Li Jianminga, Sun Guotao itd.Technologia inżynierii rolniczej ogrodnictwa szklarniowego2022-11-21 17:42 Opublikowano w Pekinie

W ostatnich latach przemysł szklarniowy dynamicznie się rozwija. Rozwój szklarni nie tylko poprawia wykorzystanie gruntów i wydajność produkcji rolnej, ale także rozwiązuje problem dostaw owoców i warzyw poza sezonem. Jednak szklarnie napotkały również bezprecedensowe wyzwania. Oryginalne urządzenia, metody ogrzewania i formy konstrukcyjne stawiały opór środowisku i rozwojowi. Pilnie potrzebne są nowe materiały i nowe rozwiązania konstrukcyjne, aby zmienić konstrukcję szklarni, a także nowe źródła energii, aby osiągnąć cele oszczędności energii i ochrony środowiska, a także zwiększyć produkcję i dochody.

W artykule omówiono temat „nowej energii, nowych materiałów, nowego wzornictwa, które pomoże w rewolucji szklarniowej”, w tym badania i innowacje w zakresie energii słonecznej, energii z biomasy, energii geotermalnej i innych nowych źródeł energii w szklarniach, badania i zastosowania nowych materiałów do pokrywania, izolacji termicznej, ścian i innego sprzętu, a także przyszłe perspektywy i myślenie o nowej energii, nowych materiałach i nowym wzornictwie, które pomogą w reformie szklarni, aby zapewnić punkt odniesienia dla branży.

Rozwój rolnictwa jest politycznym wymogiem i nieuniknionym wyborem, aby wdrożyć ducha ważnych instrukcji i decyzji rządu centralnego. W 2020 roku całkowita powierzchnia upraw chronionych w Chinach wyniesie 2,8 miliona hm², a wartość produkcji przekroczy 1 bilion juanów. To ważny sposób na zwiększenie wydajności produkcji szklarniowej, aby poprawić oświetlenie i izolację cieplną szklarni poprzez nowe źródła energii, nowe materiały i nową konstrukcję szklarni. Tradycyjna produkcja szklarniowa ma wiele wad, takich jak węgiel, olej opałowy i inne źródła energii wykorzystywane do ogrzewania i ogrzewania w tradycyjnych szklarniach, co powoduje dużą ilość dwutlenku węgla, który poważnie zanieczyszcza środowisko, podczas gdy gaz ziemny, energia elektryczna i inne źródła energii zwiększają koszty eksploatacji szklarni. Tradycyjne materiały do ​​magazynowania ciepła w ścianach szklarni to głównie glina i cegły, które zużywają dużo energii i powodują poważne szkody w zasobach gruntowych. Efektywność wykorzystania gruntów przez tradycyjne szklarnie solarne z warstwą gruntu wynosi zaledwie 40%–50%, a zwykła szklarnia ma niską zdolność magazynowania ciepła, przez co nie jest w stanie przetrwać zimy i produkować ciepłych warzyw w północnych Chinach. Dlatego sedno promowania zmian cieplarnianych, a także badań podstawowych, leży w projektowaniu szklarni, badaniach i rozwoju nowych materiałów oraz nowych źródeł energii. Niniejszy artykuł skupi się na badaniach i innowacjach w zakresie nowych źródeł energii w szklarniach, podsumowuje stan badań nad nowymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna, energia z biomasy, energia geotermalna, energia wiatrowa oraz nowe transparentne materiały pokryciowe, materiały termoizolacyjne i materiały ścienne w szklarniach, analizuje zastosowanie nowych źródeł energii i nowych materiałów w budowie nowych szklarni oraz analizuje ich rolę w przyszłym rozwoju i transformacji szklarni.

Badania i innowacje w zakresie nowych szklarni energetycznych

Zielona nowa energia o największym potencjale wykorzystania w rolnictwie obejmuje energię słoneczną, energię geotermalną i energię z biomasy lub kompleksowe wykorzystanie różnych nowych źródeł energii w celu osiągnięcia efektywnego wykorzystania energii poprzez uczenie się od siebie nawzajem swoich mocnych stron.

energia słoneczna

Technologia energii słonecznej to niskoemisyjny, wydajny i zrównoważony sposób dostarczania energii, stanowiący ważny element strategicznych, rozwijających się gałęzi przemysłu Chin. Stanie się ona nieuniknionym wyborem w kontekście transformacji i modernizacji chińskiej struktury energetycznej w przyszłości. Z punktu widzenia wykorzystania energii, sama szklarnia jest obiektem służącym do wykorzystania energii słonecznej. Dzięki efektowi cieplarnianemu energia słoneczna jest gromadzona wewnątrz, co podnosi temperaturę w szklarni i zapewnia ciepło niezbędne do wzrostu upraw. Głównym źródłem energii w procesie fotosyntezy roślin szklarniowych jest bezpośrednie światło słoneczne, które stanowi bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej.

01 Generowanie energii fotowoltaicznej w celu wytwarzania ciepła

Fotowoltaiczne wytwarzanie energii to technologia, która bezpośrednio przetwarza energię świetlną na energię elektryczną w oparciu o efekt fotowoltaiczny. Kluczowym elementem tej technologii jest ogniwo słoneczne. Gdy energia słoneczna pada na szereg paneli słonecznych połączonych szeregowo lub równolegle, elementy półprzewodnikowe bezpośrednio przetwarzają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Technologia fotowoltaiczna może bezpośrednio przetwarzać energię świetlną na energię elektryczną, magazynować energię elektryczną w akumulatorach i ogrzewać szklarnię w nocy, ale jej wysoki koszt ogranicza dalszy rozwój. Grupa badawcza opracowała fotowoltaiczne urządzenie grzewcze z grafenu, które składa się z elastycznych paneli fotowoltaicznych, wielofunkcyjnego urządzenia sterującego, akumulatora i grafenowego pręta grzewczego. W zależności od długości linii sadzenia, grafenowy pręt grzewczy jest zakopywany pod workiem z podłożem. W ciągu dnia panele fotowoltaiczne pochłaniają promieniowanie słoneczne, wytwarzając energię elektryczną i magazynując ją w akumulatorze, a następnie uwalniając ją w nocy do grafenowego pręta grzewczego. W rzeczywistym pomiarze przyjęto tryb regulacji temperatury od 17°C do 19°C. Przy pracy w nocy (20:00-8:00 drugiego dnia) przez 8 godzin, zużycie energii na ogrzanie jednego rzędu roślin wynosi 1,24 kWh, a średnia temperatura worka z podłożem w nocy wynosi 19,2°C, czyli jest o 3,5-5,3°C wyższa niż w przypadku kontroli. Ta metoda ogrzewania w połączeniu z generatorem fotowoltaicznym rozwiązuje problemy wysokiego zużycia energii i wysokiego poziomu zanieczyszczeń podczas ogrzewania szklarni zimą.

