南疆沙漠日光温室水幕集热-地暖加温系统优化设计研究

王志伟 李明 刘文科 刘义飞

新疆南疆地区位于欧亚大陆腹地，境内光热资源丰富、空气质量高、出口便利，具备发展设施农业的先天优势和潜力[1]。新疆太阳年总辐射量达到5000～6400 MJ/m2，而南疆地区基本都在5800 MJ/m2以上[2]。南疆和田地区位于塔克拉玛干沙漠边缘，沙漠土地资源丰富，属于典型沙漠设施农业类型。和田地区依托沙漠大力发展沙漠设施农业，截至2018年4月和田地区沙漠设施农业种植面积达到28097.16亩（1783 hm2），全年计划新建日光温室温室900座、拱棚1610座（数据来源于和田地区农业局）。设施园艺的发展不仅对南疆地区城乡居民生活改善具有重要作用，更为南疆地区脱贫攻坚、安居稳定和各民族团结提供了切实可靠的保障。未来设施农业产业將要承担“促进南疆农业提质增效、全方位拓展市场、成为南疆农业产业发展新亮点”的任务[3-4]。

近年来，南疆地区设施农业发展迅猛，截至2017年底，全疆共有30个设施蔬菜万亩县（市），南疆占到了11个，南疆4地州设施农业面积（不含新疆生产建设兵团）占到全疆设施农业的1/3，达到2.09万hm2，其中日光温室0.86万hm2，拱棚1.23万hm2;新疆生产建设兵团南疆地区第一师、第二师、第三师、第十四师日光温室总面积达到869.33 hm2，占设施总面积的76.2%，仅2016年6月～2017年6月设施农业总产值达到5.10亿元[5-6]。设施农业已成为南疆地区仅次于“粮、棉、林果、畜牧”的重要支柱产业。日光温室是南疆地区最重要的园艺设施，但受建造水平的限制，普遍存在着冬季夜间室内气温不高的问题，冷害冻害时常发生，严重影响了作物产量和品质。当地光热资源丰富的优势并未转化为产业优势，严重制约了南疆地区设施农业产业的发展[7]。

后墙是日光温室维持夜间室内气温的重要构件。传统的后墙兼顾保温和蓄热功能，可在日间储蓄太阳辐射能和空气热能，在夜间向室内放热。但上述储放热方式属于被动过程，不仅效率低，而且易出现后半夜温度较低的现象。研究表明，日光温室后墙白天接受太阳总辐射约占地面接收太阳总辐射的50%～60%，夜间，室内获得的热量中墙面放热量约占1/3，地面放热量约占2/3[8]。此外，土壤夜间放热性能较为稳定，受外界自然气候条件影响小。为此，笔者开发了一种水幕集热-地暖加温系统（图1），可通过循环系统内的水将后墙吸收的太阳辐射能转换为热能，将其传递并储存在土壤中，加强夜间土壤放热能力，实现太阳辐射能在时间与空间的转移，进而改善夜间室内气温水平，增强日光温室对连续阴天等不利气象条件的抵御能力。

水幕集热-地暖加温系统结构及运行原理

水幕集热-地暖加温系统结构（图2），其运行原理（图3）是以水泵驱动水循环，白天，流经水幕集热装置的循环水吸收太阳辐射能储热升温，然后流经地暖管时水将热量交换到植物栽培槽底部深层土壤中，夜间，储存在深层土壤和地暖管中的热量被动地释放出来，主动提高植物根区温度与室内空气温度，通过土壤与空气的热交换实现热量的传递。系统巧妙地解决了传统温室仅依靠后墙蓄热的局限，有效利用了温室地面这个巨大的蓄热体，将热量进行时间与空间的转移。

传统主动蓄放热系统是依靠大体积蓄热水池，导致土方作业成本高、温室荷载大，而水幕集热-地暖加温系统创新设计在于使用0.5 m3小体积水，通过动态循环热流体直接将热量储存在植物栽培槽底部深层土壤中，改善土壤温度的同时提升空气温度，实现农艺栽培措施与设施环境调控匹配结合，可以有效抵御传统系统在阴天集热不足的问题。

