Лі Цзяньмін, Сунь Гоотао та ін.Технологія агротехніки тепличного садівництва2022-11-21 17:42 Опубліковано в Пекіні

В останні роки теплична галузь активно розвивається. Розвиток теплиць не лише покращує коефіцієнт використання земель та обсяг виробництва сільськогосподарської продукції, але й вирішує проблему постачання фруктів та овочів у міжсезоння. Однак теплиці також зіткнулися з безпрецедентними викликами. Початкові споруди, методи опалення та структурні форми створили стійкість до навколишнього середовища та розвитку. Для зміни структури теплиць терміново потрібні нові матеріали та нові конструкції, а також нові джерела енергії для досягнення цілей енергозбереження та захисту навколишнього середовища, а також збільшення виробництва та доходів.

У цій статті розглядається тема «нова енергія, нові матеріали, новий дизайн для сприяння новій революції в теплицях», включаючи дослідження та інновації сонячної енергії, енергії біомаси, геотермальної енергії та інших нових джерел енергії в теплицях, дослідження та застосування нових матеріалів для покриття, теплоізоляції, стін та іншого обладнання, а також майбутні перспективи та роздуми про нову енергію, нові матеріали та новий дизайн для сприяння реформі теплиць, щоб забезпечити орієнтир для галузі.

Розвиток сільського господарства на основі технічних засобів є політичною вимогою та неминучим вибором для впровадження духу важливих інструкцій та рішень центрального уряду. У 2020 році загальна площа захищених сільськогосподарських угідь у Китаї становитиме 2,8 мільйона гектарів квадратних, а обсяг виробництва перевищить 1 трильйон юанів. Це важливий спосіб підвищення виробничих потужностей теплиць для покращення освітлення та теплоізоляції теплиць за рахунок нових джерел енергії, нових матеріалів та нових конструкцій теплиць. Традиційне тепличне виробництво має багато недоліків, таких як використання вугілля, мазуту та інших джерел енергії для опалення та обігріву в традиційних теплицях, що призводить до великої кількості діоксиду газу, який серйозно забруднює навколишнє середовище, тоді як природний газ, електроенергія та інші джерела енергії збільшують експлуатаційні витрати теплиць. Традиційними матеріалами для акумулювання тепла для стін теплиць є переважно глина та цегла, які споживають багато палива та завдають серйозної шкоди земельним ресурсам. Ефективність використання землі в традиційних сонячних теплицях із земляним валом становить лише 40% ~ 50%, а звичайна теплиця має погану теплоємність, тому вона не може пережити зиму для вирощування теплих овочів у північному Китаї. Отже, основа просування змін у теплицях, або фундаментальні дослідження, лежить у проектуванні теплиць, дослідженні та розробці нових матеріалів та нової енергії. У цій статті буде зосереджено увагу на дослідженнях та інноваціях нових джерел енергії в теплицях, підсумовано стан досліджень нових джерел енергії, таких як сонячна енергія, енергія біомаси, геотермальна енергія, енергія вітру, а також нових прозорих покривних матеріалів, теплоізоляційних матеріалів та стінових матеріалів у теплицях, проаналізовано застосування нової енергії та нових матеріалів у будівництві нових теплиць, а також розглянуто їхню роль у майбутньому розвитку та трансформації теплиць.

Дослідження та інновації в галузі нових енергетичних теплиць

Нова зелена енергетика з найбільшим потенціалом використання в сільському господарстві включає сонячну енергію, геотермальну енергію та енергію біомаси, або комплексне використання різноманітних нових джерел енергії, щоб досягти ефективного використання енергії шляхом вивчення сильних сторін один одного.

сонячна енергія/потужність

Технологія сонячної енергії – це низьковуглецевий, ефективний та сталий спосіб енергопостачання, а також важливий компонент стратегічних галузей промисловості Китаю, що розвиваються. Вона стане неминучим вибором для трансформації та модернізації енергетичної структури Китаю в майбутньому. З точки зору використання енергії, теплиця сама по собі є спорудою для використання сонячної енергії. Завдяки парниковому ефекту сонячна енергія збирається в приміщенні, температура в теплиці підвищується та забезпечується необхідне тепло для росту врожаю. Основним джерелом енергії для фотосинтезу тепличних рослин є пряме сонячне світло, що є прямим використанням сонячної енергії.

01 Фотоелектрична генерація енергії для вироблення тепла

Фотоелектрична генерація енергії – це технологія, яка безпосередньо перетворює світлову енергію в електричну на основі фотоелектричного ефекту. Ключовим елементом цієї технології є сонячні батареї. Коли сонячна енергія світить на масив сонячних панелей, з'єднаних послідовно або паралельно, напівпровідникові компоненти безпосередньо перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричну енергію. Фотоелектрична технологія може безпосередньо перетворювати світлову енергію в електричну, накопичувати електроенергію за допомогою акумуляторів та обігрівати теплицю вночі, але її висока вартість обмежує її подальший розвиток. Дослідницька група розробила фотоелектричний графеновий нагрівальний пристрій, який складається з гнучких фотоелектричних панелей, універсальної машини зворотного керування, акумуляторної батареї та графенового нагрівального стрижня. Залежно від довжини лінії посадки, графеновий нагрівальний стрижень закопується під мішок із субстратом. Протягом дня фотоелектричні панелі поглинають сонячне випромінювання для вироблення електроенергії та накопичення її в акумуляторній батареї, а потім електроенергія вивільняється вночі для графенового нагрівального стрижня. Під час фактичного вимірювання використовується режим контролю температури, починаючи з 17℃ та закінчуючи 19℃. При роботі вночі (20:00-08:00 другого дня) протягом 8 годин споживання енергії на нагрівання одного ряду рослин становить 1,24 кВт·год, а середня температура мішка з субстратом вночі становить 19,2 ℃, що на 3,5 ~ 5,3 ℃ вище, ніж у контрольному випадку. Цей метод нагрівання в поєднанні з фотоелектричним виробництвом енергії вирішує проблеми високого споживання енергії та високого забруднення під час опалення теплиць взимку.

