Li Ťien-ming, Sun Guotao atď.Technológia poľnohospodárskeho inžinierstva v skleníkových záhradníckych zariadeniach2022-11-21 17:42 Publikované v Pekingu

V posledných rokoch sa skleníkový priemysel intenzívne rozvíja. Rozvoj skleníkov nielen zlepšuje mieru využitia pôdy a produkciu poľnohospodárskych produktov, ale rieši aj problém so zásobovaním ovocím a zeleninou v mimosezónnom období. Skleníky sa však stretávajú aj s bezprecedentnými výzvami. Pôvodné zariadenia, spôsoby vykurovania a konštrukčné formy vytvárajú odolnosť voči prostrediu a rozvoju. Na zmenu štruktúry skleníkov sú naliehavo potrebné nové materiály a nové dizajny a na dosiahnutie cieľov úspory energie a ochrany životného prostredia a na zvýšenie produkcie a príjmov sú naliehavo potrebné nové zdroje energie.

Tento článok sa zaoberá témou „nová energia, nové materiály, nový dizajn na podporu novej revolúcie v skleníkoch“ vrátane výskumu a inovácií v oblasti solárnej energie, energie z biomasy, geotermálnej energie a iných nových zdrojov energie v skleníkoch, výskumu a aplikácie nových materiálov na zakrytie, tepelnú izoláciu, steny a iné zariadenia a budúcich vyhliadok a úvah o novej energii, nových materiáloch a novom dizajne na podporu reformy skleníkov s cieľom poskytnúť referenciu pre toto odvetvie.

Rozvoj poľnohospodárstva s využitím zariadení je politickou požiadavkou a nevyhnutnou voľbou na implementáciu ducha dôležitých pokynov a rozhodnutí ústrednej vlády. V roku 2020 bude celková plocha chráneného poľnohospodárstva v Číne 2,8 milióna hm² a produkčná hodnota presiahne 1 bilión juanov. Je to dôležitý spôsob, ako zlepšiť výrobnú kapacitu skleníkov, zlepšiť osvetlenie skleníkov a tepelnú izoláciu prostredníctvom nových energií, nových materiálov a nového dizajnu skleníkov. Tradičná výroba v skleníkoch má mnoho nevýhod, pretože uhlie, vykurovací olej a iné zdroje energie používané na vykurovanie a kúrenie v tradičných skleníkoch majú za následok veľké množstvo oxidu uhličitého, ktorý vážne znečisťuje životné prostredie, zatiaľ čo zemný plyn, elektrická energia a iné zdroje energie zvyšujú prevádzkové náklady skleníkov. Tradičnými materiálmi na akumuláciu tepla pre steny skleníkov sú väčšinou hlina a tehly, ktoré spotrebúvajú veľa a spôsobujú vážne škody na pôdnych zdrojoch. Účinnosť využívania pôdy v tradičných solárnych skleníkoch so zemným valom je iba 40 % až 50 % a bežný skleník má slabú kapacitu akumulácie tepla, takže v severnej Číne nedokáže prežiť zimu na produkciu teplej zeleniny. Preto jadro podpory zmien v skleníkoch alebo základný výskum spočíva v návrhu skleníkov, výskume a vývoji nových materiálov a nových energií. Tento článok sa zameria na výskum a inovácie nových zdrojov energie v skleníkoch, zhrnie stav výskumu nových zdrojov energie, ako je slnečná energia, energia z biomasy, geotermálna energia, veterná energia a nové priehľadné krycie materiály, tepelnoizolačné materiály a stenové materiály v skleníkoch, analyzuje využitie novej energie a nových materiálov pri výstavbe nových skleníkov a zameria sa na ich úlohu v budúcom vývoji a transformácii skleníkov.

Výskum a inovácie v oblasti nových energetických skleníkov

Zelená nová energia s najväčším potenciálom využitia v poľnohospodárstve zahŕňa slnečnú energiu, geotermálnu energiu a energiu z biomasy, alebo komplexné využitie rôznych nových zdrojov energie s cieľom dosiahnuť efektívne využívanie energie učením sa zo silných stránok navzájom.

solárna energia/energia

Technológia solárnej energie je nízkouhlíkovým, efektívnym a udržateľným spôsobom zásobovania energiou a je dôležitou súčasťou strategicky rozvíjajúcich sa priemyselných odvetví Číny. V budúcnosti sa stane nevyhnutnou voľbou pre transformáciu a modernizáciu energetickej štruktúry Číny. Z hľadiska využitia energie je samotný skleník zariadením na využitie slnečnej energie. Prostredníctvom skleníkového efektu sa slnečná energia zhromažďuje v interiéri, zvyšuje sa teplota skleníka a poskytuje sa potrebné teplo pre rast plodín. Hlavným zdrojom energie pre fotosyntézu skleníkových rastlín je priame slnečné svetlo, čo predstavuje priame využitie slnečnej energie.

01 Fotovoltaická výroba energie na výrobu tepla

Fotovoltaická výroba energie je technológia, ktorá priamo premieňa svetelnú energiu na elektrickú energiu na základe fotovoltaického efektu. Kľúčovým prvkom tejto technológie sú solárne články. Keď slnečná energia svieti na pole solárnych panelov zapojených sériovo alebo paralelne, polovodičové komponenty priamo premieňajú energiu slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Fotovoltaická technológia dokáže priamo premieňať svetelnú energiu na elektrickú energiu, ukladať elektrinu prostredníctvom batérií a v noci vykurovať skleník, ale jej vysoká cena obmedzuje jej ďalší rozvoj. Výskumná skupina vyvinula fotovoltaické grafénové vykurovacie zariadenie, ktoré pozostáva z flexibilných fotovoltaických panelov, zariadenia na spätné riadenie typu „všetko v jednom“, akumulátora a grafénovej vykurovacej tyče. V závislosti od dĺžky výsadbovej línie je grafénová vykurovacia tyč umiestnená pod substrátovým vreckom. Cez deň fotovoltaické panely absorbujú slnečné žiarenie na výrobu elektriny a ukladajú ju do akumulátora, ktorý sa potom v noci uvoľňuje pre grafénovú vykurovaciu tyč. Pri skutočnom meraní sa používa režim regulácie teploty, ktorý začína na 17 ℃ a končí na 19 ℃. Pri nočnej prevádzke (20:00 – 8:00 druhého dňa) počas 8 hodín je spotreba energie na vykurovanie jedného radu rastlín 1,24 kW·h a priemerná teplota vreca so substrátom v noci je 19,2 ℃, čo je o 3,5 – 5,3 ℃ viac ako v kontrolnej skupine. Táto metóda vykurovania v kombinácii s fotovoltaickou výrobou energie rieši problémy s vysokou spotrebou energie a vysokým znečistením pri vykurovaní skleníkov v zime.

