Li Jianming, Sun Guotao, etc.Växthusträdgårdsodling jordbruksteknik2022-11-21 17:42 Publicerad i Peking

Under senare år har växthusindustrin utvecklats kraftigt. Utvecklingen av växthus förbättrar inte bara markutnyttjandet och produktionshastigheten för jordbruksprodukter, utan löser också problemet med försörjning av frukt och grönsaker under lågsäsong. Växthus har dock också mött exempellösa utmaningar. De ursprungliga anläggningarna, uppvärmningsmetoderna och strukturella formerna har skapat motståndskraft mot miljön och utvecklingen. Nya material och nya designer behövs akut för att förändra växthusstrukturen, och nya energikällor behövs akut för att uppnå målen för energibesparing och miljöskydd, och öka produktion och inkomst.

Den här artikeln diskuterar temat "ny energi, nya material, ny design för att bidra till den nya revolutionen inom växthus", inklusive forskning och innovation inom solenergi, biomassaenergi, geotermisk energi och andra nya energikällor i växthus, forskning och tillämpning av nya material för beklädnad, värmeisolering, väggar och annan utrustning, samt framtidsutsikter och tankar kring ny energi, nya material och ny design för att bidra till växthusreformen, för att ge referenser till industrin.

Att utveckla anläggningsjordbruk är ett politiskt krav och ett oundvikligt val för att genomföra andan i de viktiga instruktionerna och centralregeringens beslutsfattande. År 2020 kommer den totala arealen skyddad jordbruk i Kina att vara 2,8 miljoner hm2, och produktionsvärdet kommer att överstiga 1 biljon yuan. Det är ett viktigt sätt att förbättra produktionskapaciteten för växthus genom att förbättra belysningen och värmeisoleringen i växthus genom ny energi, nya material och ny växthusdesign. Det finns många nackdelar med traditionell växthusproduktion, såsom kol, eldningsolja och andra energikällor som används för uppvärmning och uppvärmning i traditionella växthus, vilket resulterar i en stor mängd dioxidgas, vilket allvarligt förorenar miljön, medan naturgas, elenergi och andra energikällor ökar driftskostnaderna för växthus. Traditionella värmelagringsmaterial för växthusväggar är mestadels lera och tegel, som förbrukar mycket och orsakar allvarliga skador på markresurserna. Markanvändningseffektiviteten hos traditionella solcellsväxthus med jordvall är bara 40% ~ 50%, och ett vanligt växthus har dålig värmelagringskapacitet, så det kan inte överleva vintern för att producera varma grönsaker i norra Kina. Därför ligger kärnan i att främja växthuseffekter, eller grundforskning, i växthusdesign, forskning och utveckling av nya material och ny energi. Denna artikel kommer att fokusera på forskning och innovation av nya energikällor i växthus, sammanfatta forskningsstatusen för nya energikällor som solenergi, biomassaenergi, geotermisk energi, vindenergi och nya transparenta täckmaterial, värmeisoleringsmaterial och väggmaterial i växthus, analysera tillämpningen av ny energi och nya material vid byggandet av nya växthus, och se fram emot deras roll i den framtida utvecklingen och omvandlingen av växthus.

Forskning och innovation inom nytt energiväxthus

Den gröna nya energin med störst potential för jordbruksanvändning inkluderar solenergi, geotermisk energi och biomassaenergi, eller ett omfattande utnyttjande av en mängd olika nya energikällor, för att uppnå effektiv energianvändning genom att lära av varandras styrkor.

solenergi/kraft

Solenergiteknik är en koldioxidsnål, effektiv och hållbar energiförsörjningsmodell och en viktig del av Kinas strategiskt framväxande industrier. Den kommer att bli ett oundvikligt val för omvandlingen och uppgraderingen av Kinas energistruktur i framtiden. Ur energianvändningssynpunkt är växthuset i sig en anläggningsstruktur för solenergiutnyttjande. Genom växthuseffekten samlas solenergin inomhus, temperaturen i växthuset höjs och den värme som behövs för grödors tillväxt tillhandahålls. Den huvudsakliga energikällan för fotosyntes hos växthusväxter är direkt solljus, vilket är den direkta användningen av solenergi.

01 Solcellsproduktion för att generera värme

Fotovoltaisk kraftproduktion är en teknik som direkt omvandlar ljusenergi till elektrisk energi baserat på den fotovoltaiska effekten. Nyckelelementet i denna teknik är solceller. När solenergi lyser på en uppsättning solpaneler i serie eller parallellt omvandlar halvledarkomponenter direkt solstrålningsenergi till elektrisk energi. Fotovoltaisk teknik kan direkt omvandla ljusenergi till elektrisk energi, lagra elektricitet via batterier och värma växthuset på natten, men dess höga kostnad begränsar dess vidare utveckling. Forskargruppen utvecklade en fotovoltaisk grafenvärmeanordning, som består av flexibla fotovoltaiska paneler, en allt-i-ett-omvänd styrmaskin, ett lagringsbatteri och en grafenvärmestav. Beroende på planteringslinjens längd begravs grafenvärmestav under substratpåsen. Under dagen absorberar de fotovoltaiska panelerna solstrålning för att generera elektricitet och lagra den i lagringsbatteriet, och sedan frigörs elektriciteten på natten till grafenvärmestav. Vid den faktiska mätningen används temperaturkontrollläget att starta vid 17 ℃ och stänga vid 19 ℃. Vid drift på natten (kl. 20:00-08:00 den andra dagen) i 8 timmar är energiförbrukningen för att värma en enda rad plantor 1,24 kW·h, och medeltemperaturen i substratpåsen på natten är 19,2 ℃, vilket är 3,5 ~ 5,3 ℃ högre än kontrollmetoden. Denna uppvärmningsmetod i kombination med solenergiproduktion löser problemen med hög energiförbrukning och hög förorening vid uppvärmning av växthus på vintern.

