Li Jianming, Sun Guotao itd.Tehnologija poljoprivrednog inženjerstva u stakleničkom hortikulturnom sektoru2022-11-21 17:42 Objavljeno u Pekingu

Posljednjih godina industrija staklenika snažno se razvija. Razvoj staklenika ne samo da poboljšava iskorištenost zemljišta i stopu proizvodnje poljoprivrednih proizvoda, već i rješava problem opskrbe voćem i povrćem izvan sezone. Međutim, staklenici su se suočili i s neviđenim izazovima. Izvorni objekti, metode grijanja i strukturni oblici stvorili su otpornost na okoliš i razvoj. Hitno su potrebni novi materijali i novi dizajni za promjenu strukture staklenika, a hitno su potrebni i novi izvori energije za postizanje ciljeva uštede energije i zaštite okoliša te povećanje proizvodnje i prihoda.

Ovaj članak raspravlja o temi „nova energija, novi materijali, novi dizajn koji će pomoći novoj revoluciji staklenika“, uključujući istraživanje i inovacije solarne energije, energije biomase, geotermalne energije i drugih novih izvora energije u staklenicima, istraživanje i primjenu novih materijala za pokrivanje, toplinsku izolaciju, zidove i drugu opremu te buduće izglede i razmišljanje o novoj energiji, novim materijalima i novom dizajnu koji će pomoći reformi staklenika, kako bi se pružila referenca za industriju.

Razvoj poljoprivrednih površina s objektima politički je zahtjev i neizbježan izbor za provedbu duha važnih uputa i odluka središnje vlade. U 2020. godini ukupna površina zaštićene poljoprivrede u Kini iznosit će 2,8 milijuna hm2, a proizvodna vrijednost premašit će 1 bilijun juana. To je važan način za poboljšanje proizvodnih kapaciteta staklenika kako bi se poboljšale performanse rasvjete i toplinske izolacije staklenika putem nove energije, novih materijala i novog dizajna staklenika. Postoje mnogi nedostaci u tradicionalnoj proizvodnji u staklenicima, poput ugljena, loživog ulja i drugih izvora energije koji se koriste za grijanje i grijanje u tradicionalnim staklenicima, što rezultira velikom količinom dioksidnog plina, koji ozbiljno zagađuje okoliš, dok prirodni plin, električna energija i drugi izvori energije povećavaju operativne troškove staklenika. Tradicionalni materijali za pohranu topline za zidove staklenika uglavnom su glina i cigla, koje puno troše i uzrokuju ozbiljnu štetu zemljišnim resursima. Učinkovitost korištenja zemljišta tradicionalnih solarnih staklenika sa zemljanim zidom iznosi samo 40% ~ 50%, a obični staklenik ima slab kapacitet pohrane topline, pa ne može preživjeti zimu za proizvodnju toplog povrća u sjevernoj Kini. Stoga, srž promicanja promjena u staklenicima, odnosno temeljnih istraživanja, leži u dizajnu staklenika, istraživanju i razvoju novih materijala i nove energije. Ovaj članak će se usredotočiti na istraživanje i inovacije novih izvora energije u staklenicima, sažeti status istraživanja novih izvora energije kao što su solarna energija, energija biomase, geotermalna energija, energija vjetra i novi prozirni pokrovni materijali, toplinski izolacijski materijali i zidni materijali u staklenicima, analizirati primjenu nove energije i novih materijala u izgradnji novih staklenika te se osvrnuti na njihovu ulogu u budućem razvoju i transformaciji staklenika.

Istraživanje i inovacije novih energetskih staklenika

Zelena nova energija s najvećim potencijalom za poljoprivredno korištenje uključuje solarnu energiju, geotermalnu energiju i energiju biomase, odnosno sveobuhvatno korištenje raznih novih izvora energije, kako bi se postigla učinkovita upotreba energije učenjem iz međusobnih prednosti.

solarna energija/snaga

Tehnologija solarne energije je niskougljični, učinkovit i održiv način opskrbe energijom te važna komponenta strateških industrija u nastajanju u Kini. U budućnosti će postati neizbježan izbor za transformaciju i unapređenje kineske energetske strukture. S gledišta korištenja energije, sam staklenik je objekt za korištenje solarne energije. Zbog efekta staklenika, solarna energija se skuplja u zatvorenom prostoru, temperatura staklenika se podiže i osigurava potrebna toplina za rast usjeva. Glavni izvor energije za fotosintezu biljaka u staklenicima je izravna sunčeva svjetlost, što predstavlja izravno korištenje solarne energije.

01 Fotonaponska proizvodnja energije za proizvodnju topline

Fotonaponska proizvodnja energije je tehnologija koja izravno pretvara svjetlosnu energiju u električnu energiju na temelju fotonaponskog efekta. Ključni element ove tehnologije je solarna ćelija. Kada solarna energija obasja niz solarnih panela spojenih serijski ili paralelno, poluvodičke komponente izravno pretvaraju energiju sunčevog zračenja u električnu energiju. Fotonaponska tehnologija može izravno pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu energiju, pohraniti električnu energiju putem baterija i grijati staklenik noću, ali njezina visoka cijena ograničava njezin daljnji razvoj. Istraživačka grupa razvila je fotonaponski uređaj za grijanje s grafenom koji se sastoji od fleksibilnih fotonaponskih panela, višenamjenskog stroja za obrnutu kontrolu, akumulatora i grafenskog grijaćeg štapa. Ovisno o duljini linije sadnje, grafenski grijaći štap se zakopava ispod vreće s podlogom. Tijekom dana, fotonaponski paneli apsorbiraju sunčevo zračenje kako bi generirali električnu energiju i pohranili je u akumulator, a zatim se električna energija oslobađa noću za grafenski grijaći štap. U stvarnom mjerenju, usvojen je način regulacije temperature od 17 ℃ do 19 ℃. Radeći noću (20:00-08:00 drugog dana) tijekom 8 sati, potrošnja energije za grijanje jednog reda biljaka iznosi 1,24 kW·h, a prosječna temperatura vreće supstrata noću iznosi 19,2 ℃, što je 3,5 ~ 5,3 ℃ više od kontrolne skupine. Ova metoda grijanja u kombinaciji s fotonaponskom proizvodnjom energije rješava probleme visoke potrošnje energije i visokog onečišćenja pri grijanju staklenika zimi.

