何 芬，侯 永，李 恺，魏晓明，刘雅青

（农业农村部规划设计研究院/农业农村部农业设施结构工程重点实验室，北京100125）

0 引言

育苗作为蔬菜生产的关键环节，是提高蔬菜生产综合效益的关键技术措施之一。种苗质量对蔬菜种植效果影响显著，因此培育优质种苗是蔬菜产业发展的基础[1]。北方用于育苗的设施主要有日光温室和连栋温室，其中连栋温室自身具备较好的环境调控能力，能实现对温湿度、光照等环境的调控，但其初期投资和冬季能耗大，运行成本高。日光温室保温性能好、能耗低、建造成本低，但环境调控能力差，特别是冬春季节，在无外部加温时育苗面临低温冷害的问题。目前温室冬季生产多采用消耗化石能源以水和空气作为热媒介进行加温。常用的加温设备以锅炉+散热末端为主[2-3]，增加温室内空气或土壤温度[4-5]。近年随着社会经济发展，民用建筑中应用较多的空气源[6]、水源[7]和地源热泵[8-9]也越来越多应用到温室生产中。孙先鹏等[10]开展了太阳能蓄热联合空气源热泵进行温室加热研究，发现该系统可明显改善室内温湿度等环境。陈教料等[11]设计了一种开放式温室地表水源热泵供暖系统，系统平均制热性能系数为2.3。方慧等[12]设计建造了一套地源热泵与地板散热方式相结合的供暖系统，制热系数达到3.14，与燃煤锅炉相比节能36.3%。总体来说这些系统和设备加温效果较好，但初期投资较多、占地面积大、自动化程度较低；且多以加温空气为主，因温室围护结构散热量大，加温效率较低。而局部加温可直接对作物根区或冠层加温，能量转化效率、可调控性较高、运行安全可靠，多应用于温室育苗等作物生产。张莹等[13]、王双喜等[14]采用太阳能集热加热蓄水箱中的水，采用循环水泵将热水通过地埋管加热地温。王永维等[15]、戴巧利等[16]、Leyla ozgener[17]通过轴流式风机将热空气通过送风管送入地下加热温室内地温。张红梅等[18]利用加温线进行了冬季黄瓜育苗和栽培试验。Pere Llorach-Massana等[19]选择适用相变材料在地中海温室内对作物根区进行加温。张卓等[20]设计了一种利用硅橡胶加热板的适用于矮株作物的根区加热系统，根区温度控制相对误差不超过5%。李衍素等[21-22]将碳晶电热板应用到日光温室番茄生产和黄瓜育苗中，育苗应用中比对照最低温度和平均温度分别高12.1℃和6.07℃。何芬等[23-24]将毛细管通低温热水应用到日光温室草莓生产和番茄育苗中，发现毛细管网苗床加温可使育苗基质夜间温度平均值及最低值提高3.2～3.4℃和0.8～1.4℃。这些方式大部分采用电作为能源直接产生热，可较好解决温室内冬季小规模育苗和盆栽作物的生产。碳晶电热膜是一种通电后能发热的半透明的聚酯膜，具有耐高压、耐潮湿、承受温度范围广、高韧度、运行安全等优良性能，多在民用建筑中用于低温辐射供暖。2018年，作者比较了发热电缆、自限温发热带、碳晶电热膜3种材料对育苗根区加温效果的影响，发现碳晶电热膜的加温效果和均匀性均最优[25]。本研究旨在将碳晶电热膜进一步与育苗生产结合，设计开发出一套基于碳晶电热膜的低温辐射育苗保温加温系统，通过对系统的保温加温效果进行测试，为今后温室大规模商品化育苗提供环境可控的育苗装备。

1 材料与方法

1.1 育苗保温加温系统构成

育苗保温加温系统由上部的尖顶拱形保温覆盖、苗床加温材料、苗床控制系统等组成（图1）。该系统的保温功能主要靠单层膜覆盖；为防止主动加温热量垂直往苗床下部传递，苗床上部依次设置保温隔热层、热反射膜、低温辐射层。保温隔热层可选择导热系数小的聚苯乙烯板等，热反射膜选用无纺布基反射膜，低温辐射层采用碳晶电热膜作为加温材料。碳晶电热膜通电后产生的热能以远红外辐射（峰值波为8～15 μm）和对流的形式对外传递，电能与热能的转换率高达98%以上。

