Li Jianming, Sun Guotao, etc.Tecnoloxía de enxeñaría agrícola hortícola de invernadoiroPublicado en Pequín o 21/11/2022 ás 17:42

Nos últimos anos, a industria dos invernadoiros desenvolveuse vigorosamente. O desenvolvemento dos invernadoiros non só mellora a taxa de utilización da terra e a taxa de produción de produtos agrícolas, senón que tamén resolve o problema do subministro de froitas e verduras fóra de tempada. Non obstante, os invernadoiros tamén se atoparon con desafíos sen precedentes. As instalacións orixinais, os métodos de calefacción e as formas estruturais produciron resistencia ao medio ambiente e ao desenvolvemento. Necesítanse con urxencia novos materiais e novos deseños para cambiar a estrutura dos invernadoiros, e necesítanse con urxencia novas fontes de enerxía para acadar os obxectivos de conservación de enerxía e protección ambiental, así como aumentar a produción e os ingresos.

Este artigo aborda o tema de "novas enerxías, novos materiais, novos deseños para axudar á nova revolución dos invernadoiros", incluíndo a investigación e a innovación da enerxía solar, a enerxía da biomasa, a enerxía xeotérmica e outras novas fontes de enerxía nos invernadoiros, a investigación e a aplicación de novos materiais para cubertas, illamento térmico, paredes e outros equipos, e as perspectivas e ideas de futuro sobre novas enerxías, novos materiais e novos deseños para axudar á reforma dos invernadoiros, co fin de proporcionar unha referencia para a industria.

Desenvolver a agricultura de instalacións é o requisito político e a elección inevitable para implementar o espírito das importantes instrucións e a toma de decisións do goberno central. En 2020, a superficie total de agricultura protexida en China será de 2,8 millóns de hm2 e o valor da produción superará o billón de yuans. É unha forma importante de mellorar a capacidade de produción de invernadoiros para mellorar a iluminación dos invernadoiros e o rendemento do illamento térmico a través de novas enerxías, novos materiais e novos deseños de invernadoiros. Hai moitas desvantaxes na produción tradicional de invernadoiros, como o carbón, o fuelóleo e outras fontes de enerxía utilizadas para a calefacción e o quecemento en invernadoiros tradicionais, o que resulta nunha gran cantidade de gas dióxido, que contamina gravemente o medio ambiente, mentres que o gas natural, a enerxía eléctrica e outras fontes de enerxía aumentan o custo operativo dos invernadoiros. Os materiais tradicionais de almacenamento de calor para as paredes dos invernadoiros son principalmente arxila e ladrillos, que consomen moito e causan graves danos aos recursos terrestres. A eficiencia do uso da terra do invernadoiro solar tradicional con parede de terra é só do 40% ao 50%, e o invernadoiro ordinario ten unha capacidade de almacenamento de calor deficiente, polo que non pode sobrevivir ao inverno para producir vexetais quentes no norte da China. Polo tanto, o núcleo da promoción do cambio nos invernadoiros, ou a investigación básica, reside no deseño, a investigación e o desenvolvemento de novos materiais e novas enerxías nos invernadoiros. Este artigo centrarase na investigación e innovación de novas fontes de enerxía nos invernadoiros, resumirá o estado da investigación de novas fontes de enerxía como a enerxía solar, a enerxía da biomasa, a enerxía xeotérmica, a enerxía eólica e os novos materiais de revestimento transparentes, materiais de illamento térmico e materiais para paredes nos invernadoiros, analizará a aplicación de novas enerxías e novos materiais na construción de novos invernadoiros e agardará o seu papel no desenvolvemento e a transformación futuros dos invernadoiros.

