Технология сельскохозяйственного проектирования теплиц и озеленения 2022-12-02 17:30 опубликовано в Пекине

Развитие солнечных теплиц на необрабатываемых территориях, таких как пустыни, пустыни Гоби и песчаные земли, эффективно решило проблему конкуренции между производителями продовольствия и овощей за землю. Это один из решающих факторов окружающей среды для роста и развития культур, требующих высокой температуры, который часто определяет успех или неудачу тепличного производства. Поэтому для развития солнечных теплиц на необрабатываемых территориях необходимо прежде всего решить проблему температурного режима в теплицах. В данной статье обобщены методы контроля температуры, используемые в теплицах на необрабатываемых землях в последние годы, а также проанализированы и обобщены существующие проблемы и направления развития в области температурной и экологической защиты в солнечных теплицах на необрабатываемых землях.

Китай обладает большим населением и ограниченными земельными ресурсами. Более 85% земельных ресурсов не обрабатываются, в основном на северо-западе страны. В документе № 1 Центрального комитета от 2022 года указывалось на необходимость ускорения развития промышленного сельского хозяйства и, исходя из необходимости защиты экологической среды, освоения свободных и заброшенных земель для развития промышленного сельского хозяйства. Северо-западный Китай богат пустынными, пустынными, заброшенными и другими необрабатываемыми земельными ресурсами, а также природными источниками света и тепла, что делает его подходящим для развития промышленного сельского хозяйства. Поэтому освоение и использование необрабатываемых земель для создания теплиц имеет большое стратегическое значение для обеспечения национальной продовольственной безопасности и смягчения земельных конфликтов.

В настоящее время солнечные теплицы, не предназначенные для выращивания сельскохозяйственных культур, являются основной формой высокоэффективного развития сельского хозяйства на необрабатываемых землях. На северо-западе Китая разница температур между днем ​​и ночью велика, а зимние ночные температуры низкие, что часто приводит к тому, что минимальная температура внутри теплицы оказывается ниже температуры, необходимой для нормального роста и развития растений. Температура является одним из незаменимых факторов окружающей среды для роста и развития растений. Слишком низкая температура замедляет физиологические и биохимические реакции растений и замедляет их рост и развитие. Когда температура ниже предела, который могут выдержать растения, это может даже привести к повреждению от заморозков. Поэтому особенно важно обеспечить температуру, необходимую для нормального роста и развития растений. Поддержание надлежащей температуры в солнечной теплице — это не задача, которую можно решить одной мерой. Необходимо обеспечить это на всех этапах: от проектирования и строительства теплицы до выбора материалов, регулирования и ежедневного обслуживания. Таким образом, в данной статье будет обобщено состояние исследований и прогресс в области регулирования температуры в некультивируемых теплицах в Китае за последние годы с точки зрения проектирования и строительства теплиц, мер по сохранению и обогреву тепла, а также управления окружающей средой, чтобы предоставить систематическую информацию для рационального проектирования и управления некультивируемыми теплицами.

Конструкция и материалы теплицы

Тепловой режим теплицы в основном зависит от способности теплицы пропускать, перехватывать и аккумулировать солнечное излучение, что связано с рациональным проектированием ориентации теплицы, формы и материала светопропускающей поверхности, конструкции и материала стен и задней части крыши, теплоизоляции фундамента, размеров теплицы, режима ночной теплоизоляции и материала передней части крыши и т. д., а также с тем, насколько строительство и процесс возведения теплицы обеспечивают эффективную реализацию проектных требований.

Светопропускающая способность передней части крыши

Основная энергия в теплице поступает от солнца. Увеличение светопропускающей способности передней части крыши способствует получению теплицей большего количества тепла, а также является важной основой для обеспечения температурного режима в теплице зимой. В настоящее время существует три основных метода увеличения светопропускающей способности и времени пребывания света на передней части крыши теплицы.

01. Разумная ориентация и азимут теплицы.

Ориентация теплицы влияет на её светоотдачу и теплоаккумулирующую способность. Поэтому, чтобы увеличить теплоаккумуляцию, в северо-западном Китае теплицы, не предназначенные для выращивания культур, обычно ориентированы на юг. Что касается конкретного азимута теплицы, то при выборе южно-восточной ориентации выгодно «использовать солнечный свет», и температура внутри помещения быстро повышается утром; при выборе южно-западной ориентации выгодно использовать послеполуденный свет. Южная ориентация представляет собой компромисс между этими двумя ситуациями. Согласно геофизическим данным, Земля вращается на 360° в сутки, и азимут Солнца изменяется примерно на 1° каждые 4 минуты. Следовательно, каждый раз, когда азимут теплицы изменяется на 1°, время прямого солнечного света будет отличаться примерно на 4 минуты, то есть азимут теплицы влияет на время, когда теплица получает свет утром и вечером.

