２０１ １年１０月 农机化研究 第１０期 寒冷地区现代温室加温系统 赵丽平，刘春旭，张连萍，赵忠良 （黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 １５００８１） 摘要：在我国东北地区，冬季气候寒冷（尤其是夜间），要实现温室的越冬生产必须进行加温。传统的加温系 统主要有热水加热、热风加热和电加热，随着加温系统和设备的不断发展，现代又出现了地源热泵技术、温室地 下蓄热加温技术、太阳能辅助技术和空气源热泵技术等新型的加温设备及系统，为现代化温室在加热保温、冬季 生产、能源节约和清洁能源方面提供了有力的保障。这些设备的应用不但提高了温室的保温效率，而且使得温 室在反季节生产中发挥了较大的优势。 关键词：现代温室；加温系统；寒冷地区 中图分类号：ｓ６２５．５ １ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－１８８Ｘ（２０１１）１０－０２４５－０４ Ｏ 引言 统中的锅炉和供热管道采用通用的工业和民建产品， 散热器一般使用温室空调机组（园艺暖风机）。另外， 当今世界的节能与环保问题已提上日程，以燃煤 热水采暖系统还有一种加温方式，即地中加热。设备 为基础的供暖模式所带来的负面影响越来越不能适 与上述不同之处在于，无需安装散热器，而直接将热 应社会可持续发展的要求。目前，在我国北方地区现 水管道埋设于地表土壤中，直接对土壤进行加热，然 代温室采暖主要的热水供暖设备是锅炉，包括燃煤锅 后再通过辐射或传导对室内空气进行加热。地中加 炉、燃油锅炉、天然气锅炉以及电锅炉等。传统的燃 热方式直接加热了作物生长的区域，同时土壤还具有 煤锅炉因为严重污染环境，在城市中心区域的应用受 较强的蓄热功能，因此比起散热器来更加节能。地中 到越来越多的限制；燃油锅炉虽然解决了环境污染问 加热管道一般采用特殊的塑料管材，有时也用钢管。 题，但是日益上涨的油价使燃油锅炉的运行费用越来 １．２热风加温 越高；天然气锅炉虽然运行费用不高，但需要有气源 热风加温采暖系统由热源、空气换热器、风机和 管道，应用受到很大的限制。因此，寒冷地区现代温 送风管道组成。由热源提供的热量加热空气换热器， 室急需环境污染轻、运行费用低、安装使用方便的新 用风机强迫温室内的部分空气流过换热器，当空气被 型温室加温系统与设备。 加热后进入温室内进行流动，如此不断循环，使温室 １传统加温系统 内的空气加热。热风采暖系统的热源多种多样，一般 分为燃油、燃气和燃煤３种，也可以是电加热器。热 １．１ 热水加温 源不同，加热系统的设备和安装方式也各不相同。一 热水加温采暖系统是由热水锅炉、供热管道和散 般来说，电热方式换热器不会造成空气污染，可以安 热设备３个基本部分组成。其工作过程为：先用锅炉 装在温室内部，直接与风机配合使用；燃油或燃气式 将水加热，然后用水泵加压，热水通过加热管道供给 加热装置一般也安装在室内，但由于其燃烧后的气体 在温室内均匀安装的散热器，再通过散热器对室内空 含有大量对作物有害的成份，必须排放在室外；而燃 气进行加温。整个系统为循环系统，冷却后的水重新 煤热风炉体积较大，使用中也不易保持清洁，一般安 回到锅炉进行加热，进入下一次循环。热水采暖系统 装在温室外部。热风系统的送气管道由开孔的聚乙 运行稳定可靠，是目前大型连栋温室最常用的采暖方 烯薄膜或布制成，沿温室长度方向布置，开孔的间距 式。但系统设备复杂，造价高，一次性投资较大。系 和位置需计算确定，一般情况下距热源越远处孔距越 密。热风采暖系统的优点是加温时温室内温度分布 收稿日期：２０１１一Ｏ５—０９ 基金项目：黑龙江省农业机械工程科学研究院科研项目（２００９—２０１０） 比较均匀，热惰性小，易于实现温度调节，且整个设备 作者简介：赵丽平（１９６７～），女，黑龙江依安人，高级工程师，（Ｅ—ｍａｉｌ） 投资较低，但运行费用较高。热风采暖在塑料温室中 ８７６３１４９２７＠ｑｑ．ｃｏｒｎ。 较为常见。 ２０１ １年１０月 １．３ 电加热 农机化研究 第１０期 环境更优美。二是高效节能，水源热泵机组可利用的 电热采暖是用电热器直接加热空气或电热线加热 水体温度冬季为１２～２２℃，水体温度比环境空气温度 高，所以热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；而 夏季水体为１８～３５℃，水体温度比环境空气温度低， 所以制冷的冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式 苗床，其主要设备为电暖风机或电热线。比较常见的 电加热方式是将地热线埋在地下，用来提高地温，主 要用在温室育苗。这种方式预热时间短，进行自动控 制较容易，使用简便，电能是最清洁和方便的能源，但 电能是二次能源，本身价格比较高，且停机后缺乏保 和冷却塔式，机组效率提高。