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

Posljednjih godina, industrija staklenika se snažno razvija. Razvoj staklenika ne samo da poboljšava iskorištenost zemljišta i stopu proizvodnje poljoprivrednih proizvoda, već i rješava problem snabdijevanja voćem i povrćem u vansezoni. Međutim, staklenici su se suočili i s neviđenim izazovima. Originalni objekti, metode grijanja i strukturni oblici stvorili su otpornost na okoliš i razvoj. Hitno su potrebni novi materijali i novi dizajni kako bi se promijenila struktura staklenika, a hitno su potrebni i novi izvori energije kako bi se postigli ciljevi uštede energije i zaštite okoliša, te povećala proizvodnja i prihodi.

Ovaj članak razmatra temu „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 perspektive 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 u objektima je politički zahtjev i neizbježan izbor za implementaciju duha važnih uputa i odluka centralne vlade. U 2020. godini, ukupna površina zaštićene poljoprivrede u Kini iznosit će 2,8 miliona hm2, a vrijednost proizvodnje premašit će 1 bilion juana. To je važan način za poboljšanje proizvodnih kapaciteta staklenika kako bi se poboljšale performanse osvjetljenja i toplinske izolacije staklenika putem nove energije, novih materijala i novog dizajna staklenika. Postoje mnogi nedostaci u tradicionalnoj proizvodnji u staklenicima, poput uglja, lož 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 skladištenje topline za zidove staklenika su uglavnom glina i cigla, koje troše mnogo i uzrokuju ozbiljnu štetu zemljišnim resursima. Efikasnost korištenja zemljišta tradicionalnih solarnih staklenika sa zemljanim zidom je samo 40% ~ 50%, a obični staklenik ima slab kapacitet skladištenja topline, tako da ne može preživjeti zimu za proizvodnju toplog povrća u sjevernoj Kini. Stoga, srž promocije promjena u staklenicima, ili osnovnog istraživanja, leži u dizajnu staklenika, istraživanju i razvoju novih materijala i nove energije. Ovaj članak će se fokusirati 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, materijali za toplinsku izolaciju i zidni materijali u staklenicima, analizirati primjenu nove energije i novih materijala u izgradnji novih staklenika i usmjeriti se 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, ili sveobuhvatno korištenje različitih novih izvora energije, kako bi se postigla efikasna upotreba energije učenjem iz međusobnih prednosti.

solarna energija/snaga

Tehnologija solarne energije je niskougljični, efikasan i održiv način snabdijevanja energijom, te važna komponenta strateških industrija u nastajanju u Kini. Postat će neizbježan izbor za transformaciju i unapređenje energetske strukture Kine u budućnosti. Sa stanovišta korištenja energije, sam staklenik je objekt za korištenje solarne energije. Kroz efekt staklenika, solarna energija se sakuplja u zatvorenom prostoru, temperatura staklenika se podiže i osigurava potrebna toplina za rast usjeva. Glavni izvor energije za fotosintezu biljaka u stakleniku je direktna sunčeva svjetlost, što predstavlja direktno korištenje solarne energije.

01 Fotovoltaična proizvodnja energije za proizvodnju toplote

Fotovoltaična proizvodnja energije je tehnologija koja direktno pretvara svjetlosnu energiju u električnu energiju na osnovu fotovoltaičnog efekta. Ključni element ove tehnologije je solarna ćelija. Kada solarna energija obasja niz solarnih panela serijski ili paralelno, poluprovodničke komponente direktno pretvaraju energiju sunčevog zračenja u električnu energiju. Fotovoltaična tehnologija može direktno pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu energiju, skladištiti električnu energiju putem baterija i grijati staklenik noću, ali njena visoka cijena ograničava njen dalji razvoj. Istraživačka grupa razvila je fotovoltaični uređaj za grijanje od grafena, koji se sastoji od fleksibilnih fotovoltaičnih panela, sveobuhvatne mašine za obrnutu kontrolu, akumulatora i grafenskog grijaćeg štapa. U zavisnosti od dužine linije sadnje, grafenski grijaći štap se zakopava ispod vreće supstrata. Tokom dana, fotovoltaični paneli apsorbuju sunčevo zračenje kako bi generisali električnu energiju i skladištili je u akumulatoru, a zatim se električna energija oslobađa noću za grafenski grijaći štap. U stvarnom mjerenju, usvojen je režim kontrole temperature od 17℃ do 19℃. Radeći noću (20:00-08:00 drugog dana) tokom 8 sati, potrošnja energije za grijanje jednog reda biljaka iznosi 1,24 kW·h, a prosječna temperatura vreće supstrata noću je 19,2 ℃, što je 3,5 ~ 5,3 ℃ više od kontrolne grupe. Ova metoda grijanja u kombinaciji s fotonaponskom proizvodnjom energije rješava probleme visoke potrošnje energije i visokog zagađenja pri grijanju plastenika zimi.

