Technologia inżynierii rolniczej ogrodnictwa szklarniowego 2022-12-02 17:30 opublikowano w Pekinie

Rozwój szklarni słonecznych na terenach nieuprawianych, takich jak pustynie, pustynie Gobi i tereny piaszczyste, skutecznie rozwiązał konflikt między żywnością a warzywami konkurującymi o ziemię. Jest to jeden z decydujących czynników środowiskowych dla wzrostu i rozwoju upraw termicznych, który często decyduje o sukcesie lub porażce upraw szklarniowych. Dlatego, aby rozwijać szklarnie słoneczne na terenach nieuprawianych, musimy najpierw rozwiązać problem temperatury otoczenia szklarni. W niniejszym artykule podsumowano metody kontroli temperatury stosowane w szklarniach na terenach nieuprawianych w ostatnich latach, a także przeanalizowano i podsumowano istniejące problemy oraz kierunki rozwoju w zakresie ochrony temperatury i środowiska w szklarniach słonecznych na terenach nieuprawianych.

Chiny mają dużą populację i ograniczone zasoby ziemi. Ponad 85% zasobów ziemi stanowią grunty nieuprawiane, skoncentrowane głównie w północno-zachodnich Chinach. Dokument nr 1 Komitetu Centralnego z 2022 r. wskazał, że należy przyspieszyć rozwój rolnictwa uproszczonego, a w oparciu o ochronę środowiska naturalnego, eksploatować nadające się do eksploatacji nieużytki i nieużytki pod rozwój rolnictwa uproszczonego. Północno-zachodnie Chiny obfitują w pustynie, pustynie Gobi, nieużytki i inne nieuprawiane zasoby ziemi, a także naturalne zasoby światła i ciepła, które sprzyjają rozwojowi rolnictwa uproszczonego. Dlatego też rozwój i wykorzystanie nieuprawianych zasobów ziemi w celu stworzenia nieuprawianych szklarni ma ogromne znaczenie strategiczne dla zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego kraju i łagodzenia konfliktów dotyczących użytkowania gruntów.

Obecnie nieuprawiane szklarnie słoneczne stanowią główną formę wysokoefektywnego rozwoju rolnictwa na gruntach nieuprawianych. W północno-zachodnich Chinach różnica temperatur między dniem a nocą jest duża, a temperatura w nocy zimą jest niska, co często prowadzi do zjawiska, że ​​minimalna temperatura w pomieszczeniu jest niższa niż temperatura wymagana do prawidłowego wzrostu i rozwoju upraw. Temperatura jest jednym z niezbędnych czynników środowiskowych dla wzrostu i rozwoju upraw. Zbyt niska temperatura spowalnia reakcje fizjologiczne i biochemiczne upraw, a także ich wzrost i rozwój. Gdy temperatura jest niższa od dopuszczalnej dla upraw, może to nawet doprowadzić do uszkodzeń spowodowanych mrozem. Dlatego szczególnie ważne jest zapewnienie temperatury niezbędnej do prawidłowego wzrostu i rozwoju upraw. Utrzymanie odpowiedniej temperatury w szklarniach słonecznych nie jest kwestią jednego rozwiązania. Musi być ono zagwarantowane na etapie projektowania, budowy, doboru materiałów, regulacji i codziennego zarządzania. W niniejszym artykule podsumowano stan badań i postęp w zakresie kontroli temperatury w nieuprawnych szklarniach w Chinach w ostatnich latach, z uwzględnieniem aspektów projektowania i budowy szklarni, utrzymania ciepła i środków ocieplających oraz zarządzania środowiskiem, aby zapewnić systematyczny punkt odniesienia dla racjonalnego projektowania i zarządzania nieuprawnymi szklarniami.

Konstrukcja i materiały szklarni

Środowisko cieplne szklarni zależy głównie od zdolności szklarni do transmisji, przechwytywania i magazynowania promieniowania słonecznego, co wiąże się z rozsądnym zaprojektowaniem orientacji szklarni, kształtu i materiału powierzchni przepuszczającej światło, struktury i materiału ścian i tylnego dachu, izolacji fundamentów, rozmiaru szklarni, trybu izolacji nocnej i materiału przedniego dachu itp., a także wiąże się z tym, czy konstrukcja i proces budowy szklarni mogą zapewnić skuteczną realizację wymagań projektowych.

Przepuszczalność światła dachu przedniego

Główna energia w szklarni pochodzi ze słońca. Zwiększenie przepuszczalności światła przez przedni dach korzystnie wpływa na ciepło w szklarni, a także stanowi ważny fundament dla zapewnienia odpowiedniej temperatury w szklarni zimą. Obecnie istnieją trzy główne metody zwiększenia przepuszczalności światła i czasu jego odbioru przez przedni dach szklarni.

01 zaprojektuj rozsądną orientację i azymut szklarni

Orientacja szklarni wpływa na wydajność oświetlenia i zdolność akumulacji ciepła. Dlatego, aby uzyskać więcej ciepła w szklarni, orientacja szklarni nieuprawianych w północno-zachodnich Chinach jest skierowana na południe. W przypadku konkretnego azymutu szklarni, wybierając kierunek z południa na wschód, korzystne jest „złapanie słońca”, a temperatura w pomieszczeniu szybko rośnie rano; wybierając kierunek z południa na zachód, korzystne jest, aby szklarnia wykorzystywała światło popołudniowe. Kierunek południowy jest kompromisem między powyższymi dwoma sytuacjami. Według wiedzy geofizycznej, Ziemia obraca się o 360° w ciągu doby, a azymut słońca przesuwa się o około 1° co 4 minuty. Zatem za każdym razem, gdy azymut szklarni różni się o 1°, czas bezpośredniego światła słonecznego będzie się różnił o około 4 minuty, czyli azymut szklarni wpływa na czas, kiedy szklarnia widzi światło rano i wieczorem.

