武汉市东西湖区农科所基地现有温室大棚3 万平方米，由于冬季农业生产需要，采用4 台共 9 吨燃煤锅炉热水供暖，其过程中会产生大量二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等污染物，锅炉工人劳动强度大。政府拟在此建设一个现代都市农业示范园区，突出生态农业、节能环保的主题，同时兼顾城郊农业休闲、旅游的需要。因此，对园区能源供应形式加以彻底改造，以清洁能源、新能源为园区主要能源来源。本文在此背景下提出太阳能集热系统结合天然气锅炉进行冬季温室大棚的供暖，从而实现这一目的。
1 项目背景
该项目所在地理位置为：北纬 30°37'，东经 114°08'，温室采暖室外计算温度为 -3.3℃，温室采暖室内计算温度为18℃，室外平均风速 2.7m/s。现有设计供暖面积为 3 万 m2，供暖时间为 11 月 20 日到 4 月 10 日共 141 天。在过往每个供暖季里，需燃烧煤400 吨。不同天气情况下供暖情况：晴天每天供暖时间 13h，阴雨天气每天供暖时间 24h。根据资料统计武汉地区冬季晴天太阳辐射能量密度为 550W/m2，平均每日有效光照时间为 6h，供暖季里晴天为 94 天，阴雨天气为 47天。
2 供暖热负荷计算
现有需要供暖区域的温室主要有三种类型，一是连栋的PC 阳光板温室；二是 PE 塑料薄膜温室；三是双层玻璃温室。
PC 阳光板温室是连栋温室，总长为 105m，宽度为 48m，整个连栋温室由 29 个单栋温室组成，连栋温室的基础为高1m，厚度 0.3m 的混凝土结构，单栋温室的截面如图 1 所示。
薄膜温室的总长为 60m，宽度为 24m，温室的薄膜为单层聚乙烯薄膜，厚度为 0.16mm，温室的基础墙高为 0.5m，其截玻璃温室总长 108m，宽度 28m，是由双层的中空玻璃组成，温室截面图如图 3 所示。面如图 2 所示。
分别对供暖系统进行热负荷分析，结果如表 1 所示。
因此选取供暖系统的总热负荷约为5400kW。
3 太阳能集热系统
由于考虑温室大棚对采光的要求比较高，能安装太阳能的屋顶总面积为 4440m2，采用 58×1800×50 的真空管太阳能集热器模块，总共 安装 285 个集 热器模 块，集 热 面积为2451m2。
冬天晴天能够收集到的热量 Q 按下式计算：
使用真空管集热器利用太阳能将水从30℃加热到 50℃，总安装面积为 4440m2 的集热系统，可以加热的水体积约为183m3，综合考虑，选择两个太阳能集热水箱，一个规格为12000（长）×5000（宽）×2000（高），一个为 10000（长）×5000（宽）×2000（高），水箱总体积为 220m3，水箱内可用的水体积为 187m3。
4 天然气锅炉
最近的天然气管道在附近约 3 公里处，天然气公司积极配合系统的设计施工。考虑到在当地极端低温的情况下，供暖系统单小时需要消耗的天然气体积为 586m3，为了满足这种情况下的供暖，选用锅炉的总额定功率必须要大于 5.2MW。同时考虑到降低供暖期间锅炉出现损坏而导致无法供暖的风险，选用两台 2.8MW 锅炉并行，能够满足要求，便于检修维护及减少备件备品的规格。
5 系统运行原理
供暖系统有两个储然水箱，一个水箱接通太阳能集热系统的供水管和供暖系统的回水管，另外一个水箱接通太阳能集热系统的回水管以及与天然气锅炉连接，太阳能集热系统与天然气的联合运行示意图如图 4 所示。
6 控制系统
本项目采用全智能控制方式，控制逻辑按照系统实际情况进行设计。按控制对象，控制系统分为太阳能集热循环控制、天然气锅炉系统控制、储热水箱状态监控等。
为了实现用户对供暖系统的实时远程监控，将传统的供暖控制系统与最新物联网技术相结合，采用传感测量技术、GPRS 无线网络技术、云服务平台和移动终端应用技术，设计开发了一种新型温室供暖远程监控系统。
如图 5 所示，远程监控系统主要由控制器、GPRS 模块、云服务平台和客户端组成。控制器接收传感器输入信息并在显示屏上显示，同时根据用户指令或设定程序对水泵、电 磁 阀 输出 控 制 信 号，开 启 或 断 开 热 水 、天然气 锅 炉加热功能 ，每 台控制 器有 其各 自的 编号，相 应的 数 据也根据编号进行管理。
透明转换的专用产品，为控制器和云服务平台的远程数据通讯提供无线接口。数据库服务器通过虚拟串口向 GPRS 模块发送指令，GPRS 模块的 SIM 卡设定有对应的串口号。用户终端包括电脑、Pad、智能手机等多种形式，用户通过网页、Pad 或手机上的 APP 应用程序实时的直观地监控热水器系统的运行情况，并可以根据个人的需要随时随地向控制器发出止水、加热、观察历史数据等指令。
7 系统环境效益分析
在本系统中，由于太阳能是可再生能源，在利用过程中不产生有害废弃物或者有害气体，降低了供暖系统的二氧化碳，二氧化硫以及氮氧化物等废气的排放量，显示着太阳能强大的节能减排效益。天然气本身是一种清洁能源，属于国家鼓励和支持发展的领域，引入农业领域意义重大。本系统的节能计算如表 2 所示。
8 结语
本文介绍了太阳能集热和天然气锅炉两种系统结合起来进行冬季温室供暖的技术。天然气热值高，加热快，设备占用空间小。太阳能是可再生能源，技术成熟可靠，将两者结合起来，利用智能控制技术实现集中管理，可以减少天然气的使用量，降低系统的运行维护成本，提高供暖系统的可靠性，并可实现整个园区节能、环保、绿色、生态的建设目的。