02 konwersja i wykorzystanie fototermiczne

Konwersja fototermiczna polega na wykorzystaniu specjalnej powierzchni pochłaniającej światło słoneczne, wykonanej z materiałów fototermicznych, w celu gromadzenia i pochłaniania jak największej ilości energii słonecznej emitowanej na powierzchnię i przekształcania jej w energię cieplną. W porównaniu z fotowoltaiką, fototermia słoneczna zwiększa absorpcję pasma bliskiej podczerwieni, co przekłada się na wyższą efektywność wykorzystania energii słonecznej, niższe koszty i dojrzałą technologię, a także jest najszerzej stosowaną metodą wykorzystania energii słonecznej.

Najbardziej rozwiniętą technologią konwersji i wykorzystania energii fototermicznej w Chinach jest kolektor słoneczny, którego rdzeniem jest rdzeń płytowy absorbujący ciepło z selektywną powłoką absorpcyjną. Może on przekształcać energię promieniowania słonecznego przechodzącą przez płytę osłonową w energię cieplną i przekazywać ją do absorbującego ciepło ośrodka roboczego. Kolektory słoneczne można podzielić na dwie kategorie w zależności od obecności przestrzeni próżniowej w kolektorze: płaskie kolektory słoneczne i próżniowe kolektory rurowe; kolektory koncentrujące i niekoncentrujące kolektory słoneczne w zależności od tego, czy promieniowanie słoneczne w punkcie światła dziennego zmienia kierunek; oraz kolektory cieczowe i powietrzne kolektory słoneczne w zależności od rodzaju czynnika roboczego przenoszącego ciepło.

Wykorzystanie energii słonecznej w szklarniach odbywa się głównie za pomocą różnego rodzaju kolektorów słonecznych. Uniwersytet Ibn Zor w Maroku opracował aktywny system ogrzewania energią słoneczną (ASHS) do ogrzewania szklarni, który może zwiększyć całkowitą produkcję pomidorów o 55% w okresie zimowym. Chiński Uniwersytet Rolniczy zaprojektował i opracował zestaw chłodnicy powierzchniowej z wentylatorem zbierającym i odprowadzającym ciepło o wydajności 390,6–693,0 MJ i zaproponował oddzielenie procesu gromadzenia ciepła od procesu magazynowania ciepła za pomocą pompy ciepła. Uniwersytet w Bari we Włoszech opracował poligeneracyjny system ogrzewania szklarni, który składa się z systemu energii słonecznej i pompy ciepła powietrze–woda, i może zwiększyć temperaturę powietrza o 3,6%, a temperaturę gleby o 92%. Grupa badawcza opracowała rodzaj aktywnego urządzenia do gromadzenia ciepła słonecznego o zmiennym kącie nachylenia dla szklarni słonecznej oraz wspomagające urządzenie do magazynowania ciepła dla zbiornika wodnego szklarni w zależności od warunków pogodowych. Technologia aktywnego gromadzenia ciepła słonecznego o zmiennym nachyleniu przełamuje ograniczenia tradycyjnych systemów do gromadzenia ciepła w szklarniach, takie jak ograniczona wydajność, zacienienie i zajmowanie gruntów uprawnych. Dzięki zastosowaniu specjalnej konstrukcji szklarni solarnej, przestrzeń nieprzeznaczona na rośliny jest w pełni wykorzystana, co znacznie poprawia efektywność wykorzystania powierzchni szklarni. W typowych, słonecznych warunkach pracy, aktywny system gromadzenia ciepła słonecznego o zmiennym nachyleniu osiąga 1,9 MJ/(m²h), sprawność wykorzystania energii sięga 85,1%, a wskaźnik oszczędności energii wynosi 77%. W technologii magazynowania ciepła w szklarni zastosowano wielofazową konstrukcję magazynu ciepła, zwiększono pojemność magazynowania ciepła i zrealizowano powolne uwalnianie ciepła z urządzenia, aby zapewnić efektywne wykorzystanie ciepła zgromadzonego przez systemy do gromadzenia ciepła słonecznego w szklarni.

energia z biomasy

Nowa struktura obiektu jest budowana przez połączenie urządzenia produkującego ciepło z biomasy ze szklarnią, a surowce biomasowe, takie jak obornik świński, resztki pieczarek i słoma, są kompostowane w celu warzenia ciepła, a wytworzona energia cieplna jest bezpośrednio dostarczana do szklarni [5]. W porównaniu ze szklarnią bez zbiornika grzewczego do fermentacji biomasy, szklarnia grzewcza może skutecznie zwiększyć temperaturę gruntu w szklarni i utrzymać odpowiednią temperaturę korzeni roślin uprawianych w glebie w normalnym klimacie w zimie. Biorąc za przykład jednowarstwową asymetryczną izolację termiczną szklarnię o rozpiętości 17 m i długości 30 m, dodanie 8 m odpadów rolniczych (słomy pomidorowej i obornika świńskiego zmieszanych) do wewnętrznego zbiornika fermentacyjnego w celu naturalnej fermentacji bez przewracania stosu może zwiększyć średnią dzienną temperaturę szklarni o 4,2℃ w zimie, a średnia dzienna minimalna temperatura może osiągnąć 4,6℃.