Gdy godziny światła rano i po południu są równe, a wschód lub zachód znajdują się pod tym samym kątem, szklarnia będzie miała tyle samo godzin światła. Jednak na obszarach na północ od 37° szerokości geograficznej północnej temperatura rano jest niska, a czas odsłonięcia kołdry jest późny, podczas gdy temperatura po południu i wieczorem jest stosunkowo wysoka, dlatego wskazane jest opóźnienie momentu zamknięcia kołdry termoizolacyjnej. Dlatego te obszary powinny wybierać kierunek południowo-zachodni i w pełni wykorzystywać popołudniowe światło. Na obszarach o szerokości geograficznej północnej 30°–35°, ze względu na lepsze warunki oświetleniowe rano, czas utrzymania ciepła i odsłonięcia kołdry można również przesunąć w czasie. Dlatego te obszary powinny wybierać kierunek południowo-wschodni, aby zapewnić szklarni więcej porannego promieniowania słonecznego. Jednak na obszarach o szerokości geograficznej północnej 35°–37° różnica w nasłonecznieniu rano i po południu jest niewielka, dlatego lepiej wybrać kierunek bardziej południowy. Niezależnie od tego, czy jest to południowy wschód, czy południowy zachód, kąt odchylenia wynosi zazwyczaj 5°–8°, a maksymalny nie przekracza 10°. Północno-zachodnie Chiny leżą w zakresie 37°–50° szerokości geograficznej północnej, więc kąt azymutu szklarni jest zazwyczaj z południa na zachód. W związku z tym szklarnia słoneczna zaprojektowana przez Zhang Jingshe i innych w rejonie Taiyuan ma orientację 5° na zachód od południa, szklarnia słoneczna zbudowana przez Chang Meimei i innych w rejonie Gobi w korytarzu Hexi ma orientację od 5° do 10° na zachód od południa, a szklarnia słoneczna zbudowana przez Ma Zhigui i innych w północnym Xinjiang ma orientację 8° na zachód od południa.

02 Zaprojektuj rozsądny kształt dachu przedniego i kąt nachylenia

Kształt i nachylenie dachu przedniego determinują kąt padania promieni słonecznych. Im mniejszy kąt padania, tym większa przepuszczalność. Sun Juren uważa, że ​​kształt dachu przedniego zależy głównie od stosunku długości głównej powierzchni oświetleniowej do nachylenia dachu tylnego. Duże nachylenie dachu przedniego i małe nachylenie dachu tylnego korzystnie wpływają na oświetlenie i utrzymanie ciepła dachu przedniego. Chen Wei-Qian i inni uważają, że główny dach oświetleniowy szklarni solarnych stosowanych w regionie Gobi ma łuk kołowy o promieniu 4,5 m, co zapewnia skuteczną ochronę przed zimnem. Zhang Jingshe i inni uważają, że bardziej odpowiednie jest zastosowanie łuku półkolistego na dachu przednim szklarni w obszarach alpejskich i na wysokich szerokościach geograficznych. Jeśli chodzi o kąt nachylenia dachu przedniego, zgodnie z właściwościami przepuszczalności światła folii, przy kącie padania 0–40° współczynnik odbicia światła słonecznego jest niewielki, a przy kącie przekraczającym 40° współczynnik odbicia znacznie wzrasta. Dlatego 40° przyjęto jako maksymalny kąt padania, aby obliczyć kąt nachylenia dachu przedniego, tak aby nawet podczas przesilenia zimowego promieniowanie słoneczne mogło docierać do szklarni w maksymalnym stopniu. Dlatego projektując szklarnię solarną odpowiednią dla obszarów nieuprawnych w Wuhai w Mongolii Wewnętrznej, He Bin i inni obliczyli kąt nachylenia dachu przedniego, przyjmując kąt padania 40° i uznali, że o ile będzie on większy niż 30°, spełni on wymagania dotyczące oświetlenia szklarni i utrzymania ciepła. Zhang Caihong i inni uważają, że podczas budowy szklarni na obszarach nieuprawnych w Xinjiang, kąt nachylenia dachu przedniego szklarni w południowym Xinjiang wynosi 31°, podczas gdy w północnym Xinjiang wynosi 32°~33,5°.

03 Wybierz odpowiednie transparentne materiały pokryciowe.

Oprócz wpływu zewnętrznych warunków promieniowania słonecznego, materiał i właściwości przepuszczalności światła folii szklarniowej są również ważnymi czynnikami wpływającymi na środowisko świetlne i cieplne szklarni. Obecnie przepuszczalność światła folii z tworzyw sztucznych, takich jak PE, PVC, EVA i PO, jest zróżnicowana ze względu na różne materiały i grubości folii. Ogólnie rzecz biorąc, przepuszczalność światła folii używanych przez 1-3 lata może być gwarantowana na poziomie powyżej 88%, co powinno być dobrane zgodnie z zapotrzebowaniem upraw na światło i temperaturę. Ponadto, oprócz przepuszczalności światła w szklarni, rozkład światła w szklarni jest również czynnikiem, na który ludzie zwracają coraz większą uwagę. Dlatego w ostatnich latach materiały pokryciowe o zwiększonej przepuszczalności światła i rozpraszaniu światła cieszą się dużym uznaniem w branży, szczególnie w regionach o silnym promieniowaniu słonecznym w północno-zachodnich Chinach. Zastosowanie folii rozpraszającej światło zmniejszyło efekt zacieniania górnej i dolnej części korony roślin, zwiększyło ilość światła w środkowej i dolnej części korony roślin, poprawiło właściwości fotosyntetyczne całej rośliny oraz wykazało dobry wpływ na stymulację wzrostu i zwiększenie produkcji.

