太阳能在农业大棚供暖领域的应用

2021-05-17郭昱隆

广东蚕业 2021年3期

郭昱隆

（太原学院建筑与环境工程系山西太原 030032）

随着现代农业的发展，温室采暖设备在我国已逐渐放弃传统的燃煤、燃秸等非环保、非节能的采暖方式，更多的新型采暖设施与技术已经逐渐应用于农业领域。太阳能作为一种较易获取的可再生能源，通过光电、光热等多种形式广泛应用于农业供暖领域，但由于太阳能本身的不连续性与间断性，太阳能供暖系统在我国的大规模使用受到了一定的制约。为了使太阳能清洁供暖系统得到优化与改善，满足日益发展的农业温室大棚内的温度、环保与经济需求，基于太阳能的“太阳能+其他能源设施”农业供暖技术开始出现，并在许多农业地区得到发展与应用。文章针对常见的几种“太阳能+”供热技术的实现方式进行分析梳理，并对具体的应用进行了分析。

1 农业温室大棚概述

农业温室大棚是一种可以提高农作物收益、产能且技术先进的集约型新型产业，但投入较高，可以通过加强主管调控，充分利用太阳能这一可再生能源减少气候变化对农作物生长产生的影响，极大地提升蔬菜在冬季寒冷条件下的成活率和生产率，提升设施农业的经济效益。我国北方许多地区属于典型的干热气候，夏季酷暑炎热、冬季寒冷，极其适合设施农业日光温室技术的应用与发展[1]。

目前，许多寒冷地区的农业温室大棚主要采用传统拱棚塑料薄膜和日光温室，具体见图1，蓄热和保温性能相对较差[2]。在寒冷冬季，特别是在连续降雪和极端寒冷的天气条件下，日光温室大棚内的温度相对较低，无法满足农作物的正常生长，而且易造成冻害、冷害甚至农作物植株枯死、冻死等现象，造成资源浪费。而科学合理地利用太阳能可以有效改善冬季温室大棚内的温度，比如太阳能跨季节的蓄热供暖系统，以水为介质，可以将其他季节过剩的太阳能资源间接存储在地下，然后在冬季排出热水，提升冬季温室大棚内的土壤热源温度，提升大棚采暖效率，以满足植株所需的生长温度，以及采用“太阳能+短期储热系统”等多种太阳能供暖方式，最大限度地发挥太阳能的作用与优势[3]。

图1 农业日光温室大棚

设施农业温室大棚在现代化农业发展中占据的比重较大，利用此类方法不仅可以减少自然条件变化对农业种植生产产生的不利影响，还可以减少冬季农业可能产生的损失，提升蔬菜的产量与质量，促进农业供给侧改革，加快解决“三农”方面的制约问题，提升农民的经济效益。随着农业温室大棚技术的不断进步，其发展在不断地升级、改善与改造，设施农业蔬菜温室大棚也以塑料薄膜温室、玻璃温室大棚、日光温室大棚等多种形式呈现多元化、现代化和精准化的农业发展趋势。

2 农业温室大棚领域常见的太阳能供暖技术实现与应用

2.1 太阳能+空气源热泵

太阳能+空气源热泵在农业领域的供暖形式主要以空气为热源，通过输入高品位电能，将低品位热能转化为高品位人热能，仅需消耗少量的电能就可以通过压缩机将数倍的低温热能压缩转化为高品位热能，不仅可以有效节约高品位电能，还可以减少对化石类能源的大量消耗，减少农业供热对环境造成的污染。太阳能+空气源热泵系统实现了一种互补，将太阳能的可再生性、清洁性与空气源热泵的节能性结合起来，是节能无污染的高效能源利用系统，在农业领域中可以有效弥补阴雨天与冬季寒冷天气太阳能的不足，将空气源热泵技术与太阳能热水系统有机结合，实现全天候利用，天津曾有一家公司就为某地农业苗圃基地设计了平板太阳能+空气源热泵的供暖方式，目前该供暖方式也是农业温室大棚的一种常见供暖模式[4]。