02 fototermalna konverzija i korištenje

Solarna fototermalna konverzija odnosi se na upotrebu posebne površine za sakupljanje sunčeve svjetlosti napravljene od fototermalnih konverzijskih materijala kako bi se sakupila 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, tako da imaju veću efikasnost iskorištenja energije sunčeve svjetlosti, niže troškove i zreliju tehnologiju, te su najčešće korišteni način korištenja solarne energije.

Najzrelija tehnologija fototermalne konverzije i korištenja u Kini je solarni kolektor, čija je osnovna komponenta jezgro od ploče koja apsorbira toplinu sa selektivnim apsorpcijskim premazom, koje može pretvoriti energiju sunčevog zračenja koja prolazi kroz pokrovnu ploču u toplinsku energiju i prenijeti je na radni medij 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 sunčevo zračenje na otvoru za dnevno svjetlo smjer; i tekući solarni kolektori i zračni solarni kolektori prema vrsti radnog medija za prijenos topline.

Korištenje solarne energije u plastenicima se uglavnom vrši putem različitih vrsta solarnih kolektora. Univerzitet Ibn Zor u Maroku razvio je aktivni sistem grijanja solarnom energijom (ASHS) za zagrijavanje plastenika, koji može povećati ukupnu proizvodnju paradajza za 55% zimi. Kineski poljoprivredni univerzitet dizajnirao je i razvio set sistema za sakupljanje i ispuštanje površinskog hladnjaka i ventilatora, sa kapacitetom sakupljanja toplote od 390,6 do 693,0 MJ, i iznio ideju odvajanja procesa sakupljanja toplote od procesa skladištenja toplote pomoću toplotne pumpe. Univerzitet u Bariju u Italiji razvio je poligeneracijski sistem grijanja za plastenike, koji se sastoji od sistema solarne energije i toplotne pumpe zrak-voda, i može povećati temperaturu zraka za 3,6% i temperaturu tla za 92%. Istraživačka grupa razvila je vrstu aktivne opreme za sakupljanje solarne toplote sa promjenjivim uglom nagiba za solarne plastenike i prateći uređaj za skladištenje toplote za vodene površine plastenika u različitim vremenskim uslovima. Tehnologija aktivnog sakupljanja solarne toplote sa promjenjivim nagibom probija ograničenja tradicionalne opreme za sakupljanje toplote u plastenicima, kao što su ograničeni kapacitet sakupljanja toplote, zasjenjenje i zauzimanje obrađenog zemljišta. Korištenjem posebne strukture solarnog staklenika, prostor staklenika koji nije namijenjen za sadnju se u potpunosti koristi, što značajno poboljšava efikasnost iskorištenja prostora staklenika. Pod tipičnim sunčanim radnim uslovima, aktivni sistem za sakupljanje solarne toplote sa promjenjivim nagibom dostiže 1,9 MJ/(m2h), efikasnost iskorištenja energije dostiže 85,1%, a stopa uštede energije je 77%. U tehnologiji skladištenja toplote u stakleniku, postavljena je višefazna struktura za skladištenje toplote, povećan je kapacitet skladištenja toplote uređaja za skladištenje toplote i postignuto je sporo oslobađanje toplote iz uređaja, kako bi se ostvarilo efikasno korištenje toplote koju prikuplja oprema za sakupljanje solarne toplote staklenika.

energija biomase

Nova struktura objekta izgrađena je kombinovanjem uređaja za proizvodnju toplote iz biomase sa staklenikom, a sirovine biomase poput svinjskog gnoja, ostataka gljiva i slame se kompostiraju za proizvodnju toplote, a generisana toplotna energija se direktno dovodi u staklenik [5]. U poređenju sa staklenikom bez rezervoara za grijanje fermentacijom biomase, staklenik sa grijanjem može efikasno povećati temperaturu tla u stakleniku i održavati odgovarajuću temperaturu korijena usjeva uzgajanih u tlu u normalnoj klimi zimi. Uzimajući kao primjer jednoslojni asimetrični termoizolacioni staklenik raspona 17 m i dužine 30 m, dodavanje 8 m poljoprivrednog otpada (pomiješana slama paradajza i svinjski gnoj) u unutrašnji rezervoar za fermentaciju za prirodnu fermentaciju bez okretanja hrpe može povećati prosječnu dnevnu temperaturu staklenika za 4,2 ℃ zimi, a prosječna dnevna minimalna temperatura može dostići 4,6 ℃.