02 фототермічне перетворення та використання

Сонячне фототермічне перетворення означає використання спеціальної поверхні для збору сонячного світла, виготовленої з фототермічних перетворювальних матеріалів, для збору та поглинання якомога більшої кількості випромінюваної на неї сонячної енергії та перетворення її на теплову енергію. Порівняно із застосуванням сонячних фотоелектричних систем, сонячні фототермічні системи збільшують поглинання ближнього інфрачервоного діапазону, тому мають вищу ефективність використання енергії сонячного світла, нижчу вартість та зрілу технологію, і є найпоширенішим способом використання сонячної енергії.

Найрозвиненішою технологією фототермічного перетворення та використання в Китаї є сонячний колектор, основним компонентом якого є теплопоглинальна пластина з селективним поглинальним покриттям, яка може перетворювати енергію сонячного випромінювання, що проходить через покривну пластину, на теплову енергію та передавати її теплопоглинальному робочому середовищу. Сонячні колектори можна розділити на дві категорії залежно від наявності вакуумного простору в колекторі чи ні: плоскі сонячні колектори та вакуумні трубчасті сонячні колектори; концентруючі сонячні колектори та неконцентруючі сонячні колектори залежно від того, чи змінює напрямок сонячного випромінювання на денному освітлювальному отворі; та рідинні сонячні колектори та повітряні сонячні колектори залежно від типу теплоносія.

Використання сонячної енергії в теплицях здійснюється переважно за допомогою різних типів сонячних колекторів. Університет Ібн Зора в Марокко розробив активну систему сонячного опалення (ASHS) для обігріву теплиць, яка може збільшити загальне виробництво помідорів на 55% взимку. Китайський сільськогосподарський університет спроектував та розробив комплект систем збору та відведення тепла з поверхневого охолоджувача та вентилятора з теплоємністю 390,6～693,0 МДж та висунув ідею відділення процесу збору тепла від процесу накопичення тепла за допомогою теплового насоса. Університет Барі в Італії розробив полігенераційну систему опалення теплиць, яка складається з сонячної енергетичної системи та теплового насоса повітря-вода, і може підвищити температуру повітря на 3,6% та температуру ґрунту на 92%. Дослідницька група розробила активне обладнання для збору сонячного тепла зі змінним кутом нахилу для сонячної теплиці та допоміжний пристрій для накопичення тепла для водойми теплиці в будь-яку погоду. Технологія активного збору сонячного тепла зі змінним нахилом долає обмеження традиційного обладнання для збору тепла в теплицях, такі як обмежена теплоємність, затінення та використання оброблюваних земель. Завдяки спеціальній конструкції сонячної теплиці, простір теплиці, що не призначений для посадки рослин, повністю використовується, що значно підвищує ефективність використання тепличного простору. За типових сонячних умов роботи активна система збору сонячного тепла зі змінним нахилом досягає 1,9 МДж/(м2год), ефективність використання енергії досягає 85,1%, а коефіцієнт енергозбереження становить 77%. У технології акумулювання тепла в теплицях встановлюється багатофазна структура акумулювання тепла, збільшується теплоємність пристрою акумулювання тепла та забезпечується повільне вивільнення тепла з пристрою, що дозволяє ефективно використовувати тепло, зібране обладнанням для збору сонячного тепла теплиці.

енергія біомаси

Нова конструкція об'єкта побудована шляхом поєднання пристрою для виробництва тепла з біомаси з теплицею, а сировина з біомаси, така як свинячий гній, грибні залишки та солома, компостується для отримання тепла, а вироблена теплова енергія безпосередньо подається до теплиці [5]. Порівняно з теплицею без нагрівального резервуара для ферментації біомаси, нагрівальна теплиця може ефективно підвищити температуру ґрунту в теплиці та підтримувати належну температуру коренів культур, вирощених у ґрунті, в нормальному кліматі взимку. Взявши за приклад одношарову асиметричну теплоізоляційну теплицю прольотом 17 м та довжиною 30 м, додавання 8 м сільськогосподарських відходів (суміш томатної соломи та свинячого гною) у внутрішній ферментаційний резервуар для природного бродіння без перевертання купи може підвищити середньодобову температуру в теплиці на 4,2 ℃ взимку, а середньодобова мінімальна температура може досягати 4,6 ℃.

