Ли Цзяньмин, Сунь Готао и др.Технология сельскохозяйственной инженерии для тепличного садоводства21.11.2022 17:42 Опубликовано в Пекине

В последние годы тепличная индустрия переживает бурный рост. Развитие тепличного хозяйства не только повышает эффективность использования земель и урожайность сельскохозяйственной продукции, но и решает проблему поставок фруктов и овощей в межсезонье. Однако теплицы также сталкиваются с беспрецедентными проблемами. Первоначальные конструкции, методы отопления и конструктивные решения создают препятствия для окружающей среды и развития. Для изменения структуры теплиц срочно необходимы новые материалы и новые конструкции, а также новые источники энергии для достижения целей энергосбережения и защиты окружающей среды, а также для увеличения производства и доходов.

В данной статье рассматривается тема «новые источники энергии, новые материалы, новый дизайн как средство содействия новой революции в тепличной отрасли», включая исследования и инновации в области солнечной энергии, биомассы, геотермальной энергии и других новых источников энергии в теплицах, исследования и применение новых материалов для покрытий, теплоизоляции, стен и другого оборудования, а также перспективы и концепции использования новых источников энергии, новых материалов и нового дизайна для реформирования тепличной отрасли, с целью предоставления рекомендаций для отрасли.

Развитие тепличного сельского хозяйства является политической необходимостью и неизбежным выбором для реализации духа важных указаний и решений центрального правительства. В 2020 году общая площадь защищенного земледелия в Китае составит 2,8 млн га, а стоимость продукции превысит 1 триллион юаней. Это важный способ повышения производственных мощностей теплиц за счет улучшения освещения и теплоизоляции с использованием новых источников энергии, новых материалов и новых конструкций. Традиционное тепличное производство имеет множество недостатков, таких как использование угля, мазута и других источников энергии для отопления, что приводит к большому выбросу углекислого газа, серьезно загрязняющего окружающую среду, в то время как природный газ, электроэнергия и другие источники энергии увеличивают эксплуатационные расходы теплиц. Традиционные материалы для теплоаккумулирующих материалов стен теплиц в основном представляют собой глину и кирпич, которые потребляются в больших количествах и наносят серьезный ущерб земельным ресурсам. Эффективность использования земли в традиционных солнечных теплицах с земляными стенами составляет всего 40–50%, а обычные теплицы имеют низкую теплоаккумулирующую способность, поэтому они не могут обеспечить зимовку и выращивание теплолюбивых овощей в северном Китае. Таким образом, суть продвижения тепличных преобразований, или фундаментальных исследований, заключается в проектировании теплиц, исследованиях и разработке новых материалов и новых источников энергии. В данной статье основное внимание будет уделено исследованиям и инновациям в области новых источников энергии в теплицах, будет обобщен текущий уровень исследований таких источников, как солнечная энергия, энергия биомассы, геотермальная энергия, энергия ветра, а также новых прозрачных покрытий, теплоизоляционных материалов и стеновых материалов для теплиц, будет проанализировано применение новых источников энергии и новых материалов в строительстве новых теплиц, а также рассмотрена их роль в будущем развитии и трансформации тепличной отрасли.

Исследования и инновации в области новых источников энергии для теплиц

К числу экологически чистых новых источников энергии с наибольшим потенциалом использования в сельском хозяйстве относятся солнечная энергия, геотермальная энергия и энергия биомассы, или же комплексное использование различных новых источников энергии с целью достижения эффективного использования энергии путем взаимного обмена опытом и знаниями.

солнечная энергия/энергия

Технология использования солнечной энергии — это низкоуглеродный, эффективный и устойчивый способ энергоснабжения, являющийся важной составляющей стратегически важных развивающихся отраслей Китая. В будущем она станет неизбежным выбором для трансформации и модернизации энергетической структуры страны. С точки зрения энергопотребления, сама теплица представляет собой инфраструктурное сооружение для использования солнечной энергии. Благодаря парниковому эффекту солнечная энергия собирается внутри помещения, повышается температура в теплице и обеспечивается необходимое тепло для роста растений. Основным источником энергии для фотосинтеза тепличных растений является прямой солнечный свет, что представляет собой прямое использование солнечной энергии.

01. Фотоэлектрическая генерация энергии для выработки тепла.

Фотоэлектрическая генерация энергии — это технология, которая напрямую преобразует световую энергию в электрическую на основе фотоэлектрического эффекта. Ключевым элементом этой технологии является солнечная батарея. Когда солнечная энергия попадает на массив солнечных панелей, соединенных последовательно или параллельно, полупроводниковые компоненты напрямую преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую энергию. Фотоэлектрическая технология позволяет напрямую преобразовывать световую энергию в электрическую, накапливать электроэнергию в батареях и обогревать теплицу ночью, но её высокая стоимость ограничивает дальнейшее развитие. Исследовательская группа разработала фотоэлектрическое устройство для нагрева графена, которое состоит из гибких фотоэлектрических панелей, универсального устройства реверсивного управления, аккумуляторной батареи и графенового нагревательного стержня. В зависимости от длины линии посадки графеновый нагревательный стержень закапывается под мешок с субстратом. В течение дня фотоэлектрические панели поглощают солнечное излучение для генерации электроэнергии и накапливают её в аккумуляторной батарее, а затем ночью эта электроэнергия высвобождается для графенового нагревательного стержня. В ходе фактических измерений использовался режим регулирования температуры с началом работы при 17℃ и завершением при 19℃. При работе системы в ночное время (с 20:00 до 08:00 второго дня) в течение 8 часов потребление энергии на обогрев одного ряда растений составляет 1,24 кВт·ч, а средняя температура мешка с субстратом ночью составляет 19,2℃, что на 3,5–5,3℃ выше, чем в контрольном варианте. Этот метод обогрева в сочетании с фотоэлектрической генерацией энергии решает проблемы высокого энергопотребления и высокого уровня загрязнения при отоплении теплиц зимой.