02 fototermisk omvandling och användning

Solfototermisk omvandling avser användningen av en speciell solljusuppsamlingsyta gjord av fototermiska omvandlingsmaterial för att samla in och absorbera så mycket solenergi som möjligt och omvandla den till värmeenergi. Jämfört med solcellstillämpningar ökar solfototermiska tillämpningar absorptionen av det nära infraröda bandet, så den har högre energiutnyttjandegrad för solljus, lägre kostnad och mogen teknik, och är det mest använda sättet att utnyttja solenergi.

Den mest mogna tekniken för fototermisk omvandling och användning i Kina är solfångare, vars kärnkomponent är en värmeabsorberande plattkärna med selektiv absorptionsbeläggning, som kan omvandla solstrålningsenergin som passerar genom täckplattan till värmeenergi och överföra den till det värmeabsorberande arbetsmediet. Solfångare kan delas in i två kategorier beroende på om det finns ett vakuumutrymme i kollektorn eller inte: plana solfångare och vakuumrörssolfångare; koncentrerande solfångare och icke-koncentrerande solfångare beroende på om solstrålningen vid dagsljusporten ändrar riktning; och flytande solfångare och luftsolfångare beroende på typen av värmeöverföringsarbetsmedium.

Solenergianvändning i växthus sker huvudsakligen genom olika typer av solfångare. Ibn Zor-universitetet i Marocko har utvecklat ett aktivt solvärmesystem (ASHS) för uppvärmning av växthus, vilket kan öka den totala tomatproduktionen med 55 % på vintern. China Agricultural University har designat och utvecklat ett system för insamling och avledning av ytkylare och fläktar, med en värmeinsamlingskapacitet på 390,6–693,0 MJ, och lagt fram idén att separera värmeinsamlingsprocessen från värmelagringsprocessen med hjälp av värmepump. Bari-universitetet i Italien har utvecklat ett polygenerationsvärmesystem för växthus, som består av ett solenergisystem och en luft-vattenvärmepump, och kan öka lufttemperaturen med 3,6 % och jordtemperaturen med 92 %. Forskargruppen har utvecklat en typ av aktiv solvärmeinsamlingsutrustning med variabel lutningsvinkel för solvärmeväxthus, och en stödjande värmelagringsanordning för växthusvattenkroppen över olika väderförhållanden. Aktiv solvärmeinsamlingsteknik med variabel lutning bryter igenom begränsningarna hos traditionell värmeinsamlingsutrustning för växthus, såsom begränsad värmeinsamlingskapacitet, skuggning och ockupation av odlad mark. Genom att använda den speciella växthusstrukturen i solcellsväxthuset utnyttjas växthusets icke-planteringsutrymme fullt ut, vilket avsevärt förbättrar växthusutrymmets utnyttjandegrad. Under typiska soliga arbetsförhållanden når det aktiva solvärmesystemet med variabel lutning 1,9 MJ/(m2h), energiutnyttjandegraden når 85,1 % och energibesparingen är 77 %. I växthusvärmelagringstekniken ställs en flerfasomvandlingsvärmelagringsstruktur in, värmelagringskapaciteten hos värmelagringsenheten ökas och den långsamma frigöringen av värme från enheten realiseras, för att effektivt utnyttja den värme som samlas in av växthusets solvärmeuppsamlingsutrustning.

biomassaenergi

En ny anläggningsstruktur byggs genom att kombinera biomassavärmeproducerande anordning med växthuset, och biomassaråvaror som grisgödsel, svamprester och halm komposteras för att brygga värme, och den genererade värmeenergin tillförs direkt till växthuset [5]. Jämfört med växthuset utan biomassajäsningsvärmetank kan värmeväxthuset effektivt öka marktemperaturen i växthuset och bibehålla rätt temperatur på rötterna av grödor som odlas i jorden i normalt klimat på vintern. Om vi ​​tar ett enkelskikts asymmetriskt värmeisolerande växthus med en spännvidd på 17 m och en längd på 30 m som exempel, kan tillsats av 8 m jordbruksavfall (blandat tomathalm och grisgödsel) i den inomhusbaserade jäsningstanken för naturlig jäsning utan att vända högen öka växthusets genomsnittliga dagliga temperatur med 4,2 ℃ på vintern, och den genomsnittliga dagliga minimitemperaturen kan nå 4,6 ℃.

