空氣能熱泵系統在日光溫室的應用效果

劉 旺

（北京市農業機械試驗鑒定推廣站，北京 100079）

空氣能熱泵系統是利用空氣中的能量產生熱能，通過熱交換可以全天24 h 大水量、高壓、恒溫供應熱水，其耗電量僅為普通電熱水器的1/4、燃氣熱水器的1/3、太陽能熱水器的1/2，熱效率高達300%～500%（錢華梅，2017），節能環保，運行成本低，深受廣大用戶歡迎。在設施農業中，由于常規能源加熱溫室，不僅耗能、成本較高，并且容易出現溫室氣溫過高而地溫偏低的加熱不均衡現象，滿足不了喜溫作物對地溫的要求（馬承偉 等，1999；王永維 等，2003）。因此，尋找新型節能增溫技術一直是人們研究的熱點。

日光溫室生產中經常發生根結線蟲為害，根結線蟲除了直接危害日光溫室中的蔬菜作物以外，還會造成作物根系組織腐爛，腐爛部位更易被其他真菌、細菌等侵染，導致土傳病害發生嚴重，造成作物減產或絕產。夏季高溫悶棚是滅殺土壤中根結線蟲最直接、有效、安全的方法（郭江山 等，2006）。本試驗擬通過對北京地區使用的傳統空氣能熱泵熱水循環系統進行改進，充分發揮空氣能熱泵系統的加熱優勢，即在冬季對溫室進行補溫，提高溫室地溫和室內氣溫，減少凍害發生；夏季配合高溫悶棚，進行溫室加熱提高地溫防治土壤中的根結線蟲，以減少病蟲害發生，提高溫室耕作頻次，保障溫室綜合生產效益，促進農民增收。

1 材料與方法

1.1 供試溫室及作物

試驗地點位于北京市平谷區東高村鎮趙家務村北京華雨博森農業種植中心。溫室為普通型磚混結構日光溫室，東西長48 m，南北跨度8 m，脊高3.6 m，骨架間距1 m。種植作物為草莓，南北向單壟雙行種植，行距30 cm，株距25 cm，2019 年8 月底定植。試驗設置對照溫室和處理溫室，對照溫室與處理溫室所有材料和管理方法基本一致。

1.2 供試設備及安裝

空氣能熱泵系統主要由空氣能熱泵、熱水箱、循環泵、熱水管及管道閥門組成。其中空氣能熱泵是按照“逆卡諾”循環原理，空氣能熱泵機組輸入少量的電能為驅動力，以制冷劑為工作介質，通過室外側換熱器（蒸發器）不斷吸收外部空氣中低品位熱能，將其轉化為高品位熱能，最終實現低溫熱能向高溫熱能的轉變和熱量轉移；再將高品位熱能從水側換熱器（冷凝器）釋放給進入換熱器中的冷水，冷水被加熱到60 ℃以上直接進入保溫水箱儲存，通過熱水供應管路輸送到溫室，滿足供暖加熱需求。JM-30CDGR/B Ⅱ型超低溫空氣能熱泵（廣東九沐新能源設備有限公司）高溫冷暖機組安裝在溫室操作間外側（圖1）。溫室種植區域使用大理石板砌成的土壤栽培槽，栽培槽間距85 cm，寬度35 cm，高度40～50 cm。在栽培槽中鋪設2 根間距20 cm、直徑15 mm、長度6 m 的熱鍍鋅鐵水管，北側相互連接形成管路，南側分別連接進水管和回水管，鍍鋅管距離栽培槽上表面的距離為25 cm（圖2）。

圖1 空氣能熱泵

圖2 溫室栽培槽地加熱布置示意圖

1.3 試驗儀器

試驗儀器采用2 套WDT-64 型多點溫濕度巡檢儀進行比對試驗。儀器設備準確度0.2 ℃，可以根據測試要求設定溫度數據采集間隔，一次完成所有測點的溫濕度數據采集，并進行自動存儲，試驗完成后，數據用Excel 進行分析。試驗儀器經無錫市計量檢定所（法定計量部門）檢定合格。

