日光温室冬季新型增温技术在叶菜生产中应用对比研究＊

刘 旺，安红艳，胡 浩，谢 杰，盛 顺，苗秋生，张京开，张迪婧，宋爱敏，李雪婷（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

日光温室是京郊地区叶菜生产的重要设施，其广泛应用不仅提高了农业资源的利用率，而且保证了叶菜等农产品的周年均衡供应，成为解决农业发展、资源、环境三大基本问题的关键[1-2]。冬季是日光温室叶菜生产的旺季，生产效益最显著，但是由于冬季气温较低，冰雪、霜冻等自然灾害时常发生，会对日光温室内的作物造成冻害等不利影响，尤其是随着北京“煤改电”“煤改气”等煤改清洁能源工程的实施，京郊日光温室冬季节能增温技术的研发和应用受到了越来越多的关注。目前，京郊地区应用较多的增温方式是利用太阳能、电能，将空气或水加热并贮存起来，待夜间温度较低时释放热量进行加热，也有利用电能将电热线或电加热板加热直接提高地温或气温。郭建业等[3]设计了一种水循环增温蓄热系统，该系统利用冬季晴天时北墙部位的太阳辐射热量使水增温，并把水储存在蓄热水箱中，夜间温室内温度降到一定程度时，利用所贮蓄的热量给温室加温，可使温室日均气温提高3.65℃以上，地温提高2.0℃。马前磊等[4]以太阳能为热源，白天通过水循环将太阳能以热能的型式收集于蓄水池内，夜间通过冠层增温管道释放热量，对番茄冠层进行局部增温。王志伟[5]以南疆地区现有典型日光温室为出发点研发了水幕集热—地暖加温系统，可实现白天将到达后墙的部分太阳能利用水循环收集、转化、储存在植物栽培槽底部深层土壤与地暖管中，夜间将储存的热量释放出来。

叶菜创新团队研发了智能通风地温加热系统，白天利用太阳能加热空气，储存在土壤中，夜间释放热量增加地温[6]。电热采暖加温系统主要是利用电能直接对温室进行加温，一般是通过地下埋入电热线或增加电加热板，持续释放热量。在实际使用中发现，利用太阳能增加温室温度的方法可实现能源清洁化，适于长期使用，但使用该类设备需对温室进行工程改造，较复杂且费用较高，如果遇到连续阴天、雪天发挥作用有限，不能应对突如其来的寒冷、冻害。电热采暖比较耗能，而埋入地下的电线容易影响农机正常作业，同时电加热板的数量较少，加温效果不明显，但电加热板实施中不用对温室进行改造，该方法适用于短期应对极端寒冷天气。叶类蔬菜一般喜冷凉温和的气候，生产最适宜温度范围为10～25 ℃，白天温度高于25 ℃以上，需要揭膜通风、降温、排湿，夜间低于10 ℃生长缓慢，长期低于0℃，容易受到冻害影响，现有增温技术多应用于茄果类蔬菜或经济作物，尚未发现适宜叶类蔬菜的绿色、低碳、环保的增温技术。因此本研究拟利用施工较少的太阳能-相变材料组合、石墨烯电加热技术进行冬季日光温室增温，拟探索一种适用于叶类蔬菜种植、绿色、高效增温方式。

材料与方法

试验温室

日光温室位于北京市大兴区，采用砖＋混凝土结构，普通370 mm 砖抹水泥，前屋面为钢龙骨结构，温室南北宽8 m，东西长60 m，由于使用年限较长，保温效果不佳。研究设置2 个试验温室和1 个对照温室，编号1 号，2 号，3 号，其中1 号温室安装相变材料，2 号温室安装石墨烯电加热设备，3 号温室为对照温室，2020 年12月24 日分别在3 个温室内相同位置定植相同数量的芹菜、圆白菜、‘射手101’生菜和娃娃菜，温室日常管理均一致。