02 фототермическое преобразование и использование

Фототермическое преобразование солнечной энергии подразумевает использование специальной поверхности для сбора солнечного света, изготовленной из фототермических материалов, для сбора и поглощения максимально возможного количества излучаемой солнечной энергии и преобразования её в тепловую энергию. По сравнению с солнечными фотоэлектрическими системами, фототермические системы увеличивают поглощение ближнего инфракрасного диапазона, поэтому обладают более высокой эффективностью использования солнечной энергии, меньшей стоимостью и зрелой технологией, и являются наиболее широко используемым способом использования солнечной энергии.

Наиболее зрелой технологией фототермического преобразования и использования в Китае является солнечный коллектор, основным компонентом которого является теплопоглощающая пластина с селективным абсорбирующим покрытием, способная преобразовывать энергию солнечного излучения, проходящую через защитную пластину, в тепловую энергию и передавать ее теплопоглощающей рабочей среде. Солнечные коллекторы можно разделить на две категории в зависимости от наличия или отсутствия вакуумного пространства внутри коллектора: плоские солнечные коллекторы и вакуумные трубчатые солнечные коллекторы; концентрирующие солнечные коллекторы и неконцентрирующие солнечные коллекторы в зависимости от изменения направления солнечного излучения в выходном отверстии; и жидкостные солнечные коллекторы и воздушные солнечные коллекторы в зависимости от типа теплоносителя.

Использование солнечной энергии в теплицах в основном осуществляется с помощью различных типов солнечных коллекторов. Университет Ибн Зора в Марокко разработал активную систему солнечного отопления (ASHS) для обогрева теплиц, которая может увеличить общий урожай томатов на 55% зимой. Китайский сельскохозяйственный университет разработал и создал систему сбора и отвода тепла с поверхностным охладителем и вентилятором, обладающую теплоаккумулирующей способностью 390,6–693,0 МДж, и предложил идею разделения процесса сбора тепла и процесса его аккумулирования с помощью теплового насоса. Университет Бари в Италии разработал полигенерационную систему отопления теплиц, которая состоит из системы солнечной энергии и воздушно-водяного теплового насоса и может повысить температуру воздуха на 3,6% и температуру почвы на 92%. Исследовательская группа разработала активное оборудование для сбора солнечного тепла с изменяемым углом наклона для солнечных теплиц, а также вспомогательное устройство для аккумулирования тепла в тепличном водоеме в зависимости от погодных условий. Технология активного сбора солнечного тепла с переменным наклоном преодолевает ограничения традиционного оборудования для сбора тепла в теплицах, такие как ограниченная теплоемкость, затенение и занимаемая площадь. Благодаря использованию специальной конструкции солнечной теплицы, полностью используется пространство, не предназначенное для посадки растений, что значительно повышает эффективность использования тепличного пространства. В типичных солнечных условиях работы система активного сбора солнечного тепла с переменным наклоном достигает 1,9 МДж/(м²·ч), эффективность использования энергии составляет 85,1%, а коэффициент энергосбережения — 77%. В технологии аккумулирования тепла в теплицах используется многофазная структура аккумулирования тепла, увеличивается теплоемкость устройства аккумулирования тепла и обеспечивается медленное высвобождение тепла из устройства, что позволяет эффективно использовать тепло, собранное тепловым оборудованием для сбора солнечного тепла в теплицах.

энергия биомассы

Новая конструкция сооружения создается путем объединения устройства для производства тепла из биомассы с теплицей, а сырье из биомассы, такое как свиной навоз, остатки грибов и солома, компостируется для получения тепла, а генерируемая тепловая энергия напрямую подается в теплицу [5]. По сравнению с теплицей без бака для обогрева с использованием биомассы, обогреваемая теплица может эффективно повышать температуру грунта в теплице и поддерживать надлежащую температуру корней культур, выращиваемых в почве, в условиях нормального климата зимой. В качестве примера рассмотрим однослойную асимметричную теплоизоляционную теплицу с пролетом 17 м и длиной 30 м. Добавление 8 м сельскохозяйственных отходов (смесь томатной соломы и свиного навоза) в внутренний бак для естественного брожения без переворачивания кучи может повысить среднюю суточную температуру теплицы на 4,2 ℃ зимой, а средняя минимальная суточная температура может достигать 4,6 ℃.

