石墨烯电热膜在畜牧业的应用前景浅析

2022-12-06赵永旺车业贵管远红苏晓健石敏慧

畜禽业 2022年8期

赵永旺，车业贵，管远红，苏晓健，陶静，石敏慧

(江苏农牧科技职业学院，江苏泰州 225300)

0 引言

近年来，我国畜禽养殖方式从散养户为主体发展到规模化、集约化模式，在专业化程度和规模上都有极大的提升。畜禽养殖设备在不断更新，自动化程度越来越高，但畜牧生产中冬季采暖仍在使用传统的高能耗、高污染的加温设备，在如今低碳环保的绿色发展理念下，畜牧业采暖模式急需变革。石墨烯电热膜具有节能环保、升温快、功率稳定、使用寿命长、发热更加均匀和安全等特点，可以替代传统加温设备，在畜牧业中有广阔的应用前景。

1 畜牧业采暖面临的问题

在畜禽养殖过程中，畜禽舍的温度是决定畜禽生长的重要因素。寒冷季节，家禽育雏舍、母猪产房及仔猪保温箱等都需要消耗大量的能源来维持畜牧生产所需的温度。目前，畜牧业常见的冬季采暖热源形式主要有燃煤锅炉、燃油热风机、燃气锅炉、生物质燃料等。

燃煤锅炉加热速度快，运行成本低，但是需要专人看守且温度不好控制，不利于畜牧业的规模化生产。由于环保原因，目前绝大部分地区已经禁用燃煤。燃油热风机升温迅速，但运行成本高，使用中还存在温差大的问题，所以一般养殖场都用作应急备用。燃气锅炉与用电比成本相对较低，但养殖场位置偏远，难以铺设天然气管道，冬季可能存在供应不足的问题。生物质燃料价格跟煤差不多，不过热值不及燃煤的2/3，且易受潮、不耐烧，增大取暖工作量。这些传统加温模式普遍存在运行成本高、热效率低、温度不稳定及环境污染等问题。

2 清洁能源在畜牧业的应用研究现状

由于当前严峻的能源形势和严厉的环保政策，调整能源结构、推广清洁能源的生产和使用势在必行，畜牧业增温设施的改进及推广迫在眉睫。在“碳达峰、碳中和”计划的新形势下，各地畜牧工作者也在积极探索实践各种新型高效节能的加温模式，促进畜牧业绿色高质量发展，助力实现碳达峰、碳中和。

李俊营等[1]研究了利用地源热泵系统供暖的密闭式鸡舍环境参数变化和雏鸡生长发育情况，证明采用地源热泵系统供暖能够满足蛋鸡育雏的要求，但应加强管理，采取必要措施提高鸡舍的相对湿度。周晓容等[2]为研发更为合理有效的断奶仔猪保温设备，提高养猪效益，采用远红外碳纤维发热板加热、温控器控温以及木箱箱体和聚氯乙烯门帘保温组合方式对普通仔猪保育箱进行了改进，并通过对比试验考察该设备的应用效果。结果表明，改进后的保育箱可显著提高断奶初期日采食量，具有提高仔猪日增重、免疫力，降低仔猪腹泻的趋势，升温和保温效果明显，节能高效，具有较大的推广应用价值。胡陈明等[3]研究烟道加热、水暖加热和空气能做育雏加热系统对优质肉鸡育雏生产的影响。证明空气能热泵升温速度最快、温度分布均匀性好，雏鸡均重高、生产性能好，对工作人员及环境不会产生其他危害，运行成本最低，但前期投入更高，对有一定规模的育雏厂来说是一种较好的育雏加热模式。蒋青荣等[4]以石家庄峪口禽业有限公司为例，统计分析了空气源热泵系统在现代化大规模鸡场中的供暖情况及其经济性。结果表明，空气源热泵热水机组与地暖及风盘结合形成的空气源热泵系统应用于现代化大规模蛋鸡育雏场中，既可以满足鸡舍的供暖需求，又可以降低成本、保护环境、节省能源。

以空气能热泵为代表的新型清洁能源设备在一些养殖场已有安装使用，但受限于前期购买设备投入较大，以及设备启动时电网负荷过重，需改造变压器等问题，在畜牧业中普遍推广应用存在一定难度。

3 石墨烯电热膜在畜牧业的应用前景

3.1 石墨烯电热膜性能

石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料[5]。石墨烯电热膜是以石墨烯为加热体通电后可产生热能的聚酯薄膜柔性发热器件[6]。石墨烯电热膜具有升温快、热效率高、功率稳定、发热均匀、安全、使用寿命长等优点。