Rozsądny projekt wielkości szklarni

Długość szklarni jest zbyt długa lub zbyt krótka, co wpływa na kontrolę temperatury wewnątrz. Gdy długość szklarni jest zbyt krótka, przed wschodem i zachodem słońca obszar zacieniony przez wschodnie i zachodnie szczyty jest duży, co nie sprzyja nagrzewaniu się szklarni, a ze względu na jej małą objętość wpływa to na absorpcję i uwalnianie ciepła przez glebę i ściany wewnętrzne. Zbyt długa długość utrudnia kontrolę temperatury wewnątrz, co wpływa na sztywność konstrukcji szklarni i konfigurację mechanizmu zwijania kołdry termoizolacyjnej. Wysokość i rozpiętość szklarni bezpośrednio wpływają na doświetlenie przedniego dachu, wielkość przestrzeni szklarni i współczynnik izolacji. Gdy rozpiętość i długość szklarni są stałe, zwiększenie wysokości szklarni może zwiększyć kąt padania światła na przedni dach z perspektywy środowiska świetlnego, co sprzyja transmisji światła. Z punktu widzenia środowiska termicznego, wysokość ściany wzrasta, a powierzchnia akumulacji ciepła ściany tylnej zwiększa się, co korzystnie wpływa na akumulację i uwalnianie ciepła przez ścianę tylną. Ponadto przestrzeń jest duża, współczynnik pojemności cieplnej jest również wysoki, a środowisko termiczne szklarni jest bardziej stabilne. Oczywiście, zwiększenie wysokości szklarni zwiększy jej koszt, co wymaga kompleksowego rozważenia. Dlatego projektując szklarnię, powinniśmy wybrać rozsądną długość, rozpiętość i wysokość, zgodnie z lokalnymi warunkami. Na przykład, Zhang Caihong i inni uważają, że w północnym Xinjiang długość szklarni wynosi 50~80 m, rozpiętość 7 m, a wysokość 3,9 m, podczas gdy w południowym Xinjiang długość szklarni wynosi 50~80 m, rozpiętość 8 m, a wysokość 3,6~4,0 m; Uważa się również, że rozpiętość szklarni nie powinna być mniejsza niż 7 m, a przy rozpiętości 8 m efekt zachowania ciepła jest najlepszy. Ponadto Chen Weiqian i inni uważają, że długość, rozpiętość i wysokość szklarni solarnej powinny wynosić odpowiednio 80 m, 8–10 m i 3,8–4,2 m, jeśli zostanie ona wybudowana w rejonie Gobi w Jiuquan, Gansu.

Poprawa zdolności magazynowania ciepła i izolacji ściany

W ciągu dnia ściana akumuluje ciepło, pochłaniając promieniowanie słoneczne i ciepło z powietrza wewnątrz. W nocy, gdy temperatura wewnątrz jest niższa niż temperatura ściany, ściana pasywnie oddaje ciepło, ogrzewając szklarnię. Jako główny element akumulujący ciepło w szklarni, ściana może znacząco poprawić temperaturę w nocy w pomieszczeniu, zwiększając swoją zdolność akumulacji ciepła. Jednocześnie funkcja izolacji termicznej ściany stanowi podstawę stabilności środowiska cieplnego szklarni. Obecnie istnieje wiele metod poprawy akumulacji ciepła i zdolności izolacyjnych ścian.

01 projekt rozsądnej struktury ściany

Funkcja ściany obejmuje głównie magazynowanie i zatrzymywanie ciepła, a jednocześnie większość ścian szklarni pełni również funkcję elementów nośnych, podtrzymujących więźbę dachową. Z punktu widzenia zapewnienia dobrego środowiska termicznego, rozsądna konstrukcja ściany powinna mieć wystarczającą pojemność cieplną po stronie wewnętrznej i wystarczającą pojemność cieplną po stronie zewnętrznej, jednocześnie redukując zbędne mostki termiczne. W ramach badań nad magazynowaniem ciepła i izolacją ścian, Bao Encai i inni zaprojektowali pasywną ścianę z zestalonego piasku, magazynującą ciepło, na obszarze pustyni Wuhai w Mongolii Wewnętrznej. Porowata cegła została użyta jako warstwa izolacyjna na zewnątrz, a zestalony piasek jako warstwa magazynująca ciepło wewnątrz. Test wykazał, że temperatura wewnątrz może osiągnąć 13,7°C w słoneczne dni. Ma Yuehong i inni zaprojektowali ścianę kompozytową z bloczków z zaprawy łuskanej pszenicy w północnym Xinjiang, w której bloczki zaprawy wypełnione są wapnem palonym jako warstwą magazynującą ciepło, a worki z żużlem ułożone są na zewnątrz jako warstwa izolacyjna. Ściana z pustaków zaprojektowana przez Zhao Penga i innych w rejonie Gobi w prowincji Gansu, wykorzystuje 100-milimetrową płytę benzenową jako warstwę izolacyjną na zewnątrz oraz piasek i pustaki ceramiczne jako warstwę akumulującą ciepło od wewnątrz. Testy pokazują, że średnia temperatura zimą w nocy przekracza 10°C, a Chai Regeneration i inni również używają piasku i żwiru jako warstwy izolacyjnej i akumulującej ciepło ściany w rejonie Gobi w prowincji Gansu. Aby zredukować mostki termiczne, Yan Junyue i inni zaprojektowali lekką i uproszczoną w montażu ścianę tylną, która nie tylko poprawiła jej oporność termiczną, ale także poprawiła jej właściwości uszczelniające dzięki przyklejeniu płyty styropianowej na zewnątrz ściany tylnej; Wu Letian i inni umieścili żelbetową belkę wieńcową nad fundamentem ściany szklarni i zastosowali tłoczenie z cegły trapezowej tuż nad belką wieńcową, aby podeprzeć dach tylny, co rozwiązało problem pęknięć i osiadania fundamentów, które łatwo występują w szklarniach w Hotian w Xinjiang, co wpływa na izolację termiczną szklarni.