Kontrolisana fermentacija biomase za iskorištavanje energije je metoda fermentacije koja koristi instrumente i opremu za kontrolu procesa fermentacije kako bi se brzo dobila i efikasno iskoristila toplotna energija biomase i CO2 gasno gnojivo, među kojima su ventilacija i vlaga ključni faktori za regulaciju proizvodnje toplote i gasa fermentacijom biomase. U ventiliranim uslovima, aerobni mikroorganizmi u fermentacijskoj gomili koriste kiseonik za životne aktivnosti, a dio generisane energije koristi se za njihove životne aktivnosti, a dio energije se oslobađa u okolinu kao toplotna energija, što je korisno za porast temperature okoline. Voda učestvuje u cijelom procesu fermentacije, obezbjeđujući potrebne rastvorljive hranjive materije za mikrobne aktivnosti, a istovremeno oslobađajući toplotu gomile u obliku pare kroz vodu, kako bi se smanjila temperatura gomile, produžio životni vijek mikroorganizama i povećala temperatura gomile. Ugradnja uređaja za ispiranje slame u rezervoar za fermentaciju može povećati unutrašnju temperaturu za 3 ~ 5℃ zimi, ojačati fotosintezu biljaka i povećati prinos paradajza za 29,6%.

Geotermalna energija

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

Trenutno, u istraživanju performansi i efikasnosti geotermalne toplotne pumpe, putem stvarnih eksperimentalnih podataka, uspostavljen je numerički model pomoću softvera kao što su TOUGH2 i TRNSYS, te je zaključeno da toplotni učinak i koeficijent performansi (COP) geotermalne toplotne pumpe mogu doseći 3,0 ~ 4,5, što ima dobar efekat hlađenja i grijanja. U istraživanju strategije rada sistema toplotne pumpe, Fu Yunzhun i drugi su otkrili da, u poređenju sa protokom na strani opterećenja, protok na strani zemlje ima veći uticaj na performanse jedinice i performanse prenosa toplote kroz zakopanu cijev. Pod uslovom podešavanja protoka, maksimalna vrijednost COP-a jedinice može doseći 4,17 usvajanjem sheme rada sa radom od 2 sata i zaustavljanjem od 2 sata; Shi Huixian i drugi su usvojili intermitentni režim rada sistema za hlađenje sa skladištenjem vode. Ljeti, kada je temperatura visoka, COP cijelog sistema za snabdijevanje energijom može doseći 3,80.

Tehnologija skladištenja toplote u dubokom tlu u stakleniku

Duboko skladištenje toplote u tlu staklenika naziva se i "banka za skladištenje toplote". Oštećenja od hladnoće zimi i visoke temperature ljeti su glavne prepreke proizvodnji u staklenicima. Na osnovu snažnog kapaciteta skladištenja toplote dubokog tla, istraživačka grupa je dizajnirala podzemni uređaj za duboko skladištenje toplote u stakleniku. Uređaj je dvoslojni paralelni cjevovod za prenos toplote zakopan na dubini od 1,5 do 2,5 m pod zemljom u stakleniku, sa ulazom za vazduh na vrhu staklenika i izlazom za vazduh na tlu. Kada je temperatura u stakleniku visoka, unutrašnji vazduh se prisilno pumpa u zemlju ventilatorom kako bi se postiglo skladištenje toplote i smanjenje temperature. Kada je temperatura staklenika niska, toplota 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 unutrašnju temperaturu za 2,6℃ ljetnim danom i povećati prinos paradajza za 1500 kg na 667 m².²Uređaj u potpunosti koristi karakteristike "toplog zimi i hladnoće ljeti" i "konstantne temperature" dubokog podzemnog tla, pruža "energetsku rezervu" za staklenik i kontinuirano obavlja pomoćne funkcije hlađenja i grijanja staklenika.

