基于LCA 和Ecotect 的塑料連棟溫室節能優化研究

盧艷玲 周素涓 高新南*

(南京農業大學,江蘇 南京 210031)

溫室大棚設施農業是提升農產品品質、增加農民收入、實現鄉村振興的重要手段和載體。中國從2009 年開始成為世界設施農業生產大國,其中溫室大棚占地面積穩居世界第一。與傳統的農業模式相比,設施農業對能源的依賴性更強[1],其中連棟溫室由于配備控溫設備對溫室內部氣候進行調控以滿足周年生產的需要,導致其能源消耗率最高。

為了定量估算農業能耗,為降低溫室能耗提供依據,實現農業的可持續發展,本文基于LCA(即生命周期評價法)的能耗計算理論,以連棟溫室中使用面積最廣的塑料連棟溫室和溫室內最常見的種植作物黃瓜為例,定量估算溫室生產單位產量黃瓜所需能耗,分析影響溫室能耗的主要因素,并根據情景分析法設定具有節能潛力的若干情景,采用Ecotect 軟件分析節能情況并進行經濟可行性分析,以期為南京市及周邊地區設施農業的應用提供借鑒。

1 基于LCA 的塑料連棟溫室能耗計算

1.1 基于LCA 的能耗計算理論概述

塑料連棟溫室的能耗計算以生命周期評價法(Life Cycle Assessment,簡稱LCA)為理論依據。它可以評估某個產品、過程或活動從原材料獲取、生產、使用、直至最終處置整個生命周期產生的影響。國際標準化組織于1997 年將LCA 結構確定為研究目標和系統邊界、清單分析、影響評價及結果解釋四部分。

栽培黃瓜的塑料連棟溫室LCA 研究目標包括：定量估算該溫室生產單位產量黃瓜所需能耗；分析影響該溫室能耗的關鍵因素,為使用情景分析法進行節能優化研究提供依據。研究的系統邊界包括溫室建造與作物生產管理兩部分。作物生產管理包括田間耕作播種、噴灑農藥、施用化肥、灌溉等過程。塑料連棟溫室生產單位產量作物的能耗需求量計算方法如式(1),式(1)中溫室建造所需能耗與溫室作物生產管理所需能耗分別由式(2)與式(3)計算得出。

A 溫室生態系統生產單位產量溫室作物所需能耗(MJ.kg-1)

1.2 基于LCA 能耗計算理論的實例分析

1.2.1 塑料連棟溫室概況

本文選取的研究模型是江蘇省南京市某三連棟塑料溫室,占地1056m2,朝向為南偏東30°左右,單棟跨度8米,南北長44 米,檐高3 米,總高4.4 米；以32 毫米的熱鍍鋅鋼管為骨架,覆蓋材料為0.1mm 厚的聚乙烯薄膜,用作黃瓜生產。該溫室結構符合南京市設施農業項目規定的“8332 鋼架溫室”的要求,是南京市使用范圍最廣的溫室結構之一；覆蓋材料是設施農業最常見的覆蓋材料之一,具有代表性,因此以該模型進行研究具有現實意義。采用Revit 建立溫室模型,將其Gbxml 格式導入到Ecotect 軟件中,如圖1 所示。