02 fototermalna pretvorba i korištenje

Solarna fototermalna konverzija odnosi se na korištenje posebne površine za prikupljanje sunčeve svjetlosti izrađene od fototermalnih konverzijskih materijala kako bi se prikupila i apsorbirala što veća količina sunčeve energije koja se na nju zrači i pretvorila u toplinsku energiju. U usporedbi sa solarnim fotonaponskim primjenama, solarne fototermalne primjene povećavaju apsorpciju bliskog infracrvenog pojasa, pa imaju veću učinkovitost iskorištenja energije sunčeve svjetlosti, niže troškove i zreliju tehnologiju te su najčešće korišteni način korištenja solarne energije.

Najzrelija tehnologija fototermalne pretvorbe i korištenja u Kini je solarni kolektor, čija je glavna komponenta jezgra ploče koja apsorbira toplinu sa selektivnim apsorpcijskim premazom, koja može pretvoriti energiju sunčevog zračenja koja prolazi kroz pokrovnu ploču u toplinsku energiju i prenijeti je radnom mediju koji apsorbira toplinu. Solarni kolektori mogu se podijeliti u dvije kategorije prema tome postoji li vakuumski prostor u kolektoru ili ne: ravni solarni kolektori i vakuumski cijevni solarni kolektori; koncentrirajući solarni kolektori i nekoncentrirajući solarni kolektori prema tome mijenja li smjer sunčevog zračenja na otvoru za dnevno svjetlo; te tekući solarni kolektori i zračni solarni kolektori prema vrsti radnog medija za prijenos topline.

Korištenje solarne energije u staklenicima uglavnom se provodi putem različitih vrsta solarnih kolektora. Sveučilište Ibn Zor u Maroku razvilo je aktivni sustav grijanja solarnom energijom (ASHS) za zagrijavanje staklenika, koji može povećati ukupnu proizvodnju rajčice za 55% zimi. Kinesko poljoprivredno sveučilište dizajniralo je i razvilo set sustava za prikupljanje i ispuštanje površinskog hladnjaka i ventilatora, s kapacitetom prikupljanja topline od 390,6 do 693,0 MJ, te predložilo ideju odvajanja procesa prikupljanja topline od procesa skladištenja topline toplinskom pumpom. Sveučilište u Bariju u Italiji razvilo je poligeneracijski sustav grijanja za staklenike, koji se sastoji od sustava solarne energije i toplinske pumpe zrak-voda, a može povećati temperaturu zraka za 3,6% i temperaturu tla za 92%. Istraživačka skupina razvila je vrstu aktivne opreme za prikupljanje solarne topline s promjenjivim kutom nagiba za solarni staklenik i pomoćni uređaj za pohranu topline za vodene površine staklenika u svim vremenskim uvjetima. Aktivna tehnologija prikupljanja solarne topline s promjenjivim nagibom probija ograničenja tradicionalne opreme za prikupljanje topline u staklenicima, kao što su ograničeni kapacitet prikupljanja topline, zasjenjenje i zauzimanje obrađenog zemljišta. Korištenjem posebne strukture solarnog staklenika, prostor staklenika koji nije namijenjen za sadnju u potpunosti se iskorištava, što uvelike poboljšava učinkovitost iskorištenja prostora staklenika. U tipičnim sunčanim radnim uvjetima, aktivni sustav prikupljanja solarne topline s promjenjivim nagibom doseže 1,9 MJ/(m2h), učinkovitost iskorištenja energije doseže 85,1%, a stopa uštede energije je 77%. U tehnologiji skladištenja topline staklenika, postavljena je višefazna struktura za prikupljanje topline, povećan je kapacitet skladištenja topline uređaja za prikupljanje topline i ostvaruje se sporo oslobađanje topline iz uređaja, kako bi se postiglo učinkovito korištenje topline prikupljene opremom za prikupljanje solarne topline staklenika.

energija biomase

Nova struktura objekta izgrađena je kombiniranjem uređaja za proizvodnju topline iz biomase sa staklenikom, a sirovine biomase poput svinjskog gnoja, ostataka gljiva i slame kompostiraju se za proizvodnju topline, a generirana toplinska energija izravno se dovodi u staklenik [5]. U usporedbi sa staklenikom bez spremnika za grijanje fermentacijom biomase, staklenik s grijanjem može učinkovito povećati temperaturu tla u stakleniku i održavati odgovarajuću temperaturu korijena usjeva uzgajanih u tlu u normalnoj klimi zimi. Uzimajući kao primjer jednoslojni asimetrični toplinski izolirani staklenik raspona 17 m i duljine 30 m, dodavanje 8 m poljoprivrednog otpada (pomiješana slama rajčice i svinjski gnoj) u unutarnji spremnik za fermentaciju za prirodnu fermentaciju bez okretanja hrpe može povećati prosječnu dnevnu temperaturu staklenika za 4,2 ℃ zimi, a prosječna dnevna minimalna temperatura može doseći 4,6 ℃.