Koordinacija više energija

Korištenje dvije ili više vrsta energije za grijanje staklenika može efikasno nadoknaditi nedostatke jedne vrste energije i dati povod efektu superpozicije „jedan plus jedan je veće od dva“. Komplementarna saradnja između geotermalne energije i solarne energije je istraživačka žarišna tačka za novu upotrebu energije u poljoprivrednoj proizvodnji posljednjih godina. Emmi i drugi su proučavali energetski sistem sa više izvora (Slika 1), koji je opremljen fotonaponsko-termalnim hibridnim solarnim kolektorom. U poređenju sa uobičajenim sistemom toplotne pumpe vazduh-voda, energetska efikasnost energetskog sistema sa više izvora je poboljšana za 16%~25%. Zheng i drugi su razvili novi tip povezanog sistema za skladištenje toplote solarne energije i toplotne pumpe zemlja-voda. Sistem solarnih kolektora može ostvariti visokokvalitetno sezonsko skladištenje toplote, odnosno visokokvalitetno grijanje zimi i visokokvalitetno hlađenje ljeti. Ukopani cijevni izmjenjivač toplote i rezervoar za povremeni skladištenje toplote mogu dobro raditi u sistemu, a COP vrijednost sistema može doseći 6,96.

U kombinaciji sa solarnom energijom, cilj je smanjenje potrošnje komercijalne energije i poboljšanje stabilnosti snabdijevanja solarnom energijom u staklenicima. Wan Ya i drugi su predložili novu shemu inteligentne tehnologije upravljanja koja kombinuje 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, značajno smanjujući stopu nedostatka snage opterećenja i smanjujući ekonomske troškove bez korištenja baterija.

Solarna energija, energija biomase i električna energija mogu zajedno grijati staklenike, što također može postići visoku efikasnost grijanja. Zhang Liangrui i drugi su kombinovali sakupljanje toplote pomoću solarnih vakuumskih cijevi sa rezervoarom vode za skladištenje toplote iz doline. Sistem grijanja staklenika ima dobar termalni komfor, a prosječna efikasnost grijanja sistema je 68,70%. Rezervoar vode za skladištenje električne toplote je uređaj za skladištenje vode za grijanje na biomasu sa električnim grijanjem. Najniža temperatura vode na ulazu u sistem grijanja je postavljena na kraju grijanja, a strategija rada sistema se određuje prema temperaturi skladištenja vode u dijelu za sakupljanje solarne toplote i dijelu za skladištenje toplote biomase, kako bi se postigla stabilna temperatura grijanja na kraju grijanja i maksimalno uštedjela električna energija i energetski materijali biomase.

Inovativna istraživanja i primjena novih materijala za staklenike

S proširenjem površine staklenika, sve više se otkrivaju nedostaci primjene tradicionalnih materijala za staklenike, poput cigle 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, materijala za toplinsku izolaciju i materijala za zidove.

Istraživanje i primjena novih prozirnih pokrivnih materijala

Vrste prozirnih pokrivnih 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 konverziju svjetla:Film za konverziju svjetlosti mijenja optička svojstva filma korištenjem sredstava za konverziju svjetlosti kao što su rijetki zemni materijali i nanomaterijali, te može pretvoriti ultraljubičasto svjetlosno područje u crveno-narandžasto svjetlo i plavo-ljubičasto svjetlo potrebno za fotosintezu biljaka, čime se povećava prinos usjeva i smanjuje oštećenje ultraljubičastog svjetla na usjevima i folijama za staklenike u plastičnim staklenicima. Na primjer, širokopojasna ljubičasto-crvena folija za staklenike sa sredstvom za konverziju svjetlosti VTR-660 može značajno poboljšati infracrvenu propusnost kada se primjenjuje u stakleniku, a u poređenju s kontrolnim staklenikom, prinos paradajza po hektaru, sadržaj vitamina C i likopena značajno su povećani za 25,71%, 11,11% i 33,04% respektivno. Međutim, trenutno je potrebno još istražiti vijek trajanja, razgradivost i cijenu novog filma za konverziju 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 efikasnost fotosinteze usjeva i povećati prinos usjeva. Raspršeno staklo pretvara svjetlost koja ulazi u staklenik u raspršenu svjetlost kroz posebne uzorke, a raspršena svjetlost može biti ravnomjernije ozračena u staklenik, eliminirajući utjecaj sjene skeleta 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 povećava se i količina topljivog šećera i vitamina 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 materijala za toplinsku izolaciju

Tradicionalni materijali za toplinsku izolaciju u staklenicima uglavnom uključuju slamnate prostirke, papirne prošivene prošivene prošivene prošivene, iglane filcane prošivene prošivene prošivene prošivene prošivene itd., koji se uglavnom koriste za unutarnju i vanjsku toplinsku izolaciju krovova, izolaciju zidova i toplinsku izolaciju nekih uređaja za skladištenje i sakupljanje topline. Većina njih ima nedostatak gubitka toplinskih izolacijskih performansi zbog unutarnje vlage nakon dugotrajne upotrebe. Stoga postoje mnoge primjene novih visoko toplinski izolacijskih materijala, među kojima su novi toplinski izolacijski prošiveni ...