3.1.1 热效率高，节能

石墨烯有效电热能总转换率达99%以上，通电后能将电能几乎全部转化为热能，且在实际工作条件下功率低，耗电少，是目前所有电采暖系统热转化效率最高的，与传统锅炉相比可节省 30%～50%的能耗[5]。其每升高 1℃可节约成本 0.2～0.5元(空调供暖最不理想)，且在 22℃～28℃，其维持消耗最少，极大地促进设施农业可持续发展。

3.1.2 升温快，发热均匀稳定

石墨烯材料具有超强的导电导热性能，能在通电几秒内迅速升温，室内达到适宜温度只需十几分钟，而传统水暖至少需要6 h的预热时间。石墨烯膜是整体面状发热，即使某处破损也不会形成断路，发热更加均匀、稳定。电热膜拥有自限温特性，即使温控器在失灵状态下，电热膜本身也不会出现温度过高现象，使用更安全。

3.1.3 安装便捷，维护成本低，绿色环保

石墨烯电热膜可以根据使用场地、使用功能、使用目的不同，与各种材料相结合，制定不同类型的石墨烯发热产品，具有安装便捷、占用空间小、通电即可发热等特点，可以满足各种设计需求。电热膜智能化控制，无需专人看守，节省了人工成本。电热膜防水，耐腐蚀，使用寿命长达50年，运行过程中不产生噪声和有害污染物，稳定可靠，维护成本很低。

3.1.4 远红外功效

石墨烯电热膜通电后能释放6 ～15 μm的远红外波长，该波长与生物体波长接近，被誉为生命之光。远红外波可与机体细胞形成“分子共振”和“内热效应”，不仅具有体感温度高和促生长功效，还能够改善机体血液循环、增强新陈代谢、激活生物分子活性、提高免疫功能。

3.2 “石墨烯+现代畜牧业”共赢模式

我国对石墨烯产业极为重视，石墨烯产业已经被列入《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和“中国制造2025”重点发展领域之一，一批石墨烯产业园纷纷涌现。随着石墨烯基础研究的不断突破，产业化应用也在不断拓展，并逐渐延伸到农业领域。王建军等[7]验证和评价了石墨烯远红外电暖在集约化育苗中的实际应用效果，证明石墨烯电暖与燃煤锅炉水暖安装成本相当，石墨烯电暖升温迅速且均匀，可节省能耗30%～50%。曹新红等[8]通过供暖试验对比，证明石墨烯电热膜是一款符合“碳达峰、碳中和”需求的清洁能源采暖材料，其在升温速度、热量分布合理性、体感舒适性等方面具有较大优势。刘旺等[9]利用相变材料和石墨烯电加热技术进行日光温室增温对比试验，探索绿色高效的冬季日光温室增温技术。研究结果表明，加装石墨烯设备的温室一天内温度变化最小，连续极端寒冷天气时，石墨烯电加热设备比相变材料增温效果明显。

绿色发展已经成为畜牧业现代化的主旋律，引进环境友好型、经济适用型的清洁能源供热设备，是养殖企业实现生态养殖、科学养殖的有力保障。作为最先进的供暖方式之一，石墨烯电热膜加温可满足规模化养殖场对清洁采暖的刚需，重塑生态养殖温控系统，促进畜牧业向高质量发展，具有广阔的应用前景。

以家禽为例，雏鸡由于体温调节机制未发育完全，对周围环境温度适应范围较小。温度不适会对雏鸡产生不良影响，造成生长发育迟缓，卵黄吸收不良，鸡群免疫力下降等问题，因此育雏期实现鸡舍精准控温具有非常重要的意义。石墨烯电热膜是面状发热，发热均匀稳定，能够精准控温，非常适合雏鸡采暖。并且石墨烯电热膜发射的远红外光波能有效改善血液循环，增强新陈代谢，具有促生长作用[10]。石墨烯电热膜作为加温设备不仅节能环保，还有利于提高雏鸡存活率和生长状况，还可以对产蛋期鸡群能否达到产蛋高峰产生正面影响。因此，应该加快落实石墨烯电热膜在畜牧业的科技成果转化，积极探寻“石墨烯+现代畜牧业”共赢模式。

