零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚的研究分析

艾雅茹 鲁珊 周丽 李成杰 陈梦娟 李安英 曹燕

[摘 要]为了改进传统农业大棚的诸多不足之处，本团队将立体生态农业与光电、光热产业等新型模式引入传统农业中，进行分析计算研究，以一定比例进行种植、养殖，铺设光伏板，使大棚能够实现能量的自给自足，并进行了优势、推广可行性分析。

[关键词]太阳能;光伏发电;温室大棚;利用效率;发展对策

[中图分类号]P747 [文献标识码]A

1 前言

在武汉市组织的新青年下乡活动中，我们设计团队发现许多农户使用的是传统塑料大棚，而这种大棚的弊病有很多，例如效率低，土地资源得不到更有效的利用，产生大量白色污染。所以这些问题是本团队在这次设计中主要想解决的。我们提出了零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚的设计，该农业大棚分为上下两个空间，上层种植农作物，下层养牲畜，将各环节产生的废物进行再利用，屋顶及四周均铺设光伏板，外部设置风力发电装置，产生的电力用于大棚运作，多余的能量储存起来，在阴天及夜晚的时候再将能量释放，实现大棚的零能耗。

2 能耗与发电计算比较

零能耗光电光热耦合立体农业大棚的能耗使用分析包括8个方面，分别是：采光要求，大棚补光灯，集热管冬季需达到的温度，沼气和产生的生物肥，孵蛋器能耗，养鸡专用LED灯能耗，养鸡降温设备能耗，光伏板发电。

2.1 采光要求

大棚的平面尺寸为南北朝向40m，东西朝向15m。其中，上层蔬菜种植层，空间为15×40×3（m3），下层为鸡舍，空间为 15×40×2.5（m3），其中侧窗户宽0.8m，高1.2m，天窗井长2m，宽2m。由表1可知，大棚采光等级为Ⅳ，采光系数最低值1%，由表2可知，單侧采光有效深度为工作面至窗口上沿垂直距离的两倍。

设2m内一扇窗，则长40m安装20扇侧窗，宽15m安装7扇侧窗，其中侧窗共计20×2+7×2=57扇，面积S1=57×0.96=54.72 ㎡，由图2可知平天窗是双侧窗窗地面积的3倍，在大棚中间安装4个天窗井 则4个天窗井换算成侧窗面积为S2=2×2×4×3=48㎡ S总=103㎡，大棚一层面积为600㎡ 所以为满足采光需要的窗户面积为600×0.2=120㎡，故如此布窗基本能够满足大棚光照的要求。

2.2 大棚补光灯（冬季）

计算得，照射面积为600m2，本研究选用功率为60W的LED，共需76盏，共计能耗76×0.06=4.56度/h，一天总能耗为4.56×24=109.5度。

2.3 集热管冬季需达到的温度（冬季）

资料显示，大白菜最适宜的生长温度为20℃。采集数据可知，在冬季，集热管未供应热水时，大棚内的土壤温度为0℃，冬季热水器温度达到26℃，即可满足换热要求。现设供水体积为V，已知热水管直径d=0.05m，土的密度ρ0=1.29×103，土的比热容C0=1.34×103，土层厚度H=0.1m ，面积S=13×35.2=457.6㎡，由此可得等式Q土=Q水，即

1.34×103×1.29×103×457.6×0.1×20=4.2×103×1×103×6×V ，解得：V=62.8m2

而传统供热方式为通过暖风机给室内环境供热，对于本团队研究的土地面积大小，我们需要功率为500W的暖风机4台，共计能耗为0.5×4=2度/h，一天能耗2×24=48度。

因此使用集热管在冬季供热比一般方式一天可以节约48度。

2.4 沼气和产生的生物肥

资料显示，每只鸡一天大约会排泄30g的粪便，其中鲜鸡粪便含SS（固体物）20%，1㎏SS可产生0.3 m3的沼气，而每立方米的沼气可发电1.4度，无氧发酵后沼渣约为30%，本研究养殖的牲畜一天粪便量约为M=0.03×2000=60㎏，沼气体积V=60×0.2×0.3=3.6 m3，这些沼气产生电量，可用于发电P=1.4×3.6=5.04度，并且可以得到生物肥m=60×0.3=18㎏。

2.5 孵蛋器能耗（夏冬）

选用鸡笼尺寸为1.88×2.3×1.56（m3），可用于养殖96只鸡，大棚内大约可养2000只鸡。养殖的蛋鸡的产蛋率较高，大棚内每日产蛋量约2000枚。孵蛋器尺寸大小为1.34×0.87×168（m3）可孵鸡蛋2112枚，其中一台机器每小时耗能约为500w，鸡蛋的孵化周期大约为21天，共需要机器21台，共计一天能耗约为10×24=240度。