Wykorzystanie energii w kontrolowanej fermentacji biomasy to metoda fermentacji, która wykorzystuje instrumenty i urządzenia do kontrolowania procesu fermentacji w celu szybkiego uzyskania i efektywnego wykorzystania energii cieplnej z biomasy oraz nawozu gazowego CO2. Wentylacja i wilgotność są kluczowymi czynnikami regulującymi produkcję ciepła fermentacyjnego i gazu z biomasy. W warunkach wentylacji mikroorganizmy tlenowe w pryzmie fermentacyjnej zużywają tlen do celów życiowych, a część wytworzonej energii jest wykorzystywana do ich własnych celów życiowych, a część energii jest uwalniana do otoczenia w postaci ciepła, co korzystnie wpływa na wzrost temperatury. Woda bierze udział w całym procesie fermentacji, dostarczając niezbędne rozpuszczalne składniki odżywcze dla mikroorganizmów, a jednocześnie uwalniając ciepło z pryzmy w postaci pary wodnej, co obniża jej temperaturę, przedłuża życie mikroorganizmów i podnosi temperaturę w całej pryzmie. Zainstalowanie urządzenia do wypłukiwania słomy w zbiorniku fermentacyjnym może zwiększyć temperaturę wewnątrz o 3–5℃ zimą, wzmocnić fotosyntezę roślin i zwiększyć plon pomidorów o 29,6%.

Energia geotermalna

Chiny są bogate w zasoby geotermalne. Obecnie najpopularniejszym sposobem wykorzystania energii geotermalnej w obiektach rolniczych jest wykorzystanie gruntowych pomp ciepła, które mogą przekształcać energię cieplną niskiej jakości w energię cieplną wysokiej jakości poprzez pobór niewielkiej ilości energii wysokiej jakości (np. energii elektrycznej). W przeciwieństwie do tradycyjnych metod ogrzewania szklarni, ogrzewanie za pomocą gruntowych pomp ciepła pozwala nie tylko uzyskać znaczący efekt cieplny, ale także schłodzić szklarnię i obniżyć w niej wilgotność. Badania nad zastosowaniem gruntowych pomp ciepła w budownictwie mieszkaniowym są zaawansowane. Kluczowym elementem wpływającym na wydajność grzewczą i chłodniczą gruntowych pomp ciepła jest podziemny moduł wymiany ciepła, który obejmuje głównie rury podziemne, studnie podziemne itp. Projekt podziemnego systemu wymiany ciepła, który zapewnia zrównoważony koszt i efektywność, zawsze stanowił przedmiot badań w tej części. Jednocześnie zmiana temperatury gruntu w przypadku zastosowania gruntowych pomp ciepła również wpływa na efektywność systemu. Zastosowanie gruntowej pompy ciepła do chłodzenia szklarni latem i magazynowanie energii cieplnej w głębokiej warstwie gleby może złagodzić spadek temperatury podziemnej warstwy gleby i poprawić wydajność produkcji ciepła przez gruntową pompę ciepła zimą.

Obecnie, w badaniach nad wydajnością i sprawnością gruntowej pompy ciepła, poprzez rzeczywiste dane eksperymentalne, ustanowiono model numeryczny za pomocą oprogramowania takiego jak TOUGH2 i TRNSYS, i stwierdzono, że wydajność grzewcza i współczynnik efektywności (COP) gruntowej pompy ciepła może osiągnąć 3,0 ~ 4,5, co zapewnia dobry efekt chłodzenia i ogrzewania. W badaniach nad strategią działania systemu pompy ciepła, Fu Yunzhun i inni odkryli, że w porównaniu z przepływem po stronie obciążenia, przepływ po stronie źródła gruntowego ma większy wpływ na wydajność urządzenia i wydajność wymiany ciepła zakopanej rury. Przy ustawieniu przepływu maksymalna wartość COP urządzenia może osiągnąć 4,17, przyjmując schemat działania z 2-godzinną pracą i 2-godzinnym zatrzymaniem; Shi Huixian i inni przyjęli przerywany tryb pracy systemu chłodzenia z zasobnikiem wody. Latem, gdy temperatura jest wysoka, współczynnik COP całego systemu zasilania energią może osiągnąć 3,80.

Technologia głębokiego magazynowania ciepła w szklarni

Głębokie magazynowanie ciepła w glebie szklarni nazywane jest również „bankiem ciepła”. Uszkodzenia spowodowane zimnem zimą i wysokie temperatury latem stanowią główne przeszkody w produkcji szklarniowej. Bazując na wysokiej pojemności cieplnej głębokiej gleby, grupa badawcza zaprojektowała podziemne urządzenie do magazynowania ciepła w szklarni. Urządzenie to składa się z dwuwarstwowego, równoległego rurociągu do przesyłu ciepła, zakopanego na głębokości 1,5–2,5 m pod ziemią w szklarni, z wlotem powietrza u góry szklarni i wylotem na ziemi. Gdy temperatura w szklarni jest wysoka, powietrze z wnętrza jest wymuszone i pompowane do gruntu przez wentylator, co zapewnia magazynowanie ciepła i obniża temperaturę. Gdy temperatura w szklarni jest niska, ciepło jest pobierane z gleby, aby ogrzać szklarnię. Wyniki produkcji i zastosowania pokazują, że urządzenie może podnieść temperaturę w szklarni o 2,3°C w nocy zimą, obniżyć temperaturę wewnątrz o 2,6°C w dzień latem i zwiększyć plon pomidorów o 1500 kg na 667 m³.²Urządzenie w pełni wykorzystuje właściwości „ciepła zimą i chłodu latem” oraz „stałej temperatury” głęboko pod ziemią, zapewnia „bank energii” dla szklarni i stale realizuje funkcje pomocnicze chłodzenia i ogrzewania szklarni.