02 Wybierz odpowiednie materiały do ​​magazynowania ciepła i izolacji.

Efekt magazynowania ciepła i izolacji ściany zależy przede wszystkim od wyboru materiałów. Na pustyni północno-zachodniej, Gobi, piaszczystym terenie i innych obszarach, w zależności od warunków terenowych, badacze wykorzystali lokalne materiały i podjęli śmiałe próby zaprojektowania wielu różnych rodzajów tylnych ścian szklarni słonecznych. Na przykład, gdy Zhang Guosen i inni zbudowali szklarnie na polach piasku i żwiru w Gansu, piasek i żwir były używane jako magazynowanie ciepła i warstwy izolacyjne ścian; Zgodnie z charakterystyką Gobi i pustyni w północno-zachodnich Chinach, Zhao Peng zaprojektował rodzaj ściany z pustaków z piaskowca i pustaków jako materiałów. Test wykazał, że średnia temperatura w pomieszczeniu w nocy wynosi powyżej 10℃. W związku z niedoborem materiałów budowlanych, takich jak cegły i glina w regionie Gobi w północno-zachodnich Chinach, Zhou Changji i inni odkryli, że lokalne szklarnie zazwyczaj wykorzystują kamyki jako materiały ścienne podczas badania szklarni słonecznych w regionie Gobi w Kizilsu w Kirgistanie w Xinjiang. Biorąc pod uwagę właściwości termiczne i wytrzymałość mechaniczną żwiru, szklarnia zbudowana z żwiru charakteryzuje się dobrymi parametrami pod względem utrzymania ciepła, jego magazynowania i nośności. Podobnie, Zhang Yong i inni wykorzystali żwir jako główny materiał ścian i zaprojektowali niezależną ścianę tylną z żwiru, magazynującą ciepło, w Shanxi i innych miejscach. Testy wykazały, że efekt magazynowania ciepła jest dobry. Zhang i inni zaprojektowali rodzaj ściany z piaskowca, dostosowanej do charakterystyki północno-zachodniej części Gobi, która może podnieść temperaturę wewnątrz o 2,5°C. Ponadto Ma Yuehong i inni przetestowali zdolność magazynowania ciepła ściany z piaskowca wypełnionej bloczkami, ściany z bloczków i ściany z cegły w Hotian w prowincji Xinjiang. Wyniki pokazały, że ściana z piaskowca wypełniona bloczkami miała największą pojemność magazynowania ciepła. Ponadto, aby poprawić zdolność magazynowania ciepła ściany, naukowcy aktywnie opracowują nowe materiały i technologie magazynowania ciepła. Na przykład Bao Encai zaproponował materiał utwardzający z przemianą fazową, który może być wykorzystany do poprawy zdolności magazynowania ciepła tylnej ściany szklarni solarnej na północno-zachodnich obszarach nieuprawianych. W ramach eksploracji lokalnych surowców, jako materiały ścienne wykorzystuje się również stogi siana, żużel, płyty ceglane i słomę, jednak materiały te zazwyczaj pełnią jedynie funkcję termoizolacyjną i nie mają zdolności magazynowania ciepła. Ogólnie rzecz biorąc, ściany wypełnione żwirem i bloczkami charakteryzują się dobrą akumulacją ciepła i izolacyjnością.

03 Odpowiednio zwiększyć grubość ścianki

Zazwyczaj opór cieplny jest ważnym wskaźnikiem mierzącym izolacyjność cieplną ściany, a czynnikiem wpływającym na opór cieplny jest grubość warstwy materiału, oprócz jego przewodności cieplnej. Dlatego też, dobierając odpowiednie materiały termoizolacyjne, odpowiednie zwiększenie grubości ściany może zwiększyć jej całkowity opór cieplny i zmniejszyć straty ciepła, zwiększając tym samym izolacyjność cieplną i zdolność akumulacji ciepła ściany i całej szklarni. Na przykład, w Gansu i innych obszarach, średnia grubość ściany z worków z piaskiem w mieście Zhangye wynosi 2,6 m, podczas gdy w mieście Jiuquan średnia grubość ściany murowanej z zaprawy wynosi 3,7 m. Im grubsza ściana, tym lepsza jej izolacyjność cieplna i zdolność akumulacji ciepła. Jednak zbyt grube ściany zwiększą zajmowaną powierzchnię i koszty budowy szklarni. Dlatego, z perspektywy poprawy izolacyjności cieplnej, powinniśmy również priorytetowo traktować wybór materiałów o wysokiej izolacyjności cieplnej i niskiej przewodności cieplnej, takich jak styropian, poliuretan i inne materiały, a następnie odpowiednio zwiększać ich grubość.

Rozsądna konstrukcja tylnego dachu

Projektując tylny dach, głównym założeniem było wyeliminowanie efektu zacienienia i poprawa izolacji termicznej. Aby zredukować wpływ zacienienia na tylny dach, kąt nachylenia dachu został dobrany tak, aby był on narażony na bezpośrednie działanie promieni słonecznych w ciągu dnia, kiedy uprawiane są rośliny. Dlatego kąt nachylenia tylnego dachu jest zazwyczaj dobierany tak, aby był lepszy niż lokalny kąt nachylenia słońca w czasie przesilenia zimowego, wynoszący 7°–8°. Na przykład, Zhang Caihong i inni uważają, że podczas budowy szklarni słonecznych na Gobi i obszarach zasolonych i zasadowych w Xinjiang, przewidywana długość tylnego dachu wynosi 1,6 m, co oznacza, że ​​kąt nachylenia tylnego dachu wynosi 40° w południowym Xinjiang i 45° w północnym Xinjiang. Chen Wei-Qian i inni uważają, że tylny dach szklarni słonecznej w rejonie Jiuquan Gobi powinien mieć kąt nachylenia 40°. W przypadku izolacji termicznej dachu tylnego, zdolność izolacji termicznej powinna być zapewniona głównie poprzez dobór materiałów termoizolacyjnych, zaprojektowanie niezbędnej grubości oraz rozsądne łączenie materiałów termoizolacyjnych w trakcie budowy.

Zmniejszenie utraty ciepła z gleby

Zimą, ponieważ temperatura gleby wewnątrz budynku jest wyższa niż na zewnątrz, ciepło z gleby wewnątrz budynku będzie przenoszone na zewnątrz poprzez przewodzenie ciepła, powodując utratę ciepła w szklarni. Istnieje kilka sposobów na ograniczenie utraty ciepła z gleby.

01 izolacja gruntu

Ziemia zapada się prawidłowo, unikając zamarzniętej warstwy gleby i wykorzystując glebę do zatrzymywania ciepła. Na przykład szklarnia słoneczna „1448 trzy-materiały-jedno-ciało” opracowana przez Chai Regeneration i inne nieuprawiane grunty w korytarzu Hexi została zbudowana poprzez wykopanie 1 m w dół, skutecznie unikając zamarzniętej warstwy gleby; Zgodnie z faktem, że głębokość zamarzniętej gleby w obszarze Turpan wynosi 0,8 m, Wang Huamin i inni zasugerowali wykopanie 0,8 m w celu poprawy zdolności izolacji cieplnej szklarni. Kiedy Zhang Guosen i inni zbudowali tylną ścianę kopanej szklarni słonecznej z podwójnym łukiem i podwójną folią na gruntach nieornych, głębokość wykopu wynosiła 1 m. Eksperyment wykazał, że najniższa temperatura w nocy wzrosła o 2~3℃ w porównaniu z tradycyjną szklarnią słoneczną drugiej generacji.

