生物質能清潔供暖在溫室大棚中的應用*

祁帥杰，時 浩，馬培勇

（合肥工業大學，安徽 合肥230009）

目前，我國大部分溫室大棚仍采用散煤燃燒的方式取暖，效率低且易產生一氧化碳等有毒氣體，對農戶自身安全以及大氣質量的影響十分嚴重。而常見的電采暖、空氣能采暖以及太陽能采暖等方式雖然安全性較高，但仍存在安裝及運行成本高、容易受周圍空氣環境影響等缺點。雖然采用生物質鍋爐對溫室大棚進行供暖的前期成本較高，但采用合適的設計進行改進后，其應用在一方面能促進大棚內作物秸稈的回收利用，實現生物質資源的自產自銷，從而降低成本；另一方面鍋爐燃燒排出的氣體清潔無污染，產生的二氧化碳又能促進作物的生長，達到一爐多用的效果。本研究提出了一種基于生物質能的溫室大棚清潔供暖方案，旨在為以后生物質能清潔供暖在溫室大棚中的應用奠定基礎。

1 生物質能供暖

生物質能源作為世界第四大能源，是一種清潔的可再生能源，大多來源于植物光合作用所產生的有機物。根據其來源不同，可將生物質能分為林業資源、農業資源、生活污水和工業有機廢水、城市固體廢物以及畜禽糞便五類[1]。我國農村大量的農作物秸稈沒有得到充分的利用，致使生物質資源浪費嚴重。2017年10月習近平總書記提出鄉村振興戰略；國家能源局指出要讓生物質能在農村清潔取暖中發揮更大的作用；2017年12月，我國多部委聯合發布《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021年）》中制定了4種清潔供暖方式，其中就有包括生物質能的可再生能源供暖方式；2019年7月，國家能源局綜合司發函對《關于解決“煤改氣”“煤改電”等清潔供暖推進過程中有關問題的通知》征求意見，提出因地制宜拓展多種清潔供暖方式，宜電則電、宜氣則氣、宜煤則煤、宜熱則熱，在農村重點發展生物質能供暖；我國的生物質能供熱方式大致分為生物質熱電聯產和生物質成型燃料供熱兩類，據估算2019年生物質供熱面積可達4.8億平方米[2]；2020年和2021年國務院發布的中央一號文件《中共中央、國務院關于抓好“三農”領域重點工作確保如期實現全面小康的意見》和《中共中央、國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》中再次表明國家對“三農”（農村、農業、農民）的重視，即對農村發展、農業振興和對農民人居環境的重視。因此，通過有效利用農村豐富的生物質能源來實現人居環境的清潔供暖也是“三農”工作和鄉村振興的關鍵。

采用生物質能進行清潔供暖，一方面能夠充分利用農村豐富的資源（如玉米、小麥等秸稈），緩解生物質資源浪費的同時能夠減輕農村居民在取暖方面的經濟負擔，實現農村生物質資源的自產自銷；另一方面，傳統散煤燃燒的取暖方式產生的一氧化碳、氮氧化物等有毒氣體對居民自身健康以及大氣環境造成危害，根據我國《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271-2014）的規定，目前新建鍋爐的二氧化硫排放濃度不能超過50mg/m3，氮氧化物排放濃度不超過200mg/m3，顆粒物排放濃度不超過20mg/m3，而采用高效清潔的生物質燃燒技術能夠有效降低污染物的排放，進而減輕大氣污染；此外，生物質資源的有效利用，也在一定程度上緩解了煤炭、石油等能源的緊張，優化了資源配置，保障了國家的能源安全。

2 溫室大棚供暖現狀

我國現有的溫室大棚供暖主要有土法供暖、熱風供暖、熱水供暖、淺層地熱供暖、太陽能供暖和復合供暖等方式[3-4]。

土法供暖是一種較為傳統的供暖方式，即農戶自己采用散煤、煤氣爐等方式直接燃燒供暖。該供暖方式成本較低，但需要通過排煙管道將燃燒產生的廢氣和灰塵排出，否則易造成農戶一氧化碳中毒，危害自身健康及大棚環境。同時土法供暖的效果受供暖面積影響，無法維持溫室大棚的溫度恒定。

熱風供暖與熱水供暖是通過電加熱或燃煤加熱設備向大棚內輸送較高溫度的空氣或采用熱水爐與散熱器進行供暖，是目前最常見的供暖方式。兩種供暖方式的供暖效果較好，運行穩定，易維持大棚室內溫度的恒定，但電加熱方式運行成本較高，燃煤加熱方式會產生一氧化碳等氣體污染物以及灰塵顆粒物，而且熱風供暖的高溫度空氣會對大棚內的濕度造成影響，從而影響作物生長。

地熱供暖以及太陽能供暖是通過從外部環境中獲取地熱能和太陽能并通過散熱設備進行供暖的方式。這兩種供暖方式節能環保，對作物生長影響較小，但供暖效果易受環境影響。復合供暖即采用多種供暖方式結合對大棚進行供暖，雖然效果較好，但投資及運行成本昂貴，農戶難以負擔。