Когда продолжительность светового дня утром и днем ​​одинакова, а восток и запад находятся под одним и тем же углом, теплица получает одинаковое количество светового времени. Однако в районах к северу от 37° северной широты температура утром низкая, и время снятия утеплителя приходится на более позднее время, в то время как днем ​​и вечером температура относительно высокая, поэтому целесообразно отложить время накрывания теплоизоляционного утеплителя. Следовательно, в этих районах следует выбирать южно-западное направление, чтобы максимально использовать послеполуденный свет. В районах с 30°–35° северной широты, благодаря лучшим условиям освещения утром, время сохранения тепла и снятия утеплителя также можно перенести на более раннее время. Поэтому в этих районах следует выбирать юго-восточное направление, чтобы обеспечить теплице больше утреннего солнечного излучения. Однако в районах с 35°–37° северной широты разница в солнечном излучении утром и днем ​​невелика, поэтому лучше выбирать строго южное направление. Независимо от направления — юго-восток или юго-запад — угол отклонения обычно составляет 5°–8°, а максимальное значение не должно превышать 10°. Северо-западный Китай расположен в диапазоне 37°–50° северной широты, поэтому азимутальный угол теплицы обычно направлен с юга на запад. В связи с этим, в теплице, спроектированной Чжан Цзиншэ и др. в районе Тайюаня, выбрана ориентация 5° к западу от юга, в теплице, построенной Чан Мэймэй и др. в районе Гоби Хэсиского коридора, — ориентация от 5° до 10° к западу от юга, а в теплице, построенной Ма Чжигуем и др. в северном Синьцзяне, — ориентация 8° к западу от юга.

02. Разумная форма передней части крыши и угол наклона.

Форма и наклон передней части крыши определяют угол падения солнечных лучей. Чем меньше угол падения, тем выше коэффициент пропускания. Сунь Цзюжэнь считает, что форма передней части крыши в основном определяется соотношением длины основной освещаемой поверхности и заднего уклона. Длинный передний и короткий задний уклон способствуют освещению и сохранению тепла на передней части крыши. Чэнь Вэй-Цянь и другие считают, что основная освещающая крыша солнечной теплицы, используемой в районе Гоби, имеет форму круговой дуги радиусом 4,5 м, что эффективно противостоит холоду. Чжан Цзиншэ и другие считают, что в альпийских и высокоширотных районах более целесообразно использовать полукруглую арку на передней части крыши теплицы. Что касается угла наклона передней части крыши, то, согласно характеристикам светопропускания полиэтиленовой пленки, при угле падения отражательная способность передней части крыши по отношению к солнечному свету невелика, а при угле, превышающем 40°, отражательная способность значительно возрастает. Таким образом, 40° принимается за максимальный угол падения для расчета угла наклона передней части крыши, чтобы даже в день зимнего солнцестояния солнечное излучение могло максимально проникать в теплицу. Поэтому при проектировании солнечной теплицы, подходящей для невозделываемых районов Ухая, Внутренняя Монголия, Хэ Бинь и другие рассчитали угол наклона передней части крыши с углом падения 40° и пришли к выводу, что если он превышает 30°, то можно обеспечить освещение и теплоизоляцию теплицы. Чжан Цайхун и другие считают, что при строительстве теплиц в невозделываемых районах Синьцзяна угол наклона передней части крыши теплиц в южном Синьцзяне составляет 31°, а в северном Синьцзяне — 32°–33,5°.

03 Выберите подходящие прозрачные материалы для покрытия.

Помимо влияния солнечной радиации на открытом воздухе, важными факторами, влияющими на световой и тепловой режим теплицы, являются также характеристики материала и светопропускания тепличной пленки. В настоящее время светопропускание пластиковых пленок, таких как ПЭ, ПВХ, ЭВА и ПО, различается в зависимости от материала и толщины пленки. В целом, светопропускание пленок, используемых в течение 1-3 лет, гарантированно превышает 88%, поэтому выбор пленки должен соответствовать потребностям растений в освещении и температуре. Кроме того, помимо светопропускания в теплице, все большее внимание уделяется также распределению светового режима. Поэтому в последние годы в отрасли получили широкое признание светопропускающие покрывающие материалы с улучшенным рассеиванием света, особенно в районах с высокой солнечной радиацией на северо-западе Китая. Применение пленки с улучшенным рассеиванием света позволило уменьшить эффект затенения верхней и нижней частей растительного покрова, увеличить освещенность средней и нижней частей, улучшить фотосинтетические характеристики всего растения и продемонстрировало хороший эффект стимулирования роста и повышения урожайности.

Разумный размер теплицы.