02 fototermálna konverzia a využitie

Solárna fototermálna konverzia sa vzťahuje na použitie špeciálneho povrchu na zachytávanie slnečného žiarenia vyrobeného z fototermálnych konverzných materiálov na zachytávanie a absorbovanie čo najväčšieho množstva vyžarovanej slnečnej energie a jej premenu na tepelnú energiu. V porovnaní so solárnymi fotovoltaickými aplikáciami zvyšujú solárne fototermálne aplikácie absorpciu blízkeho infračerveného pásma, takže majú vyššiu účinnosť využitia energie slnečného žiarenia, nižšie náklady a vyspelé technológie a sú najpoužívanejším spôsobom využitia slnečnej energie.

Najvyspelejšou technológiou fototermálnej premeny a využitia v Číne je solárny kolektor, ktorého jadrom je jadro z tepelne absorbujúcej dosky so selektívnou absorpčnou vrstvou, ktoré dokáže premieňať energiu slnečného žiarenia prechádzajúcu cez kryciu dosku na tepelnú energiu a prenášať ju do tepelne absorbujúceho pracovného média. Solárne kolektory možno rozdeliť do dvoch kategórií podľa toho, či je v kolektore vákuový priestor alebo nie: ploché solárne kolektory a vákuové trubicové solárne kolektory; koncentračné solárne kolektory a nekoncentračné solárne kolektory podľa toho, či slnečné žiarenie v otvore denného svetla mení smer; a kvapalinové solárne kolektory a vzduchové solárne kolektory podľa typu tepelne prenosného pracovného média.

Využívanie slnečnej energie v skleníkoch sa realizuje najmä prostredníctvom rôznych typov solárnych kolektorov. Univerzita Ibn Zor v Maroku vyvinula aktívny systém solárneho ohrevu (ASHS) na vykurovanie skleníkov, ktorý môže v zime zvýšiť celkovú produkciu paradajok o 55 %. Čínska poľnohospodárska univerzita navrhla a vyvinula sadu systémov povrchového chladenia a ventilátora na zber a odvod tepla s kapacitou zberu tepla 390,6 až 693,0 MJ a predložila myšlienku oddelenia procesu zberu tepla od procesu akumulácie tepla pomocou tepelného čerpadla. Univerzita v Bari v Taliansku vyvinula polygeneračný vykurovací systém pre skleníky, ktorý pozostáva zo solárneho systému a tepelného čerpadla vzduch-voda a dokáže zvýšiť teplotu vzduchu o 3,6 % a teplotu pôdy o 92 %. Výskumná skupina vyvinula druh aktívneho zariadenia na zber slnečného tepla s premenlivým uhlom sklonu pre solárny skleník a podporné zariadenie na akumuláciu tepla pre vodnú plochu skleníka v každom počasí. Technológia aktívneho zberu slnečného tepla s premenlivým sklonom prekonáva obmedzenia tradičných zariadení na zber tepla zo skleníkov, ako je obmedzená kapacita zberu tepla, tieňovanie a obrábanie obrábanej pôdy. Použitím špeciálnej konštrukcie solárneho skleníka sa plne využíva priestor skleníka, ktorý nie je určený na výsadbu rastlín, čo výrazne zlepšuje účinnosť využitia skleníkového priestoru. Za typických slnečných prevádzkových podmienok dosahuje aktívny systém solárneho zberu tepla s premenlivým sklonom 1,9 MJ/(m2h), účinnosť využitia energie dosahuje 85,1 % a miera úspory energie je 77 %. V technológii akumulácie tepla v skleníku sa používa viacfázová štruktúra akumulácie tepla, zvyšuje sa kapacita akumulácie tepla zariadenia na akumuláciu tepla a dosahuje sa pomalé uvoľňovanie tepla zo zariadenia, čím sa dosahuje efektívne využitie tepla zozbieraného zariadením na solárny zber tepla v skleníku.

energia z biomasy

Nová štruktúra zariadenia sa buduje kombináciou zariadenia na výrobu tepla z biomasy so skleníkom a suroviny z biomasy, ako je prasací trus, zvyšky húb a slama, sa kompostujú na výrobu tepla a vygenerovaná tepelná energia sa priamo dodáva do skleníka [5]. V porovnaní so skleníkom bez vykurovacej nádrže na fermentáciu biomasy môže vykurovací skleník efektívne zvýšiť teplotu zeme v skleníku a udržiavať správnu teplotu koreňov plodín pestovaných v pôde v normálnom podnebí v zime. Vezmime si ako príklad jednovrstvový asymetrický tepelnoizolačný skleník s rozpätím 17 m a dĺžkou 30 m, pridanie 8 m poľnohospodárskeho odpadu (zmes paradajkovej slamy a prasacieho trusa) do vnútornej fermentačnej nádrže pre prirodzené kvasenie bez prevracania kopy môže zvýšiť priemernú dennú teplotu skleníka o 4,2 ℃ v zime a priemerná denná minimálna teplota môže dosiahnuť 4,6 ℃.

