Li Jianming, Sun Guotao, etc.Tecnologia d'enginyeria agrícola hortícola d'hivernacle2022-11-21 17:42 Publicat a Pequín

En els darrers anys, la indústria dels hivernacles s'ha desenvolupat vigorosament. El desenvolupament dels hivernacles no només millora la taxa d'utilització del sòl i la taxa de producció de productes agrícoles, sinó que també resol el problema del subministrament de fruites i verdures fora de temporada. Tanmateix, els hivernacles també s'han trobat amb reptes sense precedents. Les instal·lacions originals, els mètodes de calefacció i les formes estructurals han produït resistència al medi ambient i al desenvolupament. Es necessiten urgentment nous materials i nous dissenys per canviar l'estructura dels hivernacles, i es necessiten urgentment noves fonts d'energia per aconseguir els objectius de conservació d'energia i protecció del medi ambient, i augmentar la producció i els ingressos.

Aquest article tracta el tema de "nova energia, nous materials, nou disseny per ajudar a la nova revolució dels hivernacles", incloent-hi la recerca i la innovació en energia solar, energia de biomassa, energia geotèrmica i altres noves fonts d'energia en hivernacles, la recerca i l'aplicació de nous materials per a recobriments, aïllament tèrmic, parets i altres equips, i les perspectives de futur i la reflexió sobre noves energies, nous materials i nous dissenys per ajudar a la reforma dels hivernacles, per tal de proporcionar una referència per a la indústria.

El desenvolupament de l'agricultura d'instal·lacions és el requisit polític i l'elecció inevitable per implementar l'esperit de les importants instruccions i la presa de decisions del govern central. El 2020, la superfície total d'agricultura protegida a la Xina serà de 2,8 milions de hm2, i el valor de producció superarà el bilió de iuans. És una manera important de millorar la capacitat de producció d'hivernacles per millorar el rendiment de la il·luminació i l'aïllament tèrmic dels hivernacles mitjançant noves energies, nous materials i un nou disseny d'hivernacles. Hi ha molts desavantatges en la producció tradicional d'hivernacles, com el carbó, el fuel-oil i altres fonts d'energia utilitzades per a la calefacció i la calefacció en hivernacles tradicionals, que resulten en una gran quantitat de gas diòxid, que contamina greument el medi ambient, mentre que el gas natural, l'energia elèctrica i altres fonts d'energia augmenten el cost operatiu dels hivernacles. Els materials tradicionals d'emmagatzematge de calor per a les parets d'hivernacle són principalment argila i maons, que consumeixen molt i causen greus danys als recursos terrestres. L'eficiència de l'ús del sòl de l'hivernacle solar tradicional amb paret de terra és només del 40% ~ 50%, i l'hivernacle ordinari té una capacitat d'emmagatzematge de calor deficient, de manera que no pot sobreviure a l'hivern per produir verdures calentes al nord de la Xina. Per tant, el nucli de la promoció del canvi d'hivernacles, o la recerca bàsica, rau en el disseny, la recerca i el desenvolupament de nous materials i noves energies en hivernacles. Aquest article se centrarà en la recerca i la innovació de noves fonts d'energia en hivernacles, resumirà l'estat de la recerca de noves fonts d'energia com l'energia solar, l'energia de la biomassa, l'energia geotèrmica, l'energia eòlica i els nous materials de recobriment transparents, materials d'aïllament tèrmic i materials de paret en hivernacles, analitzarà l'aplicació de noves energies i nous materials en la construcció de nous hivernacles i preveurà el seu paper en el desenvolupament i la transformació futurs dels hivernacles.

Recerca i innovació de nous hivernacles energètics

La nova energia verda amb el major potencial d'utilització agrícola inclou l'energia solar, l'energia geotèrmica i l'energia de la biomassa, o la utilització integral d'una varietat de noves fonts d'energia, per tal d'aconseguir un ús eficient de l'energia aprenent dels punts forts dels altres.

energia solar

La tecnologia de l'energia solar és un mode de subministrament d'energia baix en carboni, eficient i sostenible, i és un component important de les indústries emergents estratègiques de la Xina. Esdevindrà una opció inevitable per a la transformació i la millora de l'estructura energètica de la Xina en el futur. Des del punt de vista de la utilització de l'energia, l'hivernacle en si és una estructura d'instal·lació per a la utilització de l'energia solar. A través de l'efecte hivernacle, l'energia solar es recull a l'interior, s'eleva la temperatura de l'hivernacle i es proporciona la calor necessària per al creixement dels cultius. La principal font d'energia de la fotosíntesi de les plantes d'hivernacle és la llum solar directa, que és la utilització directa de l'energia solar.

01 Generació d'energia fotovoltaica per generar calor

La generació d'energia fotovoltaica és una tecnologia que converteix directament l'energia lluminosa en energia elèctrica basada en l'efecte fotovoltaic. L'element clau d'aquesta tecnologia és la cèl·lula solar. Quan l'energia solar incideix sobre la matriu de panells solars en sèrie o en paral·lel, els components semiconductors converteixen directament l'energia de la radiació solar en energia elèctrica. La tecnologia fotovoltaica pot convertir directament l'energia lluminosa en energia elèctrica, emmagatzemar electricitat a través de bateries i escalfar l'hivernacle a la nit, però el seu alt cost restringeix el seu desenvolupament posterior. El grup de recerca va desenvolupar un dispositiu de calefacció de grafè fotovoltaic, que consisteix en panells fotovoltaics flexibles, una màquina de control invers tot en un, una bateria d'emmagatzematge i una vareta de calefacció de grafè. Segons la longitud de la línia de plantació, la vareta de calefacció de grafè s'enterra sota la bossa del substrat. Durant el dia, els panells fotovoltaics absorbeixen la radiació solar per generar electricitat i emmagatzemar-la a la bateria d'emmagatzematge, i després l'electricitat s'allibera a la nit per a la vareta de calefacció de grafè. En la mesura real, s'adopta el mode de control de temperatura d'inici a 17 ℃ i tancament a 19 ℃. Funcionant de nit (20:00-08:00 del segon dia) durant 8 hores, el consum d'energia per escalfar una sola filera de plantes és d'1,24 kW·h, i la temperatura mitjana de la bossa de substrat a la nit és de 19,2 ℃, que és 3,5 ~ 5,3 ℃ més alta que la del control. Aquest mètode de calefacció combinat amb la generació d'energia fotovoltaica resol els problemes d'alt consum d'energia i alta contaminació en la calefacció d'hivernacles a l'hivern.

