1問題的提出

我國北方地區冬季嚴寒而漫長，在農作物無法生長的冬春寒冷季節，以往主要靠貯藏來解決冬季的蔬菜供應。改革開放以來，我國冬季大棚蔬菜生產有了飛速的發展，各地政府都十分重視“菜籃子”工程建設，大力發展大棚蔬菜生產。北方各省市通過興建各類溫室大棚，解決了部分冬春寒冷季節的蔬菜消費問題。然而，大多數蔬菜產品還是從南方通過長途運輸來解決。隨著人民群眾生活水平的不斷提高，每年冬季北方地區從南方調運的蔬菜數量甚大，耗費也極為可觀。以自治區首府烏魯木齊為例，每年有70%以上的蔬菜是靠外地供應的。這些長途調運的蔬菜產品，不僅在品質上受到一定影響，而且價格也比較高。

為解決冬季蔬菜北運問題，盡管新疆已興建了幾十萬畝的溫室，然而，新疆地區蔬菜產品僅僅占冬季市場5%左右的消費量。其原因分析為，主要是由于冬季氣候寒冷，陽光不足，設施園藝生產受到很大的限制。其中，土壤溫度較低的問題一直未能得到有效解決。無論是日光溫室、還是傳統的加溫溫室，土壤溫度是通過提高室溫之后，間接地來提高地溫的，因此土壤溫度速度緩慢，熱效率較低。即使在新疆逆溫帶山區的冬季溫室，多數也只能生長葉菜類蔬菜，生產果菜還必須提高土壤溫度才能實現。

本文作者借鑒國外技術，并經過吸收消化，廣泛調研，和征求有關專家的意見，大膽地將地面供暖技術應用到設施園藝中，并通過提高地溫技術，在嚴寒冬季里進行果類及蔬菜類生產，取得意想不到的良好結果，在嚴寒的北方，為解決冬季大棚生產爪果及蔬菜技術，積累了成功的經驗。

2應用地面供暖技術解決的主要問題

我們從2002年起，作者分別在新疆自冶區某地進行現代大棚蔬菜地面供暖試驗。試驗結果表明，將地面供暖技術應用到溫室的反季節蔬菜生產中，在技術上需解決以下幾個問題。

2·1.切實有效地提高土壤溫度，確保果菜類蔬菜生產條件。

在沒有實施該項技術之前，按照傳統的做法是，大棚內的室溫是通過太陽光加熱、再利用火爐或散熱器等熱源補充熱量將棚內加溫，雖然采取以上措施，也只能使溫室內氣溫白天達到12℃左右（陰天），夜間6℃左右，棚內土壤溫度（10～20cm）一般只有9℃左右，棚內在這樣的環境溫度下，僅能滿足一些葉菜類的生長需要，無法達到果菜類蔬菜正常生長發育的溫度要求；另外逆溫帶的溫室都在山區，冬季灌溉水溫一般只有4℃左右，因此澆水后室內地溫過低的問題，已成為制約冬季果菜類蔬菜生長的瓶頸。

2·2分析大棚溫室內地溫不均勻之原因，彌補其缺陷。

由于溫室中栽培床土壤的位置和接受陽光角度的不同，吸收太陽熱量存在差異。而且，南側散熱量較大。于是，溫室的地溫呈現出非均勻性的分布：一般是南面較低，北面較高。為此，必須采取有效的技術措施，才使溫室的地溫達到比較均勻的程度，以保證溫室內的蔬菜作物生長發育相對一致。暖通吧真人網HVAC8.com

2·3創造各種作物根系需要的適宜地溫。

由于各種作物的根系深度和對氣溫及土壤溫度的要求是不同的。從《蔬菜作物主要根群深度及溫度要求表》可以看出，只有人工創造各類作物生長發育所需要的溫度條件，才能滿足各種果菜類蔬菜作物的正常生長發育。

說明: 以上資料引自《中國農業百科全書·蔬菜卷》（1989）數字下有橫線者引自全國高等農業院校教材《蔬菜栽培學各論》（北方本1987）

3主要技術措施及技術指標

3·1技術措施

我們將地面加溫系統最核心的材料PEX交聯管作為加熱盤管，按科學的設計要求，以一定的埋地深度及管間距，鋪設在日光溫室栽培床耕作層的土壤中。通過循環系統使溫水在加熱盤管中流動，將熱量以輻射方式傳遞，達到對土壤加溫的目的。