Iskorištavanje energije biomase kontroliranom fermentacijom je metoda fermentacije koja koristi instrumente i opremu za kontrolu procesa fermentacije kako bi se brzo dobila i učinkovito iskoristila toplinska energija biomase i plinovito gnojivo CO2, među kojima su ventilacija i vlaga ključni čimbenici za regulaciju proizvodnje topline i plina fermentacijom biomase. U ventiliranim uvjetima, aerobni mikroorganizmi u fermentacijskoj hrpi koriste kisik za životne aktivnosti, a dio generirane energije koristi se za vlastite životne aktivnosti, a dio energije se oslobađa u okoliš kao toplinska energija, što je korisno za porast temperature okoliša. Voda sudjeluje u cijelom procesu fermentacije, osiguravajući potrebne topljive hranjive tvari za mikrobne aktivnosti, a istovremeno oslobađajući toplinu hrpe u obliku pare kroz vodu, kako bi se smanjila temperatura hrpe, produžio životni vijek mikroorganizama i povećala temperatura hrpe. Ugradnja uređaja za ispiranje slame u spremnik za fermentaciju može povećati unutarnju temperaturu za 3 ~ 5 ℃ zimi, ojačati fotosintezu biljaka i povećati prinos rajčice za 29,6%.

Geotermalna energija

Kina je bogata geotermalnim resursima. Trenutno je najčešći način korištenja geotermalne energije u poljoprivrednim objektima korištenje geotermalne toplinske pumpe, koja može prenijeti energiju niskog stupnja na energiju visokog stupnja unosom male količine energije visokog stupnja (kao što je električna energija). Za razliku od tradicionalnih mjera grijanja staklenika, grijanje geotermalnom toplinskom pumpom ne samo da može postići značajan učinak grijanja, već ima i sposobnost hlađenja staklenika i smanjenja vlažnosti u njemu. Istraživanje primjene geotermalne toplinske pumpe u području stambene izgradnje je zrelo. Ključni dio koji utječe na kapacitet grijanja i hlađenja geotermalne toplinske pumpe je modul podzemne izmjene topline, koji uglavnom uključuje zakopane cijevi, podzemne bunare itd. Kako dizajnirati podzemni sustav izmjene topline s uravnoteženim troškovima i učinkom oduvijek je bio fokus istraživanja ovog dijela. Istovremeno, promjena temperature podzemnog sloja tla pri primjeni geotermalne toplinske pumpe također utječe na učinak korištenja sustava toplinske pumpe. Korištenje geotermalne toplinske pumpe za hlađenje staklenika ljeti i pohranjivanje toplinske energije u dubokom sloju tla može ublažiti pad temperature podzemnog sloja tla i poboljšati učinkovitost proizvodnje topline geotermalne toplinske pumpe zimi.

Trenutno, u istraživanju performansi i učinkovitosti geotermalne toplinske pumpe, kroz stvarne eksperimentalne podatke, uspostavljen je numerički model pomoću softvera kao što su TOUGH2 i TRNSYS, te je zaključeno da toplinska performansa i koeficijent performansi (COP) geotermalne toplinske pumpe mogu doseći 3,0 ~ 4,5, što ima dobar učinak hlađenja i grijanja. U istraživanju strategije rada sustava toplinske pumpe, Fu Yunzhun i drugi su otkrili da u usporedbi s protokom na strani opterećenja, protok na strani zemlje ima veći utjecaj na performanse jedinice i performanse prijenosa topline ukopane cijevi. Pod uvjetima podešavanja protoka, maksimalna vrijednost COP-a jedinice može doseći 4,17 primjenom sheme rada od 2 sata i zaustavljanja od 2 sata; Shi Huixian i drugi su usvojili povremeni način rada sustava hlađenja spremnikom vode. Ljeti, kada je temperatura visoka, COP cijelog sustava opskrbe energijom može doseći 3,80.

Tehnologija skladištenja topline u dubokom tlu u stakleniku

Duboko skladištenje topline u tlu u stakleniku naziva se i "banka za skladištenje topline". Oštećenja od hladnoće zimi i visoke temperature ljeti glavne su prepreke proizvodnji u stakleniku. Na temelju snažnog kapaciteta skladištenja topline dubokog tla, istraživačka skupina dizajnirala je podzemni uređaj za duboko skladištenje topline u stakleniku. Uređaj je dvoslojni paralelni cjevovod za prijenos topline zakopan na dubini od 1,5 do 2,5 m pod zemljom u stakleniku, s ulazom zraka na vrhu staklenika i izlazom zraka na tlu. Kada je temperatura u stakleniku visoka, unutarnji zrak se prisilno pumpa u zemlju ventilatorom kako bi se ostvarilo skladištenje topline i smanjenje temperature. Kada je temperatura staklenika niska, toplina se izvlači iz tla kako bi se zagrijao staklenik. Rezultati proizvodnje i primjene pokazuju da uređaj može povećati temperaturu staklenika za 2,3 ℃ zimskom noći, smanjiti unutarnju temperaturu za 2,6 ℃ ljetnim danom i povećati prinos rajčice za 1500 kg na 667 m².²Uređaj u potpunosti iskorištava karakteristike „toplog zimi i hladnoće ljeti“ i „konstantne temperature“ dubokog podzemnog tla, osigurava „energetsku banku“ za staklenik i kontinuirano obavlja pomoćne funkcije hlađenja i grijanja staklenika.