Energiutnyttjande vid kontrollerad jäsning av biomassa är en jäsningsmetod som använder instrument och utrustning för att styra jäsningsprocessen för att snabbt erhålla och effektivt utnyttja värmeenergi från biomassa och CO2-gasgödsel. Bland dessa är ventilation och fukt nyckelfaktorer för att reglera jäsningsvärmen och gasproduktionen av biomassa. Under ventilerade förhållanden använder aeroba mikroorganismer i jäsningshögen syre för sina livsaktiviteter, och en del av den genererade energin används för sina egna livsaktiviteter, medan en del av energin frigörs till omgivningen som värmeenergi, vilket är fördelaktigt för temperaturhöjningen i omgivningen. Vatten deltar i hela jäsningsprocessen och tillhandahåller nödvändiga lösliga näringsämnen för mikrobiell aktivitet, samtidigt som det frigör värmen från högen i form av ånga genom vattnet, för att minska högens temperatur, förlänga mikroorganismernas livslängd och öka högens bulktemperatur. Installation av halmlakningsanordning i jäsningstanken kan öka inomhustemperaturen med 3 ~ 5 ℃ på vintern, stärka växternas fotosyntes och öka tomatutbytet med 29,6 %.

Geotermisk energi

Kina är rikt på geotermiska resurser. För närvarande är det vanligaste sättet för jordbruksanläggningar att utnyttja geotermisk energi att använda jordvärmepumpar, som kan omvandla lågkvalitativ värmeenergi till högkvalitativ värmeenergi genom att tillföra en liten mängd högkvalitativ energi (såsom elenergi). Till skillnad från traditionella uppvärmningsåtgärder för växthus kan jordvärmepumpar inte bara uppnå en betydande värmeeffekt, utan också ha förmågan att kyla växthuset och minska luftfuktigheten i växthuset. Tillämpningsforskningen av jordvärmepumpar inom bostadsbyggande är mogen. Kärndelen som påverkar jordvärmepumpens värme- och kylkapacitet är den underjordiska värmeväxlingsmodulen, som huvudsakligen inkluderar nedgrävda rör, underjordiska brunnar etc. Hur man utformar ett underjordiskt värmeväxlingssystem med en balanserad kostnad och effekt har alltid varit forskningsfokus för denna del. Samtidigt påverkar temperaturförändringen i det underjordiska jordlagret vid tillämpning av jordvärmepump också användningseffekten av värmepumpssystemet. Att använda en bergvärmepump för att kyla växthuset på sommaren och lagra värmeenergin i det djupa jordlagret kan lindra temperaturfallet i det underjordiska jordlagret och förbättra bergvärmepumpens värmeproduktionseffektivitet på vintern.

För närvarande, i forskningen om prestanda och effektivitet hos bergvärmepumpar, genom faktiska experimentella data, etableras en numerisk modell med programvara som TOUGH2 och TRNSYS, och slutsatsen är att värmeprestandan och värmefaktorn (COP) för bergvärmepumpar kan nå 3,0 ~ 4,5, vilket har en god kyl- och värmeeffekt. I forskningen om driftstrategin för värmepumpssystemet fann Fu Yunzhun och andra att markflödet har en större inverkan på enhetens prestanda och värmeöverföringsprestandan hos det nedgrävda röret jämfört med lastsidans flöde. Under förutsättning att flödet är inställt kan enhetens maximala COP-värde nå 4,17 genom att använda driftsschemat att köra i 2 timmar och stoppa i 2 timmar; Shi Huixian et. använde ett intermittent driftläge för vattenlagringskylsystemet. På sommaren, när temperaturen är hög, kan COP för hela energiförsörjningssystemet nå 3,80.

Djupjordsvärmelagringsteknik i växthus

Djup jordlagring i växthus kallas även för "värmelagringsbank" i växthus. Köldskador på vintern och höga temperaturer på sommaren är de största hindren för växthusproduktion. Baserat på den starka värmelagringskapaciteten hos djup jord konstruerade forskargruppen en underjordisk djup värmelagringsanordning i växthus. Anordningen är en dubbelskiktad parallell värmeöverföringsledning nedgrävd på ett djup av 1,5–2,5 m under jord i växthuset, med ett luftinlopp högst upp i växthuset och ett luftutlopp på marken. När temperaturen i växthuset är hög pumpas inomhusluften ner i marken av en fläkt för att åstadkomma värmelagring och temperatursänkning. När temperaturen i växthuset är låg utvinns värme från jorden för att värma upp växthuset. Produktions- och tillämpningsresultaten visar att anordningen kan öka växthustemperaturen med 2,3 ℃ på vinternätter, minska inomhustemperaturen med 2,6 ℃ på sommardagar och öka tomatavkastningen med 1500 kg på 667 m.²Enheten utnyttjar fullt ut egenskaperna "varm på vintern och sval på sommaren" och "konstant temperatur" hos den djupa underjordiska jorden, tillhandahåller en "energibank" för växthuset och utför kontinuerligt hjälpfunktionerna för kylning och uppvärmning av växthuset.