据美国环保署ＥＰＡ估 计，设计安装良好的水源热泵，平均来说可以节约用 户３０％一４０％的供热制冷空调的运行费用。三是运 温性，因此只能作为一种临时加温措施短期使用。适 用于小型育苗温室、土壤加温辅助采暖、日光温室的 辅助加热或作临时防寒用。 行稳定可靠，水体的温度一年四季相对稳定，其波动 的范围远远小于空气的变动，是很好的热泵热源和空 ２现代温室加温技术 ２．１ 温室地下蓄热加温技术 调冷源。水体温度较恒定的特性使得热泵机组运行 更可靠稳定，也保证了系统的高效性和经济性，不存 在空气源热泵的冬季除霜等难点问题。四是水源热 泵系统一机多用，一套系统可以替换原来的锅炉加空 调的两套装置或系统。五是自动运行，水源热泵机组 由于工况稳定，所以可以设计简单的系统，部件较少， 机组运行简单可靠，维护费用低，自动控制程度高，使 用寿命长可达到１５年以上。 ２．３太阳能地热加温技术 温室地下管式蓄热加温作为一种节能的加温方 法，已在法国、加拿大、希腊、日本和中国等国家应用。 温室地下蓄热系统由温室、地坪、轴流风机、进气道和 排气道等组成。其原理是：白天由于太阳辐射温室内 空气温度升高，而地坪内温度较低，使地坪与静止空 气的传热较慢；当室内气温高于设定值时，启动轴流 风机，使温室内空气流经换热管道，空气中的热能向 太阳能是一种清洁能源，量大而且分布广泛，应 用于温室加温替代不可再生的化石燃料加热是较有 前景的能源之一。太阳能地热加温系统主要包括全 蓄热层转移，地坪温度升高并贮存了大量热能；夜间， 当温室内空气温度低于地坪温度时，地坪作为热源以 导热方式缓慢传入温室空气中，或者启动轴流风机， 使温室内空气流经换热管道而被加热，加热热量随气 流被输送到温室内，从而维持温室内较高温度。温室 玻璃真空管集热器模块、数字式温度显示表、循环水 泵、保温储热水箱和散热管。太阳能集热器安装在日 光温室东侧缓冲间屋顶，保温储热水箱安装在温室内 东侧山墙边，散热管从日光温室南底角进入温室的最 西侧，在温室中沿最西侧开始向东铺设跨度为２０ｍ的 散热管，散热管埋设间距３０ｅｍ，散热管埋深为３０ｅｍ， 散热管下埋设苯板。系统对５ｅｍ以上的土壤温度和 地下蓄热系统在蓄热与加温时，温室内空气流经换热 管道，使其温度与焓值变化明显，系统具有良好的降 温与加温能力，能够明显地提高苗床温度，是温室节 能的新途径。 ２．２水源热泵加热技术 温室内气温的影响不明显，但热能主要集中加热了１５ ～近年来，热泵系统作为一种节能、高效和环保的 新型技术，在设施农业领域得到了广泛的应用。热泵 ２５ｃｍ深度根系分布区域内的土壤，完全能够满足高 寒地区冬季日光温室种植茄果类蔬菜根部所需的温 度。由此可见，太阳能地热系统能量利用率较高。从 经济的角度出发，太阳能供热与锅炉电加热等其他设 施相比，除初次投资费用较高外，系统的运行费用极 低。太阳能系统在北方高寒地区具有显著的优越性， 太阳能集热器在冬季可以满足温室内土壤加温，而且 其余三季在太阳能供应生活热水方面也满足需要，提 高了系统的年利用率。 ２．４空气源热泵与电加热结合加温技术 空气源热泵是利用空气的热能来制造热水。空气 系统是通过低温热源进行供热的，水源热泵机组以水 为载体，冬季采集来自湖水、河水、地下水、地热尾水 甚至工业废水或污水的低品位热能，借助热泵系统， 通过消耗部分电能，将所取得的能量供给室内取暖； 在夏季把室内的热量取出，释放到水中，以达到夏季 空调的目的。由于水源热泵技术利用地表水作为空 调机组的制冷制热的源，所以其具有以下优点：一是 环保效益显著，水源热泵是利用地表水作为冷热源进 行能量转换的供暖空调系统。供热时，省去了燃煤、 燃气或燃油等锅炉系统，没有燃烧过程，避免了排烟 源热泵是一种高效集热并转移热量的装置，由压缩 污染；供冷时，省去了冷却水塔，避免了冷却塔的噪音 及霉菌污染，不产生任何废渣、废水、废气和烟尘，使 ・机、空气换热器、水换热器、膨胀阀和风机等部件组 成。运用逆卡诺循环原理，采用电能驱动，通过制冷 ２４６・ ２０ｌ１年１Ｏ月 农机化研究 第１０期 剂吸收空气的低品位热能，经压缩机压缩转化为高品 据温室形式和当地气候进行设备的选择，才能最大程 位的热能，再通过热交换器将热量传递给水，实现制 度地避免材料浪费。 取热水，并通过循环系统完成热水供应。其特点是初 ３．１ 新型加温系统的对比选择 投较高、运营成本低、热转化效率２００％以上，属于清 在上述４种新型加温系统中，温室地下蓄热加温 洁热源。 技术只能作为辅助加温系统，无法在寒冷地区冬季独 空气源热泵在白天通过与保温水箱形成的制热水 立使用，而太阳能地热加温系统由于受初投资过大和 循环系统制取热水，由温控系统使保温水箱的水温保 区域性光照强度的限制，没能得到很好的应用。