Технологія сільськогосподарської інженерії тепличного садівництва 2022-12-02 17:30 опубліковано в Пекіні

Розробка сонячних теплиць у необроблюваних районах, таких як пустеля, Гобі та піщані землі, ефективно вирішила суперечність між конкуренцією продуктів харчування та овочів за землю. Це один із вирішальних факторів навколишнього середовища для росту та розвитку температурних культур, який часто визначає успіх чи невдачу виробництва тепличних культур. Тому для розвитку сонячних теплиць у необроблюваних районах ми повинні спочатку вирішити проблему температури навколишнього середовища в теплицях. У цій статті узагальнено методи контролю температури, що використовуються в теплицях на необроблюваних землях в останні роки, а також проаналізовано та узагальнено існуючі проблеми та напрямки розвитку температурного контролю та захисту навколишнього середовища в сонячних теплицях на необроблюваних землях.

Китай має велике населення та обмежений обсяг доступних земельних ресурсів. Понад 85% земельних ресурсів – це необроблювані земельні ресурси, які в основному зосереджені на північному заході Китаю. У документі №1 Центрального Комітету від 2022 року зазначалося, що розвиток фермерського господарства слід прискорити, і на основі захисту екологічного середовища слід досліджувати придатні для експлуатації вільні землі та пустки для розвитку фермерського господарства. Північно-західний Китай багатий на пустельні, гобійські, пустельні та інші необроблювані земельні ресурси, а також природні світлові та теплові ресурси, які придатні для розвитку фермерського господарства. Тому розвиток та використання необроблюваних земельних ресурсів для створення теплиць на необроблюваних землях має велике стратегічне значення для забезпечення національної продовольчої безпеки та пом'якшення конфліктів у сфері землекористування.

Наразі необроблювані сонячні теплиці є основною формою високоефективного розвитку сільського господарства на необроблюваних землях. На північному заході Китаю різниця температур між днем ​​і ніччю велика, а температура вночі взимку низька, що часто призводить до того, що мінімальна температура в приміщенні нижча за температуру, необхідну для нормального росту та розвитку сільськогосподарських культур. Температура є одним із незамінних факторів навколишнього середовища для росту та розвитку сільськогосподарських культур. Занадто низька температура уповільнює фізіологічні та біохімічні реакції сільськогосподарських культур та уповільнює їхній ріст і розвиток. Коли температура нижча за допустиму, це навіть призводить до обмерзання. Тому особливо важливо забезпечити температуру, необхідну для нормального росту та розвитку сільськогосподарських культур. Підтримка належної температури в сонячних теплицях не є єдиним заходом, який можна вирішити. Це необхідно гарантувати з точки зору проектування теплиць, будівництва, вибору матеріалів, регулювання та щоденного управління. Таким чином, у цій статті буде підсумовано стан досліджень та прогрес у сфері контролю температури в необроблюваних теплицях у Китаї за останні роки з аспектів проектування та будівництва теплиць, заходів щодо збереження та утеплення теплиць, а також управління навколишнім середовищем, щоб забезпечити систематичне керівництво для раціонального проектування та управління необроблюваними теплицями.

Конструкція та матеріали теплиці

Тепловий режим теплиці головним чином залежить від її здатності пропускати, перехоплювати та акумулювати сонячну радіацію, що пов'язано з розумним проектуванням орієнтації теплиці, формою та матеріалом світлопроникної поверхні, структурою та матеріалом стін та заднього даху, ізоляцією фундаменту, розміром теплиці, режимом нічної ізоляції та матеріалом переднього даху тощо, а також з тим, чи може будівництво та процес будівництва теплиці забезпечити ефективну реалізацію проектних вимог.

Світлопропускна здатність переднього даху

Основна енергія в теплиці надходить від сонця. Збільшення світлопроникності переднього даху корисне для теплиці, оскільки вона отримує більше тепла, а також є важливою основою для забезпечення температурного режиму теплиці взимку. Наразі існує три основні методи збільшення світлопроникності та часу отримання світла переднім дахом теплиці.

01 спроектуйте розумну орієнтацію та азимут теплиці

Орієнтація теплиці впливає на освітлювальні характеристики теплиці та її теплоємність. Тому, щоб отримати більше тепла в теплиці, необроблені теплиці на північному заході Китаю орієнтовані на південь. Щодо азимуту теплиці, то при виборі напрямку з півдня на схід вигідно «схопити сонце», оскільки температура в приміщенні швидко підвищується вранці; при виборі напрямку з півдня на захід теплиці вигідно використовувати післяобіднє світло. Південний напрямок є компромісом між двома вищезазначеними ситуаціями. Згідно з геофізичними даними, Земля обертається на 360° за добу, а азимут сонця змінюється приблизно на 1° кожні 4 хвилини. Тому щоразу, коли азимут теплиці змінюється на 1°, час перебування прямих сонячних променів змінюватиметься приблизно на 4 хвилини, тобто азимут теплиці впливає на час, коли теплиця бачить світло вранці та ввечері.

