趙永旺，車業(yè)貴，管遠紅，蘇曉健，陶 靜，石敏慧

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

0 引言

近年來，我國畜禽養(yǎng)殖方式從散養(yǎng)戶為主體發(fā)展到規(guī)模化、集約化模式，在專業(yè)化程度和規(guī)模上都有極大的提升。畜禽養(yǎng)殖設(shè)備在不斷更新，自動化程度越來越高，但畜牧生產(chǎn)中冬季采暖仍在使用傳統(tǒng)的高能耗、高污染的加溫設(shè)備，在如今低碳環(huán)保的綠色發(fā)展理念下，畜牧業(yè)采暖模式急需變革。石墨烯電熱膜具有節(jié)能環(huán)保、升溫快、功率穩(wěn)定、使用壽命長、發(fā)熱更加均勻和安全等特點，可以替代傳統(tǒng)加溫設(shè)備，在畜牧業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。

1 畜牧業(yè)采暖面臨的問題

在畜禽養(yǎng)殖過程中，畜禽舍的溫度是決定畜禽生長的重要因素。寒冷季節(jié)，家禽育雛舍、母豬產(chǎn)房及仔豬保溫箱等都需要消耗大量的能源來維持畜牧生產(chǎn)所需的溫度。目前，畜牧業(yè)常見的冬季采暖熱源形式主要有燃煤鍋爐、燃油熱風(fēng)機、燃氣鍋爐、生物質(zhì)燃料等。

燃煤鍋爐加熱速度快，運行成本低，但是需要專人看守且溫度不好控制，不利于畜牧業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。由于環(huán)保原因，目前絕大部分地區(qū)已經(jīng)禁用燃煤。燃油熱風(fēng)機升溫迅速，但運行成本高，使用中還存在溫差大的問題，所以一般養(yǎng)殖場都用作應(yīng)急備用。燃氣鍋爐與用電比成本相對較低，但養(yǎng)殖場位置偏遠，難以鋪設(shè)天然氣管道，冬季可能存在供應(yīng)不足的問題。生物質(zhì)燃料價格跟煤差不多，不過熱值不及燃煤的2/3，且易受潮、不耐燒，增大取暖工作量。這些傳統(tǒng)加溫模式普遍存在運行成本高、熱效率低、溫度不穩(wěn)定及環(huán)境污染等問題。

2 清潔能源在畜牧業(yè)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

由于當(dāng)前嚴峻的能源形勢和嚴厲的環(huán)保政策，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推廣清潔能源的生產(chǎn)和使用勢在必行，畜牧業(yè)增溫設(shè)施的改進及推廣迫在眉睫。在“碳達峰、碳中和”計劃的新形勢下，各地畜牧工作者也在積極探索實踐各種新型高效節(jié)能的加溫模式，促進畜牧業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展，助力實現(xiàn)碳達峰、碳中和。

李俊營等[1]研究了利用地源熱泵系統(tǒng)供暖的密閉式雞舍環(huán)境參數(shù)變化和雛雞生長發(fā)育情況，證明采用地源熱泵系統(tǒng)供暖能夠滿足蛋雞育雛的要求，但應(yīng)加強管理，采取必要措施提高雞舍的相對濕度。周曉容等[2]為研發(fā)更為合理有效的斷奶仔豬保溫設(shè)備，提高養(yǎng)豬效益，采用遠紅外碳纖維發(fā)熱板加熱、溫控器控溫以及木箱箱體和聚氯乙烯門簾保溫組合方式對普通仔豬保育箱進行了改進，并通過對比試驗考察該設(shè)備的應(yīng)用效果。結(jié)果表明，改進后的保育箱可顯著提高斷奶初期日采食量，具有提高仔豬日增重、免疫力，降低仔豬腹瀉的趨勢，升溫和保溫效果明顯，節(jié)能高效，具有較大的推廣應(yīng)用價值。胡陳明等[3]研究煙道加熱、水暖加熱和空氣能做育雛加熱系統(tǒng)對優(yōu)質(zhì)肉雞育雛生產(chǎn)的影響。證明空氣能熱泵升溫速度最快、溫度分布均勻性好，雛雞均重高、生產(chǎn)性能好，對工作人員及環(huán)境不會產(chǎn)生其他危害，運行成本最低，但前期投入更高，對有一定規(guī)模的育雛廠來說是一種較好的育雛加熱模式。蔣青榮等[4]以石家莊峪口禽業(yè)有限公司為例，統(tǒng)計分析了空氣源熱泵系統(tǒng)在現(xiàn)代化大規(guī)模雞場中的供暖情況及其經(jīng)濟性。結(jié)果表明，空氣源熱泵熱水機組與地暖及風(fēng)盤結(jié)合形成的空氣源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代化大規(guī)模蛋雞育雛場中，既可以滿足雞舍的供暖需求，又可以降低成本、保護環(huán)境、節(jié)省能源。

