温室大棚中地热盘管的应用技术.docx

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温室大棚中地热盘管的应用技术

地面辐射供暖技术

应用于农业大棚蔬菜生产

综合利用技术推广报告

编制单位：

编制时间：

二〇一一年三月十七日

关于

地面辐射供暖技术应用于农业大棚蔬菜生产

综合利用技术推广的报告

一、项目名称：

地面辐射供暖技术应用于农业大棚蔬菜生产技术推广。

二、项目摘要：

介绍地面辐射供暖技术在蔬菜大棚中的应用，探讨寒冷地区提高土壤温度及湿度，为解决我市冬季大棚生产瓜果、蔬菜等若干技术性问题进行了试验研究。

三、术语解释：

地面辐射供暖，以下简称“地暖”，是指利用45－55摄氏度的低温热水循环于保温结构层内敷设的交联聚乙烯（PE－X）管道中向外部环境辐射热量的供暖技术。

四、项目简介：

我市现代化农业大棚蔬菜生产技术含量不足与农民综合利用现代化技术手段来改善传统大棚生产水平低下等因素，严重制约了我市农民大棚蔬菜生产产量的提高和种植品种的多样化。

我公司利用多年在建筑低温地板辐射供暖技术推广中总结出的供暖经验，将此项技术推广应用于我市大棚蔬菜生产的“地暖”土壤增温技术，此项技术的推广应用，将有效的解决我市农民冬季蔬菜大棚环境温度低、地温（土壤）温度过低而导致棚内蔬菜生长缓慢、种植品种单一和种植周期较长等的难题。

五、技术特点：

由于该技术所采用的是完全植物自然生长特性改良措施，无须大规模工程参与，故有与其他超常规物理、化学环保与环境工程所无法比拟的优越特性。

１、成本低廉，实施简单，实用性强：

使用该项技术的成本相对低廉，根据我公司实地勘察实测数据预算结果，在该项技术实施中所投入的成本测算，使用该技术的初次投入成本为普通常规采暖做法的1.8倍，即相比较与安装普通暖气片或钢串片采暖设施投入成本核算。

但过程成本是传统投入成本的80％，同时使用该项技术无须宏大的工程设备和复杂的技术手段。

在做好一次性成本投入后，只要具备简单的植物栽培技术和植物扩繁接种技术，即可全面实施体验该项技术所带来的优越增产。

2、节省能源：

使用该项技术主要是利用“地暖”热辐射技术进行土壤升温，利用温度是植物在冬季生长的第一要素、光合作用为第二要素供给原理，使其过程本身并不需要投入额外的能源。

3、便于维护：

使用该项目技术其显著特点是一次性投入、一次性处理技术难题，不需要再增加额外投入，维护起来非常方便，几乎不需要对“地暖”敷设管路部分进行复维护，整个系统的后期运营维护菜农可自行处理解决。