Multienergikoordinering

Att använda två eller flera energityper för att värma upp växthuset kan effektivt kompensera för nackdelarna med en enda energityp och ge spelrum för superpositionseffekten "ett plus ett är större än två". Det kompletterande samarbetet mellan geotermisk energi och solenergi är ett forskningsfokus för ny energianvändning inom jordbruksproduktionen de senaste åren. Emmi et. studerade ett energisystem med flera källor (Figur 1), som är utrustat med en solcells-termisk hybrid solfångare. Jämfört med vanliga luft-vattenvärmepumpssystem förbättras energieffektiviteten hos energisystemet med flera källor med 16 % ~ 25 %. Zheng et. utvecklade en ny typ av kopplat värmelagringssystem för solenergi och markvärmepump. Solfångarsystemet kan realisera högkvalitativ säsongslagring av värme, det vill säga högkvalitativ uppvärmning på vintern och högkvalitativ kylning på sommaren. Den nedgrävda rörvärmeväxlaren och den intermittenta värmelagringstanken kan alla fungera bra i systemet, och systemets COP-värde kan nå 6,96.

I kombination med solenergi syftar det till att minska förbrukningen av kommersiell el och förbättra stabiliteten i solenergiförsörjningen i växthus. Wan Ya et al. lade fram ett nytt intelligent styrteknikschema för att kombinera solenergiproduktion med kommersiell el för uppvärmning av växthus, vilket kan använda solcellsenergi när det finns ljus och omvandla den till kommersiell el när det inte finns något ljus, vilket avsevärt minskar effektbristen och minskar den ekonomiska kostnaden utan att använda batterier.

Solenergi, biomassaenergi och elenergi kan tillsammans värma upp växthus, vilket också kan uppnå hög värmeeffektivitet. Zhang Liangrui och andra kombinerade solvakuumrörsvärmeinsamling med dalströmsvärmeackumulator för vatten. Växthusvärmesystemet har god termisk komfort, och systemets genomsnittliga värmeeffektivitet är 68,70 %. Den elektriska värmeackumulatorn är en biomassavärmeackumulator med elvärme. Den lägsta temperaturen för vatteninloppet vid värmeänden ställs in, och systemets driftsstrategi bestäms enligt vattenlagringstemperaturen för solvärmeinsamlingsdelen och biomassavärmelagringsdelen, för att uppnå en stabil värmetemperatur vid värmeänden och spara elenergi och biomassaenergimaterial i maximal utsträckning.

Innovativ forskning och tillämpning av nya växthusmaterial

I takt med att växthusytan utökas blir nackdelarna med traditionella växthusmaterial som tegel och jord alltmer uppenbara. För att ytterligare förbättra växthusens termiska prestanda och möta moderna växthusutvecklingsbehov finns det därför många studier och tillämpningar av nya transparenta täckmaterial, värmeisoleringsmaterial och väggmaterial.

Forskning och tillämpning av nya transparenta täckmaterial

De typer av transparenta täckmaterial för växthus inkluderar huvudsakligen plastfilm, glas, solpaneler och solcellspaneler, bland vilka plastfilm har det största användningsområdet. Den traditionella PE-filmen för växthus har nackdelarna kort livslängd, icke-nedbrytbarhet och enkelfunktion. För närvarande har en mängd nya funktionella filmer utvecklats genom att tillsätta funktionella reagens eller beläggningar.

Ljusomvandlingsfilm:Ljusomvandlingsfilmen förändrar filmens optiska egenskaper genom att använda ljusomvandlingsmedel som sällsynta jordartsmetaller och nanomaterial, och kan omvandla det ultravioletta ljusområdet till rött orange ljus och blåviolett ljus som krävs av växternas fotosyntes, vilket ökar skörden och minskar skadorna från ultraviolett ljus på grödor och växthusfilmer i plastväxthus. Till exempel kan den bredbandiga lila-till-röd växthusfilmen med VTR-660 ljusomvandlingsmedel avsevärt förbättra den infraröda transmittansen när den appliceras i växthus, och jämfört med kontrollväxthuset ökar tomatskörden per hektar, vitamin C och lykopeninnehållet avsevärt med 25,71 %, 11,11 % respektive 33,04 %. För närvarande behöver dock livslängden, nedbrytbarheten och kostnaden för den nya ljusomvandlingsfilmen fortfarande studeras.

Spridd glasSpridningsglas i växthus är ett speciellt mönster och antireflexteknik på glasytan, vilket kan maximera solljuset till spritt ljus som kommer in i växthuset, förbättra fotosynteseffektiviteten hos grödor och öka skörden. Spridningsglas omvandlar ljuset som kommer in i växthuset till spritt ljus genom speciella mönster, och det spridda ljuset kan bestrålas jämnare in i växthuset, vilket eliminerar skuggpåverkan från skelettet på växthuset. Jämfört med vanligt floatglas och ultravitt floatglas är ljusgenomsläpplighetsstandarden för spridningsglas 91,5 %, och för vanligt floatglas är den 88 %. För varje 1 % ökning av ljusgenomsläppligheten inuti växthuset kan avkastningen ökas med cirka 3 %, och det lösliga sockret och C-vitaminet i frukt och grönsaker har ökat. Spridningsglas i växthus beläggs först och härdas sedan, och självexplosionshastigheten är högre än den nationella standarden och når 2 ‰.

