王 彥，羅文杰，蘇 劍，劉 濤，齊新洲，張彩虹，王國強（新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所，烏魯木齊 830091）

隨著“菜籃子”工程的實施，日光溫室得到廣泛應用，它對豐富老百姓的菜籃子、改善老百姓生活、解決北方冬季吃青菜難問題、繁榮農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)揮著重要的作用。但是在新疆北緯43°以北的大部分地區(qū)，冬春兩季氣溫低，不僅大田無法進行生產(chǎn)，就是日光溫室內(nèi)無供暖的情況下，也只能生產(chǎn)耐寒性強的蔬菜[1]。這不僅影響了菜農(nóng)的經(jīng)濟效益，也增加了消費者的負擔。因此，為保證北疆地區(qū)冬季新鮮蔬菜供應，日光溫室內(nèi)供暖設施與設備的研究一直是重要研究內(nèi)容[2]。目前，新疆北部地區(qū)的日光溫室多為土木結構，覆蓋材料簡陋，隔熱防寒、保溫蓄熱、采光通風性能均很差。冬季生產(chǎn)中，要確保日光溫室作物的正常生長發(fā)育和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，還需進行少量適當加溫，實際上北疆寒冷地區(qū)的一些日光溫室冬季作物生產(chǎn)已經(jīng)應用了簡易磚砌爐來給溫室加溫。生產(chǎn)實踐表明，簡易磚砌爐加溫提高了日光溫室冬季作物的生產(chǎn)效益，但也存在很多問題。簡易磚砌爐由于爐膛較小，燃燒不充分，熱量往往積聚在煙道周圍，熱量不易對流，室內(nèi)溫度不均，熱效率低，而且爐煙污染較嚴重。目前，日光溫室升溫方式主要有爐火加溫、鍋爐加溫、電加溫及熱風爐加溫等[3]。針對新疆北部寒冷地區(qū)日光溫室加溫設備落后、能耗高、排煙污染嚴重，市場上出現(xiàn)了多種加溫設備，從加溫效果和經(jīng)濟效益綜合來看，燃煤熱風爐加溫的效果是日光溫室加溫的最佳形式之一，也是近年來發(fā)展較快的一種加溫形式[4]。

熱風爐形式

熱風爐是通過燃燒后將空氣加熱，提升空氣溫度，將燃料的熱能輸出到空氣中的環(huán)境加溫設備，主要由燃燒室和熱交換器構成。常見的熱風爐主要分為燃煤熱風爐、燃油熱風爐、燃氣熱風爐、生物燃料熱風爐、電熱風爐等[5]。熱風爐最主要的部件是換熱器，按照換熱器的結構形式劃分，可分為列管式換熱器和板材排列式換熱器。熱風爐的結構形式主要分為兩種，立式熱風爐和臥式熱風爐。新疆日光溫室冬季越冬生產(chǎn)主要的加溫方式有土制爐加溫、暖氣加溫、熱風爐加溫等。與土制爐相比，熱風爐加溫節(jié)省能源、熱效率高、操作方便、節(jié)省人力。與前期投入大，安裝復雜的暖氣相比，熱風爐前期投入小，安裝簡便，操作難度小，適合普通農(nóng)戶使用。熱風爐加溫有五大優(yōu)勢：①沒有水循環(huán)系統(tǒng)，主機產(chǎn)生熱風后通過風道直接輸送到溫室的各個角落，不需要水循環(huán)系統(tǒng)，因此就沒有冬天冰凍、水管結垢以及滲漏等問題；②安裝適應性強，主機采用立式安裝，全部操作在室內(nèi)就可以完成；③節(jié)約運行費用，可以按照用戶的個性化需求進行，溫室溫度高低可以自動獨立調(diào)解，在暫時不需要加熱時可以關閉系統(tǒng)，從而節(jié)約運行費用；④熱風爐為常壓運行，安全可靠，采用強制排風以及新風換氣系統(tǒng)，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量；⑤燃料價格低（相對電加熱方式），熱風爐輸出干熱空氣，可將室內(nèi)濕度降低60%～70%，使病菌處在不利于孢子發(fā)芽的濕度下，從而抑制各種病害的發(fā)生和發(fā)展。熱風爐的優(yōu)點使其成為溫室供熱設備的首選，也在日光溫室中越來越廣泛地應用。

