北方智能连栋玻璃温室供暖节能研讨——以宏福乌兰察布农业园区为例

袁 伟

（北京宏福农业技术有限公司，北京 102601）

近年来，智能连栋玻璃温室发展迅速。与传统日光温室相比，其受外界环境条件限制更小，可以为作物提供更加适宜的生长环境，产品品质更加可控，产量更高，成为越来越多现代农业企业进行工厂化蔬菜生产的选择。但在实际生产过程中，智能连栋温室的生产运营成本一直居高不下。国内现有大型智能连栋玻璃温室除极少数能实现收支平衡或略有盈利外，其余大部分都由于成本过高，处于入不敷出的经营状态。而中国大部分北方地区，冬季气温普遍较低，温室热需求普遍很高，造成温室加温所消耗的燃料或其他能源较多。据宏福农业北京园区往年数据，加温能耗成本占智能连栋玻璃温室生产总成本的40% 以上。减少温室生产过程中的加温能耗是温室产业发展中亟待解决的问题。

宏福农业乌兰察布园区于2021 年10 月份建设完成，采用工业余热、水源热泵、燃气锅炉等多种能源结合的形式为温室供暖，取得了很好的成效，使其在乌兰察布冬季平均气温在-18℃～-4℃的情况下仍能实现供暖成本低于50 元/m2。本文将以该园区为例，阐述北方智能连栋玻璃温室如何实现冬季供暖节能。

适宜温室选址

大型智能连栋玻璃温室建设成本高，在选址时不仅要综合考虑当地的光照、温度、湿度等自然条件以及政策条件，还要尽可能的选择具有丰富热源的地点。常见的有地热资源、电厂余热、冶金余热等，均能大幅度降低冬季加温能耗。

合理保温设计

近年来在政府的大力支持下，大型智能连栋玻璃温室发展迅速，规模不断增大，但在设计建造上普遍存在生搬硬套的现象，造成温室内部气候调控困难，产生资源和能源上的浪费。乌兰察布温室设计建造时，针对乌兰察布当地冬季极寒的自然条件采取了一系列的节能保温手段。

三层幕布系统

现代温室注重采光结构的设计和透光材料的研究开发，室内平均透光率可达70%。但温室白天由于强烈的太阳辐射，温室内温度往往会超过作物生长适宜的温度，对作物的营养吸收和果实品质造成不利影响。而夜间又会因为热量散失，室温降于作物生育适温以下，影响作物生长发育。幕布的合理使用可以协调温室内作物在不同时间对于光照和温度的要求，更好地减少温室夜间的热量散失，是温室节能的关键[1]。所以大型连栋玻璃温室冬季生产对于保温幕布的保温性能有较高要求。实际生产中发现，正确使用设计合理的幕布系统（图1）可以有效防止热量散失[2]。

图1 三层保温幕布

该园区温室内部上层采用WAS30MILDFR型号内遮阳幕，结构为全透明膜，幕布完全收拢时宽25 cm，保温率为21%。中层遮阳幕布采用AAS10FR 型号内保温幕，结构为白膜与磨砂膜的组合，幕布完全收拢时宽25 cm，保温率为22%；下层采用Z-WPE75MD 型号3D 气候幕布，内部填充物主要为纳米纤维棉，幕布完全收拢时宽50 cm，保温率可达72%。三层幕布（图2）组合运用总保温率可达85%。

图2 上中下三层幕布示意图

温室立面保温

温室四周立面覆盖双层中空钢化玻璃覆盖（5 mm+6A+5 mm，6A 表示空腔间隔宽度6 mm）。侧墙采用R-WMD 型号三段式保温幕布，内部填充物主要为纳米纤维棉，保温率为66%。

防寒沟设置

在日光温室中，防寒沟设计较为普遍。但在大型连栋玻璃温室设计中鲜有使用。白义奎等[3]研究表明设置防寒沟在日光温室中可以有效阻止热量的横向传递，起到保温、隔热的作用，改善了温室的热环境。由于乌兰察布冬季严寒，项目在建设时，选择75 mm 厚挤塑聚苯板作为防寒沟绝热材料，沿圈梁埋深1.5 m。实际生产中发现，防寒沟的设置有效减少了温室内热损失，有助于保持温室内温度尤其是周墙温度。需要注意的是，在设置防寒沟时，防寒沟埋深应充分考虑当地气候，测试防寒沟的有效影响深度。

综合使用以上手段，可以有效减少温室各方向上的热量散失。使温室在供水温度在不高于45℃的情况下，即可实现夜间温度15～19℃的调控（图3）。

图3 轨道管温度、外温和温室内温度对比图

多种能源组合使用

在中国北方地区，冬季严寒，温室围护结构及温室内作物的蓄热能力低，温室白天积蓄的热量难以维持夜间作物生长所需的温度环境。因此，温室必须配备与温室热负荷相匹配的供暖设备和散热器。

