武漢市東西湖區(qū)農(nóng)科所基地現(xiàn)有溫室大棚3 萬平方米，由于冬季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，采用4 臺(tái)共 9 噸燃煤鍋爐熱水供暖，其過程中會(huì)產(chǎn)生大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等污染物，鍋爐工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。政府?dāng)M在此建設(shè)一個(gè)現(xiàn)代都市農(nóng)業(yè)示范園區(qū)，突出生態(tài)農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保的主題，同時(shí)兼顧城郊農(nóng)業(yè)休閑、旅游的需要。因此，對(duì)園區(qū)能源供應(yīng)形式加以徹底改造，以清潔能源、新能源為園區(qū)主要能源來源。本文在此背景下提出太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合天然氣鍋爐進(jìn)行冬季溫室大棚的供暖，從而實(shí)現(xiàn)這一目的。
1 項(xiàng)目背景
該項(xiàng)目所在地理位置為：北緯 30°37'，東經(jīng) 114°08'，溫室采暖室外計(jì)算溫度為 -3.3℃，溫室采暖室內(nèi)計(jì)算溫度為18℃，室外平均風(fēng)速 2.7m/s?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)供暖面積為 3 萬 m2，供暖時(shí)間為 11 月 20 日到 4 月 10 日共 141 天。在過往每個(gè)供暖季里，需燃燒煤400 噸。不同天氣情況下供暖情況：晴天每天供暖時(shí)間 13h，陰雨天氣每天供暖時(shí)間 24h。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)武漢地區(qū)冬季晴天太陽輻射能量密度為 550W/m2，平均每日有效光照時(shí)間為 6h，供暖季里晴天為 94 天，陰雨天氣為 47天。
2 供暖熱負(fù)荷計(jì)算
現(xiàn)有需要供暖區(qū)域的溫室主要有三種類型，一是連棟的PC 陽光板溫室；二是 PE 塑料薄膜溫室；三是雙層玻璃溫室。
PC 陽光板溫室是連棟溫室，總長(zhǎng)為 105m，寬度為 48m，整個(gè)連棟溫室由 29 個(gè)單棟溫室組成，連棟溫室的基礎(chǔ)為高1m，厚度 0.3m 的混凝土結(jié)構(gòu)，單棟溫室的截面如圖 1 所示。
薄膜溫室的總長(zhǎng)為 60m，寬度為 24m，溫室的薄膜為單層聚乙烯薄膜，厚度為 0.16mm，溫室的基礎(chǔ)墻高為 0.5m，其截玻璃溫室總長(zhǎng) 108m，寬度 28m，是由雙層的中空玻璃組成，溫室截面圖如圖 3 所示。面如圖 2 所示。
分別對(duì)供暖系統(tǒng)進(jìn)行熱負(fù)荷分析，結(jié)果如表 1 所示。
因此選取供暖系統(tǒng)的總熱負(fù)荷約為5400kW。
3 太陽能集熱系統(tǒng)
由于考慮溫室大棚對(duì)采光的要求比較高，能安裝太陽能的屋頂總面積為 4440m2，采用 58×1800×50 的真空管太陽能集熱器模塊，總共 安裝 285 個(gè)集 熱器模 塊，集 熱 面積為2451m2。
冬天晴天能夠收集到的熱量 Q 按下式計(jì)算：
使用真空管集熱器利用太陽能將水從30℃加熱到 50℃，總安裝面積為 4440m2 的集熱系統(tǒng)，可以加熱的水體積約為183m3，綜合考慮，選擇兩個(gè)太陽能集熱水箱，一個(gè)規(guī)格為12000（長(zhǎng)）×5000（寬）×2000（高），一個(gè)為 10000（長(zhǎng)）×5000（寬）×2000（高），水箱總體積為 220m3，水箱內(nèi)可用的水體積為 187m3。
4 天然氣鍋爐
最近的天然氣管道在附近約 3 公里處，天然氣公司積極配合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工?？紤]到在當(dāng)?shù)貥O端低溫的情況下，供暖系統(tǒng)單小時(shí)需要消耗的天然氣體積為 586m3，為了滿足這種情況下的供暖，選用鍋爐的總額定功率必須要大于 5.2MW。同時(shí)考慮到降低供暖期間鍋爐出現(xiàn)損壞而導(dǎo)致無法供暖的風(fēng)險(xiǎn)，選用兩臺(tái) 2.8MW 鍋爐并行，能夠滿足要求，便于檢修維護(hù)及減少備件備品的規(guī)格。
5 系統(tǒng)運(yùn)行原理