图1 温室育苗保温加温系统示意图

控制系统主要包括加温控制和外保温覆盖膜卷放控制。加温控制主要采用设定温度、温度回滞量、温升速度、最高温度值作为控制阈值，当实时温度＞设定温度+温度回滞量时，关闭加热；当实时温度＜设定温度-温度回滞量时，开启加热。系统在实测温升速率低于设定温升速率，则提醒温升速度过慢，关闭自动加热；电热膜温度超过最高温度时，则提醒苗床温度过高，关闭自动加热。外保温覆盖膜卷放控制通过采用设定收拢时刻和展开时刻对覆膜进行定时卷放。

1.2 试验条件

试验于2019年12月19日—2020年1月3日在河北永清县农业农村部规划设计研究院精准试验基地的连栋温室内进行。试验用温室为文洛型温室，东西长112 m，南北宽36 m，设置有加温系统、内外遮阳系统、湿帘风机降温系统等。整个温室采用玻璃隔断设置为7个区，本次试验在其中的一个区进行。测试期间多为连续晴天，室外气温-16.3～6.6℃，而试验温室在有热水辅助加温的情况下室温为8.7～28.7℃。

在试验区安装了2套育苗保温加温苗床系统，将其分别设置为育苗加温区和育苗无加温区。每个育苗试验区长6.5 m，宽1.7 m，面积11.05 m2。试验区以外的区域为基地正常育苗生产区。试验用碳晶电热膜为面状，厚度0.25 mm，宽度50 cm，长度按加热区域面积以25 cm为单位进行裁剪，内部是碳素发热区、铜箔载流条、银浆载流条、基膜等。碳晶电热膜表面温度能达到50℃，单面散热，发热密度120 W/m2。

保温加温系统采用基质温度作为控制阈值，设定温度值为24℃，温度回滞量1℃。则当实时温度＞25℃时，系统关闭加热；当实时温度＜23℃时，系统开启加热。外保温覆盖膜设定卷放时间为9:30和16:00。

1.3 试验方法

测试期间，连栋温室内外、苗床内部的空气温湿度均由温湿度记录仪（TR-72U，北京渠道科学器材有限公司）测量，精确度为±0.3℃和±5%；基质温度采用智能土壤温度记录仪（TJ1，北京合众博普科技发展有限公司）进行测量，精确度为±0.2℃；数据采样间隔为30 min。

为测试保温加温系统的运行效果，在2个育苗测试区分别布置相同的测点，如图2所示。连栋温室内空气温湿度记录仪距地面高度1.5 m；基质温度传感器埋设在穴盘中；苗床表面温度可将温度传感器固定，上部采用热反射装置遮住，以防止测试出的温度受太阳辐射影响；室外空气温湿度记录仪放置在空旷的场区内，距地面高度3 m。

图2 试验测点分布示意图

2 结果与分析

2.1 空气温湿度变化分析

温室内外和育苗区空气温度和相对湿度变化如图3所示，温室内、加温区和不加温区内空气温度差异不大。温室内外及育苗试验区内温湿度极值统计如表1所示。加温区空气温度的平均值比温室内高1℃，可见采用碳晶电热膜加温对育苗区空气温度有一定的提升作用，但影响不大，主要原因是碳晶电热膜铺设在育苗穴盘下部，其大部分热量主要靠低温热辐射这种热传递方式传递给基质，少部分热量与空气进行对流换热；且因碳晶电热膜下面铺设有热反射膜和绝热材料，热量只能垂直向上传递，向下传递的热量非常少。无加温育苗区温度平均值比温室内低1.8℃，主要原因是温室内配套有热水加温系统，下午16:00时当育苗保温加温系统的外覆盖单层膜放下，直接阻止温室内热量进入育苗区内，而育苗区内又无主动加温设施，从而导致无加温育苗区内空气温度较温室内低。因连栋温室内配置了热水加温系统，室内相对湿度平均值较室外低19.8%，平均值为47.8%；加温区因采用碳晶电热膜加温，其相对湿度平均值较不加温区低3%。

图3 空气温度和相对湿度变化

表1 空气温湿度极值统计

2.2 基质温度变化分析

测试期间基质温度变化如图4所示。碳晶电热膜加温可使基质温度平均值及最低值较无加温育苗区提高7.3℃和10.7℃。从整体测试图4(a)所示，无加温区基质温度变化幅度较大，变化范围在2.25～25.65℃；而加温区变化范围在12.6～25.5℃。图4(b)为基质温度日变化，基质温度在加温时段（16:00—次日9:30）能稳定控制在20℃左右；在非加温时段，加温区和不加温区的温度变化趋势基本一致，都是直接受到温室内空气温度的影响。