Koordinacija više energija

Korištenje dvije ili više vrsta energije za grijanje staklenika može učinkovito nadoknaditi nedostatke jedne vrste energije i dati povod efektu superpozicije „jedan plus jedan je veće od dva“. Komplementarna suradnja između geotermalne energije i solarne energije istraživačka je žarišna točka novog korištenja energije u poljoprivrednoj proizvodnji posljednjih godina. Emmi i suradnici proučavali su energetski sustav s više izvora (slika 1), koji je opremljen fotonaponsko-termalnim hibridnim solarnim kolektorom. U usporedbi s uobičajenim sustavom toplinske pumpe zrak-voda, energetska učinkovitost energetskog sustava s više izvora poboljšana je za 16%~25%. Zheng i suradnici razvili su novi tip povezanog sustava za pohranu topline solarne energije i toplinske pumpe zemlja-voda. Sustav solarnih kolektora može ostvariti visokokvalitetno sezonsko pohranjivanje topline, odnosno visokokvalitetno grijanje zimi i visokokvalitetno hlađenje ljeti. Ukopani cijevni izmjenjivač topline i povremeni spremnik topline mogu dobro raditi u sustavu, a COP vrijednost sustava može doseći 6,96.

U kombinaciji sa solarnom energijom, cilj je smanjiti potrošnju komercijalne energije i poboljšati stabilnost opskrbe solarnom energijom u staklenicima. Wan Ya i suradnici predložili su novu shemu inteligentne tehnologije upravljanja koja kombinira proizvodnju solarne energije s komercijalnom energijom za grijanje staklenika, a koja može koristiti fotonaponsku energiju kada ima svjetla i pretvoriti je u komercijalnu energiju kada nema svjetla, uvelike smanjujući stopu nedostatka snage opterećenja i smanjujući ekonomske troškove bez korištenja baterija.

Sunčeva energija, energija biomase i električna energija mogu zajedno grijati staklenike, što također može postići visoku učinkovitost grijanja. Zhang Liangrui i drugi kombinirali su solarno vakuumsko prikupljanje topline s spremnikom vode za pohranu topline iz doline. Sustav grijanja staklenika ima dobru toplinsku udobnost, a prosječna učinkovitost grijanja sustava je 68,70%. Spremnik vode za pohranu električne topline je uređaj za pohranu vode za grijanje na biomasu s električnim grijanjem. Postavlja se najniža temperatura ulazne vode na kraju grijanja, a strategija rada sustava određuje se prema temperaturi pohrane vode u dijelu za prikupljanje solarne topline i dijelu za pohranu topline na biomasu, kako bi se postigla stabilna temperatura grijanja na kraju grijanja i maksimalno uštedjela električna energija i energetski materijali iz biomase.

Inovativna istraživanja i primjena novih materijala za staklenike

S proširenjem površine staklenika, sve se više otkrivaju nedostaci primjene tradicionalnih materijala za staklenike poput opeke i zemlje. Stoga, kako bi se dodatno poboljšale toplinske performanse staklenika i zadovoljile potrebe razvoja modernih staklenika, postoje mnoga istraživanja i primjene novih prozirnih pokrovnih materijala, toplinskoizolacijskih materijala i zidnih materijala.

Istraživanje i primjena novih prozirnih pokrivnih materijala

Vrste prozirnih pokrovnih materijala za staklenike uglavnom uključuju plastičnu foliju, staklo, solarne panele i fotonaponske panele, među kojima plastična folija ima najveće područje primjene. Tradicionalna PE folija za staklenike ima nedostatke kratkog vijeka trajanja, nedegradacije i jednostruke funkcije. Trenutno je razvijen niz novih funkcionalnih folija dodavanjem funkcionalnih reagensa ili premaza.

Film za pretvorbu svjetla:Film za pretvorbu svjetlosti mijenja optička svojstva filma korištenjem sredstava za pretvorbu svjetlosti poput rijetkih zemalja i nanomaterijala te može pretvoriti ultraljubičasto područje svjetlosti u crveno-narančasto svjetlo i plavo-ljubičasto svjetlo potrebno za fotosintezu biljaka, čime se povećava prinos usjeva i smanjuje oštećenje ultraljubičastog svjetla na usjevima i folijama u plastičnim staklenicima. Na primjer, širokopojasna ljubičasto-crvena folija za staklenike sa sredstvom za pretvorbu svjetlosti VTR-660 može značajno poboljšati propusnost infracrvenog zračenja kada se primjenjuje u stakleniku, a u usporedbi s kontrolnim staklenikom, prinos rajčice po hektaru, sadržaj vitamina C i likopena značajno su povećani za 25,71%, 11,11% odnosno 33,04%. Međutim, trenutno je potrebno još istražiti vijek trajanja, razgradivost i cijenu novog filma za pretvorbu svjetlosti.

Raspršeno stakloRaspršeno staklo u stakleniku je poseban uzorak i tehnologija protiv refleksije na površini stakla koja može maksimizirati sunčevu svjetlost u raspršenu svjetlost i ulazak u staklenik, poboljšati učinkovitost fotosinteze usjeva i povećati prinos usjeva. Raspršeno staklo pretvara svjetlost koja ulazi u staklenik u raspršenu svjetlost kroz posebne uzorke, a raspršena svjetlost može se ravnomjernije ozračiti u staklenik, eliminirajući utjecaj sjene kostura na staklenik. U usporedbi s običnim float staklom i ultra bijelim float staklom, standard propusnosti svjetlosti raspršenog stakla je 91,5%, a običnog float stakla je 88%. Za svako povećanje propusnosti svjetlosti unutar staklenika od 1%, prinos se može povećati za oko 3%, a povećali su se topljivi šećer i vitamin C u voću i povrću. Raspršeno staklo u stakleniku se prvo oblaže, a zatim kali, a stopa samoeksplozije je veća od nacionalnog standarda, dostižući 2‰.