Investigación e innovación de novos invernadoiros de enerxía

A nova enerxía verde co maior potencial de utilización agrícola inclúe a enerxía solar, a enerxía xeotérmica e a enerxía da biomasa, ou a utilización integral dunha variedade de novas fontes de enerxía, para lograr un uso eficiente da enerxía aprendendo dos puntos fortes de cada un.

enerxía solar

A tecnoloxía da enerxía solar é un modo de subministración de enerxía baixo en carbono, eficiente e sostible, e é un compoñente importante das industrias emerxentes estratéxicas da China. Converterase nunha opción inevitable para a transformación e mellora da estrutura enerxética da China no futuro. Desde o punto de vista da utilización da enerxía, o propio invernadoiro é unha estrutura de instalación para a utilización da enerxía solar. A través do efecto invernadoiro, a enerxía solar recóllese no interior, a temperatura do invernadoiro elévase e proporciona a calor necesaria para o crecemento dos cultivos. A principal fonte de enerxía da fotosíntese das plantas de invernadoiro é a luz solar directa, que é a utilización directa da enerxía solar.

01 Xeración de enerxía fotovoltaica para xerar calor

A xeración de enerxía fotovoltaica é unha tecnoloxía que converte directamente a enerxía luminosa en enerxía eléctrica baseándose no efecto fotovoltaico. O elemento clave desta tecnoloxía é a célula solar. Cando a enerxía solar incide sobre un conxunto de paneis solares en serie ou en paralelo, os compoñentes semicondutores converten directamente a enerxía da radiación solar en enerxía eléctrica. A tecnoloxía fotovoltaica pode converter directamente a enerxía luminosa en enerxía eléctrica, almacenar electricidade a través de baterías e quentar o invernadoiro pola noite, pero o seu alto custo restrinxe o seu desenvolvemento posterior. O grupo de investigación desenvolveu un dispositivo de calefacción de grafeno fotovoltaico, que consta de paneis fotovoltaicos flexibles, unha máquina de control inverso todo en un, unha batería de almacenamento e unha vara de calefacción de grafeno. Segundo a lonxitude da liña de plantación, a vara de calefacción de grafeno está enterrada baixo a bolsa de substrato. Durante o día, os paneis fotovoltaicos absorben a radiación solar para xerar electricidade e almacenala na batería de almacenamento, e logo a electricidade libérase pola noite para a vara de calefacción de grafeno. Na medición real, adóptase o modo de control de temperatura de inicio a 17 ℃ e peche a 19 ℃. Funcionando pola noite (20:00-08:00 o segundo día) durante 8 horas, o consumo de enerxía para quentar unha soa fila de plantas é de 1,24 kW·h, e a temperatura media da bolsa de substrato pola noite é de 19,2 ℃, que é 3,5 ~ 5,3 ℃ máis alta que a do control. Este método de quecemento combinado coa xeración de enerxía fotovoltaica resolve os problemas de alto consumo de enerxía e alta contaminación na calefacción de invernadoiros no inverno.

02 conversión e utilización fototérmica

A conversión fototérmica solar refírese ao uso dunha superficie especial de recollida de luz solar feita de materiais de conversión fototérmica para recoller e absorber a maior cantidade posible de enerxía solar irradiada e convertela en enerxía térmica. En comparación coas aplicacións solares fotovoltaicas, as aplicacións solares fototérmicas aumentan a absorción da banda do infravermello próximo, polo que teñen unha maior eficiencia de utilización da enerxía da luz solar, un menor custo e unha tecnoloxía madura, e son a forma máis utilizada de utilización da enerxía solar.

A tecnoloxía máis madura de conversión e utilización fototérmica na China é o colector solar, cuxo compoñente central é o núcleo da placa absorbente de calor cun revestimento de absorción selectiva, que pode converter a enerxía da radiación solar que pasa a través da placa de cuberta en enerxía térmica e transmitila ao medio de traballo absorbente de calor. Os colectores solares pódense dividir en dúas categorías segundo haxa ou non un espazo de baleiro no colector: colectores solares planos e colectores solares de tubos de baleiro; colectores solares de concentración e colectores solares non concentradores segundo cambie de dirección a radiación solar no porto de iluminación natural; e colectores solares líquidos e colectores solares de aire segundo o tipo de medio de traballo de transferencia de calor.