Novi materijali za toplinsku izolaciju obično se izrađuju obradom i miješanjem površinski vodootpornih i materijala otpornih na starenje, kao što su tkana folija i obloženi filc, s pahuljastim materijalima za toplinsku izolaciju kao što su pamuk obložen raspršivanjem, miješani kašmir i biserni pamuk. Tkana folija od pamuka obložena raspršivanjem testirana je u sjeveroistočnoj Kini. Utvrđeno je da je dodavanje 500 g pamuka obloženog raspršivanjem ekvivalentno performansama toplinske izolacije crnog filca od 4500 g na tržištu. Pod istim uvjetima, performanse toplinske izolacije 700 g pamuka obloženog raspršivanjem poboljšane su za 1~2℃ u usporedbi s performansama toplinske izolacije pamuka obloženog raspršivanjem od 500 g. Istovremeno, druge studije su također otkrile da je, u usporedbi s uobičajeno korištenim toplinskim izolacijskim pokrivačima 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℃, unutrašnja temperatura može dostići 5,4, odnosno 4,2℃. U poređenju sa jednoslojnom izolacijskom prekrivačem od slame, novi kompozitni izolacijski prekrivač ima prednosti male težine, visoke stope izolacije, jake vodootpornosti i otpornosti na starenje, te se može koristiti kao novi tip visokoefikasnog izolacijskog materijala za solarne staklenike.

Istovremeno, prema istraživanju materijala za toplotnu izolaciju za uređaje za sakupljanje i skladištenje toplote u staklenicima, utvrđeno je da kada je debljina ista, višeslojni kompozitni materijali za toplotnu izolaciju imaju bolje performanse toplotne izolacije od pojedinačnih materijala. Tim profesora Li Jianminga sa Univerziteta Northwest A&F dizajnirao je i pregledao 22 vrste materijala za toplotnu izolaciju uređaja za skladištenje vode u staklenicima, kao što su vakuumska ploča, aerogel i gumena vata, te izmjerio njihova toplotna svojstva. Rezultati su pokazali da kompozitni izolacijski materijal od 80 mm toplotnog izolacijskog premaza + aerogel + gumeno-plastične pamučne toplotne izolacije može smanjiti disipaciju toplote za 0,367 MJ po jedinici vremena u poređenju sa 80 mm gumeno-plastične pamučne izolacije, a koeficijent prenosa toplote iznosio je 0,283 W/(m2·k) kada je debljina izolacijske kombinacije bila 100 mm.

Fazno promjenjivi materijal je jedna od vrućih tačaka u istraživanju materijala za staklenike. Univerzitet Northwest A&F razvio je dvije vrste uređaja za skladištenje fazno promjenjivih materijala: jedan je kutija za skladištenje napravljena od crnog polietilena, veličine 50 cm × 30 cm × 14 cm (dužina × visina × debljina) i napunjena je fazno promjenjivim materijalima, tako da može skladištiti toplinu i oslobađati je; Drugo, razvijen je novi tip 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. To je praškasta čvrsta tvar prije i poslije fazne promjene, i nema fenomena topljenja ili tečenja. Četiri zida fazno promjenjivog materijala su aluminijska ploča i aluminijsko-plastična ploča, respektivno. Ovaj uređaj može ostvariti funkcije uglavnom skladištenja topline tokom dana i uglavnom oslobađanja topline noću.

Stoga postoje neki problemi u primjeni pojedinačnog termoizolacijskog materijala, kao što su niska efikasnost toplotne izolacije, veliki gubitak toplote, kratko vrijeme skladištenja toplote itd. Stoga, korištenje kompozitnog termoizolacijskog materijala kao sloja toplotne izolacije i unutarnjeg i vanjskog sloja toplotne izolacije koji pokriva uređaj za skladištenje toplote može efikasno poboljšati performanse toplotne izolacije staklenika, smanjiti gubitak toplote staklenika i time postići efekat uštede energije.