Коли кількість годин ранкового та денного освітлення однакова, а схід або захід знаходяться під однаковим кутом, теплиця отримуватиме однакову кількість годин освітлення. Однак, у районі на північ від 37° північної широти температура вранці низька, і час розкриття ковдри пізній, тоді як температура відносно висока вдень та ввечері, тому доцільно відкласти час закриття теплоізоляційної ковдри. Тому в цих районах слід вибирати напрямок з півдня на захід та повною мірою використовувати денне світло. У районах з 30°~35° північної широти, завдяки кращим умовам освітлення вранці, час збереження тепла та розкриття покриття також можна перенести раніше. Тому в цих районах слід вибирати напрямок з півдня на схід, щоб забезпечити теплицю більшою кількістю ранкової сонячної радіації. Однак у районі 35°~37° північної широти різниця в сонячній радіації вранці та вдень невелика, тому краще вибирати напрямок на південь. Незалежно від того, чи це південний схід, чи південний захід, кут відхилення зазвичай становить 5° ~ 8°, а максимальний не повинен перевищувати 10°. Північно-західний Китай розташований у діапазоні 37°~50° північної широти, тому азимутальний кут теплиці зазвичай спрямований з півдня на захід. З огляду на це, сонячна теплиця, спроектована Чжаном Цзінше та ін. у районі Тайюань, обрала орієнтацію 5° на захід від півдня, сонячна теплиця, побудована Чан Меймеєм та ін. у районі Гобі коридору Хесі, прийняла орієнтацію від 5° до 10° на захід від півдня, а сонячна теплиця, побудована Ма Чжигуєм та ін. у північному Сіньцзяні, прийняла орієнтацію 8° на захід від півдня.

02 Розробіть розумну форму передньої частини даху та кут нахилу

Форма та нахил переднього даху визначають кут падіння сонячних променів. Чим менший кут падіння, тим більший коефіцієнт пропускання світла. Сунь Цзюрен вважає, що форма переднього даху головним чином визначається співвідношенням довжини основної освітлювальної поверхні та заднього схилу. Довгий передній схил та короткий задній схил сприяють освітленню та збереженню тепла переднього даху. Чень Вей-Цянь та інші вважають, що основний освітлювальний дах сонячних теплиць, що використовуються в районі Гобі, має форму дуги кола радіусом 4,5 м, що дозволяє ефективно протистояти холоду. Чжан Цзінше та інші вважають, що в альпійських та високоширотних районах доцільніше використовувати напівкруглу арку на передньому даху теплиці. Що стосується кута нахилу переднього даху, то, згідно з характеристиками пропускання світла пластиковою плівкою, коли кут падіння становить 0 ~ 40°, коефіцієнт відбиття сонячного світла переднім дахом є невеликим, а коли він перевищує 40°, коефіцієнт відбиття значно зростає. Таким чином, для розрахунку кута нахилу переднього даху за максимальний кут падіння береться 40°, щоб навіть під час зимового сонцестояння сонячне випромінювання могло максимально проникати в теплицю. Тому, проектуючи сонячну теплицю, придатну для необроблюваних територій у місті Ухай, Внутрішня Монголія, Хе Бінь та інші розрахували кут нахилу переднього даху з кутом падіння 40° і вважали, що якщо він перевищує 30°, він може відповідати вимогам освітлення теплиць та збереження тепла. Чжан Цайхун та інші вважають, що під час будівництва теплиць у необроблюваних територіях Сіньцзяну кут нахилу переднього даху теплиць у південному Сіньцзяні становить 31°, тоді як у північному Сіньцзяні — 32°~33,5°.

03 Виберіть відповідні прозорі покривні матеріали.

Окрім впливу зовнішніх сонячних умов, важливими факторами, що впливають на світлове та теплове середовище теплиці, також є матеріал та характеристики світлопроникності плівки для теплиць. Наразі світлопроникність пластикових плівок, таких як PE, PVC, EVA та PO, відрізняється через різні матеріали та товщину плівки. Загалом, світлопроникність плівок, які використовуються протягом 1-3 років, може гарантовано перевищувати 88% в цілому, що слід вибирати відповідно до потреб культур у світлі та температурі. Крім того, окрім світлопроникності в теплиці, розподіл світлового середовища в теплиці також є фактором, якому люди приділяють все більше уваги. Тому в останні роки світлопроникний покривний матеріал з покращеним розсіюванням світла отримав високе визнання в галузі, особливо в районах з сильною сонячною радіацією на північному заході Китаю. Застосування плівки з покращеним розсіюванням світла зменшило ефект затінення на верхній та нижній частинах крони сільськогосподарських культур, збільшило освітленість у середній та нижній частинах крони сільськогосподарських культур, покращило фотосинтетичні характеристики всієї культури та продемонструвало хороший ефект стимулювання росту та збільшення врожайності.

