摘要：溫室大棚以其為植物生長提供適宜生存的氣候小環(huán)境為主要目的。為達到這一目的，最主要的影響因素是如何保持溫室大棚室內(nèi)的溫度。本文從溫室大棚的自身特點出發(fā)，分析了利用碳纖維發(fā)熱線地面輻射供暖的策略，供暖負荷的計算方法，地面供暖工程的結構工藝及供暖工程的控制策略。
關鍵詞：溫室大棚；碳纖維；地面輻射供暖；負荷計算；結構工藝；控制策略
1 研究背景
隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，人口的增長，人們對植物產(chǎn)品的數(shù)量和質量的要求愈來愈高，進而促進了溫室大棚技術的發(fā)展。目前，伴隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的提高，人們對于反季節(jié)化、多樣化、反地域化和超時令生產(chǎn)的植物蔬菜的需求越來越高[1]。但我國目前的溫室大棚技術發(fā)展的速度跟不上人們需求增長的速度，其中制約溫室大棚栽培技術發(fā)展的主要因素在于如何創(chuàng)造適宜植物生長的溫濕度條件。
溫室大棚又稱太陽能溫室，設計之初的目的就是以其利用太陽的能量提高塑料大棚內(nèi)或玻璃房內(nèi)的溫度，為植物創(chuàng)造適宜生長的溫度環(huán)境。但是，由于我國北方大部分地區(qū)冬季室外溫度低，太陽輻射強度弱，同時溫室大棚內(nèi)還得保持一定量的通風次數(shù)，以上種種原因導致我國嚴寒、寒冷地區(qū)的溫室大棚內(nèi)必須采用一定的采暖方法才能保持適宜植物生長的室內(nèi)溫度。
農(nóng)作物的生長，一方面取決于農(nóng)作物本身的遺傳特性，另一方面也取決于外界環(huán)境因素[2]。只有在具有良好的遺傳特性的前提下，同時具備適宜農(nóng)作物生長的外界環(huán)境因素，農(nóng)作物才能健康發(fā)育。為農(nóng)作物創(chuàng)建適宜生長的環(huán)境條件成為農(nóng)作物能否健康生長的重要因素。
地面輻射采暖系統(tǒng)是目前應用于建筑采暖行業(yè)效果較好的一種采暖方式。但地面輻射采暖系統(tǒng)不能簡單的照搬到溫室大棚中來。雖然在建筑行業(yè)和溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)都是為了創(chuàng)造人工小氣候環(huán)境，但是二者的應用卻是不同的。在建筑行業(yè)中，應用地面輻射采暖系統(tǒng)，是為了創(chuàng)造人們適宜生活的室內(nèi)環(huán)境，其載熱體是鋪設在地板層的下部，固定在地面層以下，施工完成后基本不存在復雜的工作環(huán)境；而溫室大棚中的地面輻射采暖系統(tǒng)則不同，其是為了創(chuàng)造適宜農(nóng)作物生長的人工小環(huán)境，而且一般的溫室大棚內(nèi)每年還得耕種翻土，這就使得地面輻射采暖系統(tǒng)處于極端復雜的工作環(huán)境下。
地面輻射采暖系統(tǒng)應用于溫室大棚時應從采暖負荷、施工工藝、溫度控制等方面研究。
2 采暖負荷計算
2.1 溫室大棚室內(nèi)設計溫度的選�。�
由于應用彩盒的不同，溫室大棚的室內(nèi)設計溫度不應簡單的采用《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》中的規(guī)定溫度，還應參考《中國農(nóng)業(yè)百科全書：蔬菜卷》中對不同蔬菜適宜生長溫度的說明。一般的蔬菜作物在5℃～10℃的情況下，緩慢生長；在10℃～20℃的情況下，正常生長；在20℃～35℃的情況下，加速生長；在溫度超過35℃時，農(nóng)作物的生長將受到損害[3]。
而農(nóng)作物適宜生長的土壤溫度同樣有具體溫度的要求。蔬菜作物主要根群深度及溫度要求見表1[4]。
由表1可以看出，一般蔬菜的主根群深度不超過30厘米，適宜生長的溫度在20℃～30℃之間，由以上數(shù)據(jù)可以指導地暖輻射供暖的設計溫度和控制溫度。