4 石墨烯电热膜在畜牧业中推广应用面临的机遇和挑战

4.1 石墨烯电热膜在畜牧业中推广应用面临的机遇

畜牧业是农业的重要组成部分，肉、蛋、奶连着千万家，我国高度重视畜牧业的现代化发展。《“十四五”全国畜牧兽医行业发展规划》提出到2025年，全国畜牧业现代化建设取得重大进展，奶牛、生猪、家禽养殖率先基本实现现代化。《规划》创新提出构建‘2+4’现代畜牧业产业体系，即重点打造生猪、家禽2个万亿级产业和奶畜、肉牛肉羊、特色畜禽、饲草4个千亿级产业，并明确了每个产业的发展指标和产业布局。

《关于促进畜牧业高质量发展的意见》指出要坚持绿色发展的原则，统筹资源环境承载能力、畜禽产品供给保障能力和养殖废弃物资源化利用能力，协同推进畜禽养殖和环境保护，促进可持续发展。《意见》还提出，全面提升绿色养殖水平。科学布局畜禽养殖，促进养殖规模与资源环境相匹配。建立畜牧业绿色发展评价体系，推广绿色发展配套技术。

得益于我国畜牧产业体量巨大，在产业转型升级过程中，预计畜禽养殖领域的石墨烯电热膜采暖市场总量高达数亿元，产业前景广阔。在畜牧业清洁采暖的政策引领下，畜牧业养殖供暖市场近几年呈现爆发式增长趋势，石墨烯发热膜作为石墨烯产业最主要的一个支撑点，必将迎来新的市场机遇，同时也面临新市场的挑战。

4.2 石墨烯电热膜在畜牧业中推广应用存在的问题

4.2.1 石墨烯电热膜产品质量参差不齐，缺乏统一的产品标准

石墨烯电热膜研究主要分为材料研究和产品研发，对于产品工艺领域、应用领域的研究较少。尽管市场上从事石墨烯电热膜生产企业较多，但与应用领域脱节严重，现有的石墨烯电热膜质量参差不一，多数产品存在电热转化效率低、衰减率高、卷曲度不高、防水防腐蚀性能不强、使用寿命短等缺点，甚至有的厂家拿碳素颗粒或者其他材料冒充石墨烯，对消费市场产生不良影响。对畜牧加温市场而言，适用于不同设施养殖场的高质量石墨烯电热膜产品还有待研发。

朱晓明等[11]开展了石墨烯加热板/膜作为仔猪保温供热体的节能特性研究，得出了市售石墨烯板/膜的节能性均略逊于电阻丝的结果。这与其他学者的研究结果相反，其原因是否与使用的石墨烯电热膜产品质量有关有待考证。电热膜材料的性能参数有待进一步分析，电热膜安装利用技术与设施环境调控技术的整合等都需要进一步研究。

4.2.2 与畜牧生产配套的石墨烯电热膜安装和使用技术标准有待开发

石墨烯电热膜是新型加温材料，目前还主要应用于家装地暖等环境，对畜禽养殖舍内应用石墨烯电热膜技术储备、加装工艺、专门化的设施设备等方面还需要开展专门化的针对性研究，诸如畜牧生产环境中的防腐性、防水性以及持续高温加热等。

石墨烯电热膜作为畜牧业加温设备的应用研究还处于刚起步阶段。目前仅有个别农业高校和研究机构在尝试将石墨烯电热膜作为畜禽舍加温设备进行对比研究，还没有与畜牧生产配套的石墨烯电热膜产品安装和使用技术标准。开拓石墨烯电热膜在畜牧业应用的新市场，还需要大量的试验示范数据作为产品推广应用的支撑。

4.2.3 石墨烯产业链有待整合贯通。

我国石墨烯产业市场规模逐年增长，由2016年40亿元增至2020年230亿元，年均复合增长率为54.9%。从事石墨烯材料研制生产的企业日渐增多，但不少地区存在布局重叠和重复建设的问题，产业链条未打通，导致生产出的石墨烯产品找不到合适的市场。石墨烯生产企业独自构建石墨烯产业链比较困难，产业创新拉动效果不显著。市场上的产品鱼龙混杂，部分企业炒作石墨烯概念，石墨烯产业健康发展受到不良影响。

整合贯通石墨烯产业链，需要将石墨烯生产企业、高校、科研机构和使用企业资源整合，形成产学研用一体化平台，多渠道协同推进石墨烯产业化进程。石墨烯上下游企业的对接，产品的开发和产业链的完善还需要时间。2020年12月由江苏省现代农业科技产业研究会牵头，成立了石墨烯农业科技推广联盟，形成了石墨烯农业科技研发、生产、推广、应用各方合力推进的工作机制。