Riadená fermentácia biomasy využíva energiu z biomasy a je fermentačná metóda, ktorá využíva prístroje a zariadenia na riadenie fermentačného procesu s cieľom rýchlo získať a efektívne využiť tepelnú energiu biomasy a plynné hnojivo CO2, pričom vetranie a vlhkosť sú kľúčovými faktormi na reguláciu produkcie fermentačného tepla a plynu z biomasy. Za vetraných podmienok aeróbne mikroorganizmy vo fermentačnej halde využívajú kyslík na životné aktivity a časť vyrobenej energie sa používa na ich vlastné životné aktivity a časť energie sa uvoľňuje do prostredia ako tepelná energia, čo je prospešné pre zvýšenie teploty prostredia. Voda sa zúčastňuje celého fermentačného procesu, poskytuje potrebné rozpustné živiny pre mikrobiálnu aktivitu a zároveň uvoľňuje teplo z haldy vo forme pary prostredníctvom vody, čím sa znižuje teplota haldy, predĺžuje životnosť mikroorganizmov a zvyšuje sa objemová teplota haldy. Inštalácia zariadenia na lúhovanie slamy vo fermentačnej nádrži môže v zime zvýšiť vnútornú teplotu o 3 ~ 5 ℃, posilniť fotosyntézu rastlín a zvýšiť výnos paradajok o 29,6 %.

Geotermálna energia

Čína má bohaté geotermálne zdroje. V súčasnosti je najbežnejším spôsobom využitia geotermálnej energie v poľnohospodárskych zariadeniach použitie tepelného čerpadla zem-voda, ktoré dokáže premeniť nízkokvalitnú tepelnú energiu na vysokokvalitnú tepelnú energiu privedením malého množstva vysokokvalitnej energie (napríklad elektrickej energie). Na rozdiel od tradičných opatrení na vykurovanie skleníkov, vykurovanie tepelným čerpadlom zem-voda dokáže nielen dosiahnuť významný vykurovací účinok, ale má aj schopnosť chladiť skleník a znižovať vlhkosť v skleníku. Výskum aplikácií tepelného čerpadla zem-voda v oblasti bytovej výstavby je v pokročilom štádiu. Hlavnou súčasťou, ktorá ovplyvňuje vykurovaciu a chladiacu kapacitu tepelného čerpadla zem-voda, je modul podzemnej výmeny tepla, ktorý zahŕňa najmä zakopané potrubia, podzemné vrty atď. Výskum v tejto oblasti sa vždy zameriaval na to, ako navrhnúť podzemný systém výmeny tepla s vyváženým pomerom nákladov a účinku. Zároveň zmena teploty podzemnej vrstvy pôdy pri aplikácii tepelného čerpadla zem-voda ovplyvňuje aj účinok využitia systému tepelného čerpadla. Použitie tepelného čerpadla zem-voda na chladenie skleníka v lete a ukladanie tepelnej energie v hlbokej vrstve pôdy môže zmierniť pokles teploty podzemnej vrstvy pôdy a zlepšiť účinnosť výroby tepla tepelným čerpadlom zem-voda v zime.

V súčasnosti sa pri výskume výkonu a účinnosti tepelného čerpadla geotermálna voda, na základe skutočných experimentálnych údajov, vytvára numerický model so softvérom ako TOUGH2 a TRNSYS a dospelo sa k záveru, že vykurovací výkon a koeficient výkonu (COP) tepelného čerpadla geotermálna voda môžu dosiahnuť 3,0 ~ 4,5, čo má dobrý chladiaci a vykurovací účinok. Pri výskume prevádzkovej stratégie systému tepelného čerpadla Fu Yunzhun a ďalší zistili, že v porovnaní s prietokom na strane záťaže má prietok na strane geotermálnej vody väčší vplyv na výkon jednotky a prenos tepla cez zakopané potrubie. Za podmienok nastavenia prietoku môže maximálna hodnota COP jednotky dosiahnuť 4,17 pri použití prevádzkovej schémy s prevádzkou 2 hodiny a zastavením na 2 hodiny; Shi Huixian a ďalší zvolili prerušovaný režim prevádzky chladiaceho systému s akumuláciou vody. V lete, keď je teplota vysoká, môže COP celého systému zásobovania energiou dosiahnuť 3,80.

Technológia hlbokého skladovania tepla v pôde v skleníku

Hlboké akumulovanie tepla v pôde v skleníku sa v skleníku nazýva aj „akumulácia tepla“. Poškodenie chladom v zime a vysoké teploty v lete sú hlavnými prekážkami produkcie v skleníku. Vzhľadom na silnú kapacitu hlbokej pôdy na akumuláciu tepla výskumná skupina navrhla podzemné zariadenie na hlboké akumulovanie tepla pre skleník. Zariadenie je dvojvrstvové paralelné potrubie na prenos tepla zakopané v hĺbke 1,5 až 2,5 m pod zemou v skleníku s prívodom vzduchu v hornej časti skleníka a výstupom vzduchu na zemi. Keď je teplota v skleníku vysoká, vnútorný vzduch je násilne vháňaný do zeme ventilátorom, aby sa dosiahlo akumulovanie tepla a zníženie teploty. Keď je teplota v skleníku nízka, teplo sa odoberá z pôdy na ohrev skleníka. Výsledky výroby a aplikácie ukazujú, že zariadenie dokáže zvýšiť teplotu v skleníku o 2,3 ℃ v zimnej noci, znížiť vnútornú teplotu o 2,6 ℃ v letnom dni a zvýšiť výnos paradajok o 1500 kg na 667 m².²Zariadenie plne využíva vlastnosti „teplo v zime a chlad v lete“ a „konštantnú teplotu“ hlbokej podzemnej pôdy, poskytuje „zásobu energie“ pre skleník a nepretržite vykonáva pomocné funkcie chladenia a vykurovania skleníka.