Розумний дизайн розміру теплиці

Занадто довга або занадто коротка довжина теплиці, що впливає на контроль температури в приміщенні. Коли довжина теплиці занадто коротка, перед сходом і заходом сонця площа, затінена східним і західним фронтонами, є великою, що не сприяє нагріванню теплиці, а через малий об'єм це впливає на поглинання та виділення тепла ґрунтом всередині та стінами. Коли довжина занадто велика, важко контролювати температуру в приміщенні, і це впливає на міцність конструкції теплиці та конфігурацію механізму згортання теплоізоляційної ковдри. Висота та проліт теплиці безпосередньо впливають на денне освітлення переднього даху, розмір тепличного простору та коефіцієнт ізоляції. Коли проліт та довжина теплиці фіксовані, збільшення висоти теплиці може збільшити кут освітлення переднього даху з точки зору освітленості середовища, що сприяє пропусканню світла; з точки зору теплового середовища, висота стіни збільшується, а площа теплоакумуляції задньої стіни збільшується, що сприяє теплоакумуляції та тепловиділенню задньої стіни. Крім того, простір великий, теплоємність також велика, а теплове середовище теплиці стабільніше. Звичайно, збільшення висоти теплиці призведе до збільшення вартості теплиці, що потребує ретельного врахування. Тому, проектуючи теплицю, слід вибирати розумну довжину, проліт та висоту відповідно до місцевих умов. Наприклад, Чжан Цайхун та інші вважають, що в північному Сіньцзяні довжина теплиці становить 50~80 м, проліт – 7 м, а висота – 3,9 м, тоді як у південному Сіньцзяні довжина теплиці становить 50~80 м, проліт – 8 м, а висота – 3,6~4,0 м; також вважається, що проліт теплиці не повинен бути менше 7 м, і коли проліт становить 8 м, ефект збереження тепла є найкращим. Крім того, Чень Вейцянь та інші вважають, що довжина, проліт та висота сонячної теплиці повинні становити 80 м, 8~10 м та 3,8~4,2 м відповідно, якщо її будувати в районі Гобі міста Цзюцюань, Ганьсу.

Покращення теплозберігаючих та ізоляційних властивостей стіни

Вдень стіна накопичує тепло, поглинаючи сонячну радіацію та тепло повітря в приміщенні. Вночі, коли температура в приміщенні нижча за температуру стіни, стіна пасивно виділяє тепло для обігріву теплиці. Як основний теплоакумулятор теплиці, стіна може значно покращити нічну температуру в приміщенні, покращуючи свою теплоємність. Водночас теплоізоляційна функція стіни є основою стабільності теплового середовища теплиці. Наразі існує кілька методів покращення теплоємності та теплоізоляційної здатності стін.

01 дизайн розумної конструкції стіни

Функція стіни головним чином включає акумулювання та збереження тепла, і водночас більшість стін теплиці також служать несучими елементами для підтримки кроквяної конструкції даху. З точки зору забезпечення хорошого теплового середовища, розумна конструкція стіни повинна мати достатню теплоємність з внутрішньої сторони та достатню теплоємність з зовнішньої сторони, одночасно зменшуючи непотрібні містки холоду. У дослідженні акумулювання тепла та ізоляції стін, Бао Енцай та інші розробили пасивну стіну для акумулювання тепла із затверділого піску в пустельному районі Ухай, Внутрішня Монголія. Пориста цегла використовувалася як ізоляційний шар зовні, а затверділий пісок - як шар теплоакумулятора зсередини. Випробування показали, що температура в приміщенні може досягати 13,7℃ у сонячні дні. Ма Юехун та інші розробили композитну стіну з блоків з пшеничного розчину в північному Сіньцзяні, в якій негашене вапно заповнено блоками розчину як шар теплоакумулятора, а шлакові мішки складені зовні як ізоляційний шар. Стіна з пустотілих блоків, спроектована Чжао Пенгом та ін. у районі Гобі провінції Ганьсу, використовує бензольну плиту товщиною 100 мм як ізоляційний шар зовні та піщану та пустотілу цеглу як теплоакумулюючий шар зсередини. Випробування показують, що середня температура взимку вночі перевищує 10℃, а Chai Regeneration та ін. також використовують пісок та гравій як ізоляційний шар та теплоакумулюючий шар стіни в районі Гобі провінції Ганьсу. Щодо зменшення містків холоду, Ян Цзюньюе та ін. спроектували легку та спрощену збірну задню стіну, яка не тільки покращила термостійкість стіни, але й покращила герметичність стіни, приклеївши пінополістирольну плиту на зовнішню сторону задньої стіни; Ву Летянь та ін. встановили залізобетонну кільцеву балку над фундаментом стіни теплиці та використали трапецієподібне цегляне штампування трохи вище кільцевої балки для підтримки заднього даху, що вирішило проблему легкого виникнення тріщин та просідання фундаменту в теплицях у Хотяні, Сіньцзян, що впливає на теплоізоляцію теплиць.

02 Виберіть відповідні матеріали для акумулювання тепла та ізоляції.