為了解決日光溫室內土壤溫度不均勻的現象，我們通過對日光溫室熱損失平衡計算，其結果是適當增加地面散熱量較大南側加熱盤管的密度，以其彌補熱損耗。同時，在栽培床四周安裝保溫層，減少熱量散失。我們采用容重為18公斤、厚30mm、高50mm～60mm聚苯乙烯板，接口處用防水膠帶粘接，以減少冷空氣的滲透。

在供暖系統設計中，管理間安裝一定規格的鍋爐，在室內安置可觀察或可調控的設備，如溫度計、調節閥及混水裝置，通過調節供水溫度及流量，達到控制土壤溫度的目的。

3·2各項技術指標比較

3·2·1通過以上技術措施，在特定的設施范圍內，為各類作物創造一個較適宜的生長發育環境，促使作物生長健壯，從而實現較好的經濟效益。采用地暖管材增溫技術后，通過實測得知，在冬季氣溫條件下，日光溫室栽培床土層厚度0～20cm深的土壤溫度可達到16～24℃，平均高出傳統供暖方式（火爐、散熱器）4～8℃。而且，在不同時間及室內不同地點，室溫及地溫的變化相對較小，室溫和地溫溫差較平穩，不但有利于各類園藝作物的生長，而且對能效損失較少。

3·2·2地面供暖增溫技術采用鍋爐加熱循環水，提高了鍋爐的熱效率。據實地測算，首先采用鍋爐及地暖盤管系統供熱比火爐供暖方式可節約煤炭25%左右，另外對碎煤或劣質煤利用價值更高，其次地面供暖增溫不僅僅局限于以煤炭作為熱媒，而選擇更為廣泛的天然氣、太陽能、地熱、電能及沼氣作為熱媒。特別是新疆的畜牧業比較發達，可以利用牲畜的糞便產生沼氣，以沼氣為能源來取暖，廢液和沼氣池渣都是高質量的有機肥料。

3·2·3實踐證實，采用地面供暖增溫技術后，可明顯提高蔬菜作物產量。例如溫室黃瓜產量可提高33.95%，經濟效益提高40.53%。雙孢蘑菇平均增產3.2噸/畝，直接增收達2萬元/畝，經濟效益增加40%以上。櫻桃、番茄產值平均達到11000元/畝，突破了高寒地區冬季不適于種植果菜類的常規。

3·2·4采用地面供暖增溫技術后，由于土壤溫度有了保證，大大促進各種作物根系的發育，從而吸收足夠的養分，促使植株生長健壯，抗病能力增強，養分積累增多，最終其結果是提高了產量，促進了產品成熟期提前。通過幾年試驗結果證明，和普通溫室相比，采用地面供暖增溫的水果、黃瓜采收期提前了5～7天；櫻桃提前了20天；番茄提前了42天；雙孢蘑菇提前了20天。可見，地面供暖增溫的效益是極為明顯的。2005年春季，庫爾勒市菜籃子辦公室就此召開現場會，一些種植戶看到明顯成效后，主動要求應用地面供暖增溫技術。

此外，采用地面供暖增溫技術后，由于土壤溫度的提高，促進了硝化細菌的活性，提高了速效N、P、K養分的分解，增加了土壤肥力。

4技術關鍵、難點及創新性

在溫室內推廣地面供暖增溫技術，由于傳熱介質和滿足傳統室內采暖目的不同，不是把建筑業的地面供暖技術在設施園藝中的簡單移植，其科技含金量要高于建筑業的地面供暖技術。

建筑業的地面供暖系統是將加熱盤管埋設于地板之下，地表面傳熱介質多為砼、面磚、大理石、實木復合地板等，一旦施工和建成后，地表面不會發生其它變化，它的傳熱系數是相對穩定的，有相應的規范及成熟的計算公式，在設計時據計算公式選擇類同材料的數據進行計算即可。

4·1技術關鍵要點

日光溫室中應用地面供暖增溫技術，是作為一種補充供熱的方式，它的主要熱量來自廉價的太陽能，而溫室的吸熱性能又與結構、材料、朝向和保溫措施有密切聯系。況且，我們將加熱盤管埋入土壤中，土壤就是傳熱介質。由于傳熱介質不同于工程建設的地板，不能簡單地套用建筑工程的計算方法，而要充分考慮栽培各類作物生長機理及傳熱介質土壤的物理特性。影響土壤傳熱性能的最主要因素有土壤導熱率、土壤的熱容量及土壤的熱擴散率等幾方面的因素。