Forskning och tillämpning av nya värmeisoleringsmaterial

Traditionella värmeisoleringsmaterial i växthus inkluderar huvudsakligen halmmattor, pappersdukar, nålad filt av värmeisolering etc., vilka huvudsakligen används för intern och extern värmeisolering av tak, väggisolering och värmeisolering av vissa värmelagrings- och värmeuppsamlingsanordningar. De flesta av dem har nackdelen att förlora värmeisoleringsprestanda på grund av inre fukt efter långvarig användning. Därför finns det många tillämpningar av nya högvärmeisoleringsmaterial, bland vilka forskningen fokuserar på nya värmeisoleringsdukar, värmelagrings- och värmeuppsamlingsanordningar.

Nya värmeisoleringsmaterial tillverkas vanligtvis genom att bearbeta och blanda ytvattentäta och åldersbeständiga material som vävd film och belagd filt med fluffiga värmeisoleringsmaterial som spraybelagd bomull, diverse kashmir och pärlbomull. Ett spraybelagt bomullsvärmeisoleringstäcke med vävd film testades i nordöstra Kina. Det visade sig att tillsats av 500 g spraybelagd bomull motsvarade värmeisoleringsprestanda hos 4500 g svart filtvärmeisoleringstäcke på marknaden. Under samma förhållanden förbättrades värmeisoleringsprestanda hos 700 g spraybelagd bomull med 1~2 ℃ jämfört med 500 g spraybelagd bomullvärmeisoleringstäcke. Samtidigt fann andra studier också att jämfört med de vanligt förekommande värmeisoleringstäckena på marknaden är värmeisoleringseffekten hos spraybelagda bomulls- och kashmirvärmeisoleringstäcken bättre, med värmeisoleringsgrader på 84,0 % respektive 83,3 %. När den kallaste utomhustemperaturen är -24,4 ℃ kan inomhustemperaturen nå 5,4 respektive 4,2 ℃. Jämfört med isoleringstäcket med ett enda halmstrå har det nya kompositisoleringstäcket fördelarna med låg vikt, hög isoleringsförmåga, stark vattentäthet och åldringsbeständighet, och kan användas som en ny typ av högeffektivt isoleringsmaterial för solväxthus.

Samtidigt, enligt forskning om värmeisoleringsmaterial för värmeuppsamlings- och lagringsanordningar i växthus, har man också funnit att när tjockleken är densamma har flerskiktade kompositvärmeisoleringsmaterial bättre värmeisoleringsprestanda än enskilda material. Professor Li Jianmings team från Northwest A&F University designade och screenade 22 typer av värmeisoleringsmaterial för vattenlagringsanordningar i växthus, såsom vakuumpapp, aerogel och gummi-bomull, och mätte deras termiska egenskaper. Resultaten visade att 80 mm värmeisoleringsbeläggning + aerogel + gummi-plast värmeisoleringsbomull kompositisoleringsmaterial kunde minska värmeavledningen med 0,367 MJ per tidsenhet jämfört med 80 mm gummi-plastbomull, och dess värmeöverföringskoefficient var 0,283 W/(m2·k) när tjockleken på isoleringskombinationen var 100 mm.

Fasövergångsmaterial är ett av de hetaste områdena inom forskning om växthusmaterial. Northwest A&F University har utvecklat två typer av lagringsanordningar för fasövergångsmaterial: en är en förvaringslåda tillverkad av svart polyeten, som har en storlek på 50 cm × 30 cm × 14 cm (längd × höjd × tjocklek) och är fylld med fasövergångsmaterial, så att den kan lagra värme och frigöra värme. För det andra har en ny typ av fasövergångsskiva utvecklats. Fasövergångsskivan består av fasövergångsmaterial, aluminiumplåt, aluminiumplastplåt och aluminiumlegering. Fasövergångsmaterialet är placerat mest centralt på skivan, och dess specifikation är 200 mm × 200 mm × 50 mm. Det är ett pulverformigt fast ämne före och efter fasövergången, och det finns inget fenomen av smältning eller flytning. De fyra väggarna i fasövergångsmaterialet är aluminiumplåt respektive aluminiumplastplåt. Denna anordning kan utföra funktionerna att huvudsakligen lagra värme under dagen och huvudsakligen frigöra värme på natten.

Därför finns det vissa problem med tillämpningen av ett enda värmeisoleringsmaterial, såsom låg värmeisoleringseffektivitet, stor värmeförlust, kort värmelagringstid, etc. Att använda kompositvärmeisoleringsmaterial som värmeisoleringsskikt och ett täckande lager av värmeisolering för inomhus- och utomhusbruk i värmelagringsanordningen kan därför effektivt förbättra växthusets värmeisoleringsprestanda, minska växthusets värmeförlust och därmed uppnå en energibesparing.

