太阳能在温室供热中的应用

太阳能在温室供热中的应用

与传统建筑相比，温室的周围结构没有蓄水能力，植物的蓄热能力低。冬季炎热的特点是温室几乎没有热量。我国大部分地区冬季都比较寒冷,供暖对于保证温室作物的正常生长和发育就显得尤为重要。但是冬季加温需要消耗大量的能源,使得温室运行费用很高。目前,国内多数温室在生产过程中,普遍存在能耗大、运行费用高的问题,这在很大程度上限制了温室园艺产业的发展。为降低温室运行成本,提高产品质量和生产效益,必须高度重视温室供暖系统的设计,以提高能量的使用效率,降低能量的消耗,而这其中,热源、热媒的选择,散热器的布置又显得尤为重要。太阳能在温室供暖中的应用温室供暖热源形式多种多样,除以化石燃料、电能为代表的常规能源外,还有太阳能、地热水、工业余热等其他形式的能源作为有益的补充。

常规热源锅炉作为温室内常用热源设备,技术成熟,应用广泛,包括了燃煤锅炉、燃油锅炉、燃油热风机和电锅炉等多种类型。从所用燃料来看,煤炭价格较低,但其燃烧热值较低;燃油价格稍贵,但其燃烧热值较高;天然气燃烧热值高而且无污染,然而其储运成本较高。我国煤炭资源丰富,运行费用低,但是由于其燃烧产物对环境污染严重,一些大中城市已经对燃煤锅炉的建造制定了一些限制条件。燃油和燃气锅炉的空气污染和固体污染很少,在大型温室的加温中逐渐得到了应用,但其燃料价格较贵,加热成本相对较高。与化石燃料相比,电的转化效率更高,但运行价格也较高。以前,电采暖主要应用于温室局部加热,其加热量较少。现在,采用电锅炉蓄热装置可以将低谷用电时段的电能转化为热能储存起来,供热用户在需要时使用,在电网高峰负荷时电锅炉停止加热,将蓄热装置(蓄热水箱)内的热量释放出来,达到电网“削峰填谷”采暖经济运行的目的。蓄热电锅炉初投资费用与燃油(气)锅炉相近,但运行费用仅为燃油(气)锅炉运行费用的50%,并且无污染。

太阳能我国太阳能资源丰富,利用范围广,在温室中合理利用太阳能热效应,替代传统化石燃料或用作辅助能源,无疑具有广阔的发展前景。近年来,全玻璃真空管太阳集热器以其效率高、隔热性能好,受到特别的关注。李德坚等人对利用全玻璃真空管太阳集热器给大型四连栋蔬菜温室冬季供暖进行了试验研究,发现在集热器面积与温室面积为1:6,温室热损系数为8137W/m2·℃条件下,可保持温室内温度在5℃左右。在2000年12月中旬以前和2001年2月中旬以后期间,温室外日最低气温在-4℃以上时,太阳能主动和被动供暖能够维持室温,无需燃油炉供暖,平均太阳能主动供暖率达26%。12月中旬到第二年2月中旬期间需太阳能和燃油炉联合供暖,由于此间气温较低,平均太阳能供暖率约为10%。可见,太阳能集热器可以作为温室热源的有益补充,在温室热负荷不大的情况下可以满足温室供暖的需求。需注意的是要解决太阳能装置所产生的热水的综合利用问题,以提高这种方法的综合效益。

地热利用地热资源供暖,能够有效降低温室生产成本。利用温泉地热对温室供暖,难度在于热媒温度低,而室内气温要求高,传热温差小,给供暖设备选型和布置带来困难。但其技术并不复杂,经济合理,对环境无污染,特别适合在有条件的地方推广。在没有地热水资源的地区,可以尝试采用地源热泵系统。这一系统能够利用外界的输入功从低温热源吸热,然后往高温热源放热,大幅度提高供暖系统效率。经过分析,知道在峰谷电价比拉开的情况下,电热泵加热费用可以大大降低,在峰谷电价比3:1时仅是燃煤方式的1.5倍。考虑其环保效益和使用时的方便简捷,热泵加热方式具有很大的应用潜力。其不足之处在于随着环境温度的降低,热泵的制热量也会降低,与用户的需热量提高形成矛盾。因而,在采用热泵进行供暖时需先进行充分的考虑和论证。

工业余热采用蒸汽回热动力循环的火电厂、化工厂、钢铁厂等,存在着大量的工业余热资源,其大部分以热水形式被直接排放。这些低温热水虽然工业使用价值不大,但是经过适当处理后,可以作为温室热源加以利用。利用工业余热供暖,可以充分利用资源,变废为宝,有利于保护环境,同时降低了温室的运行成本,其不足之处在于前期投资较大。在有条件的地区,可大力推广。

地中热交换系统白天用风机将温室内部的过热空气输送到地中埋管,经由管壁将热量传给土壤并贮存起来。夜间这部分热量再被释放到室内。该系统在整个冬季生产中可维持较高的室内温度(气温比对照温室高3~7℃,地温高4~8℃)。华北型连栋塑料温室选用PVC波纹管作为与土壤的热交换管材,采用正反双向送风风机,提高了热交换效率和土壤蓄放热总量。经理论计算,在采暖温室中应用此系统,比普通连栋温室节省燃料38%左右。系统的滞后性