供暖系統(tǒng)有兩個(gè)儲(chǔ)然水箱，一個(gè)水箱接通太陽能集熱系統(tǒng)的供水管和供暖系統(tǒng)的回水管，另外一個(gè)水箱接通太陽能集熱系統(tǒng)的回水管以及與天然氣鍋爐連接，太陽能集熱系統(tǒng)與天然氣的聯(lián)合運(yùn)行示意圖如圖 4 所示。
6 控制系統(tǒng)
本項(xiàng)目采用全智能控制方式，控制邏輯按照系統(tǒng)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。按控制對(duì)象，控制系統(tǒng)分為太陽能集熱循環(huán)控制、天然氣鍋爐系統(tǒng)控制、儲(chǔ)熱水箱狀態(tài)監(jiān)控等。
為了實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)供暖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，將傳統(tǒng)的供暖控制系統(tǒng)與最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，采用傳感測(cè)量技術(shù)、GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、云服務(wù)平臺(tái)和移動(dòng)終端應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型溫室供暖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
如圖 5 所示，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制器、GPRS 模塊、云服務(wù)平臺(tái)和客戶端組成。控制器接收傳感器輸入信息并在顯示屏上顯示，同時(shí)根據(jù)用戶指令或設(shè)定程序?qū)λ谩㈦?磁 閥 輸出 控 制 信 號(hào)，開 啟 或 斷 開 熱 水 、天然氣 鍋 爐加熱功能 ，每 臺(tái)控制 器有 其各 自的 編號(hào)，相 應(yīng)的 數(shù) 據(jù)也根據(jù)編號(hào)進(jìn)行管理。
透明轉(zhuǎn)換的專用產(chǎn)品，為控制器和云服務(wù)平臺(tái)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊提供無線接口。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過虛擬串口向 GPRS 模塊發(fā)送指令，GPRS 模塊的 SIM 卡設(shè)定有對(duì)應(yīng)的串口號(hào)。用戶終端包括電腦、Pad、智能手機(jī)等多種形式，用戶通過網(wǎng)頁、Pad 或手機(jī)上的 APP 應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)的直觀地監(jiān)控?zé)崴飨到y(tǒng)的運(yùn)行情況，并可以根據(jù)個(gè)人的需要隨時(shí)隨地向控制器發(fā)出止水、加熱、觀察歷史數(shù)據(jù)等指令。
7 系統(tǒng)環(huán)境效益分析
在本系統(tǒng)中，由于太陽能是可再生能源，在利用過程中不產(chǎn)生有害廢棄物或者有害氣體，降低了供暖系統(tǒng)的二氧化碳，二氧化硫以及氮氧化物等廢氣的排放量，顯示著太陽能強(qiáng)大的節(jié)能減排效益。天然氣本身是一種清潔能源，屬于國(guó)家鼓勵(lì)和支持發(fā)展的領(lǐng)域，引入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域意義重大。本系統(tǒng)的節(jié)能計(jì)算如表 2 所示。
8 結(jié)語
本文介紹了太陽能集熱和天然氣鍋爐兩種系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行冬季溫室供暖的技術(shù)。天然氣熱值高，加熱快，設(shè)備占用空間小。太陽能是可再生能源，技術(shù)成熟可靠，將兩者結(jié)合起來，利用智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)集中管理，可以減少天然氣的使用量，降低系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本，提高供暖系統(tǒng)的可靠性，并可實(shí)現(xiàn)整個(gè)園區(qū)節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)的建設(shè)目的。