以空氣能熱泵為代表的新型清潔能源設(shè)備在一些養(yǎng)殖場已有安裝使用，但受限于前期購買設(shè)備投入較大，以及設(shè)備啟動時電網(wǎng)負荷過重，需改造變壓器等問題，在畜牧業(yè)中普遍推廣應(yīng)用存在一定難度。

3 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)的應(yīng)用前景

3.1 石墨烯電熱膜性能

石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認為是一種未來革命性的材料[5]。石墨烯電熱膜是以石墨烯為加熱體通電后可產(chǎn)生熱能的聚酯薄膜柔性發(fā)熱器件[6]。石墨烯電熱膜具有升溫快、熱效率高、功率穩(wěn)定、發(fā)熱均勻、安全、使用壽命長等優(yōu)點。

3.1.1 熱效率高，節(jié)能

石墨烯有效電熱能總轉(zhuǎn)換率達99%以上，通電后能將電能幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，且在實際工作條件下功率低，耗電少，是目前所有電采暖系統(tǒng)熱轉(zhuǎn)化效率最高的，與傳統(tǒng)鍋爐相比可節(jié)省 30%～50%的能耗[5]。其每升高 1℃可節(jié)約成本 0.2～0.5元(空調(diào)供暖最不理想)，且在 22℃～28℃，其維持消耗最少，極大地促進設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

3.1.2 升溫快，發(fā)熱均勻穩(wěn)定

石墨烯材料具有超強的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，能在通電幾秒內(nèi)迅速升溫，室內(nèi)達到適宜溫度只需十幾分鐘，而傳統(tǒng)水暖至少需要6 h的預(yù)熱時間。石墨烯膜是整體面狀發(fā)熱，即使某處破損也不會形成斷路，發(fā)熱更加均勻、穩(wěn)定。電熱膜擁有自限溫特性，即使溫控器在失靈狀態(tài)下，電熱膜本身也不會出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，使用更安全。

3.1.3 安裝便捷，維護成本低，綠色環(huán)保

石墨烯電熱膜可以根據(jù)使用場地、使用功能、使用目的不同，與各種材料相結(jié)合，制定不同類型的石墨烯發(fā)熱產(chǎn)品，具有安裝便捷、占用空間小、通電即可發(fā)熱等特點，可以滿足各種設(shè)計需求。電熱膜智能化控制，無需專人看守，節(jié)省了人工成本。電熱膜防水，耐腐蝕，使用壽命長達50年，運行過程中不產(chǎn)生噪聲和有害污染物，穩(wěn)定可靠，維護成本很低。

3.1.4 遠紅外功效

石墨烯電熱膜通電后能釋放6 ～15 μm的遠紅外波長，該波長與生物體波長接近，被譽為生命之光。遠紅外波可與機體細胞形成“分子共振”和“內(nèi)熱效應(yīng)”，不僅具有體感溫度高和促生長功效，還能夠改善機體血液循環(huán)、增強新陳代謝、激活生物分子活性、提高免疫功能。

3.2 “石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”共贏模式

我國對石墨烯產(chǎn)業(yè)極為重視，石墨烯產(chǎn)業(yè)已經(jīng)被列入《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》和“中國制造2025”重點發(fā)展領(lǐng)域之一，一批石墨烯產(chǎn)業(yè)園紛紛涌現(xiàn)。 隨著石墨烯基礎(chǔ)研究的不斷突破，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也在不斷拓展，并逐漸延伸到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。王建軍等[7]驗證和評價了石墨烯遠紅外電暖在集約化育苗中的實際應(yīng)用效果，證明石墨烯電暖與燃煤鍋爐水暖安裝成本相當(dāng)，石墨烯電暖升溫迅速且均勻，可節(jié)省能耗30%～50%。曹新紅等[8]通過供暖試驗對比，證明石墨烯電熱膜是一款符合“碳達峰、碳中和”需求的清潔能源采暖材料，其在升溫速度、熱量分布合理性、體感舒適性等方面具有較大優(yōu)勢。劉旺等[9]利用相變材料和石墨烯電加熱技術(shù)進行日光溫室增溫對比試驗，探索綠色高效的冬季日光溫室增溫技術(shù)。研究結(jié)果表明，加裝石墨烯設(shè)備的溫室一天內(nèi)溫度變化最小，連續(xù)極端寒冷天氣時，石墨烯電加熱設(shè)備比相變材料增溫效果明顯。

