基于蒸汽发生器的水稻出苗期塑料大棚增温系统的研究

王深研，汪春，牛文祥

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.黑龙江省农垦科学院农业工程研究所）

在我国北方寒地稻区，寒地气候对水稻春耕生产极为不利，特别是对水稻育秧造成许多困难，可能导致水稻播种延迟。长期以来，水稻种植多为人工催苗，出苗时间需要7～9 d，且出苗不整齐、易伤热，这是长期困扰寒地稻区水稻催苗的一个瓶颈。另一方面，我国农业又面临着产业结构调整，正从数量型向数量与质量并重的现代化大农业方向发展，设施农业是现代化农业的重要体现，是发展节能、优质、高产、高效农业的必然要求，寒地稻区作为我国商品粮的重要基地，一直受到各级部门的关注[1]。

目前，寒地稻区都采用大棚提前育秧的方式，水稻种子发芽是有酶参与下的生物化学过程。酶的生物活性与温度、湿度有十分密切的关系，而温度条件是水稻种子出苗期的最基本的环境条件。所以在育秧过程中要创造一个适宜种子萌发和幼苗生长的环境，以培育壮秧，增加产量。要保证大棚水稻种子从播种到出苗的最佳环境，就必须配置增温系统[2]。蒸汽增温传热功率高，传热稳定性好，既能保证水稻出苗时需要的温度条件，又能保证其需要的较高空气湿度[3]。选择蒸汽增温在针对水稻催苗期有很大的优势。通过蒸汽催苗的环节，出苗快，出苗齐，比不经蒸汽出苗直接摆入育秧大棚育秧的早出苗5～7 d，从而达到了在相同的育秧时间内增加秧龄，提高秧苗带蘖的目的，有利于抢早插秧，对实现水稻高产具有重要意义。

因此，在结合我国现阶段基本国情与国外技术的基础上，提出了一种塑料大棚内再搭建塑料小棚的水稻催苗蒸汽增温系统，其成本低，出苗后无需移动秧盘可完成后续育秧全程。详细介绍了这种塑料大棚蒸汽增温系统的结构组成，并进行了实验测量，旨在为今后的推广提供科学依据。

1 蒸汽增温系统

1.1 系统组成

如图1所示，蒸汽增温系统包括电蒸汽发生器、温度控制器、压力喷头、三通、弯头、不锈钢无缝管，继电器等[4]。以黑龙江省八一农垦大学的普通保温型透明塑料薄膜大棚为基础，塑料大棚南北走向，长50 m，跨距为8 m，顶高2 m，棚内设有锅炉增温装置。在大棚内搭建长5m，跨距为2m，顶高1m的塑料小棚。小棚的覆盖材料采用单层0.08 mm厚的PVC长寿无滴塑料薄膜。蒸汽发生器型号为LDR0.004-07，管路为外径31 mm，内径29 mm的不锈钢无缝管，每节管两头加工30mm长外螺纹，分别均布四个型号DN15全铜折射式可调铜微喷头的压力喷头[5]。多点温度控制仪型号为D80-01-01-sl，连接15个温度传感器。

图1 蒸汽增温系统示意图Fig.1 Schematic of steam temperature system for plastic film greenhouse

1.2 工作原理

封闭小棚，蒸汽发生器通电后开始工作，当蒸汽发生器产出的蒸汽压力超过压力喷头额定压力时由4个压力喷头开始向小棚内注入蒸汽，小棚内分布的15个温度传感器将采集到的温度反馈到温度控制仪上，当任意一点温度传感器反馈温度超过温度控制仪设定的上限（31℃）或低于下限（29℃）时，向继电器发出继电器信号，关闭或开启蒸汽发生器电源，以达到控制温度的目的。

2 实验方案

利用一台（额定功率3 kW，额定蒸发量4 kg·h-1）的蒸汽发生器加热实验小棚内的空气。大棚内搭建另一个外形尺寸相同，无增温设备的小棚，进行对照实验。

采用T型热电偶对增温棚[6]及对照棚内环境温度进行测量，距地2 cm，用多点测温仪连接电脑自动采集温度数据，增温棚内多点温度控制仪与多点温度测试仪测点重合，温度测点分布如图2所示，对照棚内由于没有增温设备，温度测点可相对减少，可使用6路温度测试仪，温度测点分布如图3所示。试验时间为2013年4月20日上午9：00～2013年4月23日上午8：00。主要采集空气温度，记录时间间隔为1 h。