Слишком большая или слишком маленькая длина теплицы влияет на регулирование температуры внутри помещения. Слишком короткая длина теплицы приводит к тому, что перед восходом и закатом солнца площадь, затененная восточным и западным фронтонами, становится большой, что не способствует прогреву теплицы, а из-за малого объема это влияет на поглощение и выделение тепла почвой и стенами внутри помещения. Слишком большая длина затрудняет регулирование температуры внутри помещения и влияет на прочность конструкции теплицы и конфигурацию механизма сворачивания теплоизоляционного полотна. Высота и пролет теплицы напрямую влияют на естественное освещение передней части крыши, размер тепличного пространства и коэффициент теплоизоляции. При фиксированных пролете и длине теплицы увеличение высоты позволяет увеличить угол освещения передней части крыши с точки зрения светового режима, что способствует светопропусканию; с точки зрения теплового режима, увеличение высоты стен увеличивает площадь теплоаккумулирующей поверхности задней стены, что благоприятно сказывается на накоплении и выделении тепла задней стеной. Кроме того, пространство теплицы велико, коэффициент теплоемкости также высок, и тепловой режим в теплице более стабилен. Конечно, увеличение высоты теплицы повысит ее стоимость, что требует всестороннего учета. Поэтому при проектировании теплицы следует выбирать разумную длину, пролет и высоту в соответствии с местными условиями. Например, Чжан Цайхун и другие считают, что в северном Синьцзяне длина теплицы составляет 50–80 м, пролет — 7 м, а высота — 3,9 м, в то время как в южном Синьцзяне длина теплицы составляет 50–80 м, пролет — 8 м, а высота — 3,6–4,0 м; также считается, что пролет теплицы не должен быть меньше 7 м, а при пролете 8 м достигается наилучший эффект сохранения тепла. Кроме того, Чэнь Вэйцянь и другие считают, что длина, пролет и высота солнечной теплицы при ее строительстве в районе Гоби города Цзюцюань провинции Ганьсу должны составлять 80 м, 8–10 м и 3,8–4,2 м соответственно.

Улучшить теплоаккумулирующие и теплоизоляционные свойства стены.

В течение дня стена аккумулирует тепло, поглощая солнечное излучение и тепло части воздуха внутри помещения. Ночью, когда температура внутри помещения ниже температуры стены, стена пассивно отдает тепло, обогревая теплицу. Являясь основным теплоаккумулирующим элементом теплицы, стена может значительно улучшить ночную температуру внутри помещения за счет повышения своей теплоаккумулирующей способности. В то же время, теплоизоляционная функция стены является основой для стабильности теплового режима в теплице. В настоящее время существует несколько методов повышения теплоаккумулирующей и теплоизоляционной способности стен.

01 проектирование разумной конструкции стены

Основная функция стены заключается в аккумулировании и сохранении тепла, и в то же время большинство стен теплиц также служат несущими элементами, поддерживающими ферму крыши. С точки зрения создания благоприятного теплового режима, разумная конструкция стены должна обладать достаточной теплоаккумулирующей способностью с внутренней стороны и достаточной теплосберегающей способностью с внешней стороны, одновременно уменьшая ненужные мостики холода. В исследованиях по аккумулированию тепла и теплоизоляции стен Бао Эньцай и другие разработали пассивную теплоаккумулирующую стену из затвердевшего песка в пустынной местности Ухай, Внутренняя Монголия. В качестве изоляционного слоя снаружи использовался пористый кирпич, а в качестве теплоаккумулирующего слоя — затвердевший песок с внутренней стороны. Испытания показали, что температура внутри помещения в солнечные дни может достигать 13,7℃. Ма Юэхун и другие разработали композитную стену из блоков из пшеничной шелухи в северном Синьцзяне, в которой в качестве теплоаккумулирующего слоя в блоки из раствора заполнялась негашеная известь, а снаружи укладывались мешки со шлаком в качестве изоляционного слоя. В конструкции пустотелой блочной стены, разработанной Чжао Пэном и др. в районе Гоби провинции Ганьсу, в качестве изоляционного слоя снаружи используется бензоловая плита толщиной 100 мм, а внутри – слой из песка и пустотелых блоков. Испытания показали, что средняя ночная температура зимой превышает 10℃. В конструкции стены, также разработанной Чай Регенерацией и др., в районе Гоби провинции Ганьсу в качестве изоляционного и теплоаккумулирующего слоя используются песок и гравий. Для уменьшения образования мостиков холода Янь Цзюньюэ и др. разработали легкую и упрощенную в сборке заднюю стену, которая не только улучшила тепловое сопротивление стены, но и повысила ее герметичность за счет приклеивания пенополистирольных плит снаружи задней стены. В работах У Летяня и др. железобетонные кольцевые балки были установлены над фундаментом стен теплицы, а для поддержки задней части крыши использовалась штампованная кирпичная кладка трапецеидальной формы непосредственно над кольцевой балкой. Это решило проблему частого образования трещин и проседания фундамента в теплицах в Хотяне, Синьцзян, что негативно сказывалось на теплоизоляции теплиц.

02. Выберите подходящие материалы для аккумулирования тепла и теплоизоляции.

