日光温室是以被动或主动储放热的形式接受、储存和释放太阳能维持室内温度，保证作物生产。它主要依靠太阳能并通过温室围护结构的高效保温来维持室内作物要求的生长温度。
正常天气条件下，经过优化设计的日光温室依靠白天高效接受和储存太阳能、夜间严密保温和缓慢释放储热能，在北方大部分地区可以完全不用额外加温就能安全生产，这也是日光温室高效节能最直接的表现。
但高效节能的日光温室并非完全不能加温或不需要加温，在有些条件下加温甚至是必需的，例如高寒高纬度地区的日光温室，或者遭遇雾霾、沙尘、暴雪、严寒、连阴天等极端天气等。
接下来就为大家详细介绍日光温室各类主动加温技术和设备，今天先介绍其中两种：太阳能加温技术与设备、电热加温技术与设备。明天将继续带来燃料加温炉及其配套设备、短期应急加温技术与设备。
一、太阳能加温技术与设备
实际生产中温室太阳能加温的方式主要以光热直接转化为主，即将太阳能直接转化为热水或热风用于温室空气或地面土壤加温。太阳能光热转换加温系统主要由太阳能收集、能量储存和能量释放3部分设备组成。太阳能集热器从外形和收集太阳能的方式上可分为平板集热器和弧面集热器；根据收集能量储存和输送工质不同，太阳能集热器还分为热水集热器和空气集热器。平板集热器一般均以热水为工质，而弧面集热器的工质可以是热水或空气。
平板集热器是将若干内部充满液体工质的集热管平行安装在一个平面上形成一组集热管（图1、2），太阳光照射集热管，将集热管内的工质温度提高，从而将热量储存在工质中。水具有热惰性大、价格低廉、来源广泛的特点，所以平板集热管多使用水作为热媒工质，由此，平板集热器也被称为太阳能热水集热器。
由于日光温室为独立的建筑和生产单元，所以平板集热器在日光温室上的配套大都是每栋日光温室安装独立的集散热系统，根据温室内种植作物的要求和管理经营模式分别独立运营和管理（图1）。
▲图 1 日光温室独立安装的平板热水集热器及其布置形式
但也有集中管理和运营的温室园区采用集热器集中布置的方式，利用园区的边角地带，集中布置集热器，将集热器产生的热水集中收集后再分散输送到每个独立的生产温室（图2）。
▲图 2 集中布置在地面空地上的平板热水集热器
每个温室上独立安装的平板集热器大都沿温室的长度方向布置，一般安装在温室的后屋面（图1-b）、后墙（图3）或后墙外（图1-a），但也有将集热器安装在温室内（图1-c）。
将集热器安装在温室外，可直接接受太阳光，集热器接受的能量多，而且不占用温室内生产空间，但集热管在室外容易积尘，需要经常清理表面灰尘，而且室外的风、雪、雨以及极端的高低温环境对集热器抗老化、耐候性的要求较高，在温度较低的地区夜间还可能发生集热管内工质出现冻结的风险。
将集热器安装在温室内可有效解决上述问题，但由于受塑料薄膜透光率的影响，集热管接受的能量会显著减少，另外，会占用温室生产空间，而且遮挡后部作物的采光，所以，实际生产中集热器大都安装在温室外。
北半球冬季太阳照射的高度角较低，为了最大限度接受太阳辐射，平板集热器应倾斜安装，使太阳光在集热管表面的入射角尽量减小。一般应根据温室建设地区的地理纬度，以冬季最大限度接受太阳辐射为目标设计集热器安装的倾斜角度。
为了提高收集太阳能的能量品位，有的设计者采用了弧面集热器，将平行太阳光反射聚焦在一个点或一条线上，亦即将大面积上的低密度太阳辐射能反射集聚成小面积上的高密度能量，一是可以显著提高热媒工质的温度，即提高收集能量的品位；二是可大大减少集热管的数量，由此也可以显著节省集热管的成本。
根据集热管内热媒工质的不同，弧面集热器分为热水集热器（图4、5）和空气集热器两类（图6）。水的热容量大，热水集热器中水流的速度应相对缓慢，而空气的热容量小，在集热器中收集热量时气流速度应适当增大。
▲图 4 支撑在温室后屋面上的敞口弧面单管热水集热器