Istraživanje i primjena novih toplinskoizolacijskih materijala

Tradicionalni toplinski izolacijski materijali u staklenicima uglavnom uključuju slamnate prostirke, papirnate prošivene deke, iglane filcane toplinske izolacijske deke itd., koji se uglavnom koriste za unutarnju i vanjsku toplinsku izolaciju krovova, izolaciju zidova i toplinsku izolaciju nekih uređaja za pohranu i prikupljanje topline. Većina njih ima nedostatak gubitka toplinske izolacije zbog unutarnje vlage nakon dugotrajne upotrebe. Stoga postoje mnoge primjene novih visoko toplinski izolacijskih materijala, među kojima su nove toplinske izolacijske deke, uređaji za pohranu i prikupljanje topline u fokusu istraživanja.

Novi toplinski izolacijski materijali obično se izrađuju obradom i miješanjem površinski vodootpornih i na starenje otpornih materijala, poput tkane folije i obloženog filca, s pahuljastim toplinskim izolacijskim materijalima poput pamuka obloženog raspršivanjem, miješanog kašmira i bisernog pamuka. U sjeveroistočnoj Kini testirana je tkana folija od pamuka obloženog raspršivanjem, toplinska izolacijska deka. Utvrđeno je da je dodavanje 500 g pamuka obloženog raspršivanjem ekvivalentno toplinskoj izolacijskoj učinkovitosti crne filca od 4500 g na tržištu. Pod istim uvjetima, toplinska izolacijska učinkovitost 700 g pamuka obloženog raspršivanjem poboljšana je za 1~2 ℃ u usporedbi s toplinskom izolacijskom dekom od 500 g pamuka obloženog raspršivanjem. Istovremeno, druge studije su također otkrile da je, u usporedbi s uobičajeno korištenim toplinskim izolacijskim dekama na tržištu, učinak toplinske izolacije pamuka obloženog raspršivanjem i miješanog kašmira bolji, sa stopom toplinske izolacije od 84,0% odnosno 83,3%. Kada je najniža vanjska temperatura -24,4 ℃, unutarnja temperatura može doseći 5,4 odnosno 4,2 ℃. U usporedbi s jednostrukom izolacijskom dekom od slame, nova kompozitna izolacijska deka ima prednosti male težine, visoke stope izolacije, jake vodootpornosti i otpornosti na starenje te se može koristiti kao nova vrsta visokoučinkovitog izolacijskog materijala za solarne staklenike.

Istovremeno, prema istraživanju toplinskoizolacijskih materijala za uređaje za prikupljanje i pohranu topline u staklenicima, utvrđeno je da kada je debljina ista, višeslojni kompozitni toplinskoizolacijski materijali imaju bolje toplinske izolacijske performanse od pojedinačnih materijala. Tim profesora Li Jianminga sa Sveučilišta Northwest A&F dizajnirao je i pregledao 22 vrste toplinskoizolacijskih materijala za uređaje za pohranu vode u staklenicima, kao što su vakuumska ploča, aerogel i gumena vata, te izmjerio njihova toplinska svojstva. Rezultati su pokazali da kompozitni izolacijski materijal od 80 mm toplinskog izolacijskog premaza + aerogela + gumeno-plastičnog pamučnog toplinskoizolacijskog pamučnog materijala može smanjiti odvođenje topline za 0,367 MJ po jedinici vremena u usporedbi s 80 mm gumeno-plastičnog pamučnog materijala, a njegov koeficijent prijenosa topline iznosio je 0,283 W/(m2·k) kada je debljina izolacijske kombinacije bila 100 mm.

Fazno promjenjivi materijal jedno je od vrućih područja u istraživanju materijala za staklenike. Sveučilište Northwest A&F razvilo je dvije vrste uređaja za pohranu fazno promjenjivog materijala: jedan je kutija za pohranu izrađena od crnog polietilena, veličine 50 cm × 30 cm × 14 cm (duljina × visina × debljina) i ispunjena je fazno promjenjivim materijalima, tako da može pohranjivati ​​i oslobađati toplinu; Drugo, razvijena je nova vrsta fazno promjenjive zidne ploče. Fazno promjenjiva zidna ploča sastoji se od fazno promjenjivog materijala, aluminijske ploče, aluminijsko-plastične ploče i aluminijske legure. Fazno promjenjivi materijal nalazi se u najcentralnijem položaju zidne ploče, a njegove specifikacije su 200 mm × 200 mm × 50 mm. Prije i poslije fazne promjene to je praškasta krutina, i nema fenomena topljenja ili tečenja. Četiri stijenke fazno promjenjivog materijala su aluminijska ploča i aluminijsko-plastična ploča. Ovaj uređaj može ostvariti funkcije uglavnom pohranjivanja topline tijekom dana i uglavnom oslobađanja topline noću.

Stoga postoje neki problemi u primjeni pojedinačnog toplinskoizolacijskog materijala, kao što su niska učinkovitost toplinske izolacije, veliki gubitak topline, kratko vrijeme skladištenja topline itd. Stoga, korištenje kompozitnog toplinskoizolacijskog materijala kao sloja toplinske izolacije i unutarnjeg i vanjskog sloja toplinske izolacije kao pokrovnog sloja uređaja za pohranu topline može učinkovito poboljšati performanse toplinske izolacije staklenika, smanjiti gubitak topline staklenika i time postići učinak uštede energije.

Istraživanje i primjena novog zida

Kao vrsta ograde, zid je važna barijera za zaštitu staklenika od hladnoće i očuvanje topline. Prema materijalima i konstrukcijama zidova, razvoj sjevernog zida staklenika može se podijeliti u tri vrste: jednoslojni zid od zemlje, cigle itd. i slojeviti sjeverni zid od glinenih cigli, blok cigle, polistirenskih ploča itd., s unutarnjim skladištenjem topline i vanjskom toplinskom izolacijom, a većina ovih zidova je dugotrajna i radno intenzivna; Stoga su se posljednjih godina pojavile mnoge nove vrste zidova koje je lako graditi i pogodne su za brzu montažu.