Контролируемое использование энергии биомассы в процессе ферментации — это метод ферментации, при котором используются приборы и оборудование для контроля процесса ферментации с целью быстрого получения и эффективного использования тепловой энергии биомассы и газообразного удобрения CO2. Ключевыми факторами, регулирующими тепловыделение и газообразование биомассы в процессе ферментации, являются вентиляция и влажность. В условиях вентиляции аэробные микроорганизмы в ферментационной куче используют кислород для жизнедеятельности, часть вырабатываемой энергии используется для их собственной жизнедеятельности, а часть выделяется в окружающую среду в виде тепловой энергии, что способствует повышению температуры окружающей среды. Вода участвует во всем процессе ферментации, обеспечивая необходимые растворимые питательные вещества для микробной активности, и одновременно выделяет тепло из кучи в виде пара через воду, тем самым снижая температуру кучи, продлевая жизнь микроорганизмов и повышая общую температуру кучи. Установка устройства для промывки соломы в бродильном резервуаре может повысить температуру в помещении на 3–5 ℃ зимой, усилить фотосинтез растений и увеличить урожайность томатов на 29,6%.

Геотермальная энергия

Китай богат геотермальными ресурсами. В настоящее время наиболее распространенным способом использования геотермальной энергии в сельском хозяйстве является применение тепловых насосов с грунтовым источником тепла, которые позволяют преобразовывать низкотемпературную тепловую энергию в высокотемпературную за счет небольшого количества высокотемпературной энергии (например, электроэнергии). В отличие от традиционных методов отопления теплиц, отопление с помощью тепловых насосов с грунтовым источником тепла не только обеспечивает значительный тепловой эффект, но и позволяет охлаждать теплицу и снижать влажность в ней. Исследования по применению тепловых насосов с грунтовым источником тепла в жилищном строительстве достаточно развиты. Ключевым элементом, влияющим на тепло- и холодопроизводительность теплового насоса с грунтовым источником тепла, является подземный теплообменный модуль, который в основном включает в себя заглубленные трубы, подземные колодцы и т. д. Разработка системы подземного теплообмена с учетом баланса затрат и эффективности всегда была в центре внимания исследований в этой области. В то же время, изменение температуры подземного слоя почвы при применении теплового насоса с грунтовым источником тепла также влияет на эффективность работы системы. Использование геотермального теплового насоса для охлаждения теплицы летом и аккумулирования тепловой энергии в глубоких слоях почвы позволяет смягчить падение температуры подземного слоя почвы и повысить эффективность тепловыделения геотермального теплового насоса зимой.

В настоящее время в исследованиях производительности и эффективности геотермальных тепловых насосов, на основе фактических экспериментальных данных, с использованием программного обеспечения TOUGH2 и TRNSYS, создана численная модель, и установлено, что тепловая эффективность и коэффициент полезного действия (КПД) геотермального теплового насоса могут достигать 3,0–4,5, что свидетельствует о хорошем эффекте охлаждения и обогрева. В исследованиях стратегии работы системы теплового насоса Фу Юньчжунь и другие обнаружили, что по сравнению с потоком со стороны нагрузки, поток со стороны геотермального источника оказывает большее влияние на производительность установки и теплопередачу в заглубленном трубопроводе. При заданном режиме потока максимальное значение КПД установки может достигать 4,17 при использовании схемы работы с 2-часовым циклом работы и 2-часовым перерывом; Ши Хуэйсянь и другие использовали прерывистый режим работы системы охлаждения с водонагревателем. Летом, когда температура высока, КПД всей системы энергоснабжения может достигать 3,80.

Технология глубокого хранения тепла в почве в теплице

Глубокое накопление тепла в почве теплицы также называют «тепловым аккумулятором». Основными препятствиями для тепличного производства являются повреждения от холода зимой и высокие температуры летом. Основываясь на высокой теплоаккумулирующей способности глубокого слоя почвы, исследовательская группа разработала подземное устройство для глубокого накопления тепла в теплице. Устройство представляет собой двухслойный параллельный теплообменный трубопровод, заглубленный на глубину 1,5–2,5 м под землей в теплице, с воздухозаборником в верхней части теплицы и воздуховыпускным отверстием на земле. Когда температура в теплице высока, воздух внутри помещения принудительно закачивается в грунт с помощью вентилятора для накопления тепла и снижения температуры. Когда температура в теплице низка, тепло извлекается из почвы для обогрева теплицы. Результаты производства и применения показывают, что устройство может повысить температуру в теплице на 2,3℃ зимой ночью, снизить температуру внутри помещения на 2,6℃ летом днем ​​и увеличить урожайность томатов на 1500 кг на площади 667 м².²Устройство в полной мере использует характеристики «тепла зимой и прохлады летом» и «постоянной температуры» глубоких слоев грунта, обеспечивает «энергетический резерв» для теплицы и непрерывно выполняет вспомогательные функции охлаждения и обогрева теплицы.