水源 持在５５—６０￣Ｃ（下差３℃），保温水箱在夜间（白天部 热泵因其环保效益显著、高效节能、运行稳定可靠、一 分时间）通过循环泵与温室散热管形成加温水循环系 机二用和自动运行等优点，使得水源热泵在现代温室 统，为温室加温，如图１所示。 中得到广泛推广应用，特别适用于大型连栋温室。当 然，水源热泵也不是十全十美的，其应用也会受到制 空气源热泵 约。首先，受可利用的水源条件限制。水源热泵理论 Ｔ 上 上可以利用一切的水资源，但在实际工程中不同的水 ｌ保温水箱 资源利用的成本差异是相当大的，所以在不同的地区 丁Ｉ Ｉ 泵 是否有合适的水源成为水源热泵应用的一个关键。 目前的水源热泵利用方式中，闭式系统一般成本较 『温室散热管 高，而开式系统能否寻找到合适的水源就成为使用水 源热泵的限制条件。对开式系统，水源要求必须满足 图１ 空气源热泵机热系统框图 一定的温度、水量和清洁度。其次，由于水层的地理 空气源热泵之所以难以成为寒冷地区温室加温系 结构的限制，对于从地下抽水回灌的使用，必须考虑 统，其技术上的原因主要是：在不加电辅和低温的情 到使用地的地质结构，确保可以在经济条件下打井找 况下，会出现制热效率大幅降低的问题。制热效率降 到合适的水源，同时还应当考虑当地的地质和土壤条 低，导致水源加热时间的大幅度延长，不能满足用户 件，保证用后尾水的回灌可以实现。再则，需要投资 在寒冷天气里对热水的需求。近年来，喷气增焓压缩 的经济性。由于受到不同地区、不同用户、国家能源 机在不加电辅的情况下，在一２ｑＣ时ｃｏｐ还可以保持在 政策、燃料价格的影响，水源的基本条件的不同，一次 ３．０；一１５ ｏＣ时能效比仅仅只是降低到２．０。如何保证 性投资及运行费用会随着用户的不同而有所不同。 在一ｌ５℃的气温条件下能正常制热，且制热能效比＞ 总体来说，水源热泵的运行效率较高，费用较低，但与 ２．０；在一１５℃的气温条件下，其制热量的衰减小于 传统的空调制冷取暖方式相比，在不同地区不同需求 ３５％；最高出水温度可达５５℃，以适应暖气片采暖的 的条件下，水源热泵的投资经济性会有所不同，因此 需求，也可以制采暖热水。这种通过采用增气喷焓＋ 不适于中性温室。 电子膨胀阀控制（简称ＥＹＩ＋ＥＰＦ）技术的热泵称之为 与水源热泵比较，空气源热泵除了水源热泵的优 低温型空气源热泵，可以在北方冬季温室加温系统中 点外还具备如下优点：采用模块化设计，完全不必设 使用。其中，电加热作为辅助热源，可以解决短时间 置备用机组，运行过程中电脑自动控制并调节机组的 白天极端低温（低于一１５℃）工况下而带来的供热不足 运行状态，使输出功率与工作环境的实际利用率相协 问题。 调；模块化机组的可靠性高，由数个模块组成，任何模 ３ 主要加温设备选择和耗能对比 块的临时检修停运都不会影响整机的正常运行，大大 提高了整个空调系统的合理性和可靠性；机组可任意 温室采暖费用是决定温室运行成本的重要因素。 放置屋顶或地面，没有机房设施和冷却水塔系统，不 采暖设备的选用很大程度上影响着温室投资、运行成 占用有效使用面积，同时安装施工工作大为简便。但 本和以后的经济效益，因此在温室设计阶段就应该慎 是，空气源热泵（低温型）的不足之处是在室外温度低 重考虑，科学合理地选择。温室采暖设备与温室类 于一１５℃时制热能力下降，需增加辅助电加热，因此空 型、所处区域关系密切，在设计之初要进行温室热负 气源热泵更适于中小型温室中使用。 荷的计算。根据设计计算所得出的需要供热量进行 ３．２传统加温和新型加温系统的对比选择 散热器的布置，同时对热源的容量进行确定。只有根 以１０℃的１ｔ冷水加热到５０ ｃ【＝需１６８．０７ＭＪ的热 ２０１ １年１０月 农机化研究 第１０期 量为例，进行每吨热水运营成本比较，见表１所示。 从表１可看出，原煤锅炉的吨运营成本虽然最低，但 倍。综合考虑经济性和环保性，并综合考虑ｌＯ年以 上运营期的年均成本因素，空气源热泵是其中最理想 的中小型现代温室清洁能源解决方案。 其设备占地面积大，需要另建锅炉房，且严重污染环 境；柴油锅炉的单位运营成本约为空气源热泵的２ 表１ 传统加湿与新型加湿系统对比 ４ 结论 科技的进步和清洁能源的研究为温室加温配套设 备的发展提供了强有力的技术支持，新推出的地源热 泵加热技术、空气源热泵技术和加温系统，以其高效、 热泵清洁能源加温系统，是解决北方寒带地区冬季保 护地栽培的主要任务。 参考文献： ［１］ 俞丽华，马国远，徐荣保．低温空气源热泵的现状与发展 ［Ｊ］．建筑节能，２００７（３）：５４—５７． ［２］ Ｓｔｅｆａｎ Ｓ．Ｂｅｒｔｓｃｈ，Ｅｃｋｈａｒｄ Ａ．Ｇｒｏｌ１．