O aproveitamento da enerxía solar nos invernadoiros lévase a cabo principalmente a través de varios tipos de colectores solares. A Universidade Ibn Zor de Marrocos desenvolveu un sistema activo de calefacción por enerxía solar (ASHS) para o quecemento de invernadoiros, que pode aumentar a produción total de tomate nun 55 % no inverno. A Universidade Agrícola de China deseñou e desenvolveu un conxunto de sistemas de recollida e descarga de ventiladores e refrixeradores de superficie, cunha capacidade de recollida de calor de 390,6 a 693,0 MJ, e propuxo a idea de separar o proceso de recollida de calor do proceso de almacenamento de calor mediante bomba de calor. A Universidade de Bari, en Italia, desenvolveu un sistema de calefacción de polixeración de invernadoiros, que consiste nun sistema de enerxía solar e unha bomba de calor aire-auga, e pode aumentar a temperatura do aire nun 3,6 % e a temperatura do solo nun 92 %. O grupo de investigación desenvolveu un tipo de equipo activo de recollida de calor solar con ángulo de inclinación variable para invernadoiros solares e un dispositivo de almacenamento de calor de apoio para masas de auga de invernadoiros en calquera clima. A tecnoloxía activa de recollida de calor solar con inclinación variable supera as limitacións dos equipos tradicionais de recollida de calor de invernadoiros, como a capacidade limitada de recollida de calor, a sombra e a ocupación de terras cultivadas. Mediante o uso da estrutura especial de invernadoiro solar, o espazo non plantado do invernadoiro aprovéitase plenamente, o que mellora considerablemente a eficiencia de utilización do espazo do invernadoiro. En condicións típicas de traballo soleado, o sistema activo de recollida de calor solar con inclinación variable alcanza os 1,9 MJ/(m2h), a eficiencia de utilización de enerxía alcanza o 85,1 % e a taxa de aforro de enerxía é do 77 %. Na tecnoloxía de almacenamento de calor de invernadoiro, establécese a estrutura de almacenamento de calor de cambio multifásico, aumenta a capacidade de almacenamento de calor do dispositivo de almacenamento de calor e conséguese a liberación lenta da calor do dispositivo, para lograr un uso eficiente da calor recollida polo equipo de recollida de calor solar de invernadoiro.

enerxía da biomasa

Constrúese unha nova estrutura de instalacións combinando o dispositivo produtor de calor de biomasa co invernadoiro, e as materias primas de biomasa, como o esterco de porco, os residuos de cogomelos e a palla, compóstanse para producir calor, e a enerxía térmica xerada subministrase directamente ao invernadoiro [5]. En comparación co invernadoiro sen tanque de calefacción de fermentación de biomasa, o invernadoiro de calefacción pode aumentar eficazmente a temperatura do chan no invernadoiro e manter a temperatura adecuada das raíces dos cultivos cultivados no solo no clima normal no inverno. Tomando como exemplo un invernadoiro de illamento térmico asimétrico dunha soa capa cunha envergadura de 17 m e unha lonxitude de 30 m, engadir 8 m de residuos agrícolas (palla de tomate e esterco de porco mesturados) no tanque de fermentación interior para a fermentación natural sen virar a pila pode aumentar a temperatura media diaria do invernadoiro en 4,2 ℃ no inverno, e a temperatura mínima media diaria pode alcanzar os 4,6 ℃.

O aproveitamento enerxético da fermentación controlada por biomasa é un método de fermentación que emprega instrumentos e equipos para controlar o proceso de fermentación co fin de obter e utilizar rapidamente a enerxía térmica da biomasa e o fertilizante gasoso de CO2, entre os cales a ventilación e a humidade son os factores clave para regular a produción de calor e gas de fermentación da biomasa. En condicións ventiladas, os microorganismos aeróbicos na morea de fermentación usan osíxeno para as actividades vitais, e parte da enerxía xerada utilízase para as súas propias actividades vitais, e outra parte da enerxía libérase ao ambiente como enerxía térmica, o que é beneficioso para o aumento da temperatura do ambiente. A auga participa en todo o proceso de fermentación, proporcionando os nutrientes solubles necesarios para as actividades microbianas e, ao mesmo tempo, liberando a calor da morea en forma de vapor a través da auga, para reducir a temperatura da morea, prolongar a vida dos microorganismos e aumentar a temperatura a granel da morea. A instalación dun dispositivo de lixiviación de palla no tanque de fermentación pode aumentar a temperatura interior en 3 ~ 5 ℃ no inverno, fortalecer a fotosíntese das plantas e aumentar o rendemento do tomate nun 29,6 %.