试验材料

研究中的相变材料是一种新型有机材料，利用特殊的加工制作方法，将固-液相变转化为固-固相变形式，通过固-固相变实现吸热放热，在天气突变的情况下，可减少温室内部温度骤变，有利于保持室内环境的温度稳定，为植株生长提供温度支持。相变材料通过吸收日间太阳辐射，经过储能可以用于温室夜间放热，减少冬季温室能耗。墙体是日光温室维护结构中最重要的构成之一，其热物性功能主要包括保温作用和蓄热作用，因此，将相变材料、红砖墙构筑复合相变墙体，以提高墙体的蓄热能力。相变材料砖块位于后墙中间，垂直粘贴4 块，每块砖尺寸为30 cm×30 cm×5 cm。石墨烯是一种高新科技新型纳米材料，由于其结构的独特性，是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的材料，其电热转化率接近100%，其应用在温室的基本原理是：电热板向温室散发热量，控制室内恒温。北侧+南侧双重加热传导，可以在短时间内提升室温，降低损耗，保障根系土壤温度。本实验中，北侧安装20 块石墨烯板，间隔为3 m，尺寸为150 cm×60 cm，每块板电功率为2 kW；南侧安装20 块板，间隔3 m，尺寸为150 cm×30 cm，每块板电功率为1 kW。温控设置为12℃，即低于12℃开始工作，大于等于12℃停止工作，温度传感器位于温室中部离地面1.5 m 处。

图1 相变材料布置图

图2 石墨烯电加热设备布置图

试验仪器及操作方法

试验温度采用单点温度计进行测试，温度计使用前放置在室内同一位置处进行校正，温度相差0.11～0.24 ℃。试验前对3 个温度计进行标定，放置在室内，观测了6 天，三个传感器的6 天平均温度分别为18.21、18.34、18.10 ℃，相差不到0.3 ℃，因此测试温度较为稳定、准确。试验时，单点温度计放置在温室正中央，离地高度1.5 m，实时记录温室温度，温度数据每10 min 监测1 次并传输到终端。为了减少人为操作误差，3 个温室均由1 个人管理，都是同时操作的。所测温室采用连续3 天温度，具有重复性，结论可靠。

结果与分析

新型日光温室冬季增温技术效果及耗电量

由图3 可知，加装相变材料温室的平均温度为8.6℃，加装石墨烯电加热设备温室的平均温度为11.1℃，对照温室的平均温度为7.9℃，分别比对照温室高0.7、3.2 ℃。三个日光温室的日平均温度均随室外温度变化而变化，随着室外温度不断降低，温室温度波动较小，加装相变材料温室的日平均温度的变异系数为24.2%，加装石墨烯电加热设备温室日平均温度的变异系数为16.4%，对照温室的日平均温度的变异系数为30.7%，说明三个温室保温效果较好，其中，与对照温室相比，加装石墨烯设备的温室温度变化最小，其次是加装相变材料温室。

由图3 可知，加装石墨烯电加热设备需要消耗电能，2020 年12 月28 日～2021 年1 月8日，室外平均温度由-4℃连续降低到-11.8℃时，每天消耗电能呈增加趋势，平均每天消耗电能337.4 kW.h。2021 年1 月9～11 日，室外平均温度由-7.9℃升至-3.8℃后，电能迅速由167 kW.h降低到94 kW.h。

图3 新型日光温室冬季增温技术温度测试

不同天气状况下日光温室增温技术试验比对

连续晴天时日光温室增温技术试验比对

图4 为2021 年1 月29～31 日（晴 天）温室内气温变化规律，图中可以看出，受室外温度和太阳辐射强度影响，8:00 掀开保温被后，试验温室和对比温室内气温开始升高，14:00温度达到一天内的最高，之后开始温度下降，到第二天7:00 温度达到一天内最低，试验温室和对照温室变化趋势一致，且16:00 放下保温被后，试验温室与对比温室相比，温度下降速度略小，温差变化不大。温室内日平均气温高低顺序为石墨烯电加热设备的温室>相变材料温室>对照温室，其中温室的平均温度分别为12.4、11.2、10.1 ℃，石墨烯电加热设备的温室和相变材料温室分别比对照温室高2.3 ℃、1.1 ℃，说明在晴天时，温室内平均温度可达12 ℃，石墨烯电加热设备在温室内温度较高时不进行加热，相变材料温室的保温性比对照温室好。