02 conversió i utilització fototèrmica

La conversió fototèrmica solar es refereix a l'ús d'una superfície especial de recollida de llum solar feta de materials de conversió fototèrmica per recollir i absorbir tanta energia solar irradiada com sigui possible i convertir-la en energia calorífica. En comparació amb les aplicacions solars fotovoltaiques, les aplicacions solars fototèrmiques augmenten l'absorció de la banda de l'infraroig proper, de manera que tenen una major eficiència d'utilització energètica de la llum solar, un cost més baix i una tecnologia madura, i són la forma més utilitzada d'utilització de l'energia solar.

La tecnologia més madura de conversió i utilització fototèrmica a la Xina és el col·lector solar, el component principal del qual és el nucli de placa absorbent de calor amb un recobriment d'absorció selectiva, que pot convertir l'energia de la radiació solar que passa a través de la placa de coberta en energia calorífica i transmetre-la al medi de treball absorbent de calor. Els col·lectors solars es poden dividir en dues categories segons si hi ha un espai de buit al col·lector o no: col·lectors solars plans i col·lectors solars de tubs de buit; col·lectors solars concentradors i col·lectors solars no concentradors segons si la radiació solar al port de llum natural canvia de direcció; i col·lectors solars líquids i col·lectors solars d'aire segons el tipus de medi de treball de transferència de calor.

L'aprofitament de l'energia solar en hivernacles es duu a terme principalment mitjançant diversos tipus de col·lectors solars. La Universitat Ibn Zor al Marroc ha desenvolupat un sistema actiu de calefacció per energia solar (ASHS) per a l'escalfament d'hivernacles, que pot augmentar la producció total de tomàquets en un 55% a l'hivern. La Universitat Agrícola de la Xina ha dissenyat i desenvolupat un conjunt de sistemes de recollida i descàrrega de ventiladors i refrigeradors de superfície, amb una capacitat de recollida de calor de 390,6～693,0 MJ, i ha proposat la idea de separar el procés de recollida de calor del procés d'emmagatzematge de calor mitjançant bomba de calor. La Universitat de Bari a Itàlia ha desenvolupat un sistema de calefacció de poligeneració d'hivernacles, que consisteix en un sistema d'energia solar i una bomba de calor aire-aigua, i pot augmentar la temperatura de l'aire en un 3,6% i la temperatura del sòl en un 92%. El grup de recerca ha desenvolupat un tipus d'equip actiu de recollida de calor solar amb angle d'inclinació variable per a hivernacles solars i un dispositiu d'emmagatzematge de calor de suport per a masses d'aigua d'hivernacles en qualsevol clima. La tecnologia activa de recollida de calor solar amb inclinació variable supera les limitacions dels equips tradicionals de recollida de calor d'hivernacles, com ara la capacitat limitada de recollida de calor, l'ombrejat i l'ocupació de terres cultivades. Mitjançant l'ús de l'estructura especial d'hivernacle de l'hivernacle solar, l'espai no plantat de l'hivernacle s'utilitza completament, cosa que millora considerablement l'eficiència d'utilització de l'espai d'hivernacle. En condicions de treball típiques de sol, el sistema actiu de recollida de calor solar amb inclinació variable arriba als 1,9 MJ/(m2h), l'eficiència d'utilització d'energia arriba al 85,1% i la taxa d'estalvi d'energia és del 77%. En la tecnologia d'emmagatzematge de calor d'hivernacle, s'estableix l'estructura d'emmagatzematge de calor de canvi multifàsic, s'augmenta la capacitat d'emmagatzematge de calor del dispositiu d'emmagatzematge de calor i es realitza l'alliberament lent de calor del dispositiu, per tal d'aconseguir un ús eficient de la calor recollida per l'equip de recollida de calor solar d'hivernacle.

energia de biomassa

Es construeix una nova estructura d'instal·lació combinant el dispositiu productor de calor de biomassa amb l'hivernacle, i les matèries primeres de biomassa, com ara fems de porc, residus de bolets i palla, es composten per generar calor, i l'energia calorífica generada es subministra directament a l'hivernacle [5]. En comparació amb l'hivernacle sense tanc de calefacció de fermentació de biomassa, l'hivernacle de calefacció pot augmentar eficaçment la temperatura del sòl a l'hivernacle i mantenir la temperatura adequada de les arrels dels cultius cultivats al sòl en el clima normal a l'hivern. Prenent com a exemple un hivernacle d'aïllament tèrmic asimètric d'una sola capa amb una llum de 17 m i una longitud de 30 m, afegir 8 m de residus agrícoles (barreja de palla de tomàquet i fems de porc) al tanc de fermentació interior per a la fermentació natural sense capgirar la pila pot augmentar la temperatura mitjana diària de l'hivernacle en 4,2 ℃ a l'hivern, i la temperatura mínima mitjana diària pot arribar als 4,6 ℃.