为提高弧面集热器收集能量的品位，一般集热器采用抛物面单管集热管，即将采光弧面上接受到的所有能量都反射聚焦到一根集热管上（图4），这种集热方式在热媒工质不循环的条件下可以将热水温度提高到100℃以上，由此可得到较高品位的能量，高品位能量储存需要的罐体容积也相应减小。对日光温室而言，白天收集的热量主要用于夜间加温，如果热媒工质的温度太高，对集热罐的保温要求也就相应提高，因此在设计中应平衡集热罐罐体容积与集热罐保温之间的经济性。
图4所示的单管弧面集热器，为了最大限度获得太阳辐射，反光弧面板和集热管都裸露在室外空气中，在严寒的冬季，集热管外露会大大增加集热管内热媒工质在循环过程中对外的传热量，从而降低集热器的整体集热效率。为此，有的设计者采用高透光的塑料薄膜或玻璃将集热管封闭在弧面板内（图5、6），不仅避免了集热管直接外露引起的积尘等降低光热传递的问题，而且将集热管封闭在密封空间内还可以有效利用集热管释放的热量形成集热管密封空间内的高温，使集热管内热媒工质与集热管外空气的温差大大减小，由此可显著降低集热管自身的散热量，从而提高集热器的整体集热效率。
弧面集热器一般安装在温室的后屋面（图4），当温室后墙或后屋面结构支撑强度不足时也可用独立的支撑立柱将其安装在温室后墙外后屋面高度位置（图5），但也有的设计将集热器安装在温室南侧的地面上（图6）。
▲图 6 支撑在温室南侧地面上的弧面封闭双管空气集热器
将集热器安装在温室后屋面，集热器采光不受任何影响，集热器集热量大、集热效率高。但安装集热器会影响后栋温室的前屋面采光，或者需要加大相邻温室之间的间距，也增大了温室结构的荷载。此外，将集热器安装在温室后屋面需要专门的支架，也增加了安装成本。
将集热器安装在温室南侧的地面上，可完全消除集热器对温室结构的荷载，而且还节省安装支架的费用，但这种做法会遮挡温室内前部作物的采光，如果相邻温室之间的间距不足，也会直接影响集热器的采光时间和采光量，进而影响集热器的集热量和集热效率。
热量的释放形式太阳能集热器收集的热量主要以热水和热空气为载体被传输和储存。热水作为工质时，储热的方式主要以热水罐为储热体，将热水罐与集热管连接为一个循环管路，通过水泵的动力驱动白天将热水罐内的低温水送入集热管不断加温，最终使热水罐内的水温整体提高，从而获得高温热水用于温室夜间加温。热水罐可以置于室外（图1-a），也可以置于温室室内（图7-a）。
释放储存到热水罐内的热量可以通过安装在温室内的散热器（图7-b）或埋置在地面土壤中的毛细管释放到温室空气或地面土壤中（图7-c），从而实现提高温室内夜间空气温度和地面土壤温度的目标。
▲图 7 太阳能热水集热器储存并释放热量加热温室的方式
除了热水罐储热外，集热器收集的热量也可以通过散热管输送到温室后墙墙体内（图4-c），通过提高墙体温度的方法将热量储存在墙体内。到夜间，温室像传统的被动式储放热日光温室一样，通过墙体的自然放热将白天储存的热量释放到温室中，进而弥补温室围护结构的散热损失，保持室内作物生长要求的温度。显然，这是一种被动式散热方式，墙体白天储存的热量和夜间释放的热量都无法准确控制，而且墙体储热的同时也在不断向外传热和放热，这种储热和放热的效率较热水罐储放热的效率不高，而且储放热量多寡以及储放热量的时空分布都无法人为控制。
二、电热加温技术与设备
直接加温：电热线加温（包括用地热线提高土壤或基质温度，以及用空气电热线提高空气温度）、电热丝电炉加温、电热灯加温（包括补光灯，在补光的同时加热空气）等；
间接加温：电热水锅炉加温、电热风机加温、电油汀加温以及热泵加温等。
将电能转换为热能加热空气，再通过风机和均匀送风管道将热空气均匀输送到温室的加热方式称为电热风机加温系统。
电热转换与送风的方式大体有2种：一种是将电热线盘绕在均匀送风管道上，电热线通电自身发热后将送风管内外的空气加热，用风机将室内冷凉空气吸入送风管使之与管内热空气混合并不断加热，最终在风机的压力下从送风管出口射流到室内与温室内空气混合，从而提高温室内整体的空气温度并扰动空气混流，实现温度的均匀分布（图8）。
▲图 8 电热线热风加温系统