Використання енергії біомаси за допомогою контрольованої ферментації – це метод ферментації, який використовує інструменти та обладнання для контролю процесу ферментації з метою швидкого отримання та ефективного використання теплової енергії біомаси та газоподібних добрив CO2, серед яких вентиляція та вологість є ключовими факторами для регулювання виробництва тепла та газу під час ферментації біомаси. В умовах вентиляції аеробні мікроорганізми у ферментаційній купі використовують кисень для життєдіяльності, і частина виробленої енергії використовується для їхньої власної життєдіяльності, а частина енергії виділяється в навколишнє середовище у вигляді теплової енергії, що сприяє підвищенню температури навколишнього середовища. Вода бере участь у всьому процесі ферментації, забезпечуючи необхідні розчинні поживні речовини для мікробної діяльності та одночасно вивільняючи тепло купи у вигляді пари через воду, що знижує температуру купи, продовжує життя мікроорганізмів та підвищує об'ємну температуру купи. Встановлення пристрою для вилуговування соломи в ферментаційному резервуарі може підвищити температуру в приміщенні на 3 ~ 5℃ взимку, посилити фотосинтез рослин та збільшити врожайність помідорів на 29,6%.

Геотермальна енергія

Китай багатий на геотермальні ресурси. Наразі найпоширенішим способом використання геотермальної енергії сільськогосподарськими підприємствами є використання геотермального теплового насоса, який може перетворювати низькопотенційну теплову енергію на високопотенційну, підводячи невелику кількість високопотенційної енергії (наприклад, електроенергії). На відміну від традиційних заходів опалення теплиць, геотермальне теплове насосне опалення може не тільки досягти значного теплового ефекту, але й мати здатність охолоджувати теплицю та знижувати вологість у теплиці. Дослідження застосування геотермальних теплових насосів у сфері житлового будівництва є досить зрілим. Основною частиною, яка впливає на теплову та охолоджувальну здатність геотермальних теплових насосів, є модуль підземного теплообміну, який в основному включає закопані труби, підземні свердловини тощо. Як спроектувати підземну систему теплообміну зі збалансованим співвідношенням вартості та ефекту завжди було предметом досліджень у цій галузі. Водночас, зміна температури підземного шару ґрунту при застосуванні геотермального теплового насоса також впливає на ефект використання системи теплового насоса. Використання геотермального теплового насоса для охолодження теплиці влітку та накопичення теплової енергії в глибокому шарі ґрунту може зменшити падіння температури підземного шару ґрунту та підвищити ефективність виробництва тепла геотермальним тепловим насосом взимку.

Наразі, в рамках дослідження продуктивності та ефективності геотермального теплового насоса, на основі фактичних експериментальних даних, числова модель була створена за допомогою програмного забезпечення, такого як TOUGH2 та TRNSYS, і зроблено висновок, що теплова продуктивність та коефіцієнт перетворення (COP) геотермального теплового насоса можуть досягати 3,0 ~ 4,5, що забезпечує хороший ефект охолодження та нагрівання. У дослідженні стратегії роботи системи теплового насоса, Фу Юньчжун та інші виявили, що порівняно з потоком з боку навантаження, потік з боку ґрунтового тепла має більший вплив на продуктивність агрегату та теплопередачі закопаної труби. За умови налаштування потоку, максимальне значення COP агрегату може досягати 4,17, якщо застосувати схему роботи протягом 2 годин та зупинки на 2 години; Ши Хуейсянь та інші застосували переривчастий режим роботи системи охолодження з акумулюванням води. Влітку, коли температура висока, COP всієї системи енергопостачання може досягати 3,80.

Технологія глибокого акумулювання тепла ґрунту в теплицях

Глибоке накопичення тепла в ґрунті теплиці також називається «теплонакопичувачем». Пошкодження від холоду взимку та висока температура влітку є основними перешкодами для виробництва в теплицях. Виходячи з високої здатності глибокого ґрунту акумулювати тепло, дослідницька група розробила підземний пристрій глибокого накопичення тепла для теплиці. Пристрій являє собою двошаровий паралельний трубопровід теплопередачі, закопаний на глибині 1,5～2,5 м під землею в теплиці, з вхідним отвором для повітря у верхній частині теплиці та вихідним отвором для повітря на землі. Коли температура в теплиці висока, повітря в приміщенні примусово нагнітається в землю вентилятором для акумулювання тепла та зниження температури. Коли температура в теплиці низька, тепло витягується з ґрунту для обігріву теплиці. Результати виробництва та застосування показують, що пристрій може підвищити температуру в теплиці на 2,3℃ взимку вночі, знизити температуру в приміщенні на 2,6℃ влітку вдень та збільшити врожайність помідорів на 1500 кг на 667 м².²Пристрій повною мірою використовує характеристики «тепла взимку та прохолоди влітку» та «постійної температури» глибокого підземного ґрунту, забезпечує «банк доступу до енергії» для теплиці та безперервно виконує допоміжні функції охолодження та обігріву теплиці.

