武漢市東西湖區農科所基地現有溫室大棚3 萬平方米，由于冬季農業生產需要，采用4 臺共 9 噸燃煤鍋爐熱水供暖，其過程中會產生大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等污染物，鍋爐工人勞動強度大。政府擬在此建設一個現代都市農業示范園區，突出生態農業、節能環保的主題，同時兼顧城郊農業休閑、旅游的需要。因此，對園區能源供應形式加以徹底改造，以清潔能源、新能源為園區主要能源來源。本文在此背景下提出太陽能集熱系統結合天然氣鍋爐進行冬季溫室大棚的供暖，從而實現這一目的。
1 項目背景
該項目所在地理位置為：北緯 30°37'，東經 114°08'，溫室采暖室外計算溫度為 -3.3℃，溫室采暖室內計算溫度為18℃，室外平均風速 2.7m/s。現有設計供暖面積為 3 萬 m2，供暖時間為 11 月 20 日到 4 月 10 日共 141 天。在過往每個供暖季里，需燃燒煤400 噸。不同天氣情況下供暖情況：晴天每天供暖時間 13h，陰雨天氣每天供暖時間 24h。根據資料統計武漢地區冬季晴天太陽輻射能量密度為 550W/m2，平均每日有效光照時間為 6h，供暖季里晴天為 94 天，陰雨天氣為 47天。
2 供暖熱負荷計算
現有需要供暖區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，總長為 105m，寬度為 48m，整個連棟溫室由 29 個單棟溫室組成，連棟溫室的基礎為高1m，厚度 0.3m 的混凝土結構，單棟溫室的截面如圖 1 所示。
薄膜溫室的總長為 60m，寬度為 24m，溫室的薄膜為單層聚乙烯薄膜，厚度為 0.16mm，溫室的基礎墻高為 0.5m，其截玻璃溫室總長 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。
分別對供暖系統進行熱負荷分析，結果如表 1 所示。
因此選取供暖系統的總熱負荷約為5400kW。
3 太陽能集熱系統
由于考慮溫室大棚對采光的要求比較高，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，可以加熱的水體積約為183m3，綜合考慮，選擇兩個太陽能集熱水箱，一個規格為12000（長）×5000（寬）×2000（高），一個為 10000（長）×5000（寬）×2000（高），水箱總體積為 220m3，水箱內可用的水體積為 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的設計施工。考慮到在當地極端低溫的情況下，供暖系統單小時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。同時考慮到降低供暖期間鍋爐出現損壞而導致無法供暖的風險，選用兩臺 2.8MW 鍋爐并行，能夠滿足要求，便于檢修維護及減少備件備品的規格。
5 系統運行原理
供暖系統有兩個儲然水箱，一個水箱接通太陽能集熱系統的供水管和供暖系統的回水管，另外一個水箱接通太陽能集熱系統的回水管以及與天然氣鍋爐連接，太陽能集熱系統與天然氣的聯合運行示意圖如圖 4 所示。
6 控制系統
本項目采用全智能控制方式，控制邏輯按照系統實際情況進行設計。按控制對象，控制系統分為太陽能集熱循環控制、天然氣鍋爐系統控制、儲熱水箱狀態監控等。
為了實現用戶對供暖系統的實時遠程監控，將傳統的供暖控制系統與最新物聯網技術相結合，采用傳感測量技術、GPRS 無線網絡技術、云服務平臺和移動終端應用技術，設計開發了一種新型溫室供暖遠程監控系統。
如圖 5 所示，遠程監控系統主要由控制器、GPRS 模塊、云服務平臺和客戶端組成。控制器接收傳感器輸入信息并在顯示屏上顯示，同時根據用戶指令或設定程序對水泵、電 磁 閥 輸出 控 制 信 號，開 啟 或 斷 開 熱 水 、天然氣 鍋 爐加熱功能 ，每 臺控制 器有 其各 自的 編號，相 應的 數 據也根據編號進行管理。
透明轉換的專用產品，為控制器和云服務平臺的遠程數據通訊提供無線接口。數據庫服務器通過虛擬串口向 GPRS 模塊發送指令，GPRS 模塊的 SIM 卡設定有對應的串口號。用戶終端包括電腦、Pad、智能手機等多種形式，用戶通過網頁、Pad 或手機上的 APP 應用程序實時的直觀地監控熱水器系統的運行情況，并可以根據個人的需要隨時隨地向控制器發出止水、加熱、觀察歷史數據等指令。
7 系統環境效益分析
在本系統中，由于太陽能是可再生能源，在利用過程中不產生有害廢棄物或者有害氣體，降低了供暖系統的二氧化碳，二氧化硫以及氮氧化物等廢氣的排放量，顯示著太陽能強大的節能減排效益。天然氣本身是一種清潔能源，屬于國家鼓勵和支持發展的領域，引入農業領域意義重大。本系統的節能計算如表 2 所示。
8 結語
本文介紹了太陽能集熱和天然氣鍋爐兩種系統結合起來進行冬季溫室供暖的技術。天然氣熱值高，加熱快，設備占用空間小。太陽能是可再生能源，技術成熟可靠，將兩者結合起來，利用智能控制技術實現集中管理，可以減少天然氣的使用量，降低系統的運行維護成本，提高供暖系統的可靠性，并可實現整個園區節能、環保、綠色、生態的建設目的。