4．有利于改良土壤化学、物理及生物学状态：

经本项技术推广应用，可以很好的改良土壤化学及物理和生物学状态，并可减少土壤病虫害和土壤温度过低所造成的幼苗先天生长缺陷。

六、问题的提出：

我市属北方高寒地区，冬季严寒且漫长，在农作物无法生长的寒冷季节，以往主要靠贮藏来解决冬季的蔬菜供应。

改革开放以来，我市冬季大棚蔬菜生产有了飞速的发展，市政府十分重视“菜篮子”工程建设，大力发展大棚蔬菜规模化生产。

我市通过兴建各类温室大棚，解决了部分冬春寒冷季节市民的蔬菜供给问题。

然而，大多数蔬菜产品还是从南方通过长途运输来解决。

随着我市人民群众生活水平的不断提高，每年冬季从南方调运的蔬菜数量甚大，耗费也极为可观。

据我公司了解我市冬春寒冷季节，每年有50%以上的蔬菜是靠外地供应的。

这些长途调运的蔬菜产品，不仅在品质上受到了一定影响，而且供应价格相对也比较高，冬季给市民生活带来不便。

为解决我市市民冬季“菜篮子”问题，市政府尽管已兴建了上万亩的温室大棚，然而，我市蔬菜产品仅仅占冬季市场15%左右的消费量。

其原因分析为，主要是由于冬季气候寒冷，阳光不足，设施园艺生产受到很大的限制。

其中，土壤温度较低的问题一直未能得到有效解决。

无论是日光温室、还是传统的“明火”加温温室，都无法给作物提供良好的生长环境与条件。

传统的做法是土壤温度通过提高室内温度之后，间接的来提高地温，因此土壤升温速度缓慢，耗能且热效率较低。

我公司通过多年推广“建筑地暖”技术总结经验，并借鉴国外相关技术，经过对此项新型技术分析、吸收消化，广泛借助当地种植农户了解和征求有关专家的意见。

大胆尝试提出将“地面供暖技术”应用到设施园艺中，通过“地暖”技术提高土壤温度，从而实现在我市严寒冬季里进行果类和蔬菜类生产，以丰富市场供给，增加菜农收入的双赢态势。

七、应用地面供暖技术解决的主要问题：

1、技术简要说明：

“地暖”热辐射技术是利用以不超过60摄氏度（45－55摄氏度）的热水通入埋设在土壤中的管道使地面土壤升温，并向空间辐射热能量来提高室温和地温的供暖方式，其加热可以不通过空气直接加热植物根系。

在蔬菜大棚种植土壤中铺设“地暖”热辐射管道，可通过调节管道内热水温度和流量来精确控制地温，为作物在冬季生长提供必要的地温条件。

目前我市大棚蔬菜生产主要制约因素为温棚内空间温度和地温土壤温度较低，使部分品种蔬菜在大棚生产中无法获得良好的效益，而其它的“采暖”方式虽能有效解决室温问题，但无法解决地温较低的难题，通过采用“地暖”热辐射增温技术，可有效解决室温和地温过低的难题，给大棚种植蔬菜提供良好的生长环境，提高产出周期，从而使大棚蔬菜产量增加，同时也可增加大棚种植蔬菜的品种种类。

依据目前技术发展现状，可利用我市充足的太阳能资源为“地暖”提供热源，从而实现白天太阳光提供热源和光照，晚上用太阳能集热器储存的“热能”为“地暖”提供供热热源，为一些稀有蔬菜和作物的生长提供有力生长环境的保证，一方面为植物生长提供了必要条件，另一方面也节约了能源。

2、技术上需解决的问题：

（1）、切实有效地提高土壤温度，确保果菜类蔬菜生产条件。

在没有实施该项技术之前，按照传统的做法是，大棚内的室温是通过太阳光加热、再利用火炉或散热器等热源补充热量将棚内加温，虽然采取以上措施，也只能使温室内气温白天达到12℃左右（阴天），夜间6℃左右，棚内土壤温度（10～20cm）一般只有9℃左右，棚内在这样的环境温度下，仅能满足一些叶菜类的生长需要，无法达到果菜类蔬菜正常生长发育的温度要求；另外冬季灌溉水温一般只有4℃左右，因此浇水后室内地温过低的问题，已成为制约冬季果菜类蔬菜生长的瓶颈。

（2）、分析大棚温室内地温不均匀之原因，弥补其缺陷。

由于温室中栽培床土壤的位置和接受阳光角度的不同，吸收太阳热量存在差异。

而且，南侧散热量较大。

于是，温室的地温呈现出非均匀性的分布：

一般是南面较低，北面较高。

为此，必须采取有效的技术措施，才使温室的地温达到比较均匀的程度，以保证温室内的蔬菜作物生长发育相对一致。

（3）、创造各种作物根系需要的适宜地温。

由于各种作物的根系深度和对气温及土壤温度的要求是不同的。

从《蔬菜作物主要根群深度及温度要求表》可以看出，只有人工创造各类作物生长发育所需要的温度条件，才能满足各种果菜类蔬菜作物的正常生长发育。

蔬菜作物主要根群深度及温度要求（表1）

作物名称

主要根群深度（cm）

生长适温℃

温度上限℃

温度下限℃

根系适温℃

番茄

<30

20～30

35

11

20～22

茄子

<30

20～30

35～40

15

辣椒

<30

20～30

35

15

17～22

黄瓜

<30

18～29

35

10～12

18～22

西葫芦

10～30

15～29

32～35

12～15

15～25

西瓜

20～30

25～35

>40

15

32

甜瓜

15～20

25～30

40

13

20～25

菜豆

15～40

20左右

35

15

>13

豇豆

15～18

25～35

>35

15

20～25

说明:

以上资料引自《中国农业百科全书·蔬菜卷》（1989）数字下有横线者引自全国高等农业院校教材《蔬菜栽培学各论》（北方本1987）。

3、主要技术措施及技术指标：

（1）、技术措施：

我们将地面加温系统最核心的材料PE－X交联管作为加热盘管，按科学的设计要求，以一定的埋地深度及管间距，铺设在日光温室栽培床耕作层的土壤中。

通过循环系统使热水在加热盘管中流动，将热量以辐射方式传递，达到对土壤加温的目的。

为了解决日光温室内土壤温度不均匀的现象，我们通过对日光温室热损失平衡计算，其结果是适当增加地面散热量较大南侧加热盘管的密度，以其弥补热损耗。

同时，在栽培床四周安装保温层，减少热量散失。

我们采用容重为18公斤、厚30mm、高50mm～60mm聚苯乙烯板，接口处用防水胶带粘接，以减少冷空气的渗透。

在供暖系统设计中，管理间安装一定规格的锅炉，在室内安置可观察或可调控的设备，如温度计、调节阀及混水装置，通过调节供水温度及流量，达到控制土壤温度的目的。

（2）、各项技术指标比较：

①、通过以上技术措施，在特定的设施范围内，为各类作物创造一个较适宜的生长发育环境，促使作物生长健壮，从而实现较好的经济效益。

采用地暖管材增温技术后，通过实测得知，在冬季气温条件下，日光温室栽培床土层厚度0～20cm深的土壤温度可达到16～24℃，平均高出传统供暖方式（火炉、散热器）4～8℃。

而且，在不同时间及室内不同地点，室温及地温的变化相对较小，室温和地温温差较平稳，不但有利于各类园艺作物的生长，而且对能效损失较少。

日光温室与供暖方式土壤温度变化曲线图详见附图1、附图2。

土壤温度变化曲线图

（一）

附图

（1）

土壤温度变化曲线图

（二）

附图

（2）

②、地面供暖增温技术采用燃煤锅炉加热循环水，提高了锅炉的热效率。

据试验测算，首先采用燃煤锅炉与地暖盘管联结系统供热比火炉直接供暖方式可节约煤炭25%左右，另外采用燃煤锅炉与地暖盘管联结系统供热对碎煤或劣质煤利用价值更高，其次地面供暖增温不仅仅局限于以煤炭作为热媒，而选择更为广泛的天然气、太阳能、地源热、电能及沼气作为热媒。

我市偏远畜牧业比较发达地区，可以利用牲畜的粪便产生沼气，以沼气为能源来取暖，废液和沼气池渣都是高质量的有机肥料，可以再利用。

③、据同类高寒地区试验实践证实，采用地面供暖增温技术后，可明显提高蔬菜作物产量。

例如温室黄瓜产量可提高33.95%，经济效益提高40.53%。

双孢蘑菇平均增产3.2吨/亩，直接增收达2万元/亩，经济效益增加40%以上。

番茄、茄子、辣椒产值平均达到11000元/亩，突破了高寒地区冬季不适于种植果菜类的常规。

④、采用地面供暖增温技术后，由于土壤温度有了保证，大大促进各种作物根系的发育，从而吸收足够的养分，促使植株生长健壮，抗病能力增强，养分积累增多，最终其结果是提高了产量，促进了蔬菜成熟期提前。

通过同类地区几年试验结果证明，和普通温室相比，采用地面供暖增温的水果、黄瓜采收期提前了5～7天；樱桃提前了20天；番茄提前了42天；茄子和辣椒提前了15－20天；双孢蘑菇提前了20天。