Koordinácia viacerých energií

Použitie dvoch alebo viacerých typov energie na vykurovanie skleníka môže účinne kompenzovať nevýhody jedného typu energie a umožniť pôsobenie superpozičného efektu „jeden plus jeden je viac ako dva“. Doplnková spolupráca medzi geotermálnou energiou a solárnou energiou je v posledných rokoch výskumným bodom nového využitia energie v poľnohospodárskej výrobe. Emmi a kol. študovali viaczdrojový energetický systém (obrázok 1), ktorý je vybavený fotovoltaicko-termickým hybridným solárnym kolektorom. V porovnaní s bežným systémom tepelného čerpadla vzduch-voda sa energetická účinnosť viaczdrojového energetického systému zlepšila o 16 % až 25 %. Zheng a kol. vyvinuli nový typ prepojeného systému akumulácie tepla so solárnou energiou a tepelným čerpadlom zem-voda. Systém solárnych kolektorov dokáže realizovať vysokokvalitné sezónne akumulovanie tepla, teda vysokokvalitné vykurovanie v zime a vysokokvalitné chladenie v lete. Zapustený rúrkový výmenník tepla a prerušovaný zásobník tepla môžu v systéme dobre fungovať a hodnota COP systému môže dosiahnuť 6,96.

V kombinácii so solárnou energiou sa zameriava na zníženie spotreby komerčnej energie a zvýšenie stability zásobovania solárnou energiou v skleníkoch. Wan Ya a ďalší predložili novú schému inteligentnej riadiacej technológie, ktorá kombinuje výrobu solárnej energie s komerčnou energiou na vykurovanie skleníkov. Táto schéma dokáže využiť fotovoltaickú energiu, keď je svetlo, a premeniť ju na komerčnú energiu, keď svetlo nie je, čím sa výrazne znižuje miera nedostatku energie v záťaži a znižujú sa ekonomické náklady bez použitia batérií.

Solárna energia, energia z biomasy a elektrická energia môžu spoločne vykurovať skleníky, čím sa dosahuje vysoká vykurovacia účinnosť. Zhang Liangrui a ďalší kombinovali solárny vákuový zber tepla s údolnou akumulačnou nádržou na teplo. Vykurovací systém skleníka má dobrý tepelný komfort a priemerná vykurovacia účinnosť systému je 68,70 %. Elektrická akumulačná nádrž na teplo je zariadenie na akumuláciu vykurovacej vody z biomasy s elektrickým ohrevom. Nastavuje sa najnižšia teplota vody na vstupe do vykurovacej časti a prevádzková stratégia systému sa určuje podľa teploty akumulačnej vody v časti na zber solárneho tepla a časti na akumuláciu tepla z biomasy, aby sa dosiahla stabilná teplota vykurovania na vykurovacej strane a maximalizovala sa úspora elektrickej energie a energetických materiálov z biomasy.

Inovatívny výskum a aplikácia nových skleníkových materiálov

S rozširovaním plochy skleníkov sa čoraz viac prejavujú nevýhody použitia tradičných skleníkových materiálov, ako sú tehly a zemina. Preto s cieľom ďalej zlepšiť tepelné vlastnosti skleníkov a splniť potreby rozvoja moderných skleníkov existuje veľa výskumov a aplikácií nových priehľadných krycích materiálov, tepelnoizolačných materiálov a stenových materiálov.

Výskum a aplikácia nových transparentných krycích materiálov

Medzi typy priehľadných krycích materiálov pre skleníky patria najmä plastové fólie, sklo, solárne panely a fotovoltaické panely, pričom plastové fólie majú najväčšiu oblasť použitia. Tradičné PE fólie pre skleníky majú nedostatky ako krátka životnosť, nedegradácia a jediná funkcia. V súčasnosti sa vyvinulo množstvo nových funkčných fólií pridaním funkčných činidiel alebo povlakov.

Svetelná konverzná fólia:Svetlokonverzná fólia mení optické vlastnosti fólie pomocou svetelných konverzných činidiel, ako sú materiály vzácnych zemín a nanomateriály, a dokáže premeniť oblasť ultrafialového svetla na červenooranžové svetlo a modrofialové svetlo potrebné pre fotosyntézu rastlín, čím zvyšuje výnos plodín a znižuje poškodenie plodín a fólií ultrafialovým svetlom v plastových skleníkoch. Napríklad širokopásmová fialovočervená skleníková fólia s svetlokonverzným činidlom VTR-660 môže výrazne zlepšiť priepustnosť infračerveného žiarenia pri aplikácii v skleníku a v porovnaní s kontrolným skleníkom sa výrazne zvýšila priepustnosť paradajok na hektár, obsah vitamínu C a lykopénu o 25,71 %, 11,11 % a 33,04 %. V súčasnosti je však ešte potrebné preskúmať životnosť, odbúrateľnosť a náklady novej svetlokonverznej fólie.

Rozptýlené skloRozptýlené sklo v skleníku je špeciálny vzor a antireflexná technológia na povrchu skla, ktorá dokáže maximalizovať slnečné svetlo na rozptýlené svetlo vstupujúce do skleníka, zlepšiť účinnosť fotosyntézy plodín a zvýšiť výnos plodín. Rozptýlené sklo premieňa svetlo vstupujúce do skleníka na rozptýlené svetlo pomocou špeciálnych vzorov a rozptýlené svetlo môže byť rovnomernejšie ožiarené do skleníka, čím sa eliminuje vplyv tieňa kostry na skleník. V porovnaní s bežným plaveným sklom a ultrabielym plaveným sklom je štandard priepustnosti svetla rozptýleného skla 91,5 % a bežného plaveného skla je to 88 %. Na každé 1 % zvýšenie priepustnosti svetla vo vnútri skleníka sa môže výnos zvýšiť približne o 3 % a zvyšuje sa obsah rozpustného cukru a vitamínu C v ovocí a zelenine. Rozptýlené sklo v skleníku je najprv potiahnuté a potom temperované a miera samovoľného výbuchu je vyššia ako národný štandard a dosahuje 2 ‰.