图2 增温棚传感器布点位置图Fig.2 Point locationmap of the warming shelf sensor

图3 对照棚传感器布点位置图Fig.3 Point locationmap of shed sensor control

3 结果与分析

经过连续三天对系统进行了对照实验测试，实验由于是在完全动态的条件下进行的，在不同的环境温度下，每天的结果不尽相同，但总体趋势不变。以下针对测量出来的两个小棚内的平均气温和增温棚内的临界点气温变化分别进行讨论。

3.1 两个小棚内的平均气温变化

由图4可看出，增温棚内三天的平均气温变化趋势基本相同。小棚3 d内最高平均气温为31.3℃。最低平均气温为29.1℃。平均气温为29.8℃。整体温度变化都在适宜水稻种子萌发的温度区间内变化，增温效果良好。

图4 增温棚平均气温变化Fig.4 Average temperatures of thewarming shed

由图5可以看出，对照棚内三天的变化趋势也基本相同。但受外界环境影响比较大，平均气温21.3℃，主要是由于早春昼夜温度变化大，造成对照棚内最大温差达5.5℃，且在高温区域内时间较短，在此温度下进行催苗，生物酶的活性比较低，需要比较长的时间进行催苗工作。

图5 对照棚平均气温变化Fig.5 Average temperatures change of control shed

3.2 增温棚内的临界点气温变化

由于对照棚内无增温设备，所以只考虑增温棚内临界点的温度变化。图6、7所示，增温棚内有个点温度达到上限31℃和下限温度29℃时其他各点的温度。系统开始工作，8号测点首先达到温度控制仪上限31℃，蒸汽发生器停止工作，此时15号测点温度为最低点，为30.2℃。系统停止工作期间，15号测点温度首先达到下限29℃。蒸汽发生器开始工作，8号测点为最高点，为29.6℃。

图6 上限点温度分布Fig.6 Temperature distribution of limit point

图7 下限点温度分布Fig.7 Temperature distribution of low point

实验结果表明，当增温棚内有任意测点达到温度控制仪设定的上下限时，其余测点温度都能保持在水稻种子出芽所需要的适宜温度之内，证明了蒸汽催苗方式的可行性。

3.3 蒸汽增温系统的增温性能

从蒸汽发生器出来的蒸汽经过管道由4个压力喷头排入棚内，空气与蒸汽之间的换热量取决于蒸汽的流量与蒸汽在进入管道和压力喷头出口焓值的变化，蒸汽增温系统的加热量Q可由下式计算[7]。

式中：Q—增温热量，kJ；Vi—蒸汽总体积流量，m3·s-1；Dt—时间段，s；r—Dt时间内干空气密度，kg·m-3；h1— Dt时间内蒸汽进管道焓值，kJ·kg-1；h2—Dt时间内蒸汽出口焓值，kJ·kg-1。湿空气焓h的计算式为

式中：T—温度，℃；d—湿空气含湿量，kJ·kg-1。湿空气含湿量计算公式为

式中：φ—相对湿度，%；db—饱和含湿量。塑料大棚蒸汽增温系统平均加热功率F（kW）为

平均加热功率密度为

式中：A—棚内土壤面积，m2。

对蒸汽发生器出口和压力喷头出口的水蒸汽温度采取求平均值的方法[8-10]，空气相对湿度为100%，查空气焓湿表，将实验测得的数据带入（1）～（5），可估算出测试期间蒸汽发生器运行期间系统的加热量、平均加热功率和平均加热功率密度，计算结果见表1。

表1 蒸汽增温系统的加热性能计算结果Table 1 Heating performance calculations of steam warming system

由表1的数据，可知，在试验期间蒸汽增温系统的加热量为2 407.543MJ，可以使塑料大棚整个土壤层以上的空气温度升高7.8℃～10.5℃。由于热量向空气中传递的同时，还要向土壤层传递热量，故在试验中所得出的平均温度29.8℃是合理的。增温系统增加的热量与电蒸汽发生器消耗的电能比为100.4～134.1。增加的热量大于消耗的电能，具有良好的节能效果[11]。

4 结论

（1）在晴天情况下，利用蒸汽加热的塑料大棚增温系统，可使塑料大棚内日平均气温提高5.6℃，夜平均气温提高9.7℃，大棚内平均气温29.8℃。表明利用这种蒸汽增温系统对水稻种子出苗期进行增温是可行的，具有明显的增温效果。

（2）在晴天情况下，系统增温时，日加热量最高可达797 745.5 kJ，平均加热密度[12]最高为738.8W·m-2，系统具有良好的增温性能。

（3）蒸汽增温系统存在着初期投资较大、凝结的水蒸气不易处理等缺点，还需要进一步的改进和完善。

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