02 fundament chroniący przed zimnem

Główną metodą jest wykopanie rowu chroniącego przed zimnem wzdłuż fundamentu dachu frontowego, wypełnienie materiałem termoizolacyjnym lub ciągłe zakopywanie materiałów termoizolacyjnych pod ziemią wzdłuż ściany fundamentowej. Wszystkie te metody mają na celu ograniczenie strat ciepła spowodowanych przenoszeniem ciepła przez glebę w części granicznej szklarni. Zastosowane materiały termoizolacyjne są w dużej mierze dostosowane do lokalnych warunków panujących w północno-zachodnich Chinach i można je pozyskać lokalnie, na przykład z siana, żużla, wełny mineralnej, styropianu, słomy kukurydzianej, obornika końskiego, opadłych liści, zerwanej trawy, trocin, chwastów, słomy itp.

03 folia ściółkowa

Przykrycie folią plastikową umożliwia przenikanie promieni słonecznych do gleby w ciągu dnia, a gleba pochłania ciepło słoneczne i nagrzewa się. Co więcej, folia może blokować promieniowanie długofalowe odbijane od gleby, zmniejszając w ten sposób straty promieniowania i zwiększając jej zdolność do magazynowania ciepła. W nocy folia może utrudniać konwekcyjną wymianę ciepła między glebą a powietrzem w pomieszczeniu, zmniejszając w ten sposób utratę ciepła przez glebę. Jednocześnie folia może również zmniejszyć utratę ciepła utajonego spowodowaną parowaniem wody z gleby. Wei Wenxiang przykrył szklarnię folią plastikową na płaskowyżu Qinghai, a eksperyment wykazał, że temperatura gruntu wzrosła o około 1°C.

Wzmocnienie właściwości termoizolacyjnych dachu przedniego

Przedni dach szklarni stanowi główną powierzchnię odprowadzającą ciepło, a straty ciepła stanowią ponad 75% całkowitej utraty ciepła w szklarni. Dlatego wzmocnienie izolacji cieplnej przedniego dachu szklarni może skutecznie zmniejszyć straty ciepła i poprawić warunki termiczne szklarni w okresie zimowym. Obecnie istnieją trzy główne sposoby poprawy izolacji cieplnej przedniego dachu.

01 Zastosowano wielowarstwową powłokę przezroczystą.

Pod względem konstrukcyjnym, zastosowanie folii dwuwarstwowej lub trójwarstwowej jako powierzchni przepuszczającej światło w szklarni może skutecznie poprawić jej właściwości termoizolacyjne. Na przykład, Zhang Guosen i inni zaprojektowali szklarnię solarną z podwójnym łukiem i podwójną folią, w rejonie Gobi w mieście Jiuquan. Zewnętrzna strona dachu szklarni wykonana jest z folii EVA, a wnętrze z folii PVC zapobiegającej kapaniu i starzeniu. Eksperymenty pokazują, że w porównaniu z tradycyjnymi szklarniami solarnymi drugiej generacji, efekt izolacji termicznej jest znakomity, a najniższa temperatura w nocy wzrasta średnio o 2–3°C. Podobnie, Zhang Jingshe i inni zaprojektowali szklarnię solarną z podwójnym pokryciem foliowym, dostosowaną do warunków klimatycznych panujących na wysokich szerokościach geograficznych i w obszarach o silnym mrozie, co znacznie poprawiło izolację termiczną szklarni. W porównaniu ze szklarnią kontrolną, temperatura w nocy wzrosła o 3°C. Ponadto, Wu Letian i inni badacze próbowali zastosować trzy warstwy folii EVA o grubości 0,1 mm na przednim dachu szklarni solarnej zaprojektowanej na pustyni Hetian w Xinjiang. Folia wielowarstwowa może skutecznie zmniejszyć utratę ciepła przez przedni dach, ale ponieważ przepuszczalność światła folii jednowarstwowej wynosi zasadniczo około 90%, folia wielowarstwowa naturalnie prowadzi do osłabienia przepuszczalności światła. Dlatego przy wyborze wielowarstwowego pokrycia o przepuszczalności światła należy odpowiednio uwzględnić warunki oświetleniowe i wymagania oświetleniowe szklarni.

02 Wzmocnienie izolacji nocnej dachu przedniego

Na przednim dachu zastosowano folię plastikową, aby zwiększyć przepuszczalność światła w ciągu dnia, a nocą staje się on najsłabszym punktem w całej szklarni. Dlatego pokrycie zewnętrznej powierzchni przedniego dachu grubą, kompozytową izolacją termiczną jest niezbędnym środkiem termoizolacyjnym dla szklarni solarnych. Na przykład, w alpejskim regionie Qinghai, Liu Yanjie i inni eksperymentalnie użyli słomianych zasłon i papieru pakowego jako izolacji termicznej. Wyniki testów wykazały, że najniższa temperatura wewnątrz szklarni w nocy może przekraczać 7,7°C. Co więcej, Wei Wenxiang uważa, że ​​utrata ciepła w szklarni może zostać zmniejszona o ponad 90% poprzez zastosowanie podwójnych zasłon z trawy lub zewnętrznych zasłon z papieru pakowego do izolacji termicznej w tym obszarze. Ponadto, Zou Ping i inni zastosowali izolację termiczną z filcu igłowanego z recyklingu w szklarni solarnej w regionie Gobi w Xinjiang, a Chang Meimei i inni zastosowali izolację termiczną z bawełny warstwowej w szklarni solarnej w regionie Gobi w korytarzu Hexi. Obecnie w szklarniach słonecznych stosuje się wiele rodzajów kołder termoizolacyjnych, ale większość z nich wykonana jest z filcu igłowanego, bawełny klejonej natryskowo, bawełny perłowej itp., z obustronną warstwą wodoodporną lub przeciwstarzeniową. Zgodnie z mechanizmem termoizolacyjnym kołdry termoizolacyjnej, aby poprawić jej właściwości termoizolacyjne, należy zacząć od zwiększenia jej oporu cieplnego i obniżenia współczynnika przenikania ciepła, a głównymi działaniami są zmniejszenie przewodności cieplnej materiałów, zwiększenie grubości warstw materiału lub zwiększenie ich liczby itp. Dlatego obecnie rdzeń kołdry termoizolacyjnej o wysokiej izolacyjności cieplnej jest często wykonany z wielowarstwowych materiałów kompozytowych. Zgodnie z testami, współczynnik przenikania ciepła kołdry termoizolacyjnej o wysokiej izolacyjności cieplnej może obecnie osiągnąć 0,5 W/(m²℃), co zapewnia lepszą izolację cieplną szklarni w zimnych regionach w zimie. Oczywiście, północno-zachodni obszar jest wietrzny i zapylony, a promieniowanie ultrafioletowe jest silne, dlatego warstwa powierzchniowa izolacji termicznej powinna mieć dobre właściwości przeciwstarzeniowe.