Многоэнергетическая координация

Использование двух или более типов энергии для обогрева теплицы может эффективно компенсировать недостатки использования одного типа энергии и задействовать эффект суперпозиции «один плюс один больше двух». Взаимодополняющее сотрудничество между геотермальной и солнечной энергией является одним из наиболее актуальных направлений исследований в области использования новых источников энергии в сельскохозяйственном производстве в последние годы. Эмми и др. исследовали многоисточниковую энергетическую систему (рис. 1), оснащенную гибридным фотоэлектрическим тепловым солнечным коллектором. По сравнению с обычной системой тепловых насосов типа «воздух-вода», энергетическая эффективность многоисточниковой энергетической системы повышается на 16–25%. Чжэн и др. разработали новый тип сопряженной системы аккумулирования тепла, сочетающей солнечную энергию и тепловой насос с грунтовым источником тепла. Система солнечных коллекторов позволяет осуществлять высококачественное сезонное аккумулирование тепла, то есть высококачественное отопление зимой и высококачественное охлаждение летом. В системе эффективно работают как заглубленный трубчатый теплообменник, так и резервуар для периодического аккумулирования тепла, а коэффициент полезного действия системы достигает 6,96.

В сочетании с солнечной энергией это позволяет снизить потребление электроэнергии от коммерческих предприятий и повысить стабильность электроснабжения теплиц. Ван Я и др. предложили новую схему интеллектуального управления, сочетающую выработку солнечной энергии с электроэнергией от коммерческих предприятий для отопления теплиц. Эта схема позволяет использовать энергию фотоэлектрических панелей при наличии света и преобразовывать ее в электроэнергию от коммерческих предприятий при отсутствии света, значительно снижая частоту дефицита электроэнергии и экономически невыгодное использование батарей.

Солнечная энергия, энергия биомассы и электрическая энергия могут совместно использоваться для обогрева теплиц, что также позволяет достичь высокой эффективности отопления. Чжан Лянжуй и другие объединили систему сбора тепла с помощью солнечных вакуумных трубок и систему аккумулирования тепла с помощью водонагревательного бака. Система отопления теплицы обеспечивает хороший тепловой комфорт, а средняя эффективность отопления составляет 68,70%. Водонагревательный бак представляет собой устройство для аккумулирования тепла с использованием биомассы и электрического нагрева. Устанавливается минимальная температура воды на входе в нагревательный элемент, а стратегия работы системы определяется в соответствии с температурой воды в системе сбора солнечной энергии и системе аккумулирования тепла с использованием биомассы, чтобы обеспечить стабильную температуру нагрева и максимально сэкономить электроэнергию и биоматериалы.

Инновационные исследования и применение новых тепличных материалов

С расширением площадей теплиц все чаще выявляются недостатки традиционных тепличных материалов, таких как кирпич и грунт. Поэтому, чтобы еще больше улучшить тепловые характеристики теплиц и удовлетворить потребности развития современных теплиц, проводится множество исследований и применяется разработка новых прозрачных покрывных материалов, теплоизоляционных материалов и стеновых материалов.

Исследование и применение новых прозрачных покрывающих материалов.

К основным типам прозрачных покрывающих материалов для теплиц относятся полиэтиленовая пленка, стекло, солнечные панели и фотоэлектрические панели, причем полиэтиленовая пленка имеет наибольшую область применения. Традиционная полиэтиленовая пленка для теплиц имеет недостатки, такие как короткий срок службы, неразлагаемость и однофункциональность. В настоящее время разработано множество новых функциональных пленок путем добавления функциональных реагентов или покрытий.

Светопреобразующая пленка:Пленка, преобразующая свет, изменяет свои оптические свойства за счет использования светопреобразователей, таких как редкоземельные элементы и наноматериалы, и может преобразовывать ультрафиолетовый диапазон света в красно-оранжевый и сине-фиолетовый свет, необходимые для фотосинтеза растений, тем самым увеличивая урожайность и уменьшая вредное воздействие ультрафиолетового излучения на растения и тепличные пленки в пластиковых теплицах. Например, широкополосная тепличная пленка, преобразующая фиолетовый свет в красный, с светопреобразователем VTR-660 может значительно улучшить пропускание инфракрасного излучения при применении в теплицах, и по сравнению с контрольной теплицей урожайность томатов на гектар, содержание витамина С и ликопина значительно увеличиваются на 25,71%, 11,11% и 33,04% соответственно. Однако в настоящее время еще предстоит изучить срок службы, биоразлагаемость и стоимость новой светопреобразующей пленки.

Разбросанные осколки стеклаРассеивающий стекло в теплице — это стекло со специальным рисунком и антибликовой технологией на поверхности, позволяющее максимально преобразовать солнечный свет в рассеянный и проникающий в теплицу, повысить эффективность фотосинтеза растений и увеличить урожайность. Рассеивающий свет преобразует проникающий в теплицу свет в рассеянный благодаря специальным рисункам, и рассеянный свет более равномерно распределяется по теплице, устраняя влияние теней от каркаса на теплицу. По сравнению с обычным флоат-стеклом и ультрабелым флоат-стеклом, стандарт светопропускания рассеивающего стекла составляет 91,5%, а обычного флоат-стекла — 88%. При увеличении светопропускания на 1% внутри теплицы урожайность увеличивается примерно на 3%, а содержание растворимых сахаров и витамина С в фруктах и ​​овощах возрастает. Рассеивающий стекло в теплице сначала покрывается защитным слоем, а затем закаливается, и его показатель самовоспламенения выше национального стандарта, достигая 2‰.

