空气能热泵系统在日光温室的应用效果

刘 旺

（北京市农业机械试验鉴定推广站，北京 100079）

空气能热泵系统是利用空气中的能量产生热能，通过热交换可以全天24 h 大水量、高压、恒温供应热水，其耗电量仅为普通电热水器的1/4、燃气热水器的1/3、太阳能热水器的1/2，热效率高达300%～500%（钱华梅，2017），节能环保，运行成本低，深受广大用户欢迎。在设施农业中，由于常规能源加热温室，不仅耗能、成本较高，并且容易出现温室气温过高而地温偏低的加热不均衡现象，满足不了喜温作物对地温的要求（马承伟 等，1999；王永维 等，2003）。因此，寻找新型节能增温技术一直是人们研究的热点。

日光温室生产中经常发生根结线虫为害，根结线虫除了直接危害日光温室中的蔬菜作物以外，还会造成作物根系组织腐烂，腐烂部位更易被其他真菌、细菌等侵染，导致土传病害发生严重，造成作物减产或绝产。夏季高温闷棚是灭杀土壤中根结线虫最直接、有效、安全的方法（郭江山 等，2006）。本试验拟通过对北京地区使用的传统空气能热泵热水循环系统进行改进，充分发挥空气能热泵系统的加热优势，即在冬季对温室进行补温，提高温室地温和室内气温，减少冻害发生；夏季配合高温闷棚，进行温室加热提高地温防治土壤中的根结线虫，以减少病虫害发生，提高温室耕作频次，保障温室综合生产效益，促进农民增收。

1 材料与方法

1.1 供试温室及作物

试验地点位于北京市平谷区东高村镇赵家务村北京华雨博森农业种植中心。温室为普通型砖混结构日光温室，东西长48 m，南北跨度8 m，脊高3.6 m，骨架间距1 m。种植作物为草莓，南北向单垄双行种植，行距30 cm，株距25 cm，2019 年8 月底定植。试验设置对照温室和处理温室，对照温室与处理温室所有材料和管理方法基本一致。

1.2 供试设备及安装

空气能热泵系统主要由空气能热泵、热水箱、循环泵、热水管及管道阀门组成。其中空气能热泵是按照“逆卡诺”循环原理，空气能热泵机组输入少量的电能为驱动力，以制冷剂为工作介质，通过室外侧换热器（蒸发器）不断吸收外部空气中低品位热能，将其转化为高品位热能，最终实现低温热能向高温热能的转变和热量转移；再将高品位热能从水侧换热器（冷凝器）释放给进入换热器中的冷水，冷水被加热到60 ℃以上直接进入保温水箱储存，通过热水供应管路输送到温室，满足供暖加热需求。JM-30CDGR/B Ⅱ型超低温空气能热泵（广东九沐新能源设备有限公司）高温冷暖机组安装在温室操作间外侧（图1）。温室种植区域使用大理石板砌成的土壤栽培槽，栽培槽间距85 cm，宽度35 cm，高度40～50 cm。在栽培槽中铺设2 根间距20 cm、直径15 mm、长度6 m 的热镀锌铁水管，北侧相互连接形成管路，南侧分别连接进水管和回水管，镀锌管距离栽培槽上表面的距离为25 cm（图2）。

图1 空气能热泵

图2 温室栽培槽地加热布置示意图

1.3 试验仪器

试验仪器采用2 套WDT-64 型多点温湿度巡检仪进行比对试验。仪器设备准确度0.2 ℃，可以根据测试要求设定温度数据采集间隔，一次完成所有测点的温湿度数据采集，并进行自动存储，试验完成后，数据用Excel 进行分析。试验仪器经无锡市计量检定所（法定计量部门）检定合格。

1.4 冬季日光温室加热试验

依据JB/T 10594—2006《日光温室和塑料大棚结构与性能要求》的方法，分别对22 号温室（处理温室）和20 号温室（对照温室）进行测点布置，测点均布置在栽培槽内中心位置。其中1、2、3 和7、8、9 两组测点与两侧山墙的距离均为9.5 m，4、5、6 测点的位置在温室长度的中间部位，测点1、4、7 和3、6、9 分别距离后墙和前沿1 m，南北向行内各测点间距相等（图3）。

图3 温室水平测点布置位置示意图

温室气温测试在各测点位置垂直向上设3 个点，分别位于栽培槽地表上方0.2、0.5 m和1.5 m处，共布置27 个测点。由于受温室前屋面的限制，3、6、9 对应的1.5 m 测点高度调整为1.2 m。温室地温测点垂直向下，分别位于栽培槽地表以下10、20 cm和40 cm 处，共布置27 个测点。设置仪器采集数据时间间隔为20 min，取平均值。

冬季加热试验于2019 年12 月至2020 年3 月进行连续测试，选择2019 年12 月25—29 日（冬至后较为寒冷的连续4 d）的测试结果进行比较分析。试验期间根据温室草莓种植要求，设定系统加热温度保持在30 ℃左右，处理温室每天在0：00—6：00 用低谷期电加热6 h，其他时间不加热；对照温室不进行任何辅助加热。

1.5 夏季日光温室地温加热防治根结线虫试验

空气能热泵系统的加热管为6 组并联，每组加热9 个栽培槽，共加热54 个栽培槽，采用简要测量方法，对栽培槽进行编号，选3 点进行测量，测点位于栽培槽纵横向中心。其中第1 点选择在第1组后端的9 号栽培槽的南侧，第2 点选择在第2 组的中部17 号栽培槽的北侧，第3 点选择在第4 组的34 号栽培槽的中间位置。测点深度分别位于地表以下15、30 cm 和45 cm 位置，共布置9 个地温测点；34 号栽培槽中间位置室内1.5 m 高度设置1点，测量温室内气温。