Багатоенергетична координація

Використання двох або більше видів енергії для опалення теплиці може ефективно компенсувати недоліки використання одного виду енергії та дати змогу реалізувати ефект суперпозиції «один плюс один більше, ніж два». Доповнююча співпраця геотермальної та сонячної енергії є дослідницькою гарячою точкою нового використання енергії в сільськогосподарському виробництві останніми роками. Еммі та ін. досліджували багатоджерельну енергетичну систему (Рисунок 1), яка оснащена фотоелектрично-термальним гібридним сонячним колектором. Порівняно зі звичайною системою теплового насоса повітря-вода, енергоефективність багатоджерельної енергетичної системи покращується на 16%~25%. Чжен та ін. розробили новий тип поєднаної системи акумулювання тепла сонячної енергії та геотермального теплового насоса. Система сонячних колекторів може забезпечити високоякісне сезонне акумулювання тепла, тобто високоякісне опалення взимку та високоякісне охолодження влітку. Закопаний трубчастий теплообмінник та бак-акумулятор періодичної дії можуть добре працювати в системі, а значення COP системи може досягати 6,96.

У поєднанні із сонячною енергією це має на меті зменшити споживання комерційної енергії та підвищити стабільність сонячного енергопостачання в теплицях. Ван Я та ін. запропонували нову схему інтелектуальної технології керування, що поєднує виробництво сонячної енергії з комерційною енергією для опалення теплиць, яка може використовувати фотоелектричну енергію за наявності світла та перетворювати її на комерційну енергію за відсутності світла, значно зменшуючи рівень дефіциту потужності навантаження та зменшуючи економічні витрати без використання акумуляторів.

Сонячна енергія, енергія біомаси та електроенергія можуть спільно обігрівати теплиці, що також дозволяє досягти високої ефективності обігріву. Чжан Лянжуй та інші поєднали вакуумний трубчастий сонячний колектор тепла з баком для зберігання води, що використовує електроенергію з долини. Система опалення теплиці має хороший тепловий комфорт, а середня ефективність системи становить 68,70%. Електричний бак для зберігання води - це пристрій для зберігання води на біомасі з електричним нагріванням. Встановлюється найнижча температура води на вході на стороні нагрівання, а стратегія роботи системи визначається відповідно до температури зберігання води в частині збору сонячного тепла та частині накопичення тепла з біомаси, щоб досягти стабільної температури нагріву на стороні нагрівання та максимально економити електроенергію та енергетичні матеріали з біомаси.

Інноваційні дослідження та застосування нових тепличних матеріалів

З розширенням площі теплиць все частіше виявляються недоліки застосування традиційних тепличних матеріалів, таких як цегла та ґрунт. Тому, щоб ще більше покращити теплові характеристики теплиць та задовольнити потреби розвитку сучасних теплиць, проводиться багато досліджень та застосувань нових прозорих покривних матеріалів, теплоізоляційних матеріалів та стінових матеріалів.

Дослідження та застосування нових прозорих покривних матеріалів

Типи прозорих покривних матеріалів для теплиць включають переважно пластикову плівку, скло, сонячні панелі та фотоелектричні панелі, серед яких пластикова плівка має найбільшу сферу застосування. Традиційна ПЕ-плівка для теплиць має такі недоліки, як короткий термін служби, недеградація та однофункціональність. Наразі було розроблено різноманітні нові функціональні плівки з додаванням функціональних реагентів або покриттів.

Світлоперетворювальна плівка:Світлоперетворювальна плівка змінює оптичні властивості плівки за допомогою світлоперетворювальних агентів, таких як рідкоземельні елементи та наноматеріали, і може перетворювати ультрафіолетову область світла на червоно-помаранчеве світло та синьо-фіолетове світло, необхідні для фотосинтезу рослин, тим самим збільшуючи врожайність та зменшуючи пошкодження ультрафіолетового світла для сільськогосподарських культур та тепличних плівок у пластикових теплицях. Наприклад, широкосмугова фіолетово-червона теплична плівка зі світлоперетворювальним агентом VTR-660 може значно покращити пропускання інфрачервоного випромінювання при застосуванні в теплицях, і порівняно з контрольною теплицею, врожайність помідорів на гектар, вміст вітаміну С та лікопіну значно зросли на 25,71%, 11,11% та 33,04% відповідно. Однак наразі термін служби, біорозкладність та вартість нової світлоперетворювальної плівки все ще потребують вивчення.

Розсіяне склоРозсіяне скло в теплицях – це спеціальна технологія візерунка та антиблікового покриття на поверхні скла, яка може максимально перетворити сонячне світло на розсіяне та потрапляти в теплицю, покращити ефективність фотосинтезу сільськогосподарських культур та збільшити врожайність. Розсіяне скло перетворює світло, що потрапляє в теплицю, на розсіяне завдяки спеціальним візерункам, і розсіяне світло може рівномірніше опромінювати теплицю, усуваючи вплив тіні від скелета на теплицю. Порівняно зі звичайним флоат-склом та ультрабілим флоат-склом, стандарт світлопропускання розсіяного скла становить 91,5%, а звичайного флоат-скла – 88%. На кожне збільшення світлопропускання всередині теплиці на 1% врожайність може збільшитися приблизно на 3%, а вміст розчинного цукру та вітаміну С у фруктах та овочах збільшується. Розсіяне скло в теплицях спочатку покривається, а потім загартовується, і коефіцієнт самовибуху вищий за національний стандарт, сягаючи 2‰.