Istraživanje i primjena novog zida

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

Pojava novog tipa montažnih zidova potiče brzi razvoj montažnih staklenika, uključujući kompozitne zidove novog tipa 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 sprejno vezanog pamuka u Xinjiangu. Osim toga, druge studije su također izvijestile o sjevernom zidu montažnog staklenika sa slojem za skladištenje topline, poput blokova od maltera 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 od maltera od pšeničnih ljuski iznosi 7,5 ℃, dok je temperatura u solarnom stakleniku sa zidom od cigle i betona 3,2 ℃. Vrijeme berbe paradajza u stakleniku od cigle može se ubrzati za 16 dana, a prinos jednog staklenika može se povećati za 18,4%.

Tim objekta Univerziteta Northwest A&F predstavio je dizajnersku ideju o pretvaranju slame, zemlje, vode, kamena i materijala za promjenu faze u module za toplotnu izolaciju i skladištenje toplote iz ugla svjetlosti i pojednostavljenog dizajna zidova, što je promovisalo istraživanje primjene modularnih montažnih zidova. Na primjer, u poređenju sa običnim staklenikom sa zidovima od cigle, prosječna temperatura u stakleniku je 4,0℃ viša tokom tipičnog sunčanog dana. Tri vrste modula od neorganskog cementa za promjenu faze, koji su napravljeni od materijala za promjenu faze (PCM) i cementa, akumulirali su toplotu od 74,5, 88,0 i 95,1 MJ/m³.³, i oslobođena toplota 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 se montiraju na licu mjesta, s kratkim periodom izgradnje i dugim vijekom trajanja, što stvara uvjete za izgradnju laganih, pojednostavljenih i brzo sastavljajućih montažnih staklenika, te može uveliko promovirati strukturnu reformu staklenika. Međutim, postoje neki nedostaci kod ove vrste zidova, kao što je zid od pamučnog termoizolacijskog prošivenog materijala koji ima odlične performanse toplotne izolacije, ali mu nedostaje kapacitet skladištenja topline, a građevinski materijal s promjenom faze ima problem visokih troškova korištenja. U budućnosti bi trebalo pojačati istraživanja 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 osnovu za inovacije u dizajnu staklenika. Energetski štedljivi solarni staklenik i lučne nadstrešnice su najveće nadstrešnice u kineskoj poljoprivrednoj proizvodnji i igraju važnu ulogu u poljoprivrednoj proizvodnji. Međutim, s razvojem kineske socijalne ekonomije, nedostaci ove dvije vrste objekata su sve više prisutni. Prvo, prostor objekata je mali, a stepen mehanizacije nizak; Drugo, energetski štedljivi solarni staklenik ima dobru toplotnu izolaciju, ali je korištenje zemljišta nisko, što je ekvivalentno zamjeni energije staklenika zemljištem. Obični lučne nadstrešnice ne samo da imaju mali prostor, već imaju i lošu toplotnu izolaciju. Iako višeslojni staklenik ima veliki prostor, ima lošu toplotnu izolaciju i visoku potrošnju energije. Stoga je neophodno istražiti i razviti strukturu staklenika prikladnu za trenutni društveni i ekonomski nivo 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 kontrolom vodom (broj patenta: ZL 201220391214.2) zasnovan je 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 18~24m i visinom sljemena od 6~7m. Kroz inovacije dizajna, prostorna struktura je značajno povećana. Istovremeno, problemi nedovoljne topline u stakleniku zimi i loše toplinske izolacije uobičajenih toplinskih izolacijskih materijala rješavaju se korištenjem nove tehnologije topline i toplinske izolacije pivare biomase. Rezultati proizvodnje i istraživanja pokazuju da veliki asimetrični staklenik za pivo s kontrolom vodom, s prosječnom temperaturom od 11,7 ℃ tokom sunčanih dana i 10,8 ℃ tokom 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 s 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 stubove i krovni skelet kao noseću konstrukciju, a materijal zidova je uglavnom toplinska izolacija, umjesto nosivog materijala i pasivnog skladištenja i oslobađanja topline. Uglavnom: (1) novi tip sastavljenog zida formira se kombinacijom različitih materijala kao što su obložena folija ili čelična ploča u boji, blokovi slame, fleksibilni termoizolacijski prekrivač, blokovi od maltera itd. (2) kompozitne zidne ploče napravljene od prefabrikovanih cementnih ploča-stiropornih ploča-cementnih ploča; (3) lagani i jednostavni tipovi toplinske izolacije za sastavljanje s aktivnim sistemom skladištenja i oslobađanja topline i sistemom odvlaživanja, kao što su plastične četvrtaste kante za skladištenje topline i cjevovodne instalacije za skladištenje topline. Korištenje različitih novih materijala za toplinsku izolaciju i materijala za skladištenje topline umjesto tradicionalnog zemljanog zida za izgradnju solarnog staklenika zahtijeva veliki prostor i male građevinske zahvate. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je temperatura staklenika noću zimi 4,5℃ viša od temperature tradicionalnog staklenika sa zidovima od cigle, a debljina stražnjeg zida je 166 mm. U poređenju sa staklenikom od ciglenog zida debljine 600 mm, zauzeta površina zida je smanjena za 72%, a cijena po kvadratnom metru iznosi 334,5 juana, što je 157,2 juana manje od cijene staklenika od ciglenog zida, a troškovi izgradnje su značajno smanjeni. Stoga, sastavljeni staklenik ima prednosti manjeg uništavanja obrađenog zemljišta, uštede zemljišta, brze izgradnje i dugog vijeka trajanja, te predstavlja ključni smjer za inovacije i razvoj solarnih staklenika danas i u budućnosti.