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ａｉｒ—Ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐｓ ｆｏｒ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｌｉｍａｔｅｓ［Ｃ］／／８ ｔｈ Ｉｎｔｅｍａ— ｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｇｅｎｃｙ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００５． 清洁和实用占据了很大的优势。我国北方寒冷地区 冬季温度低是影响温室生产的主要因素，如果单纯地 采取传统加热方式，一方面运营成本昂贵，整个运营 期内综合投人和产出相差较大；另一方面，还会对环 境造成很大的影响。因此，着重推广使用寒冷地区温 室的节能环保加温设备系统，特别是运营费用较低的 ［３］ 马最良，杨自强，姚杨，等．空气源热泵冷热水机组在寒 冷地区应用的分析［Ｊ］．暖通空调，２００１，３１（３）：２８— ３１． Ｈｅａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ Ｃｏｌｄ Ａｒｅａｓ Ｚｈａｏ Ｌｉｐｉｎｇ，Ｌｉｕ Ｃｈｕｎｘｕ，Ｚｈａｎｇ Ｌｉａｎｐｉｎｇ，Ｚｈａｏ Ｚｈｏｎｇｌｉａｎｇ （Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ １ ５００８ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ ｗｉｎｔｅｒ ｗｅａｔｈｅｒ ｉｓ ｃｏｌｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ａｔ ｎｉｇｈｔ，ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｗｉｎｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃ— ｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｍｕｓｔ ｂｅ ｈｅａｔｅｄ．Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｈｏｔ ｗａｔｅｒ ｈｅａｔｉｎｇ，ｈｏｔ ａｉｒ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｈｅａｔｉｎｇ，ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ｗａｔｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｉｒ ｓｏｕｒｃｅ ｈｅａｔ ｐｕｍｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ａｎｄ ｈｅａｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｈｅａｔ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｓｓｉｓｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｎｅｗ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｅＩＴｌ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｗｉｎｔｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｌｅａｎ ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｓｔｒｏｎｇ ｇｕａｒａｎｔｅｅ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｒｅｅｎｈｏｕｓｇｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ａｌｓｏ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ—ｓｅａｓｏｎ ｐｌａｙ ｉｎ ａ ｇｒｅａｔｅｒ ａｄｖａｎ— ｔａｇｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｅｍ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ；ｈｅａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｌｄ ａｒｅａｓ ・２４８・