Forskning och tillämpning av ny vägg

Som en slags inneslutningsstruktur är väggen en viktig barriär för växthusets köldskydd och värmebevarande. Beroende på väggmaterial och strukturer kan utvecklingen av växthusets norra vägg delas in i tre typer: enskiktsvägg gjord av jord, tegelstenar etc., och den skiktade norra väggen gjord av lertegel, blocktegel, polystyrenskivor etc., med inre värmelagring och yttre värmeisolering, och de flesta av dessa väggar är tidskrävande och arbetsintensiva. Därför har många nya typer av väggar dykt upp under senare år, vilka är enkla att bygga och lämpliga för snabb montering.

Framväxten av nya typer av monterade väggar främjar den snabba utvecklingen av monterade växthus, inklusive nya typer av kompositväggar med utvändiga vattentäta och anti-aging ytmaterial och material som filt, pärlbomull, rymdbomull, glasbomull eller återvunnen bomull som värmeisoleringsskikt, såsom flexibla monterade väggar av spraybunden bomull i Xinjiang. Dessutom har andra studier också rapporterat den norra väggen av monterade växthus med värmelagringsskikt, såsom tegelfyllda veteskalsmurbruksblock i Xinjiang. Under samma yttre miljö, när den lägsta utomhustemperaturen är -20,8 ℃, är temperaturen i solväxthuset med veteskalsmurbruksblocks kompositvägg 7,5 ℃, medan temperaturen i solväxthuset med tegelbetongvägg är 3,2 ℃. Skördetiden för tomater i tegelväxthus kan tidigareläggas med 16 dagar, och avkastningen i ett enskilt växthus kan ökas med 18,4 %.

Anläggningsteamet vid Northwest A&F University lade fram designidén att tillverka värmeisolerings- och värmelagringsmoduler av halm, jord, vatten, sten och fasövergångsmaterial utifrån ljusvinkeln och förenklad väggdesign, vilket främjade tillämpningsforskningen av modulärt monterade väggar. Till exempel, jämfört med vanliga tegelväggsväxthus, är medeltemperaturen i växthuset 4,0 ℃ högre på en typisk solig dag. Tre typer av oorganiska fasövergångscementmoduler, som är tillverkade av fasövergångsmaterial (PCM) och cement, har ackumulerat värme på 74,5, 88,0 och 95,1 MJ/m².³och frigjorde värme på 59,8, 67,8 och 84,2 MJ/m²³De har funktionerna att "kapa toppar" på dagtid, "fylla ut dalen" på natten, absorbera värme på sommaren och frigöra värme på vintern.

Dessa nya väggar monteras på plats, med kort byggtid och lång livslängd, vilket skapar förutsättningar för konstruktion av lätta, förenklade och snabbt monterade prefabricerade växthus, och kan i hög grad främja strukturell reformering av växthus. Det finns dock vissa brister med denna typ av vägg, såsom att den spraybundna bomullsvärmeisoleringsväggen har utmärkt värmeisoleringsprestanda, men saknar värmelagringskapacitet, och fasövergångsbyggnadsmaterialet har problemet med höga användningskostnader. I framtiden bör tillämpningsforskningen av monterade väggar stärkas.

Ny energi, nya material och nya designer hjälper växthusstrukturen att förändras.

Forskning och innovation inom ny energi och nya material utgör grunden för designinnovation av växthus. Energibesparande solcellsväxthus och bågformade skjul är de största skjulstrukturerna i Kinas jordbruksproduktion och de spelar en viktig roll i jordbruksproduktionen. Men med utvecklingen av Kinas sociala ekonomi framträder bristerna hos de två typerna av anläggningsstrukturer alltmer. För det första är anläggningsstrukturernas utrymme litet och mekaniseringsgraden låg. För det andra har det energibesparande solcellsväxthuset god värmeisolering, men markanvändningen är låg, vilket motsvarar att ersätta växthusenergin med mark. Vanliga bågformade skjul har inte bara litet utrymme utan också dålig värmeisolering. Även om flerspannsväxthuset har stort utrymme har det dålig värmeisolering och hög energiförbrukning. Därför är det absolut nödvändigt att undersöka och utveckla växthusstrukturer som är lämpliga för Kinas nuvarande sociala och ekonomiska nivå, och forskning och utveckling av ny energi och nya material kommer att bidra till att förändra växthusstrukturen och producera en mängd olika innovativa växthusmodeller eller strukturer.

Innovativ forskning om storskaligt asymmetriskt vattenkontrollerat bryggväxthus

Det storspanniga asymmetriska vattenstyrda bryggväxthuset (patentnummer: ZL 201220391214.2) bygger på principen om solljusväxthus, vilket ändrar den symmetriska strukturen hos vanliga plastväxthus, ökar det södra spannet, ökar belysningsarean på det södra taket, minskar det norra spannet och minskar värmeavledningsarean, med ett spann på 18~24 m och en nockhöjd på 6~7 m. Genom designinnovation har den rumsliga strukturen ökats avsevärt. Samtidigt löses problemen med otillräcklig värme i växthus på vintern och dålig värmeisolering av vanliga värmeisoleringsmaterial genom att använda ny teknik för biomassabryggningsvärme och värmeisoleringsmaterial. Produktions- och forskningsresultaten visar att det storskaliga asymmetriska vattenkontrollerade bryggväxthuset, med en medeltemperatur på 11,7 ℃ på soliga dagar och 10,8 ℃ på molniga dagar, kan möta efterfrågan på grödor på vintern, och byggkostnaden för växthuset minskar med 39,6 % och markutnyttjandegraden ökar med mer än 30 % jämfört med polystyrenväggsväxthuset, vilket är lämpligt för ytterligare popularisering och tillämpning i Gula Huaihe-flodens avrinningsområde i Kina.