Klizni staklenik sa sunčevom svjetlošću

Energetski solarni staklenik sastavljen od skejtborda, koji je razvio Poljoprivredni univerzitet Shenyang, koristi zadnji zid solarnog staklenika za formiranje sistema za skladištenje toplote koji cirkuliše vodom i podiže temperaturu, a koji se uglavnom sastoji od bazena (32 m²)³), ploča za sakupljanje svjetlosti (360 m²), vodenu pumpu, vodovodnu cijev i kontroler. Fleksibilna termoizolacijska prekrivačica zamijenjena je novim laganim čeličnim pločastim materijalom boje kamene vune na vrhu. Istraživanje pokazuje da ovaj dizajn efikasno rješava problem zabata koji blokiraju svjetlost i povećava površinu ulaska svjetlosti u staklenik. Ugao osvjetljenja staklenika je 41,5°, što je skoro 16° više nego kod kontrolnog staklenika, čime se poboljšava stopa osvjetljenja. Raspodjela temperature u zatvorenom prostoru je ujednačena, a biljke uredno rastu. Staklenik ima prednosti poboljšanja efikasnosti korištenja zemljišta, fleksibilnog projektovanja veličine staklenika i skraćivanja perioda izgradnje, što je od velikog značaja za zaštitu resursa obradivog zemljišta i okoliša.

Fotonaponski staklenik

Poljoprivredni staklenik je staklenik koji integriše proizvodnju solarne fotonaponske energije, inteligentnu kontrolu temperature i modernu visokotehnološku sadnju. Koristi čelični koštani okvir i prekriven je solarnim fotonaponskim modulima kako bi se osigurale potrebe za osvjetljenjem fotonaponskih modula za proizvodnju energije i potrebe za osvjetljenjem cijelog staklenika. Jednosmjerna struja generirana solarnom energijom direktno dopunjuje svjetlost poljoprivrednih staklenika, direktno podržava normalan rad opreme staklenika, pokreće navodnjavanje vodnih resursa, povećava temperaturu staklenika i potiče brzi rast usjeva. Fotonaponski moduli na ovaj način utiču na efikasnost osvjetljenja krova staklenika, a zatim utiču na normalan rast povrća u stakleniku. Stoga, racionalan raspored fotonaponskih panela na krovu staklenika postaje ključna tačka primjene. Poljoprivredni staklenik je proizvod organske kombinacije razgledavanja poljoprivrede i vrtlarstva, te predstavlja inovativnu poljoprivrednu industriju koja integriše proizvodnju fotonaponske energije, razgledavanje poljoprivrede, poljoprivredne kulture, poljoprivrednu tehnologiju, pejzaž i kulturni razvoj.

Inovativni dizajn grupe staklenika s energetskom interakcijom između različitih tipova staklenika

Guo Wenzhong, istraživač na Pekinškoj akademiji poljoprivrednih i šumarskih nauka, koristi metodu grijanja putem prijenosa 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 efikasnost korištenja 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, kao što su staklenici sa salatom i paradajzom. Metode prikupljanja topline uglavnom uključuju izdvajanje topline unutarnjeg zraka i direktno presretanje upadnog zračenja. Kroz prikupljanje solarne energije, prisilnu konvekciju izmjenjivačem topline i prisilnu ekstrakciju toplinskom pumpom, višak topline u visokoenergetskom stakleniku se izdvaja za grijanje staklenika.

sažeti

Ovi novi solarni staklenici imaju prednosti brze montaže, skraćenog perioda izgradnje i poboljšane stope iskorištenosti zemljišta. Stoga je potrebno dalje istražiti performanse ovih novih staklenika u različitim područjima i 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.