Эффект теплоаккумуляции и теплоизоляции стен в первую очередь зависит от выбора материалов. В северо-западных пустынях, Гоби, песчаных почвах и других районах, в зависимости от условий местности, исследователи использовали местные материалы и предпринимали смелые попытки спроектировать множество различных типов задних стен солнечных теплиц. Например, когда Чжан Госен и другие строили теплицы на песчано-гравийных полях в Ганьсу, песок и гравий использовались в качестве слоев стен для теплоаккумуляции и теплоизоляции; учитывая особенности Гоби и пустынь на северо-западе Китая, Чжао Пэн спроектировал стену из пустотелых блоков, используя песчаник и пустотелые блоки в качестве материалов. Испытания показали, что средняя ночная температура внутри помещения превышает 10℃. Учитывая дефицит строительных материалов, таких как кирпич и глина, в регионе Гоби на северо-западе Китая, Чжоу Чанцзи и другие обнаружили, что в местных теплицах обычно используется галька в качестве материала для стен при исследовании солнечных теплиц в регионе Гоби провинции Кызылсу, Синьцзян. Учитывая тепловые характеристики и механическую прочность гальки, теплица, построенная из гальки, обладает хорошими показателями теплоизоляции, теплоаккумуляции и несущей способности. Аналогичным образом, Чжан Юн и др. также использовали гальку в качестве основного материала для стен и спроектировали заднюю стену из гальки с независимым теплоаккумулирующим эффектом в Шаньси и других местах. Испытания показали, что эффект теплоаккумуляции хороший. Чжан Юн и др. спроектировали стену из песчаника, учитывая особенности северо-западной части Гоби, которая может повысить температуру внутри помещения на 2,5℃. Кроме того, Ма Юэхун и другие исследовали теплоаккумулирующую способность стен из заполненного песком блока, блочных стен и кирпичных стен в Хотяне, Синьцзян. Результаты показали, что стена из заполненного песком блока обладает наибольшей теплоаккумулирующей способностью. Кроме того, для улучшения теплоаккумулирующих характеристик стен исследователи активно разрабатывают новые теплоаккумулирующие материалы и технологии. Например, Бао Эньцай предложил материал для отверждения с фазовым переходом, который можно использовать для повышения теплоаккумулирующей способности задней стенки солнечной теплицы в необрабатываемых районах северо-запада. В качестве местных материалов для стен также используются стог сена, шлак, бензоловые плиты и солома, но эти материалы обычно обладают только функцией сохранения тепла, а не теплоаккумулирующей способностью. В целом, стены, заполненные гравием и блоками, обладают хорошей теплоаккумулирующей и теплоизоляционной способностью.

03. Соответственно увеличить толщину стенки.

Как правило, термическое сопротивление является важным показателем теплоизоляционных свойств стены, и фактором, влияющим на термическое сопротивление, помимо теплопроводности материала, является его толщина. Поэтому, исходя из выбора соответствующих теплоизоляционных материалов, увеличение толщины стены может повысить общее термическое сопротивление стены и уменьшить теплопотери через стену, тем самым увеличивая теплоизоляционные и теплоаккумулирующие свойства стены и всей теплицы. Например, в провинции Ганьсу и других регионах средняя толщина стен из мешков с песком в городе Чжанъе составляет 2,6 м, а в городе Цзюцюань — 3,7 м. Чем толще стена, тем выше ее теплоизоляционные и теплоаккумулирующие свойства. Однако слишком толстые стены увеличивают занимаемую площадь и стоимость строительства теплицы. Поэтому, с точки зрения повышения теплоизоляционных свойств, следует отдавать приоритет выбору высокотеплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью, таких как полистирол, полиуретан и другие материалы, а затем соответствующим образом увеличивать толщину.

Разумная конструкция задней части крыши

При проектировании задней части крыши основное внимание уделяется минимизации влияния затенения и улучшению теплоизоляционных свойств. Для уменьшения влияния затенения на заднюю часть крыши угол её наклона определяется исходя из того, что задняя часть крыши может получать прямой солнечный свет в дневное время, когда выращиваются и обрабатываются культуры. Поэтому угол наклона задней части крыши обычно выбирается таким образом, чтобы он был лучше, чем местный угол возвышения Солнца в день зимнего солнцестояния, составляющий 7°–8°. Например, Чжан Цайхун и другие считают, что при строительстве солнечных теплиц в Гоби и засоленных щелочных районах Синьцзяна проектируемая длина задней части крыши составляет 1,6 м, поэтому угол наклона задней части крыши составляет 40° в южном Синьцзяне и 45° в северном Синьцзяне. Чэнь Вэй-Цянь и другие считают, что задняя часть крыши солнечной теплицы в районе Гоби в Цзюцюане должна быть наклонена под углом 40°. При теплоизоляции задней части крыши обеспечение теплоизоляционных свойств должно осуществляться, главным образом, за счет выбора теплоизоляционных материалов, необходимой проектной толщины и рационального соединения теплоизоляционных материалов внахлест при строительстве.

Снижение потерь тепла из почвы

В зимние ночи, поскольку температура грунта в помещении выше, чем на улице, тепло из грунта передается наружу за счет теплопроводности, вызывая потери тепла в теплице. Существует несколько способов уменьшить потери тепла из грунта.

01 изоляция грунта

Грунт должен хорошо проседать, избегая промерзания почвы, и использовать её для сохранения тепла. Например, солнечная теплица «1448 из трёх материалов — одно тело», разработанная компанией Chai Regeneration и другими предприятиями на необрабатываемых землях в коридоре Хэси, была построена с выемкой грунта на глубину 1 м, что эффективно предотвратило промерзание почвы; учитывая, что глубина промерзания почвы в районе Турфана составляет 0,8 м, Ван Хуаминь и другие предложили выемку на 0,8 м для улучшения теплоизоляционных свойств теплицы. Когда Чжан Госен и др. строили заднюю стену двухъярусной двухплёночной солнечной теплицы на непахотной земле, глубина выемки составляла 1 м. Эксперимент показал, что минимальная ночная температура повысилась на 2–3 ℃ по сравнению с традиционной солнечной теплицей второго поколения.

