新能源、新材料、新设计——助力温室新革命

近年来，温室产业得到大力发展，温室的发展不仅提高了土地利用率和农产品产出率， 也解决了淡季果蔬的供应问题；然而，温室也遇到了前所未有的挑战，原有的设施设备、采暖方式、结构形式对环境、发展都产生了阻力，迫切需要新材料、新设计改变温室结构，迫切需要新能源达到节能环保、增产增收的目的。

发展设施农业是贯彻落实重要指示精神和中央决策部署的政治要求和必然选择。2020年我国 设施农业总面积280万hm2 ，产值超过1万亿元。通过新能源、新材料和新的温室设计提高温 室采光与保温性能是提升温室生产能力的重要途径。传统温室生产存在诸多弊端，如传统温室采用煤 炭、燃油等能源进行加温供热，产生大量二氧化气体，严重污染环境，而天然气、电能等能源又使温 室运营成本提高；

温室新能源的研究创新

设施农业利用潜力最大的绿色新能源有太阳 能、地热能以及生物质能，或者是多种新能源的 综合利用，通过取长补短，实现能源高效使用。

太阳能

太阳能利用技术是一种低碳、高效和可持续 的能源供给方式，是我国战略性新兴产业的重要 组成，未来将成为我国能源结构转型升级的必然 选择。从能源利用角度来说，温室本身就是一个 太阳能利用的设施结构，通过温室效应，将太阳 能集聚到室内，提高温室的温度，提供作物生长 所需要的热量，且温室植物光合作用最主要的能 量来源是阳光直射，这是对太阳能的直接利用。

01光伏发电产热

太阳能光伏发电是基于光生伏特效应将光能 直接转变为电能的一种技术，这种技术的关键元 件是太阳能电池，通过若干个太阳能电池板的串 联或并联，实现太阳能照射在电池板阵列上时， 半导体组件直接将太阳辐射能转化成为电能。太 阳能光伏技术可以直接将光能转化为电能，通过 蓄电池蓄电，夜间进行温室加温，但其成本高 昂，制约了其进一步发展。笔者课题组开发了一 种光伏石墨烯加热装置，由柔性光伏板、逆控一 体机、蓄电池、石墨烯加热棒组成，根据种植行 的长度埋设石墨烯加热棒于基质袋下，白天光 伏板吸收太阳辐射发电储存于蓄电池中，夜间 再将电量释放出来用于石墨烯加热棒，实测中 采取17 ℃启动、19 ℃关闭的温控模式，夜间 （20：00—第2天08：00）共运行8 h，加热单 行植株能耗1.24 kW·h，夜间基质袋平均温度 19.2 ℃，高出对照3.5～5.3 ℃。这种结合光伏发 电的加热方式解决了温室冬季加热高能耗、高污 染的问题。

02光热转换利用

太阳能光热转化是指通过使用光热转换材料 所特制的太阳光采集面，将辐射到其上面的太阳能量尽可能多地采集吸收，并转化为热能，相对 于太阳能光伏应用而言，太阳能光热应用增加了 对近红外波段的吸收，因此其对太阳光的能量利 用效率更高、成本更低且技术较为成熟，是太阳 能利用形式中使用最广泛的方式。

我国光热转换利用技术中最为成熟的是太阳 能集热器，太阳能集热器的核心部件是带有选择 性吸收涂层的吸热板芯，吸热板芯可以将透过盖 板的太阳辐射能转换为热能后传递给吸热工质。太阳能集热器根据集热器内是否有真空空间可以 分为平板式太阳能集热器和真空管式太阳能集热 器2大类，根据采光口的太阳辐射是否改变方向 分为聚光式及非聚光式太阳能集热器，根据传热 工质类型分为液体集热器和空气集热器。

温室太阳能利用主要通过各类型太阳能 集热器形式开展。摩洛哥伊本·佐尔大学开发 了1套用于温室增温的主动式太阳能供暖系统 （ASHS），可增加冬季番茄总产量 55%。中国 农业大学设计开发了1套表冷器——风机集放系 统，集热量达到了390.6～693.0 MJ，并提出了 通过热泵将集热过程与储热过程分离的思路。意 大利巴里大学开发了1种温室多联产加热系统， 该系统由太阳能系统和空气—水热泵组成，可使 气温增幅3.6%，土壤温度增幅92%。笔者课题组 研发了一种为应用于日光温室的可变倾角主动式 太阳能集热设备及配套的跨天时温室水体蓄热装 置。可变倾角主动式太阳能集热技术突破了传统 温室集热设备存在的集热能力有限、遮阴和占用 耕地面积等局限性，利用日光温室的特殊温室结 构，对温室的非种植空间加以充分利用，大大提 高了温室空间利用效率，在典型晴天的工况条件 下，可变倾角主动式太阳能集热系统集热量速率 达1.9 MJ/（m2 ·h），能量利用效率达85.1%， 节能率为77.9%～84.0%。温室水体蓄热技术通 过设置多相变储热结构，增加蓄热装置储热能 力，实现装置的缓释放热，以实现温室太阳能集热设备所收集热量的高效使用。

