太陽能在農業大棚供暖領域的應用

郭昱隆

（太原學院建筑與環境工程系 山西太原 030032）

隨著現代農業的發展，溫室采暖設備在我國已逐漸放棄傳統的燃煤、燃秸等非環保、非節能的采暖方式，更多的新型采暖設施與技術已經逐漸應用于農業領域。太陽能作為一種較易獲取的可再生能源，通過光電、光熱等多種形式廣泛應用于農業供暖領域，但由于太陽能本身的不連續性與間斷性，太陽能供暖系統在我國的大規模使用受到了一定的制約。為了使太陽能清潔供暖系統得到優化與改善，滿足日益發展的農業溫室大棚內的溫度、環保與經濟需求，基于太陽能的“太陽能+其他能源設施”農業供暖技術開始出現，并在許多農業地區得到發展與應用。文章針對常見的幾種“太陽能+”供熱技術的實現方式進行分析梳理，并對具體的應用進行了分析。

1 農業溫室大棚概述

農業溫室大棚是一種可以提高農作物收益、產能且技術先進的集約型新型產業，但投入較高，可以通過加強主管調控，充分利用太陽能這一可再生能源減少氣候變化對農作物生長產生的影響，極大地提升蔬菜在冬季寒冷條件下的成活率和生產率，提升設施農業的經濟效益。我國北方許多地區屬于典型的干熱氣候，夏季酷暑炎熱、冬季寒冷，極其適合設施農業日光溫室技術的應用與發展[1]。

目前，許多寒冷地區的農業溫室大棚主要采用傳統拱棚塑料薄膜和日光溫室，具體見圖1，蓄熱和保溫性能相對較差[2]。在寒冷冬季，特別是在連續降雪和極端寒冷的天氣條件下，日光溫室大棚內的溫度相對較低，無法滿足農作物的正常生長，而且易造成凍害、冷害甚至農作物植株枯死、凍死等現象，造成資源浪費。而科學合理地利用太陽能可以有效改善冬季溫室大棚內的溫度，比如太陽能跨季節的蓄熱供暖系統，以水為介質，可以將其他季節過剩的太陽能資源間接存儲在地下，然后在冬季排出熱水，提升冬季溫室大棚內的土壤熱源溫度，提升大棚采暖效率，以滿足植株所需的生長溫度，以及采用“太陽能+短期儲熱系統”等多種太陽能供暖方式，最大限度地發揮太陽能的作用與優勢[3]。

圖1 農業日光溫室大棚

設施農業溫室大棚在現代化農業發展中占據的比重較大，利用此類方法不僅可以減少自然條件變化對農業種植生產產生的不利影響，還可以減少冬季農業可能產生的損失，提升蔬菜的產量與質量，促進農業供給側改革，加快解決“三農”方面的制約問題，提升農民的經濟效益。隨著農業溫室大棚技術的不斷進步，其發展在不斷地升級、改善與改造，設施農業蔬菜溫室大棚也以塑料薄膜溫室、玻璃溫室大棚、日光溫室大棚等多種形式呈現多元化、現代化和精準化的農業發展趨勢。

2 農業溫室大棚領域常見的太陽能供暖技術實現與應用

2.1 太陽能+空氣源熱泵

太陽能+空氣源熱泵在農業領域的供暖形式主要以空氣為熱源，通過輸入高品位電能，將低品位熱能轉化為高品位人熱能，僅需消耗少量的電能就可以通過壓縮機將數倍的低溫熱能壓縮轉化為高品位熱能，不僅可以有效節約高品位電能，還可以減少對化石類能源的大量消耗，減少農業供熱對環境造成的污染。太陽能+空氣源熱泵系統實現了一種互補，將太陽能的可再生性、清潔性與空氣源熱泵的節能性結合起來，是節能無污染的高效能源利用系統，在農業領域中可以有效彌補陰雨天與冬季寒冷天氣太陽能的不足，將空氣源熱泵技術與太陽能熱水系統有機結合，實現全天候利用，天津曾有一家公司就為某地農業苗圃基地設計了平板太陽能+空氣源熱泵的供暖方式，目前該供暖方式也是農業溫室大棚的一種常見供暖模式[4]。