enerxía xeotérmica

China é rica en recursos xeotérmicos. Na actualidade, a forma máis común para que as instalacións agrícolas utilicen a enerxía xeotérmica é mediante a bomba de calor xeotérmica, que pode transferir enerxía térmica de baixa calidade a enerxía térmica de alta calidade introducindo unha pequena cantidade de enerxía de alta calidade (como a enerxía eléctrica). A diferenza das medidas tradicionais de calefacción de invernadoiros, a calefacción con bomba de calor xeotérmica non só pode lograr un efecto de calefacción significativo, senón que tamén ten a capacidade de arrefriar o invernadoiro e reducir a humidade nel. A investigación sobre a aplicación da bomba de calor xeotérmica no campo da construción de vivendas está madura. A parte central que afecta á capacidade de calefacción e refrixeración da bomba de calor xeotérmica é o módulo de intercambio de calor subterráneo, que inclúe principalmente tubaxes soterradas, pozos subterráneos, etc. Como deseñar un sistema de intercambio de calor subterráneo cun custo e efecto equilibrados sempre foi o foco de investigación desta parte. Ao mesmo tempo, o cambio da temperatura da capa de solo subterráneo na aplicación da bomba de calor xeotérmica tamén afecta ao efecto de uso do sistema de bomba de calor. Empregar a bomba de calor xeotérmica para arrefriar o invernadoiro no verán e almacenar a enerxía térmica na capa profunda do solo pode aliviar a caída de temperatura da capa subterránea do solo e mellorar a eficiencia da produción de calor da bomba de calor xeotérmica no inverno.

Na actualidade, na investigación do rendemento e a eficiencia da bomba de calor xeotérmica, a través dos datos experimentais reais, establécese un modelo numérico con software como TOUGH2 e TRNSYS, e conclúese que o rendemento de quecemento e o coeficiente de rendemento (COP) da bomba de calor xeotérmica poden alcanzar os 3,0 ~ 4,5, o que ten un bo efecto de arrefriamento e quecemento. Na investigación da estratexia de funcionamento do sistema de bomba de calor, Fu Yunzhun e outros descubriron que, en comparación co fluxo do lado da carga, o fluxo do lado da xeotérmica ten un maior impacto no rendemento da unidade e no rendemento de transferencia de calor da tubaxe soterrada. Baixo a condición de axuste do fluxo, o valor máximo de COP da unidade pode alcanzar os 4,17 adoptando o esquema de funcionamento durante 2 horas e parada durante 2 horas; Shi Huixian e outros adoptaron un modo de funcionamento intermitente do sistema de arrefriamento por almacenamento de auga. No verán, cando a temperatura é alta, o COP de todo o sistema de subministración de enerxía pode alcanzar os 3,80.

Tecnoloxía de almacenamento de calor no solo profundo en invernadoiros

O almacenamento de calor no solo profundo nun invernadoiro tamén se denomina "banco de almacenamento de calor". Os danos causados ​​polo frío no inverno e as altas temperaturas no verán son os principais obstáculos para a produción en invernadoiro. Baseándose na forte capacidade de almacenamento de calor do solo profundo, o grupo de investigación deseñou un dispositivo de almacenamento de calor subterráneo para invernadoiros. O dispositivo é unha tubaxe de transferencia de calor paralela de dobre capa enterrada a unha profundidade de 1,5 a 2,5 m baixo terra no invernadoiro, cunha entrada de aire na parte superior do invernadoiro e unha saída de aire no chan. Cando a temperatura no invernadoiro é alta, o aire interior é bombeado á forza ao chan mediante un ventilador para conseguir o almacenamento de calor e a redución da temperatura. Cando a temperatura do invernadoiro é baixa, a calor extráese do solo para quentar o invernadoiro. Os resultados da produción e a aplicación mostran que o dispositivo pode aumentar a temperatura do invernadoiro en 2,3 ℃ na noite de inverno, reducir a temperatura interior en 2,6 ℃ no día de verán e aumentar o rendemento do tomate en 1500 kg en 667 m².²O dispositivo aproveita ao máximo as características de "cálido no inverno e fresco no verán" e "temperatura constante" do solo subterráneo profundo, proporciona un "banco de acceso a enerxía" para o invernadoiro e completa continuamente as funcións auxiliares de refrixeración e calefacción do invernadoiro.