Buduće perspektive i razmišljanje

Tradicionalni staklenici često imaju neke nedostatke, kao što su visoka potrošnja energije, niska stopa iskorištenosti zemljišta, dugotrajnost i radna snaga, slabe performanse itd., koji više ne mogu zadovoljiti proizvodne potrebe moderne poljoprivrede i neminovno će se postepeno 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 promovirale strukturne promjene 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 pogodne za primjenu u staklenicima i pronaći najbolju kombinaciju nove energije, novih materijala i staklenika, kako bi se omogućila izgradnja novog staklenika s niskim troškovima, kratkim periodom izgradnje, niskom potrošnjom energije i odličnim performansama, pomoglo u promjeni strukture staklenika i promoviralo 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 prevazići: (1) Troškovi izgradnje se povećavaju. U poređenju sa tradicionalnim grijanjem na ugalj, prirodni plin ili naftu, primjena nove energije i novih materijala je ekološki prihvatljiva i bez zagađenja, ali su troškovi izgradnje značajno povećani, što ima određeni utjecaj na povrat investicije u proizvodnju i rad. U poređenju sa korištenjem energije, troškovi novih materijala će biti značajno povećani. (2) Nestabilno korištenje toplotne energije. Najveća prednost korištenja nove energije su niski operativni troškovi i niska emisija ugljičnog dioksida, ali snabdijevanje energijom i toplotom je nestabilno, a oblačni dani postaju najveći ograničavajući faktor u korištenju solarne energije. U procesu proizvodnje toplote iz biomase fermentacijom, efikasno korištenje ove energije ograničeno je problemima niske toplotne energije fermentacije, teškog upravljanja i kontrole, te velikog skladišnog prostora za transport sirovina. (3) Zrelost tehnologije. Ove tehnologije koje koriste nova energija i novi materijali su napredna istraživačka i tehnološka dostignuća, a njihovo područje primjene i opseg su još uvijek prilično ograničeni. Nisu prošli mnogo puta, mnogo lokacija i provjera u praksi velikih razmjera, te neizbježno postoje neki nedostaci i tehnički sadržaji koji se trebaju poboljšati u primjeni. Korisnici često negiraju napredak tehnologije zbog manjih nedostataka. (4) Stopa penetracije tehnologije je niska. Široka primjena naučnih i tehnoloških dostignuća zahtijeva određenu popularnost. Trenutno, nova energija, nova tehnologija i nova tehnologija dizajna staklenika su u timu naučno-istraživačkih centara na univerzitetima sa određenim inovativnim sposobnostima, a većina tehničkih zahtjeva ili dizajnera još uvijek ne zna; Istovremeno, popularizacija i primjena novih tehnologija su još uvijek prilično ograničene jer je osnovna oprema novih tehnologija patentirana. (5) Integracija nove energije, novih materijala i dizajna konstrukcija staklenika mora se dalje ojačati. Budući da energija, materijali i dizajn konstrukcija staklenika pripadaju trima različitim disciplinama, talentima sa iskustvom u dizajnu staklenika često nedostaje istraživanje o energiji i materijalima vezanim za staklenike i obrnuto; Stoga, istraživači vezani za istraživanje energije i materijala trebaju ojačati istraživanje i razumijevanje stvarnih potreba razvoja industrije staklenika, a strukturni dizajneri bi također trebali proučavati nove materijale i novu energiju kako bi promovirali duboku integraciju ova tri odnosa, s ciljem postizanja cilja praktične tehnologije istraživanja staklenika, niskih troškova izgradnje i dobrog efekta korištenja. Na osnovu gore navedenih problema, predlaže se da država, lokalne samouprave i naučnoistraživački centri intenziviraju tehnička istraživanja, provode zajednička dubinska istraživanja, jačaju publicitet naučnih i tehnoloških dostignuća, poboljšavaju popularizaciju dostignuća i brzo ostvaruju cilj nove energije i novih materijala kako bi pomogli novom razvoju industrije staklenika.

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.