蔬菜大棚利用太阳能地下蓄热实践分析
日期：2009-3-27 23:20:21 来源：中国自动化网
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摘 要：为全面推广太阳能，我部门对蔬菜大棚利用太阳能增温进行测试、分析、和研究。本项目选在北京大兴区榆垡镇农科院蔬菜种植示范基地进行。随机挑选两座大棚安装我公司生产的太阳能集热模块。结果表明：12个测温点的温室内土壤温度的月平均温度比没有安装太阳集热模块的高2-3℃。土壤温度的升高有利于蔬菜的生长，提高了温室大棚的经济效益。
关 键 词：蔬菜大棚；太阳能；太阳能热水系统原理；土壤蓄热
北京地区地理位置北纬：39°57′，气温情况：北京10年来最冷月平均气温为-13.4℃。冷水温度：根据《建筑给排水设计规范》GB50015—2003表5.1.4最冷月最低水温推荐表，北京地区冷水最冷月平均温度为10—15℃。太阳能源情况：北京地区属于太阳能资源较富区，年日照时数在3000—3200小时；水平面上太阳能辐照量为5400—6700MJ/㎡?a。（1）这种气温限制了蔬菜的露天生长，使蔬菜的产量大幅下降。如何在较冷的季节获得较高的土壤温度，一直以来是该农科院的核心问题。虽然建造了塑料薄膜覆盖温室，采用日晒法或炉火加热法提高室温，但土壤温度很难提高（2）。地表温度仅略微升高，这仍然远远不能满足蔬菜的生长所需要的温度条件。
为了提高温室温度，我部门在前期科研的基础上为该蔬菜大棚建设了两套土壤蓄积太阳能系统。
一、设备及原理
北京大兴榆垡农科院坐落在京开高速榆垡出站口南1公里路南处，座北朝南，砖砌墙基。北边砖墙高3m；接北墙向南向上15度角盖3m宽的室顶；东西两侧砖墙呈北高南低状；温室斜顶面至南面用聚乙烯塑料薄膜覆盖，屋顶沿北边砖墙安装17块集热面积为3.4m2的太阳能集热模块（北京英豪阳光太阳能工业有限公司生产），在蔬菜大棚内距土壤表面40cm和80cm深处各铺设一层散热PEX管，管间距为40cm。在温室大棚内沿墙壁距地表80cm铺设50cm的聚苯板做保温。
运行原理图
该系统全自动控制，采用太阳能行业中热水工程控制系统，CPU可编程控制具体运行原理如下：
系统采用浮球补水在集热模块上部装有一个100L的保温水箱，用浮球控制补水（接自来水），当系统有水损失时进行补水。在系统两端接自动排气阀。
当温度传感器T1检测到补水管道温度低于设定值时（一般在3度）本系统设定在5度。启动防冻伴热带，防止管道冻裂。
当温度传感器T3检测到集热模块出水温度和温度传感器T2检测到集热模块回水口温度的差值大于设定值时（一般设定在5度）本系统设定在10度。启动循环水泵P1将集热模块内的高温热水打入地下盘管经行循环。
温度传感器T2检测到集热模块回水温度一般设定值为35度。可随意设定（0—99度）。温度传感器T2检测到集热模块出水温度一般设定值为46度。可随意设定（0—99度）。
位于地下40cm处的PEX盘管用于冬季对地下土壤换热，位于地下80cm处的PEX盘管用于夏季对地下土壤换热。
二、经济性分析
此系统初投资4.5万元，包括（集热模块、控制系统、管道、角铁、水泵、人工等）运行费用：水泵250W，流量：2.4T/h全年平均每天运行：4±2 h。平均每天运行费用为：0.25×4=1KWh。农业用电：0.42元/度。总电费为：1 KWh×0.42元/度=0.42元。平均每月的电费为0.42元×30天=12.6元/月。
太阳能地下蓄热和燃煤供热投资对比 表一
三、独立太阳能蓄热系统安全与环境
（一）安全
1 、承载力
（ 1 ）独立太阳能热水器对屋面的压力： 50 千克力 / 平方米。
（ 2 ）屋面承受力： 70-150 千克力 / 平方米。屋面能够承受太阳能集热模块压力。
2 、雷电保护
3 、太阳能热水集热模块设置在温室大棚北侧。按照规定太阳能集热模块支架与北侧墙面上避雷线连网。
4 、太阳能集热模块设置在大棚北侧面。按照规定在屋面上增加避雷装置。
（二）环境独立太阳能供热系统节约用地（建在屋面）、不影响室内外环境、节省能源，采用该项技术符合全社会推行“绿色建筑”的要求。
四、温室大棚地下蓄热太阳能工程的社会效益、经济效益
太阳能蓄热工程系统是清洁能源利用，上述工程二氧化碳的减排量为：
根据公式：Qco2=(△Qsave×n×Fco2×44)/(W×Eff×12)，则15年内二氧化碳的减排量 Qco2=227T
在可再生能源大量开发的同时，太阳能得到了广泛的运用。太阳能集热模块的生产销售逐年递增，现年销售量突破了七八百万台。太阳能能为创造多大的经济价值，取决于决策者的综合能力。
目前，我国太阳能热水器用户2000万户，而每年又20——30%的速度发展，从这组数字，可以看出未来太阳能取代常规能源是必然的发展之路。
五、政策支持
在国家大力发展可再生能源的今天，也同时给予了大量的优惠政策，鼓励可再生能源项目及配套设备的开发与应用。
1、2006年，国家发改委主任马凯在中宣部等六部委会议上讲：“政府将制定《节能产品目录》，实施节能产品政府强制性采购政策，特别优现企业首相节能纳入政府采购目录。
2、如果选在郊区或农村，则可申请新农村建设低息贷款。
六、结论和讨论
通过地下蓄积太阳热能的途径，温室内部的能量得以增加。新增热量还由此实现了动态平衡。验证了熊培桂等教授（3）发表的相关文章，相关的温度分析此处不做重点阐述。着重论述温室大棚地下蓄积太阳能工程控制和经济分析。
此工程采用太阳能热水工程控G制柜（北京英豪阳光太阳能工业有限公司生产的GZ—C型CPU控制系统（4），该系统具有温差循环、防冻循环、防冻伴热等功能，造价低、便于安装调试等特点。目前市场上广泛采用PLC编程控制（相对造价较高），此工程亦可采用PLC编程控制系统。
安装太阳能集热模块后，直接蓄积太阳热能到地下土壤，供蔬菜生长，既节能减排、有增加了蔬菜的经济收入。是已有生态农业发展的必然之路。
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摘 要：为全面推广太阳能，我部门对蔬菜大棚利用太阳能增温进行测试、分析、和研究。本项目选在北京大兴区榆垡镇农科院蔬菜种植示范基地进行。随机挑选两座大棚安装我公司生产的太阳能集热模块。结果表明：12个测温点的温室内土壤温度的月平均温度比没有安装太阳集热模块的高2-3℃。土壤温度的升高有利于蔬菜的生长，提高了温室大棚的经济效益。
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关 键 词：蔬菜大棚；太阳能；太阳能热水系统原理；土壤蓄热
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北京地区地理位置北纬：39°57′，气温情况：北京10年来最冷月平均气温为-13.4℃。冷水温度：根据《建筑给排水设计规范》GB50015—2003表5.1.4最冷月最低水温推荐表，北京地区冷水最冷月平均温度为10—15℃。太阳能源情况：北京地区属于太阳能资源较富区，年日照时数在3000—3200小时；水平面上太阳能辐照量为5400—6700MJ/㎡?a。（1）这种气温限制了蔬菜的露天生长，使蔬菜的产量大幅下降。如何在较冷的季节获得较高的土壤温度，一直以来是该农科院的核心问题。虽然建造了塑料薄膜覆盖温室，采用日晒法或炉火加热法提高室温，但土壤温度很难提高（2）。地表温度仅略微升高，这仍然远远不能满足蔬菜的生长所需要的温度条件。
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为了提高温室温度，我部门在前期科研的基础上为该蔬菜大棚建设了两套土壤蓄积太阳能系统。
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一、设备及原理
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北京大兴榆垡农科院坐落在京开高速榆垡出站口南1公里路南处，座北朝南，砖砌墙基。北边砖墙高3m；接北墙向南向上15度角盖3m宽的室顶；东西两侧砖墙呈北高南低状；温室斜顶面至南面用聚乙烯塑料薄膜覆盖，屋顶沿北边砖墙安装17块集热面积为3.4m2的太阳能集热模块（北京英豪阳光太阳能工业有限公司生产），在蔬菜大棚内距土壤表面40cm和80cm深处各铺设一层散热PEX管，管间距为40cm。在温室大棚内沿墙壁距地表80cm铺设50cm的聚苯板做保温。
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运行原理图
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该系统全自动控制，采用太阳能行业中热水工程控制系统，CPU可编程控制具体运行原理如下：
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系统采用浮球补水在集热模块上部装有一个100L的保温水箱，用浮球控制补水（接自来水），当系统有水损失时进行补水。在系统两端接自动排气阀。
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当温度传感器T1检测到补水管道温度低于设定值时（一般在3度）本系统设定在5度。启动防冻伴热带，防止管道冻裂。
WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