Исследование и применение новых теплоизоляционных материалов

Традиционные теплоизоляционные материалы для теплиц в основном включают соломенные маты, бумажные одеяла, иглопробивные войлочные теплоизоляционные одеяла и т. д., которые используются главным образом для внутренней и внешней теплоизоляции крыш, стен и некоторых устройств для аккумулирования и сбора тепла. Большинство из них имеют недостаток, заключающийся в потере теплоизоляционных свойств из-за внутренней влажности после длительного использования. Поэтому существует множество областей применения новых высокоэффективных теплоизоляционных материалов, среди которых новые теплоизоляционные одеяла, устройства для аккумулирования и сбора тепла являются предметом активных исследований.

Новые теплоизоляционные материалы обычно изготавливаются путем обработки и компаундирования водонепроницаемых и устойчивых к старению поверхностных материалов, таких как тканая пленка и войлок с покрытием, с пушистыми теплоизоляционными материалами, такими как напыляемый хлопок, кашемир и жемчужный хлопок. В Северо-Восточном Китае было проведено тестирование теплоизоляционного одеяла из тканой пленки и напыляемого хлопка. Было установлено, что добавление 500 г напыляемого хлопка эквивалентно теплоизоляционным характеристикам представленного на рынке 4500 г черного войлочного теплоизоляционного одеяла. В тех же условиях теплоизоляционные характеристики 700 г напыляемого хлопка улучшились на 1–2 ℃ по сравнению с 500 г напыляемого хлопка. В то же время другие исследования также показали, что по сравнению с широко используемыми на рынке теплоизоляционными одеялами, теплоизоляционный эффект напыляемого хлопка и кашемира лучше, составляя 84,0% и 83,3% соответственно. При самой низкой температуре наружного воздуха -24,4℃ температура внутри помещения может достигать 5,4 и 4,2℃ соответственно. По сравнению с однослойным соломенным утеплителем, новый композитный утеплитель обладает преимуществами легкости, высокой теплоизоляции, сильной водонепроницаемости и устойчивости к старению, и может использоваться в качестве нового типа высокоэффективного теплоизоляционного материала для солнечных теплиц.

В то же время, согласно исследованиям теплоизоляционных материалов для устройств сбора и хранения тепла в теплицах, было также установлено, что при одинаковой толщине многослойные композитные теплоизоляционные материалы обладают лучшими теплоизоляционными характеристиками, чем однослойные материалы. Команда профессора Ли Цзяньмина из Северо-Западного сельскохозяйственного и лесного университета разработала и протестировала 22 вида теплоизоляционных материалов для устройств хранения воды в теплицах, таких как вакуумная плита, аэрогель и резиновая вата, и измерила их тепловые свойства. Результаты показали, что композитный изоляционный материал из 80-мм теплоизоляционного покрытия + аэрогеля + резино-пластиковой теплоизоляционной ваты может снизить теплоотдачу на 0,367 МДж в единицу времени по сравнению с 80-мм резино-пластиковой ватой, а его коэффициент теплопередачи составил 0,283 Вт/(м²·к) при толщине изоляционной комбинации 100 мм.

Материалы с фазовым переходом являются одним из наиболее актуальных направлений исследований в области материалов для теплиц. Северо-Западный сельскохозяйственный и лесоводческий университет разработал два типа устройств для хранения тепла с использованием материалов с фазовым переходом: первый представляет собой контейнер из черного полиэтилена размером 50 см × 30 см × 14 см (длина × высота × толщина), заполненный материалами с фазовым переходом, что позволяет ему аккумулировать и отдавать тепло; второй — разработан новый тип стеновых панелей с фазовым переходом. Эти панели состоят из материала с фазовым переходом, алюминиевой пластины, алюминиево-пластиковой пластины и алюминиевого сплава. Материал с фазовым переходом расположен в центральной части панели и имеет размеры 200 мм × 200 мм × 50 мм. До и после фазового перехода он представляет собой порошкообразное твердое вещество, не плавящееся и не растекающееся. Четыре стенки панели состоят из алюминиевой пластины и алюминиево-пластиковой пластины соответственно. Это устройство позволяет осуществлять функции преимущественно аккумулирования тепла днем ​​и преимущественно отдачи тепла ночью.

Таким образом, при применении отдельных теплоизоляционных материалов возникают некоторые проблемы, такие как низкая теплоизоляционная эффективность, большие теплопотери, короткий срок хранения тепла и т. д. Поэтому использование композитного теплоизоляционного материала в качестве теплоизоляционного слоя и внутреннего и наружного теплоизоляционного покрытия теплоаккумулирующего устройства может эффективно улучшить теплоизоляционные характеристики теплицы, снизить теплопотери и, следовательно, обеспечить энергосбережение.

