石墨烯遠紅外電暖在蔬菜集約化育苗中的應用初探與前景分析

王建軍 代 晉 沈維元 張瑞芳 付 玲 李成江 任懷富*

（1宿州市農業科學院，安徽宿州 234000；2宿州市埇橋區農業技術推廣中心，安徽宿州 234000；3宿州新研石墨烯工貿有限公司，安徽宿州 234000）

由于當前嚴峻的能源形勢和嚴厲的環保政策，調整能源結構、推廣清潔能源的生產和使用勢在必行，蔬菜集約化育苗增溫設施的改進及推廣迫在眉睫。石墨烯遠紅外電暖加溫作為綠色環保的新能源，在蔬菜集約化育苗上應用既解決了育苗設施大量燃煤供暖對環境產生的污染問題，又解決了苗床溫度穩定性問題，具有廣闊的應用前景。

安徽省宿州市埇橋區是我國重要的瓜菜集約化嫁接育苗基地之一，年育苗量逾5億株，可以提供早春、露地、秋延后等嫁接苗4～5批次，種苗遠銷全國20多個省、市、自治區。埇橋地區的育苗設施主要是節能日光溫室、多層覆蓋塑料大棚和少量現代化PC板連棟溫室，年生產嫁接苗300萬株以上的育苗單位和育苗大戶有56家，育苗時間主要集中在12月底至翌年5月初，期間正遭遇淮北地區一年中最冷的12月至翌年1月，隨后低溫、陰雨、寡照天氣也較多。因此，在做好育苗保溫的同時，必須輔助人工增溫。傳統增溫方式有燃煤水熱、燃油風熱和電熱線（毯）、電熱風等，由于高能耗、低安全、不環保、安裝復雜、專業操作技術性強等問題，致使種苗成本較高，不利于規?；a，也不符合我國低碳經濟政策要求。因此，在充分利用太陽能等自然資源和合理加熱方式的前提下，必須對苗床加溫設備進行優選淘汰，盡可能降低設施、設備的一次性投入，降低運營成本，才能提高生產效益，提高種苗市場競爭力。

為徹底解決集約化育苗加溫設備難題，尋找替代傳統鍋爐水暖、熱風爐、電熱線、燃氣爐、燃油爐等加熱設備，受石墨烯家庭電暖應用的啟發，筆者選用石墨烯電暖新能源設備作為集約化育苗的加熱設備進行試驗。

1 石墨烯遠紅外電暖工作原理

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出來的單層碳原子材料，是由碳原子以sp2雜化方式緊密結合構成的二維六方單層結構（何新民 等，2018），石墨烯及其復合物廣泛應用于鋰離子電池、超級電容器、晶體管、電磁屏蔽等領域（龐思遠和劉希喆，2018）。石墨烯有著超強的導熱性和優異的電學性能，作為熱電材料目前主要應用于地暖、暖畫、理療暖貼和發熱服裝等。石墨烯電熱加溫板使用的是一種通電后即能發熱的石墨烯水性碳納米材料，在電場作用下電熱膜中的碳分子在電阻中產生聲子、離子和電子，由碳分子團及導電金屬之間的相互摩擦而產生熱能，會輻射大量波長為8～14 μm的遠紅外線，能被生物體有效吸收（植物最適宜的遠紅外生命光線為6～14 μm）。石墨烯遠紅外電暖工程是一種基于石墨烯技術電發熱板的開發應用，包括石墨烯電熱加溫板、溫控裝置、電路、電源等的集成安裝，有效電熱能總轉換率達99%以上，發熱性能穩定長久，與傳統鍋爐相比可節省30%～50%的能耗。

2 石墨烯遠紅外電暖應用于集約化育苗的效果

2.1 具體應用實例

為驗證和評價石墨烯遠紅外電暖在集約化育苗中的實際應用效果，為進一步推廣提供科學依據，2017年12月筆者在宿州市蔬樂園農業科技有限公司育苗基地進行安裝試驗示范（圖1）。試驗地位于安徽省宿州市埇橋區灰古鎮，試驗溫室為PC板連棟溫室，面積3 168 m2，內部四周用絲綿被保溫。溫室內有移動苗床59個，總面積2 171.7 m2，苗床上搭建小拱棚，4絲農膜覆蓋，夜間加蓋保溫被。

圖1 石墨烯遠紅外電暖安裝和使用效果

試驗采用地面式石墨烯電熱板（宿州新研石墨烯工貿有限公司提供），產品額定功率330 W，規格（長×寬×厚）為300 cm×50 cm×6 cm，按苗床方向安裝在苗床下面的橫支撐上，電熱板面積∶苗床面積為1∶4，電熱板距離苗床底部約40 cm。配套安裝石墨烯遠紅外電熱板自動控制系統，每個移動苗床安裝1個自動控溫儀和控制開關，設定分時分區控制，溫度區間可自動設置調控，溫度經設定后可自動調節室內溫度，達到恒溫效果。

設定石墨烯電熱板表面溫度恒溫45 ℃，預計在室外低溫-2 ℃以下時室內溫度可以達到10～35℃，苗床棚內溫度控制在夜間15～25 ℃、白天25～35 ℃。以西瓜嫁接育苗為試材，對石墨烯遠紅外電暖在西瓜集約化育苗中的應用效果進行觀測記錄，包括溫濕度、種苗生長狀況等。