Monterat solljusväxthus

Monterade solljusväxthus använder pelare och takskelett som bärande konstruktion, och dess väggmaterial är huvudsakligen värmeisoleringshölje, istället för lager och passiv värmelagring och frigöring. Huvudsakligen: (1) en ny typ av monterad vägg formas genom att kombinera olika material såsom belagd film eller färgad stålplåt, halmblock, flexibel värmeisoleringsduk, murbruksblock, etc. (2) kompositväggskiva tillverkad av prefabricerad cementskiva-polystyrenskiva-cementskiva; (3) Lätta och enkla monteringstyper av värmeisoleringsmaterial med aktivt värmelagrings- och frigöringssystem och avfuktningssystem, såsom fyrkantig plasthinkvärmelagring och rörledningsvärmelagring. Användning av olika nya värmeisoleringsmaterial och värmelagringsmaterial istället för traditionell jordvall för att bygga solväxthus ger stort utrymme och liten anläggningsteknik. De experimentella resultaten visar att temperaturen i växthuset på vinterns natt är 4,5 ℃ högre än i traditionella tegelväggsväxthus, och tjockleken på bakväggen är 166 mm. Jämfört med det 600 mm tjocka tegelväggsväxthuset minskar väggens ockuperade yta med 72 %, och kostnaden per kvadratmeter är 334,5 yuan, vilket är 157,2 yuan lägre än för tegelväggsväxthuset, och byggkostnaden har sjunkit avsevärt. Därför har det monterade växthuset fördelarna med mindre förstörelse av odlad mark, markbesparing, snabb bygghastighet och lång livslängd, och det är en viktig riktning för innovation och utveckling av solcellsväxthus idag och i framtiden.

Glidande solljusväxthus

Det skateboardmonterade energibesparande solcellsväxthuset som utvecklats av Shenyang Agricultural University använder solcellsväxthusets bakvägg för att bilda ett vattencirkulerande väggvärmelagringssystem för att lagra värme och höja temperaturen, vilket huvudsakligen består av en pool (32m³), en ljusinsamlingsplatta (360 m²), en vattenpump, ett vattenrör och en regulator. Den flexibla värmeisoleringsduken är ersatt av en ny lättviktig stålplåt i färgad stenull upptill. Forskningen visar att denna design effektivt löser problemet med gavlar som blockerar ljus och ökar växthusets ljusinsläppsarea. Växthusets belysningsvinkel är 41,5°, vilket är nästan 16° högre än kontrollväxthusets, vilket förbättrar belysningshastigheten. Inomhustemperaturfördelningen är jämn och växterna växer snyggt. Växthuset har fördelarna med att förbättra markanvändningseffektiviteten, flexibelt utforma växthusstorleken och förkorta byggtiden, vilket är av stor betydelse för att skydda odlade markresurser och miljön.

Fotovoltaiskt växthus

Ett jordbruksväxthus är ett växthus som integrerar solcellsproduktion, intelligent temperaturkontroll och modern högteknologisk plantering. Det använder en stålbensram och är täckt med solcellsmoduler för att säkerställa belysningskraven för solcellsmoduler och belysningskraven för hela växthuset. Likströmmen som genereras av solenergi kompletterar direkt ljuset i jordbruksväxthus, stöder direkt den normala driften av växthusutrustning, driver bevattning av vattenresurser, ökar växthustemperaturen och främjar snabb tillväxt av grödor. Fotovoltaiska moduler kommer på detta sätt att påverka belysningseffektiviteten på växthustaket och sedan påverka den normala tillväxten av växthusgrönsaker. Därför blir den rationella utformningen av solcellspaneler på växthustaket den viktigaste tillämpningspunkten. Jordbruksväxthus är produkten av den organiska kombinationen av sightseeingjordbruk och anläggningsodling, och det är en innovativ jordbruksindustri som integrerar solcellsproduktion, jordbrukssightseeing, jordbruksgrödor, jordbruksteknik, landskaps- och kulturutveckling.

Innovativ design av växthusgrupp med energiväxelverkan mellan olika typer av växthus

Guo Wenzhong, forskare vid Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, använder uppvärmningsmetoden för energiöverföring mellan växthus för att samla in den återstående värmeenergin i ett eller flera växthus för att värma ett eller flera växthus. Denna uppvärmningsmetod överför växthusenergi i tid och rum, förbättrar energiutnyttjandet av den återstående växthusvärmen och minskar den totala uppvärmningsenergiförbrukningen. De två typerna av växthus kan vara olika växthustyper eller samma växthustyp för odling av olika grödor, såsom sallads- och tomatväxthus. Värmeinsamlingsmetoder inkluderar huvudsakligen utvinning av inomhusluftvärme och direkt avlyssning av inkommande strålning. Genom solenergiinsamling, forcerad konvektion med värmeväxlare och forcerad utvinning med värmepump utvinns överskottsvärme i högenergiväxthus för uppvärmning av växthus.

sammanfatta

Dessa nya solcellsdrivna växthus har fördelarna med snabb montering, förkortad byggtid och förbättrad markutnyttjandegrad. Därför är det nödvändigt att ytterligare utforska prestandan hos dessa nya växthus i olika områden, och ge möjlighet till storskalig popularisering och tillämpning av nya växthus. Samtidigt är det nödvändigt att kontinuerligt stärka tillämpningen av ny energi och nya material i växthus, för att ge kraft åt strukturell reformering av växthus.