1.4 冬季日光溫室加熱試驗

依據JB/T 10594—2006《日光溫室和塑料大棚結構與性能要求》的方法，分別對22 號溫室（處理溫室）和20 號溫室（對照溫室）進行測點布置，測點均布置在栽培槽內中心位置。其中1、2、3 和7、8、9 兩組測點與兩側山墻的距離均為9.5 m，4、5、6 測點的位置在溫室長度的中間部位，測點1、4、7 和3、6、9 分別距離后墻和前沿1 m，南北向行內各測點間距相等（圖3）。

圖3 溫室水平測點布置位置示意圖

溫室氣溫測試在各測點位置垂直向上設3 個點，分別位于栽培槽地表上方0.2、0.5 m和1.5 m處，共布置27 個測點。由于受溫室前屋面的限制，3、6、9 對應的1.5 m 測點高度調整為1.2 m。溫室地溫測點垂直向下，分別位于栽培槽地表以下10、20 cm和40 cm 處，共布置27 個測點。設置儀器采集數據時間間隔為20 min，取平均值。

冬季加熱試驗于2019 年12 月至2020 年3 月進行連續測試，選擇2019 年12 月25—29 日（冬至后較為寒冷的連續4 d）的測試結果進行比較分析。試驗期間根據溫室草莓種植要求，設定系統加熱溫度保持在30 ℃左右，處理溫室每天在0：00—6：00 用低谷期電加熱6 h，其他時間不加熱；對照溫室不進行任何輔助加熱。

1.5 夏季日光溫室地溫加熱防治根結線蟲試驗

空氣能熱泵系統的加熱管為6 組并聯，每組加熱9 個栽培槽，共加熱54 個栽培槽，采用簡要測量方法，對栽培槽進行編號，選3 點進行測量，測點位于栽培槽縱橫向中心。其中第1 點選擇在第1組后端的9 號栽培槽的南側，第2 點選擇在第2 組的中部17 號栽培槽的北側，第3 點選擇在第4 組的34 號栽培槽的中間位置。測點深度分別位于地表以下15、30 cm 和45 cm 位置，共布置9 個地溫測點；34 號栽培槽中間位置室內1.5 m 高度設置1點，測量溫室內氣溫。

于2020 年8 月4—6 日進行高溫悶棚。開啟設備前，在溫室內按5 點法取樣，取土深度為0～30 cm，在中國農業大學園藝實驗室采用貝爾曼漏斗法（毛小芳 等，2004）檢測高溫悶棚后土壤樣品中線蟲和根結線蟲總數。8 月7 日8：00 開始啟動空氣能熱泵系統進行加熱，連續加熱8 h 后，在先前取樣的5 個測點附近按相同方法取土樣，再次檢測空氣能熱泵系統加熱后線蟲和根結線蟲總數，計算滅蟲率和滅蟲均勻性。

滅蟲率（a）=〔（試驗前蟲體數量-試驗后蟲體數量）/試驗前蟲體數量〕× 100%

2 結果與分析

2.1 冬季空氣能熱泵系統加熱處理對日光溫室氣溫的影響

由圖4 可以看出，處理和對照溫室內的氣溫均遠高于室外氣溫，且變化趨勢基本一致。由于有溫室積溫的存在，處理溫室的氣溫高于對照溫室。在冬季溫度較低的12 月25—29 日，處理溫室最高氣溫31.06 ℃，最低氣溫5.92 ℃，均高于對照溫室，日平均氣溫比對照溫室提高2.86 ℃（表1）。