土壤的導熱率：土壤吸收熱量后，一部分用于它本身的升溫，一部分則傳送給其鄰近土層。土壤具有吸收、輻射、傳導熱量到鄰近土層的功能，應稱為導熱性。導熱性的大小由導熱率來表示。在單位土層厚度（1cm）、溫差為1℃時，每秒經單位斷面（1cm2）通過的熱量焦耳數（λ），其表示單位是j/㎝2·S·℃。當熱量的傳導由高溫處傳至低溫處時，設土壤或其它物質兩端的溫度為t1、t2，土壤的厚度為d，在一定時間內（T）流動的熱量為Q。則一定時間內單位面積上流動的熱量為Q/A·T。兩端間的溫度梯度為t1-t2/d，故導熱率λ定義為：

單位體積內土壤的組成比例為土壤礦物質40～60%，水和空氣的比例為40～60%。

土壤的熱容量：是指單位質量（重量）或容積每升高（或降低）1℃所需要（或放出）的熱量，一般用C來代表質量（重量）熱容量，Cv代表容積熱容量。

土壤空氣的熱容量很小,故

Cv=1.9Vm+2.5Vo+4.2Vw。

土壤的熱擴散率：是指在標準狀態下，在上層垂直方向上每厘米距離內，1℃的溫度梯度下，每秒流入1㎝2土壤斷面的熱量，使單位體積（㎝3）土壤所發生的溫度變化。

土壤補充熱量的計算，要充分考慮傳熱介質土壤的熱物理特性以及加熱管的埋深、供水溫度和作物的生物學特征，綜合進行考慮。由于土壤是一個可變的介質，土壤中的水、空氣是動態因子，不斷發生變化，因而所計算出的補充熱量也應該是一種動態，不像工程建設中的熱耗相對穩定，需要進行調節。

需要補充的總熱量Q總=Q·104·A（栽培床面積）

由于不同作物對土壤溫度要求不同，依據上述公式中t1-t2/d可知，只要調整土壤兩端的溫度梯度，就可以算出應補充的熱量。當土壤表層溫度t2變化時，土壤底層t1應發生變化。由此可知，在地暖加熱管埋入的深度不變時，通過調整供水溫度或水流量，即可達到調整土壤溫度的目的。

4·2技術難點

日光溫室補充供暖的目的，是要給作物生長創造一個良好的生長環境，最終獲得好的收益。但是，由于不同作物或同一作物在不同生長發育階段對溫度（氣溫、地溫）、水分及養分要求不同，必須隨時進行調整。這就給供暖系統的運行帶來許多麻煩，如在系統中增加調控設備則費用太高，目前只能通過人為觀察來進行調節。

4·3創新性

將地面供暖技術應用到設施園藝中去，新疆地區是首創，根據新疆地區的氣候特點、土壤結構、溫室結構及栽培技術，首先提出了日光溫室補充熱量的計算方法及地溫調節途徑。從而解決了長期以來困繞新疆冬季果菜生產的地溫偏低技術難點。不僅有效解決了冬季居民吃菜難的問題，而且可以增加菜農經濟收入，扶持農民脫貧致富起到了積極的作用。

5效益分析

任何一項新技術的應用，其目的在于獲得良好的經濟效益和社會效益，否則就完全失去推廣應用的價值。

5·1經濟效益：

幾年來通過對試驗溫室的實際測算，與傳統供熱方式（火爐供熱）相比，年純收入幾乎可收回地暖管材增溫的全部投資。項目的效益系數（靜態下）E為0.96，項目的效益費用比R值為10.29，項目的內部回收率（內部報酬率）為95.8%。

5·2社會效益：

日光溫室采用地暖管材增溫技術后，既可提高能源的供熱效率，降低能耗，勞動量投入較少，勞動強度大大降低，同時也使能源多樣化，對缺少燃料的地方，尤其是一般農牧區都可廣泛應用。

在寒冷的北方地區，在推廣地暖管材增溫技術后，可大量進行反季節果菜類、花卉、西甜瓜和水果生產，可為市場提供更多品質優良的地產鮮菜及各類農產品，即可滿足市場的需求，同時增加了菜農的收入，從而開辟了一條新的發展設施園藝使農民致富的道路。

采用地面供暖增溫技術后，溫室內再不會因生火爐而帶來煙霧彌漫、煤灰飛揚的現象，溫室的空氣質量大大得到改善和凈化，從而提高了溫室內的環境質量，這對改善溫室管理人員的工作環境促進人們的身體健康和提高農產品質量都是十分有利的。同時，該項新技術也為溫室作物更好生長創造了一個優良的環境，可提高太陽的光照強度，更有利于作物的光合作用。