Теплоакумулюючий та ізоляційний ефект стіни залежить, перш за все, від вибору матеріалів. У північно-західній пустелі, Гобі, піщаних ґрунтах та інших районах, залежно від умов місцевості, дослідники використовували місцеві матеріали та робили сміливі спроби спроектувати багато різних типів задніх стін сонячних теплиць. Наприклад, коли Чжан Госен та інші будували теплиці на піщано-гравійних полях у Ганьсу, пісок та гравій використовувалися як теплоакумулюючі та ізоляційні шари стін; Відповідно до особливостей Гобі та пустелі на північному заході Китаю, Чжао Пен спроектував свого роду стіну з порожнистих блоків з піщаником та порожнистими блоками як матеріалами. Випробування показують, що середня нічна температура в приміщенні перевищує 10℃. З огляду на дефіцит будівельних матеріалів, таких як цегла та глина, в регіоні Гобі на північному заході Китаю, Чжоу Чанцзі та інші, досліджуючи сонячні теплиці в регіоні Гобі Кизилсу Киргизстану, Сіньцзян, виявили, що місцеві теплиці зазвичай використовують гальку як стінові матеріали. З огляду на теплові характеристики та механічну міцність гальки, теплиця, побудована з гальки, має хороші показники з точки зору збереження тепла, теплоакумулювання та несучої здатності. Аналогічно, Чжан Юн та інші також використовують гальку як основний матеріал стіни та спроектували незалежну задню стіну з гальки, що акумулює тепло, в Шаньсі та інших місцях. Випробування показують, що ефект теплонакопичення хороший. Чжан та інші спроектували різновид стіни з пісковика відповідно до характеристик північно-західного району Гобі, що може підвищити температуру в приміщенні на 2,5 ℃. Крім того, Ма Юехун та інші випробували теплоємність стіни з піщаного наповнювача, стіни з блоків та цегляної стіни в Хотяні, Сіньцзян. Результати показали, що стіна з піщаного наповнювача має найбільшу теплоємність. Крім того, щоб покращити теплонакопичувальні властивості стіни, дослідники активно розробляють нові матеріали та технології теплонакопичення. Наприклад, Бао Енцай запропонував матеріал-агент для затвердіння з фазовим переходом, який можна використовувати для покращення теплоємності задньої стіни сонячної теплиці в північно-західних необроблюваних районах. У міру дослідження місцевих матеріалів, копиця сіна, шлак, бензольний картон та солома також використовуються як матеріали для стін, але ці матеріали зазвичай виконують лише функцію збереження тепла, а не теплонакопичувальні. Загалом, стіни, заповнені гравієм та блоками, мають хорошу теплоізоляційну здатність.

03 Відповідним чином збільште товщину стінки

Зазвичай, тепловий опір є важливим показником для вимірювання теплоізоляційних характеристик стіни, і фактором, що впливає на тепловий опір, є товщина шару матеріалу, окрім теплопровідності матеріалу. Тому, вибираючи відповідні теплоізоляційні матеріали, відповідне збільшення товщини стіни може збільшити загальний тепловий опір стіни та зменшити втрати тепла через стіну, тим самим збільшуючи теплоізоляцію та теплоємність стіни та всієї теплиці. Наприклад, у Ганьсу та інших районах середня товщина стіни з мішків з піском у місті Чжан'є становить 2,6 м, тоді як стіни з розчинової кладки в місті Цзюцюань становить 3,7 м. Чим товстіша стіна, тим краща її теплоізоляція та теплоємність. Однак занадто товсті стіни збільшать займану площу та вартість будівництва теплиці. Тому, з точки зору покращення теплоізоляційної здатності, нам також слід надавати пріоритет вибору високоякісних теплоізоляційних матеріалів з низькою теплопровідністю, таких як полістирол, поліуретан та інші матеріали, а потім відповідно збільшувати їх товщину.

Розумний дизайн заднього даху

При проектуванні заднього даху головним міркуванням є відсутність впливу затінення та покращення теплоізоляційних властивостей. Щоб зменшити вплив затінення на задній дах, кут його нахилу визначається переважно з урахуванням того, що задній дах може отримувати прямі сонячні промені вдень, коли сівляться та вирощуються сільськогосподарські культури. Тому кут підйому заднього даху зазвичай вибирається кращим за місцевий кут висоти сонячного світла під час зимового сонцестояння, який становить 7°~8°. Наприклад, Чжан Цайхун та інші вважають, що під час будівництва сонячних теплиць у районах Гобі та засолено-лужних земель у Сіньцзяні проектована довжина заднього даху становить 1,6 м, тому кут нахилу заднього даху становить 40° у південному Сіньцзяні та 45° у північному Сіньцзяні. Чень Вей-Цянь та інші вважають, що задній дах сонячної теплиці в районі Цзюцюань у Гобі повинен мати нахил 40°. Для теплоізоляції задньої частини даху теплоізоляційну здатність слід забезпечувати головним чином шляхом вибору теплоізоляційних матеріалів, необхідної товщини та розумного нахлесту теплоізоляційних матеріалів під час будівництва.

Зменшення втрат тепла з ґрунту

Протягом зимової ночі, оскільки температура ґрунту в приміщенні вища, ніж температура ґрунту на вулиці, тепло ґрунту в приміщенні передаватиметься назовні шляхом теплопровідності, що призведе до втрати тепла в теплиці. Існує кілька способів зменшити втрати тепла з ґрунту.

01 ізоляція ґрунту

Ґрунт належним чином просідає, уникаючи шару мерзлого ґрунту та використовуючи його для збереження тепла. Наприклад, сонячна теплиця «1448 з трьох матеріалів та одного корпусу», розроблена компанією Chai Regeneration та іншими необроблюваними землями в коридорі Хесі, була побудована шляхом копання на глибину 1 м, що ефективно уникає шару мерзлого ґрунту; з огляду на те, що глибина мерзлого ґрунту в районі Турфана становить 0,8 м, Ван Хуамін та інші запропонували копати 0,8 м для покращення теплоізоляційної здатності теплиці. Коли Чжан Госен та інші побудували задню стіну двоарочної двоплівкової сонячної теплиці для копання на неорних землях, глибина копання становила 1 м. Експеримент показав, що найнижча температура вночі підвищилася на 2~3℃ порівняно з традиційною сонячною теплицею другого покоління.

