壞[4]。平板集熱器適用于我國南方地區(qū)，全玻璃型真空管集熱器則可在華北和部分西北地區(qū)使用，而熱管型真空管集熱器則適宜在寒冷地區(qū)使用。因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，不同的太陽能集熱器在我國適用的地區(qū)及價格不同，具體如表1所示。

表1 我國太陽能集熱器分布地區(qū)及價格

許多國內(nèi)與國外研究者都考慮利用太陽能集熱的方法來改善溫室內(nèi)的微氣候。李文等[5]利用溫室內(nèi)部北墻上的集熱器進(jìn)行主動蓄放熱，白天利用水流介質(zhì)將到達(dá)溫室北墻的太陽輻射吸收并蓄積起來，等夜晚環(huán)境溫度降低以后，再通過反向循環(huán)將熱量在室內(nèi)釋放出來。在該主動方式下，蓄積和釋放熱能的效率被成倍提高，同時也提升了冬季夜晚溫室的內(nèi)部溫度。馬承偉等[6]采用溫室屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)，進(jìn)一步提升了白天溫室的太陽能利用率，吸收室內(nèi)部分熱能，再通過釋放儲存的熱量用于夜間增溫。陳紫光等[7]研發(fā)了一種可直接安裝在日光溫室后墻頂部、體積小、安裝方便且不占用耕地的日光溫室專用多曲面槽式太陽能空氣集熱器，晴好天氣時，空氣集熱器的最大單位日積累熱量可達(dá)6.2 MJ/(m2·d)。但這類新穎的太陽能集熱器最主要的問題在于其對太陽輻射的接收面積偏少，集熱量相對于溫室的需求來說比較有限，如何進(jìn)一步提高集熱效率，研發(fā)與溫室結(jié)構(gòu)相適宜的熱能利用形式是技術(shù)突破的關(guān)鍵。

1.2 溫室中太陽能蓄熱技術(shù)

利用太陽能進(jìn)行蓄熱，就是分別對顯熱、潛熱或化學(xué)反應(yīng)熱進(jìn)行蓄積。顯熱儲存通常采用液體和固體兩類材料(氣體比熱容小，一般不用)。目前比較一致的看法是，在中、低溫(特別是熱水、采暖和空調(diào)系統(tǒng)所適用的溫度)范圍內(nèi)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本，經(jīng)常采用水作為液體蓄熱材料，同時選用砂石作為固體蓄熱材料。這些材料不僅具有熱容量大、來源廣泛和價格低廉的優(yōu)點，而且無毒性和腐蝕性；但其缺點在于質(zhì)量和體積大、輸入與輸出熱流溫度變化范圍大，且不穩(wěn)定。張新橋等[8]在嚴(yán)寒地區(qū)溫室內(nèi)布置蓄熱水池對太陽能進(jìn)行收集和儲存，發(fā)現(xiàn)3～10月的節(jié)能效果顯著，其中，6～8月的節(jié)能效果為100%。

在溫室應(yīng)用中，通常將太陽能集熱和土壤蓄熱技術(shù)相結(jié)合利用，因為溫室內(nèi)土壤熱容量比較大，白天吸收的熱量不僅可以保持至夜間，有些還可維持?jǐn)?shù)天，可起到節(jié)能增產(chǎn)的目的。上世紀(jì)80年代，我國開始利用太陽能集熱器對溫室土壤進(jìn)行蓄熱研究，和普通太陽能熱水器利用方式類似。太陽能集熱器能夠?qū)⒌販靥岣?～5 ℃，同時運(yùn)行費(fèi)用低，但初期投資比較大[9]。而且，通過氣體進(jìn)行集熱，鼓風(fēng)機(jī)將溫室內(nèi)部比較熱的空氣通入土壤之中，但溫室內(nèi)空氣的熱量非常有限，這些熱量不足以加熱土壤供其在夜間使用[10]。