圖1 某塑料連棟溫室Ecotect 模型

1.2.2 清單分析

塑料連棟溫室輸入物質涉及溫室建造與作物生產管理兩方面。溫室建造的物質輸入包括基本建材、溫室設備、人力和柴油四部分。其中,基本建材使用數量及使用周期通過查閱文獻[2]和實地調研獲得；溫室設備包括控溫設備、黃瓜種植過程應用于深翻、旋耕、起壟、覆膜、滅茬和行間作業的機械設備,溫室設備使用數量和使用周期通過實地調研獲得；人力主要在建造溫室過程投入,其使用工時通過市場調研獲得；柴油用于溫室建造物質的運輸,其耗油量根據實地調研獲得。人力和柴油使用周期均按一茬黃瓜生長周期,包括播種、發芽、生長、開花、結果和成熟,約為120 天計算。最終溫室建造輸入物質清單如表1 所示。作物生產管理的物質輸入包括化肥與有機肥、種子、農藥、農機、柴油、灌溉水、人力七個方面。其中,有機肥、種子、農藥、人力使用數量根據《全國農產品收益成本資料匯編》數據折算而來；化肥主要包括氮肥、磷肥、鉀肥,其施用量通過查閱參考文獻[3] 獲得；柴油使用數量根據Ecotect 軟件分析溫室采暖負荷,再利用燃油取暖器采暖計算而來；農機包括土地深翻、旋耕、起壟、覆膜、黃瓜滅茬和行間作業過程使用的機械設備,總使用小時數通過實地調研、咨詢專業人士獲得。作物生產輸入物質的使用周期均按一茬黃瓜生長周期計算。最終每公頃塑料連棟溫室作物生產管理輸入物質清單如表2 所示。

表1 塑料連棟溫室建造輸入物質清單

表2 每公頃塑料連棟溫室作物生產管理輸入物質清單(以黃瓜一個生長周期為例)

1.2.3 能耗分析

能耗分析基于1.1 小節中的能耗計算理論,其中輸入物質對應的能耗當量通過查閱文獻資料[4]獲得,最終能耗當量清單如表3 所示；作物生長周期按120 天計；單位面積溫室作物產量通過實地調研獲得,該塑料連棟溫室在一個生長周期內黃瓜產量約為11000kg/畝。

表3 塑料連棟溫室輸入物質能耗當量清單

能耗計算結果表明：該塑料連棟溫室生產單位產量黃瓜所需能耗約為6.47MJ,其中單位面積溫室建造能耗約為2.41×105MJ,單位面積作物生產管理能耗約為8.26×105MJ。對生產單位產量黃瓜所需能耗起決定性作用的因素是作物生產管理過程中控溫能耗的投入,其次是溫室建造、氮肥和灌溉水。這四部分在總能耗中的占比如表4 所示,總占比為90.81%,其余各部分占比較小。

表4 控溫、溫室建造、氮肥、灌溉水能耗占比

2 節能優化研究與節能效果評估

根據塑料連棟溫室LCA 研究確定的影響溫室能耗的關鍵因素,利用情景分析法進行節能優化研究,并結合LCA 與Ecotect 軟件進行節能效果評估。情景一和情景二從溫室建造的角度出發,減少控溫能耗,從而降低總能耗；情景三從作物生產管理的角度出發,保證氮肥和灌溉水供給充足,提高作物產量水平,從而降低單位產量作物所需能耗。

2.1 情景一：調整溫室朝向

根據《溫室加熱系統設計規范》,黃瓜生長溫度應維持在8-35℃。利用Ecotect 分析南京市的CSWD 氣候數據,結果表明,南京地區月平均氣溫最低值和最高值分別出現在1 月,2.1℃和7 月,28.6℃,12 月至次年2 月的月平均溫度均低于黃瓜正常生長要求,需要適當采暖。因此,本文重點研究12 月至次年2 月(采暖季)溫室節能。為滿足溫室生產和節能要求,應選擇合理的朝向,使其在采暖季盡可能多地接收太陽輻射,該輻射能量可用于溫室升溫以及作物光合作用的原料。利用Ecotect 的Weather Tool 工具,進行溫室最佳朝向分析,結果如圖2所示。該溫室最佳朝向為南偏西22.5°,最佳朝向下,該溫室頂部和南立面接收太陽輻照度分別為1574.192kW.h/m2、193.673kW.h/m2；原朝向下,該溫室頂部和南立面接收太陽輻照度分別為1570.517kW.h/m2、83.837 kW.h/m2。與原朝向相比,最佳朝向下該溫室的節能率為6.86%。