L'aprofitament energètic de la fermentació controlada de biomassa és un mètode de fermentació que utilitza instruments i equips per controlar el procés de fermentació per tal d'obtenir i utilitzar ràpidament l'energia calorífica de la biomassa i el fertilitzant gasós de CO2, entre els quals la ventilació i la humitat són els factors clau per regular la calor de fermentació i la producció de gas de la biomassa. En condicions ventilades, els microorganismes aeròbics del munt de fermentació utilitzen oxigen per a les activitats vitals, i part de l'energia generada s'utilitza per a les seves pròpies activitats vitals, i part de l'energia s'allibera al medi ambient com a energia calorífica, cosa que és beneficiosa per a l'augment de la temperatura del medi ambient. L'aigua participa en tot el procés de fermentació, proporcionant els nutrients solubles necessaris per a les activitats microbianes i, alhora, alliberant la calor del munt en forma de vapor a través de l'aigua, per tal de reduir la temperatura del munt, allargar la vida dels microorganismes i augmentar la temperatura a granel del munt. La instal·lació d'un dispositiu de lixiviació de palla al tanc de fermentació pot augmentar la temperatura interior en 3 ~ 5 ℃ a l'hivern, enfortir la fotosíntesi de les plantes i augmentar el rendiment del tomàquet en un 29,6%.

energia geotèrmica

La Xina és rica en recursos geotèrmics. Actualment, la manera més comuna que tenen les instal·lacions agrícoles d'utilitzar l'energia geotèrmica és utilitzar bombes de calor geotèrmiques, que poden transferir energia calorífica de baixa qualitat a energia calorífica d'alta qualitat mitjançant la introducció d'una petita quantitat d'energia d'alta qualitat (com ara energia elèctrica). A diferència de les mesures tradicionals de calefacció d'hivernacles, la calefacció amb bomba de calor geotèrmica no només pot aconseguir un efecte de calefacció significatiu, sinó que també té la capacitat de refredar l'hivernacle i reduir la humitat a l'hivernacle. La investigació d'aplicacions de la bomba de calor geotèrmica en el camp de la construcció d'habitatges és madura. La part principal que afecta la capacitat de calefacció i refrigeració de la bomba de calor geotèrmica és el mòdul d'intercanvi de calor subterrani, que inclou principalment canonades enterrades, pous subterranis, etc. Com dissenyar un sistema d'intercanvi de calor subterrani amb un cost i un efecte equilibrats sempre ha estat el focus de la investigació d'aquesta part. Al mateix temps, el canvi de temperatura de la capa de sòl subterrani en l'aplicació de la bomba de calor geotèrmica també afecta l'efecte d'ús del sistema de bomba de calor. L'ús de la bomba de calor geotèrmica per refredar l'hivernacle a l'estiu i emmagatzemar l'energia calorífica a la capa profunda del sòl pot alleujar la caiguda de temperatura de la capa subterrània del sòl i millorar l'eficiència de producció de calor de la bomba de calor geotèrmica a l'hivern.

Actualment, en la investigació del rendiment i l'eficiència de la bomba de calor geotèrmica, a través de les dades experimentals reals, s'estableix un model numèric amb programari com TOUGH2 i TRNSYS, i es conclou que el rendiment de calefacció i el coeficient de rendiment (COP) de la bomba de calor geotèrmica poden arribar a 3,0 ~ 4,5, cosa que té un bon efecte de refrigeració i calefacció. En la investigació de l'estratègia de funcionament del sistema de bomba de calor, Fu Yunzhun i altres van descobrir que, en comparació amb el flux del costat de càrrega, el flux del costat geotèrmic té un impacte més gran en el rendiment de la unitat i el rendiment de transferència de calor de la canonada enterrada. Sota la condició de configuració del flux, el valor màxim de COP de la unitat pot arribar a 4,17 adoptant l'esquema de funcionament de 2 hores i aturada durant 2 hores; Shi Huixian i altres van adoptar un mode de funcionament intermitent del sistema de refrigeració per emmagatzematge d'aigua. A l'estiu, quan la temperatura és alta, el COP de tot el sistema de subministrament d'energia pot arribar a 3,80.

Tecnologia d'emmagatzematge de calor profunda al sòl en hivernacle

L'emmagatzematge de calor profund al sòl en hivernacles també s'anomena "banc d'emmagatzematge de calor" en hivernacles. Els danys causats pel fred a l'hivern i les altes temperatures a l'estiu són els principals obstacles per a la producció d'hivernacles. Basant-se en la forta capacitat d'emmagatzematge de calor del sòl profund, el grup de recerca va dissenyar un dispositiu d'emmagatzematge de calor profund subterrani per a hivernacles. El dispositiu és una canonada de transferència de calor paral·lela de doble capa enterrada a una profunditat d'1,5 a 2,5 m sota terra a l'hivernacle, amb una entrada d'aire a la part superior de l'hivernacle i una sortida d'aire a terra. Quan la temperatura a l'hivernacle és alta, l'aire interior es bomba a força al terra mitjançant un ventilador per aconseguir l'emmagatzematge de calor i la reducció de la temperatura. Quan la temperatura de l'hivernacle és baixa, s'extreu calor del sòl per escalfar l'hivernacle. Els resultats de producció i aplicació mostren que el dispositiu pot augmentar la temperatura de l'hivernacle en 2,3 ℃ a la nit d'hivern, reduir la temperatura interior en 2,6 ℃ al dia d'estiu i augmentar el rendiment del tomàquet en 1500 kg en 667 m².²El dispositiu aprofita al màxim les característiques de "càlid a l'hivern i fresc a l'estiu" i "temperatura constant" del sòl subterrani profund, proporciona un "banc d'accés a l'energia" per a l'hivernacle i completa contínuament les funcions auxiliars de refrigeració i calefacció de l'hivernacle.