利用潛熱進(jìn)行儲存能夠彌補(bǔ)顯熱儲存的缺點，可蓄積更多的熱量，且進(jìn)出蓄熱系統(tǒng)的工質(zhì)溫度波動幅度較小。不少無機(jī)鹽的水合物，在低溫范圍內(nèi)，其熔點都比較適合作為儲熱的相變材料，儲能密度都在120～300 kJ/kg的范圍，且價格便宜，來源也較為豐富。正是由于無機(jī)鹽水合物較低的熔點，其與平板集熱器配合使用，可保證集熱器始終保持在較高的效率下運(yùn)行。李曉野[11]選用比較常見的磷酸氫鈉和硅酸鈉的水合物作為相變儲熱材料，對溫室進(jìn)行集熱蓄熱實驗，蓄熱效率約為43%。

太陽能熱利用系統(tǒng)包括太陽能集熱器、儲熱裝置、換熱設(shè)備、用熱設(shè)備、輔助能源加熱設(shè)備和控制設(shè)備等。如果使用太陽能系統(tǒng)取得低溫?zé)崴?，那么直接用水儲熱最為合理，若換用其他儲熱介質(zhì)，再通過換熱設(shè)備，在傳熱過程中必將損失一部分可應(yīng)用的熱能。另外，儲熱容量是必須要考慮的另一個因素。容量太大，必然會增加投資額和運(yùn)行費(fèi)用；當(dāng)容量足夠用時，盡量保持小容量，這樣有益于快速升溫。

1.3 熱泵集熱系統(tǒng)

作為一種新能源技術(shù)，通過熱泵技術(shù)將低品味熱源提升至高品位熱源被更多地運(yùn)用在溫室加溫上。太陽能集熱技術(shù)與熱泵技術(shù)是兩個比較成熟的技術(shù)。水源熱泵和地源熱泵以淺層地?zé)嶙鳛闊嵩?，高效?jié)能、系統(tǒng)穩(wěn)定。太陽能熱泵將太陽能輻射熱作為熱泵蒸發(fā)器的熱源，不斷對熱泵熱源進(jìn)行能源補(bǔ)充，在較高的蒸發(fā)器溫度下，可獲得較大的能效比(COP)。該系統(tǒng)可防止蒸發(fā)器結(jié)霜，減少了除霜時間。太陽能作為輔助熱源提高了系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度，間接改善了壓縮機(jī)工作環(huán)境，延長了機(jī)組壽命，從而提高了集熱效率，增加了對太陽能的利用率，兩者互為補(bǔ)充。國內(nèi)研究者對溫室太陽能熱泵進(jìn)行加溫實驗后發(fā)現(xiàn)，熱泵系統(tǒng)的COP一般在3左右[12]。

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對能源的需求越來越強(qiáng)烈，節(jié)能降耗及環(huán)保方面的問題日益突出，太陽能集熱與熱泵的結(jié)合會越來越有市場，必將成為未來的主要供能手段。

2 技術(shù)發(fā)展的展望

萬物生長靠太陽。溫室是能夠同時利用太陽光光合能量和光熱轉(zhuǎn)換的設(shè)施。其中，光熱轉(zhuǎn)換利用率能夠達(dá)到80%，光合利用率約為5%，溫室種植的產(chǎn)量可達(dá)到露天種植的產(chǎn)量的5倍左右。對于人均耕地面積只占世界人均水平25%的中國來說，其意義是巨大的。未來，太陽能熱利用技術(shù)在溫室中的應(yīng)用應(yīng)向以下幾個方向發(fā)展。

1)太陽能直接吸收技術(shù)。該技術(shù)是利用介質(zhì)流體直接全部或部分吸收太陽輻射進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，溫室最大的光接收面積是整個溫室的外層薄膜，應(yīng)著重研究對植物生長的光熱兩相性的薄膜集熱技術(shù)及配套設(shè)施。

2)溫室內(nèi)高效集熱、儲能、用能技術(shù)。采用“削峰填谷”的思路，進(jìn)一步提高溫室白天的太陽輻射收集效率，高效儲能，研發(fā)適用于溫室的加溫方式，研制適用于溫室的太陽能主動截獲技術(shù)及裝備。

3)太陽能熱泵能效的提升技術(shù)。針對溫室作物需求的熱環(huán)境要素，研究制定熱泵運(yùn)行機(jī)制，提高熱泵在不同天氣條件下的整體運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

本文梳理和總結(jié)了太陽能熱利用技術(shù)在我國溫室中的應(yīng)用現(xiàn)狀與主要形式，并對該技術(shù)的發(fā)展提出了展望。未來，資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的溫室生產(chǎn)方式將得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。