Исследование и применение новых стен

Стена, как своего рода ограждающая конструкция, является важным барьером для защиты теплицы от холода и сохранения тепла. В зависимости от материалов и конструкции северные стены теплиц можно разделить на три типа: однослойные стены из грунта, кирпича и т. д., и многослойные северные стены из глиняного кирпича, блочного кирпича, пенополистирольных плит и т. д., с внутренним теплоаккумулятором и внешней теплоизоляцией. Большинство из этих стен требуют много времени и трудозатрат; поэтому в последние годы появилось много новых типов стен, которые легко возводятся и подходят для быстрой сборки.

Появление новых типов сборных стен способствует быстрому развитию сборных теплиц, включая новые композитные стены с внешними водонепроницаемыми и антивозрастными поверхностными материалами, а также материалами, такими как войлок, жемчужный хлопок, космический хлопок, стекловолокно или переработанный хлопок в качестве теплоизоляционных слоев, например, гибкие сборные стены из напыляемого хлопка в Синьцзяне. Кроме того, в других исследованиях также сообщалось о северной стене сборной теплицы с теплоаккумулирующим слоем, например, кирпичная кладка из блоков из пшеничной шелухи в Синьцзяне. При одинаковых внешних условиях, когда минимальная температура наружного воздуха составляет -20,8℃, температура в солнечной теплице с композитной стеной из блоков из пшеничной шелухи составляет 7,5℃, а температура в солнечной теплице с кирпично-бетонной стеной — 3,2℃. Время сбора урожая томатов в кирпичной теплице может быть увеличено на 16 дней, а урожайность в одной теплице — на 18,4%.

Команда специалистов Северо-Западного сельскохозяйственного и лесного университета предложила идею создания теплоизоляционных и теплоаккумулирующих модулей из соломы, почвы, воды, камня и материалов с фазовым переходом, основанную на принципах светопропускания и упрощения конструкции стен, что способствовало развитию исследований в области применения модульных сборных стен. Например, по сравнению с обычной кирпичной теплицей, средняя температура в ней на 4,0℃ выше в типичный солнечный день. Три вида неорганических цементных модулей с фазовым переходом, изготовленных из материала с фазовым переходом (PCM) и цемента, накопили тепло 74,5, 88,0 и 95,1 МДж/м².³и выделило теплоты в количестве 59,8, 67,8 и 84,2 МДж/м³.³соответственно. Они выполняют функции «срезания пиков» днем, «заполнения низин» ночью, поглощения тепла летом и выделения тепла зимой.

Эти новые стены собираются на месте, что обеспечивает короткие сроки строительства и длительный срок службы, создавая условия для строительства легких, упрощенных и быстро монтируемых сборных теплиц и способствуя значительному конструктивному усовершенствованию теплиц. Однако у таких стен есть некоторые недостатки, например, стены из напыляемой хлопчатобумажной теплоизоляции обладают отличными теплоизоляционными свойствами, но не обладают достаточной теплоаккумулирующей способностью, а использование материалов с фазовым переходом сопряжено с высокой стоимостью. В будущем необходимо усилить исследования в области применения сборных стен.

Новые источники энергии, новые материалы и новые конструктивные решения способствуют изменению конструкции теплиц.

Исследования и разработки в области новых источников энергии и новых материалов закладывают основу для инновационного проектирования теплиц. Энергосберегающие солнечные теплицы и арочные навесы являются крупнейшими сооружениями в сельскохозяйственном производстве Китая и играют важную роль в сельскохозяйственном производстве. Однако с развитием социально-экономической сферы Китая все чаще проявляются недостатки этих двух типов сооружений. Во-первых, площадь таких сооружений невелика, а степень механизации низка; во-вторых, энергосберегающие солнечные теплицы обладают хорошей теплоизоляцией, но занимают мало земли, что эквивалентно замене энергии теплицы землей. Обычные арочные навесы не только имеют небольшую площадь, но и плохую теплоизоляцию. Хотя многопролетные теплицы имеют большую площадь, они обладают плохой теплоизоляцией и высоким энергопотреблением. Поэтому крайне важно исследовать и разрабатывать конструкции теплиц, подходящие для современного социально-экономического уровня Китая, а исследования и разработки в области новых источников энергии и новых материалов помогут изменить конструкцию теплиц и создать множество инновационных моделей и конструкций.

Инновационные исследования в области асимметричной теплицы для пивоварения с регулируемым водоснабжением и большим пролетом.

Асимметричная теплица для пивоварения с большим пролетом и регулируемым водоснабжением (номер патента: ZL 201220391214.2) основана на принципе солнечной теплицы, в ней изменена симметричная структура обычной пластиковой теплицы, увеличен южный пролет, увеличена площадь освещения южной крыши, уменьшен северный пролет и уменьшена площадь теплоотвода. Благодаря инновационному проектированию, при пролете 18–24 м и высоте конька 6–7 м, значительно увеличена пространственная структура. Одновременно с этим, за счет использования новых технологий, таких как использование биомассы в качестве источника тепла для пивоварения и теплоизоляционных материалов, решены проблемы недостаточного обогрева теплицы зимой и плохой теплоизоляции обычных теплоизоляционных материалов. Результаты производства и исследований показывают, что асимметричная теплица для выращивания пива с большим пролетом и регулируемой влажностью, поддерживающая среднюю температуру 11,7℃ в солнечные дни и 10,8℃ в пасмурные дни, может удовлетворить потребности в выращивании сельскохозяйственных культур зимой. При этом стоимость строительства теплицы снижается на 39,6%, а коэффициент использования земли увеличивается более чем на 30% по сравнению с теплицей из пенополистирольных кирпичей. Это делает ее подходящей для дальнейшего распространения и применения в бассейне реки Хуайхэ в Китае.