生物质能源

生物质发酵产热装置与温室大棚相集合建造 新型设施结构，将猪粪、菇渣、秸秆等生物质原 料堆肥酿热，产生热能直接供给温室大棚。相 较于无生物质发酵酿热槽的大棚，在冬季正常气 候下，酿热温室能够有效提高温室内地温，维持 土壤栽培作物根系的适宜温度。以17 m跨度、 30 m长的单层非对称保温大棚为例，在室内发酵 槽中添加8 m的农业废弃物（番茄秸秆和猪粪混 合），采用不翻堆的方式进行自然发酵，可使冬 季大棚的日平均气温提高4.2 ℃，日最低气温平 均达到4.6 ℃。

生物质可控式发酵能源利用是一种利用器械 设备控制发酵进程以实现快速获取并高效利用生 物质热能与CO2气肥的发酵方式，其中，通风和 水分是调控生物质发酵酿热产气的关键因素。在 通风条件下，发酵堆体中的好氧微生物利用氧气 进行生命活动，产生的能量一部分用于自身生命 活动，一部分则成为热能释放于环境中，有利于 环境温度升高。而水分参与整个发酵进程，为微 生物活动提供必要的可溶性养分，同时通过水分 将堆体热量以水蒸气的形式进行释放，以此降低 堆体温度，延长微生物寿命，增加堆体积温。在 发酵池内装配秸秆淋洗装置，在冬季可提高室内 气温3～5 ℃，加强植株光合作用，使番茄产量增 加29.6%。

地热能

我国地热资源丰富，目前农业设施对地热能 利用最普遍的方式是使用地源热泵，通过输入少 量的高品位能源（如电能），实现由低品位热能 向高品位热能转移。与传统温室加温措施不同， 地源热泵加温在实现加温效果显著的同时兼具为 温室降温的能力，同时可降低温室内湿度。地 源热泵在房屋建筑领域的应用研究本对成熟，影 响地源热泵制热、制冷能力最核心的部分为地下 换热模块，类型主要有地埋管、地下水井等，怎 样设计一个造价和效果相平衡的地下换热系统， 一直是该部分的研究重点。同时地源热泵在应用中对地下土层温度的改变也影响着热泵系统的使 用效果。夏季利用地源热泵为温室进行降温，将 热能储存在土壤深层，可以缓解地下土层的温度 下降，提高冬季地源热泵产热效率。

在目前对地源热泵性能和效率的研究中，通过 实际试验数据以TOUGH2、TRNSYS等软件建立 数值模型，得出地源热泵的制热性能和制冷性能系 数（COP）能够达到3.0～4.5，具有良好的制冷制 热效果。且对于热泵系统运行策略的研究中，傅允 准等发现，相比于负荷侧流量，地源侧流量对机 组性能和地埋管换热性能的影响较大；在流量设定 的条件下，采用开机运行2 h停机2 h运行方案机组 的最大COP值可达到4.17；石惠娴等采取了一种 水蓄能型降温系统的间歇运行摸式，在夏季高温时 节，整个供能系统COP能达到3.80。

温室土壤深层蓄热技术

温室土壤深层蓄热也称温室“蓄热银行”。冬季冷害和夏季高温是温室生产的主要障碍。笔 者课题组利用深层土壤蓄热能力强的特点，研究 设计了一种温室地下深层蓄热装置。该装置为在 温室地下 1.5～2.5 m深度处埋入双层并联式传热 管道，在温室顶部设置进气口，在地面设置出气 口。在温室温度高时，利用风机强制将室内空气 抽入地下，实现蓄热降温。在温室温度低时，从 土壤中抽出热量，为温室增温。生产应用结果证 明，该装置冬季夜间可以提高温室温度2.3 ℃，夏 季白天可降低室内温度2.6 ℃，番茄种植可667 m2 增加产量1 500 kg。该装置充分利用地下深层土 壤“冬暖夏凉”“温度恒定”的特点，为温室提 供了“能量存取银行”，持续完成温室降温和加 温辅助功能。