燃煤熱風爐現(xiàn)狀與問題

根據(jù)新疆自然資源結構特點，目前新疆日光溫室加熱設備主要以燃煤熱風爐為主。盡管新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所對燃煤熱風爐的研究相對較晚，但起步較高，更新?lián)Q代、發(fā)展的速度很快。目前已經(jīng)研制出了第四代燃煤熱風爐，采用立式結構，爐體由鋼板焊接而成，集燃燒與換熱為一體，減少了熱量損失，具有升溫快、節(jié)省燃料、污染小的優(yōu)點，目前已達到國內(nèi)領先水平，熱效率達到65% 以上。以新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的5LDRF-4 型溫室專用燃煤熱風爐為例，該款熱風爐熱效率高、操作簡單，燃燒充分，每667 m2日光溫室僅需使用一臺就能使溫度提升5～11℃。同樣以北疆烏魯木齊市周邊日光溫室為例，冬春季加溫時間長達4～5 個月，每667 m2溫室年耗煤量僅10 t 左右，相對于簡易磚砌爐節(jié)省煤20 t，節(jié)省開支4000 元左右，顯著增加了農(nóng)民的經(jīng)濟效益，減少了空氣污染。但燃煤熱風爐存在兩個問題：①工作強度大。使用5LDRF-4 型溫室專用燃煤熱風爐，每667 m2日光溫室每晚需加煤5 次，因此一人整晚僅能管理2 座面積為667 m2的日光溫室，勞動強度大，整晚無法休息。因此迫切需要研發(fā)一種自動完成加煤的裝置來解決工作量大的問題。②燃燒不穩(wěn)定。燃燒室加滿煤后，短時間內(nèi)煤塊無法迅速燃燒，在此期間換熱室溫度會迅速降低，當燃燒室的煤塊全部起火后，換熱室的溫度又會過高，會對換熱管的使用壽命造成影響。

自動加煤機的設計與研制

為解決加溫時工作量大的問題，新疆農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)機械化研究所開發(fā)出可以為熱風爐持續(xù)加煤、加煤量、加煤速度可控的自動加煤機。研發(fā)的智能型熱風爐自動加煤機通過二級送煤輥機構，實現(xiàn)儲煤斗內(nèi)煤的送煤和停止，并利用滑道和火膛推煤機構實現(xiàn)向爐膛中心自動加煤。自動按需加煤，控制其加煤頻率和加煤量，節(jié)煤并提高熱風爐的燃燒效率，自動按需加煤代替了人工勞動。

送煤滑道傾角試驗與計算

散煤與鋼板間的外摩擦系數(shù)可由庫倫公式求得：

散煤內(nèi)部的內(nèi)摩擦系數(shù)可由庫倫公式求得：

式中：ζ——煤塊的外摩擦系數(shù)

μ——煤塊的內(nèi)摩擦系數(shù)

iσ——橫向力

Ci——縱向力

Φ——滑道角度

試驗測得煤塊的外摩擦系數(shù)為0.7，摩擦角35°，煤塊的內(nèi)摩擦系數(shù)為1.4，為保證各種煤型的順利加速滑落和減小設備進出口間的高度差，取出煤滑道的傾角為45°為宜（圖1）。

圖1 煤塊極限剪切應力與垂直應力的關系

將制作好的樣機與熱風爐對接后進行了燃燒試驗，出現(xiàn)以下問題：①煤塊流動性差，加煤機運行一段時間后容易被煤塊卡死無法繼續(xù)送煤；②煤塊較大時送煤力量不足，煤塊堵在熱風爐進煤口處無法繼續(xù)加煤；③碎煤較多時，送煤輥與煤塊之間打滑，無法繼續(xù)送煤的情況；④加煤機長時間運行后煤塊大量堆積在熱風爐進煤口，易出現(xiàn)熱風爐燃燒室的爐火引著了進煤口煤塊的危險。