02 захист фундаменту від холоду

Основний метод полягає у викопуванні холодонепроникної траншеї вздовж фундаментної частини переднього даху, засипанні теплоізоляційних матеріалів або безперервному закопуванні теплоізоляційних матеріалів під землю вздовж фундаментної стіни, що має на меті зменшити втрати тепла, спричинені теплопередачею через ґрунт у граничній частині теплиці. Використовувані теплоізоляційні матеріали в основному базуються на місцевих умовах на північному заході Китаю та можуть бути придбані на місці, такі як сіно, шлак, мінеральна вата, пінополістирольна плита, кукурудзяна солома, кінський гній, опале листя, зламана трава, тирса, бур'яни, солома тощо.

03 мульчуюча плівка

Завдяки покриттю пластиковою плівкою сонячне світло може досягати ґрунту крізь неї протягом дня, і ґрунт поглинає сонячне тепло та нагрівається. Крім того, пластикова плівка може блокувати довгохвильове випромінювання, що відбивається ґрунтом, тим самим зменшуючи втрати ґрунту через радіацію та збільшуючи теплоакумуляцію ґрунту. Вночі пластикова плівка може перешкоджати конвективному теплообміну між ґрунтом і повітрям у приміщенні, тим самим зменшуючи втрати тепла ґрунтом. Водночас пластикова плівка також може зменшити втрати прихованого тепла, спричинені випаровуванням ґрунтової води. Вей Веньсян накрив теплицю пластиковою плівкою на плато Цінхай, і експеримент показав, що температуру ґрунту можна підвищити приблизно на 1℃.

Посилення теплоізоляційних характеристик переднього даху

Передній дах теплиці є основною поверхнею розсіювання тепла, а втрати тепла становлять понад 75% від загальних втрат тепла в теплиці. Тому посилення теплоізоляційної здатності переднього даху теплиці може ефективно зменшити втрати через передній дах та покращити зимовий температурний режим теплиці. Наразі існує три основні заходи для покращення теплоізоляційної здатності переднього даху.

01 Використано багатошарове прозоре покриття.

Конструктивно, використання двошарової або тришарової плівки як світлопроникної поверхні теплиці може ефективно покращити теплоізоляційні характеристики теплиці. Наприклад, Чжан Госен та інші розробили двоарочну двоплівкову сонячну теплицю в районі Гобі міста Цзюцюань. Зовнішня частина переднього даху теплиці виготовлена ​​з плівки EVA, а внутрішня частина теплиці виготовлена ​​з плівки ПВХ, що запобігає капанням, що запобігає старінню. Експерименти показують, що порівняно з традиційними сонячними теплицями другого покоління, ефект теплоізоляції є видатним, а найнижча температура вночі підвищується в середньому на 2~3℃. Аналогічно, Чжан Цзінше та інші також розробили сонячну теплицю з подвійним плівковим покриттям для кліматичних характеристик високих широт та районів з сильними холодами, що значно покращило теплоізоляцію теплиці. Порівняно з контрольною теплицею, нічна температура підвищилася на 3℃. Крім того, Ву Летянь та інші спробували використати три шари плівки EVA товщиною 0,1 мм на передньому даху сонячної теплиці, спроектованої в пустельному районі Хетянь, Сіньцзян. Багатошарова плівка може ефективно зменшити втрати тепла переднього даху, але оскільки коефіцієнт пропускання світла одношарової плівки становить приблизно 90%, багатошарова плівка, природно, призведе до ослаблення пропускання світла. Тому, вибираючи багатошарове покриття зі світлопроникністю, необхідно належним чином враховувати умови освітлення та вимоги до освітлення теплиць.

02 Посилити нічну ізоляцію переднього даху

На передньому даху використовується пластикова плівка для збільшення світлопроникності вдень, а вночі вона стає найслабшим місцем у всій теплиці. Тому покриття зовнішньої поверхні переднього даху товстою композитною теплоізоляційною ковдрою є необхідним заходом теплоізоляції для сонячних теплиць. Наприклад, у високогірному регіоні Цінхай Лю Яньцзе та інші використовували солом'яні штори та крафт-папір як теплоізоляційні ковдри для експериментів. Результати випробувань показали, що найнижча температура в приміщенні теплиці вночі може сягати вище 7,7 ℃. Крім того, Вей Веньсян вважає, що втрати тепла в теплиці можна зменшити більш ніж на 90%, використовуючи подвійні трав'яні штори або крафт-папір зовнішні трав'яні штори для теплоізоляції в цій зоні. Крім того, Цзоу Пін та інші використовували теплоізоляційну ковдру з переробленого волокна, прошитого голкою, у сонячній теплиці в регіоні Гобі в Сіньцзяні, а Чан Меймей та інші використовували теплоізоляційну бавовняну теплоізоляційну ковдру-сендвіч у сонячній теплиці в регіоні Гобі в коридорі Хесі. Наразі в сонячних теплицях використовується багато видів теплоізоляційних ковдр, але більшість із них виготовлені з голчастого фетру, клейової напилюваної бавовни, перлової бавовни тощо, з водонепроникними або антивіковими поверхневими шарами з обох боків. Відповідно до механізму теплоізоляції теплоізоляційної ковдри, для покращення її теплоізоляційних характеристик слід почати з покращення її термостійкості та зниження коефіцієнта теплопередачі, а основними заходами є зменшення теплопровідності матеріалів, збільшення товщини шарів матеріалу або збільшення кількості шарів матеріалу тощо. Тому наразі основний матеріал теплоізоляційної ковдри з високими теплоізоляційними характеристиками часто виготовляється з багатошарових композитних матеріалів. Згідно з випробуваннями, коефіцієнт теплопередачі теплоізоляційної ковдри з високими теплоізоляційними характеристиками наразі може досягати 0,5 Вт/(м2℃), що забезпечує кращу гарантію теплоізоляції теплиць у холодних районах взимку. Звичайно, північно-західний район вітряний і запилений, а ультрафіолетове випромінювання сильне, тому поверхневий шар теплоізоляції повинен мати хороші антивікові характеристики.