多种能源配合

采用两种或者多种能源类型配合为温室加 温，可以有效弥补单一能源类型使用的弊端，发 挥出“一加一大于二”的叠加效果。地热能与太 阳能的互补配合，是近年来农业生产中新能源利 用的研究热点。Emmi等研究了一种多源能源系 统，该系统配备了光伏热混合太阳能集热 器，与普通的空气—水热泵系统相比，多能源系统的能源效率提高了16%～25%。Zheng等研制 了一种新型的太阳能与地源热泵耦合蓄热系统。太阳能集热器系统可以实现高质量的供暖季节性 储存，即冬季高质量供暖，夏季高质量制冷，埋 管式换热器和间歇式蓄热罐在该系统中均能较好 地运行，系统的COP值可达6.96。

电能与太阳能相结合，旨在减少市电消耗的前 提下，增强温室太阳能供电的稳定性。万娅等提出了一种联合太阳能发电与市电结合为温室供 暖的新智能控制技术方案，可以做到有光时利用 光伏电，无光时转为市电供能，大大降低了负载 缺电率，且不使用蓄电池，降低了经济成本。

太阳能、生物质能与电能为温室联合供暖， 也能够取得较高的供暖效率。张良锐等将太阳 能真空管集热与谷电蓄热水箱相结合，该温室供 暖系统具有良好的热舒适性，系统平均供热效率为68.70%。谷电蓄热水箱部分是增加了电加温 的生物质加温蓄水装置，设定供暖端进水最低温 度，根据太阳能集热部分和生物质蓄热部分的蓄 水温度来确定系统的运行策略，以达到供暖末端 供暖温度稳定，最大限度节约电能与生物质能源物料。

温室新材料的创新研究与应用

随着温室面积的扩大，砖块、土壤等传统温 室材料的应用弊端日益显露；因此，为进一步提 高温室热性能，满足现代化温室的发展需要，现 在出现了许多针对新型透明覆盖材料、保温材料、墙体材料的研究与应用。

新型透明覆盖材料的研究与应用

温室透明覆盖材料类型主要包括塑料薄膜、 玻璃、阳光板及光伏板，其中塑料薄膜应用面积 最大。传统的温室P E薄膜存在使用寿命短、不 可降解、功能单一的缺陷。目前在利用添加功能 性试剂或涂层的方法，开发出多种新型功能性薄 膜。

转光膜：转光膜是利用稀土、纳米材料等转 光剂，改变了薄膜的光学性质，可以将紫外光区 转为植物光合作用所需要的红橙光和蓝紫光，实 现作物增产的同时，也可降低紫外线对塑棚温室 内作物及棚膜的损害。如添加VTR-660转光剂的 宽谱带紫转红棚膜，在温室中应用时发现该棚膜 能显著提高红外线透过率，且与对照温室相比， 番茄每公顷产量、维C和番茄红素含量分别显著提高了25.71%、11.11%、33.04%。但是，目前 新型转光膜的使用寿命、可降解性、使用成本尚 需研究。

散射玻璃：温室散射玻璃是通过玻璃表面特 殊的花型和减反射工艺，能够最大限度将太阳光 变成散射光进入温室，提高农作物光合作用效 率，增加农作物产量。而散射玻璃通过特殊的花 纹把进入温室的光照，变成散射光，而散射光能 够更加均匀地照射到温室内部，消除骨架为温室 带来的阴影影响。相比于普通浮法玻璃和超白浮 法玻璃，散射玻璃的透光率标准是91.5%，普通 浮法玻璃的透光率是88%。温室内部每增加1% 的透光率，可以增加产量3%左右，果蔬内可溶性 糖、维生素C等均有增加。温室散射玻璃采用先镀 膜后钢化的工艺，自爆率高于国标，达到2‰。

新型保温材料的研究与应用

温室中的传统保温材料主要有草苫、纸被、 针刺毡保温被等，主要应用于屋面内外保温隔 热、墙体隔热及一些蓄热、集热装置的保温，大 都存在长期使用后会因内部受潮而失去保温性能的缺陷。因此，现在出现了许多新型高保温材料 的应用研究, 其中新型保温被及蓄热、集热装置 保温更是研究重点。

新型保温材料通常是由编织膜、淋膜毡等表 层防水、耐老化材料与喷胶棉、杂羊绒、珍珠棉 等蓬松保温材料加工复合而成。东北地区试验了 一种编织膜喷胶棉型保温被，发现添加500 g喷胶 棉相当于市场4 500 g黑毛毡保温被的保温性能， 添加700 g喷胶棉同等条件下比添加500 g的喷 胶棉保温被保温性能提高1～2 ℃。同时，其 他研究也发现，与市面常用保温被对比发现，喷 胶棉、杂羊绒保温被的保温效果较好，保温率分 别为84.0%和83.3%，当室外温度最冷为－24.4 ℃ 时，室内温度分别可达5.4、4.2 ℃。同单一的 草苫保温被相比，新型复合保温被质轻、保温率 高、防水及耐老化能力强，可作为日光温室的新 型高效保温材料来推广应用。