03 Dodaj wewnętrzną kurtynę termoizolacyjną.

Chociaż przedni dach szklarni słonecznej jest na noc pokryty zewnętrzną warstwą izolacji termicznej, to w porównaniu z innymi elementami całej szklarni, przedni dach nadal stanowi słaby punkt dla całej szklarni w nocy. Dlatego zespół projektowy „Struktura i technologia budowy szklarni na północno-zachodnich terenach nierolnych” zaprojektował prosty, zwijany system izolacji termicznej (rysunek 1), którego konstrukcja składa się ze stałej, wewnętrznej kurtyny izolacji termicznej u podstawy przedniej i ruchomej, wewnętrznej kurtyny izolacji termicznej w górnej części. Górna, ruchoma kurtyna izolacji termicznej jest otwierana i składana na tylnej ścianie szklarni w ciągu dnia, co nie wpływa na oświetlenie; stała, dolna warstwa izolacji termicznej pełni funkcję uszczelniającą w nocy. Konstrukcja izolacji wewnętrznej jest schludna i łatwa w obsłudze, a latem może również pełnić funkcję zacieniającą i chłodzącą.

Technologia aktywnego ogrzewania

Ze względu na niskie temperatury zimą w północno-zachodnich Chinach, nawet jeśli polegalibyśmy wyłącznie na utrzymywaniu i magazynowaniu ciepła w szklarniach, to i tak nie bylibyśmy w stanie zaspokoić potrzeb upraw w zakresie produkcji zimowej przy niektórych mroźnych porach roku. Dlatego też konieczne jest podjęcie działań mających na celu aktywne ocieplenie.

System magazynowania i uwalniania ciepła energii słonecznej

Istotnym powodem, dla którego ściana pełni funkcje zatrzymywania i magazynowania ciepła oraz przenoszenia obciążeń, jest wysoki koszt budowy i niskie wykorzystanie gruntów pod szklarnie solarne. Dlatego uproszczenie i montaż szklarni solarnych z pewnością będą ważnym kierunkiem rozwoju w przyszłości. Jednym z nich jest uproszczenie funkcji ściany, które pozwala na uwolnienie funkcji magazynowania i uwalniania ciepła, tak aby tylna ściana pełniła jedynie funkcję zatrzymywania ciepła, co jest skutecznym sposobem na uproszczenie procesu budowy. Na przykład, aktywny system magazynowania i uwalniania ciepła Fang Hui (rysunek 2) jest szeroko stosowany w obszarach nieuprawianych, takich jak Gansu, Ningxia i Xinjiang. Jego urządzenie do gromadzenia ciepła jest zawieszone na ścianie północnej. W ciągu dnia ciepło zebrane przez urządzenie do gromadzenia ciepła jest magazynowane w korpusie akumulującym ciepło poprzez cyrkulację czynnika akumulującego ciepło, a w nocy jest uwalniane i ogrzewane poprzez cyrkulację czynnika akumulującego ciepło, realizując w ten sposób wymianę ciepła w czasie i przestrzeni. Eksperymenty pokazują, że dzięki temu urządzeniu minimalna temperatura w szklarni może zostać podniesiona o 3–5°C. Wang Zhiwei i inni opracowali system ogrzewania kurtynami wodnymi dla szklarni słonecznej w południowej części pustyni Xinjiang, który może podnieść temperaturę w szklarni o 2,1°C w nocy.

Ponadto, Bao Encai i inni zaprojektowali aktywny system cyrkulacji ciepła dla ściany północnej. W ciągu dnia, dzięki cyrkulacji wentylatorów osiowych, gorące powietrze z pomieszczenia przepływa przez kanał wymiany ciepła wbudowany w ścianę północną, a kanał wymiany ciepła wymienia ciepło z warstwą akumulacyjną wewnątrz ściany, co znacznie poprawia zdolność ściany do magazynowania ciepła. Ponadto, system magazynowania ciepła z wykorzystaniem energii zmiennofazowej, zaprojektowany przez Yan Yantao i innych, magazynuje ciepło w materiałach zmiennofazowych w ciągu dnia za pomocą kolektorów słonecznych, a następnie rozprasza je do powietrza w pomieszczeniu poprzez cyrkulację powietrza w nocy, co może zwiększyć średnią temperaturę w nocy o 2,0°C. Powyższe technologie i urządzenia do wykorzystania energii słonecznej charakteryzują się ekonomicznością, oszczędnością energii i niską emisją dwutlenku węgla. Po optymalizacji i ulepszeniu powinny one mieć dobre perspektywy zastosowania w obszarach o dużych zasobach energii słonecznej w północno-zachodnich Chinach.

Inne technologie ogrzewania pomocniczego

01 ogrzewanie energią z biomasy

Ściółka, słoma, obornik krowi, owczy i drobiowy są mieszane z bakteriami biologicznymi i zakopywane w glebie szklarni. Podczas procesu fermentacji wytwarza się dużo ciepła, a także wiele pożytecznych szczepów, materii organicznej i CO2. Pożyteczne szczepy mogą hamować i zabijać różne zarazki, a także zmniejszać występowanie chorób szklarniowych i szkodników; materia organiczna może stać się nawozem dla upraw; wytworzony CO2 może wzmocnić fotosyntezę upraw. Na przykład Wei Wenxiang zakopał gorące nawozy organiczne, takie jak obornik koński, krowi i owczy, w glebie w szklarni słonecznej na płaskowyżu Qinghai, co skutecznie podniosło temperaturę gruntu. W szklarni słonecznej na pustyni Gansu, Zhou Zhilong użył słomy i nawozu organicznego do fermentacji między zbiorami. Test wykazał, że temperaturę w szklarni można podnieść o 2–3°C.