另一种电热风机的形式是用电热丝作为发热热源，将2组电热丝安装在一个箱体内，箱体的一侧安装送风风机，风机的对面侧箱体上安装均匀送风管道（图9）。2组电热丝可为不同功率，分别安装电路控制开关，或单组启动，或双组启动，至少可形成3档加热功率，可根据室内外温度变化自动或手动控制电热风机的启闭。
对于应急的临时加温，也可以使用手提式小型单控电热风机（图10），每台功率3000W，可多点放置在温室的不同位置。这种电热风机造价低使用灵活，尤其适合于应急加温。
▲图 10 临时加温电热风机图
电热水锅炉是用电热丝或其他电热元件将电能转化为热能并加热水供温室采暖的一种热源。
用电热水锅炉产生的热水在日光温室内散热的方式有2种：一种是将热水输送到散热器内，依靠散热器与室内空气的对流换热和辐射散热将散热器内热水的热量释放到温室内；另一种是热水输送到热水盘管中，再用风机吹/吸热水盘管的外表面，将热水盘管中的热量强制释放到温室中。前者称为热水供暖，后者称为热风供暖。热水供暖需要配套散热器，而热风供暖的散热器就是热水盘管和风机的组合体，称为热风机。
日光温室由于单体面积小，而且保温性能好，单位面积热负荷不大，所以，配套选用电热水锅炉的容量一般也较小（图11）。电热水锅炉由于自身容量小，可以随用随启动，锅炉自身大多不带储热罐，运行中直接循环供热管内的水体，并将热量通过散热器自然对流换热（图11-b）或通过热风机强制对流换热（图11-c）释放到温室中。
▲图11 电热水锅炉及其配套设备
用于日光温室内的散热器形式也是多种多样，而且不同的种植模式散热器的布置形式也不尽相同。采用铸铁圆翼散热器时，散热器可以布置在温室的后墙（图12-a）、温室前基础部位（图12-b）或温室山墙上（图12-c）；可以是单排布置，也可以是双排布置，主要根据温室供暖的热负荷确定。
▲图12 铸铁圆翼散热器
铸铁散热器的防锈性能较差，长期处于高温高湿环境的温室中很容易锈蚀。所以，对这种散热器应做好表面防锈的处理和防护。一种做法是采用热浸镀锌钢制圆翼散热器，虽然造价较铸铁圆翼散热器高，但使用寿命长、散热效率高、材料用量省，从长远看还是经济的。
采用圆钢管或塑料管作为散热器时，散热器可布置在温室前部（图13-a）、温室内苗床下（图13-b）和围绕种植作物布置（图13-c）。
▲图13 光管散热器及其布置形式
采用热浸镀锌钢管或塑料管完全克服了铸铁圆翼散热器锈蚀的问题，而且布置更加灵活，尤其采用塑料软管后基本也不用考虑管材的热胀冷缩问题，用于作物的局部加温也更方便。
散热管材料来源丰富，安装方便、更换容易，设备占用空间小、室内温度分布均匀，在满足热负荷要求的条件下，建议尽可能采光管散热器。除了圆翼散热器和光管散热器外，日光温室中也有应用民用建筑中常用板式散热器的案例。板式散热器根据材料不同有多种形式，如铸铁散热器、陶瓷散热器等（图14）。
▲图14 板式散热器及其布置形式
上述散热器都是依靠自然对流将管道内热水携带的热量释放到温室内。这种散热方式换热强度低，在室外剧烈降温时室内温度下降较快，设计要求散热器表面积大、相应散热器数量多，价格也高。为提高散热器的换热强度，常用的做法是采用强制换热，即用风机强制空气在散热片或散热管周围对流，这样就形成热风散热器（图15）。
▲图15 热风散热器及其布置形式
采用热风散热器需要在每个散热器上配套风机，而且风机运行的成本较高。为此，在选择散热器时应统筹经济和性能两个方面，以获得较高性价比的设计方案。
日光温室中使用的热泵主要为空气源热泵。热泵供暖系统由热泵机组、水循环动力系统和散热器三部分组成（图16），其中散热器可采用上述热水采暖系统所用散热器中的任何一种形式。图16-c中的散热器采用了塑料毛细软管，均匀布置在温室后墙面。这种做法白天毛细软管还可以直接接受太阳辐射将管内循环水加热，更兼具一定的节能效果。
▲图 16 热泵机组及其配套设备
来源：本文摘自《中国蔬菜》第7期文章“日光温室主动加温技术与设备”。作者：周长吉 （农业农村部规划设计研究院）
联系客服