表1 冬季日光溫室增溫后氣溫變化 ℃

圖4 冬季日光溫室增溫后氣溫變化趨勢

2.2 冬季空氣能熱泵系統加熱處理對日光溫室地溫的影響

從圖5 可以看出，處理溫室比對照溫室的地溫略高，兩溫室地溫變化趨勢一致，10 cm 處的地溫日變化值較大，在8：00 左右最低，15：00 左右達到最高值，且白天高于20 cm 和40 cm 處地溫，夜間則低于二者；20 cm 處的地溫日變化較平緩，在9：00 左右最低，17：00 左右達到最高值，夜間則高于10 cm 和40 cm 處地溫；40 cm 處的地溫變化趨勢與20 cm 處相近。處理溫室地表下10、20、40 cm 處日平均地溫分別比對照溫室高1.77、1.97、2.09 ℃。在12 月25—29 日期間，處理溫室最高地溫14.75 ℃，最低12.37 ℃，均高于對照溫室；日平均地溫比對照溫室提高1.94 ℃（表2）。

表2 冬季日光溫室增溫后地溫變化 ℃

圖5 冬季日光溫室增溫后各層地溫變化趨勢

2.3 夏季空氣能熱泵系統加熱處理對日光溫室根結線蟲防治效果的影響

2.3.1 夏季日光溫室增溫后地溫變化 從圖6 可以看出，在開啟加熱循環泵2 h 后，溫室內氣溫、地溫逐漸上升，至14：00 各層地溫先后達到50 ℃左右，此時溫室內氣溫也接近50 ℃，氣溫上升速率略微低于地溫上升速率，45 cm 處地溫上升最明顯，30 cm 和15 cm 處地溫上升速率基本一致。14：00—16：00 連續2 h 內各層地溫始終保持在50 ℃左右，其中45、30、15 cm 處平均地溫分別為50.96、50.19、51.38 ℃。16：01 停止加熱，但系統仍保持循環狀態，使土壤自然降溫。

圖6 夏季日光溫室增溫后各層地溫及氣溫變化趨勢

2.3.2 夏季日光溫室增溫對根結線蟲的防治效果 悶棚3 d 后，利用空氣能熱泵系統對室內土壤進行高溫加熱，土壤中線蟲和根結線蟲的數量明顯減少，線蟲總滅蟲率為88.7%，滅蟲均勻性為95.6%；根結線蟲滅蟲率為92.3%，滅蟲均勻性為98.9%（表3）。

表3 夏季日光溫室增溫對根結線蟲的防治效果

3 討論與結論

空氣能熱泵系統在日光溫室中的應用符合國家節能減排政策，在設施農業領域為首次應用，相關技術及運營管理需要進一步完善。該系統主機及附屬設備一次性投入約20 萬元，日常運行每小時耗電約27 kW·h，低谷期電價北京地區按0.35 元 ·（kW·h）-1計算，系統每天運行6 h，運行成本約56.7 元。如果在其他地區使用，由于電價的差異，生產運行成本或許會增加。因此，在安裝使用該設備時，首先應考慮使用地的用電情況，最好選擇在用電低谷期運行，溫室宜種植高附加值和經濟價值較高的作物；其次應注意溫室的保溫性能，在遇到極端天氣及時啟動設備，保障溫室作物正常生長。

對冬季溫度較低的4 d 進行連續測溫發現，處理溫室平均氣溫和地溫均高于對照溫室。其中，夜間平均氣溫、最低地溫比對照溫室分別提高3.71、2.34℃；日平均氣溫提高2.86 ℃，平均地溫提高1.94℃。表明空氣能熱泵系統在冬季對日光溫室增溫效果明顯，能同時提高地溫和氣溫，滿足農作物在連續陰天時的溫度需要。建議在實際生產中根據種植作物對環境的要求適當調整加熱時間，來滿足作物生長的需求。

在夏季日光溫室休閑期，結合高溫悶棚，啟動空氣能熱泵系統對溫室栽培槽土壤進行加熱，在土壤溫度達到50 ℃時保持2 h 后，土壤線蟲平均滅蟲率為88.7%，平均滅蟲均勻性95.6%；根結線蟲平均滅蟲率為92.3%，平均滅蟲均勻性98.9%。表明利用空氣能熱泵系統加熱可以有效殺死線蟲和根結線蟲，同時還可以消滅蟲卵、病菌等，起到防治土壤病蟲害的作用，有利于日光溫室連作、提高日光溫室生產綜合經濟效益。