Pojava novog tipa montažnih zidova potiče brzi razvoj montažnih staklenika, uključujući novi tip kompozitnih zidova s ​​vanjskim vodootpornim i anti-aging površinskim materijalima i materijalima poput filca, bisernog pamuka, svemirskog pamuka, staklenog pamuka ili recikliranog pamuka kao slojeva toplinske izolacije, poput fleksibilnih montažnih zidova od raspršenog pamuka u Xinjiangu. Osim toga, druge studije su također izvijestile o sjevernom zidu montažnog staklenika sa slojem za pohranu topline, poput blokova morta od pšeničnih ljuski punjenih ciglom u Xinjiangu. U istom vanjskom okruženju, kada je najniža vanjska temperatura -20,8 ℃, temperatura u solarnom stakleniku s kompozitnim zidom od blokova morta od pšeničnih ljuski iznosi 7,5 ℃, dok je temperatura u solarnom stakleniku sa zidom od cigle i betona 3,2 ℃. Vrijeme berbe rajčice u stakleniku od cigle može se ubrzati za 16 dana, a prinos jednog staklenika može se povećati za 18,4%.

Tim Sveučilišta Northwest A&F predstavio je ideju dizajna pretvaranja slame, tla, vode, kamena i materijala za promjenu faze u module za toplinsku izolaciju i pohranu topline iz perspektive svjetlosti i pojednostavljenog dizajna zidova, što je potaknulo istraživanje primjene modularnih sastavljenih zidova. Na primjer, u usporedbi s običnim staklenikom s opečnim zidom, prosječna temperatura u stakleniku je 4,0 ℃ viša tijekom tipičnog sunčanog dana. Tri vrste modula od anorganskog cementa za promjenu faze, koji su izrađeni od materijala za promjenu faze (PCM) i cementa, akumulirali su toplinu od 74,5, 88,0 i 95,1 MJ/m³.³, i oslobođena toplina od 59,8, 67,8 i 84,2 MJ/m³, respektivno. Imaju funkcije "rezanja vrhova" danju, "punjenja doline" noću, apsorpcije topline ljeti i oslobađanja topline zimi.

Ovi novi zidovi sastavljaju se na licu mjesta, s kratkim razdobljem izgradnje i dugim vijekom trajanja, što stvara uvjete za izgradnju laganih, pojednostavljenih i brzo sastavljenih montažnih staklenika te može uvelike potaknuti strukturnu reformu staklenika. Međutim, postoje neki nedostaci kod ove vrste zidova, kao što je toplinskoizolacijski zid od pamučnog platna vezanog raspršivanjem koji ima izvrsne toplinske izolacijske performanse, ali mu nedostaje kapacitet pohrane topline, a građevinski materijal s promjenom faze ima problem visokih troškova korištenja. U budućnosti bi trebalo pojačati istraživanje primjene montažnih zidova.

Nova energija, novi materijali i novi dizajni pomažu u promjeni strukture staklenika.

Istraživanje i inovacije novih izvora energije i novih materijala pružaju temelj za inovacije dizajna staklenika. Energetski štedljivi solarni staklenik i lučne nadstrešnice najveće su nadstrešnice u kineskoj poljoprivrednoj proizvodnji i igraju važnu ulogu u poljoprivrednoj proizvodnji. Međutim, s razvojem kineskog socijalnog gospodarstva, nedostaci ove dvije vrste nadstrešnica sve su više prisutni. Prvo, prostor nadstrešnica je mali, a stupanj mehanizacije nizak; Drugo, energetski štedljivi solarni staklenik ima dobru toplinsku izolaciju, ali je korištenje zemljišta nisko, što je ekvivalentno zamjeni energije staklenika zemljištem. Obična lučna nadstrešnica ne samo da ima mali prostor, već ima i lošu toplinsku izolaciju. Iako višeslojni staklenik ima veliki prostor, ima lošu toplinsku izolaciju i visoku potrošnju energije. Stoga je nužno istražiti i razviti strukturu staklenika prikladnu za trenutnu društvenu i ekonomsku razinu Kine, a istraživanje i razvoj novih izvora energije i novih materijala pomoći će u promjeni strukture staklenika i proizvodnji raznih inovativnih modela ili struktura staklenika.

Inovativna istraživanja asimetričnog vodom kontroliranog pivarskog staklenika velikog raspona

Veliki raspon asimetričnog staklenika za pivo s kontroliranom vodom (broj patenta: ZL 201220391214.2) temelji se na principu sunčeve svjetlosti staklenika, mijenjajući simetričnu strukturu običnog plastičnog staklenika, povećavajući južni raspon, povećavajući površinu osvjetljenja južnog krova, smanjujući sjeverni raspon i smanjujući površinu odvođenja topline, s rasponom od 18~24 m i visinom sljemena od 6~7 m. Inovacijama u dizajnu značajno je povećana prostorna struktura. Istovremeno, problemi nedovoljne topline u stakleniku zimi i loše toplinske izolacije uobičajenih toplinskih izolacijskih materijala rješavaju se korištenjem nove tehnologije toplinske i toplinske izolacije pivare biomase. Rezultati proizvodnje i istraživanja pokazuju da veliki asimetrični staklenik za pivo s kontroliranom vodom, s prosječnom temperaturom od 11,7 ℃ tijekom sunčanih dana i 10,8 ℃ tijekom oblačnih dana, može zadovoljiti potrebe rasta usjeva zimi, a troškovi izgradnje staklenika smanjeni su za 39,6%, a stopa iskorištenosti zemljišta povećana je za više od 30% u usporedbi sa staklenikom s polistirenskim zidovima od opeke, što je pogodno za daljnju popularizaciju i primjenu u slivu Žute rijeke Huaihe u Kini.