Собранная теплица для солнечного света

В сборных солнечных теплицах в качестве несущих конструкций используются колонны и каркас крыши, а материалом стен в основном является теплоизоляционный кожух, а не несущий и пассивный источник тепла. В основном используются: (1) новый тип сборных стен, образованных путем комбинирования различных материалов, таких как пленочное покрытие или цветная стальная пластина, соломенные блоки, гибкие теплоизоляционные полотна, растворные блоки и т. д.; (2) композитные стеновые панели из сборных цементных плит, полистирольных плит и цементных плит; (3) легкие и простые в сборке теплоизоляционные материалы с активной системой хранения и отвода тепла и системой осушения, такие как пластиковые квадратные ведра для хранения тепла и трубопроводные системы хранения тепла. Использование различных новых теплоизоляционных и теплоаккумулирующих материалов вместо традиционных земляных стен позволяет построить солнечную теплицу, занимающую большую площадь и имеющую небольшие строительные площади. Экспериментальные результаты показывают, что температура в теплице ночью зимой на 4,5℃ выше, чем в традиционной кирпичной теплице, при толщине задней стены 166 мм. По сравнению с теплицей с кирпичными стенами толщиной 600 мм, занимаемая площадь стен уменьшается на 72%, а стоимость за квадратный метр составляет 334,5 юаня, что на 157,2 юаня ниже, чем у теплицы с кирпичными стенами, и затраты на строительство значительно снижаются. Таким образом, сборная теплица обладает преимуществами меньшего разрушения сельскохозяйственных земель, экономии земли, высокой скорости строительства и длительного срока службы, и является ключевым направлением инноваций и развития солнечных теплиц в настоящее время и в будущем.

Скользящая теплица с солнечным светом

Разработанная Шэньянским сельскохозяйственным университетом энергосберегающая солнечная теплица, собранная на скейтборде, использует заднюю стенку для создания системы аккумулирования тепла с помощью циркуляции воды, которая в основном состоит из бассейна (32 м³).³), светособирающая пластина (360 м)²), водяной насос, водопроводная труба и контроллер. Гибкий теплоизоляционный слой заменен новым легким материалом из цветной стальной пластины с минеральной ватой сверху. Исследования показывают, что такая конструкция эффективно решает проблему блокировки света фронтонами и увеличивает площадь проникновения света в теплицу. Угол освещения в теплице составляет 41,5°, что почти на 16° выше, чем в контрольной теплице, тем самым повышая светоотдачу. Распределение температуры внутри равномерное, и растения растут аккуратно. Теплица обладает преимуществами повышения эффективности использования земли, гибкого проектирования размеров и сокращения сроков строительства, что имеет большое значение для защиты сельскохозяйственных земель и окружающей среды.

Фотоэлектрическая теплица

Сельскохозяйственная теплица — это теплица, объединяющая солнечную фотоэлектрическую генерацию энергии, интеллектуальное регулирование температуры и современные высокотехнологичные системы посадки. Она имеет стальной каркас и покрыта солнечными фотоэлектрическими модулями, что обеспечивает потребности в освещении как самих модулей, так и всей теплицы. Постоянный ток, генерируемый солнечной энергией, напрямую дополняет освещение сельскохозяйственных теплиц, поддерживает нормальную работу тепличного оборудования, обеспечивает полив, повышает температуру в теплице и способствует быстрому росту растений. Таким образом, фотоэлектрические модули влияют на эффективность освещения крыши теплицы, а следовательно, и на нормальный рост тепличных овощей. Поэтому рациональное размещение фотоэлектрических панелей на крыше теплицы становится ключевым моментом применения. Сельскохозяйственная теплица — это продукт органичного сочетания декоративного сельского хозяйства и огородничества, инновационная сельскохозяйственная отрасль, объединяющая фотоэлектрическую генерацию энергии, декоративный дизайн, выращивание сельскохозяйственных культур, сельскохозяйственные технологии, ландшафтное и культурное развитие.

Инновационная конструкция группы теплиц с энергетическим взаимодействием между различными типами теплиц.

Го Вэньчжун, научный сотрудник Пекинской академии сельскохозяйственных и лесных наук, использует метод теплопередачи между теплицами для сбора остаточной тепловой энергии в одной или нескольких теплицах с целью обогрева других или нескольких теплиц. Этот метод обеспечивает передачу энергии в теплицах во времени и пространстве, повышает эффективность использования остаточной тепловой энергии и снижает общее потребление энергии на отопление. Теплицы могут быть разных типов или одного типа для выращивания различных культур, например, салата и томатов. Методы сбора тепла в основном включают извлечение тепла из воздуха внутри теплицы и прямое перехватывание падающего излучения. С помощью сбора солнечной энергии, принудительной конвекции теплообменником и принудительного отвода тепла тепловым насосом избыточное тепло в высокоэнергетической теплице извлекается для ее обогрева.