圖2 某塑料連棟溫室最佳朝向分析圖

2.2 情景二：調整溫室圍護材料

良好的圍護材料可使溫室在采暖季失熱少、得熱多,降低溫室內溫度由于外擾動變化的程度,有利于節約溫室控溫能耗。該溫室原圍護材料為聚乙烯長壽無滴膜,利用Ecotect 進行熱工分析,該溫室在采暖季熱負荷為17418.259kW·h,結果如圖3 所示。調整圍護材料為另一種常見的溫室圍護材料——高保溫聚氯乙烯薄膜,其密度較大,導熱率較小,因此保溫性能更好,有利于降低控溫能耗。利用Ecotect 進行熱工分析,結果如圖4 所示。調整圍護材料后的溫室在采暖季熱負荷為16522.687 kW·h,相比原圍護材料,節能率為5.14%。

圖3 聚乙烯長壽無滴膜熱工分析圖

圖4 高保溫聚氯乙烯薄膜熱工分析圖

2.3 情景三：保證氮肥、灌溉水供應充足,黃瓜產量提高

由于該塑料連棟溫室的能耗中,控溫能耗占比大,約為60%,因此提高作物生產資源(氮肥、灌溉水等)的利用率對于降低溫室能耗意義不大,該情景考慮從提高作物產量水平從而提高資源利用率的角度出發,降低溫室能耗。查閱文獻[5],黃瓜生長過程追施氮肥540kg/hm2,增加灌溉水1080m3/hm2,可以使黃瓜增產23.2%。因此調整氮肥使用量為3690 kg/hm2,灌溉水使用量為17820m3/hm2,黃瓜產量為13552kg/畝,基于1.1 小節提出的能耗計算理論,計算單位產量黃瓜的能耗需求量約為5.36MJ。該結果表明提高作物產量水平能夠較為明顯降低溫室生產單位產量黃瓜所需能耗,降低幅度為17.16%。

3 經濟可行性分析

3.1 情景一、二經濟可行性分析

情景一調整溫室朝向不會增加多余的資源投入,而又能節約能耗,因此具備經濟可行性。情景二調整溫室圍護材料為高保溫聚氯乙烯薄膜,利用燃油取暖器(功率：100kW；耗油量：6.0kg/h)供暖,柴油價格為6.50 元/L。根據圖3、圖4 熱工分析結果,聚乙烯溫室采暖季熱負荷比聚氯乙烯溫室多896kW·h,采暖費用多415.98 元。此外,聚氯乙烯薄膜使用周期為18 個月,聚乙烯薄膜使用周期為9 個月,圍護材料面積為2000m2,按直線方式計提折舊,采暖季聚氯乙烯溫室圍護材料折舊費為460 元,聚乙烯溫室圍護材料折舊費為853 元。故從折舊費和采暖費用兩方面綜合考慮,情景二具備經濟可行性。

3.2 情景三經濟可行性分析

原生產管理條件下,該溫室生產單位產量黃瓜所需能耗約為6.47MJ,保證氮肥、灌溉水供應充足,提高黃瓜產量水平,生產單位產量黃瓜所需能耗約為5.36MJ。從電能角度考慮,1 kW·h 電力能耗當量為3.6MJ。南京市平均電費約為0.6 元/(kW·h),將能耗折算為電費,原生產管理條件下黃瓜生產成本約為1.08 元/kg,保證氮肥、灌溉水供應,黃瓜生產成本約為0.89 元/ kg,比原生產管理條件下單位產量黃瓜生產成本降低,因此具備經濟可行性。

4 結論

本文通過對南京市某塑料連棟溫室的節能優化方案進行LCA 研究和Ecotect 模擬分析,得到以下結論：(1)在溫室建造方面,調整溫室的朝向為最佳建筑朝向,調整溫室圍護材料為高保溫聚氯乙烯薄膜,能夠有效節約溫室控溫能耗。前者節能率約為6.86%,后者節能率約為5.14%。節能設計以后,折舊費與采暖費用均降低,具備經濟可行性。(2)在作物生產管理方面,保證氮肥、灌溉水供應充足,提高作物產量水平,能夠有效節約溫室能耗,節能率約為17.16%。與原生產管理條件相比,生產單位產量黃瓜所需成本降低,具備經濟可行性。