Дослідження та застосування нових теплоізоляційних матеріалів

Традиційні теплоізоляційні матеріали для теплиць включають переважно солом'яні ковдри, паперові ковдри, голчасті повстяні теплоізоляційні ковдри тощо, які в основному використовуються для внутрішньої та зовнішньої теплоізоляції дахів, утеплення стін та теплоізоляції деяких пристроїв для акумулювання та збору тепла. Більшість з них мають недолік втрати теплоізоляційних характеристик через вологість всередині після тривалого використання. Тому існує багато застосувань нових високотеплоізоляційних матеріалів, серед яких нові теплоізоляційні ковдри, пристрої для акумулювання та збору тепла є предметом досліджень.

Нові теплоізоляційні матеріали зазвичай виготовляються шляхом обробки та поєднання поверхнево-водонепроникних та стійких до старіння матеріалів, таких як ткана плівка та покритий фетр, з пухнастими теплоізоляційними матеріалами, такими як бавовна з напиленням, різний кашемір та перлова бавовна. У Північно-Східному Китаї було випробувано ткану плівку з напиленням на бавовняну теплоізоляційну ковдру. Було виявлено, що додавання 500 г бавовни з напиленням еквівалентне теплоізоляційним характеристикам 4500 г чорної фетрової теплоізоляційної ковдри, що є на ринку. За тих самих умов теплоізоляційні характеристики 700 г бавовни з напиленням покращилися на 1~2℃ порівняно з 500 г бавовняної теплоізоляційної ковдри з напиленням. Водночас інші дослідження також показали, що порівняно з поширеними теплоізоляційними ковдрами на ринку, теплоізоляційний ефект бавовняних ковдр з напиленням та різного кашеміру кращий, з показниками теплоізоляції 84,0% та 83,3% відповідно. Коли найнижча температура на вулиці становить -24,4℃, температура всередині приміщення може досягати 5,4 та 4,2℃ відповідно. Порівняно з одношаровою солом'яною ізоляційною ковдрою, нова композитна ізоляційна ковдра має переваги: ​​легка вага, високий коефіцієнт ізоляції, міцна водонепроникність та стійкість до старіння, і може використовуватися як новий тип високоефективного ізоляційного матеріалу для сонячних теплиць.

Водночас, згідно з дослідженням теплоізоляційних матеріалів для пристроїв збору та акумулювання тепла в теплицях, також було виявлено, що за однакової товщини багатошарові композитні теплоізоляційні матеріали мають кращі теплоізоляційні характеристики, ніж окремі матеріали. Команда професора Лі Цзяньміна з Північно-Західного університету A&F розробила та перевірила 22 види теплоізоляційних матеріалів для пристроїв акумулювання води в теплицях, таких як вакуумна плита, аерогель та гумова вата, і виміряла їхні теплові властивості. Результати показали, що композитний ізоляційний матеріал товщиною 80 мм, що складається з теплоізоляційного покриття + аерогелю + гумово-пластикової бавовняної теплоізоляції, може зменшити тепловіддачу на 0,367 МДж за одиницю часу порівняно з гумово-пластиковою бавовною товщиною 80 мм, а його коефіцієнт теплопередачі становив 0,283 Вт/(м2·к) при товщині ізоляційної комбінації 100 мм.

Фазоперехідний матеріал є одним з актуальних напрямків дослідження тепличних матеріалів. Північно-західний університет A&F розробив два типи пристроїв для зберігання фазовоперехідних матеріалів: перший - це контейнер для зберігання, виготовлений з чорного поліетилену, розміром 50 см × 30 см × 14 см (довжина × висота × товщина), заповнений фазовоперехідними матеріалами, що дозволяє їм накопичувати та вивільняти тепло; другий - розроблено новий тип фазовоперехідної стінової панелі. Фазоперехідна стінова панель складається з фазовоперехідного матеріалу, алюмінієвої пластини, алюмінієво-пластикової пластини та алюмінієвого сплаву. Фазоперехідний матеріал розташований у найцентральнішому положенні стінової панелі, а його характеристики становлять 200 мм × 200 мм × 50 мм. Він являє собою порошкоподібну тверду речовину до та після фазового переходу, і не має ні плавлення, ні течії. Чотири стінки фазовоперехідного матеріалу - це алюмінієва пластина та алюмінієво-пластикова пластина відповідно. Цей пристрій може виконувати функції переважно накопичення тепла вдень та переважно вивільнення тепла вночі.

Отже, існують деякі проблеми із застосуванням одного теплоізоляційного матеріалу, такі як низька теплоізоляційна ефективність, великі тепловтрати, короткий час акумулювання тепла тощо. Тому використання композитного теплоізоляційного матеріалу як теплоізоляційного шару та внутрішнього та зовнішнього теплоізоляційного покривного шару пристрою теплоакумулювання може ефективно покращити теплоізоляційні характеристики теплиці, зменшити тепловтрати теплиці та таким чином досягти ефекту економії енергії.

Дослідження та застосування нової стіни

Як різновид огороджувальної конструкції, стіна є важливим бар'єром для захисту теплиці від холоду та збереження тепла. Залежно від матеріалів та конструкцій стін, північну стіну теплиці можна розділити на три типи: одношарову стіну з ґрунту, цегли тощо, та шарувату північну стіну з глиняної цегли, блокової цегли, полістирольних плит тощо, з внутрішнім накопиченням тепла та зовнішньою теплоізоляцією, і більшість цих стін є трудомісткими та трудомісткими; тому в останні роки з'явилося багато нових типів стін, які легко будувати та швидко збирати.