可见，地面供暖增温的效益是极为明显的。

此外，采用地面供暖增温技术后，由于土壤温度的提高，促进了硝化细菌的活性，提高了速效N、P、K养分的分解，增加了土壤肥力。

4、技术关键、难点及创新性：

在温室内推广地面供暖增温技术，由于传热介质和满足传统室内采暖目的不同，不是把“建筑地暖”的地面供暖技术在设施园艺中的简单移植，其科技含量要高于建筑业的地面供暖技术。

“建筑地暖”业的地面供暖系统是将加热盘管埋设于地板之下，地表面传热介质多为砼、面砖、大理石、实木复合地板等，一旦施工和建成后，地表面不会发生其它变化，它的传热系数是相对稳定的，有相应的规范及成熟的计算公式，在设计时据计算公式选择类同材料的数据进行计算即可。

①、技术关键要点：

日光温室中应用地面供暖增温技术，是作为一种补充供热的方式，它的主要热量来自廉价的太阳能，而温室的吸热性能又与结构、材料、朝向和保温措施有密切联系。

况且，我们将加热盘管埋入土壤中，土壤就是传热介质。

由于传热介质不同于工程建设的地板，不能简单地套用建筑工程的计算方法，而要充分考虑栽培各类作物生长机理及传热介质土壤的物理特性。

影响土壤传热性能的最主要因素有土壤导热率、土壤的热容量及土壤的热扩散率等几方面的因素。

土壤的导热率：

土壤吸收热量后，一部分用于它本身的升温，一部分则传送给其邻近土层。

土壤具有吸收、辐射、传导热量到邻近土层的功能，应称为导热性。

导热性的大小由导热率来表示。

在单位土层厚度（1cm）、温差为1℃时，每秒经单位断面（1cm2）通过的热量焦耳数（λ），其表示单位是j/㎝2·S·℃。

当热量的传导由高温处传至低温处时，设土壤或其它物质两端的温度为t1、t2，土壤的厚度为d，在一定时间内（T）流动的热量为Q。

则一定时间内单位面积上流动的热量为Q/A·T。

两端间的温度梯度为t1-t2/d，故导热率λ定义为：

土壤不同组成成分的导热率（㎝2·s·℃）（表2）

土壤组成成分

导热率

石英

4.427·10-2

湿沙粒

1.674·10-2²

干沙粒

1.674·10-2²

泥炭

6.276·10-2²

腐殖质

1.255·10-2²

土壤水

5.021·10-2²

土壤空气

2.092·10-2²

单位体积内土壤的组成比例为土壤矿物质40～60%，水和空气的比例为40～60%。

土壤的热容量：

是指单位质量（重量）或容积每升高（或降低）1℃所需要（或放出）的热量，一般用C来代表质量（重量）热容量，Cv代表容积热容量。

土壤不同组成的热容量（表3）

土壤组成物质

重量热容量（J/g·℃）

容积热容量（J/m3·℃）

土粒

0.71

0.71·2·7=1.9

有机质

1.9

1.9·1.3=2.5

土壤水

4.184

4.184

土壤空气

1.004

1.26·10-3

土壤空气的热容量很小,故Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw。

土壤的热扩散率：

是指在标准状态下，在上层垂直方向上每厘米距离内，1℃的温度梯度下，每秒流入1㎝2土壤断面的热量，使单位体积（㎝3）土壤所发生的温度变化。

用下式表示：

式中，λ表示土壤导热率，Cv表示土壤容积热容量。

土壤补充热量的计算，要充分考虑传热介质土壤的热物理特性以及加热管的埋深、供水温度和作物的生物学特征，综合进行考虑。

由于土壤是一个可变的介质，土壤中的水、空气是动态因子，不断发生变化，因而所计算出的补充热量也应该是一种动态，不像工程建设中的热耗相对稳定，需要进行调节。

计算日光温室补充热量的公式：

式中，单位面积（㎝2）梯度为1℃通过的热量；D：

土壤的热扩散率；Cv：

土壤的容积热容量；t1-t2/d：

土壤及其它物质两端间的温度梯度；Q/AT：

一定时间内单位面积上流过的热量。

需要补充的总热量Q总=Q·104·A（栽培床面积）由于不同作物对土壤温度要求不同，依据上述公式中t1-t2/d可知，只要调整土壤两端的温度梯度，就可以算出应补充的热量。

