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农业种植大棚太阳能采暖工程案例介绍

发布时间:2020-04-24 23:31

太阳辐射能作为一种可再生能源,以其储量丰富且无污染性显示了其独特的优势;我国大部分地区位于北纬45度以南,具有丰富的太阳能资源。

本文针对四川甘孜州打造川藏高原生态特色农产品基地,置入多种太阳能供热采暖实施技术,满足项目的运行使用要求。

下面重点探讨四川甘孜农业科技园D3种植大棚、利用太阳能供热采暖和生物能锅炉互补设计的应用与研究,对种植大棚温室使用太阳能供热采暖设计,具有一定的指导意义。


01、工程


项目地理位置

甘孜藏族自治州,位于四川省最西部,青藏高原东南边缘,是我国云贵高原和四川盆地之间的过渡地带,海拔2800米以上,由西北向东南倾斜、全区高原辽阔,山脉绵延,峡谷深邃,构成复杂的地貌景观。

气候属高原亚温带亚湿润季风气候,复杂多样,地域差异显著,气温低,冬季长,无霜期短,气温随地势呈明显的垂直分布:年均气温10℃~21℃;无霜期180天以上;降水较少,旱雨季分明。

光照强度大,太阳能辐照量6168.5MJ/m2·a,平均年日照在2000~2600小时之间、平均每天日照在6.5小时以上,属于太阳资源非常丰富的地区。

当地除了出产有色金属矿产以外,名贵中药材有天麻、虫草、藏红花、虫草菌、贝母、当归、黄芪等,均是高附加值的经济作物。

甘孜农业科技园D3种植大棚(是基地6个种植大棚其中之一),窄长型,面南背北建设,建筑占地面积980m2,砖混整体墙围护建筑,钢结构支架梁。

该基地是代表性的“川藏高原生态特色农产品基地”,主要培育和种植道地中藏药材,高山灵芝,铁皮石斛,冬虫夏草菌,生态食用菌,绿色蔬菜瓜果等,高附加值的农作物和药材。

历史、现状及实施目的

甘孜农业科技园D3种植大棚,东西方向是高山,山顶常年有7个月的积雪,昼夜温差大,天气寒冷,农作物不能正常生长。

温室种植大棚的建设,利用当地藏药材的生长习性,地理环境和丰富的太阳能资源,主要是解决好温室种植大棚恒温的技术问题,成规模化种植高附加值的农作物,产出比例丰厚,增加经济收入。农业科技园D3种植大棚技术策略如下图所示。

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图:农业科技园D3种植大棚技术策略

主要技术措施

基于甘孜农业科技园D3种植大棚的地理条件,及农科部门的技术要求,经过对项目的地理环境勘测,技术评估和论证,利用项目地区太阳能年平均辐照6.5小时丰富的自然资源。

在热源恒温技术措施方面,优先考虑使用太阳能,具有节能环保的突出优点,另外采用生物质能锅炉辅助。建设的种植大棚采用多种技术措施集热,最大限度地采集太阳能的热源进行储存,满足种植大棚的恒温采暖要求。

太阳能采暖主要指标

1.太阳能热水系统

太阳能热水系统具有集热、储热和放热功能,白天吸收太阳的热能,晚上释放热能满足种植大棚的恒温要求;

如遇极端冷冻天气,使用排空防冻或者循环防冻,确保设备安全;冷水脱钙与软化处理,项目地点为典型的卡斯特地貌区,水资源含矿物质及钙质均大于360mg/L,在冷水入口需要安装软化处理仪,避免太阳能集热器内部结垢;

系统全自动运行,其运行数据可以依据种植大棚的技术要求进行设定。甘孜农科园D3种植大棚实景如图所示。

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图:甘孜农科园D3种植大棚实景图

2.双层中空low-e玻璃

约占整个建筑面积的75%,呈20°倾角安装,其功能是吸收太阳热能、透光,室内保温,减少对流和热损。中空low-e玻璃及空气吸热器的锚固和安装如下图所示。

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中空low-e玻璃及空气吸热器的锚固和安装图

3.太阳能空气吸热器

白天根据太阳的辐射热源自动运行,并将吸收太阳能的热能送入室内提升温度,热气流通过光伏供电的风机驱动室内气流流通,系统达到设定温度时全自动运行或者停止。

4.太阳能光伏离网发电系统

系统产生直流电源,自发自用,余电储存在蓄电池组中,用于在夜间或在多云或雨天提供电力。设计装机容量:1.5kW·h/wp,待机时间5天,主要给室内照明,热风电机,光伏水泵增温系统,部分信号采集感应器提供直流电源。

5.种植大棚热湿环境调整系统

根据WBGT指数调整热湿环境的模式,通过进出风口的调节,热源输入量的大小调节,相对湿度35~55%。达到满足种植大棚热湿环境的要求。


02、太阳能采暖的技术与设计


围护建筑的结构组成

建设在高原寒温带的温室种植大棚,利用太阳能采暖的技术要求,主要是解决好围护建筑、墙体保温、棚内保温,减少热源损失及热源的采集和储存技术。

温室种植大棚采用砖混结构支撑墙体、依据《外墙外保温工程技术规程》进行保温墙体施工,平均传热系数为1.2W(m2·K);

双层中空low-e玻璃及太阳能空气吸热器的锚固和安装(斜面12米跨度),钢梁支架采用Q345E方通□80×80×δ3材料,用幕墙玻璃胶S750耐候胶密封,按照玻璃幕墙工程技术规范标准进行施工。