日光温室水幕集热-地暖加温系统设计选型

水幕集热装置设计

水幕集热装置为整个集热系统的核心部分，由吸热层、导流水幕层、保护层和固定框架等构件组成（图4）。其中吸热层、导流水幕层和保护层3者粘合在一起，水可从水幕上部出水管路流入，沿导流水幕层向下流动并离开水幕，沿着回水管路流回水桶。

吸热层主要用于收集太阳辐射能，并将其转化为热能，在此基础上综合考虑生产成本、寿命等因素，选用0.12 mm碳黑色聚氯乙烯盐膜作为吸热层材料。该材料主要合成材料为树脂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等混合材料，不仅耐老化、耐高温、机械强度大而且制作工艺中加入的光稳定剂可以有效屏蔽太阳紫外线，具有很好的防漏防渗特性。此外，该材料制作工艺相对简单，产品厚度均匀平整，接头处易与小型热塑机快速粘合，便于安装推广。为了简化生产工序，选用该材料作为水幕的保护层。

导流水幕层可使流经水幕集热装置的水形成薄水膜，充分吸收并转移吸热层的热量。经过前期研究，选用厚度0.5 cm的丝绵（合成纤维）作为导流水幕层（图5），其技术特点是重量轻、拉力好、耐腐蚀、高度蓬松及面部均匀不跑丝，吸水晾干后可恢复原状。

在实际生产中，如何将吸热层、导流水幕层材料和保护层有效粘合在一起是制作水幕集热装置的关键所在。目前，市场上常见的粘合工艺有热熔法[9]、有机溶剂法[10]、淋膜法[11]等。根据水幕集热装置结构材料，选用热熔机和有机溶剂两种方法（图6）。热熔机用以粘合水幕集热装置上、下两层膜左右接口以及进、出水口的塑形;有机溶剂用以粘合导流水幕层和水幕集热装置上、下两层膜。

固定框架用于将水幕和管道固定在后墙。根据实际要求，水幕集热装置的固定框架采用市场上常见的镀锌卡膜槽（长4 m）和卡簧（Φ2 mm）通过镀锌钢钉固定于后墙合适位置（图7）。

地暖管系统设计

地暖管放热装置是储/放热系统的核心部分，其功能是转移热量并与储热介质土壤进行热交换。地暖管的选型应满足成本低、导热性好、耐腐蚀、具有一定承压能力和抗机械损伤能力等要求。为此，该系统选用PE材质滴灌管（Φ16 mm）作为地暖管放热装置（图8）。

除上述技术要求外，管埋深度和间距也是重要指标。管埋深度要考虑到不对耕作层机械操作造成障碍，同时不影响作物根系的生长，所以埋设深度确定为40 cm。管埋间距根据实际生产栽培槽底部尺寸（长7 m、宽50 cm）确定为10 cm，每个栽培槽底部埋设4根，相邻栽培槽间距1.5 m，地暖管沿着相邻栽培槽底部呈“S”型铺设。

水泵及水桶选型

水泵的作用是将水幕集热装置中回流到水桶内的高热循环水直接泵到深层土壤内的地暖管中，经过与土壤热交换后再进入到水幕集热装置内，往复循环。因此，循环水泵应满足高扬程、小流量的基本要求。根据实际试验，水泵选择QD3-35/2-0.75，运行功率0.75 kW，流量3 m3/h，扬程35 m，为系统运行提供动力，水桶容积为0.5 m3。

系统对温室空气温度、土壤温度的影响

由表1可得，12月27日（典型晴天）条件下，白天，G1、G2温室跨中空气平均温差分别为28.9℃和23.3℃，夜间，G1、G2空气平均温差为13.2℃和11.1℃。水幕集热-地暖加温系统白天能为温室空气增温5.6℃，夜间可为温室空气增温2.1℃。