同时，针对温室集热、蓄热装置保温材料的 研究也发现，厚度相同时，多层复合保温材料要比 单一材料保温性能更好。西北农林科技大学李建明 教授团队对真空板、气凝胶、橡胶棉等22种温室水 体储热装置隔热材料进行设计筛选和热性能测定， 结果发现：80 mm隔热涂料＋气凝胶＋橡塑保温棉 复合保温材料，单位时间内可比80 mm橡塑棉减少 散热 0.367 MJ，当该隔热组合厚度为 100 mm时， 其传热系数为 0.283 W/（m2 ·k） 。

相变蓄热材料是温室材料研究的热点之一。西北农林科技大学研发了2种相变材料储备装 置：其一是利用黑色聚乙烯材料的储备箱，其尺 寸为50 cm×30 cm×14 cm（长×高×厚），且 内部装有相变材料，可实现储放热功能；其二是研 制了一种新型相变墙板，相变墙板由相变材料、铝 板、铝塑板和铝合金4部分构成，其中相变材料位于 墙板最中心位置，规格为200 mm×200 mm×50 mm， 在相变前后均呈粉末状固体，无融化、流动等 现象，且相变材料四壁分别为铝板和铝塑板， 该装置能实现白天主要储热、晚上主要放热的 功能。

因此，单一保温材料应用时往往存在保温效 率低、热散失量大、储热时间短等问题，故采用 复合保温材料作为储热装置保温层、室内外保温覆盖层，能有效提高温室隔热性能，减少温室热 量散失，从而达到节约能源的效果。

小结

这些新型日光温室都具有便于快速组装、缩 短施工周期、提高土地利用率的优点；因此，要 进一步探究这些新型温室在不同地区的使用性 能，为新型温室的大面积推广应用提供可能性。同时，要不断的加强新能源、新材料在温室中的 应用，为温室结构变革提供动力。

未来展望及思考

传统温室往往存在耗能大、土地利用率较 低、费时费工、使用性能差等应用弊端，已经无 法满足现代农业的生产需求，势必要被逐渐淘 汰；因此，利用太阳能、生物质能、地热能、风 能等新型能源、新型温室应用材料及新设计推动 温室结构变革已是发展趋势。首先，对于新能源 与新材料推动下产生的新型温室，既要满足机械 化作业的需要，又必须节能省地，降低成本。其 次，要不断探究新型温室大棚在不同地区的使用 性能，为温室大面积推广提供条件。未来要进一 步寻找适宜温室应用的新能源与新材料，寻找新 能源、新材料与温室的最佳结合方式，为建造低 成本、工期短、低能耗、使用性能优良的新型温 室提供可能，助力温室结构变革，推动我国温室 的现代化发展。

尽管新能源、新材料和新设计在温室建造中 的应用是必然的趋势，但是仍然存在许多问题需 要研究和克服：（1）建造成本增大。新能源、 新材料的应用，与传统的煤炭、天然气或燃油加 温相比，尽管环保无污染，但是建造成本显著提 高，为生产经营投资回收造成一定影响。新材料 成本与能源利用相比较，成本也会显著提升。（2）热能利用不稳定。新能源利用的最大优点 是运营成本低、二氧化碳释放低，但是能源热量 供应不稳定，太阳能利用中阴天就成为最大限制 因素。生物质发酵产热中，发酵热能小、管理控制难度大、原材料运输堆放空间大等问题限制了 该能源的有效利用。（3）技术成熟度问题。这 些新能源与新材料利用的技术为先进研究技术成 果，应用面积和应用范围还相当有限，没有通过 多次、多位点、大规模的实践验证，应用中不免 还有一定的不足和需要完善的技术内容，而使用 者也往往会因为较小的不足而否定技术的先进 性。（4）技术普及率低。一项科技成果的广泛 应用，需要有一定的普及性。现在，新能源、新 技术、新型温室设计技术均掌握在有一定创新能 力的高校科研单位的团队内，大部分技术需求者 或者设计人员还不了解；同时，由于新技术核心 设备都有专利，技术的普及与应用还相当有限。（5）新能源、新材料与温室结构设计的融合性 有待进一步加强。由于能源、材料和温室结构设 计属于3个不同学科知识，具有温室设计经验的 人才往往对温室相关能源及材料的研究不足，反 之亦然；因此，能源与材料研究的相关研究人员 需要加强对温室产业发展实际需求的调研与了 解，结构设计人员也要研究新材料、新能源，促 进三者关系的深度融合，从而实现温室研究技术 实用、建造成本低、使用效果好的目标。依据以 上问题，建议国家、地方政府及科研单位加大技 术研究力度，深入开展联合攻关，加强科技成果 宣传，提高成果普及程度，快速实现新能源、新 材料助力温室产业新发展的目标。