太阳能制热采暖利用技术的实施

种植大棚的室内恒温热源,由太阳能采暖系统提供40%,双层中空玻璃项目和太阳能空气吸热器系统,分别提供45%和15%。

白天系统吸收太阳的热能并将其储存和直接释放,晚上主要是通过风机盘管和地热盘管释放储存水箱的热源,满足温室种植大棚的热量需要;系统设计平均日制热量为1660MJ/d,供热方法、供热时间、供热温度可以按照需求任意设置,系统自动运行。

如遇连续阴雨天气或者冬天极端低温天气,如果太阳辐射能不足,其热源不足的部分由生物质锅炉提供补偿。采暖系统运行原理如图所示。

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采暖系统运行原理图

太阳能空气吸热器

如下图所示,太阳能空气吸热器是将太阳的辐射热量由高吸收效率的板芯集热,通过风扇电机驱动,直接转换为热风的一种制热设备。

系统采用是快速进行室内气体流动、置换,提升室内温度,热量转换效率为68%,设计单位热风量为2100m3/h,对系统的贡献率为25%。

太阳能空气吸热器的施工安装方法,参照双层中空玻璃(即玻璃幕墙工程技术施工规范)的施工方法相同。

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太阳能空气吸热气工作原理

中空low-e玻璃通光保温

如下图所示,双层中空low-e玻璃是直接将太阳辐射热量传递到室内,促进农作物光合作用,最大的优点是透明通光、隔热、保温、阻流,透过率88%。系统采用中空low-e玻璃厚度5+16+5=26mm,传热系数3.1W/(m2·K),热量损失2.3W/(m2·K),经过跟踪测试,实现在系统中有65%的贡献率。

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双层中空low-e玻璃工作原理

双层中空low-e玻璃的安装,本项目采用明装工艺进行的施工,使用金属压码固定和锚固,充填工艺缝,再用幕墙专用胶S750耐候胶密封,严格按照《玻璃幕墙工程技术规范》标准进行铺设、安装、施工、验收。


03、项目运行概况


太阳能采暖系统主要技术指标

甘孜农业科技园D3种植大棚太阳能采暖综合系统实施项目,使用多个采暖单元技术措施实现,项目建设竣工运行使用后,通过设计规划方案数据参考及后期的现场调试运行,数据采集和验证对比,其主要的技术指标如表1所示。

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能源采集与消耗

基于本项目的地理位置,高原环境气候特征,培育种植道地中藏药材和高附加值的农作物,采用单一的技术策略吸收和储存太阳能的热源进行采暖,很难达到预期的目的和使用要求。

本项目从前期参与的规划设计阶段,一直采用多元化吸收热源的技术措施,最大限度地、高效率地吸收和储存太阳能热源,满足种植大棚的室内恒温热负荷需要。

依据种植大棚吸收和储存热源系统运行的工况,通过监测数据、热性能测试、使用效果、农作物的生长状况,实地进行综合对比分析太阳能采暖系统单位时间的热源产出比例,运行结果基本达到预期,满足使用需求。恒温曲线如图所示。

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热量采集时恒温曲线图

太阳能采暖系统工况

建成后的四川甘孜川藏高原生态农业科技园D3种植大棚供热和采暖系统,由于参与了该项目前期阶段的同步论证、同步规划,施工图设计等工作,非常熟悉和了解对后期的施工建设与管理有先导和促进作用。

本项目供热和采暖主要有三种形式,即太阳热辐射、热风系统和热水供热采暖系统;育苗种植土壤使用盘管管道作为散热面,向种植土壤或者室内提供热量。

系统依据育苗品种不同,生长期不同,在不同的季节,单位平方米输入热量也不同,种植土壤一般以8W~26W/(m2·K)输入,室内一般以25W~65W/(m2·K)输入,D3种植大棚太阳能采暖项目,2013年上半年建设完成。

目前已经运行和使用两个冬季,历时两年半,其中出现两次故障影响运行使用外,(第一次是业主方错误设置运行参数,导致指令信号重叠不工作;第二次是信号采集短路故障),其它均能按需供应热源,正常运行。

本项目对多种太阳能供热采暖系统进行了比较分析、研究对比,虽然维持指定室温的供热系统所需能耗不一样,但散热方式的差异使得采用热水供热系统与热风系统时,整个温室的温度场更加均匀,相对于热源,热风系统能在更大程度上影响室内湿度的变化。

因此,在温室多种供热设计中,应根据不同作物类型以及室内环境的设计要求等因素,在多种供热方式中加以选择。


04、结语


本文综述了多能源互补采暖技术,建设现代农业科技种植园的绿色环保项目,经过模块化整合,使用多种措施利用太阳辐射热能为热源进行采暖,推广太阳能利用技术,对太阳能供热采暖实施的发展前景,进行了探讨和展望。

结合工程实例应该注意太阳能应用技术是一项综合整合工作,尤其是边远山区,交通不方便的建设项目,进行模块化设计与实施,需要整合资源,因地制宜,其目的是节约运作成本。

对建设项目进行客观评估,特别是高投入、高产出、高收益的建筑项目,良好的技术措施是建设优质项目的基础。

边远地区的太阳能利用建设项目,风险大困难多,需要有硬性的技术实力、公司实力和资金流,市场服务网络作为支撑和后盾。