Koordynacja wieloenergetyczna

Wykorzystanie dwóch lub więcej rodzajów energii do ogrzewania szklarni może skutecznie zrekompensować wady pojedynczego rodzaju energii i wykorzystać efekt superpozycji „jeden plus jeden jest większy niż dwa”. Uzupełniająca się współpraca energii geotermalnej i słonecznej jest w ostatnich latach gorącym tematem badań nad nowym wykorzystaniem energii w produkcji rolnej. Emmi i in. badali wieloźródłowy system energetyczny (rysunek 1), wyposażony w hybrydowy kolektor słoneczny fotowoltaiczno-termiczny. W porównaniu ze standardowym systemem pompy ciepła powietrze-woda, efektywność energetyczna wieloźródłowego systemu energetycznego została poprawiona o 16%–25%. Zheng i in. opracowali nowy typ sprzężonego systemu magazynowania ciepła, wykorzystującego energię słoneczną i gruntową pompę ciepła. System kolektorów słonecznych umożliwia wysokiej jakości sezonowe magazynowanie ciepła, tj. wysokiej jakości ogrzewanie zimą i wysokiej jakości chłodzenie latem. W systemie mogą pracować zarówno zakopany w ziemi rurowy wymiennik ciepła, jak i zbiornik magazynujący ciepło o działaniu przerywanym, a współczynnik COP systemu może osiągnąć 6,96.

W połączeniu z energią słoneczną, ma ona na celu zmniejszenie zużycia energii elektrycznej w warunkach komercyjnych i poprawę stabilności zasilania energią słoneczną w szklarniach. Wan Ya i in. zaproponowali nową, inteligentną technologię sterowania, łączącą wytwarzanie energii słonecznej z energią komercyjną do ogrzewania szklarni. Technologia ta może wykorzystywać energię fotowoltaiczną w warunkach oświetlenia i przekształcać ją w energię komercyjną w warunkach braku światła, znacznie zmniejszając ryzyko niedoboru mocy i obniżając koszty ekonomiczne bez konieczności stosowania akumulatorów.

Energia słoneczna, energia z biomasy i energia elektryczna mogą wspólnie ogrzewać szklarnie, co pozwala na osiągnięcie wysokiej sprawności grzewczej. Zhang Liangrui i inni połączyli kolektory słoneczne z próżniowymi rurami grzewczymi i zbiornikiem wodnym do magazynowania ciepła Valley Electricity. System ogrzewania szklarni charakteryzuje się dobrym komfortem cieplnym, a średnia sprawność grzewcza systemu wynosi 68,70%. Zbiornik wody do magazynowania ciepła elektrycznego to urządzenie do magazynowania wody do ogrzewania biomasy z ogrzewaniem elektrycznym. Najniższa temperatura wody wlotowej po stronie grzewczej jest ustawiona, a strategia działania systemu jest ustalana na podstawie temperatury wody w części grzewczej, gromadzącej ciepło słoneczne i w części grzewczej, aby osiągnąć stabilną temperaturę ogrzewania i maksymalnie oszczędzać energię elektryczną i materiały energetyczne z biomasy.

Innowacyjne badania i zastosowanie nowych materiałów szklarniowych

Wraz z rozwojem szklarni, coraz częściej ujawniają się wady zastosowania tradycyjnych materiałów szklarniowych, takich jak cegły i gleba. Dlatego, aby jeszcze bardziej poprawić parametry cieplne szklarni i sprostać potrzebom rozwojowym nowoczesnych szklarni, prowadzi się liczne badania i badania nad nowymi, transparentnymi materiałami pokryciowymi, materiałami termoizolacyjnymi i materiałami ściennymi.

Badania i zastosowanie nowych transparentnych materiałów pokryciowych

Przezroczyste materiały pokryciowe do szklarni obejmują głównie folie plastikowe, szkło, panele słoneczne i fotowoltaiczne, spośród których folia plastikowa ma największy obszar zastosowań. Tradycyjna folia szklarniowa PE ma wady w postaci krótkiej żywotności, braku degradacji i braku funkcji. Obecnie opracowano wiele nowych folii funkcjonalnych, które są wytwarzane poprzez dodanie funkcjonalnych odczynników lub powłok.

Folia do konwersji światła:Folia konwersyjna zmienia właściwości optyczne folii dzięki zastosowaniu środków konwersji światła, takich jak metale ziem rzadkich i nanomateriały. Może ona przekształcić zakres światła ultrafioletowego w czerwone, pomarańczowe i niebiesko-fioletowe światło niezbędne do fotosyntezy roślin, zwiększając w ten sposób plony i zmniejszając szkodliwe działanie promieniowania ultrafioletowego na uprawy i folie szklarniowe w szklarniach foliowych. Na przykład, szerokopasmowa folia szklarniowa z fioletowo-czerwonym światłem, zawierająca środek konwersji światła VTR-660, może znacząco poprawić przepuszczalność podczerwieni po zastosowaniu w szklarni, a w porównaniu ze szklarnią kontrolną, plon pomidorów z hektara, zawartość witaminy C i likopenu wzrosły odpowiednio o 25,71%, 11,11% i 33,04%. Jednak obecnie żywotność, degradowalność i koszt nowej folii konwersyjnej nadal wymagają badań.

Rozrzucone szkło:Szkło rozpraszające w szklarni to specjalny wzór i technologia antyrefleksyjna na powierzchni szkła, która maksymalizuje konwersję światła słonecznego do światła rozproszonego i wnikającego do szklarni, poprawiając wydajność fotosyntezy upraw i zwiększając plony. Szkło rozpraszające przekształca światło wpadające do szklarni w światło rozproszone za pomocą specjalnych wzorów, a rozproszone światło może być bardziej równomiernie oświetlane, eliminując wpływ cienia szkieletu na szklarnię. W porównaniu ze zwykłym szkłem float i ultrabiałym szkłem float, standardowa przepuszczalność światła szkła rozpraszającego wynosi 91,5%, a zwykłego szkła float 88%. Każdy 1% wzrostu przepuszczalności światła w szklarni może zwiększyć plony o około 3%, a także zwiększyć zawartość cukrów rozpuszczalnych i witaminy C w owocach i warzywach. Szkło rozpraszające w szklarni jest najpierw powlekane, a następnie hartowane, a wskaźnik samozapłonu jest wyższy niż norma krajowa i sięga 2‰.

