农业建筑中供暖方式及设备的选择

冯硕+胡文举+李德英

摘 要：介绍了我国北方地区温室大棚的供暖方式，论述了温室大棚负荷计算中室内外温度的选取方法，并在选取合适温度的基础上，对温室大棚的负荷计算进行了描述。重点针对不同的供热热源和末端设备进行了介绍，分别叙述了每种热源和设备的优缺点，为以后温室大棚选取合适的热源和设备奠定了基础。

关键词：温室大棚；采暖；设备

中图分类号：TU833 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.019

Abstract： The heating mode of greenhouse in the north of China was introduced， the selection methods of indoor and outdoor temperature of greenhouse load calculation was discussed. And on the basis of selecting the appropriate temperature， the load calculation was described. According to different heat source and terminal equipment， the advantages and disadvantages of each heat source and equipment were described respectively， which laid the foundation for the selection of suitable heat source and equipment in the future.

Key words： greenhouse； heating； equipment

随着人类社会的发展和人民生活水平的提高，传统的农业生产模式已经不能满足现代文明发展的需要，人们对于农作物产品的要求也越来越高。温室大棚作为一种新型的农业设施受到业界人士的追捧。温室又称暖房，是一种以采光覆盖材料作为全部或部分围护结构材料，能透光保温，可在冬季或其它不适宜露地植物生长的季节供栽培植物的建筑，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物的栽培或育苗等。

良好的保温性能是反季节蔬菜在温室大棚里健康成长的必要条件，但我国北方地区冬季日照率较低，温室大棚在保证密封保温的前提下也要保持一定量的通风次数，通风时较低的室外温度会对农作物的发育产生影响。这就要求我国北方地区的温室大棚必须采用一定的供暖方式来保持适宜农作物生长的室内温度[1]。

温室大棚供暖设备的选取与住宅供暖设备的选取不同，这是因为二者的结构组成、建筑材料、设计理念以及内部负荷需求都不相同，若一味地按照住宅供暖设备的选取方式为温室大棚进行供暖设备的选取，不仅不能满足温室大棚供暖需求，还会造成能源的浪费。因此，采用合适的方法和供暖设备，是保证温室大棚产量和降低能耗的必要举措。

1 温室供暖方式

目前，我国现有的温室大棚供暖方式主要有6种[2-6]，即土法供暖、热风供暖、热水供暖、浅层地热供暖、太阳能供暖及复合供暖方式。

土法供暖就是自己制作简易供暖装置对大棚进行供暖。其主要燃料为农作物秸秆或者燃煤，方法简单，操作容易。但是需要人员实时看守，否则容易导致温度过高，且会产生大量灰尘，对温室大棚内造成污染。

热风供暖是采用一定设备向大棚内通入热风，保证温室大棚的温度。热风设备包括燃煤风炉和电热风炉。这种供暖方式效率高，见效快，但是风速较大，且容易降低大棚内湿度，影响植物生长，温室内温度也不容易控制。

热水供暖是通过加热设备产生热水，再經过末端设备，将热水的热量传递给温室大棚。一般末端设备采用散热片。这种供暖方式安全、稳定，机械部件少，但是投资成本和设备维护成本太高，并且容易积灰，不便清洁。

浅层地热供暖和太阳能辐射供暖是两种比较新型的供暖方式。二者主要利用热泵设备，从地热或者太阳能中取能，通过一定方法供给室内。这两种方式更能节约化石能源，减少环境污染，并且对大棚内植物基本没有影响，但是设备运行维护要求高，且由于各个地区地热能和太阳能分布不均，因而这两种方式容易受地域限制。因此，多数情况是将这两种供暖方法与其他方法结合，形成复合供暖方式。