03 Додайте внутрішню теплоізоляційну завісу.

Хоча передній дах сонячної теплиці вночі покритий зовнішньою теплоізоляційною ковдрою, що стосується інших конструкцій усієї теплиці, передній дах все ще є слабким місцем для всієї теплиці вночі. Тому проектна команда «Структура та технологія будівництва теплиць на північному заході неорних земель» розробила просту систему внутрішньої теплоізоляції, що рулонно згортається (Рис. 1), конструкція якої складається з нерухомої внутрішньої теплоізоляційної завіси біля передньої основи та рухомої внутрішньої теплоізоляційної завіси у верхньому просторі. Верхня рухома теплоізоляційна завіса відкривається та складається біля задньої стінки теплиці вдень, що не впливає на освітлення теплиці; нерухома теплоізоляційна ковдра внизу виконує роль герметизації вночі. Конструкція внутрішньої ізоляції є акуратною та простою в експлуатації, а також може виконувати роль затінення та охолодження влітку.

Технологія активного нагрівання

Через низьку температуру взимку на північному заході Китаю, якщо ми покладатимемося лише на збереження та акумулювання тепла в теплицях, ми все одно не зможемо задовольнити потреби зимового виробництва сільськогосподарських культур у холодну погоду, тому також необхідно вжити деяких заходів активного утеплення.

Система накопичення сонячної енергії та вивільнення тепла

Важливою причиною є те, що стіна виконує функції збереження тепла, акумулювання тепла та несіння навантаження, що призводить до високої вартості будівництва та низького коефіцієнта використання землі для сонячних теплиць. Тому спрощення та монтаж сонячних теплиць, безумовно, стане важливим напрямком розвитку в майбутньому. Серед них спрощення функції стіни полягає у звільненні функції акумулювання та вивільнення тепла стіни, таким чином, щоб задня стіна виконувала лише функцію збереження тепла, що є ефективним способом спрощення будівництва. Наприклад, активна система акумулювання та вивільнення тепла Fang Hui (рис. 2) широко використовується в необроблюваних районах, таких як Ганьсу, Нінся та Сіньцзян. Її пристрій для збору тепла встановлений на північній стіні. Вдень тепло, зібране пристроєм для збору тепла, накопичується в теплоакумуляторі завдяки циркуляції теплоакумулюючого середовища, а вночі тепло вивільняється та нагрівається завдяки циркуляції теплоакумулюючого середовища, таким чином реалізуючи теплопередачу в часі та просторі. Експерименти показують, що мінімальну температуру в теплиці можна підвищити на 3~5℃ за допомогою цього пристрою. Ван Чживей та інші запропонували систему обігріву водяною завісою для сонячних теплиць у пустельному районі південного Сіньцзяну, яка може підвищити температуру в теплиці на 2,1℃ вночі.

Крім того, Бао Енцай та інші розробили активну систему циркуляції тепла для північної стіни. Вдень, завдяки циркуляції осьових вентиляторів, гаряче повітря в приміщенні протікає через теплопередавальний канал, вбудований у північну стіну, і теплопередавальний канал обмінюється теплом із шаром теплоакумулятора всередині стіни, що значно покращує теплоємність стіни. Крім того, система сонячного фазозмінного теплоакумулювання, розроблена Янь Яньтао та іншими, накопичує тепло у фазозмінних матеріалах за допомогою сонячних колекторів протягом дня, а потім розсіює тепло в повітря в приміщенні завдяки циркуляції повітря вночі, що може підвищити середню температуру на 2,0℃ вночі. Вищезазначені технології та обладнання для використання сонячної енергії мають характеристики економічності, енергозбереження та низького вмісту вуглецю. Після оптимізації та вдосконалення вони повинні мати хороші перспективи застосування в районах з багатими ресурсами сонячної енергії на північному заході Китаю.

Інші допоміжні технології опалення

01 опалення на біомасі

Підстилку, солому, коров'ячий гній, овечий гній та пташиний послід змішують з біологічними бактеріями та закопують у ґрунт теплиці. Під час процесу ферментації утворюється багато тепла, а також багато корисних штамів, органічної речовини та CO2. Корисні штами можуть пригнічувати та знищувати різноманітні мікроби, а також зменшувати виникнення тепличних хвороб та шкідників; органічна речовина може стати добривом для сільськогосподарських культур; утворений CO2 може посилити фотосинтез сільськогосподарських культур. Наприклад, Вей Веньсян закопував гарячі органічні добрива, такі як кінський гній, коров'ячий гній та овечий гній, у ґрунт приміщень у сонячній теплиці на плато Цінхай, що ефективно підвищило температуру ґрунту. У сонячній теплиці в пустелі Ганьсу Чжоу Чжилун використовував солому та органічні добрива для ферментації між культурами. Випробування показали, що температуру в теплиці можна підвищити на 2~3℃.

