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 臺共 9 噸燃煤鍋爐熱水供暖，其過程中會產(chǎn)生大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等污染物，鍋爐工人勞動強度大。政府擬在此建設一個現(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，同時兼顧城郊農(nóng)業(yè)休閑、旅游的需要。因此，對園區(qū)能源供應形式加以徹底改造，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)合天然氣鍋爐進行冬季溫室大棚的供暖，從而實現(xiàn)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(jīng) 114°08'，溫室采暖室外計算溫度為 -3.3℃，溫室采暖室內(nèi)計算溫度為18℃，室外平均風速 2.7m/s?，F(xiàn)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(jù)資料統(tǒng)計武漢地區(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(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(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 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(tǒng)進行熱負荷分析，結(jié)果如表 1 所示。
因此選取供暖系統(tǒng)的總熱負荷約為5400kW。
3 太陽能集熱系統(tǒng)
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(tǒng)，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(guī)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(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)的設計施工?？紤]到在當?shù)貥O端低溫的情況下，供暖系統(tǒng)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(xiàn)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(guī)格。
5 系統(tǒng)運行原理
供暖系統(tǒng)有兩個儲然水箱，一個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)合運行示意圖如圖 4 所示。
6 控制系統(tǒng)
本項目采用全智能控制方式，控制邏輯按照系統(tǒng)實際情況進行設計。按控制對象，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、儲熱水箱狀態(tài)監(jiān)控等。
為了實現(xiàn)用戶對供暖系統(tǒng)的實時遠程監(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，采用傳感測量技術(shù)、GPRS 無線網(wǎng)絡技術(shù)、云服務平臺和移動終端應用技術(shù)，設計開發(fā)了一種新型溫室供暖遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
如圖 5 所示，遠程監(jiān)控系統(tǒng)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(jù)用戶指令或設定程序?qū)λ?、?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(shù) 據(jù)也根據(jù)編號進行管理。
透明轉(zhuǎn)換的專用產(chǎn)品，為控制器和云服務平臺的遠程數(shù)據(jù)通訊提供無線接口。數(shù)據(jù)庫服務器通過虛擬串口向 GPRS 模塊發(fā)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(wǎng)頁、Pad 或手機上的 APP 應用程序?qū)崟r的直觀地監(jiān)控熱水器系統(tǒng)的運行情況，并可以根據(jù)個人的需要隨時隨地向控制器發(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，顯示著太陽能強大的節(jié)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(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)合起來進行冬季溫室供暖的技術(shù)。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(shù)成熟可靠，將兩者結(jié)合起來，利用智能控制技術(shù)實現(xiàn)集中管理，可以減少天然氣的使用量，降低系統(tǒng)的運行維護成本，提高供暖系統(tǒng)的可靠性，并可實現(xiàn)整個園區(qū)節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)的建設目的。