Sastavljeni staklenik sa sunčevom svjetlošću

Sastavljeni staklenik na sunčevoj svjetlosti koristi stupove i krovni kostur kao nosivu konstrukciju, a materijal zidova je uglavnom toplinska izolacija, umjesto nosivosti i pasivnog skladištenja i otpuštanja topline. Uglavnom: (1) nova vrsta sastavljenog zida formira se kombiniranjem različitih materijala kao što su obložena folija ili čelična ploča u boji, blokovi slame, fleksibilna toplinska izolacijska deka, blokovi morta itd. (2) kompozitne zidne ploče izrađene od prefabrikovanih cementnih ploča-stiropornih ploča-cementnih ploča; (3) lagani i jednostavni za montažu toplinski izolacijski materijali s aktivnim sustavom skladištenja i otpuštanja topline i sustavom odvlaživanja, kao što su plastične četvrtaste kante za skladištenje topline i cjevovodne cijevi za skladištenje topline. Korištenje različitih novih toplinskih izolacijskih materijala i materijala za skladištenje topline umjesto tradicionalnog zemljanog zida za izgradnju solarnog staklenika zahtijeva veliki prostor i male građevinske radove. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je temperatura staklenika noću zimi 4,5 ℃ viša od temperature tradicionalnog staklenika s zidovima od opeke, a debljina stražnjeg zida je 166 mm. U usporedbi sa staklenikom s opečnim zidom debljine 600 mm, zauzeta površina zida smanjena je za 72%, a cijena po kvadratnom metru iznosi 334,5 juana, što je 157,2 juana manje od cijene staklenika s opečnim zidom, a troškovi izgradnje značajno su pali. Stoga, sastavljeni staklenik ima prednosti manjeg uništavanja obrađenog zemljišta, uštede zemljišta, brze izgradnje i dugog vijeka trajanja, te je ključni smjer za inovacije i razvoj solarnih staklenika danas i u budućnosti.

Klizni staklenik sa sunčevom svjetlošću

Energetski solarni staklenik sastavljen od skateboarda, koji je razvilo Poljoprivredno sveučilište Shenyang, koristi stražnju stijenku solarnog staklenika za stvaranje sustava za pohranu topline s cirkulacijom vode u zidu, koji pohranjuje toplinu i podiže temperaturu, a koji se uglavnom sastoji od bazena (32 m²)³), ploča za sakupljanje svjetlosti (360 m²), vodenu pumpu, vodovodnu cijev i regulator. Fleksibilna toplinska izolacijska deka zamijenjena je novim laganim čeličnim pločastim materijalom boje kamene vune na vrhu. Istraživanje pokazuje da ovaj dizajn učinkovito rješava problem zabata koji blokiraju svjetlost i povećava površinu ulaska svjetlosti u staklenik. Kut osvjetljenja staklenika je 41,5°, što je gotovo 16° više nego kod kontrolnog staklenika, čime se poboljšava brzina osvjetljenja. Raspodjela unutarnje temperature je ujednačena, a biljke uredno rastu. Staklenik ima prednosti poboljšanja učinkovitosti korištenja zemljišta, fleksibilnog projektiranja veličine staklenika i skraćivanja razdoblja izgradnje, što je od velikog značaja za zaštitu resursa obrađenog zemljišta i okoliša.

Fotonaponski staklenik

Poljoprivredni staklenik je staklenik koji integrira proizvodnju solarne fotonaponske energije, inteligentnu kontrolu temperature i modernu visokotehnološku sadnju. Ima čelični koštani okvir i prekriven je solarnim fotonaponskim modulima kako bi se osigurale potrebe za rasvjetom fotonaponskih modula za proizvodnju energije i potrebe za rasvjetom cijelog staklenika. Istosmjerna struja generirana solarnom energijom izravno nadopunjuje svjetlost poljoprivrednih staklenika, izravno podržava normalan rad opreme staklenika, pokreće navodnjavanje vodnih resursa, povećava temperaturu staklenika i potiče brzi rast usjeva. Fotonaponski moduli na taj način utječu na učinkovitost rasvjete krova staklenika, a zatim utječu na normalan rast povrća u stakleniku. Stoga, racionalan raspored fotonaponskih panela na krovu staklenika postaje ključna točka primjene. Poljoprivredni staklenik je proizvod organske kombinacije razgledavanja poljoprivrede i vrtlarstva, te je inovativna poljoprivredna industrija koja integrira proizvodnju fotonaponske energije, razgledavanje poljoprivrede, poljoprivredne kulture, poljoprivrednu tehnologiju, krajobrazni i kulturni razvoj.

Inovativni dizajn skupine staklenika s energetskom interakcijom između različitih vrsta staklenika

Guo Wenzhong, istraživač na Pekinškoj akademiji poljoprivrednih i šumarskih znanosti, koristi metodu grijanja prijenosom energije između staklenika kako bi prikupio preostalu toplinsku energiju u jednom ili više staklenika za grijanje drugog ili više staklenika. Ova metoda grijanja ostvaruje prijenos energije staklenika u vremenu i prostoru, poboljšava učinkovitost iskorištenja energije preostale toplinske energije staklenika i smanjuje ukupnu potrošnju energije za grijanje. Dvije vrste staklenika mogu biti različite vrste staklenika ili iste vrste staklenika za sadnju različitih usjeva, poput staklenika salate i rajčice. Metode prikupljanja topline uglavnom uključuju izdvajanje topline unutarnjeg zraka i izravno presretanje upadnog zračenja. Prikupljanjem solarne energije, prisilnom konvekcijom izmjenjivačem topline i prisilnom ekstrakcijom toplinskom pumpom, višak topline u visokoenergetskom stakleniku izdvaja se za grijanje staklenika.

rezimirati

Ovi novi solarni staklenici imaju prednosti brze montaže, skraćenog razdoblja izgradnje i poboljšane stope iskorištenosti zemljišta. Stoga je potrebno dalje istražiti performanse ovih novih staklenika u različitim područjima te pružiti mogućnost za popularizaciju i primjenu novih staklenika u velikim razmjerima. Istovremeno, potrebno je kontinuirano jačati primjenu nove energije i novih materijala u staklenicima, kako bi se osigurala energija za strukturnu reformu staklenika.