2.2 應用效果分析

2.2.1 增溫效果 2017年12月26日13：00浸泡西瓜種子，15：00開啟石墨烯遠紅外電暖系統對苗床提溫；18：00苗床播種催芽，此時室外溫度1 ℃，棚內苗床溫度35 ℃，濕度80%；21：00～24：00，室外-1 ℃，苗床恒溫25 ℃，濕度95%。隨后的育苗階段，宿州市連續遭遇寒冬低溫、雨雪、寡照天氣7天、大霧10天，溫室外晝夜溫度-10.6～9.1 ℃，歷時28天。從記錄結果看，在夜間室外溫度-15～-2 ℃的情況下，室內溫度整體可達到2～15 ℃，育苗床上小拱棚內溫度可達16～26℃，正常維持在21 ℃，增溫效果穩定。按需求預置恒溫數據，以保證西瓜嫁接苗順利越冬生長。

2.2.2 育苗效果 2017年12月26日接穗播種、12月31日砧木播種，2018年1月6日開始嫁接，至2月3日西瓜嫁接苗達到三葉一心的壯苗標準，歷時38天。整個管理過程為苗床每隔1天補水1次，不施肥，沒有病菌感染，苗壯葉旺，長勢良好。通過石墨烯遠紅外電暖加溫后，種子出苗率達到98%左右，嫁接苗成活率達到98%以上，與普通加熱方法種苗80%左右的出苗率相比較提高10個百分點。應用石墨烯遠紅外電暖加熱過程中，沒有進行消毒、噴灑農藥、施肥等工序，根壯苗旺，大大減少人工作業，降低生產成本。同時也縮短了種苗培育時間，石墨烯遠紅外電暖加溫與其他加溫方式相比，西瓜嫁接苗提前10～15天出圃，且長勢良好。

2.3 成本分析

2.3.1 安裝成本 2017年12月20日石墨烯遠紅外電暖系統安裝調試完畢，成本包括電熱板、智能溫控儀及安裝、調試費等，折計成電熱板價格約合每片560.00元，共安裝使用365片，投入20.44萬元，折合單位造價為64.52元·m-2。該試驗溫室原安裝燃煤鍋爐供暖系統，包括2.5 t鍋爐和配套的鍋爐房、熱水管道、管道熱水泵、散熱器（鍍鋅翹片管）、高溫水閥等，投入24.12萬元，折合單位造價為76.14元·m-2。石墨烯遠紅外電暖與燃煤鍋爐水暖安裝成本相當，沒有進行變壓器增容。

2.3.2 應用成本 石墨烯電熱板單片額定功率330 W，實際工作功率270 W，本試驗溫室共安裝365片，總功率約100 kW（365片×270 W），即每小時約耗電100 kW，按本次育苗經歷的極端低溫天氣核算，整個苗期平均每天用電1 200 kW·h，若電價按0.56元·kW-1·h-1計算，日加溫費用為672元。該試驗溫室原來燃煤鍋爐日使用塊狀煤1 t，單價860元·t-1，鍋爐工作人員每天工資120元，而且在夜間加溫過程中，鍋爐房、育苗溫室需2人值班，監控鍋爐安全及苗床溫度變化，每天綜合費用超過1 000元，費工費力不安全。

同步進行與電熱線加溫的比較試驗，取相鄰2個相同規格的苗床（1.8 m×17.5 m）分別安裝4盤電熱線（1 000 W）和4片石墨烯電熱板（330 W，300 cm×50 cm×6 cm）。電熱線預熱時間為2 h，每小時耗電3.7 kW；石墨烯電熱板升溫迅速且均勻，每小時耗電1.3 kW。采用石墨烯遠紅外電暖，可節省能耗30%～50%。目前，試驗基地以前采用的傳統鍋爐水暖、地熱線等加溫采暖方式，因效果不佳、能耗過高，已停用。

3 存在問題及應用前景分析

3.1 存在問題

石墨烯遠紅外電暖前期一次性投入相對較高，但是使用成本低、應用效果好、使用壽命長（電熱板壽命50年，溫控器壽命3～8年）。石墨烯遠紅外電暖在集約化育苗中初次應用，具體數據、參數還需要進一步試驗總結，進而形成產品標準和安裝、操作技術規程。

3.2 技術改進

在今后的應用中，石墨烯電熱板使用面積與苗床面積比率可為1∶5～1∶4，并進一步運用智能化，采用可全觸摸操控集成控制系統，通過恒溫分時分區控制，如升級基于GPRS的遠程訪問功能，利用互聯網對溫控器進行遠程控制和管理，支持長達180天的歷史記錄存儲，可查詢歷史溫度曲線和加熱狀態，分多區域控制在網，實現集約化育苗產業化精準作業。

3.3 應用前景

石墨烯電加熱產品經3 750 V耐壓測試，不存在漏電、觸電的危險，防水等級高達IPX7標準，是通電后即能快速發熱，達到設定溫度的高科技綠色環保新能源材料；優點是能耗低，使用壽命長，安全性高，防水、防漏電，能夠解決冬季燃煤、燃油、燃甲、乙醇、燃氣等供暖污染的難題，且有凈化空氣的功能。該產品結構緊湊、占地面積小、熱效率高，大大縮短了安裝工期，電熱轉換率高達99.15%，熱能利用率高，節能效果顯著。石墨烯電熱板通電后產生的8～14 μm遠紅外“生命光波”，容易被植物吸收并轉化為內能，種苗無需進行定期消毒、噴灑農藥和施肥等工序，大大減少病蟲害防治次數，降低了生產成本，培育的種苗綠色環保。

綜上，石墨烯遠紅外電暖加溫系統一次性投入較高，但綜合成本低，經濟效益、社會效益及環境效益突出，可以在瓜菜類集約化育苗中推廣應用。