2.6 养鸡专用LED灯能耗（夏冬）

养殖共有8处，每处长12.88m，宽0.85m，共需要布置LED灯6盏，一天共计能耗约为12×48=576W/h=0.576度/h，0.576×24=13.8度

2.7 养鸡降温设备能耗 （夏季）

设鸡舍通风量为Q，按照舍内风速计算Q=3600×V×B×H m3/h，舍内平均风速为1.5-2.0m/s，取V=1.5 m/s，鸡舍宽度为B=40 m，鸡舍过流截面平均高度为H=3 m，得

Q=3600×1.5×40×3=648000 m3/h。

又设湿帘面积为S，其中S=Q/3600V，又Q=鸡舍通风量648000 m3/h，得S=120m3。

过湿帘后鸡舍内空气温度T0，T0=T-η*（T-T1），式中T=室外空气干球温度，T1=室外空气湿球温度，η=湿帘降温效率（70%-80%），其中T=35.2℃，T1=26.2℃，η=80%，得T0=28℃。

湿帘尺寸：12.88×2×4+5.44×2×5=157.5㎡ >120㎡。

已知共需要大水泵4个，小水泵5个，一天能耗约为（4×0.09+5×0.045）×24=14.04度，又风机风速10m/s，风机和湿帘对立安装共9台，共计能耗约1.1×9=9.9度/h，一天能耗9.9×24=237.6度。

若使用其他降温方式，在相同条件下，能耗计算如下：

①中央空调

共需9台4150W 的中央空调，共计耗能约为4150×9= 37.35kW，一天总耗电量约为37.35×24=896.4度。

②移动冷风机

共需120个650W的移动冷风机，共计耗能约为650×20= 13kW，一天总耗电量约为13×24=312度。

而以上两种降温方式均比湿帘耗电量大，由此可见湿帘的节能性。

2.8 光伏板发电

光伏板铺设面积为40×3×2+15×3×2+60×15=1230m2，其中其转换效率 18%。

又辐射量Ep=HA×S×K1×K2，式中HA—每天太阳能总辐射照度（kw·h/m2），S——组件面积总和（m2），K1—组件转换效率18%，K2——系统综合效率 0.8。

其中：夏季：HA=5.1 kw·h/m2，S=1230 m2，K1=0.18 ，K2=0.8

Ep=5.1×1230×0.18×0.8=903.3kw·h

又夏季一天總耗电240+13.8+14.04+237.6=505.4 kw·h

903.3>505.4

冬季：HA=3.56 kw·h/m2，S=1230 m2，K1=0.18 ，K2=0.8

Ep=3.56×1230×0.18×0.8=630.8kw·h

又冬季一天总耗电109.5+240+13.8=363.3 kw·h

630.8>363.3

所以综上计算可知，可以实现零能耗建筑。

3 优势、推广可行性分析

3.1 优势分析

从我们的走访调研看来，现农村已经大量使用传统的农业大棚，并多为单层的塑料薄膜大棚，存在着诸多问题。结合光电光热耦合的立体生态大棚与之相比更加具有科学性、先进性：

（1）节能性。大棚中所有的设备供电全由光伏发电和风机发电提供，冬季中室内温度调控由集热管产生的热水与室内换热实现。将热水管布置在土壤里，与传统的通过空气换热相比减少了热量的散发，可以将供热温度降低3℃-5℃，最大限度上利用了能量。减少了能耗。

（2）土地利用的高效性。在传统的单层大棚上发展为立体大棚，提高空间利用率。上层养鸡，下层种植蔬菜，是对土地的合理有效的开发。

（3）模式中的生态性。将各环节的废弃物进行循环利用，充分利用废弃物中能量，在大棚内构成一个生态循环。

（4）模式的发展性。打破传统农业大棚理念，光伏发电与农业的结合既响应了国家能源局印发的《关于实施光伏扶贫工程工作方案》。进一步推进了扶贫工程，为未来农业大棚的发展提供新的参考方向。

（5）可靠性。新型农业大棚系统更加安全可靠，并且其使用率远远大于传统农业大棚的使用寿命。

3.2 推广可行性分析

零能耗光电光热耦合立体生态农业大棚的设计主要是为了合理提高贫困农村土地利用率、农业种植效率。在合适的设计比例下，不仅可以实现零能耗，而且在光照充足的条件下可以并网发电。如果发电效益可观，还可以引入现有光伏补贴厂家进行初始投资，共同收益。对于农户而言，不仅可以在一片土地上实现多种农产品收入，还能得到发电收益，并且获得初投资，能顺利实现脱贫致富的目标。

[参考文献]

[1] 周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2] 杨金焕，于化丛，葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京：电子工业出版社，2009.