Поява збірних стін нового типу сприяє швидкому розвитку збірних теплиць, включаючи композитні стіни нового типу із зовнішніми водонепроникними та антивіковими поверхневими матеріалами та матеріалами, такими як фетр, перлова бавовна, космічна бавовна, скловата або перероблена бавовна, як теплоізоляційні шари, такі як гнучкі збірні стіни з напилюваної бавовни в Сіньцзяні. Крім того, в інших дослідженнях також повідомлялося про північну стіну збірної теплиці з шаром теплоакумулювання, таким як блоки з пшеничного розчину, заповнені цеглою, в Сіньцзяні. За тих самих зовнішніх умов, коли найнижча температура зовнішнього повітря становить -20,8 ℃, температура в сонячній теплиці з композитною стіною з блоків з пшеничного розчину становить 7,5 ℃, тоді як температура в сонячній теплиці з цегляно-бетонною стіною становить 3,2 ℃. Час збору врожаю помідорів у цегляній теплиці може бути прискорений на 16 днів, а врожайність однієї теплиці може бути збільшена на 18,4%.

Команда розробників Північно-Західного університету A&F запропонувала ідею проектування перетворення соломи, ґрунту, води, каменю та фазово-перехідних матеріалів на теплоізоляційні та теплонакопичувальні модулі з точки зору світла та спрощеної конструкції стін, що сприяло дослідженню застосування модульних збірних стін. Наприклад, порівняно зі звичайною теплицею з цегляною стіною, середня температура в теплиці на 4,0℃ вища у типовий сонячний день. Три види модулів з неорганічного фазово-перехідного цементу, виготовлені з фазово-перехідного матеріалу (PCM) та цементу, накопичили тепло 74,5, 88,0 та 95,1 МДж/м³.³, та виділеного тепла 59,8, 67,8 та 84,2 МДж/м³відповідно. Вони мають функції «зрізання піків» вдень, «заповнення западини» вночі, поглинання тепла влітку та вивільнення тепла взимку.

Ці нові стіни збираються на місці, що забезпечує короткий термін будівництва та тривалий термін служби, що створює умови для будівництва легких, спрощених та швидкозбірних збірних теплиць, і може значно сприяти структурній реформі теплиць. Однак, у такого типу стін є деякі недоліки, такі як стіна з напилюваної бавовняної теплоізоляційної ковдри, яка має чудові теплоізоляційні характеристики, але не має здатності акумулювати тепло, а будівельний матеріал зі зміною фази має проблему високої вартості використання. У майбутньому слід посилити дослідження застосування збірних стін.

Нова енергія, нові матеріали та нові конструкції допомагають змінити структуру теплиць.

Дослідження та інновації в галузі нової енергії та матеріалів забезпечують основу для інноваційного проектування теплиць. Енергозберігаючі сонячні теплиці та арочні теплиці є найбільшими арочними спорудами в сільськогосподарському виробництві Китаю та відіграють важливу роль у сільськогосподарському виробництві. Однак, з розвитком соціальної економіки Китаю, недоліки цих двох типів споруд все частіше проявляються. По-перше, площа споруд невелика, а ступінь механізації низький; По-друге, енергозберігаючі сонячні теплиці мають хорошу теплоізоляцію, але використання землі низьке, що еквівалентно заміні енергії теплиць землею. Звичайні арочні теплиці не тільки мають невелику площу, але й погану теплоізоляцію. Хоча багатопрольотні теплиці мають велику площу, вони мають погану теплоізоляцію та високе споживання енергії. Тому вкрай важливо досліджувати та розробляти конструкції теплиць, що відповідають сучасному соціально-економічному рівню Китаю, а дослідження та розробки нових джерел енергії та матеріалів допоможуть змінити конструкції теплиць та створити різноманітні інноваційні моделі або споруди теплиць.

Інноваційне дослідження асиметричної пивоварної теплиці з водяним контролем великого прольоту

Асиметрична пивоварна теплиця з великим прольотом та водяним керуванням (номер патенту: ZL 201220391214.2) базується на принципі сонячної теплиці, змінюючи симетричну структуру звичайної пластикової теплиці, збільшуючи південний проліт, збільшуючи площу освітлення південного даху, зменшуючи північний проліт та зменшуючи площу розсіювання тепла, з прольотом 18~24 м та висотою коника 6~7 м. Завдяки інноваційному дизайну просторова структура була значно збільшена. Водночас, проблеми недостатнього тепла в теплиці взимку та поганої теплоізоляції звичайних теплоізоляційних матеріалів вирішуються завдяки використанню нової технології тепло- та теплоізоляційних матеріалів для пивоваріння на біомасі. Результати виробництва та досліджень показують, що асиметрична пивоварна теплиця з водяним контролем та великою площею прольоту, із середньою температурою 11,7 ℃ у сонячні дні та 10,8 ℃ у похмурі дні, може задовольнити потреби росту сільськогосподарських культур взимку, а вартість будівництва теплиці зменшується на 39,6%, а коефіцієнт використання землі збільшується більш ніж на 30% порівняно з теплицею з пінополістирольною цегляною стіною, що підходить для подальшої популяризації та застосування в басейні річки Хуанхе в Китаї.