Badania i zastosowanie nowych materiałów termoizolacyjnych

Tradycyjne materiały termoizolacyjne stosowane w szklarniach obejmują głównie maty słomiane, kołdry papierowe, filcowe kołdry termoizolacyjne igłowane itp., które są wykorzystywane głównie do izolacji termicznej wewnętrznej i zewnętrznej dachów, izolacji ścian oraz izolacji termicznej niektórych urządzeń do magazynowania i odbioru ciepła. Większość z nich ma wadę polegającą na utracie właściwości termoizolacyjnych z powodu wilgoci wewnętrznej po długotrwałym użytkowaniu. W związku z tym istnieje wiele zastosowań nowych materiałów o wysokiej izolacji termicznej, wśród których przedmiotem badań są nowe kołdry termoizolacyjne oraz urządzenia do magazynowania i odbioru ciepła.

Nowe materiały termoizolacyjne są zazwyczaj wytwarzane poprzez przetwarzanie i łączenie wodoodpornych i odpornych na starzenie materiałów powierzchniowych, takich jak tkana folia i powlekany filc, z puszystymi materiałami termoizolacyjnymi, takimi jak bawełna powlekana natryskowo, kaszmir i bawełna perłowa. W północno-wschodnich Chinach przetestowano bawełnianą kołdrę termoizolacyjną z tkanej folii powlekanej natryskowo. Stwierdzono, że dodanie 500 g bawełny powlekanej natryskowo było równoważne z wydajnością termoizolacyjną 4500 g czarnej filcowej kołdry termoizolacyjnej dostępnej na rynku. W tych samych warunkach wydajność termoizolacyjna 700 g bawełny powlekanej natryskowo została poprawiona o 1~2°C w porównaniu z 500 g bawełny powlekanej natryskowo. Jednocześnie inne badania wykazały również, że w porównaniu z powszechnie stosowanymi kołdrami termoizolacyjnymi dostępnymi na rynku, efekt termoizolacyjny kołder z bawełny powlekanej natryskowo i kaszmiru jest lepszy, ze wskaźnikami termoizolacji odpowiednio 84,0% i 83,3%. Przy najniższej temperaturze zewnętrznej wynoszącej -24,4°C, temperatura wewnętrzna może osiągnąć odpowiednio 5,4 i 4,2°C. W porównaniu z izolacją z pojedynczego słomianego koca, nowa kompozytowa kołdra izolacyjna charakteryzuje się lekkością, wysoką izolacyjnością, wysoką wodoodpornością i odpornością na starzenie, dzięki czemu może być stosowana jako nowy rodzaj wysokowydajnego materiału izolacyjnego do szklarni solarnych.

Jednocześnie, zgodnie z badaniami materiałów termoizolacyjnych do urządzeń do gromadzenia i magazynowania ciepła w szklarniach, stwierdzono również, że przy tej samej grubości, wielowarstwowe kompozytowe materiały termoizolacyjne mają lepsze właściwości termoizolacyjne niż materiały jednowarstwowe. Zespół profesora Li Jianminga z Northwest A&F University zaprojektował i przebadał 22 rodzaje materiałów termoizolacyjnych do urządzeń do magazynowania wody w szklarniach, takich jak płyty próżniowe, aerożel i bawełna gumowa, oraz zmierzył ich właściwości termiczne. Wyniki pokazały, że kompozytowy materiał izolacyjny o grubości 80 mm, składający się z powłoki termoizolacyjnej + aerożelu + bawełny termoizolacyjnej z gumy i tworzywa sztucznego, może zmniejszyć rozpraszanie ciepła o 0,367 MJ na jednostkę czasu w porównaniu z 80 mm bawełną gumową i tworzywem sztucznym, a jego współczynnik przenikania ciepła wyniósł 0,283 W/(m²·K) przy grubości kombinacji izolacyjnej wynoszącej 100 mm.

Materiały zmiennofazowe są jednym z najgorętszych tematów badań nad materiałami szklarniowymi. Uniwersytet Northwest A&F opracował dwa rodzaje urządzeń do magazynowania materiałów zmiennofazowych: jedno to pojemnik wykonany z czarnego polietylenu o wymiarach 50 cm × 30 cm × 14 cm (długość × wysokość × grubość) wypełniony materiałami zmiennofazowymi, dzięki czemu mogą one magazynować i oddawać ciepło; drugie to nowy rodzaj płyty ściennej zmiennofazowej. Płyta ścienna zmiennofazowa składa się z materiału zmiennofazowego, płyty aluminiowej, płyty aluminiowo-plastikowej i stopu aluminium. Materiał zmiennofazowy znajduje się w najbardziej centralnym miejscu płyty, a jego wymiary to 200 mm × 200 mm × 50 mm. Jest to sproszkowany materiał stały przed i po przemianie fazowej, który nie topi się ani nie płynie. Cztery ścianki materiału zmiennofazowego to odpowiednio płyta aluminiowa i płyta aluminiowo-plastikowa. Urządzenie to może realizować funkcje głównie magazynowania ciepła w ciągu dnia i oddawania ciepła w nocy.

W związku z tym występują pewne problemy w stosowaniu pojedynczego materiału termoizolacyjnego, takie jak niska wydajność izolacji cieplnej, duża utrata ciepła, krótki czas magazynowania ciepła itp. Dlatego też stosowanie kompozytowego materiału termoizolacyjnego jako warstwy termoizolacyjnej oraz wewnętrznej i zewnętrznej warstwy izolacyjnej pokrywającej urządzenie magazynujące ciepło może skutecznie poprawić wydajność izolacji cieplnej szklarni, zmniejszyć utratę ciepła szklarni i tym samym osiągnąć efekt oszczędności energii.

Badania i zastosowanie nowych ścian

Ściana, jako rodzaj konstrukcji osłonowej, stanowi ważną barierę chroniącą szklarnię przed zimnem i utrzymującą ciepło. Ze względu na materiały i konstrukcję ścian, północną ścianę szklarni można podzielić na trzy typy: jednowarstwową z gruntu, cegieł itp. oraz warstwową z cegły ceramicznej, bloczków, płyt styropianowych itp., z wewnętrznym magazynem ciepła i zewnętrzną izolacją cieplną. Większość tych ścian jest czasochłonna i pracochłonna. Dlatego w ostatnich latach pojawiło się wiele nowych typów ścian, łatwych w budowie i nadających się do szybkiego montażu.