Coordinació multienergètica

L'ús de dos o més tipus d'energia per escalfar l'hivernacle pot compensar eficaçment els desavantatges d'un sol tipus d'energia i donar lloc a l'efecte de superposició de "un més un és més gran que dos". La cooperació complementària entre l'energia geotèrmica i l'energia solar és un punt de recerca important en la nova utilització de l'energia en la producció agrícola dels darrers anys. Emmi et al. van estudiar un sistema d'energia multifont (Figura 1), que està equipat amb un col·lector solar híbrid fotovoltaic-tèrmic. En comparació amb el sistema comú de bomba de calor aire-aigua, l'eficiència energètica del sistema d'energia multifont millora entre un 16% i un 25%. Zheng et al. van desenvolupar un nou tipus de sistema d'emmagatzematge de calor acoblat d'energia solar i bomba de calor geotèrmica. El sistema de col·lector solar pot aconseguir un emmagatzematge estacional d'alta qualitat de la calefacció, és a dir, calefacció d'alta qualitat a l'hivern i refrigeració d'alta qualitat a l'estiu. L'intercanviador de calor de tubs enterrats i el dipòsit d'emmagatzematge de calor intermitent poden funcionar bé al sistema i el valor COP del sistema pot arribar a 6,96.

Combinat amb l'energia solar, pretén reduir el consum d'energia comercial i millorar l'estabilitat del subministrament d'energia solar en hivernacles. Wan Ya et al. van proposar un nou esquema de tecnologia de control intel·ligent per combinar la generació d'energia solar amb energia comercial per a la calefacció d'hivernacles, que pot fer ús de l'energia fotovoltaica quan hi ha llum i convertir-la en energia comercial quan no hi ha llum, reduint considerablement la taxa d'escassetat d'energia de càrrega i reduint el cost econòmic sense utilitzar bateries.

L'energia solar, l'energia de biomassa i l'energia elèctrica poden escalfar conjuntament hivernacles, cosa que també permet aconseguir una alta eficiència de calefacció. Zhang Liangrui i altres van combinar la recollida de calor per tubs de buit solars amb un dipòsit d'aigua d'emmagatzematge de calor elèctrica de vall. El sistema de calefacció d'hivernacles té un bon confort tèrmic i l'eficiència de calefacció mitjana del sistema és del 68,70%. El dipòsit d'aigua d'emmagatzematge de calor elèctric és un dispositiu d'emmagatzematge d'aigua de calefacció de biomassa amb calefacció elèctrica. S'estableix la temperatura més baixa d'entrada d'aigua a l'extrem de calefacció i l'estratègia de funcionament del sistema es determina segons la temperatura d'emmagatzematge d'aigua de la part de recollida de calor solar i la part d'emmagatzematge de calor de biomassa, per tal d'aconseguir una temperatura de calefacció estable a l'extrem de calefacció i estalviar energia elèctrica i materials energètics de biomassa al màxim.

Recerca innovadora i aplicació de nous materials per a hivernacles

Amb l'expansió de la superfície d'hivernacles, els desavantatges d'aplicació dels materials tradicionals d'hivernacle, com ara els maons i la terra, es revelen cada cop més. Per tant, per tal de millorar encara més el rendiment tèrmic de l'hivernacle i satisfer les necessitats de desenvolupament dels hivernacles moderns, hi ha moltes investigacions i aplicacions de nous materials de recobriment transparents, materials d'aïllament tèrmic i materials per a parets.

Recerca i aplicació de nous materials de recobriment transparents

Els tipus de materials de recobriment transparents per a hivernacles inclouen principalment pel·lícules de plàstic, vidre, panells solars i panells fotovoltaics, entre els quals les pel·lícules de plàstic tenen la major àrea d'aplicació. La pel·lícula de PE tradicional per a hivernacles té els defectes de curta vida útil, no degradació i funció única. Actualment, s'han desenvolupat diverses noves pel·lícules funcionals afegint-hi reactius o recobriments funcionals.

Pel·lícula de conversió de llum:La pel·lícula de conversió de llum canvia les propietats òptiques de la pel·lícula mitjançant l'ús d'agents de conversió de llum com ara terres rares i nanomaterials, i pot convertir la regió de la llum ultraviolada en llum vermella taronja i llum blava violeta necessària per a la fotosíntesi de les plantes, augmentant així el rendiment dels cultius i reduint els danys de la llum ultraviolada als cultius i a les pel·lícules d'hivernacle en hivernacles de plàstic. Per exemple, la pel·lícula d'hivernacle de banda ampla de color porpra a vermell amb agent de conversió de llum VTR-660 pot millorar significativament la transmitància infraroja quan s'aplica a l'hivernacle i, en comparació amb l'hivernacle de control, el rendiment de tomàquet per hectàrea, el contingut de vitamina C i licopè augmenten significativament en un 25,71%, 11,11% i 33,04% respectivament. Tanmateix, actualment, encara cal estudiar la vida útil, la degradabilitat i el cost de la nova pel·lícula de conversió de llum.

Vidre dispersEl vidre dispers en hivernacle és un patró especial i tecnologia antireflexió a la superfície del vidre, que pot maximitzar la llum solar en llum dispersa i entrar a l'hivernacle, millorar l'eficiència de la fotosíntesi dels cultius i augmentar el rendiment dels cultius. El vidre dispers converteix la llum que entra a l'hivernacle en llum dispersa a través de patrons especials, i la llum dispersa es pot irradiar més uniformement a l'hivernacle, eliminant la influència d'ombra de l'esquelet a l'hivernacle. En comparació amb el vidre flotat ordinari i el vidre flotat ultra blanc, l'estàndard de transmitància de la llum del vidre dispers és del 91,5%, i el del vidre flotat ordinari és del 88%. Per cada augment de l'1% en la transmitància de la llum dins de l'hivernacle, el rendiment es pot augmentar aproximadament un 3%, i el sucre soluble i la vitamina C en fruites i verdures han augmentat. El vidre dispers en hivernacle es recobreix primer i després es tempera, i la taxa d'autoexplosió és superior a l'estàndard nacional, arribant al 2‰.