首創(chuàng)二級送煤輥自動加煤、振動落煤機構

針對試驗過程中出現(xiàn)的問題，研究團隊進行了試驗優(yōu)化，研制出了二級送煤輥（圖2）自動加煤、振動落煤機構。二級送煤輥的作用是控制儲煤斗內(nèi)煤的輸送和停止，振動器（圖3）的作用是煤炭在輸送過程中出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，通過振動讓煤塊分離，并利用滑道和振動機構實現(xiàn)向爐膛中心自動加煤的目的。從而實現(xiàn)了自動加煤機（圖4）穩(wěn)定、安全、加煤量可控的向熱風爐中持續(xù)送煤。樣機與技術參數(shù)見表1。

圖2 二級送煤輥

圖3 振動器

圖4 燃煤熱風爐自動加煤機

表1 燃煤熱風爐自動加煤機技術參數(shù)

使用效果試驗

2021 年3 月11 日，在新疆烏魯木齊西山農(nóng)場兩座長80 m 的日光溫室中進行一臺燃煤熱風爐自動加煤機與四座磚砌土爐進行對比實驗，測試數(shù)據(jù)如表2。表2 中的數(shù)據(jù)試驗從22:00 加溫至次日6:00。

表2 對比測試數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)顯示，使用一臺燃煤熱風爐自動加煤機的日光溫室夜晚平均溫度為16.1℃，使用4 座磚砌土爐的日光溫室平均溫度為14 ℃，使用燃煤熱風爐自動加煤機的日光溫室比磚砌土爐溫度高2.1℃。燃煤熱風爐自動加煤機整晚只需加煤一次80 kg 即可，中途不需加煤。磚砌土爐每2 h 需加煤1 次，每次需加煤6 kg，4 座需加煤24 kg，整晚需加煤120 kg。相同條件下燃煤熱風爐自動加煤機對比磚砌土爐每晚可節(jié)煤40 kg。因此，數(shù)據(jù)顯示采用燃煤熱風爐自動加煤機為日光溫室加溫具有熱效率高，節(jié)約煤資源的特點。而與此同時，熱風爐自動加煤機采用風機輸風，溫室內(nèi)的相對濕度也很均勻，變化不超過10%。

經(jīng)濟社會效益

用戶投資效益分析

用戶使用熱風爐及自動加煤機可使溫室內(nèi)溫度提高5～10℃，濕度降低20%～30%，產(chǎn)量明顯增加，病蟲害明顯減少，大大提高了產(chǎn)品品質(zhì)，每棚將增加產(chǎn)值6000～12000 元。熱風爐及自動加煤機的應用大大減輕勞動強度，節(jié)本增效。按照每4 座棚一位值班人員計算，節(jié)省夜晚值班人工費3000 元/ 月，按冬季加溫3 個月計算，可節(jié)省人工費2250 元/ 棚，棚均節(jié)本增收2550～2850 元。

熱風爐及自動加煤機生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益分析

按企業(yè)生產(chǎn)銷售7420 臺熱風爐自動加煤機，每臺售價6000 元計。

①銷售收入=4452 萬元

②成本費用=材料費＋廠房設備折舊費＋工資費＋水電費＋銷售服務費=2328.69 萬元

③增值稅=銷售稅－進項稅=487.49 萬元

④銷售利潤=銷售收入－成本費用－增值稅=1635.81 萬元

⑤凈利潤=銷售利潤－企業(yè)管理費－財務費（銀行貸款額× 利率＋其它費用）=1563.1萬元

結論

熱風爐及自動加煤機在全新疆范圍內(nèi)推廣，對溫室冬季補溫，提高冬季設施蔬菜、瓜果產(chǎn)量和品質(zhì)，促使果蔬作物提早上市、增加農(nóng)民收入起到非常重要的作用。溫室增溫自動化、智能化是廣大用戶在生產(chǎn)中的迫切需求，對于節(jié)省勞動力，降低勞動強度和生產(chǎn)成本，科學調(diào)節(jié)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境溫度，都有著極大的幫助。