02 фундамент защита от холода

Основной метод заключается в рытье морозостойкого рва вдоль фундаментной части передней крыши, заполнении теплоизоляционными материалами или сплошной заглублении теплоизоляционных материалов под землю вдоль фундаментной стены, что в совокупности позволяет уменьшить потери тепла, вызванные теплопередачей через грунт в приграничной части теплицы. Используемые теплоизоляционные материалы в основном соответствуют местным условиям северо-западного Китая и могут быть получены на месте, например, сено, шлак, минеральная вата, пенополистирольные плиты, кукурузная солома, конский навоз, опавшие листья, измельченная трава, опилки, сорняки, солома и т. д.

03 мульчирующая пленка

Покрытие из полиэтиленовой пленки позволяет солнечному свету проникать в почву в течение дня, а почва поглощает солнечное тепло и нагревается. Кроме того, полиэтиленовая пленка блокирует длинноволновое излучение, отражаемое почвой, тем самым уменьшая потери тепла почвой и увеличивая ее теплоаккумуляцию. Ночью полиэтиленовая пленка препятствует конвективному теплообмену между почвой и воздухом внутри помещения, тем самым уменьшая потери тепла почвой. В то же время полиэтиленовая пленка также уменьшает потери скрытой теплоты, вызванные испарением влаги из почвы. В эксперименте Вэй Вэньсян, накрыв теплицу на Цинхайском плато полиэтиленовой пленкой, смог повысить температуру почвы примерно на 1℃.

Укрепить теплоизоляционные свойства передней части крыши.

Передняя часть крыши теплицы является основной поверхностью, рассеивающей тепло, и на ее потери приходится более 75% от общего объема теплопотерь в теплице. Поэтому повышение теплоизоляционных свойств передней части крыши теплицы может эффективно снизить потери тепла через нее и улучшить температурный режим в теплице зимой. В настоящее время существует три основных способа повышения теплоизоляционных свойств передней части крыши.

01. Используется многослойное прозрачное покрытие.

С точки зрения конструкции, использование двухслойной или трехслойной пленки в качестве светопропускающей поверхности теплицы может эффективно улучшить ее теплоизоляционные характеристики. Например, Чжан Госен и другие разработали солнечную теплицу с двойной аркой и двойным пленочным покрытием в районе Гоби города Цзюцюань. Внешняя сторона передней крыши теплицы выполнена из ЭВА-пленки, а внутренняя — из ПВХ-пленки, предотвращающей каплеобразование и старение. Эксперименты показали, что по сравнению с традиционной солнечной теплицей второго поколения эффект теплоизоляции превосходен, а минимальная ночная температура повышается в среднем на 2–3℃. Аналогично, Чжан Цзиншэ и другие также разработали солнечную теплицу с двойным пленочным покрытием для климатических условий высоких широт и суровых холодных регионов, что значительно улучшило теплоизоляцию теплицы. По сравнению с контрольной теплицей ночная температура повысилась на 3℃. Кроме того, У Летянь и другие исследователи попытались использовать три слоя пленки EVA толщиной 0,1 мм на передней крыше солнечной теплицы, спроектированной в пустынной местности Хэтянь, Синьцзян. Многослойная пленка может эффективно снизить теплопотери передней крыши, но поскольку светопропускание однослойной пленки составляет около 90%, многослойная пленка, естественно, приведет к снижению светопропускания. Поэтому при выборе многослойного светопропускающего покрытия необходимо учитывать условия освещения и требования к освещению теплиц.

02 Укрепить ночную теплоизоляцию передней части крыши.

В течение дня на передней части крыши используется полиэтиленовая пленка для увеличения светопропускания, но ночью она становится самым слабым местом во всей теплице. Поэтому покрытие внешней поверхности передней части крыши толстым композитным теплоизоляционным полотном является необходимой мерой теплоизоляции для солнечных теплиц. Например, в альпийском регионе Цинхай Лю Яньцзе и другие использовали соломенные занавеси и крафт-бумагу в качестве теплоизоляционных полотен для экспериментов. Результаты испытаний показали, что минимальная температура внутри теплицы ночью могла достигать более 7,7℃. Более того, Вэй Вэньсян считает, что теплопотери теплицы можно снизить более чем на 90% за счет использования двойных травяных занавесей или крафт-бумаги снаружи травяных занавесей для теплоизоляции в этом районе. Кроме того, Цзоу Пин и др. использовали теплоизоляционное полотно из переработанного войлока в солнечной теплице в регионе Гоби в Синьцзяне, а Чан Мэймэй и др. использовали теплоизоляционное полотно из сэндвич-конструкции из хлопка в солнечной теплице в регионе Гоби Хэсиского коридора. В настоящее время в солнечных теплицах используется множество видов теплоизоляционных полотен, но большинство из них изготавливаются из иглопробивного войлока, хлопчатобумажной ткани с клеевым напылением, жемчужного хлопка и т. д., с водонепроницаемыми или антивозрастными поверхностными слоями с обеих сторон. Исходя из механизма теплоизоляции теплоизоляционного полотна, для улучшения его теплоизоляционных характеристик следует начинать с повышения его термического сопротивления и снижения коэффициента теплопередачи. Основные меры включают снижение теплопроводности материалов, увеличение толщины слоев материала или увеличение количества слоев материала и т. д. Поэтому в настоящее время в качестве основного материала теплоизоляционного полотна с высокими теплоизоляционными характеристиками часто используются многослойные композитные материалы. Согласно испытаниям, коэффициент теплопередачи теплоизоляционного полотна с высокими теплоизоляционными характеристиками в настоящее время может достигать 0,5 Вт/(м²℃), что обеспечивает лучшую гарантию теплоизоляции теплиц в холодных регионах зимой. Конечно, в северо-западных регионах ветрено и пыльно, а ультрафиолетовое излучение сильное, поэтому поверхностный слой теплоизоляции должен обладать хорошими антивозрастными свойствами.