綠色發(fā)展已經(jīng)成為畜牧業(yè)現(xiàn)代化的主旋律，引進環(huán)境友好型、經(jīng)濟適用型的清潔能源供熱設(shè)備，是養(yǎng)殖企業(yè)實現(xiàn)生態(tài)養(yǎng)殖、科學(xué)養(yǎng)殖的有力保障。作為最先進的供暖方式之一，石墨烯電熱膜加溫可滿足規(guī)?；B(yǎng)殖場對清潔采暖的剛需，重塑生態(tài)養(yǎng)殖溫控系統(tǒng)，促進畜牧業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

以家禽為例，雛雞由于體溫調(diào)節(jié)機制未發(fā)育完全，對周圍環(huán)境溫度適應(yīng)范圍較小。溫度不適會對雛雞產(chǎn)生不良影響，造成生長發(fā)育遲緩，卵黃吸收不良，雞群免疫力下降等問題，因此育雛期實現(xiàn)雞舍精準控溫具有非常重要的意義。石墨烯電熱膜是面狀發(fā)熱，發(fā)熱均勻穩(wěn)定，能夠精準控溫，非常適合雛雞采暖。并且石墨烯電熱膜發(fā)射的遠紅外光波能有效改善血液循環(huán)，增強新陳代謝，具有促生長作用[10]。石墨烯電熱膜作為加溫設(shè)備不僅節(jié)能環(huán)保，還有利于提高雛雞存活率和生長狀況，還可以對產(chǎn)蛋期雞群能否達到產(chǎn)蛋高峰產(chǎn)生正面影響。因此，應(yīng)該加快落實石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)的科技成果轉(zhuǎn)化，積極探尋“石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”共贏模式。

4 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用面臨的機遇和挑戰(zhàn)

4.1 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用面臨的機遇

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，肉、蛋、奶連著千萬家，我國高度重視畜牧業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展?！丁笆奈濉比珖竽莲F醫(yī)行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出到2025年，全國畜牧業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)取得重大進展，奶牛、生豬、家禽養(yǎng)殖率先基本實現(xiàn)現(xiàn)代化。《規(guī)劃》創(chuàng)新提出構(gòu)建‘2+4’現(xiàn)代畜牧業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，即重點打造生豬、家禽2個萬億級產(chǎn)業(yè)和奶畜、肉牛肉羊、特色畜禽、飼草4個千億級產(chǎn)業(yè)，并明確了每個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展指標和產(chǎn)業(yè)布局。

《關(guān)于促進畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的意見》指出要堅持綠色發(fā)展的原則，統(tǒng)籌資源環(huán)境承載能力、畜禽產(chǎn)品供給保障能力和養(yǎng)殖廢棄物資源化利用能力，協(xié)同推進畜禽養(yǎng)殖和環(huán)境保護，促進可持續(xù)發(fā)展?！兑庖姟愤€提出，全面提升綠色養(yǎng)殖水平。科學(xué)布局畜禽養(yǎng)殖，促進養(yǎng)殖規(guī)模與資源環(huán)境相匹配。建立畜牧業(yè)綠色發(fā)展評價體系，推廣綠色發(fā)展配套技術(shù)。

得益于我國畜牧產(chǎn)業(yè)體量巨大，在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級過程中，預(yù)計畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域的石墨烯電熱膜采暖市場總量高達數(shù)億元，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。在畜牧業(yè)清潔采暖的政策引領(lǐng)下，畜牧業(yè)養(yǎng)殖供暖市場近幾年呈現(xiàn)爆發(fā)式增長趨勢，石墨烯發(fā)熱膜作為石墨烯產(chǎn)業(yè)最主要的一個支撐點，必將迎來新的市場機遇，同時也面臨新市場的挑戰(zhàn)。