Recerca i aplicació de nous materials d'aïllament tèrmic

Els materials d'aïllament tèrmic tradicionals per a hivernacles inclouen principalment estores de palla, edredons de paper, edredons d'aïllament tèrmic de feltre agullat, etc., que s'utilitzen principalment per a l'aïllament tèrmic intern i extern de teulades, aïllament de parets i aïllament tèrmic d'alguns dispositius d'emmagatzematge i recollida de calor. La majoria tenen el defecte de perdre el rendiment d'aïllament tèrmic a causa de la humitat interna després d'un ús a llarg termini. Per tant, hi ha moltes aplicacions de nous materials d'alt aïllament tèrmic, entre les quals el nou edredó d'aïllament tèrmic, els dispositius d'emmagatzematge i recollida de calor són el focus de la investigació.

Els nous materials d'aïllament tèrmic se solen fabricar processant i combinant materials impermeables a la superfície i resistents a l'envelliment, com ara pel·lícules teixides i feltre recobert, amb materials d'aïllament tèrmic esponjosos com ara cotó recobert amb polvorització, caixmir divers i cotó perlat. Al nord-est de la Xina es va provar un edredó aïllant tèrmic de cotó recobert amb polvorització de pel·lícula teixida. Es va descobrir que afegir 500 g de cotó recobert amb polvorització equivalia al rendiment d'aïllament tèrmic d'un edredó aïllant tèrmic de feltre negre de 4500 g del mercat. En les mateixes condicions, el rendiment d'aïllament tèrmic del cotó recobert amb polvorització de 700 g va millorar en 1~2 ℃ en comparació amb el d'un edredó aïllant tèrmic de cotó recobert amb polvorització de 500 g. Al mateix temps, altres estudis també van trobar que, en comparació amb els edredons aïllants tèrmics d'ús comú al mercat, l'efecte d'aïllament tèrmic dels edredons aïllants tèrmics de cotó recoberts amb polvorització i caixmir divers és millor, amb taxes d'aïllament tèrmic del 84,0% i el 83,3% respectivament. Quan la temperatura exterior més freda és de -24,4 ℃, la temperatura interior pot arribar als 5,4 i 4,2 ℃ respectivament. En comparació amb l'edredó aïllant de palla única, el nou edredó aïllant compost té els avantatges de pes lleuger, alta taxa d'aïllament, forta resistència a l'aigua i a l'envelliment, i es pot utilitzar com un nou tipus de material aïllant d'alta eficiència per a hivernacles solars.

Alhora, segons la investigació de materials d'aïllament tèrmic per a dispositius de recollida i emmagatzematge de calor d'hivernacles, també es constata que quan el gruix és el mateix, els materials d'aïllament tèrmic compostos multicapa tenen un millor rendiment d'aïllament tèrmic que els materials individuals. L'equip del professor Li Jianming de la Northwest A&F University va dissenyar i seleccionar 22 tipus de materials d'aïllament tèrmic per a dispositius d'emmagatzematge d'aigua d'hivernacles, com ara plaques de buit, aerogel i cotó de cautxú, i va mesurar les seves propietats tèrmiques. Els resultats van mostrar que el material d'aïllament compost de cotó de cautxú-plàstic amb recobriment d'aïllament tèrmic de 80 mm podia reduir la dissipació de calor en 0,367 MJ per unitat de temps en comparació amb el cotó de cautxú-plàstic de 80 mm, i el seu coeficient de transferència de calor era de 0,283 W/(m2·k) quan el gruix de la combinació d'aïllament era de 100 mm.

El material de canvi de fase és un dels punts clau en la investigació de materials d'hivernacle. La Northwest A&F University ha desenvolupat dos tipus de dispositius d'emmagatzematge de materials de canvi de fase: un és una caixa d'emmagatzematge feta de polietilè negre, que té una mida de 50 cm × 30 cm × 14 cm (llargada × alçada × gruix) i està plena de materials de canvi de fase, de manera que pot emmagatzemar calor i alliberar calor; En segon lloc, es desenvolupa un nou tipus de tauler de paret de canvi de fase. El tauler de paret de canvi de fase consisteix en material de canvi de fase, placa d'alumini, placa d'alumini-plàstic i aliatge d'alumini. El material de canvi de fase es troba a la posició més central del tauler de paret, i la seva especificació és de 200 mm × 200 mm × 50 mm. És un sòlid en pols abans i després del canvi de fase, i no hi ha cap fenomen de fusió ni flux. Les quatre parets del material de canvi de fase són placa d'alumini i placa d'alumini-plàstic, respectivament. Aquest dispositiu pot realitzar les funcions d'emmagatzemar principalment calor durant el dia i principalment alliberar calor a la nit.

Per tant, hi ha alguns problemes en l'aplicació d'un sol material d'aïllament tèrmic, com ara una baixa eficiència d'aïllament tèrmic, una gran pèrdua de calor, un temps d'emmagatzematge de calor curt, etc. Per tant, l'ús de material d'aïllament tèrmic compost com a capa d'aïllament tèrmic i capa de recobriment d'aïllament tèrmic interior i exterior del dispositiu d'emmagatzematge de calor pot millorar eficaçment el rendiment d'aïllament tèrmic de l'hivernacle, reduir la pèrdua de calor de l'hivernacle i, per tant, aconseguir l'efecte d'estalvi d'energia.