图4 基质温度变化

2.3 加温均匀性分析

采用基质温度最低值偏离度作为评判加温系统均匀性的统计指标[26]。当同一深度层各测点的基质温度最低值偏离度不大于20%、平均值不大于10%时，则认为基质温度均匀。加温育苗区均布置9个同一深度的基质温度测点，统计计算整个测试期间加温区基质温度最低值偏离度，基质温度测点的最低值偏离度为2.9%，不大于20%；平均值为6.1%，不大于10%。

3 讨论

3.1 加温效果比较

根区温度指根系周围的土壤、基质或营养液温度，其显著影响作物根系的生长和对水分及矿物营养的吸收、运转和贮存，从而调控植株的地上部分[27-28]。当根区温度高于或低于作物生长和代谢的最适温度上限和下限，则易对其生长和代谢引起抑制或胁迫。一般作物根区比地上部分要求的温度略低，而且要求的适温范围较窄(15～25℃)，这是根系长期生活在温度变幅较小的土壤环境中而形成的一种遗传特征，也是作物对根区温度比气温更敏感的原因所在。因此从某种意义上讲控制根区温度比控制气温更重要。过去人们对于改善和提高温室内温度条件所采取的措施往往重视气温，而忽视了根区温度的研究。在众多的温室加温方式中，根区加温方式可直接有效地增加地温、减少能耗，改善作物生长发育迟缓不良等问题，具有较高的经济效益和环境效益。国外在低温季节就试图通过提高番茄根区温度促进其生长，当根区温度从14℃升到21.8℃时，番茄增产47%，而耗能仅为普通温室的20%～25%[29]。中国也面临能源紧缺及可持续发展等问题，因此，控制温室作物根区温度已成为节能研究中的一个热点和趋势。

本研究开发的基于碳晶电热膜的根区保温加温系统通过控制系统的阈值设置，可将基质温度较稳定地控制在15～25℃，符合温室内常用作物育苗的温度范围。如温室种植品种较多的黄瓜苗期适宜温度为19～25℃，夜间最适温度为22℃；番茄和辣椒苗期最适温度15～21℃，夜间最适温度为10℃[30]。研究开发的基于碳晶电热膜的温室育苗保温加温系统加温效果较好，可使基质温度平均值及最低值提高7.3℃和10.7℃。与基于毛细管的低温热水加温系统等相比，其加热效果更好，主要原因是碳晶电热膜直接采用电能直接加热作物根区，而毛细管主要采用35℃左右的低温热水加热[23]。与同是采用电能作为能源的碳晶电热板和硅橡胶加热板相比，加温效果相当[20-22]。但碳晶电热板和硅橡胶加热板主要适用于盆栽作物的加热，不适用于大面积的商品化育苗。且本研究应用的碳晶电热膜属于面状热源，加温均匀性较发热电缆、自限温发热带等线状发热材料更好[25]，作物生长一致性强。

3.2 加温成本分析

本研究采用碳晶电热膜作为根区加温材料，该材料是一种民用采暖用的新型散热末端，成本价格仅为20～40元/m2，较毛细管[23]、锅炉+散热末端[3,31]、热风加温[2,32]等方式的加温成本低50%，较地源、水源热泵系统等建设投资更低[33-34]，尽管地源热泵等运行费为传统燃煤供热方式的30%左右，但初期建设成本达到8000～10000元/m2。毛细管也是一种工民建常用散热末端，应用到温室生产的时间较短，成本价格为50～70元/m2，比热风机加温和圆翼型散热器成本高50%，毛细管在前期设备一次性投入中较大，如果没有合适的工业余热等低温热源，后续运行费也不低。相变材料因具有近似恒温条件下被动蓄放潜热的特性，较早应用到温室替代冬季传统燃煤等方式供暖，但因价格较贵且被动蓄放热受天气环境影响不稳定，目前仅在试验研究中应用，离大面积推广还有一段距离[35-36]。温室加温系统初期的投入成本太高对于温室生产经营者来说应用和推广都有极大的困难，而碳晶电热膜加温系统前期投入成本低，后期运行电费用较高，比较适宜育苗、盆花等附加值高且对环境要求较高的温室作物生产。

4 结论

笔者将民用建筑地板采暖中应用较广的碳晶电热膜应用在温室冬春季作物育苗根区加温中，研发出一套新型的温室育苗保温加温系统，并在河北永清县冬季严寒时段对该系统的效果进行了测试，结果表明碳晶电热膜加温可使基质温度平均值及最低值提高7.3℃和10.7℃；基质温度最低值偏离度为2.9%，平均值为6.1%。基于碳晶电热膜的温室育苗保温加温系统可有效提高育苗环境温度且加温均匀性高，为培育高质量种苗提供有力保障。