4.2 石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)中推廣應(yīng)用存在的問題

4.2.1 石墨烯電熱膜產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品標準

石墨烯電熱膜研究主要分為材料研究和產(chǎn)品研發(fā)，對于產(chǎn)品工藝領(lǐng)域、應(yīng)用領(lǐng)域的研究較少。盡管市場上從事石墨烯電熱膜生產(chǎn)企業(yè)較多，但與應(yīng)用領(lǐng)域脫節(jié)嚴重，現(xiàn)有的石墨烯電熱膜質(zhì)量參差不一，多數(shù)產(chǎn)品存在電熱轉(zhuǎn)化效率低、衰減率高、卷曲度不高、防水防腐蝕性能不強、使用壽命短等缺點，甚至有的廠家拿碳素顆粒或者其他材料冒充石墨烯，對消費市場產(chǎn)生不良影響。對畜牧加溫市場而言，適用于不同設(shè)施養(yǎng)殖場的高質(zhì)量石墨烯電熱膜產(chǎn)品還有待研發(fā)。

朱曉明等[11]開展了石墨烯加熱板/膜作為仔豬保溫供熱體的節(jié)能特性研究，得出了市售石墨烯板/膜的節(jié)能性均略遜于電阻絲的結(jié)果。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相反，其原因是否與使用的石墨烯電熱膜產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)有待考證。電熱膜材料的性能參數(shù)有待進一步分析，電熱膜安裝利用技術(shù)與設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)的整合等都需要進一步研究。

4.2.2 與畜牧生產(chǎn)配套的石墨烯電熱膜安裝和使用技術(shù)標準有待開發(fā)

石墨烯電熱膜是新型加溫材料，目前還主要應(yīng)用于家裝地暖等環(huán)境，對畜禽養(yǎng)殖舍內(nèi)應(yīng)用石墨烯電熱膜技術(shù)儲備、加裝工藝、專門化的設(shè)施設(shè)備等方面還需要開展專門化的針對性研究，諸如畜牧生產(chǎn)環(huán)境中的防腐性、防水性 以及持續(xù)高溫加熱等。

石墨烯電熱膜作為畜牧業(yè)加溫設(shè)備的應(yīng)用研究還處于剛起步階段。目前僅有個別農(nóng)業(yè)高校和研究機構(gòu)在嘗試將石墨烯電熱膜作為畜禽舍加溫設(shè)備進行對比研究，還沒有與畜牧生產(chǎn)配套的石墨烯電熱膜產(chǎn)品安裝和使用技術(shù)標準。開拓石墨烯電熱膜在畜牧業(yè)應(yīng)用的新市場，還需要大量的試驗示范數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品推廣應(yīng)用的支撐。

4.2.3 石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈有待整合貫通。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模逐年增長，由2016年40億元增至2020年230億元，年均復(fù)合增長率為54.9%。從事石墨烯材料研制生產(chǎn)的企業(yè)日漸增多，但不少地區(qū)存在布局重疊和重復(fù)建設(shè)的問題，產(chǎn)業(yè)鏈條未打通，導(dǎo)致生產(chǎn)出的石墨烯產(chǎn)品找不到合適的市場。石墨烯生產(chǎn)企業(yè)獨自構(gòu)建石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈比較困難，產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新拉動效果不顯著。市場上的產(chǎn)品魚龍混雜，部分企業(yè)炒作石墨烯概念，石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展受到不良影響。

整合貫通石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈，需要將石墨烯生產(chǎn)企業(yè)、高校、科研機構(gòu)和使用企業(yè)資源整合，形成產(chǎn)學(xué)研用一體化平臺，多渠道協(xié)同推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程。石墨烯上下游企業(yè)的對接，產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)鏈的完善還需要時間。2020年12月由江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技產(chǎn)業(yè)研究會牽頭，成立了石墨烯農(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟，形成了石墨烯農(nóng)業(yè)科技研發(fā)、生產(chǎn)、推廣、應(yīng)用各方合力推進的工作機制。

5 結(jié)語

在政策引導(dǎo)和石墨烯農(nóng)業(yè)科技推廣聯(lián)盟的推動下，石墨烯在畜牧領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用必將加速，新一輪畜牧科技革命已經(jīng)發(fā)起，一定會促進畜牧采暖方式轉(zhuǎn)變和資源高效利用，實現(xiàn)“石墨烯+現(xiàn)代畜牧業(yè)”的共贏。