2.2 太陽能+地源熱泵

太陽能+地源熱泵與空氣源熱能相似，太陽能與地源熱泵系統相結合是太陽能與低品位熱源通過熱泵共同利用的途徑之一，在地源熱泵系統中增加低品位能源可以克服太陽能受陰雨天、下雪天等氣候影響的缺點，使農業太陽能溫室大棚供暖系統的運行更加穩定，彌補單熱源熱泵系統的技術缺陷。2018年青海某公司在西寧市城區中建設了青海首個高原現代設施農業科技技術示范園區，探索新能源與設施農業間的互補性，該系統的其中一部分便是采用的太陽能+地源熱泵。在陽光充足的天氣下，設施農業溫室大棚供暖系統將會優先啟動太陽能加熱供暖水箱，對大棚進行供暖；當氣候為陰雨天或下雪天時，供暖系統則會打開地源熱泵，對加熱水箱進行加熱，通過吸收地下儲存的熱量對大棚進行供暖，有效解決寒冷氣候設施農業溫室大棚內溫度不足導致作物無法正常生長的問題，確保大棚內農作物的正常種植與生產。

2.3 太陽能+主動蓄熱

太陽能+主動蓄熱供暖方式是設施農業日光溫室大棚中常應用的一種方式。日光溫室是節能型日光溫室的簡稱，指的是一種在室內不加熱的溫室，是北方地區獨有的溫室類型，也稱為暖棚，主要通過后墻體吸收太陽能實現蓄放熱，從而維持農業溫室大棚內的溫度水平，保證大棚內溫度適宜農作物生長的需求，通過建立墻體蓄熱層，實現晝夜傳輸太陽能，滿足大棚內夜間供暖的需求。國內首款水模塊化主動蓄熱日光溫室于2020年初在邯鄲國家現代農業產業園區建成并投入使用與生產，該農業大棚供暖技術是專門為難以提取土壤的地區研發與設計的，建設墻體不需要泥土，整個墻體就是一個蓄熱保溫體，以水為蓄熱溶液，充分利用太陽能在日間的蓄熱儲熱能力，晚上釋放日間存儲的熱量，從而提升農業大棚室內的溫度。此外，相變蓄熱復合墻體減薄日光溫室墻體厚度施工技術方面也在不斷研究與開發中[5]。

2.4 太陽能+短期儲熱系統

該供暖方式作為農業儲能領域中重要的組成部分，主要具有收益高、效率高、容量大、環保、安全性高等眾多優勢，高收益、高安全、高效率的蓄熱設備與太陽能供暖系統相結合，可以有效彌補太陽能的間歇性缺點，實現“太陽能+”在農業供暖領域的規模化利用與推廣，目前光伏+儲熱、光熱+儲熱的供暖方式在許多地區的農業領域都實現了廣泛推廣與應用。儲熱主要分為熱化學儲熱、相變儲熱、顯熱儲熱，目前農業領域常見的蓄熱技術主要有水蓄熱、熔鹽蓄熱等，許多農業地區實現了光伏混合水蓄熱供暖系統的應用，通過對帶屋頂光伏陣列的蓄熱罐進行加熱，并在夜間低谷電時段對電鍋爐進行加熱，從而有效降低溫室大棚的運行成本，同時為大棚內的農作物提供適宜的生長的溫度條件。

2.5 太陽能+跨季節儲熱

我國地處北半球，由于氣候原因，夏季太陽能資源豐富，冬季太陽能資源匱乏，這使得太陽能利用極不穩定。太陽能技術的應用已經十分成熟，利用該項技術可以有效提升能量轉換效率，降低投資成本。太陽能的基本儲存方式主要分為直接儲存與間接儲存兩種，太陽能跨季節蓄熱運用的是間接儲存熱量的方式，主要將太陽能轉化為高品位電能與熱能，通過對其他形式能量的儲存相對提高設施農業溫室大棚中太陽能技術應用的穩定性，保證溫室大棚內能量的暫時性充足，并對不需要的能量進行長期儲存，需要時再進行利用，從而實現對太陽能的跨季節利用[6]。

跨季節儲能供暖是一種新型的太陽能集中采暖方式，可以存儲春夏秋三季的太陽能，以此滿足冬季農業領域的大規模供暖與熱水需求，有效地解決太陽能在時間和空間上的供需分配問題。太陽能+跨季節供熱技術主要通過太陽能集熱器進行全年吸熱，將春夏秋季的太陽能儲存在土壤中，在合適的時間采用地面散熱器和多流程并聯式地埋管換熱器實現低溫熱水輻射補熱，冬季利用太陽能短板蓄熱與塑料棚膜對太陽能進行吸收，并采用智能監測與控制技術對溫室大棚太陽能供暖系統進行控制，根據天氣調節控制和切換模式，實現農作物春夏季蓄熱、冬季補熱的全年高效生長與生產。

3 結語

我國地處位置極其適合太陽能設施大棚技術的應用與發展，通過依據不同農業地區的不同發展狀況，使用適合的“太陽能+”供暖技術，可以滿足農業溫室大棚內農作物的生長環境需求，有效促進當地農業溫室大棚的高效生產，推動農業的發展。