Recerca i aplicació de New Wall

Com a tipus d'estructura de tancament, la paret és una barrera important per a la protecció contra el fred i la conservació de la calor de l'hivernacle. Segons els materials i les estructures de la paret, el desenvolupament de la paret nord de l'hivernacle es pot dividir en tres tipus: la paret d'una sola capa feta de terra, maons, etc., i la paret nord en capes feta de maons d'argila, maons de bloc, plaques de poliestirè, etc., amb emmagatzematge de calor interior i aïllament tèrmic exterior, i la majoria d'aquestes parets requereixen molt de temps i mà d'obra; per tant, en els darrers anys, han aparegut molts tipus nous de parets, que són fàcils de construir i adequades per a un muntatge ràpid.

L'aparició de nous tipus de parets ensamblades promou el ràpid desenvolupament d'hivernacles ensamblats, incloent-hi nous tipus de parets compostes amb materials superficials externs impermeables i antienvelliment i materials com feltre, cotó perlat, cotó espacial, cotó de vidre o cotó reciclat com a capes d'aïllament tèrmic, com ara parets flexibles ensamblades de cotó polvoritzat a Xinjiang. A més, altres estudis també han informat de la paret nord d'un hivernacle ensamblat amb una capa d'emmagatzematge de calor, com ara un bloc de morter de closca de blat farcit de maó a Xinjiang. En el mateix entorn extern, quan la temperatura exterior més baixa és de -20,8 ℃, la temperatura a l'hivernacle solar amb paret composta de bloc de morter de closca de blat és de 7,5 ℃, mentre que la temperatura a l'hivernacle solar amb paret de maó i formigó és de 3,2 ℃. El temps de collita del tomàquet en un hivernacle de maó es pot avançar 16 dies i el rendiment d'un sol hivernacle es pot augmentar un 18,4%.

L'equip de la Northwest A&F University va proposar la idea de disseny de convertir palla, terra, aigua, pedra i materials de canvi de fase en mòduls d'aïllament tèrmic i emmagatzematge de calor des de l'angle de la llum i un disseny de paret simplificat, cosa que va promoure la investigació d'aplicacions de parets modulars assemblades. Per exemple, en comparació amb un hivernacle de paret de maó ordinari, la temperatura mitjana a l'hivernacle és 4,0 ℃ més alta en un dia assolellat típic. Tres tipus de mòduls de ciment de canvi de fase inorgànic, que estan fets de material de canvi de fase (PCM) i ciment, han acumulat calor de 74,5, 88,0 i 95,1 MJ/m².³, i va alliberar calor de 59,8, 67,8 i 84,2 MJ/m³, respectivament. Tenen les funcions de "tallar els pics" durant el dia, "omplir la vall" a la nit, absorbir la calor a l'estiu i alliberar-la a l'hivern.

Aquestes noves parets es munten in situ, amb un període de construcció curt i una llarga vida útil, cosa que crea les condicions per a la construcció d'hivernacles prefabricats lleugers, simplificats i de muntatge ràpid, i pot promoure enormement la reforma estructural dels hivernacles. Tanmateix, hi ha alguns defectes en aquest tipus de paret, com ara que la paret de cotó aïllant tèrmicament amb polvorització té un excel·lent rendiment d'aïllament tèrmic, però no té capacitat d'emmagatzematge de calor, i el material de construcció de canvi de fase té el problema d'un cost d'ús elevat. En el futur, s'hauria de reforçar la investigació d'aplicacions de parets muntades.

Nova energia, nous materials i nous dissenys ajuden a canviar l'estructura de l'hivernacle.

La recerca i la innovació en noves energies i nous materials proporcionen la base per a la innovació en el disseny d'hivernacles. Els hivernacles solars d'estalvi d'energia i els coberts d'arc són les estructures de cobert més grans de la producció agrícola de la Xina i tenen un paper important en la producció agrícola. Tanmateix, amb el desenvolupament de l'economia social de la Xina, les deficiències dels dos tipus d'estructures d'instal·lacions es presenten cada cop més. En primer lloc, l'espai de les estructures d'instal·lacions és petit i el grau de mecanització és baix; en segon lloc, l'hivernacle solar d'estalvi d'energia té un bon aïllament tèrmic, però l'ús del sòl és baix, cosa que equival a substituir l'energia de l'hivernacle per terra. Els coberts d'arc ordinaris no només tenen un espai petit, sinó que també tenen un aïllament tèrmic deficient. Tot i que l'hivernacle de diversos trams té un gran espai, té un aïllament tèrmic deficient i un alt consum d'energia. Per tant, és imprescindible investigar i desenvolupar l'estructura d'hivernacle adequada al nivell social i econòmic actual de la Xina, i la recerca i el desenvolupament de noves energies i nous materials ajudaran a canviar l'estructura de l'hivernacle i a produir una varietat de models o estructures d'hivernacle innovadores.

Recerca innovadora sobre hivernacles de cervesa asimètrics de gran envergadura controlats per aigua

L'hivernacle de cervesa asimètric de gran envergadura amb control d'aigua (número de patent: ZL 201220391214.2) es basa en el principi de l'hivernacle de llum solar, canviant l'estructura simètrica d'un hivernacle de plàstic ordinari, augmentant la llum sud, augmentant la zona d'il·luminació de la teulada sud, reduint la llum nord i reduint la zona de dissipació de calor, amb una llum de 18~24 m i una alçada de carener de 6~7 m. Gràcies a la innovació en el disseny, l'estructura espacial s'ha incrementat significativament. Al mateix temps, els problemes de calor insuficient a l'hivernacle i el mal aïllament tèrmic dels materials d'aïllament tèrmic comuns es resolen mitjançant l'ús de noves tecnologies de calor de cervesa de biomassa i materials d'aïllament tèrmic. Els resultats de la producció i la investigació mostren que l'hivernacle de cervesa asimètric de gran envergadura amb control d'aigua, amb una temperatura mitjana d'11,7 ℃ en dies assolellats i 10,8 ℃ en dies ennuvolats, pot satisfer la demanda de creixement dels cultius a l'hivern, i el cost de construcció de l'hivernacle es redueix en un 39,6% i la taxa d'utilització del sòl augmenta en més d'un 30% en comparació amb la de l'hivernacle de paret de maó de poliestirè, que és adequat per a una major popularització i aplicació a la conca del riu Huaihe Groc de la Xina.

