用于温室的低温能源有地热水、工业余热和太阳热,其利用方法视回收循环热水中的热的方式而有所不同,有加热种植作物的土壤的,也有加热空气的。土壤里循环供热的热水管和加热空间的“水帘”装置大有前途,但是热的贮藏,无论是短时间或较长时间贮藏,仍然是这些装置共同存在的一个问题。
自1973年石油危机以来,各国科学家已经找到了取代矿物燃料的另外一些能源。关于温室农业,在1977.1978年的两次国际会议上已初步提出了对这个课题的研究结果。在对能量的需要上,生物界优越于其它工业生产,因为多数植物和动物保持最佳生机所需要的温度较低,仅为5 ~ 。所以开发低温热源,使之在改进温室农业中起关键作用不仅是可能的,而且是有前途的。
低温能源及其利用
低温能源有多种,最主要的几种是:低温地热水;发电站和采用冷却系统的其他工业生产中排出的热;受控的太阳热。
在三种能源的利用中,首先选择水作贮藏热和传送热的媒介物,故温室种植的保温方法无论是通过土壤或是通过空气,都是采取热水循环而由水面放出热的方法。
本文将不详细介绍热水源的来源和可获量,也不介绍现有的低温能源或新能源在温室农业中综合利用所引起的经济、地理和社会性的问题。但是将集中介绍与利用低温能源有关的一些方法和园艺问题。这里说的低温能源的利用是指可把地热水和冷却系统排出的余热一起考虑。本文将介绍把内格尔沙漠的大量地热水(40°C)用于温室农业的一些方法,同时对收集太阳能方面提出一些见解。
地热水
土壤加热
在温室中利用低温热水加热土壤似乎是最简单、最廉价的方法。内格尔大学已经研制了一个土壤加热系统。此系统是由埋在地下深30 ~ 70厘米的管道(最好用塑料的)组成的热水循环管道网路,使土壤保持温度25°C(即比没有加热的土壤温度高11°C)所需要的能为20瓦特/平方米。
根据尼尔森、汉弗莱斯和库珀的评论,显然单是植物根土温度本身或者根土温度和空气温度共同对植物的生长和产量的影响不为人们所知。然而却有如下一些报道:
1. 土壤加热能完全代替空气加热;2. 部分代替空气加热;3. 在初春能加速作物生长,使作物较早成熟;4. 对某些纬度和高度地区的喜热作物的生长有促进作用,这些地区的土壤整年都是以低温为主,这是限制作物产量的一个因素。我们知道,作物对土壤加热的反应存在显著的差异。如哈塞马指出,土壤温度升高超过20°C时,西红柿的产量没有增加,而帕斯特纳克和雷珀波特指出,土壤的温度增加到30℃时,黄瓜的产量却增加了。
虽然目前关于植物根土温度对农作物产量的影响的认识还是有限的,但是可以预料,如果更广泛地使用土壤加热的话,必将找到进一步使用它的新方法。
空间加热
利用温度较低的水通过传统的加热系统来加热温室的空间不是经济可行的。因此需要研制另一种系统。目前正在进行研究的主要有下面三种:
一、直接接触系统
在此系统中,水流进一冷却塔,温室的空气在水面不断地循环。
二、强制对流系统
在此系统中,温室里的空气用大功率风机强制吹过热水介质的热空气循环对流加热器。
三、水帘系统
此系统是热传递与比较大的、廉价的热交换器辐射热相结合的系统。热交换器可用双层塑料帘垂直悬挂于温室内,也可用透明双层塑料板做成温室的屋顶。在这两种结构中都是温水在两层塑料中间流过。水帘系统与加热温室里的空气的其他系统相比较,采用水帘系统时,叶子的温度更好控制。在培植甜瓜的水帘温室里测量了空气和叶子的温度,详细试验结果见表1。从表中看出,空气温度相同时,在有水帘的温室里,叶的温度比控制的(没有水帘的)温室里的叶的温度高3℃。
现在可以对上述三个加热系统里的空气循环和水循环所需的能进行比较。表2介绍了在下列情况下,叶的温度为17℃时,各系统需要输入的能量的估算值:户外温度为10°C;气温为温室屋顶由硬的双层聚碳酸酯板建成。在直接接触系统和水帘系统里,初始温度为40°C的热水先通过埋在地里的管道网路进行循环,然后变成35℃或21℃的水来加热空气;在强制对流系统中,水首先用来加热空气。
许多理由说明,在内格尔的一些试验中水帘系统是值得推荐的。水帘系统循环所需要的能量仅仅只有其它两个系统的1/10。由于叶子的温度等于或高于空气温度,所以叶子始终是干燥的。