02 вугільне опалення

Існують штучні печі, енергозберігаючі водонагрівачі та опалення. Наприклад, після дослідження на плато Цінхай, Вей Веньсян виявив, що опалення за допомогою штучних печей використовується переважно локально. Цей метод нагрівання має переваги швидшого нагрівання та очевидного теплового ефекту. Однак, у процесі спалювання вугілля утворюються шкідливі гази, такі як SO2, CO та H2S, тому необхідно ретельно відводити шкідливі гази.

03 електричне опалення

Використовуйте електричний нагрівальний дріт для обігріву переднього даху теплиці або електричний обігрівач. Ефект обігріву вражає, використання безпечне, у теплиці не утворюються забруднюючі речовини, а опалювальне обладнання легко керувати. Чень Вейцянь та інші вважають, що проблема пошкодження від замерзання взимку в районі Цзюцюань перешкоджає розвитку місцевого сільського господарства Гобі, і для обігріву теплиці можна використовувати електричні нагрівальні елементи. Однак через використання високоякісних джерел електроенергії споживання енергії високе, а вартість висока. Рекомендується використовувати його як тимчасовий засіб екстреного обігріву в екстремальні холоди.

Заходи з управління навколишнім середовищем

У процесі виробництва та використання теплиць, повне обладнання та його нормальна експлуатація не можуть ефективно забезпечити відповідність теплового середовища проектним вимогам. Фактично, використання та управління обладнанням часто відіграють ключову роль у формуванні та підтримці теплового середовища, найважливішим з яких є щоденне управління теплоізоляційною ковдрою та вентиляційними отворами.

Управління теплоізоляційною ковдрою

Теплоізоляційна ковдра є ключем до нічної теплоізоляції переднього даху, тому надзвичайно важливо вдосконалювати її щоденне управління та обслуговування, особливо слід звертати увагу на такі проблеми: ①Виберіть відповідний час відкриття та закриття теплоізоляційної ковдри. Час відкриття та закриття теплоізоляційної ковдри не тільки впливає на час освітлення теплиці, але й на процес нагрівання в теплиці. Занадто раннє або занадто пізнє відкриття та закриття теплоізоляційної ковдри не сприяє накопиченню тепла. Вранці, якщо ковдру відкрити занадто рано, температура в приміщенні занадто сильно знизиться через низьку температуру зовнішнього повітря та слабке освітлення. Навпаки, якщо час відкриття ковдри занадто пізній, час отримання світла в теплиці скоротиться, а час підвищення температури в приміщенні затримається. Вдень, якщо теплоізоляційну ковдру вимкнути занадто рано, час експозиції в приміщенні скоротиться, а теплоакумуляція ґрунту та стін в приміщенні зменшиться. Навпаки, якщо теплозбереження вимкнути занадто пізно, тепловіддача теплиці збільшиться через низьку температуру зовнішнього повітря та слабке освітлення. Тому, загалом кажучи, коли теплоізоляційну ковдру вмикають вранці, бажано, щоб температура підвищувалася після зниження на 1~2℃, тоді як коли теплоізоляційну ковдру вимикають, бажано, щоб температура підвищувалася після зниження на 1~2℃. ② Під час закриття теплоізоляційної ковдри зверніть увагу на те, чи щільно вона покриває всі передні стелі, і вчасно відрегулюйте їх, якщо є зазори. ③ Після повного встановлення теплоізоляційної ковдри перевірте, чи нижня частина ущільнена, щоб запобігти підйому ефекту збереження тепла вітром вночі. ④ Своєчасно перевіряйте та обслуговуйте теплоізоляційну ковдру, особливо якщо вона пошкоджена, вчасно ремонтуйте або замінюйте її. ⑤ Своєчасно звертайте увагу на погодні умови. Під час дощу або снігу вчасно накривайте теплоізоляційну ковдру та вчасно видаляйте сніг.

Управління вентиляційними отворами

Мета вентиляції взимку — регулювати температуру повітря, щоб уникнути надмірної температури близько полудня; друга — усунути вологість у приміщенні, знизити вологість повітря в теплиці та боротися зі шкідниками та хворобами; третя — збільшити концентрацію CO2 у приміщенні та сприяти росту врожаю. Однак вентиляція та збереження тепла суперечливі. Якщо вентиляція не керується належним чином, це, ймовірно, призведе до проблем із низькими температурами. Тому час і тривалість відкриття вентиляційних отворів необхідно динамічно регулювати відповідно до умов навколишнього середовища теплиці в будь-який час. У північно-західних необроблюваних районах управління вентиляційними отворами теплиць в основному поділяється на два способи: ручне керування та проста механічна вентиляція. Однак час відкриття та час вентиляції вентиляційних отворів в основному базуються на суб'єктивній оцінці людей, тому може статися, що вентиляційні отвори відкриваються занадто рано або занадто пізно. Щоб вирішити вищезазначені проблеми, Інь Ілей та інші розробили інтелектуальний вентиляційний пристрій для даху, який може визначати час відкриття та розмір відкриття та закриття вентиляційних отворів відповідно до змін у приміщенні. З поглибленням досліджень законів зміни навколишнього середовища та попиту на сільськогосподарські культури, а також популяризацією та розвитком технологій та обладнання, таких як сприйняття навколишнього середовища, збір інформації, аналіз та контроль, автоматизація управління вентиляцією в сонячних теплицях має стати важливим напрямком розвитку в майбутньому.