2 温室大棚供暖负荷计算

2.1 室内计算温度选取

居住建筑室内温度的选择，是根据人员需求设定的，而温室大棚室内温度的选择，主要根据室内植物的生长需求设定。因此，温室大棚的室内设计温度与居住建筑室内设计温度的选择是不一样的，要根据《中国农业百科全书：蔬菜卷》中对不同蔬菜适宜生长温度的说明来确定温室大棚的室内设计温度。一般情况下，在温度较低时，农作物会缓慢生长；合适的温度下会正常生长甚至加速生长；而温度过高时，农作物的生长将受到损害。部分农作物生长温度如表1所示。

从表1中可以看出，大部分农作物的生长温度都在20～30 ℃左右，根系温度在20 ℃左右，这就确定了温室大棚的室内温度，为设计计算提供基础。

2.2 室外计算温度选取

在供暖热负荷计算中，确定室外计算温度是一个相当重要的问题。通过气象资料可以看出，最冷的天气并不是每年都会出现。如果采暖设备是根据历年最不利条件选择的，即把室外计算温度定得过低，那么在采暖运行期的绝大多数时间里，会显得设备能力富裕过多，造成浪费；反之，如果把室外计算温度定得过高，则在较长的时间里不能保持必要的室内温度，达不到采暖的目的和要求。因此，正确地确定和合理地采用采暖室外计算温度是一个技术与经济统一的问题[7]。

为了比较合理地确定采暖室外计算温度，在结合我国国情和气候特点以及建筑物的热工情况下，并以国内外有关资料为借鉴，我国制定了以日平均温度为统计基础，按历年不保证5 d的原则，确定供暖室外计算温度[7]。这种方法对连续供暖的工业与民用建筑是恰当的，但对温室大棚却不合适。首先，温室大棚热惰性很差，与工业建筑和住宅建筑不同，可以在很短时间内完成热量交换；其次，植物与人不同，温室大棚内植物对温度比较敏感，稍微的温度变化就会影响植物生长，持续时间久了甚至会导致植物死亡。所以，不能简单地将民用建筑规范应用于温室大棚。endprint

针对温室大棚室外计算温度的选取，国内外许多专家学者做出了相关研究。张亚红等[8]通过确定我国连栋温室室外设计温度，计算分析了室外设计温度在全国的分布状况，进而计算连栋温室最大热负荷。邢丙丙等[9]以雄县地热温室为研究对象，提出采用保证率法确定温室供暖设计室外计算温度的方法，并将计算值与实测值进行对比，证明所用方法是可行的。张亚红等[10]介绍的日本利用度时计算温室期间采暖负荷的方法，在选取温室设计室外计算温度时采用了3种方法：一是采用数年一遇的最低温度；二是采用近20年中连续最低气温的平均值；三是根据建筑供暖中不保证天数确定。周长吉等[7]在分析国家和行业相关标准的基础上，借鉴国外经验，提出根据温室的设计使用寿命，采用“一定年限内累年年最低温度的平均值”作为温室采暖设计室外计算温度的计算方法，并结合分析国内气象数据，分析得出该方法计算所得的温室采暖设计室外计算温度可使温室采暖期的保证率提高到99%±0.5%。笔者认为这种方法是最适合的温室大棚室外计算温度的选取办法。

2.3 负荷计算

与住宅建筑不同，温室大棚内需同时保持一定量的二氧化碳和氧气浓度，以使植物进行光合作用和呼吸作用，所以温室大棚内须有一定的换气次数。温室大棚的供暖负荷，经过简化后主要包括围护结构耗热量、土壤的散热量、冷风渗透耗热量、通风换气耗热量和温室大棚顶棚辐射耗热量，计算公式如下。

根据上述公式，可以计算出温室大棚地供暖负荷，为后续计算奠定基础。

3 设备选择

3.1 热源设备

我国科学技术的快速发展和进步，以及人们环保意识的增强，对温室大棚供暖设备的研究和设计产生了很大的影响。我国温室大棚供暖设备已经开始摒弃以前部分不环保、不节能的设备，逐渐开展对环保型、节能型供暖设备的研究。陈华山[12]开展了对太阳能与锅炉联合供暖系统的研究，将太阳能系统与锅炉结合使用为温室大棚进行供暖，并取得良好效果。李曼[13]将地源热泵系统用于草莓培育基地，为草莓种植大棚供暖，既节能环保又具有高效性和灵活性。笔者也曾针对果蔬大棚的供暖进行试验，并将空气源热泵用于果蔬大棚的供暖系统，取得了非常好的效果，大棚内温度过高时，可以进行降温，大棚内温度过低时，可以为大棚供暖，保证了果蔬大棚昼夜温度。