试验条件:两个温室都有聚乙烯薄膜覆盖的屋顶;两个温室基本相同,只是水帘温室里,温水膜可在玻璃和塑料之间流过;温度由红外线温度计测定;日期,时间——1980年9月30日下午8.30点;户外温度11.5℃。
在白天可采用水帘系统使温室空间变冷;往双层屋顶里通以冷水膜便可实现冷却。另外,水帘可控制叶的温度。
与修建普通温室的成本相比,水帘系统修建的成本低。
贝尔 - 谢瓦水帘系统尚处于研制阶段。在投放市场之前,有几个技术问题还需要解决。
使用水帘系统的经验
在水帘系统中适宜于使用双层聚碳酸酯板。双层板内部用蜂窝结构,其中垂直隔板之间的距离取4 ~ 10毫米。双层板的末端粘接在分配管上,水从屋檐朝屋脊循环。由于系统中始终是负压,所以可以避免水渗漏。
土壤增加的温度(25℃)对环境空气温度的影响小。因此,需要装配两个单独的系统:一个是土壤加热系统;一个是空气加热系统。
经计算,抽到屋顶的水,其温度应比室内需要的空气温度稍高一点(2 ~ 6℃)。水的循环速率是20 ~ 60升/平方米 · 小时,从屋顶流出的水温比室内空气温度稍低(1 ~ 2℃)。为了使上升的水温稳定,把系统里的水放出一些,然后用温水补充。用此法,在以色列的冬季可用低温水为黄瓜夜间加热。这项作业释放的能为150瓦特/平方米,此值接近于表2介绍的估算值(110瓦特/平方米)。
白天水帘的冷却作用是有效的。春天,有水帘的温室的最高温度比控制的(没有水帘)温室的温度低5 ~ 7。
太阳能
可以说太阳能是具有相当大吸引力的可代用的能源。在干旱、半干旱地区尤其是这样。在这些地方,为了满足整个夜晚加热的需要,冬季晴天收集并贮藏大约20%的太阳光辐射热就足够了。但是热的收集和贮藏仍然是有效地利用太阳能加热的一个核心问题;传统的加热系统是用玻璃覆盖的黑色集热器,这种系统和水贮藏系统的成本极大,原因是集热面积大(是加热面积的1/4),而且所需要的贮水容积也大(400 ~ 500升/平方米)。
第三个问题是能量长期贮藏的问题。由于收集太阳能的效率低,不可能在冬季较短的白天(特别是阴天)收集足够的热来满足夜间加热的需要,因此需要一个普通的备用系统或一个可以供长期贮藏的代用系统。目前正在探索能解决这些问题的办法。
热的收集
水帘 可起集热器的作用。达马格内茨等人在水帘里加了一定的化学物品(滤光物),这些化学品可以透射可见辐射,但是却吸收了大部分长波辐射(太阳能的50多左右是在长波带里)。
太阳池 既可收集又可贮藏太阳能,这些太阳池由两层水组成。下层是高浓度的盐,比重大;上层形成浓度梯度,向太阳池表面层的相间逐渐减弱。因为没有循环,所以这种梯度不发生对流变化。这样才能把太阳能(主要在可见范围内)收集贮藏在底层。
冷却塔扎米尔和莱瓦尔的冷却塔系统用于收集温室空间的湿热。在此系统(水 - 太阳温室)中,热贮藏在有丰富营养素和温室地板的水池里。作物直接生长在有营养素溶液的水池上。
贮藏
可以贮藏太阳热的介质有三种,现简介如下:
1. 水贮藏
达马格内茨等人的系统或水 - 太阳能温室都可用来短期(白天 - 夜晚)贮藏热水。而太阳池则短期和长期贮藏都可以。还有一种是可以在浅蓄水层收集和贮藏全年的太阳能,此系统也适用于温带地区。
2. 土壤贮藏
初看起来土壤似乎是有前途的贮热介质,但是并非如此。主要原因是:(1)土壤的热容量低(大约为5000瓦特 · 小时/度 · 立方米),(2)它的传导性差。
3. 水合盐贮藏
某些水合盐的混合物,如结晶硫酸钠(Na2SO2 · 10H2O),它可在室温下从液态变为固态。固化作用是一个放热过程,而液化作用是一个吸热过程。这些混合物的潜热值为60 ~ 180瓦特 · 小时/升。使用的潜热值为80瓦特/升时,经计算,一升盐可以置换14升水作为贮藏介质。如果能研究出廉价的盐溶液,那么用这样的盐混合物将是解决热贮藏问题的一个非常重要的方法。
简单地说,在能够作为温室加热用的许多可供选择的能源之中,看来水帘系统是利用低温水的一个很有发展前途和当前能够实现的方法。太阳能系统在较低纬度和冬季有晴朗天气的地方更有效,而且最终可以在温带使用长期储热系统,但是,阻碍他们发展的主要障碍是贮藏问题(短期和长期贮藏),在这个问题还没有找到一个经济可行的办法时,太阳温室还不能成为现实。
[Outlook on Agriculture,1982年11卷1期]