Buduća perspektiva i razmišljanje

Tradicionalni staklenici često imaju neke nedostatke, poput visoke potrošnje energije, niske stope iskorištenosti zemljišta, dugotrajnosti i rada, slabih performansi itd., koji više ne mogu zadovoljiti proizvodne potrebe moderne poljoprivrede te će se postupno eliminirati. Stoga je razvojni trend korištenje novih izvora energije poput solarne energije, energije biomase, geotermalne energije i energije vjetra, novih materijala za primjenu u staklenicima i novih dizajna kako bi se potaknula strukturna promjena staklenika. Prije svega, novi staklenik pokretan novom energijom i novim materijalima ne bi trebao samo zadovoljiti potrebe mehaniziranog rada, već i uštedjeti energiju, zemljište i troškove. Drugo, potrebno je stalno istraživati ​​performanse novih staklenika u različitim područjima kako bi se osigurali uvjeti za veliku popularizaciju staklenika. U budućnosti bismo trebali dalje tražiti novu energiju i nove materijale prikladne za primjenu u staklenicima te pronaći najbolju kombinaciju nove energije, novih materijala i staklenika, kako bismo omogućili izgradnju novog staklenika s niskim troškovima, kratkim razdobljem izgradnje, niskom potrošnjom energije i izvrsnim performansama, pomogli u promjeni strukture staklenika i potaknuli modernizaciju razvoja staklenika u Kini.

Iako je primjena nove energije, novih materijala i novih dizajna u izgradnji staklenika neizbježan trend, još uvijek postoje mnogi problemi koje treba proučiti i prevladati: (1) Troškovi izgradnje se povećavaju. U usporedbi s tradicionalnim grijanjem na ugljen, prirodni plin ili naftu, primjena nove energije i novih materijala je ekološki prihvatljiva i ne zagađuje okoliš, ali troškovi izgradnje se značajno povećavaju, što ima određeni utjecaj na povrat ulaganja u proizvodnju i rad. U usporedbi s korištenjem energije, trošak novih materijala bit će značajno povećan. (2) Nestabilno korištenje toplinske energije. Najveća prednost korištenja nove energije su niski operativni troškovi i niska emisija ugljičnog dioksida, ali opskrba energijom i toplinom je nestabilna, a oblačni dani postaju najveći ograničavajući faktor u korištenju solarne energije. U procesu proizvodnje topline iz biomase fermentacijom, učinkovito korištenje ove energije ograničeno je problemima niske toplinske energije fermentacije, teškim upravljanjem i kontrolom te velikim skladišnim prostorom za prijevoz sirovina. (3) Zrelost tehnologije. Ove tehnologije koje koriste nova energija i novi materijali napredna su istraživačka i tehnološka dostignuća, a njihovo područje primjene i opseg još uvijek su prilično ograničeni. Nisu prošli mnogo puta, mnogo lokacija i provjera u praksi velikih razmjera, te neizbježno postoje neki nedostaci i tehnički sadržaji koje je potrebno poboljšati u primjeni. Korisnici često poriču napredak tehnologije zbog manjih nedostataka. (4) Stopa prodiranja tehnologije je niska. Široka primjena znanstvenih i tehnoloških postignuća zahtijeva određenu popularnost. Trenutno su nova energija, nova tehnologija i nova tehnologija dizajna staklenika u timu znanstveno-istraživačkih centara na sveučilištima s određenim inovacijskim sposobnostima, a većina tehničkih zahtjeva ili dizajnera još uvijek ne zna; Istovremeno, popularizacija i primjena novih tehnologija još uvijek su prilično ograničene jer je ključna oprema novih tehnologija patentirana. (5) Integracija nove energije, novih materijala i dizajna konstrukcija staklenika mora se dodatno ojačati. Budući da energija, materijali i dizajn konstrukcija staklenika pripadaju trima različitim disciplinama, talentima s iskustvom u dizajnu staklenika često nedostaje istraživanja o energiji i materijalima povezanim sa staklenicima i obrnuto; Stoga istraživači vezani uz istraživanje energije i materijala trebaju ojačati istraživanje i razumijevanje stvarnih potreba razvoja stakleničke industrije, a projektanti konstrukcija također bi trebali proučavati nove materijale i novu energiju kako bi potaknuli duboku integraciju triju odnosa, kako bi se postigao cilj praktične tehnologije istraživanja staklenika, niskih troškova gradnje i dobrog učinka korištenja. Na temelju gore navedenih problema, predlaže se da država, lokalne vlasti i znanstveno-istraživački centri intenziviraju tehnička istraživanja, provode zajednička dubinska istraživanja, jačaju publicitet znanstvenih i tehnoloških dostignuća, poboljšavaju popularizaciju dostignuća i brzo ostvaruju cilj nove energije i novih materijala kako bi pomogli novom razvoju stakleničke industrije.

Citirane informacije

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nova energija, novi materijali i novi dizajn pomažu novoj revoluciji staklenika [J]. Povrće, 2022,(10):1-8.