Hivernacle de llum solar muntat

L'hivernacle solar muntat pren columnes i esquelet de sostre com a estructura portant, i el material de la paret és principalment un tancament d'aïllament tèrmic, en lloc d'emmagatzematge i alliberament passiu de calor portant. Principalment: (1) es forma un nou tipus de paret muntada combinant diversos materials com ara pel·lícula recoberta o xapa d'acer de color, bloc de palla, edredó aïllant tèrmic flexible, bloc de morter, etc. (2) tauler de paret compost fet de tauler de ciment prefabricat, tauler de poliestirè i tauler de ciment; (3) Tipus de muntatge lleuger i senzill de materials d'aïllament tèrmic amb sistema actiu d'emmagatzematge i alliberament de calor i sistema de deshumidificació, com ara l'emmagatzematge de calor en cubells quadrats de plàstic i l'emmagatzematge de calor en canonades. L'ús de diferents materials d'aïllament tèrmic nous i materials d'emmagatzematge de calor en lloc de la paret de terra tradicional per construir un hivernacle solar té un gran espai i petites obres civils. Els resultats experimentals mostren que la temperatura de l'hivernacle a la nit a l'hivern és 4,5 ℃ més alta que la de l'hivernacle tradicional de paret de maó, i el gruix de la paret posterior és de 166 mm. En comparació amb l'hivernacle de paret de maó de 600 mm de gruix, la superfície ocupada de la paret es redueix en un 72% i el cost per metre quadrat és de 334,5 iuans, 157,2 iuans menys que el de l'hivernacle de paret de maó, i el cost de construcció ha disminuït significativament. Per tant, l'hivernacle muntat té els avantatges d'una menor destrucció de terres cultivades, estalvi de terres, velocitat de construcció ràpida i llarga vida útil, i és una direcció clau per a la innovació i el desenvolupament d'hivernacles solars en el present i en el futur.

Hivernacle corredís de llum solar

L'hivernacle solar d'estalvi d'energia muntat amb monopatí, desenvolupat per la Universitat Agrícola de Shenyang, utilitza la paret posterior de l'hivernacle solar per formar un sistema d'emmagatzematge de calor de paret circulant d'aigua per emmagatzemar calor i augmentar la temperatura, que es compon principalment d'una piscina (32 m³), una placa col·lectora de llum (360 m²), una bomba d'aigua, una canonada d'aigua i un controlador. L'edredó d'aïllament tèrmic flexible es substitueix per un nou material lleuger de placa d'acer de color llana de roca a la part superior. La investigació mostra que aquest disseny resol eficaçment el problema dels gablets que bloquegen la llum i augmenta la zona d'entrada de llum de l'hivernacle. L'angle d'il·luminació de l'hivernacle és de 41,5°, gairebé 16° més alt que el de l'hivernacle de control, millorant així la taxa d'il·luminació. La distribució de la temperatura interior és uniforme i les plantes creixen de manera ordenada. L'hivernacle té els avantatges de millorar l'eficiència de l'ús del sòl, dissenyar la mida de l'hivernacle de manera flexible i escurçar el període de construcció, cosa que és de gran importància per a la protecció dels recursos de la terra cultivada i del medi ambient.

hivernacle fotovoltaic

L'hivernacle agrícola és un hivernacle que integra la generació d'energia solar fotovoltaica, el control intel·ligent de la temperatura i la plantació moderna d'alta tecnologia. Adopta una estructura d'os d'acer i està cobert amb mòduls solars fotovoltaics per garantir les necessitats d'il·luminació dels mòduls de generació d'energia fotovoltaica i les necessitats d'il·luminació de tot l'hivernacle. El corrent continu generat per l'energia solar complementa directament la llum dels hivernacles agrícoles, dóna suport directament al funcionament normal dels equips d'hivernacle, impulsa el reg dels recursos hídrics, augmenta la temperatura de l'hivernacle i promou el ràpid creixement dels cultius. Els mòduls fotovoltaics d'aquesta manera afectaran l'eficiència de la il·luminació del sostre de l'hivernacle i, a continuació, afectaran el creixement normal de les verdures d'hivernacle. Per tant, la disposició racional dels panells fotovoltaics al sostre de l'hivernacle esdevé el punt clau d'aplicació. L'hivernacle agrícola és el producte de la combinació orgànica de l'agricultura turística i la jardineria d'instal·lacions, i és una indústria agrícola innovadora que integra la generació d'energia fotovoltaica, el turisme agrícola, els cultius agrícoles, la tecnologia agrícola, el paisatge i el desenvolupament cultural.

Disseny innovador d'un grup d'hivernacles amb interacció energètica entre diferents tipus d'hivernacles

Guo Wenzhong, investigador de l'Acadèmia de Ciències Agrícoles i Forestals de Pequín, utilitza el mètode de calefacció de transferència d'energia entre hivernacles per recollir l'energia calorífica restant en un o més hivernacles per escalfar-ne un altre o més. Aquest mètode de calefacció realitza la transferència d'energia d'hivernacle en el temps i l'espai, millora l'eficiència de la utilització energètica de l'energia calorífica restant de l'hivernacle i redueix el consum total d'energia de calefacció. Els dos tipus d'hivernacles poden ser de diferents tipus o del mateix tipus d'hivernacle per plantar diversos cultius, com ara hivernacles d'enciam i tomàquet. Els mètodes de recollida de calor inclouen principalment l'extracció de calor de l'aire interior i la intercepció directa de la radiació incident. Mitjançant la recollida d'energia solar, la convecció forçada mitjançant un intercanviador de calor i l'extracció forçada mitjançant una bomba de calor, la calor sobrant de l'hivernacle d'alta energia s'extreu per escalfar-lo.

resumir

Aquests nous hivernacles solars tenen els avantatges d'un muntatge ràpid, un període de construcció més curt i una millor taxa d'utilització del sòl. Per tant, cal explorar més a fons el rendiment d'aquests nous hivernacles en diferents zones i oferir la possibilitat de popularitzar i aplicar a gran escala nous hivernacles. Al mateix temps, cal reforçar contínuament l'aplicació de noves energies i nous materials en els hivernacles, per tal de proporcionar energia per a la reforma estructural dels hivernacles.