краткое изложение

Новые солнечные теплицы обладают преимуществами быстрой сборки, сокращения сроков строительства и повышения эффективности использования земельных ресурсов. Поэтому необходимо дальнейшее изучение характеристик этих новых теплиц в различных регионах, что позволит обеспечить возможность их широкомасштабного внедрения и применения. В то же время необходимо постоянно наращивать использование новых источников энергии и новых материалов в теплицах, чтобы обеспечить возможность структурной модернизации тепличной инфраструктуры.

Перспективы и размышления на будущее

Традиционные теплицы часто имеют ряд недостатков, таких как высокое энергопотребление, низкая эффективность использования земли, трудоемкость и длительность работ, низкая производительность и т. д., которые больше не соответствуют производственным потребностям современного сельского хозяйства и неизбежно будут постепенно устранены. Поэтому в настоящее время наблюдается тенденция к использованию новых источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия биомассы, геотермальная энергия и энергия ветра, а также новых материалов и конструкций для содействия структурным изменениям в тепличной отрасли. Во-первых, новые теплицы, работающие на новых источниках энергии и из новых материалов, должны не только отвечать потребностям механизированной эксплуатации, но и экономить энергию, землю и средства. Во-вторых, необходимо постоянно изучать характеристики новых теплиц в различных регионах, чтобы создать условия для их широкомасштабного внедрения. В будущем нам следует продолжить поиск новых источников энергии и новых материалов, подходящих для применения в теплицах, и найти оптимальное сочетание новых источников энергии, новых материалов и теплиц, чтобы создать новые теплицы с низкими затратами, короткими сроками строительства, низким энергопотреблением и превосходными характеристиками, способствовать изменению структуры теплиц и продвижению модернизации тепличного строительства в Китае.

Хотя применение новых источников энергии, новых материалов и новых конструкций в строительстве теплиц является неизбежной тенденцией, существует множество проблем, требующих изучения и преодоления: (1) Рост стоимости строительства. По сравнению с традиционным отоплением углем, природным газом или нефтью, применение новых источников энергии и новых материалов является экологически чистым и не загрязняет окружающую среду, но стоимость строительства значительно возрастает, что оказывает определенное влияние на окупаемость инвестиций в производство и эксплуатацию. По сравнению с традиционным использованием энергии, стоимость новых материалов значительно возрастает. (2) Нестабильное использование тепловой энергии. Самым большим преимуществом использования новых источников энергии являются низкие эксплуатационные расходы и низкий уровень выбросов углекислого газа, но поставка энергии и тепла нестабильна, а пасмурные дни становятся самым большим ограничивающим фактором в использовании солнечной энергии. В процессе производства тепла из биомассы путем ферментации эффективное использование этой энергии ограничено проблемами низкой тепловой энергии ферментации, сложности управления и контроля, а также большими складскими площадями для транспортировки сырья. (3) Зрелость технологий. Технологии, используемые в новых источниках энергии и новых материалах, представляют собой передовые исследования и технологические достижения, и область их применения все еще довольно ограничена. Они не прошли многократную проверку на множестве площадок и в ходе масштабной практической проверки, и неизбежно возникают некоторые недостатки и технические аспекты, требующие улучшения в применении. Пользователи часто отказываются от развития технологий из-за незначительных недостатков. (4) Уровень проникновения технологий низок. Широкое применение научно-технических достижений требует определенной популярности. В настоящее время новые источники энергии, новые технологии и новые технологии проектирования теплиц находятся в компетенции исследовательских центров университетов, обладающих определенными инновационными возможностями, и большинство технических специалистов или проектировщиков до сих пор о них не знают; в то же время популяризация и применение новых технологий все еще довольно ограничены, поскольку основное оборудование новых технологий запатентовано. (5) Необходимо дополнительно усилить интеграцию новых источников энергии, новых материалов и проектирования конструкций теплиц. Поскольку энергетика, материалы и проектирование конструкций теплиц относятся к трем различным дисциплинам, специалистам с опытом проектирования теплиц часто не хватает исследований в области энергетики и материалов, связанных с теплицами, и наоборот; Таким образом, исследователям, занимающимся исследованиями в области энергетики и материалов, необходимо усилить изучение и понимание реальных потребностей развития тепличной отрасли, а проектировщикам конструкций следует также изучать новые материалы и новые источники энергии, способствуя глубокой интеграции этих трех направлений, чтобы достичь цели создания практических технологий для теплиц, снижения затрат на строительство и повышения эффективности использования. Исходя из вышеизложенных проблем, предлагается, чтобы государство, органы местного самоуправления и научно-исследовательские центры активизировали технические исследования, проводили углубленные совместные исследования, усиливали популяризацию научно-технических достижений, повышали уровень их распространения и оперативно реализовывали цель создания новых источников энергии и новых материалов для содействия развитию тепличной отрасли.

Цитируемая информация

Ли Цзяньмин, Сунь Готао, Ли Хаоцзе, Ли Жуй, Ху Исинь. Новая энергия, новые материалы и новый дизайн способствуют новой революции в тепличной отрасли [J]. Овощи, 2022, (10): 1-8.