Framtidsutsikter och tänkande

Traditionella växthus har ofta vissa nackdelar, såsom hög energiförbrukning, låg markutnyttjandegrad, tids- och arbetskrävande, dålig prestanda etc., vilket inte längre kan möta produktionsbehoven i modernt jordbruk och kommer gradvis att elimineras. Därför är det en utvecklingstrend att använda nya energikällor som solenergi, biomassaenergi, geotermisk energi och vindenergi, nya material för växthusapplikationer och nya designer för att främja strukturell förändring av växthus. För det första bör nya växthus som drivs av ny energi och nya material inte bara uppfylla behoven för mekaniserad drift, utan också spara energi, mark och kostnader. För det andra är det nödvändigt att ständigt undersöka prestandan hos nya växthus i olika områden för att skapa förutsättningar för storskalig popularisering av växthus. I framtiden bör vi ytterligare söka efter ny energi och nya material som är lämpliga för växthusapplikationer och hitta den bästa kombinationen av ny energi, nya material och växthus för att göra det möjligt att bygga ett nytt växthus med låg kostnad, kort byggtid, låg energiförbrukning och utmärkt prestanda, hjälpa till att förändra växthusstrukturen och främja moderniseringsutvecklingen av växthus i Kina.

Även om tillämpningen av ny energi, nya material och nya konstruktioner inom växthusbyggnation är en oundviklig trend, finns det fortfarande många problem att studera och övervinna: (1) Byggkostnaderna ökar. Jämfört med traditionell uppvärmning med kol, naturgas eller olja är användningen av ny energi och nya material miljövänlig och föroreningsfri, men byggkostnaderna ökar avsevärt, vilket har en viss inverkan på investeringsåtervinningen i produktion och drift. Jämfört med energianvändningen kommer kostnaden för nya material att öka avsevärt. (2) Instabil användning av värmeenergi. Den största fördelen med ny energianvändning är låg driftskostnad och låga koldioxidutsläpp, men tillgången på energi och värme är instabil, och molniga dagar blir den största begränsande faktorn för solenergianvändning. I processen för biomassavärmeproduktion genom fermentering begränsas det effektiva utnyttjandet av denna energi av problemen med låg fermenteringsvärmeenergi, svår hantering och kontroll samt stort lagringsutrymme för transport av råvaror. (3) Teknikmognad. Dessa tekniker som används av ny energi och nya material är avancerad forskning och tekniska landvinningar, och deras tillämpningsområde och omfattning är fortfarande ganska begränsad. De har inte godkänts många gånger, många platser och storskalig praxisverifiering, och det finns oundvikligen vissa brister och tekniskt innehåll som behöver förbättras i tillämpningen. Användare förnekar ofta teknikens framsteg på grund av mindre brister. (4) Teknikpenetrationsgraden är låg. Den breda tillämpningen av en vetenskaplig och teknisk prestation kräver en viss popularitet. För närvarande finns ny energi, ny teknik och ny växthusdesignteknik alla i teamet av vetenskapliga forskningscentra på universitet med viss innovationsförmåga, och de flesta tekniska efterfrågare eller designers vet fortfarande inte; Samtidigt är populariseringen och tillämpningen av ny teknik fortfarande ganska begränsad eftersom kärnutrustningen för ny teknik är patenterad. (5) Integreringen av ny energi, nya material och design av växthusstrukturer behöver stärkas ytterligare. Eftersom energi, material och design av växthusstrukturer tillhör tre olika discipliner, saknar talanger med erfarenhet av växthusdesign ofta forskning om växthusrelaterad energi och material, och vice versa; Därför behöver forskare inom energi- och materialforskning stärka sin undersökning och förståelse för de faktiska behoven inom växthusindustrins utveckling, och även konstruktionskonstruktörer bör studera nya material och ny energi för att främja en djupgående integration av de tre relationerna, för att uppnå målet om praktisk växthusforskningsteknik, låga byggkostnader och god användningseffekt. Baserat på ovanstående problem föreslås att staten, lokala myndigheter och vetenskapliga forskningscentra bör intensifiera den tekniska forskningen, genomföra gemensam forskning på djupet, stärka publiciteten av vetenskapliga och tekniska framsteg, förbättra populariseringen av framsteg och snabbt förverkliga målet om ny energi och nya material för att bidra till den nya utvecklingen av växthusindustrin.

Citerad information

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Ny energi, nya material och ny design bidrar till den nya revolutionen inom växthus [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.