02 ogrzewanie węglowe

Istnieją sztuczne piece, energooszczędne podgrzewacze wody i systemy ogrzewania. Na przykład, po przeprowadzeniu badań na płaskowyżu Qinghai, Wei Wenxiang odkrył, że sztuczne piece były stosowane głównie lokalnie. Ta metoda ogrzewania ma zalety szybszego nagrzewania i wyraźnego efektu cieplnego. Jednak w procesie spalania węgla powstają szkodliwe gazy, takie jak SO₂, CO₂ i H₂S, dlatego konieczne jest skuteczne odprowadzanie tych szkodliwych gazów.

03 ogrzewanie elektryczne

Do ogrzania dachu szklarni należy użyć elektrycznego drutu grzejnego lub nagrzewnicy elektrycznej. Efekt ogrzewania jest imponujący, użytkowanie jest bezpieczne, w szklarni nie powstają żadne zanieczyszczenia, a urządzenia grzewcze są łatwe w obsłudze. Chen Weiqian i inni uważają, że problem uszkodzeń spowodowanych mrozem zimą w regionie Jiuquan utrudnia rozwój lokalnego rolnictwa na Gobi, dlatego do ogrzewania szklarni można użyć elektrycznych elementów grzejnych. Jednak ze względu na wykorzystanie wysokiej jakości energii elektrycznej, zużycie energii jest wysokie, a koszty wysokie. Sugeruje się, aby stosować je jako tymczasowe, awaryjne źródło ogrzewania w ekstremalnie niskich temperaturach.

Środki zarządzania środowiskowego

W procesie produkcji i użytkowania szklarni, kompletny sprzęt i normalna eksploatacja nie są w stanie skutecznie zagwarantować, że środowisko termiczne będzie spełniać wymagania projektowe. W rzeczywistości, użytkowanie i zarządzanie sprzętem często odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu i utrzymaniu środowiska termicznego, a najważniejszym z nich jest codzienne zarządzanie warstwą izolacji termicznej i wentylacją.

Zarządzanie izolacją termiczną

Kołdra termoizolacyjna jest kluczem do nocnej izolacji termicznej dachu, dlatego niezwykle ważne jest udoskonalenie jej codziennego zarządzania i konserwacji, ze szczególnym uwzględnieniem następujących kwestii: ① Wybierz odpowiedni czas otwierania i zamykania kołdry termoizolacyjnej. Czas otwierania i zamykania kołdry termoizolacyjnej wpływa nie tylko na czas oświetlenia szklarni, ale także na proces jej nagrzewania. Otwieranie i zamykanie kołdry termoizolacyjnej zbyt wcześnie lub zbyt późno nie sprzyja gromadzeniu ciepła. Rano, jeśli kołdra zostanie odsłonięta zbyt wcześnie, temperatura wewnątrz szklarni spadnie zbyt mocno z powodu niskiej temperatury zewnętrznej i słabego światła. Z kolei, jeśli czas odsłonięcia kołdry jest zbyt późny, czas naświetlania szklarni ulegnie skróceniu, a czas wzrostu temperatury wewnątrz wydłuży się. Po południu, jeśli kołdra termoizolacyjna zostanie wyłączona zbyt wcześnie, czas naświetlania wewnątrz ulegnie skróceniu, a magazynowanie ciepła przez glebę i ściany wewnątrz zmniejszy się. Wręcz przeciwnie, jeśli zatrzymanie ciepła zostanie wyłączone zbyt późno, rozpraszanie ciepła w szklarni wzrośnie z powodu niskiej temperatury zewnętrznej i słabego światła. Dlatego ogólnie rzecz biorąc, gdy kołdra termoizolacyjna jest włączona rano, zaleca się, aby temperatura wzrosła po spadku o 1~2°C, a gdy kołdra termoizolacyjna jest wyłączona, zaleca się, aby temperatura wzrosła po spadku o 1~2°C. ② Podczas zamykania kołdry termoizolacyjnej zwróć uwagę, aby sprawdzić, czy kołdra termoizolacyjna szczelnie pokrywa wszystkie przednie dachy i w razie potrzeby dopasuj je. ③ Po całkowitym ułożeniu kołdry termoizolacyjnej sprawdź, czy jej dolna część została zagęszczona, aby zapobiec uniesieniu efektu zatrzymania ciepła przez wiatr w nocy. ④ Sprawdź i konserwuj kołdrę termoizolacyjną na czas, zwłaszcza gdy jest uszkodzona, napraw ją lub wymień na czas. ⑤ W odpowiednim czasie zwróć uwagę na warunki pogodowe. W przypadku deszczu lub śniegu przykryj kołdrę termoizolacyjną na czas i usuń śnieg na czas.

Zarządzanie otworami wentylacyjnymi

Celem wentylacji zimą jest regulacja temperatury powietrza, aby uniknąć nadmiernej temperatury około południa; po drugie, usunięcie wilgoci z wnętrza szklarni, zmniejszenie wilgotności powietrza w szklarni oraz zwalczanie szkodników i chorób; po trzecie, zwiększenie stężenia CO2 w pomieszczeniu i stymulacja wzrostu upraw. Wentylacja i utrzymanie ciepła są jednak ze sobą sprzeczne. Nieprawidłowo zarządzana wentylacja prawdopodobnie doprowadzi do problemów z niską temperaturą. Dlatego też, czas i czas otwarcia otworów wentylacyjnych muszą być dynamicznie dostosowywane do warunków środowiskowych panujących w szklarni w dowolnym momencie. Na północno-zachodnich obszarach nieuprawnych, zarządzanie otworami wentylacyjnymi w szklarni odbywa się głównie na dwa sposoby: ręcznie i za pomocą prostej wentylacji mechanicznej. Czas otwarcia i czas wentylacji otworów wentylacyjnych zależą jednak głównie od subiektywnej oceny ludzi, więc może się zdarzyć, że otwory zostaną otwarte zbyt wcześnie lub zbyt późno. Aby rozwiązać powyższe problemy, Yin Yilei i inni zaprojektowali inteligentne urządzenie wentylacyjne, które może określać czas otwarcia oraz rozmiar otworów wentylacyjnych w zależności od zmian w środowisku wewnętrznym. Wraz z pogłębianiem się badań nad prawem zmian środowiskowych i popytem uprawowym, a także popularyzacją i postępem technologii i urządzeń, takich jak percepcja środowiskowa, zbieranie, analiza i sterowanie informacjami, automatyzacja zarządzania wentylacją w szklarniach słonecznych powinna stać się ważnym kierunkiem rozwoju w przyszłości.