2.2 太阳能+地源热泵

太阳能+地源热泵与空气源热能相似，太阳能与地源热泵系统相结合是太阳能与低品位热源通过热泵共同利用的途径之一，在地源热泵系统中增加低品位能源可以克服太阳能受阴雨天、下雪天等气候影响的缺点，使农业太阳能温室大棚供暖系统的运行更加稳定，弥补单热源热泵系统的技术缺陷。2018年青海某公司在西宁市城区中建设了青海首个高原现代设施农业科技技术示范园区，探索新能源与设施农业间的互补性，该系统的其中一部分便是采用的太阳能+地源热泵。在阳光充足的天气下，设施农业温室大棚供暖系统将会优先启动太阳能加热供暖水箱，对大棚进行供暖；当气候为阴雨天或下雪天时，供暖系统则会打开地源热泵，对加热水箱进行加热，通过吸收地下储存的热量对大棚进行供暖，有效解决寒冷气候设施农业温室大棚内温度不足导致作物无法正常生长的问题，确保大棚内农作物的正常种植与生产。

2.3 太阳能+主动蓄热

太阳能+主动蓄热供暖方式是设施农业日光温室大棚中常应用的一种方式。日光温室是节能型日光温室的简称，指的是一种在室内不加热的温室，是北方地区独有的温室类型，也称为暖棚，主要通过后墙体吸收太阳能实现蓄放热，从而维持农业温室大棚内的温度水平，保证大棚内温度适宜农作物生长的需求，通过建立墙体蓄热层，实现昼夜传输太阳能，满足大棚内夜间供暖的需求。国内首款水模块化主动蓄热日光温室于2020年初在邯郸国家现代农业产业园区建成并投入使用与生产，该农业大棚供暖技术是专门为难以提取土壤的地区研发与设计的，建设墙体不需要泥土，整个墙体就是一个蓄热保温体，以水为蓄热溶液，充分利用太阳能在日间的蓄热储热能力，晚上释放日间存储的热量，从而提升农业大棚室内的温度。此外，相变蓄热复合墙体减薄日光温室墙体厚度施工技术方面也在不断研究与开发中[5]。

2.4 太阳能+短期储热系统

该供暖方式作为农业储能领域中重要的组成部分，主要具有收益高、效率高、容量大、环保、安全性高等众多优势，高收益、高安全、高效率的蓄热设备与太阳能供暖系统相结合，可以有效弥补太阳能的间歇性缺点，实现“太阳能+”在农业供暖领域的规模化利用与推广，目前光伏+储热、光热+储热的供暖方式在许多地区的农业领域都实现了广泛推广与应用。储热主要分为热化学储热、相变储热、显热储热，目前农业领域常见的蓄热技术主要有水蓄热、熔盐蓄热等，许多农业地区实现了光伏混合水蓄热供暖系统的应用，通过对带屋顶光伏阵列的蓄热罐进行加热，并在夜间低谷电时段对电锅炉进行加热，从而有效降低温室大棚的运行成本，同时为大棚内的农作物提供适宜的生长的温度条件。

2.5 太阳能+跨季节储热

我国地处北半球，由于气候原因，夏季太阳能资源丰富，冬季太阳能资源匮乏，这使得太阳能利用极不稳定。太阳能技术的应用已经十分成熟，利用该项技术可以有效提升能量转换效率，降低投资成本。太阳能的基本储存方式主要分为直接储存与间接储存两种，太阳能跨季节蓄热运用的是间接储存热量的方式，主要将太阳能转化为高品位电能与热能，通过对其他形式能量的储存相对提高设施农业温室大棚中太阳能技术应用的稳定性，保证温室大棚内能量的暂时性充足，并对不需要的能量进行长期储存，需要时再进行利用，从而实现对太阳能的跨季节利用[6]。

跨季节储能供暖是一种新型的太阳能集中采暖方式，可以存储春夏秋三季的太阳能，以此满足冬季农业领域的大规模供暖与热水需求，有效地解决太阳能在时间和空间上的供需分配问题。太阳能+跨季节供热技术主要通过太阳能集热器进行全年吸热，将春夏秋季的太阳能储存在土壤中，在合适的时间采用地面散热器和多流程并联式地埋管换热器实现低温热水辐射补热，冬季利用太阳能短板蓄热与塑料棚膜对太阳能进行吸收，并采用智能监测与控制技术对温室大棚太阳能供暖系统进行控制，根据天气调节控制和切换模式，实现农作物春夏季蓄热、冬季补热的全年高效生长与生产。