山东 寿光的蔬菜生产用日光温室大棚
沼气在我国农村地区是一种非常容易获得的能源，具有 制取技术简单、成本低廉的特点,而且可充分利用农畜产品生产过程中的废弃物。在能源短缺严重,环保要求日益增强的情况下,用无污染的沼气代替煤炭能源为温室大棚供热是最佳的选择。
本文对北方地区沼气加热的蔬菜温室大棚进行设计，目的是解决温室大棚加热能源的优化替代问题,促进沼气应用技术的推广。
一、温室大棚的设计
1、总体布局
如图1所示,温室大棚由工作间、值班室和主体栽培区3部分组成。工作间放置沼气燃烧锅炉、缓冲罐和压力水箱;值班室内引入沼气，供给炉灶和沼气灯使用；主体栽培区的主加热系统为沼气锅炉热水采暖系统，由20个沼气池、10个沼气灯、20个散热器组及沼气、热水进出管路等组成。辅助加热系统为地下热交换系统和后墙毛石贴面热平衡系统组成。地下热交换系统由埋在地下的通风换气管道、轴流式风机、控制线路等组成。
2、温室几何参数
如图2所示，温室大棚为坐北向南单栋单坡日光温室，跨度7m，后墙高为3m，共20开间，每开间3m，总长为60m。由于该温室大棚是栽种蔬菜，不种植高秆作物，不用选择较大的跨度。温室大棚长度一般以60m左右为宜，若长度过小，两端山墙遮阴面积相对较大，影响产量且单位面积造价增加;若长度过大则管理不便，当温室大棚长度超过60m时，还要在北墙做变形缝，建筑难度和成本增大。
3、温室大棚加热设施
在冬季，温室大棚加热设施由沼气加热系统、地下热交换系统和后墙毛石贴面热平衡系统3部分组成。温室大棚白天采用太阳辐射热能，夜晚以沼气加热系统为主，地下热交换系统和后墙毛石贴面放热为辅。
（1）、沼气加热系统
沼气加热系统由沼气池、沼气锅炉热水采暖系统组成。沼气池选用曲流布料沼气池中的B型6m3的沼气池，内径为2.4m，壁厚为80mm。每间温室大棚中布置1个沼气池，沼气池进料口在温室大棚后墙外，紧靠后墙位置；中心管口在人行道上(靠近后墙），不占用多余的地面；出料口在温室大棚中，以方便沼气池出料，原地使用沼渣、沼液，节约成本，且由于沼气池在温室大棚内，环境温度高，出气量较大。每个沼气池的出气管在地下安放，将各个出气管再接在一个总输气管上，出气管通过后墙由总管道引入工作间，经缓冲罐后再次引到北墙外，经空压机后接入压力贮气罐，通过压力贮气罐引入工作间，供给锅炉和沼气灯。
沼气锅炉热水采暖系统是以热水为热媒的采暖系统，由提供热源的燃气(沼气)热水锅炉、热水输送管道、循环水泵、散热器以及各种控制和调节阀门等组成。该系统由于供热热惰性较大，温度调节可以达到较高的稳定性和均匀性，热损失较小，运行较为经济。散热器布置在温室大棚后墙，离墙距离为30mm，此时的传热量最好，墙壁的吸热也最少。
在温室-沼气生态系统中，共选用10盏沼气灯，即每42m2(每2间）布置1盏;在工作间和值班室中各有1盏沼气灯，为工作间和值班室提供照明；在卧室中还有1个沼气灶，供工作人员做饭。温室大棚中沼气管道由温室大棚墙底下引进，在地下的沼气管道有保护措施(外套铁管）。
（2）、地下热交换系统
地下热交换系统是辅助采暖系统，在温室大棚地下0.6m处沿温室大棚长度方向平行埋设3根管径为100mm的PVC单壁波纹管管道，管间距0.8m，在管道中部开口处安装轴流式风机。白天温室大棚内气温高于作物生长温度（20-25℃)时，启动风机抽吸室内热空气使之从地下管道流过，向土壤内贮热并降低温室大棚内气温;夜间温室大棚内气温低于作物生长温度(8-12℃)时，启动风机使室内冷空气从地下管道流过，土壤加热气流，加热热量随气流补充至温室大棚内，提高温室大棚内气温,从而起到平衡白天与夜晚的温差的作用。为使管道两端土壤贮放热均匀，提高换热效果，采用正、反特性相近的双向轴流风机，交替正、反送风。风机直径400mm，设计风量为4265m3/h，全压约为285Pa，配用电动机功率1.1kW。风机布置在温室大棚中央，进出管口布置在两侧靠近山墙处。