目前，我国温室大棚的配套设备很不完善。由于资金问题，高端的配套设备，因其造价较高而不适用于大部分温室大棚[6]。现有的温室大棚设备，大都是单项作业，若用高端的温室配套设备，不但浪费资源，而且操作复杂，人机对话不便[6]。

随着不可再生资源的使用以及人们环保意识的增强，很多专家学者都不提倡使用化石能源作为温室大棚供暖能源的选择。因此，开发可再生能源作为温室大棚供暖能量来源，已经成为众多专家学者研究的对象和目标。风能、太阳能及地热能源等可再生能源在未来会成为能源领域的主要成员。这些能源不仅可以重复利用，而且清洁环保，不会对温室大棚产生任何环境污染，更有利于提高温室作物的品质，进而增加农户的经济收入。虽然初始投资相对较高，但在国家政策支持下，这种新型能源的温室大棚一定会成为未来发展的趋势。

3.2 末端设备

为给温室大棚进行供暖，末端设备的使用是必不可少的。一般建筑供暖使用的末端设备包括散热器、地板供暖管道以及风机盘管，但是为温室大棚进行供暖时，必须结合实际情况进行考虑。

温室大棚的供暖末端设备主要有地板供暖管道、散热器（或散热片）和风机盘管。几种设备各自具有优缺点。（1）采用地板辐射供暖时，辐射面积大，供热均匀，而且由于管道敷设在温室大棚下部，距离农作物距离较近，供回水温度可适当降低。但是一般情况下温室大棚内的植物都是种植在地上，而采用地板辐射供暖的话，供热管道的布置就成为一个问题了。管道不仅会占用地面空间，而且管道的保养和使用寿命也会受到室内湿空气影响。因此，如果要采用辐射供暖，最好将管道敷设在四周墙面或者顶棚上，这样既能保证良好的供暖温度，又能不占用地面空间，保证作物的收成。（2）部分温室大棚采用散热器或者散热片作为末端散热设备，成本低，效果好，设备布置简单。但同样会占用温室大棚的空间，而且大棚内的湿度较大，对散热器或者散热片这种金属制品腐蚀性很大，影响其使用寿命。（3）采用风机盘管为温室大棚进行供暖，采用热空气混合加热的方式，可以快速使大棚内温度达到要求，并且风机盘管采用悬挂安装的方式，不会占用地面空间。但是，风机盘管造价较高，安装较散热器复杂，使用时还要控制好风速和风向，因此很多温室大棚都未采用。

4 结 论

本文对我国温室大棚供暖相关的室内外计算温度的选择和供暖负荷计算进行了论述，并对热源设备和末端设备进行了比较。我国温室大棚供暖设备的研究已取得巨大的进步，基本满足了我国北方温室大棚冬季供暖的需求，但是不同设备各有优缺点。因此，选取一种方便快捷的负荷计算方法，研究出一种价格低廉、运行稳定、可控性好、节省能源的新型供暖设备，是未来温室大棚的重要发展趋势。

参考文献：

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[8]张亚红，陈青云，陈端生，等.中国连栋温室室外设计温度确定及最大热负荷分布[J].农业现代化研究，2007，28（2）：241-243，253.

[9]邢丙丙，何小木，郭利聪.地热温室热负荷的计算[J].农业工程学报，1986，2（3）：69-74.

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[11]贺平，孙刚，王飞.供热工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[12]陈华山. 温室太阳能与锅炉联合供热系统的研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[13]李曼. 地源热泵空调系统在草莓产业核心区的技术经济分析[D].北京：华北电力大学，2012.endprint