Pojawienie się nowych typów ścian montowanych sprzyja szybkiemu rozwojowi szklarni montowanych, w tym nowych typów ścian kompozytowych z zewnętrznymi materiałami wodoodpornymi i odpornymi na starzenie, a także materiałów takich jak filc, bawełna perłowa, bawełna kosmiczna, bawełna szklana lub bawełna z recyklingu jako warstwy termoizolacyjne, takich jak elastyczne ściany montowane z bawełny natryskowej w Xinjiang. Ponadto, inne badania również donoszą o północnej ścianie szklarni montowanej z warstwą akumulującą ciepło, taką jak bloczki z zaprawy z łupin pszenicy wypełnione cegłami w Xinjiang. W tych samych warunkach zewnętrznych, przy najniższej temperaturze zewnętrznej wynoszącej -20,8°C, temperatura w szklarni solarnej ze ścianą kompozytową z bloczków z zaprawy z łupin pszenicy wynosi 7,5°C, podczas gdy temperatura w szklarni solarnej ze ścianą z cegły i betonu wynosi 3,2°C. Zbiór pomidorów w szklarni ceglanej można przyspieszyć o 16 dni, a plony z pojedynczej szklarni mogą wzrosnąć o 18,4%.

Zespół badawczy Uniwersytetu Northwest A&F zaproponował koncepcję wykorzystania słomy, gleby, wody, kamienia i materiałów zmiennofazowych do produkcji modułów termoizolacyjnych i akumulacyjnych, wykorzystując światło i uproszczoną konstrukcję ścian, co przyczyniło się do rozwoju badań nad zastosowaniem modułowych ścian modułowych. Na przykład, w porównaniu ze zwykłą szklarnią z ceglanymi ścianami, średnia temperatura w szklarni jest o 4,0°C wyższa w typowy słoneczny dzień. Trzy rodzaje modułów z nieorganicznego cementu zmiennofazowego, wykonane z materiału zmiennofazowego (PCM) i cementu, zgromadziły ciepło na poziomie 74,5, 88,0 i 95,1 MJ/m³.³i uwolniło ciepło o wartości 59,8, 67,8 i 84,2 MJ/m³odpowiednio. Pełnią one funkcję „cięcia szczytów” w ciągu dnia, „wypełniania dolin” w nocy, pochłaniania ciepła latem i uwalniania ciepła zimą.

Te nowe ściany są montowane na miejscu, charakteryzują się krótkim okresem budowy i długą żywotnością, co stwarza warunki do budowy lekkich, prostych i szybkich w montażu prefabrykowanych szklarni, a także może znacznie przyczynić się do modernizacji konstrukcji szklarni. Istnieją jednak pewne wady tego rodzaju ścian, takie jak natryskowo klejona bawełniana ściana termoizolacyjna, która charakteryzuje się doskonałą izolacyjnością termiczną, ale nie ma zdolności do magazynowania ciepła, a materiał budowlany zmiennofazowy charakteryzuje się wysokimi kosztami użytkowania. W przyszłości należy zintensyfikować badania aplikacyjne ścian montowanych.

Nowa energia, nowe materiały i nowe projekty pomagają zmienić strukturę szklarni.

Badania i innowacje w zakresie nowych źródeł energii i materiałów stanowią podstawę innowacji projektowych w szklarniach. Energooszczędne szklarnie solarne i wiaty łukowe to największe konstrukcje tego typu w chińskiej produkcji rolnej i odgrywają w niej ważną rolę. Jednak wraz z rozwojem chińskiej gospodarki społecznej coraz częściej ujawniają się wady tych dwóch rodzajów konstrukcji. Po pierwsze, przestrzeń konstrukcji jest niewielka, a stopień mechanizacji niski; po drugie, energooszczędne szklarnie solarne charakteryzują się dobrą izolacją termiczną, ale wymagają niewielkiego wykorzystania gruntu, co jest równoznaczne z zastąpieniem energii cieplnej ziemią. Zwykłe wiaty łukowe nie tylko zajmują mało miejsca, ale również charakteryzują się słabą izolacją termiczną. Chociaż szklarnie wieloprzęsłowe zajmują dużo miejsca, charakteryzują się słabą izolacją termiczną i wysokim zużyciem energii. Dlatego też niezwykle ważne jest badanie i rozwój konstrukcji szklarni odpowiednich do obecnego poziomu społeczno-ekonomicznego Chin, a badania i rozwój w zakresie nowych źródeł energii i materiałów pomogą w zmianie konstrukcji szklarni i stworzeniu różnorodnych innowacyjnych modeli lub konstrukcji szklarni.

Innowacyjne badania nad asymetryczną szklarnią browarniczą o dużej rozpiętości i kontrolowanym przepływem wody

Asymetryczna szklarnia warzelna o dużej rozpiętości, z kontrolowanym przepływem wody (numer patentu: ZL 201220391214.2) opiera się na zasadzie szklarni słonecznej, zmieniając symetryczną konstrukcję zwykłej szklarni z tworzywa sztucznego, zwiększając rozpiętość południową, zwiększając powierzchnię oświetlenia południowego dachu, zmniejszając rozpiętość północną i zmniejszając powierzchnię rozpraszania ciepła. Rozpiętość wynosi 18–24 m, a wysokość kalenicy 6–7 m. Dzięki innowacyjnym rozwiązaniom konstrukcyjnym znacznie zwiększono strukturę przestrzenną. Jednocześnie, dzięki zastosowaniu nowej technologii produkcji materiałów izolacyjnych i ciepła do warzelni na biomasę, rozwiązano problemy związane z niedostatecznym ogrzewaniem szklarni zimą i słabą izolacją termiczną powszechnie stosowanych materiałów. Wyniki produkcji i badań pokazują, że asymetryczna szklarnia warzelnicza o dużej rozpiętości, z kontrolowanym przepływem wody i średnią temperaturą 11,7℃ w dni słoneczne i 10,8℃ w dni pochmurne, jest w stanie sprostać zapotrzebowaniu na rośliny uprawne w okresie zimowym. Koszt budowy szklarni zmniejsza się o 39,6%, a wskaźnik wykorzystania gruntu wzrasta o ponad 30% w porównaniu ze szklarnią z ceglanymi ścianami ze styropianu, co nadaje się do dalszej popularyzacji i zastosowania w dorzeczu rzeki Huaihe w Chinach.