Výskum a aplikácia nových tepelnoizolačných materiálov

Medzi tradičné tepelnoizolačné materiály v skleníkoch patria najmä slamené rohože, papierové prikrývky, vpichované plstené tepelnoizolačné prikrývky atď., ktoré sa používajú hlavne na vnútornú a vonkajšiu tepelnú izoláciu striech, izoláciu stien a tepelnú izoláciu niektorých zariadení na akumuláciu a zber tepla. Väčšina z nich má tú vadu, že po dlhodobom používaní stráca tepelnoizolačné vlastnosti v dôsledku vnútornej vlhkosti. Preto existuje mnoho aplikácií nových vysoko tepelnoizolačných materiálov, medzi ktorými sú výskumné oblasti zamerané na nové tepelnoizolačné prikrývky, zariadenia na akumuláciu a zber tepla.

Nové tepelnoizolačné materiály sa zvyčajne vyrábajú spracovaním a zmiešaním povrchovo vodeodolných a starnúcim materiálov, ako je tkaná fólia a potiahnutá plsť, s nadýchanými tepelnoizolačnými materiálmi, ako je striekaná bavlna, rôzne druhy kašmíru a perleťová bavlna. V severovýchodnej Číne bola testovaná tkaná fólia s potiahnutou striekanou bavlnenou tepelnoizolačnou prikrývkou. Zistilo sa, že pridanie 500 g striekanej bavlny bolo ekvivalentné tepelnoizolačnému výkonu 4500 g čiernej plstenej tepelnoizolačnej prikrývky na trhu. Za rovnakých podmienok sa tepelnoizolačný výkon 700 g striekanej bavlny zlepšil o 1 až 2 ℃ v porovnaní s 500 g striekanej bavlnenej tepelnoizolačnej prikrývkou. Zároveň iné štúdie zistili, že v porovnaní s bežne používanými tepelnoizolačnými prikrývkami na trhu je tepelnoizolačný účinok striekanej bavlny a rôznych druhov kašmíru lepší s mierou tepelnej izolácie 84,0 % a 83,3 %. Keď je najnižšia vonkajšia teplota -24,4 ℃, vnútorná teplota môže dosiahnuť 5,4 ℃, respektíve 4,2 ℃. V porovnaní s izolačnou prikrývkou z jednej slamy má nová kompozitná izolačná prikrývka výhody nízkej hmotnosti, vysokej miery izolácie, silnej vodeodolnosti a odolnosti voči starnutiu a možno ju použiť ako nový typ vysokoúčinného izolačného materiálu pre solárne skleníky.

Zároveň sa podľa výskumu tepelnoizolačných materiálov pre zariadenia na zhromažďovanie a akumuláciu tepla v skleníkoch zistilo, že pri rovnakej hrúbke majú viacvrstvové kompozitné tepelnoizolačné materiály lepší tepelnoizolačný výkon ako jednotlivé materiály. Tím profesora Li Jianminga zo Severozápadnej univerzity A&F navrhol a otestoval 22 druhov tepelnoizolačných materiálov pre zariadenia na akumuláciu vody v skleníkoch, ako sú vákuové dosky, aerogély a gumová vata, a zmeral ich tepelné vlastnosti. Výsledky ukázali, že 80 mm tepelnoizolačný náter + aerogél + gumovo-plastová tepelnoizolačná bavlnená kompozitná izolácia dokázala znížiť rozptyl tepla o 0,367 MJ za jednotku času v porovnaní s 80 mm gumovo-plastovou bavlnou a jej koeficient prestupu tepla bol 0,283 W/(m2·k) pri hrúbke izolačnej kombinácie 100 mm.

Fázovo premenlivý materiál je jedným z kľúčových oblastí výskumu materiálov pre skleníky. Severozápadná univerzita A&F vyvinula dva druhy zariadení na skladovanie fázovo premenlivého materiálu: jedným je skladovacia krabica vyrobená z čierneho polyetylénu s rozmermi 50 cm × 30 cm × 14 cm (dĺžka × výška × hrúbka) a je naplnená fázovo premenlivým materiálom, aby mohla akumulovať teplo a uvoľňovať teplo; Po druhé, bol vyvinutý nový typ fázovo premenlivej steny. Fázovo premenlivá stena pozostáva z fázovo premenlivého materiálu, hliníkového plechu, hliníkovo-plastového plechu a hliníkovej zliatiny. Fázovo premenlivý materiál sa nachádza v najcentrálnejšej polohe steny a jeho špecifikácia je 200 mm × 200 mm × 50 mm. Pred a po fázovej zmene je to prášková pevná látka a nedochádza k žiadnemu javu topenia ani tečenia. Štyri steny fázovo premenlivého materiálu sú hliníkový plech a hliníkovo-plastový plech. Toto zariadenie dokáže plniť funkcie hlavne akumulácie tepla počas dňa a hlavne uvoľňovania tepla v noci.

Preto existujú určité problémy pri použití jedného tepelnoizolačného materiálu, ako je nízka účinnosť tepelnej izolácie, veľké tepelné straty, krátka doba akumulácie tepla atď. Preto použitie kompozitného tepelnoizolačného materiálu ako tepelnoizolačnej vrstvy a vnútornej a vonkajšej tepelnoizolačnej krycej vrstvy zariadenia na akumuláciu tepla môže účinne zlepšiť tepelnoizolačné vlastnosti skleníka, znížiť tepelné straty skleníka a tým dosiahnuť úsporu energie.

Výskum a aplikácia novej steny

Ako druh uzatváracej konštrukcie je stena dôležitou bariérou pre ochranu skleníka pred chladom a zachovanie tepla. Podľa materiálov a konštrukcií stien možno severnú stenu skleníka rozdeliť na tri typy: jednovrstvovú stenu z hliny, tehál atď. a vrstvovú severnú stenu z hlinených tehál, tvárnic, polystyrénových dosiek atď. s vnútorným zásobníkom tepla a vonkajšou tepelnou izoláciou. Väčšina týchto stien je časovo a prácne náročná. Preto sa v posledných rokoch objavilo mnoho nových typov stien, ktoré sa ľahko stavajú a sú vhodné na rýchlu montáž.