热水采暖采暖热媒是在供暖系统中传递热量的媒介,常用的温室供暖热媒包括了热水、蒸汽和热风等。热水采暖是指在供暖系统中利用热水作为采暖热媒。采用热水锅炉采暖加热,热媒水管可在温室内任意布置,从而实现温室内的均匀加热,使得温室内的温度分布均匀。除此之外,由于水的比热容较大,室内气温受外界干扰较小,室内温度波动相对较小。但热煤水的存在也增加了温室的滞后性,即在锅炉起始加热的时候,锅炉要首先加热管道内的热媒水。当热媒水的温度达到一定的值后,才能加热温室。如果没有一个较完善的自动控制系统,温室内的温度控制很容易超出被控范围而造成能量的浪费。

蒸汽供暖蒸汽供暖是以温度为100~110℃的蒸汽作为热媒的一种供暖方式,其系统组成与热水采暖系统相近。由于热媒的特殊性,要求管道和散热器具有耐高压、高温、耐腐蚀、密封性好的特点。相对于热水采暖系统,蒸汽供暖系统一次性投资较低,但管理的要求较严格,适用于有蒸汽资源的条件下或给大面积连片温室群供暖。

热风采暖热风采暖是利用热源将空气加热到要求的温度,然后利用风机将热空气送入温室中。热风采暖设备投资低,可以和冬季通风相结合,供热分配均匀,便于调节和实现自动控制。但是采暖系统停止工作后余热小,温室中温度降低较快,实行自动控制可以有效减小这一不利影响。热风炉采用热风直接加热,也就没有起始加热时加热总管道中热媒水的热量损失,有利于节省能源。同时,温室加热的滞后较短,温室升温速度较快,但是这样也使得温室内的温度波动较大。与热水锅炉相同,燃煤热风炉的调节性能较差,但室内加热的热惯性较小,温室耗煤量相对较小。温室地面加热温室常用的散热器,包括了柱状散热器、圆翼型散热器、光管散热器等。其中,柱状散热器由于占用空间多,目前在温室内很少使用。圆翼型散热器具有散热面积大、节省材料、占地小、运输拆装方便、美观等优点,是温室中常用的一种散热器。光管散热器,常用来做成蛇型,直接从近地面对植物加热,同时兼作轨道,在大型连栋温室中应用较多。合适的生态环境,尤其是合理的温度场分布,能够大幅度提高作物产量。散热器在温室内的布置将直接影响到温室内温度场的分布与能量的消耗。散热器布置的原则是尽量保证温度分布均匀,热损失小,管路短,且不妨碍生产操作。对于一般连栋温室,常常将散热器靠四周的覆盖材料布置,这样可以防止冷气流产生,使流经工作区的空气比较温暖。大型连栋温室的中部常将散热器安在立柱两侧,离地面20~30cm处。四周的散热器则靠墙水平重叠布置。这样,占地面积不大,遮光少,对温室作业影响小。在日光温室中散热器常放在后墙内侧。从供暖效果来看,温室内的管道布置与温室的作物要求密切相关。温室内的管道布置越多,温度场分布越均匀,温度波动越小。反之,温度场分布不均匀,温度波动大。在选择温室的管道布置时,不仅要考虑作物的需要,还要考虑传热的效率。从辐射传热的角度考虑,供热管道应位于靠近作物并处于作物高度的1/2处,这时辐射热效率最大;从对流传热角度考虑,供热管道的竖向位置应靠近地面,这时对流换热效率最好,且温室中热气流的分布最理想,但辐射效率和对流效率两者不能同时达到最佳。在兼顾辐射和对流两方面效率的情况下,供热管道的合理位置应为靠近作物并处于作物高度的1/4~1/3处。一系列的研究表明:提高土壤温度不仅直接影响作物根系的形成和生长,还影响植物对养分和水分的吸收,土壤微生物繁殖和活动,部分蔬菜作物的花芽分化和产量等。尤其在低温时期,对地温的调节更为重要。在土壤内布置散热器将有效地提高地温,促进植物生长发育。温室地面加热是指将加热管置于地表以下,加热管将热量传递给地面,然后以整个地面作为散热面加热温室的一种加热方式。整个地面作为散热面,使加热系统散热表面面积大,而且分布均匀,使温内气温在水平和垂直方向上的分布均匀。热量从地面向温室空间散发,首先使植物根部和冠层受热,使其处于良好的温度环境,温室上层空间的温度较低,通过覆盖材料向室外散失的热量相对较少,比较节省能源。据报道,使用地面加热系统,与传统加热方式相比,节能最高达80%。温室供热计量技术的选择、使用受条件限制从我国国情出发,一段时间内,化石燃料仍将是我国温室供暖的主要热量来源,大部分地区还将采用燃煤锅炉作为温室热源设备。从环境保护的角度出发,可提高锅炉技术,减少环境污染。利用地热资源、工业余热可以有效降低温室成本,但是受条件限制。蓄电锅炉、太阳能和地源热泵技术适用范围广,极具发展前景。从热媒来看,热水、水蒸气、热风作为温室供暖热媒,各有其特点。采用热水作为热媒,温室内温度较为稳定