Zmontowana szklarnia słoneczna

Zmontowana szklarnia słoneczna wykorzystuje kolumny i szkielet dachu jako konstrukcję nośną, a jej materiał ścienny to głównie obudowa termoizolacyjna, zamiast nośnej i pasywnej akumulacji i uwalniania ciepła. Głównie: (1) nowy typ montowanej ściany powstaje poprzez połączenie różnych materiałów, takich jak powlekana folia lub kolorowa blacha stalowa, bloczki słomiane, elastyczna kołdra termoizolacyjna, bloczki zaprawy murarskiej itp. (2) kompozytowa płyta ścienna wykonana z prefabrykowanej płyty cementowej, płyty styropianowej i płyty cementowej; (3) lekki i prosty w montażu rodzaj materiałów termoizolacyjnych z aktywnym systemem akumulacji i uwalniania ciepła oraz systemem osuszania, takim jak plastikowe kwadratowe wiadro do magazynowania ciepła i magazynowania ciepła w rurociągach. Wykorzystanie różnych nowych materiałów termoizolacyjnych i materiałów do magazynowania ciepła zamiast tradycyjnej ściany ziemnej do budowy szklarni słonecznej wymaga dużej przestrzeni i niewielkiej inżynierii lądowej. Wyniki eksperymentów pokazują, że temperatura w szklarni w nocy zimą jest o 4,5℃ wyższa niż w tradycyjnej szklarni z ceglanymi ścianami, a grubość tylnej ściany wynosi 166 mm. W porównaniu ze szklarnią z ceglanymi ścianami o grubości 600 mm, powierzchnia użytkowa ściany została zmniejszona o 72%, a koszt za metr kwadratowy wynosi 334,5 juanów, czyli o 157,2 juana mniej niż w przypadku szklarni z ceglanymi ścianami. Ponadto, koszty budowy znacząco spadły. Zmontowana szklarnia charakteryzuje się mniejszym zużyciem gruntów uprawnych, oszczędnością gruntów, szybkim tempem budowy i długą żywotnością, co stanowi kluczowy kierunek innowacji i rozwoju szklarni solarnych obecnie i w przyszłości.

Szklarnia z przesuwnym światłem słonecznym

Energooszczędna szklarnia solarna zbudowana z deskorolki, opracowana przez Shenyang Agricultural University, wykorzystuje tylną ścianę szklarni solarnej do utworzenia ściennego systemu magazynowania ciepła z cyrkulacją wody, który służy do magazynowania ciepła i podnoszenia temperatury. System ten składa się głównie z basenu (32 m³), lekka płyta zbierająca (360 m²), pompę wodną, ​​rurę wodną i sterownik. Elastyczna izolacja termiczna została zastąpiona nowym, lekkim materiałem w postaci blachy stalowej w kolorze wełny mineralnej. Badania pokazują, że ta konstrukcja skutecznie rozwiązuje problem blokowania światła przez szczyty i zwiększa powierzchnię wlotu światła do szklarni. Kąt padania światła w szklarni wynosi 41,5°, czyli o prawie 16° więcej niż w szklarni kontrolnej, co poprawia intensywność oświetlenia. Temperatura w pomieszczeniu jest równomierna, a rośliny rosną równomiernie. Szklarnia ma zalety w postaci poprawy efektywności wykorzystania gruntów, elastycznego projektowania wielkości szklarni i skrócenia czasu budowy, co ma ogromne znaczenie dla ochrony zasobów gruntów uprawnych i środowiska.

Szklarnia fotowoltaiczna

Szklarnia rolnicza to szklarnia integrująca generowanie energii słonecznej z fotowoltaiką, inteligentną kontrolę temperatury i nowoczesne, zaawansowane technologicznie rozwiązania do uprawy. Posiada stalową ramę i jest pokryta modułami fotowoltaicznymi, aby zapewnić oświetlenie zarówno modułów fotowoltaicznych, jak i całej szklarni. Prąd stały generowany przez energię słoneczną bezpośrednio uzupełnia światło w szklarniach rolniczych, wspomaga normalną pracę urządzeń szklarniowych, napędza nawadnianie, podnosi temperaturę w szklarni i sprzyja szybkiemu wzrostowi upraw. W ten sposób moduły fotowoltaiczne wpływają na wydajność oświetlenia dachu szklarni, a tym samym na prawidłowy wzrost warzyw szklarniowych. Dlatego racjonalne rozmieszczenie paneli fotowoltaicznych na dachu szklarni staje się kluczowym punktem zastosowania. Szklarnia rolnicza jest produktem organicznego połączenia rolnictwa turystycznego i ogrodnictwa obiektowego, a także innowacyjnym przemysłem rolnym integrującym generowanie energii słonecznej, turystykę rolniczą, uprawy rolne, technologię rolniczą, rozwój krajobrazu i kultury.

Innowacyjny projekt grupy szklarni z interakcją energetyczną pomiędzy różnymi typami szklarni

Guo Wenzhong, badacz z Pekińskiej Akademii Nauk Rolniczych i Leśnych, wykorzystuje metodę ogrzewania, polegającą na transferze energii między szklarniami, aby zebrać pozostałą energię cieplną z jednej lub kilku szklarni i ogrzać inną lub kilka szklarni. Ta metoda ogrzewania umożliwia transfer energii cieplnej w czasie i przestrzeni, poprawia efektywność wykorzystania energii cieplnej pozostałej w szklarni i zmniejsza całkowite zużycie energii grzewczej. Te dwa typy szklarni mogą być różnymi typami lub tym samym typem szklarni, służącymi do uprawy różnych roślin, takich jak sałata i pomidory. Metody pozyskiwania ciepła obejmują głównie pobieranie ciepła z powietrza wewnętrznego i bezpośrednie przechwytywanie promieniowania padającego. Poprzez gromadzenie energii słonecznej, wymuszoną konwekcję za pomocą wymiennika ciepła i wymuszoną ekstrakcję za pomocą pompy ciepła, nadwyżka ciepła w wysokoenergetycznej szklarni jest odzyskiwana w celu jej ogrzewania.

streszczać

Nowe szklarnie solarne charakteryzują się szybkim montażem, krótszym czasem budowy i lepszym wykorzystaniem gruntów. Dlatego konieczne jest dalsze badanie ich wydajności w różnych obszarach oraz zapewnienie możliwości ich upowszechnienia i zastosowania na szeroką skalę. Jednocześnie konieczne jest ciągłe zwiększanie wykorzystania nowych źródeł energii i materiałów w szklarniach, aby zapewnić energię do modernizacji strukturalnej szklarni.