当土壤表层温度t2变化时，土壤底层t1应发生变化。

由此可知，在地暖加热管埋入的深度不变时，通过调整供水温度或水流量，即可达到调整土壤温度的目的。

②、技术难点：

日光温室补充供暖的目的，是要给作物生长创造一个良好的生长环境，最终获得好的收益。

但是，由于不同作物或同一作物在不同生长发育阶段对温度（气温、地温）、水分及养分要求不同，必须随时进行调整。

这就给供暖系统的运行带来许多麻烦，如在系统中增加调控设备则费用太高，目前只能通过人为观察来进行调节。

③、创新性：

将地面供暖技术推广应用到农户种植蔬菜大棚中去，我区是首创，根据我区的气候特点、土壤结构、温室结构及栽培技术，首先提出了日光温室补充热量的计算方法及地温调节途径。

从而解决了长期以来困绕我市冬季果菜生产的地温偏低技术难点。

不仅有效解决了冬季居民吃菜难的问题，而且可以增加菜农经济收入，扶持农民脱贫致富起到了积极的作用。

八、效益分析：

任何一项新技术的应用，其目的在于获得良好的经济效益和社会效益，否则就完全失去了推广应用的价值，我们致力于此项技术的推广应用，应充分体现这一点。

①、经济效益：

依据我公司参照同类地区几年来通过对试验温室的实际测算，地面供暖技术与传统供热方式（火炉供热）相比，年纯收入几乎可收回地暖管材增温的全部投资。

项目的效益系数（静态下）E为0.96，项目的效益费用比R值为10.29，项目的内部回收率（内部报酬率）为95.8%。

②、社会效益：

日光温室采用地面供暖技术增温技术后，既可提高能源的供热效率，降低能耗，劳动量投入较少，劳动强度大大降低，同时也使能源多样化，对缺少燃料的地方，尤其是一般农牧区都可广泛应用。

在我区推广地面供暖技术增温技术后，可大量进行反季节果菜类、花卉、西甜瓜和水果生产，可为市场提供更多品质优良的地产鲜菜及各类农产品，即可满足市场的需求，同时增加了菜农的收入，从而开辟了一条新的发展设施园艺使农民致富的道路。

采用地面供暖增温技术后，温室内再不会因生火炉而带来烟雾弥漫、煤灰飞扬的现象，温室的空气质量大大得到改善和净化，从而提高了温室内的环境质量，这对改善温室管理人员的工作环境促进人们的身体健康和提高农产品质量都是十分有利的。

同时，该项新技术也为温室作物更好生长创造了一个优良的环境，可提高太阳的光照强度，更有利于作物的光合作用。

九、推广前景及有待研究的问题：

地面供暖增温技术在农户蔬菜大棚和设施园艺中的推广应用，在我市乃至县市区等都有着非常广泛的推广前景，必将对推动设施农业的发展发挥积极的作用。

如果我市计划在全区范围内（重点在酒泉）发展地面供暖增温技术蔬菜大棚和设施园艺10万亩，除了解决我区冬季市民消费者的吃菜问题外，还可建立对嘉峪关、张掖市、十四号基地和十号基地的蔬菜及瓜果的设施农业产品的供给基地。

另该项技术目前普及推广的主要问题是：

一次性投资成本较高，一般种植户由于经济条件所限还不易接受，因此还需要我们更进一步考虑设法降低成本；同时，我们也恳请政府相关部门能否给种植农户予以相应支持措施方可普遍推广。

另一方面，由于温室土壤温度提升后，使温室内的生态环境条件发生了相应的变化，作物生长发育加快，需要地方农业研究部门配合研发新的最佳茬口安排方案和配套全新的各类种植物栽培技术，还需积极预防和抑制病虫害的发生，才能生产大量高品位的“绿色食品”。

甘肃华源科技工程有限责任公司

二〇一一年三月十七日