供暖设备

温室供暖系统能源中心采用4 台14 MW 燃气锅炉（图4），可以满足极寒天气的供暖需求。

图4 燃气锅炉（14 MW）

余热经水源热泵系统与燃气锅炉系统相串联，互为备用，不同工况时分别启动。水源热泵系统由板式换热器和水源热泵机组系统组成（图5）。当过渡季节负荷需求较低时，可利用余热水通过板式换热器转换后，进入采暖末端系统的分集水器。当室外温度低于一定温度时，供热负荷需求进一步提高，则关闭板换直供系统，开启水源热泵系统。当温室需求供水温度高于70℃时，水源热泵系统通过设置在锅炉房的电动阀切换，进入燃气锅炉系统进行补充加热至80℃，再进入分集水器。

图5 水源热泵机组运行示意图

通过余热、水源热泵和锅炉串联的形式可以有效降低燃气的使用量。实际生产中试验表明，在外界气温相同的情况下，余热温度35℃配合良好的温室保温效果，可以有效延迟锅炉的开启时间，降低锅炉运行功率，从而达到燃气使用量节能51%（图6）。

图6 余热使用前后燃气使用量对比图

散热器

温室内供热系统主要有两种形式，即热风供热系统和热水供热系统。热水系统与热风系统相比，室内温度场更均匀，不容易造成植物叶面结露，所以热水系统适用范围更广。宏福农业乌兰察布园区采用三维立体式热水散热系统[5]。温室底部每8 m 跨度用10 个φ51×2.3 mm 加热管来加热，组成轨道加热系统（图7）。柱间采暖采用每8 m 跨度用10 个DN38 的株间散热器加热，组成植株间加热系统（图8）。所有天沟布置两根融雪加温管，两侧各一根φ51×2.3 mm加温管道，组成顶部融雪加热系统（图9）。但是，热水系统为保持系统中流动的水不结冰，在极寒地区的冬季生产中即使不下雪也需要为天沟融雪段供给额外的热量，产生能源的浪费。

图7 轨道加热管

图8 植株间生长加热管

图9 天沟融雪管

储热罐

由于北方地区冬季气温较低，温室大部分时间是密闭的，只有在晴朗的中午会少许开窗。在这样密闭的条件下，温室内的CO2气体如果得不到补充，作物的光合作用必然受到影响。可以通过配备储热罐的形式，将白天燃烧燃气产生的热量以热水的形式储存于储热罐中，同时将产生的CO2气体排放入温室中，作为温室的气肥补充，有效节省CO2成本（图10）。

图10 储热罐

温室环境合理调控

中国北方地区的生产型大型连栋玻璃温室一般都具备主动加热能力，因此可以采用三段式温度管理策略（图11）。第一阶段为第一天日出后到日落前，第二阶段为第一天日落后到第二天的凌晨，第三阶段是第二天的凌晨到第二天日出前[6]。从第三阶段到第一阶段的升温热源主要是太阳能辐射，第一阶段由于白天光照充足，充分利用自然光即可维持温室内温度。

图11 温室三段式温度管理策略图

Lacroix 与Korner 等[7-8]研究结果均表明，温室内环境调控采用积温控制的思路可比传统的温度调控降低7%～9% 的能耗。因此若从节能的角度考虑，温室升温时优先选择提高第一阶段的白天温度，其次考虑使用幕布减缓日落后的温度下降速率。

应用效果分析

宏福乌兰察布园区通过综合运用以上技术手段，有效减少了北方大型连栋玻璃温室冬季加温所产生的能源费用。如图12 所示，对比宏福农业乌兰察布园区与宏福农业北京园区在2022年2 月份的能源使用情况，乌兰察布园区燃气消耗量为2.03 m3/m2，与北京园区相比降低了37.11%；能源费用为5.23 元/m2，与北京园区相比降低了43.52%，之所以能源费用较燃气消耗量降低幅度更大，是因为乌兰察布的燃气价格和电价相对较低。

图12 2022 年2 月两地能源使用情况对比图

总结

中国北方地区的大型连栋玻璃温室受外界温度影响，大部分生产能耗主要集中在冬季加温。综上所述，要让中国北方地区建设的大型连栋玻璃温室节省加温能耗，有以下几个要点：①项目选址尽可能有余热、地热等热源，寻求燃气以外的低成本热源，替代或辅助锅炉进行温室的供暖；②温室本身要具有良好的保温设计，尽可能减少温室内白天积蓄热量和夜间供暖热量的散失；③合理的温室供暖设计，选择合适的散热器，建造储热罐；④合理的温室温度管理策略，尽量减少夜间的能源消耗。综合运用以上手段，可以有效降低中国北方地区的大型连栋玻璃温室冬季供暖成本，为大型连栋玻璃温室行业的良性发展提供参考。