2.2 采暖負荷計算
溫室大棚內(nèi)需保持一定量的 濃度，提供植物光合作用所必須的，所以溫室大棚內(nèi)須有一定量的換氣次數(shù)，取0.5次/h。
溫室大棚的采暖負荷包括圍護結構的散熱、土壤的散熱、冷風滲透散熱、通風換氣散熱和溫室大棚頂棚輻射散熱的總量[4]。
其中，圍護結構的散熱量按下式計算：
F――圍護結構的面積，m2；
K――圍護結構的傳熱系數(shù)， W/（m2・K）；
tn――溫室大棚室內(nèi)計算溫度，℃；
twn――溫室大棚室外計算溫度，℃。
其中，土壤的散熱量按下式計算：
冷風滲透散熱量根據(jù)下式計算：
頂棚的輻射換熱量按下式計算：
根據(jù)上述公式，計算出溫室大棚所需的供暖負荷，在根據(jù)供暖負荷計算地面采暖工程所需的發(fā)熱線條數(shù)（以舍去的條數(shù)影響室內(nèi)溫度變化不超過2℃，否則進位）。
3 施工工藝
由于溫室大棚的地面種植農(nóng)作物，當進行地面輻射采暖工程時，其施工工藝需與普通的建筑工程中的施工工藝有所不同。溫室大棚碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的示意圖見圖1。
具體的施工工藝包括：在平整好的土壤基層上鋪設3厘米厚的絕熱保溫層，絕熱保溫層采用聚氯乙烯擠塑板；在鋪設好的保溫層上按設計間距鋪設碳纖維發(fā)熱線，在鋪設好的碳纖維發(fā)熱線層表面鋪設10厘米厚的沙土或煤灰層，起到固定碳纖維發(fā)熱線和標示的左右，以防在耕種中破壞發(fā)熱線；在鋪設好的沙土或煤灰層表面鋪設50厘米厚的耕種土壤。
4 控制方式
控制策略選用雙溫控制模式。由于該系統(tǒng)工程需要在保證土壤層溫度不超過35℃的前提下來保證室內(nèi)溫度�？刂七壿嬍疽鈭D見圖2。
選用雙溫型溫度控制策略，一個溫度計檢測土壤層的溫度，另一個溫度計檢測溫室大棚室內(nèi)的溫度。編制控制程序，分別設定土壤層和室內(nèi)的控制溫度。當土壤層溫度高于設定的控制溫度時或者是室內(nèi)溫度高于設定的控制溫度時，關閉發(fā)熱裝置，并返回檢測儀器，否則發(fā)熱線繼續(xù)加熱。當檢測設備測試到土壤層溫度和室內(nèi)空氣溫度都低于各自的設定控制溫度2℃或以上時，溫度加熱設備開啟，否則返回。
5 結論
本文通過理論分析，研究了碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖技術在溫室大棚中的應用。溫室大棚以其反季節(jié)、反地域性的特點，為人們提供了優(yōu)質的蔬菜類產(chǎn)品。同時也能提高農(nóng)村土地的利用率，是建設社會主義新農(nóng)村的支柱型產(chǎn)業(yè)。本文的主要結論包括以下幾點：
�。�1）根據(jù)溫室大棚的自身特點，給出了計算溫室大棚采暖負荷的計算方法及計算公式。（2）根據(jù)溫室大棚的特點，給出了一種碳纖維發(fā)熱線地面輻射采暖工程的工程工藝，以便指導實際工程的進行。（3）根據(jù)農(nóng)作物適宜生長的溫度范圍，結合碳纖維發(fā)熱線的特點，制定了用于溫室大棚采暖工程的控制策略。
參考文獻
[1] 果海鳳.相變蓄熱技術應用于溫室大棚中的傳熱和節(jié)能特性研究[D].北京工業(yè)大學，2008.
[2] 劉峰.地源熱泵和熱管技術用于提高溫室地溫的研究[A].中國農(nóng)業(yè)機械學會.走中國特色農(nóng)業(yè)機械化道路――中國農(nóng)業(yè)機械學會2008年學術年會論文集（下冊）[C].中國農(nóng)業(yè)機械學會，2008，2.
[3] 中國農(nóng)業(yè)百科全書總編輯委員會.中國農(nóng)業(yè)百科全書（蔬菜卷）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1996.
[4] 章熙民，任澤霈.傳熱學[M].北京：中國建工出版社，2001.