Vznik montovaných stien nového typu podporuje rýchly rozvoj montovaných skleníkov vrátane kompozitných stien nového typu s vonkajšími vodotesnými a omladzujúcimi povrchovými materiálmi a materiálmi, ako je plsť, perlová bavlna, vesmírna bavlna, sklenená vata alebo recyklovaná bavlna ako tepelnoizolačné vrstvy, ako sú napríklad flexibilné montované steny z nastriekanej bavlny v Sin-ťiangu. Okrem toho, iné štúdie tiež uvádzajú severnú stenu montovaného skleníka s vrstvou akumulácie tepla, ako sú napríklad tehly naplnené tvárnice z pšeničnej malty v Sin-ťiangu. V rovnakom vonkajšom prostredí, keď je najnižšia vonkajšia teplota -20,8 ℃, je teplota v solárnom skleníku s kompozitnou stenou z tvárnic z pšeničnej malty 7,5 ℃, zatiaľ čo teplota v solárnom skleníku s tehlovo-betónovou stenou je 3,2 ℃. Doba zberu paradajok v tehlovom skleníku sa môže predĺžiť o 16 dní a výnos jedného skleníka sa môže zvýšiť o 18,4 %.

Tím konštruktérov z Northwest A&F University prišiel s nápadom na výrobu tepelnoizolačných a tepelnoakumulačných modulov zo slamy, pôdy, vody, kameňa a materiálov s fázovou zmenou z hľadiska svetla a zjednodušeného návrhu stien, čo podporilo aplikačný výskum modulárnych montovaných stien. Napríklad v porovnaní s bežným tehlovým skleníkom je priemerná teplota v skleníku o 4,0 ℃ vyššia počas typického slnečného dňa. Tri druhy modulov z anorganického cementu s fázovou zmenou, ktoré sú vyrobené z materiálu s fázovou zmenou (PCM) a cementu, akumulovali teplo 74,5, 88,0 a 95,1 MJ/m³.³a uvoľnené teplo 59,8, 67,8 a 84,2 MJ/m³, v uvedenom poradí. Cez deň majú funkcie „odstraňovania špičiek“, v noci „vypĺňania údolia“, v lete absorbujú teplo a v zime teplo uvoľňujú.

Tieto nové steny sa montujú na mieste, s krátkou dobou výstavby a dlhou životnosťou, čo vytvára podmienky pre výstavbu ľahkých, zjednodušených a rýchlo montovateľných prefabrikovaných skleníkov a môže výrazne podporiť štrukturálnu reformu skleníkov. Tento typ steny však má určité nedostatky, napríklad striekaná bavlnená tepelnoizolačná stena síce má vynikajúce tepelnoizolačné vlastnosti, ale chýba jej kapacita akumulácie tepla, a tento stavebný materiál s fázovou zmenou má problém s vysokými prevádzkovými nákladmi. V budúcnosti by sa mal zintenzívniť výskum aplikácií montovaných stien.

Nová energia, nové materiály a nové dizajny pomáhajú zmeniť štruktúru skleníkov.

Výskum a inovácie v oblasti nových energií a materiálov poskytujú základ pre dizajnové inovácie skleníkov. Energeticky úsporné solárne skleníky a klenuté prístrešky sú najväčšími prístreškovými konštrukciami v poľnohospodárskej výrobe v Číne a zohrávajú dôležitú úlohu v poľnohospodárskej výrobe. S rozvojom sociálnej ekonomiky v Číne sa však čoraz viac prejavujú nedostatky týchto dvoch typov konštrukcií zariadení. Po prvé, priestor konštrukcií zariadení je malý a stupeň mechanizácie je nízky. Po druhé, energeticky úsporné solárne skleníky majú dobrú tepelnú izoláciu, ale využívanie pôdy je nízke, čo je ekvivalentné nahradeniu energie zo skleníka pôdou. Bežné klenuté prístrešky majú nielen malý priestor, ale aj slabú tepelnú izoláciu. Hoci viacrozmerné skleníky majú veľký priestor, majú slabú tepelnú izoláciu a vysokú spotrebu energie. Preto je nevyhnutné skúmať a vyvíjať konštrukcie skleníkov vhodné pre súčasnú sociálnu a ekonomickú úroveň Číny a výskum a vývoj nových energií a materiálov pomôže zmeniť konštrukcie skleníkov a vytvoriť rôzne inovatívne modely alebo konštrukcie skleníkov.

Inovatívny výskum asymetrického vodou riadeného pivovarníckeho skleníka s veľkým rozpätím

Veľkorozpätý asymetrický vodou riadený varný skleník (číslo patentu: ZL 201220391214.2) je založený na princípe slnečného skleníka, pričom mení symetrickú štruktúru bežného plastového skleníka, zväčšuje južné rozpätie, zväčšuje osvetlenú plochu južnej strechy, zmenšuje severné rozpätie a zmenšuje plochu rozptylu tepla, s rozpätím 18 ~ 24 m a výškou hrebeňa 6 ~ 7 m. Vďaka inovácii dizajnu sa výrazne zväčšila priestorová štruktúra. Zároveň sa problémy s nedostatočným teplom v skleníku v zime a slabou tepelnou izoláciou bežných tepelnoizolačných materiálov riešia použitím novej technológie varenia biomasy a tepelnoizolačných materiálov. Výsledky výroby a výskumu ukazujú, že veľkorozpätý asymetrický vodou riadený pivovarnícky skleník s priemernou teplotou 11,7 ℃ počas slnečných dní a 10,8 ℃ počas zamračených dní dokáže uspokojiť dopyt po raste plodín v zime a náklady na výstavbu skleníka sa znížia o 39,6 % a miera využitia pôdy sa zvýši o viac ako 30 % v porovnaní so skleníkom s polystyrénovou tehlovou stenou, čo je vhodné na ďalšiu popularizáciu a využitie v povodí rieky Žltá Huaihe v Číne.