03. Добавьте внутреннюю теплоизоляционную штору.

Несмотря на то, что передняя часть крыши теплицы, предназначенной для выращивания растений в условиях солнечного освещения, ночью покрывается внешним теплоизоляционным полотном, с точки зрения остальных конструкций всей теплицы передняя часть крыши остается слабым местом. Поэтому проектная группа «Конструкции и строительные технологии теплиц на непахотных землях Северо-Запада» разработала простую внутреннюю систему рулонной теплоизоляции (рис. 1), конструкция которой состоит из неподвижной внутренней теплоизоляционной шторы в передней части и подвижной внутренней теплоизоляционной шторы в верхней части. Верхняя подвижная теплоизоляционная штора открывается и складывается на задней стенке теплицы днем, что не влияет на освещение; неподвижное теплоизоляционное полотно внизу выполняет функцию герметизации ночью. Внутренняя теплоизоляция выполнена аккуратно и легко в эксплуатации, а также может выполнять функцию затенения и охлаждения летом.

Технология активного обогрева

Из-за низких зимних температур на северо-западе Китая, если мы будем полагаться только на сохранение и аккумулирование тепла в теплицах, мы все равно не сможем удовлетворить потребности в зимовке сельскохозяйственных культур в условиях низких температур, поэтому необходимы также активные меры по повышению температуры.

Система хранения солнечной энергии и выделения тепла

Важной причиной высоких затрат на строительство и низкой эффективности использования земель в солнечных теплицах является то, что стена выполняет функции сохранения, аккумулирования и несущей нагрузки. Поэтому упрощение и сборка солнечных теплиц, несомненно, станут важным направлением развития в будущем. В частности, упрощение функций стены заключается в освобождении её от функции аккумулирования и отвода тепла, так что задняя стена будет выполнять только функцию сохранения тепла, что является эффективным способом упрощения конструкции. Например, активная система аккумулирования и отвода тепла Фан Хуэя (рис. 2) широко используется в невозделываемых районах, таких как Ганьсу, Нинся и Синьцзян. Её теплосборное устройство подвешивается на северной стене. Днём тепло, собранное теплосборным устройством, аккумулируется в теплоаккумуляторе за счёт циркуляции теплоносителя, а ночью тепло отводится и нагревается за счёт циркуляции теплоаккумулятора, обеспечивая таким образом теплопередачу во времени и пространстве. Эксперименты показывают, что с помощью этого устройства минимальную температуру в теплице можно повысить на 3–5 ℃. Ван Чживей и др. предложили систему водяной завесы для обогрева солнечной теплицы в южной части пустыни Синьцзян, которая позволяет повысить температуру в теплице на 2,1 ℃ ночью.

Кроме того, Бао Эньцай и др. разработали активную систему циркуляции тепла для северной стены. В дневное время, благодаря циркуляции осевых вентиляторов, горячий воздух внутри помещения проходит через теплопередающий канал, встроенный в северную стену, и теплопередающий канал обменивается теплом с теплоаккумулирующим слоем внутри стены, что значительно повышает теплоаккумулирующую способность стены. Также, разработанная Янь Яньтао и др. система аккумулирования тепла с фазовым переходом на основе солнечной энергии аккумулирует тепло в материалах с фазовым переходом с помощью солнечных коллекторов в дневное время, а затем рассеивает тепло в воздухе внутри помещения посредством циркуляции воздуха ночью, что позволяет повысить среднюю температуру на 2,0℃ ночью. Вышеупомянутые технологии и оборудование для использования солнечной энергии обладают экономичностью, энергосбережением и низким уровнем выбросов углерода. После оптимизации и усовершенствования они должны иметь хорошие перспективы применения в районах с обильными ресурсами солнечной энергии на северо-западе Китая.

Другие вспомогательные технологии отопления

01 отопление с использованием энергии биомассы

В теплице подстилка, солома, коровий навоз, овечий навоз и птичий навоз смешиваются с биологическими бактериями и закапываются в почву. В процессе ферментации выделяется много тепла, а также образуется большое количество полезных бактерий, органических веществ и CO2. Полезные бактерии подавляют и уничтожают различные микроорганизмы, снижая вероятность возникновения болезней и вредителей в теплице; органические вещества служат удобрением для растений; образующийся CO2 усиливает фотосинтез. Например, Вэй Вэньсян закапывал горячие органические удобрения, такие как конский навоз, коровий навоз и овечий навоз, в почву внутри солнечной теплицы на Цинхайском плато, что эффективно повышало температуру грунта. В солнечной теплице в пустынной местности Ганьсу Чжоу Чжилун использовал солому и органические удобрения для ферментации между посевами. Эксперимент показал, что температура в теплице может быть повышена на 2-3℃.