Inne środki zarządzania

W procesie stosowania różnych rodzajów folii szklarniowych, ich zdolność do transmisji światła ulega stopniowemu osłabieniu, a tempo tego osłabienia zależy nie tylko od ich własnych właściwości fizycznych, ale również od otaczającego środowiska i sposobu użytkowania. Najważniejszym czynnikiem prowadzącym do spadku przepuszczalności światła jest zanieczyszczenie powierzchni folii. Dlatego niezwykle ważne jest regularne czyszczenie i czyszczenie, gdy tylko pozwalają na to warunki. Ponadto należy regularnie sprawdzać konstrukcję osłony szklarni. W przypadku nieszczelności w ścianie i dachu, należy je naprawić na czas, aby zapobiec przedostawaniu się zimnego powietrza do szklarni.

Istniejące problemy i kierunek rozwoju

Naukowcy od wielu lat badają i analizują technologię konserwacji i magazynowania ciepła, technologię zarządzania oraz metody ogrzewania w szklarniach na północno-zachodnich, nieuprawianych obszarach, co zasadniczo pozwoliło na zimową produkcję warzyw, znacznie poprawiło odporność szklarni na uszkodzenia spowodowane niską temperaturą oraz umożliwiło zimową produkcję warzyw. Wniosło to historyczny wkład w złagodzenie konfliktu między żywnością a warzywami konkurującymi o ziemię w Chinach. Jednak nadal istnieją następujące problemy z technologią gwarantowania temperatury w północno-zachodnich Chinach.

Typy szklarni do modernizacji

Obecnie szklarnie nadal charakteryzują się typami typowymi dla końca XX i początku XX wieku, charakteryzującymi się prostą konstrukcją, nieracjonalnym projektem, słabą odpornością na klęski żywiołowe i niską temperaturą, a także brakiem standaryzacji. Dlatego w przyszłości, w projektowaniu szklarni, kształt i nachylenie dachu przedniego, kąt nachylenia, wysokość tylnej ściany, głębokość zanurzenia itp. powinny być ujednolicone poprzez pełne uwzględnienie lokalnej szerokości geograficznej i charakterystyki klimatycznej. Jednocześnie, w miarę możliwości, w szklarni można uprawiać tylko jedną roślinę, co pozwala na standaryzację parametrów szklarni, dostosowaną do wymagań świetlnych i temperaturowych uprawianych roślin.

Skala szklarniowa jest stosunkowo niewielka.

Zbyt mała skala szklarni wpłynie na stabilność środowiska cieplnego szklarni i rozwój mechanizacji. Wraz ze stopniowym wzrostem kosztów pracy, rozwój mechanizacji staje się ważnym kierunkiem rozwoju w przyszłości. Dlatego w przyszłości powinniśmy bazować na lokalnym poziomie rozwoju, uwzględniać potrzeby rozwoju mechanizacji, racjonalnie projektować przestrzeń wewnętrzną i układ szklarni, przyspieszyć badania i rozwój sprzętu rolniczego odpowiedniego dla lokalnych obszarów oraz poprawić tempo mechanizacji produkcji szklarniowej. Jednocześnie, zgodnie z potrzebami upraw i wzorcami upraw, odpowiedni sprzęt powinien być dostosowany do norm, a także należy promować zintegrowane badania i rozwój, innowacje i popularyzację urządzeń do wentylacji, redukcji wilgotności, konserwacji cieplnej i ogrzewania.

Grubość ścian z pustaków i bloków piaskowych jest nadal duża.

Jeśli ściana jest zbyt gruba, pomimo dobrego efektu izolacyjnego, zmniejszy to wskaźnik wykorzystania gleby, zwiększy koszty i trudność budowy. Dlatego w przyszłym rozwoju, z jednej strony, grubość ściany może być naukowo zoptymalizowana zgodnie z lokalnymi warunkami klimatycznymi; z drugiej strony, powinniśmy promować lekką i uproszczoną zabudowę tylnej ściany, tak aby tylna ściana szklarni zachowała jedynie funkcję zatrzymywania ciepła, wykorzystując kolektory słoneczne i inny sprzęt do zastąpienia magazynowania i uwalniania ciepła przez ścianę. Kolektory słoneczne charakteryzują się wysoką wydajnością gromadzenia ciepła, dużą pojemnością cieplną, oszczędnością energii, niską emisją dwutlenku węgla itd., a większość z nich może realizować aktywną regulację i kontrolę oraz może przeprowadzać ukierunkowane ogrzewanie egzotermiczne zgodnie z wymaganiami środowiskowymi szklarni w nocy, z wyższą wydajnością wykorzystania ciepła.

Należy opracować specjalną kołdrę termoizolacyjną.

Przedni dach jest głównym miejscem odprowadzania ciepła w szklarni, a właściwości termoizolacyjne kołdry termoizolacyjnej bezpośrednio wpływają na warunki termiczne wewnątrz. Obecnie temperatura w szklarni w niektórych obszarach nie jest korzystna, częściowo ze względu na zbyt cienką kołdrę termoizolacyjną, a także niewystarczającą izolacyjność termiczną materiałów. Jednocześnie kołdra termoizolacyjna nadal ma pewne wady, takie jak słaba wodoodporność i odporność na narty, szybkie starzenie się materiałów powierzchniowych i rdzeniowych itp. Dlatego w przyszłości odpowiednie materiały termoizolacyjne powinny być dobierane naukowo, zgodnie z lokalnymi warunkami klimatycznymi i wymaganiami, a także projektowane i rozwijane specjalne kołdry termoizolacyjne, dostosowane do lokalnego użytkowania i popularyzacji.

KONIEC

Cytowane informacje

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi i inni. Stan badań nad technologią gwarantowania temperatury otoczenia w szklarniach słonecznych na nieuprawianych gruntach północno-zachodnich [J]. Inżynieria Rolnicza, 2022,42(28):12-20.