Zostavený skleník na slnečné svetlo

Montovaný skleník využívajúci slnečné svetlo využíva stĺpy a strešnú kostru ako nosnú konštrukciu a materiál stien je prevažne tepelnoizolačný kryt, namiesto nosnej a pasívnej akumulácie a uvoľňovania tepla. Hlavné sú: (1) nový typ montovanej steny je vytvorený kombináciou rôznych materiálov, ako je potiahnutá fólia alebo farebný oceľový plech, slamený blok, flexibilná tepelnoizolačná prikrývka, maltový blok atď. (2) kompozitná stenová doska vyrobená z prefabrikovaných cementových dosiek, polystyrénových dosiek a cementových dosiek; (3) Ľahký a jednoducho montovateľný typ tepelnoizolačných materiálov s aktívnym systémom akumulácie a uvoľňovania tepla a systémom odvlhčovania, ako je napríklad plastová štvorcová vedrová akumulácia tepla a potrubná akumulácia tepla. Použitie rôznych nových tepelnoizolačných materiálov a materiálov na akumuláciu tepla namiesto tradičných zemných stien na výstavbu solárneho skleníka si vyžaduje veľký priestor a malé stavebné konštrukcie. Experimentálne výsledky ukazujú, že teplota v skleníku v zime je o 4,5 ℃ vyššia ako v tradičnom skleníku s tehlovou stenou a hrúbka zadnej steny je 166 mm. V porovnaní so skleníkom s tehlovou stenou s hrúbkou 600 mm je zaberaná plocha steny znížená o 72 % a náklady na štvorcový meter sú 334,5 juanov, čo je o 157,2 juanov menej ako pri skleníku s tehlovou stenou, a náklady na výstavbu výrazne klesli. Zmontovaný skleník má preto výhody menšieho ničenia obrábanej pôdy, úspory pôdy, rýchlej výstavby a dlhej životnosti a je kľúčovým smerom pre inovácie a vývoj solárnych skleníkov v súčasnosti aj v budúcnosti.

Posuvný skleník so slnečným žiarením

Energeticky úsporný solárny skleník zostavený zo skateboardu, ktorý vyvinula Poľnohospodárska univerzita v Šen-jangu, využíva zadnú stenu solárneho skleníka na vytvorenie systému akumulácie tepla s cirkulujúcou vodou na stene, ktorý akumuluje teplo a zvyšuje teplotu. Systém pozostáva prevažne z bazéna (32 m²).³), zberná doska svetla (360 m²), vodné čerpadlo, vodovodné potrubie a ovládač. Flexibilná tepelnoizolačná deka je na vrchu nahradená novým ľahkým oceľovým plechom farby minerálnej vlny. Výskum ukazuje, že táto konštrukcia účinne rieši problém štítov blokujúcich svetlo a zväčšuje plochu vstupu svetla do skleníka. Uhol osvetlenia skleníka je 41,5°, čo je takmer o 16° viac ako v kontrolnom skleníku, čím sa zlepšuje intenzita osvetlenia. Rozloženie vnútornej teploty je rovnomerné a rastliny rastú úhľadne. Skleník má výhody v podobe zlepšenia efektívnosti využívania pôdy, flexibilného navrhovania veľkosti skleníka a skrátenia doby výstavby, čo má veľký význam pre ochranu obrábaných pôdnych zdrojov a životného prostredia.

Fotovoltaický skleník

Poľnohospodársky skleník je skleník, ktorý integruje výrobu solárnej fotovoltaickej energie, inteligentnú reguláciu teploty a modernú high-tech výsadbu. Používa oceľový rám z kosti a je pokrytý solárnymi fotovoltaickými modulmi, aby sa zabezpečili požiadavky na osvetlenie fotovoltaických modulov na výrobu energie a požiadavky na osvetlenie celého skleníka. Jednosmerný prúd generovaný slnečnou energiou priamo dopĺňa svetlo poľnohospodárskych skleníkov, priamo podporuje normálnu prevádzku skleníkových zariadení, riadi zavlažovanie vodných zdrojov, zvyšuje teplotu v skleníku a podporuje rýchly rast plodín. Fotovoltaické moduly týmto spôsobom ovplyvňujú účinnosť osvetlenia strechy skleníka a následne ovplyvňujú normálny rast skleníkovej zeleniny. Preto sa racionálne rozmiestnenie fotovoltaických panelov na streche skleníka stáva kľúčovým bodom aplikácie. Poľnohospodársky skleník je produktom organickej kombinácie poľnohospodárstva a záhradníctva a je to inovatívny poľnohospodársky priemysel, ktorý integruje výrobu fotovoltaickej energie, poľnohospodárske pamiatky, poľnohospodárske plodiny, poľnohospodársku technológiu, rozvoj krajiny a kultúry.

Inovatívny návrh skupiny skleníkov s energetickou interakciou medzi rôznymi typmi skleníkov

Guo Wenzhong, výskumník na Pekinskej akadémii poľnohospodárskych a lesníckych vied, využíva metódu vykurovania prenosom energie medzi skleníkmi na zhromažďovanie zostávajúcej tepelnej energie v jednom alebo viacerých skleníkoch na vykurovanie ďalšieho alebo viacerých skleníkov. Táto metóda vykurovania realizuje prenos energie skleníka v čase a priestore, zlepšuje účinnosť využitia energie zostávajúcej tepelnej energie skleníka a znižuje celkovú spotrebu energie na vykurovanie. Tieto dva typy skleníkov môžu byť rôzne alebo rovnaké typy skleníkov na pestovanie rôznych plodín, ako sú napríklad šaláty a paradajky. Metódy zhromažďovania tepla zahŕňajú najmä odber tepla z vnútorného vzduchu a priame zachytávanie dopadajúceho žiarenia. Prostredníctvom zhromažďovania slnečnej energie, nútenej konvekcie výmenníkom tepla a núteného odsávania tepelným čerpadlom sa prebytočné teplo vo vysokoenergetickom skleníku odvádza na vykurovanie skleníka.

zhrnúť

Tieto nové solárne skleníky majú výhody rýchlej montáže, skrátenej doby výstavby a lepšieho využitia pôdy. Preto je potrebné ďalej skúmať výkonnosť týchto nových skleníkov v rôznych oblastiach a poskytnúť možnosť pre ich rozsiahlu popularizáciu a využitie. Zároveň je potrebné neustále posilňovať využívanie nových energií a materiálov v skleníkoch, aby sa zabezpečila energia pre štrukturálnu reformu skleníkov.