02 угольное отопление

Существуют искусственные печи, энергосберегающие водонагреватели и системы отопления. Например, после исследований на Цинхайском плато Вэй Вэньсян обнаружил, что в основном здесь используется отопление с помощью искусственных печей. Этот метод отопления имеет преимущества более быстрого нагрева и заметного эффекта. Однако в процессе сжигания угля образуются вредные газы, такие как SO2, CO и H2S, поэтому необходимо обеспечить эффективную систему отвода вредных газов.

03 электрическое отопление

Для обогрева передней части крыши теплицы можно использовать электрический нагревательный элемент или электрический обогреватель. Эффект обогрева замечательный, использование безопасно, в теплице не образуются загрязняющие вещества, а отопительное оборудование легко контролировать. Чэнь Вэйцянь и другие считают, что проблема повреждений от заморозков зимой в районе Цзюцюань препятствует развитию местного сельского хозяйства Гоби, и для обогрева теплиц можно использовать электрические нагревательные элементы. Однако из-за использования высококачественных источников энергии потребление энергии высокое, а стоимость высока. Предлагается использовать их в качестве временного средства аварийного обогрева в условиях сильных морозов.

Меры по управлению окружающей средой

В процессе производства и эксплуатации теплицы полное оснащение и нормальная работа оборудования не могут эффективно обеспечить соответствие теплового режима проектным требованиям. Фактически, использование и обслуживание оборудования часто играют ключевую роль в формировании и поддержании теплового режима, и наиболее важным аспектом является ежедневное обслуживание теплоизоляционных утеплителей и вентиляционных отверстий.

Управление теплоизоляционным одеялом

Теплоизоляционное полотно является ключевым элементом ночной теплоизоляции передней части крыши, поэтому крайне важно тщательно следить за его ежедневным уходом и обслуживанием, особенно обращая внимание на следующие проблемы: ① Выбор оптимального времени открытия и закрытия теплоизоляционного полотна. Время открытия и закрытия теплоизоляционного полотна влияет не только на время освещения теплицы, но и на процесс обогрева. Слишком раннее или слишком позднее открытие и закрытие теплоизоляционного полотна не способствует накоплению тепла. Утром, если полотно открыть слишком рано, температура внутри теплицы резко упадет из-за низкой температуры наружного воздуха и слабого света. Напротив, если время открытия слишком позднее, время получения света в теплице сократится, и время повышения температуры внутри теплицы задержится. Днем, если теплоизоляционное полотно выключить слишком рано, время пребывания тепла внутри теплицы сократится, и теплоаккумулирующие свойства грунта и стен внутри теплицы уменьшатся. Напротив, если теплоизоляционный материал отключается слишком поздно, теплоотдача теплицы увеличится из-за низкой температуры наружного воздуха и слабого освещения. Поэтому, как правило, при включении теплоизоляционного укрытия утром желательно, чтобы температура повысилась на 1-2℃, а при его выключении – чтобы она повысилась на 1-2℃. ② При закрытии теплоизоляционного укрытия следите за тем, чтобы оно плотно закрывало все передние части крыши, и своевременно поправляйте его, если есть зазоры. ③ После полного укладки теплоизоляционного укрытия проверьте, плотно ли оно прилегает к нижней части, чтобы предотвратить сдувание теплоизоляционного материала ветром ночью. ④ Своевременно проверяйте и обслуживайте теплоизоляционное укрытие, особенно если оно повреждено, своевременно ремонтируйте или заменяйте его. ⑤ Своевременно следите за погодными условиями. В случае дождя или снега своевременно накройте теплоизоляционное одеяло и уберите снег.

Управление вентиляционными системами

Цель вентиляции зимой — регулирование температуры воздуха во избежание перегрева в полдень; вторая — устранение влажности внутри помещения, снижение влажности воздуха в теплице и борьба с вредителями и болезнями; третья — повышение концентрации CO2 внутри помещения и стимулирование роста растений. Однако вентиляция и сохранение тепла противоречат друг другу. Неправильное управление вентиляцией может привести к проблемам с низкой температурой. Поэтому время и продолжительность открытия вентиляционных отверстий необходимо динамически регулировать в зависимости от условий окружающей среды в теплице в любой момент времени. В невозделываемых районах северо-запада управление вентиляцией теплиц в основном делится на два способа: ручное управление и простая механическая вентиляция. Однако время открытия и продолжительность вентиляции в основном определяются субъективным суждением человека, поэтому может случиться так, что вентиляционные отверстия открываются слишком рано или слишком поздно. Для решения вышеуказанных проблем Инь Илей и др. разработали интеллектуальное вентиляционное устройство для крыши, которое может определять время открытия и размер открытия и закрытия вентиляционных отверстий в зависимости от изменений внутренней среды. В связи с углублением исследований закономерностей изменения окружающей среды и спроса на сельскохозяйственную продукцию, а также популяризацией и развитием таких технологий и оборудования, как системы мониторинга окружающей среды, сбора, анализа и контроля информации, автоматизация управления вентиляцией в солнечных теплицах должна стать важным направлением развития в будущем.