Зібрана теплиця на сонячному світлі

Збірна сонячна теплиця використовує колони та каркас даху як несучу конструкцію, а матеріал її стін – це переважно теплоізоляційний корпус, а не несучі елементи та елементи пасивного накопичення та вивільнення тепла. Основні принципи: (1) новий тип збірної стіни утворюється шляхом поєднання різних матеріалів, таких як покрита плівка або кольоровий сталевий лист, солом'яний блок, гнучка теплоізоляційна ковдра, розчиновий блок тощо; (2) композитна стінова плита, виготовлена ​​з попередньо виготовлених цементно-пінополістирольних плит та цементно-цементних плит; (3) легкий та простий у збірці тип теплоізоляційних матеріалів з активною системою накопичення та вивільнення тепла та системою осушення, такий як пластикове квадратне відро для акумулювання тепла та трубопровідне накопичення тепла. Використання різних нових теплоізоляційних матеріалів та матеріалів для акумулювання тепла замість традиційної земляної стіни для будівництва сонячної теплиці потребує великого простору та невеликих будівельних робіт. Експериментальні результати показують, що температура в теплиці вночі взимку на 4,5℃ вища, ніж у традиційній теплиці з цегляною стіною, а товщина задньої стіни становить 166 мм. Порівняно з теплицею з цегляною стіною товщиною 600 мм, займана площа стіни зменшена на 72%, а вартість квадратного метра становить 334,5 юаня, що на 157,2 юаня менше, ніж у теплиці з цегляною стіною, а вартість будівництва значно знизилася. Таким чином, зібрана теплиця має переваги меншого руйнування оброблюваних земель, економії землі, швидкого будівництва та тривалого терміну служби, і це ключовий напрямок для інновацій та розвитку сонячних теплиць зараз і в майбутньому.

Розсувна теплиця з сонячним освітленням

Енергозберігаюча сонячна теплиця, зібрана на скейтборді, розроблена Шеньянським сільськогосподарським університетом, використовує задню стінку сонячної теплиці для формування системи накопичення тепла на стіні з циркулюючою водою, яка зберігає тепло та підвищує температуру, і яка в основному складається з басейну (32 м³), світлозбірна пластина (360 м²), водяний насос, водопровідна труба та контролер. Гнучка теплоізоляційна ковдра замінена новим легким сталевим листовим матеріалом кольору мінеральної вати у верхній частині. Дослідження показують, що така конструкція ефективно вирішує проблему блокування світла фронтонами та збільшує площу проникнення світла в теплицю. Кут освітлення теплиці становить 41,5°, що майже на 16° вище, ніж у контрольній теплиці, таким чином покращуючи рівень освітлення. Розподіл температури в приміщенні рівномірний, а рослини ростуть акуратно. Теплиця має такі переваги, як підвищення ефективності землекористування, гнучке проектування розміру теплиці та скорочення термінів будівництва, що має велике значення для захисту земельних ресурсів та навколишнього середовища.

Фотоелектрична теплиця

Сільськогосподарська теплиця – це теплиця, яка поєднує виробництво сонячної фотоелектричної енергії, інтелектуальний контроль температури та сучасні високотехнологічні посадки. Вона має сталевий кістяний каркас та покрита сонячними фотоелектричними модулями для забезпечення потреб у освітленні фотоелектричних модулів виробництва енергії та освітлення всієї теплиці. Постійний струм, що генерується сонячною енергією, безпосередньо доповнює світло сільськогосподарських теплиць, безпосередньо підтримує нормальну роботу тепличного обладнання, забезпечує зрошення водними ресурсами, підвищує температуру в теплиці та сприяє швидкому росту сільськогосподарських культур. Фотоелектричні модулі таким чином впливають на ефективність освітлення даху теплиці, а потім впливають на нормальний ріст тепличних овочів. Тому раціональне розташування фотоелектричних панелей на даху теплиці стає ключовим моментом застосування. Сільськогосподарська теплиця є продуктом органічного поєднання екскурсійного сільського господарства та садівництва, і є інноваційною сільськогосподарською галуззю, що поєднує виробництво фотоелектричної енергії, сільськогосподарські екскурсії, сільськогосподарські культури, сільськогосподарські технології, ландшафтний та культурний розвиток.

Інноваційний дизайн групи теплиць з енергетичною взаємодією між різними типами теплиць

Го Веньчжун, дослідник Пекінської академії сільськогосподарських та лісових наук, використовує метод нагрівання для передачі енергії між теплицями, щоб зібрати залишкову теплову енергію в одній або кількох теплицях для опалення іншої або кількох теплиць. Цей метод нагрівання забезпечує передачу тепличної енергії в часі та просторі, підвищує ефективність використання енергії, що залишилася в теплиці, та зменшує загальне споживання енергії на опалення. Два типи теплиць можуть бути різних типів або одного типу для вирощування різних культур, таких як теплиці для салату та помідорів. Методи збору тепла в основному включають вилучення тепла з повітря в приміщенні та безпосереднє перехоплення падаючого випромінювання. Завдяки збору сонячної енергії, примусовій конвекції теплообмінником та примусовому відведенню тепловим насосом, надлишок тепла у високоенергетичній теплиці вилучається для опалення теплиці.