从表2可得，2019年12月27日（典型晴天）条件下，G1槽内根区最高最低温度差值最大在地表处为17.6℃，最小在20 cm处为3.9℃，G2槽内根区最高最低温度差值最大也在地表处为20.0℃，最小在40 cm处为2.0℃。G1槽内根区昼夜温度平均差值最大在地表处为8.1℃，最小在40 cm处为2.0℃，G2槽内根区昼夜温度平均差值最大也在地表处为8.4℃，最小在40 cm处为-1.1℃。G1槽内40 cm处埋有地暖管，土壤温度明显高于G2。

经济效益分析

技术示范推广地点位于新疆维吾尔自治区和田县现代农业科技园区（北纬28.7°、东经79.8°），日光温室长度60 m，跨度8 m，脊高3.95 m，后墙高2.55 m，后坡为10 cm厚泡沫保温板，后墙和山墙为厚度0.48 m空心红砖墙，砖墙内侧膜水泥砂浆，砖墙外侧贴10 cm厚的泡沫板保温，西红柿品种为‘金棚系列。

水幕集热-地暖加温系统结合南疆地区特有的光照资源，巧妙地解决了传统温室仅依靠后墙蓄热的局限，有效利用了温室地面这个巨大的蓄热体，将热量进行时间与空间的转移。应用水幕集热-地暖加温系统的日光温室，作物根系生长良好（图9～10），在番茄温室中应用该系统提前了番茄收获期，提高了产量，经济效益明显高于普通温室（表3）。

参考文献

[1] 刘昌龙.新疆兵团在“丝绸之路經济带”战略中的地位和作用[J].兵团党校学报，2014（3）：28-32.

[2] 刘佳，何清，刘蕊，等.新疆太阳辐射特征及其太阳能资源状况[J].干旱气象，2008，26（4）：61-66.

[3] 王英平.关于新疆设施农业又好又快发展的思考[J].新疆财经，2010（5）：21-23.

[4] 屈广琪，丁海凤，韩向阳，等.新疆地区京研快菜栽培技术及推广经验[J].长江蔬菜，2010（17）：15-16.

[5] 吴乐天，孙小丽，马彩雯.新疆设施农业发展现状[J].农业工程技术，2018，38（16）：14-21.

[6] 袁余，史为民，李鹏程，等.南疆垦区设施农业发展现状调查分析[J].新疆农垦科技，2018，41（8）：3-8.

[7] 吴奇峰.新疆兵团设施园艺发展研究[D].北京：中国农业大学，2015.

[8] 马承伟.日光温室热环境分析及设计方法研究[A].中国农业科学院、山东省寿光市人民政府.设施园艺创新与进展——2011第二届中国·寿光国际设施园艺高层学术论坛论文集[C].中国农业科学院、山东省寿光市人民政府，2011：10.

[9] 吴敏君.塑料材料的再造利用探讨[J].西部皮革，2019，41（9）：118.

[10] 卢臻.几种复合胶黏剂的优缺点对比[N].中国包装报，2012-06-04（008）.

[11] 徐红霞.PLA淋膜纸用淋膜系统以及淋膜工艺[J].中华纸业，2019，40（24）：67-68.

*项目支持：塔里木大学校长基金项目（TDZKQN201504）;中国农业大学-塔里木大学联合基金项目（ZNLH201906）。

作者简介：王志伟（1994-），男，硕士研究生，研究方向为设施果蔬高效栽培、设施园艺环境工程调控。E-mail：1104350407@qq.com。

**通信作者：刘义飞（1986-），男，讲师，现主要从事设施园艺环境工程与智慧生产。E-mail：

273551364@qq.com。

[引用信息]王志伟，李明，刘文科，等.南疆沙漠日光温室水幕集热-地暖加温系统优化设计研究[J].农业工程技术，2020，40（19）：42-46.