Perspectiva i reflexió de futur

Els hivernacles tradicionals sovint tenen alguns desavantatges, com ara un alt consum d'energia, una baixa taxa d'utilització del sòl, un consum elevat de temps i mà d'obra, un rendiment deficient, etc., que ja no poden satisfer les necessitats de producció de l'agricultura moderna i que estan destinades a ser eliminades gradualment. Per tant, és una tendència de desenvolupament utilitzar noves fonts d'energia com l'energia solar, l'energia de biomassa, l'energia geotèrmica i l'energia eòlica, nous materials d'aplicació d'hivernacles i nous dissenys per promoure el canvi estructural de l'hivernacle. En primer lloc, el nou hivernacle impulsat per noves energies i nous materials no només hauria de satisfer les necessitats del funcionament mecanitzat, sinó que també hauria d'estalviar energia, terreny i costos. En segon lloc, cal explorar constantment el rendiment dels nous hivernacles en diferents zones, per tal de proporcionar les condicions per a la popularització a gran escala dels hivernacles. En el futur, hauríem de buscar més noves energies i nous materials adequats per a l'aplicació d'hivernacles i trobar la millor combinació de noves energies, nous materials i hivernacle, per tal de fer possible la construcció d'un nou hivernacle amb baix cost, període de construcció curt, baix consum d'energia i excel·lent rendiment, ajudar al canvi estructural de l'hivernacle i promoure el desenvolupament de la modernització dels hivernacles a la Xina.

Tot i que l'aplicació de noves energies, nous materials i nous dissenys en la construcció d'hivernacles és una tendència inevitable, encara hi ha molts problemes per estudiar i superar: (1) Augmenta el cost de construcció. En comparació amb la calefacció tradicional amb carbó, gas natural o petroli, l'aplicació de noves energies i nous materials és respectuosa amb el medi ambient i no contamina, però el cost de construcció augmenta significativament, cosa que té un cert impacte en la recuperació de la inversió en la producció i el funcionament. En comparació amb la utilització d'energia, el cost dels nous materials augmentarà significativament. (2) Utilització inestable de l'energia calorífica. El major avantatge de la nova utilització d'energia és el baix cost operatiu i la baixa emissió de diòxid de carboni, però el subministrament d'energia i calor és inestable, i els dies ennuvolats es converteixen en el factor limitant més gran en la utilització de l'energia solar. En el procés de producció de calor de biomassa per fermentació, la utilització efectiva d'aquesta energia està limitada pels problemes de baixa energia calorífica de fermentació, la gestió i el control difícils i el gran espai d'emmagatzematge per al transport de matèries primeres. (3) Maduresa tecnològica. Aquestes tecnologies utilitzades per les noves energies i els nous materials són investigacions avançades i assoliments tecnològics, i la seva àrea d'aplicació i abast encara són força limitats. No han passat moltes vegades, molts llocs i verificació de pràctiques a gran escala, i inevitablement hi ha algunes deficiències i continguts tècnics que cal millorar en l'aplicació. Els usuaris sovint neguen l'avanç de la tecnologia a causa de les deficiències menors. (4) La taxa de penetració de la tecnologia és baixa. L'aplicació àmplia d'un assoliment científic i tecnològic requereix una certa popularitat. Actualment, les noves energies, les noves tecnologies i la nova tecnologia de disseny d'hivernacles es troben a l'equip de centres de recerca científica a les universitats amb certa capacitat d'innovació, i la majoria dels demandants tècnics o dissenyadors encara no ho saben; Al mateix temps, la popularització i l'aplicació de les noves tecnologies encara són força limitades perquè els equips bàsics de les noves tecnologies estan patentats. (5) Cal reforçar encara més la integració de les noves energies, els nous materials i el disseny d'estructures d'hivernacles. Com que l'energia, els materials i el disseny d'estructures d'hivernacles pertanyen a tres disciplines diferents, els talents amb experiència en disseny d'hivernacles sovint no tenen recerca sobre energia i materials relacionats amb els hivernacles, i viceversa; Per tant, els investigadors relacionats amb la recerca d'energia i materials han d'enfortir la investigació i la comprensió de les necessitats reals del desenvolupament de la indústria dels hivernacles, i els dissenyadors estructurals també han d'estudiar nous materials i noves energies per promoure la integració profunda de les tres relacions, per tal d'aconseguir l'objectiu d'una tecnologia pràctica de recerca d'hivernacles, un baix cost de construcció i un bon efecte d'ús. A partir dels problemes esmentats, es suggereix que els governs estatals, locals i centres de recerca científica intensifiquin la recerca tècnica, duguin a terme investigacions conjuntes en profunditat, enforteixin la publicitat dels assoliments científics i tecnològics, millorin la popularització dels assoliments i aconsegueixin ràpidament l'objectiu de les noves energies i els nous materials per ajudar al nou desenvolupament de la indústria dels hivernacles.

Informació citada

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nova energia, nous materials i nou disseny ajuden a la nova revolució dels hivernacles [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.