підсумувати

Ці нові сонячні теплиці мають переваги швидкого складання, скороченого терміну будівництва та покращеного коефіцієнта використання землі. Тому необхідно подальше дослідження ефективності цих нових теплиць у різних регіонах та забезпечення можливості для широкомасштабного впровадження та застосування нових теплиць. Водночас необхідно постійно посилювати застосування нової енергії та нових матеріалів у теплицях, щоб забезпечити енергією структурну реформу теплиць.

Перспективи на майбутнє та роздуми

Традиційні теплиці часто мають деякі недоліки, такі як високе споживання енергії, низький коефіцієнт використання земель, трудомісткість та трудомісткість, низька продуктивність тощо, які більше не можуть задовольнити виробничі потреби сучасного сільського господарства та поступово будуть ліквідовані. Тому тенденцією розвитку є використання нових джерел енергії, таких як сонячна енергія, енергія біомаси, геотермальна енергія та енергія вітру, нові матеріали для застосування в теплицях та нові конструкції для сприяння структурним змінам теплиць. По-перше, нові теплиці, що працюють на новій енергії та нових матеріалах, повинні не лише відповідати потребам механізованої роботи, але й економити енергію, землю та кошти. По-друге, необхідно постійно досліджувати продуктивність нових теплиць у різних регіонах, щоб забезпечити умови для масштабної популяризації теплиць. У майбутньому нам слід продовжувати пошук нових джерел енергії та нових матеріалів, придатних для застосування в теплицях, та знаходити найкраще поєднання нової енергії, нових матеріалів та теплиць, щоб забезпечити можливість будівництва нових теплиць з низькою вартістю, коротким терміном будівництва, низьким споживанням енергії та відмінною продуктивністю, допомогти у зміні структури теплиць та сприяти модернізації теплиць у Китаї.

Хоча застосування нової енергії, нових матеріалів та нових конструкцій у будівництві теплиць є неминучою тенденцією, все ще існує багато проблем, які потребують вивчення та подолання: (1) Збільшення вартості будівництва. Порівняно з традиційним опаленням вугіллям, природним газом або нафтою, застосування нової енергії та нових матеріалів є екологічно чистим та без забруднення, але вартість будівництва значно зростає, що певним чином впливає на окупність інвестицій у виробництво та експлуатацію. Порівняно з використанням енергії, вартість нових матеріалів значно зросте. (2) Нестабільне використання теплової енергії. Найбільшою перевагою використання нової енергії є низькі експлуатаційні витрати та низький рівень викидів вуглекислого газу, але постачання енергії та тепла нестабільне, а хмарні дні стають найбільшим обмежувальним фактором у використанні сонячної енергії. У процесі виробництва тепла з біомаси шляхом ферментації ефективне використання цієї енергії обмежується проблемами низької теплової енергії ферментації, складним управлінням та контролем, а також великим простором для зберігання сировини. (3) Зрілість технологій. Ці технології, що використовуються в нових енергіях та нових матеріалах, є передовими дослідницькими та технологічними досягненнями, а сфера їх застосування та обсяг все ще досить обмежені. Вони не проходили багато випробувань, багато сайтів та масштабних практичних перевірок, і неминуче є деякі недоліки та технічний зміст, які потребують покращення під час застосування. Користувачі часто заперечують прогрес технологій через незначні недоліки. (4) Рівень проникнення технологій низький. Широке застосування науково-технічних досягнень вимагає певної популярності. Наразі нова енергетика, нові технології та нові технології проектування теплиць знаходяться в команді науково-дослідних центрів університетів з певним інноваційним потенціалом, і більшість технічних спеціалістів або дизайнерів досі не знають про це; Водночас популяризація та застосування нових технологій все ще досить обмежені, оскільки основне обладнання нових технологій запатентовано. (5) Інтеграція нової енергетики, нових матеріалів та проектування тепличних конструкцій потребує подальшого посилення. Оскільки енергетика, матеріали та проектування тепличних конструкцій належать до трьох різних дисциплін, фахівці з досвідом проектування теплиць часто не мають досліджень щодо енергії та матеріалів, пов'язаних з теплицями, і навпаки; Таким чином, дослідникам, пов'язаним з дослідженнями енергії та матеріалів, необхідно посилити дослідження та розуміння реальних потреб розвитку тепличної промисловості, а конструкторам конструкцій також слід вивчати нові матеріали та нові джерела енергії, щоб сприяти глибокій інтеграції цих трьох взаємозв'язків, щоб досягти мети практичної технології дослідження теплиць, низької вартості будівництва та хорошого ефекту використання. Виходячи з вищезазначених проблем, пропонується, щоб держава, місцеві органи влади та науково-дослідні центри активізували технічні дослідження, проводили спільні глибокі дослідження, посилювали рекламу науково-технічних досягнень, покращували популяризацію досягнень та швидко реалізували мету нових джерел енергії та нових матеріалів для сприяння новому розвитку тепличної промисловості.

Цитована інформація

Лі Цзяньмін, Сунь Готао, Лі Хаоцзе, Лі Руй, Ху Ісінь. Нова енергія, нові матеріали та новий дизайн сприяють новій революції теплиць [J]. Овочі, 2022,(10):1-8.