图4 晴天时温室内气温变化规律

连续极冷天时日光温室增温技术试验比对

由图5 可知，在极端寒冷时（室外）温室内连续3 天温度变化规律。温室内日平均气温高低顺序为石墨烯电加热设备温室>相变材料温室>对照温室，其中温室的平均温度分别为9.9、6.0、5.0℃，分别比对照温室高3.3、1.0℃，最低温度分别为4.7、-2.2、-2.1 ℃。1 月6～8 日9:00～16:00 期间，相变材料温室、石墨烯电加热设备温室、对照温室3 天的平均气温分别为17.9、18.4、15.6 ℃，分别比对照温室高2.3、2.8 ℃，特别是1 月8 日最高均比对照温室高3.7℃。1 月6～7 日晚上（16:00～次日9:00）期间，相变材料温室、石墨烯电加热设备温室、对照温室2 天的平均气温分别为0.3、6.1、-0.1℃，分别比对照温室高0.4℃和6.2℃。相较于连续晴天，虽然石墨烯电加热设备、相变材料均能提高温室温度，但使用石墨烯电加热设备比相变材料增温效果明显，尤其是夜间石墨烯电加热设备可提高温室温度6.2℃，保证叶类蔬菜正常生长。

图5 极端低温条件下日光温室内气温变化规律

成本分析

试验时，相变材料的主要费用为材料费和安装费，材料费为56000 元，安装人工费、辅助材料费等为19000 元，按10 年折旧计算，每年费用为7500 元。石墨烯电加热设备费和人工安装费用为40000 元，运行一个作业季节，根据叶菜生长期内需加热的最大天数计算，加热30天，约消耗5223 度电，低谷电约为0.35 元/ 度，电费约为1828 元，按10 年折旧计算，每年费用为5828 元。以种植生菜为例，石墨烯电加热设备温室与对照温室相比实现增产13%，相变材料温室与对照温室相比实现增产5%，且石墨烯电加热设备温室内叶菜可提前2 周上市，供应时菜价较高，按照12 元/kg 计算，实现增收109 元/667 m2。加装相变材料温室可提前1 周上市，由于人工成本较高，增收不增利，但可保障叶菜春节前上市供应，提高经济效益。

结果分析

研究结果表明，加装相变材料、石墨烯电加热设备温室的平均温度分别比对照温室高0.7 ℃、3.2 ℃。与对照温室相比，随着室外温度的降低加装石墨烯设备温室一天内温度变化最小，其次是加装相变材料温室。同时，石墨烯设备在室外相对低温时耗电量较大，相对高温时耗电量较小，当室外平均温度由-4 ℃连续降低到-11.8 ℃时，平均每天消耗电能337.4 kW.h，室外温度升高后，电能迅速降低到167 kW.h。

连续晴天时，石墨烯电加热设备的温室和相变材料温室分别比对照温室高2.3、1.1℃，说明在晴天时，温室内平均温度可达12 ℃，石墨烯电加热设备在温室内温度较高时不进行加热，而相变材料温室的保温性较好。连续极端寒冷天气时，石墨烯电加热设备温室、相变材料温室平均温度分别比对照温室高3.3、1.0℃。虽然石墨烯电加热设备、相变材料均能提高温室温度，但使用石墨烯电加热设备比相变材料增温效果明显，尤其是夜间石墨烯电加热设备可提高温室温度6.2℃，保证叶类蔬菜正常生长。

经过对比，晴天时，试验温室和对照温室最低气温均在0℃以上。连续极冷天气时，石墨烯电加热设备温室最低气温能保持在0℃以上，避免发生冻害，满足叶菜生长需要，缺点是需要耗电；相变材料温室夜间平均气温在0℃以上，可有效减少叶菜冻害的发生。