Інші заходи управління

У процесі використання різних видів плівкових покриттів їхня світлопроникність поступово слабшає, і швидкість ослаблення пов'язана не лише з їхніми фізичними властивостями, але й з навколишнім середовищем та доглядом під час використання. У процесі використання найважливішим фактором, що призводить до зниження світлопроникності, є забруднення поверхні плівки. Тому надзвичайно важливо проводити регулярне очищення та очищення, коли дозволяють умови. Крім того, слід регулярно перевіряти конструкцію теплиці. Якщо є витік у стіні та передньому даху, його слід вчасно усунути, щоб уникнути проникнення холодного повітря в теплицю.

Існуючі проблеми та напрямки розвитку

Протягом багатьох років дослідники досліджували та вивчали технології збереження та зберігання тепла, технології управління та методи утеплення теплиць у північно-західних необроблюваних районах, що в основному забезпечило зимове виробництво овочів, значно покращило здатність теплиць протистояти пошкодженням від низьких температур та, по суті, забезпечило зимове виробництво овочів. Це зробило історичний внесок у пом'якшення суперечності між продовольством та овочами, які конкурують за землю в Китаї. Однак, у технології гарантованого підтримання температури на північному заході Китаю все ще існують наступні проблеми.

Типи теплиць, що потребують модернізації

Наразі поширеними типами теплиць залишаються ті, що були побудовані наприкінці 20-го та на початку цього століття, з простою конструкцією, нерозумним дизайном, поганою здатністю підтримувати тепловий режим тепличного середовища та протистояти стихійним лихам, а також відсутністю стандартизації. Тому в майбутньому проектуванні теплиць слід стандартизувати форму та нахил переднього даху, азимутальний кут теплиці, висоту задньої стінки, глибину заглиблення теплиці тощо, повністю поєднуючи місцеві географічні широти та кліматичні характеристики. Водночас, у теплиці можна вирощувати лише одну культуру, наскільки це можливо, щоб стандартизоване підбирання теплиць відповідно до потреб вирощених культур у світлі та температурі.

Масштаб теплиці відносно невеликий.

Якщо масштаб теплиці занадто малий, це вплине на стабільність теплового середовища теплиці та розвиток механізації. Зі зростанням вартості робочої сили розвиток механізації є важливим напрямком у майбутньому. Тому в майбутньому нам слід спиратися на місцевий рівень розвитку, враховувати потреби розвитку механізації, раціонально проектувати внутрішній простір та планування теплиць, прискорювати дослідження та розробки сільськогосподарського обладнання, придатного для місцевих регіонів, та підвищувати рівень механізації тепличного виробництва. Водночас, відповідно до потреб сільськогосподарських культур та схем вирощування, відповідне обладнання повинно відповідати стандартам, а також слід сприяти комплексним дослідженням та розробкам, інноваціям та популяризації вентиляційного, волого-, теплозберігаючого та опалювального обладнання.

Товщина стін, таких як піщані та пустотілі блоки, все ще велика.

Якщо стіна занадто товста, то, незважаючи на хороший ефект ізоляції, це знизить коефіцієнт використання ґрунту, збільшить вартість та складність будівництва. Тому в майбутньому розвитку, з одного боку, товщину стіни можна науково оптимізувати відповідно до місцевих кліматичних умов; з іншого боку, нам слід сприяти легкій та спрощеній розробці задньої стіни, щоб задня стіна теплиці зберігала лише функцію збереження тепла, використовувати сонячні колектори та інше обладнання для заміни накопичення та віддачі тепла стіною. Сонячні колектори мають характеристики високої ефективності збору тепла, сильної теплоємності, енергозбереження, низького вмісту вуглецю тощо, і більшість з них можуть реалізувати активне регулювання та контроль, а також можуть здійснювати цілеспрямований екзотермічний нагрів відповідно до екологічних вимог теплиці вночі, з вищою ефективністю використання тепла.

Потрібно розробити спеціальну теплоізоляційну ковдру.

Передній дах є основним елементом розсіювання тепла в теплиці, а теплоізоляційні характеристики теплоізоляційної ковдри безпосередньо впливають на тепловий режим всередині приміщення. Наразі температура в теплиці в деяких районах незадовільна, частково через те, що теплоізоляційна ковдра занадто тонка, а теплоізоляційні характеристики матеріалів недостатні. Водночас теплоізоляційна ковдра все ще має деякі проблеми, такі як погана водонепроникність та водонепроникність, швидке старіння поверхневих та серцевинних матеріалів тощо. Тому в майбутньому відповідні теплоізоляційні матеріали повинні бути науково підібрані відповідно до місцевих кліматичних характеристик та вимог, а також повинні бути розроблені та розроблені спеціальні теплоізоляційні вироби для місцевого використання та популяризації.

КІНЕЦЬ

Цитована інформація

Луо Ганлян, Чен Цзеюй, Ван Пінчжі та ін. Стан досліджень технології гарантування температури навколишнього середовища для сонячних теплиць на північно-західних необроблюваних землях [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(28):12-20.