Другие меры управления

В процессе использования различных видов пленочных покрытий светопропускание постепенно снижается, причем скорость снижения зависит не только от их физических свойств, но и от окружающей среды и условий эксплуатации. В процессе эксплуатации наиболее важным фактором, приводящим к снижению светопропускания, является загрязнение поверхности пленки. Поэтому крайне важно проводить регулярную уборку, особенно когда позволяют условия. Кроме того, необходимо регулярно проверять конструкцию теплицы. При обнаружении протечек в стенах и передней части крыши их следует своевременно устранять, чтобы избежать проникновения холодного воздуха в теплицу.

Существующие проблемы и направления развития

На протяжении многих лет исследователи изучали технологии сохранения и хранения тепла, методы управления и способы обогрева теплиц в невозделываемых районах северо-западного Китая, что в основном позволило реализовать зимовку овощей, значительно повысило устойчивость теплиц к низкотемпературным повреждениям от холода и внесло исторический вклад в смягчение противоречия между конкуренцией за землю между производителями продовольствия и овощей в Китае. Однако в технологии обеспечения температурного режима на северо-западе Китая по-прежнему существуют следующие проблемы.

Будут модернизированы различные типы теплиц.

В настоящее время в теплицах по-прежнему преобладают типы, построенные в конце XX и начале XXI веков, отличающиеся простой конструкцией, нерациональным дизайном, низкой способностью поддерживать температурный режим и устойчивостью к стихийным бедствиям, а также отсутствием стандартизации. Поэтому в будущем при проектировании теплиц необходимо стандартизировать форму и наклон передней крыши, азимутальный угол теплицы, высоту задней стенки, глубину заглубления и т.д., полностью учитывая местные географические особенности и климат. Одновременно следует по возможности выращивать в одной теплице только одну культуру, чтобы обеспечить стандартизацию теплиц в соответствии с требованиями к освещению и температуре выращиваемых культур.

Масштабы теплиц относительно невелики.

Слишком малый размер теплицы повлияет на стабильность тепличного микроклимата и развитие механизации. С постепенным ростом затрат на рабочую силу развитие механизации станет важным направлением в будущем. Поэтому в будущем следует ориентироваться на местный уровень развития, учитывать потребности в развитии механизации, рационально проектировать внутреннее пространство и планировку теплиц, ускорять исследования и разработки сельскохозяйственного оборудования, подходящего для местных условий, и повышать уровень механизации тепличного производства. В то же время, в соответствии с потребностями культур и схемами выращивания, соответствующее оборудование должно соответствовать стандартам, а также следует активно развивать комплексные исследования и разработки, внедрять инновации и популяризировать оборудование для вентиляции, снижения влажности, теплоизоляции и отопления.

Толщина стен из песка и пустотелых блоков по-прежнему остается значительной.

Если стена слишком толстая, то, несмотря на хороший теплоизоляционный эффект, это снизит коэффициент использования грунта, увеличит стоимость и сложность строительства. Поэтому в будущем, с одной стороны, толщину стен можно будет научно оптимизировать в соответствии с местными климатическими условиями; с другой стороны, следует продвигать облегченную и упрощенную конструкцию задней стенки, чтобы она сохраняла только функцию теплоизоляции, а вместо аккумулирования и отвода тепла стенами использовались солнечные коллекторы и другое оборудование. Солнечные коллекторы обладают такими характеристиками, как высокая эффективность сбора тепла, большая теплоемкость, энергосбережение, низкое содержание углерода и т.д., и большинство из них позволяют осуществлять активное регулирование и контроль, а также осуществлять целенаправленный экзотермический нагрев в соответствии с требованиями окружающей среды теплицы в ночное время, обеспечивая более высокую эффективность использования тепла.

Необходимо разработать специальный теплоизоляционный утеплитель.

Передняя часть крыши является основным источником теплоотдачи в теплице, и теплоизоляционные свойства теплоизоляционного полотна напрямую влияют на температуру внутри помещения. В настоящее время в некоторых регионах температура в теплицах оставляет желать лучшего, отчасти из-за слишком тонкого теплоизоляционного полотна и недостаточной теплоизоляционной способности материалов. В то же время, теплоизоляционные полотна имеют ряд проблем, таких как плохая водонепроницаемость и скользкость, быстрое старение поверхностных и внутренних материалов и т.д. Поэтому в будущем необходимо научно подбирать подходящие теплоизоляционные материалы в соответствии с местными климатическими особенностями и требованиями, а также разрабатывать и внедрять специальные теплоизоляционные полотна, пригодные для местного применения и широкого распространения.

КОНЕЦ

Цитируемая информация

Ло Ганьлян, Чэн Цзеюй, Ван Пинчжи и др. Состояние исследований технологии обеспечения температурного режима окружающей среды в солнечных теплицах на невозделываемых землях северо-запада [J]. Технология сельскохозяйственной инженерии, 2022, 42(28): 12-20.