当温度传感器T3检测到集热模块出水温度和温度传感器T2检测到集热模块回水口温度的差值大于设定值时（一般设定在5度）本系统设定在10度。启动循环水泵P1将集热模块内的高温热水打入地下盘管经行循环。
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温度传感器T2检测到集热模块回水温度一般设定值为35度。可随意设定（0—99度）。温度传感器T2检测到集热模块出水温度一般设定值为46度。可随意设定（0—99度）。
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位于地下40cm处的PEX盘管用于冬季对地下土壤换热，位于地下80cm处的PEX盘管用于夏季对地下土壤换热。
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
二、经济性分析
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此系统初投资4.5万元，包括（集热模块、控制系统、管道、角铁、水泵、人工等）运行费用：水泵250W，流量：2.4T/h全年平均每天运行：4±2 h。平均每天运行费用为：0.25×4=1KWh。农业用电：0.42元/度。总电费为：1 KWh×0.42元/度=0.42元。平均每月的电费为0.42元×30天=12.6元/月。
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太阳能地下蓄热和燃煤供热投资对比 表一
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 |
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 Ⅰ（煤炉） WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) |
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 Ⅱ（英豪阳光太阳能） WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | |
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网 一、技术情况 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) |
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P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 | |
WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 （一）供热时间 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) |
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 24小时/每天； P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 |
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 24小时/每天 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | |
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 （二）介质温度 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) |
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 热辐射 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 |
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 40-50℃ WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | |
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 (三）土壤温度（地表下200cm） plcjs.技.术_网 |
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WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 增温1摄氏度 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | |
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 供热设备位置 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户) |
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 温棚内 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) |
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) 温棚外 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) | |
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 寿命（年） W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 |
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 10 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 |
plcjs.技.术_网 15 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 | |
WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网 二、投资(元) WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) |
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) 20000*30%=6000 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 45000*10/15=30000 plcjs.技.术_网 | |
WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 三、经济效益 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 |
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户) |
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 | |
WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 （一）蔬菜增收 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 |
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WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) 5000 WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户) | |
plcjs.技.术_网 （二）全年运行成本（元） W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 |
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 3000 WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 |
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 151.2 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 | |
WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 (三)全年运行效果=全年收费-全年运行成本 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 |
WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 0-3000=-3000 WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网 |
WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户) 5000-151.2=4848.8 WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | |
W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网 (五) Ⅱ全年运行效果—Ⅰ全年运行效果 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 |
WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 4848.8-（-3000）=7848.8 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 | ||
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) (六)投资还本年限（年） P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 |
WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户) （30000-6000）/7848.8=3.0 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网 | ||
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 四 优缺点 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
plcjs.技.术_网 |
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 | |
WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 （一）优点 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网 |
WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 可提供足够多二氧化碳供蔬菜生长 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网 |
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 供水温度和全年（365天）使用效果未变，经济效果比较好，国家提倡环保节能。实现能源的一次性利用。 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 | |
WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户) （二）缺点 WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网 |
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户 随着常规能源的紧缺，运行费用不断上升，热能利用率较低。 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 |
WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网 需要解决资金来源。 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 | |
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三、独立太阳能蓄热系统安全与环境
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（一）安全
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1 、承载力
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（ 1 ）独立太阳能热水器对屋面的压力： 50 千克力 / 平方米。
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（ 2 ）屋面承受力： 70-150 千克力 / 平方米。屋面能够承受太阳能集热模块压力。
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2 、雷电保护
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3 、太阳能热水集热模块设置在温室大棚北侧。按照规定太阳能集热模块支架与北侧墙面上避雷线连网。
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4 、太阳能集热模块设置在大棚北侧面。按照规定在屋面上增加避雷装置。
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（二）环境独立太阳能供热系统节约用地（建在屋面）、不影响室内外环境、节省能源，采用该项技术符合全社会推行“绿色建筑”的要求。
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四、温室大棚地下蓄热太阳能工程的社会效益、经济效益
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太阳能蓄热工程系统是清洁能源利用，上述工程二氧化碳的减排量为：
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根据公式：Qco2=(△Qsave×n×Fco2×44)/(W×Eff×12)，则15年内二氧化碳的减排量 Qco2=227T
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在可再生能源大量开发的同时，太阳能得到了广泛的运用。太阳能集热模块的生产销售逐年递增，现年销售量突破了七八百万台。太阳能能为创造多大的经济价值，取决于决策者的综合能力。
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目前，我国太阳能热水器用户2000万户，而每年又20——30%的速度发展，从这组数字，可以看出未来太阳能取代常规能源是必然的发展之路。
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五、政策支持
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在国家大力发展可再生能源的今天，也同时给予了大量的优惠政策，鼓励可再生能源项目及配套设备的开发与应用。
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1、2006年，国家发改委主任马凯在中宣部等六部委会议上讲：“政府将制定《节能产品目录》，实施节能产品政府强制性采购政策，特别优现企业首相节能纳入政府采购目录。
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2、如果选在郊区或农村，则可申请新农村建设低息贷款。
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六、结论和讨论
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通过地下蓄积太阳热能的途径，温室内部的能量得以增加。新增热量还由此实现了动态平衡。验证了熊培桂等教授（3）发表的相关文章，相关的温度分析此处不做重点阐述。着重论述温室大棚地下蓄积太阳能工程控制和经济分析。
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此工程采用太阳能热水工程控G制柜（北京英豪阳光太阳能工业有限公司生产的GZ—C型CPU控制系统（4），该系统具有温差循环、防冻循环、防冻伴热等功能，造价低、便于安装调试等特点。目前市场上广泛采用PLC编程控制（相对造价较高），此工程亦可采用PLC编程控制系统。
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安装太阳能集热模块后，直接蓄积太阳热能到地下土壤，供蔬菜生长，既节能减排、有增加了蔬菜的经济收入。是已有生态农业发展的必然之路。
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