（3）、温室后墙毛石贴面热平衡系统
温室大棚内后墙表面采用毛石贴面，利用石料热容量大的特性在白天温室大棚室温较高时吸收温室大棚内热量，晚上温室大棚室温较低时放出热量，平衡温室大棚内日夜间的温度差。
二、温室大棚的设计计算
1、温室大棚的结构设计计算
主要计算温室大棚受拉、压、弯、扭各构件强度、刚度、稳定性。在计算中除构件本身重力外，应特别注意计算风载、雪载对各构件的强度、刚度、稳定性的影响。通过计算选择满足要求的材料建设温室大棚。
2、温室大棚的热工计算
温室大棚的热工计算是设计温室大棚加热系统的关键。计算项目有白天温室大棚内外的热量交换、晚上温室大棚的散热量、晚上温室大棚需要沼气加热补充的热量等。
（1）、白天温室大棚的热交换计算
白天进入温室大棚的热量主要是太阳光通过玻璃窗进入的辐射能，北方冬季太阳辐射的热流密度大约为q=700W/m2，据此推算出白天进入温室大棚的热量约为：
（2）、夜间温室大棚的热交换计算
由于夜间没有太阳辐射能的供给，温室大棚室外温度下降较大，通过温室大棚墙体、玻璃窗向外热传导导出的热量比白天多，要维持夜间温室大棚内的温度在作物生长的范围内，必须使沼气锅炉热水采暖系统提供热量来加热温室大棚。采暖系统提供的总热量一部分维持夜间温室大棚内温度在作物生长的温度范围内，另一部分会通过温室大棚墙体、玻璃窗导出流失，所以采暖系统提供的总热量应根据夜间热散失量和夜间维持温室大棚内的作物生长的温度来计算(对地下热交换系统、后墙毛石贴面热平衡系统的热平衡及夜间温室大棚向外的热辐射均以系数μ的形式代入计算）。
用夜间该地区温室大棚室外平均气温和温室内作物生长
三、北方温室蔬菜大棚沼气加热增效益分析
与其他热源加热温室大棚相比，沼气加热蔬菜温室大棚的初期投入相对较大，这主要花费在沼气加热系统的建设上，但在运行过程中会逐渐体现出其节能、环保、生态化的优势，该温室大棚在以下几方面具有明显的生态效益和经济效益。
1、节能效益
节能是沼气加热蔬菜温室大棚主要优点。按2006年建设成本，建1个6m3沼气池平均造价约1000元，使用寿命为15年，每年折旧67元。沼气池年产沼气220m3，相当于220kg原煤，按原煤2006年4月平均价格350元/吨计算，折款77元。同时，1个6m3沼气池1年积优质沼肥3500kg，按肥效替代化肥，可节省化肥开支约250元，2项共节约资金327元。扣除折旧，每个沼气池节能效益达260元。该温室大棚共建设20个6m3沼气池，每年节能效益5200元。地下热交换系统、后墙毛石贴面热平衡系统一个冬季节煤约2700kg，节能效益为945元，2项共计6145元。且随着世界性的能源短缺，煤炭、石油产品和电力的价格上涨，该温室大棚的节能效益会愈加明显。
2、环保效益
石油产品、煤炭，特别是劣质有烟煤燃烧后要排出大量的烟雾、粉尘和有害气体,造成蔬菜产品和周围大气环境的污染，而沼气燃烧后无此弊病,所以，用沼气作替代能源具有很好的生态和环保效益。
3、沼渣、沼液的施肥植保效益
沼渣、沼液是一种很有效的有机肥料和“生物农药”,通过浸种、根施和叶面喷施,既可促进蔬菜的生长发育,又对蔬菜的病虫害有一定的杀灭、抑制和缓解作用。叶面喷施沼液可减少甚至取消蔬菜生产过程中化学药品的使用，既降低了生产成本,也为温室大棚无公害绿色蔬菜生产创造了条件。
（作者：韩少平 田斌 王红丽 北方温室大棚建设网）