Perspektywy i myślenie na przyszłość

Tradycyjne szklarnie często mają pewne wady, takie jak wysokie zużycie energii, niskie wykorzystanie gruntów, czasochłonność i pracochłonność, niska wydajność itp., które nie są już w stanie zaspokoić potrzeb produkcyjnych współczesnego rolnictwa i są stopniowo eliminowane. Dlatego też, trendem rozwojowym jest wykorzystanie nowych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, energia z biomasy, energia geotermalna i energia wiatrowa, nowych materiałów do szklarni oraz nowych konstrukcji, aby promować zmiany strukturalne szklarni. Po pierwsze, nowe szklarnie napędzane nową energią i nowymi materiałami powinny nie tylko zaspokajać potrzeby zmechanizowanej obsługi, ale także oszczędzać energię, grunt i koszty. Po drugie, konieczne jest ciągłe badanie wydajności nowych szklarni w różnych obszarach, aby stworzyć warunki do ich masowej popularyzacji. W przyszłości powinniśmy dalej poszukiwać nowych źródeł energii i nowych materiałów nadających się do zastosowań w szklarniach oraz znaleźć najlepszą kombinację nowych źródeł energii, nowych materiałów i szklarni, tak aby umożliwić budowę nowej szklarni o niskich kosztach, krótkim okresie budowy, niskim zużyciu energii i doskonałej wydajności, pomóc w zmianie konstrukcji szklarni i promować rozwój modernizacji szklarni w Chinach.

Chociaż stosowanie nowych źródeł energii, nowych materiałów i nowych rozwiązań w budownictwie szklarni jest nieuniknionym trendem, wciąż istnieje wiele problemów do zbadania i rozwiązania: (1) Rosnące koszty budowy. W porównaniu z tradycyjnym ogrzewaniem węglem, gazem ziemnym lub olejem, zastosowanie nowych źródeł energii i nowych materiałów jest przyjazne dla środowiska i wolne od zanieczyszczeń, ale koszty budowy są znacznie wyższe, co ma pewien wpływ na zwrot z inwestycji w produkcję i eksploatację. W porównaniu z wykorzystaniem energii, koszt nowych materiałów znacznie wzrośnie. (2) Niestabilne wykorzystanie energii cieplnej. Największą zaletą wykorzystania nowej energii są niskie koszty operacyjne i niska emisja dwutlenku węgla, ale dostawy energii i ciepła są niestabilne, a pochmurne dni stają się największym czynnikiem ograniczającym wykorzystanie energii słonecznej. W procesie produkcji ciepła z biomasy poprzez fermentację, efektywne wykorzystanie tej energii jest ograniczone problemami związanymi z niską energią cieplną fermentacji, trudnym zarządzaniem i kontrolą oraz dużą powierzchnią magazynową do transportu surowców. (3) Dojrzałość technologii. Technologie wykorzystywane w nowych źródłach energii i nowych materiałach stanowią zaawansowane badania i osiągnięcia technologiczne, a ich obszar i zakres zastosowań są nadal dość ograniczone. Nie przeszły one wielu testów, weryfikacji na wielu stanowiskach i w praktyce na dużą skalę, a nieuchronnie występują pewne braki i treści techniczne, które wymagają poprawy w praktyce. Użytkownicy często negują postęp technologii z powodu drobnych braków. (4) Wskaźnik penetracji technologii jest niski. Szerokie zastosowanie osiągnięcia naukowego i technologicznego wymaga pewnej popularności. Obecnie nowe źródła energii, nowe technologie i nowe technologie projektowania szklarni znajdują się w zespole ośrodków naukowo-badawczych na uniwersytetach o pewnych możliwościach innowacyjnych, a większość technicznych odbiorców lub projektantów nadal nie wie; Jednocześnie popularyzacja i zastosowanie nowych technologii są nadal dość ograniczone, ponieważ podstawowy sprzęt nowych technologii jest opatentowany. (5) Integracja nowych źródeł energii, nowych materiałów i projektowania konstrukcji szklarni musi zostać dodatkowo wzmocniona. Ponieważ energia, materiały i projektowanie konstrukcji szklarni należą do trzech różnych dyscyplin, osoby z doświadczeniem w projektowaniu szklarni często nie mają wystarczających badań nad energią i materiałami związanymi ze szklarniami i odwrotnie; W związku z tym badacze zajmujący się badaniami nad energią i materiałami muszą zintensyfikować badania i zrozumienie rzeczywistych potrzeb rozwoju przemysłu szklarniowego, a projektanci konstrukcji powinni również badać nowe materiały i nowe źródła energii, aby promować głęboką integrację tych trzech zależności, co pozwoli na osiągnięcie celu, jakim jest praktyczna technologia badań szklarniowych, niskie koszty budowy i dobre efekty użytkowe. W związku z powyższymi problemami, sugeruje się, aby państwo, samorządy i ośrodki naukowo-badawcze zintensyfikowały badania techniczne, prowadziły wspólne, dogłębne badania, wzmocniły promocję osiągnięć naukowych i technologicznych, zwiększyły ich popularyzację oraz szybko zrealizowały cel, jakim jest wykorzystanie nowych źródeł energii i nowych materiałów, aby wspomóc rozwój przemysłu szklarniowego.

Cytowane informacje

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nowa energia, nowe materiały i nowy design wspierają nową rewolucję szklarniową [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.