3 基于生物質能的溫室大棚供暖系統

3.1 系統結構與原理

大棚內作物的生長需要適宜的光照、溫度、二氧化碳濃度和養分等。該系統綜合利用了生物質鍋爐釋放的熱量調節大棚溫度，產生的二氧化碳在大棚內部通過作物的光合作用實現能量的利用與碳循環。因此，在溫室大棚外部圍繞生物質鍋爐設置了配套的煙氣除塵裝置、蒸汽發生裝置和二氧化碳儲罐等，大棚內部設置蒸汽出口、翅片散熱器和二氧化碳釋放器等，內外部由管道進行連接。生物質燃燒器加熱鍋爐產生水蒸氣為大棚內部提供水分，保證大棚內部濕度。鍋爐排出的煙氣經過除塵過濾后輸送到翅片散熱器與大棚內部進行熱量交換以調節大棚溫度，隨后最終匯集到二氧化碳儲罐貯存用于調節大棚內部二氧化碳濃度。溫室大棚外部生物質鍋爐及煙塵處理裝置如圖1所示。

圖1 溫室大棚外部生物質鍋爐及煙塵處理裝置

溫度是作物生長的關鍵因素，表1所示為一般農作物不同生命活動所需溫度。通過對作物生長環境溫度控制，使作物處于適宜生長的環境中，有利于縮短作物的成長周期。對于一些需要糖分積累的作物，在夜間提供合適的溫度調整作物的呼吸作用，有利于提高作物的品質。

表1 一般農作物不同生命活動所需溫度

翅片散熱器是一種使用最為廣泛的換熱設備之一，它是通過在普通的基管上加裝翅片來達到強化傳熱的目的。熱煙氣在翅片散熱器處與大棚環境進行大量的熱量交換。為達到更好的溫度調節效果，可以通過對大棚內部的熱流場分析確定翅片散熱器最佳分布位置，使翅片散熱器的布置更加合理。此外位于大棚頂部的蒸汽出口除了濕度調節的目的外也具有為大棚升溫的功能，可以進行輔助控溫。溫室大棚內頂部蒸汽噴霧器如圖2所示。

圖2 溫室大棚內頂部蒸汽噴霧器

二氧化碳是作物進行光合作用的反應物，是作物生長的原料。溫室大棚二氧化碳濃度的大小也直接影響到農作物的生長，由于農作物處于密閉的環境，隨著時間的推移，大棚內的二氧化碳濃度會逐漸降低，為滿足作物的生長需求，需要對溫室大棚的二氧化碳濃度進行調控。大棚中二氧化碳來源主要是生物質燃燒過程中釋放的二氧化碳，經過管道最終運輸到二氧化碳儲罐中進行貯存，需要時再進行釋放，對大棚內的二氧化碳進行補充。溫室大棚內翅片散熱器及二氧化碳儲罐分布如圖3所示。

圖3 溫室大棚內翅片散熱器及二氧化碳儲罐分布

系統中有溫度、二氧化碳濃度、濕度等監控設備實時監測大棚內的環境參數。當溫度低于設定值時，便啟動生物質鍋爐為大棚供暖，溫度過高時可以通過通風的方式進行降溫；當大棚內部二氧化碳濃度低于設定值時，開啟二氧化碳儲罐經由二氧化碳釋放器釋放，對大棚內的二氧化碳進行補充；當大棚內部濕度低于合適范圍時，可以通過加熱生物質鍋爐進行加濕處理。

3.2 系統優勢分析

（1）系統采用生物質鍋爐可以在降低燃燒污染提升燃燒效率的同時，充分利用農村生物質能源豐富的特點，就地取材，從而降低成本，有利于在大棚中推廣應用。

（2）將生物質燃燒設備與溫室大棚相結合的方式，充分利用生物質鍋爐產生的熱能對大棚進行溫度調節，同時利用生物質鍋爐產生的二氧化碳和水蒸氣供給于大棚，達到一套生物質鍋爐設備為溫室大棚提供熱量、水分以及二氧化碳的目的，實現碳的循環再利用，減少二氧化碳的排放，同時實現對溫室大棚內溫度的智能調控，為作物生長提供適宜的環境。

（3）本系統可以與物聯網技術結合，通過大棚內的傳感器對大棚內部的環境信息進行采集，經過智能系統分析后自動控制各設備工作，使大棚內外各單元高效穩定運行。

4 結論

隨著政府對“三農”工作和鄉村振興的不斷推進，基于生物質能清潔供暖技術的應用前景十分巨大。農村的生物質資源豐富，加之溫室大棚本身就會有作物秸稈等生物質資源產生，這就降低了生物質能清潔供暖的成本。本文根據生物質清潔燃燒特性，通過生物質鍋爐與溫室大棚的有機結合，提出了一種基于生物質能的溫室大棚供暖系統方案，使該系統在維持溫室大棚溫度穩定的同時實現對大棚內濕度、二氧化碳濃度等環境因素的智能調控，為以后生物質能清潔供暖在溫室大棚中的應用提供了一種新的思路。