Budúce vyhliadky a myslenie

Tradičné skleníky majú často určité nevýhody, ako je vysoká spotreba energie, nízka miera využitia pôdy, časová a pracovná náročnosť, slabý výkon atď., ktoré už nedokážu uspokojiť výrobné potreby moderného poľnohospodárstva a budú postupne eliminované. Preto je vývojovým trendom využívať nové zdroje energie, ako je slnečná energia, energia z biomasy, geotermálna energia a veterná energia, nové materiály na použitie v skleníkoch a nové dizajny na podporu štrukturálnych zmien skleníkov. V prvom rade by nový skleník poháňaný novou energiou a novými materiálmi mal nielen spĺňať potreby mechanizovanej prevádzky, ale aj šetriť energiu, pôdu a náklady. Po druhé, je potrebné neustále skúmať výkonnosť nových skleníkov v rôznych oblastiach, aby sa vytvorili podmienky pre rozsiahlu popularizáciu skleníkov. V budúcnosti by sme mali ďalej hľadať novú energiu a nové materiály vhodné na použitie v skleníkoch a nájsť najlepšiu kombináciu novej energie, nových materiálov a skleníka, aby bolo možné postaviť nový skleník s nízkymi nákladmi, krátkou dobou výstavby, nízkou spotrebou energie a vynikajúcim výkonom, pomôcť pri zmene štruktúry skleníkov a podporiť modernizačný rozvoj skleníkov v Číne.

Hoci je využívanie novej energie, nových materiálov a nových dizajnov pri výstavbe skleníkov nevyhnutným trendom, stále existuje mnoho problémov, ktoré je potrebné preskúmať a prekonať: (1) Zvyšujú sa stavebné náklady. V porovnaní s tradičným vykurovaním uhlím, zemným plynom alebo ropou je využívanie novej energie a nových materiálov šetrné k životnému prostrediu a bez znečistenia, ale stavebné náklady sa výrazne zvyšujú, čo má určitý vplyv na návratnosť investícií do výroby a prevádzky. V porovnaní s využívaním energie sa náklady na nové materiály výrazne zvýšia. (2) Nestabilné využívanie tepelnej energie. Najväčšou výhodou využívania novej energie sú nízke prevádzkové náklady a nízke emisie oxidu uhličitého, ale dodávka energie a tepla je nestabilná a zamračené dni sa stávajú najväčším limitujúcim faktorom pri využívaní slnečnej energie. V procese výroby tepla z biomasy fermentáciou je efektívne využitie tejto energie obmedzené problémami s nízkou fermentačnou tepelnou energiou, náročným riadením a kontrolou a veľkým skladovacím priestorom na prepravu surovín. (3) Technologická vyspelosť. Tieto technológie používané pri využívaní novej energie a nových materiálov sú pokročilými výskumnými a technologickými úspechmi a ich oblasť použitia a rozsah sú stále dosť obmedzené. Neprešli mnohými skúškami, overením na mnohých miestach a vo veľkom meradle a nevyhnutne existujú určité nedostatky a technický obsah, ktorý je potrebné v aplikácii zlepšiť. Používatelia často popierajú pokrok v technológii kvôli menším nedostatkom. (4) Miera penetrácie technológií je nízka. Široké uplatnenie vedeckých a technologických úspechov si vyžaduje určitú popularitu. V súčasnosti sú nové zdroje energie, nové technológie a nové technológie návrhu skleníkov v tíme vedeckých výskumných centier na univerzitách s určitými inovačnými schopnosťami a väčšina technických dopytov alebo dizajnérov ich stále nepozná. Zároveň je popularizácia a aplikácia nových technológií stále dosť obmedzená, pretože základné vybavenie nových technológií je patentované. (5) Integrácia nových zdrojov energie, nových materiálov a návrhu skleníkových konštrukcií sa musí ďalej posilniť. Keďže energia, materiály a návrh skleníkových konštrukcií patria do troch rôznych disciplín, talentom so skúsenosťami s návrhom skleníkov často chýba výskum v oblasti energie a materiálov súvisiacich so skleníkmi a naopak. Preto musia výskumníci v oblasti energetiky a materiálového výskumu posilniť skúmanie a pochopenie skutočných potrieb rozvoja skleníkového priemyslu a konštruktéri by mali tiež študovať nové materiály a novú energiu, aby podporili hlbokú integráciu týchto troch vzťahov a dosiahli cieľ praktickej technológie skleníkového výskumu, nízkych stavebných nákladov a dobrého úžitkového efektu. Na základe vyššie uvedených problémov sa navrhuje, aby štát, miestne samosprávy a vedeckovýskumné centrá zintenzívnili technický výskum, vykonávali spoločný hĺbkový výskum, posilnili publicitu vedeckých a technologických úspechov, zlepšili popularizáciu týchto úspechov a rýchlo dosiahli cieľ novej energie a nových materiálov na podporu nového rozvoja skleníkového priemyslu.

Citované informácie

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nová energia, nové materiály a nový dizajn pomáhajú novej revolúcii skleníkov [J]. Zelenina, 2022,(10):1-8.