于2020 年8 月4—6 日进行高温闷棚。开启设备前，在温室内按5 点法取样，取土深度为0～30 cm，在中国农业大学园艺实验室采用贝尔曼漏斗法（毛小芳 等，2004）检测高温闷棚后土壤样品中线虫和根结线虫总数。8 月7 日8：00 开始启动空气能热泵系统进行加热，连续加热8 h 后，在先前取样的5 个测点附近按相同方法取土样，再次检测空气能热泵系统加热后线虫和根结线虫总数，计算灭虫率和灭虫均匀性。

灭虫率（a）=〔（试验前虫体数量-试验后虫体数量）/试验前虫体数量〕× 100%

2 结果与分析

2.1 冬季空气能热泵系统加热处理对日光温室气温的影响

由图4 可以看出，处理和对照温室内的气温均远高于室外气温，且变化趋势基本一致。由于有温室积温的存在，处理温室的气温高于对照温室。在冬季温度较低的12 月25—29 日，处理温室最高气温31.06 ℃，最低气温5.92 ℃，均高于对照温室，日平均气温比对照温室提高2.86 ℃（表1）。

表1 冬季日光温室增温后气温变化 ℃

图4 冬季日光温室增温后气温变化趋势

2.2 冬季空气能热泵系统加热处理对日光温室地温的影响

从图5 可以看出，处理温室比对照温室的地温略高，两温室地温变化趋势一致，10 cm 处的地温日变化值较大，在8：00 左右最低，15：00 左右达到最高值，且白天高于20 cm 和40 cm 处地温，夜间则低于二者；20 cm 处的地温日变化较平缓，在9：00 左右最低，17：00 左右达到最高值，夜间则高于10 cm 和40 cm 处地温；40 cm 处的地温变化趋势与20 cm 处相近。处理温室地表下10、20、40 cm 处日平均地温分别比对照温室高1.77、1.97、2.09 ℃。在12 月25—29 日期间，处理温室最高地温14.75 ℃，最低12.37 ℃，均高于对照温室；日平均地温比对照温室提高1.94 ℃（表2）。

表2 冬季日光温室增温后地温变化 ℃

图5 冬季日光温室增温后各层地温变化趋势

2.3 夏季空气能热泵系统加热处理对日光温室根结线虫防治效果的影响

2.3.1 夏季日光温室增温后地温变化 从图6 可以看出，在开启加热循环泵2 h 后，温室内气温、地温逐渐上升，至14：00 各层地温先后达到50 ℃左右，此时温室内气温也接近50 ℃，气温上升速率略微低于地温上升速率，45 cm 处地温上升最明显，30 cm 和15 cm 处地温上升速率基本一致。14：00—16：00 连续2 h 内各层地温始终保持在50 ℃左右，其中45、30、15 cm 处平均地温分别为50.96、50.19、51.38 ℃。16：01 停止加热，但系统仍保持循环状态，使土壤自然降温。

图6 夏季日光温室增温后各层地温及气温变化趋势

2.3.2 夏季日光温室增温对根结线虫的防治效果 闷棚3 d 后，利用空气能热泵系统对室内土壤进行高温加热，土壤中线虫和根结线虫的数量明显减少，线虫总灭虫率为88.7%，灭虫均匀性为95.6%；根结线虫灭虫率为92.3%，灭虫均匀性为98.9%（表3）。

表3 夏季日光温室增温对根结线虫的防治效果

3 讨论与结论

空气能热泵系统在日光温室中的应用符合国家节能减排政策，在设施农业领域为首次应用，相关技术及运营管理需要进一步完善。该系统主机及附属设备一次性投入约20 万元，日常运行每小时耗电约27 kW·h，低谷期电价北京地区按0.35 元 ·（kW·h）-1计算，系统每天运行6 h，运行成本约56.7 元。如果在其他地区使用，由于电价的差异，生产运行成本或许会增加。因此，在安装使用该设备时，首先应考虑使用地的用电情况，最好选择在用电低谷期运行，温室宜种植高附加值和经济价值较高的作物；其次应注意温室的保温性能，在遇到极端天气及时启动设备，保障温室作物正常生长。

对冬季温度较低的4 d 进行连续测温发现，处理温室平均气温和地温均高于对照温室。其中，夜间平均气温、最低地温比对照温室分别提高3.71、2.34℃；日平均气温提高2.86 ℃，平均地温提高1.94℃。表明空气能热泵系统在冬季对日光温室增温效果明显，能同时提高地温和气温，满足农作物在连续阴天时的温度需要。建议在实际生产中根据种植作物对环境的要求适当调整加热时间，来满足作物生长的需求。

在夏季日光温室休闲期，结合高温闷棚，启动空气能热泵系统对温室栽培槽土壤进行加热，在土壤温度达到50 ℃时保持2 h 后，土壤线虫平均灭虫率为88.7%，平均灭虫均匀性95.6%；根结线虫平均灭虫率为92.3%，平均灭虫均匀性98.9%。表明利用空气能热泵系统加热可以有效杀死线虫和根结线虫，同时还可以消灭虫卵、病菌等，起到防治土壤病虫害的作用，有利于日光温室连作、提高日光温室生产综合经济效益。