Coordinación multienerxética

Empregar dous ou máis tipos de enerxía para quentar o invernadoiro pode compensar eficazmente as desvantaxes dun só tipo de enerxía e dar xogo ao efecto de superposición de "un máis un é maior que dous". A cooperación complementaria entre a enerxía xeotérmica e a enerxía solar é un punto de investigación importante no novo uso da enerxía na produción agrícola nos últimos anos. Emmi et. estudaron un sistema de enerxía multifonte (Figura 1), que está equipado cun colector solar híbrido fotovoltaico-térmico. En comparación co sistema común de bomba de calor aire-auga, a eficiencia enerxética do sistema de enerxía multifonte mellora entre un 16 % e un 25 %. Zheng et. desenvolveron un novo tipo de sistema de almacenamento de calor acoplado de enerxía solar e bomba de calor xeotérmica. O sistema de colector solar pode realizar un almacenamento estacional de alta calidade da calefacción, é dicir, calefacción de alta calidade no inverno e refrixeración de alta calidade no verán. O intercambiador de calor de tubos enterrados e o tanque de almacenamento de calor intermitente poden funcionar ben no sistema e o valor COP do sistema pode alcanzar os 6,96.

Combinado coa enerxía solar, ten como obxectivo reducir o consumo de enerxía comercial e mellorar a estabilidade do subministro de enerxía solar nos invernadoiros. Wan Ya e os seus colaboradores propuxeron un novo esquema de tecnoloxía de control intelixente para combinar a xeración de enerxía solar coa enerxía comercial para a calefacción de invernadoiros, que pode aproveitar a enerxía fotovoltaica cando hai luz e convertela en enerxía comercial cando non a hai, o que reduce en gran medida a taxa de escaseza de enerxía de carga e o custo económico sen usar baterías.

A enerxía solar, a enerxía da biomasa e a enerxía eléctrica poden quentar conxuntamente invernadoiros, o que tamén permite acadar unha alta eficiencia de calefacción. Zhang Liangrui e outros combinaron a recollida de calor por tubos de baleiro solar cun tanque de auga de almacenamento de calor por electricidade de val. O sistema de calefacción de invernadoiros ten un bo confort térmico e a eficiencia de calefacción media do sistema é do 68,70 %. O tanque de auga de almacenamento de calor eléctrico é un dispositivo de almacenamento de auga para quecemento de biomasa con calefacción eléctrica. Establécese a temperatura máis baixa de entrada de auga no extremo de calefacción e a estratexia de funcionamento do sistema determínase segundo a temperatura de almacenamento de auga da parte de recollida de calor solar e da parte de almacenamento de calor de biomasa, para conseguir unha temperatura de calefacción estable no extremo de calefacción e aforrar enerxía eléctrica e materiais enerxéticos de biomasa ao máximo.

Investigación e aplicación innovadoras de novos materiais para invernadoiros

Coa expansión da superficie de invernadoiros, as desvantaxes da aplicación dos materiais tradicionais de invernadoiros, como os ladrillos e a terra, revélanse cada vez máis. Polo tanto, para mellorar aínda máis o rendemento térmico dos invernadoiros e satisfacer as necesidades de desenvolvemento dos invernadoiros modernos, realizáronse moitas investigacións e aplicacións de novos materiais de revestimento transparentes, materiais de illamento térmico e materiais para paredes.

Investigación e aplicación de novos materiais de revestimento transparentes

Os tipos de materiais de revestimento transparentes para invernadoiros inclúen principalmente películas plásticas, vidro, paneis solares e paneis fotovoltaicos, entre os cales as películas plásticas teñen a maior área de aplicación. A película tradicional de PE para invernadoiros ten os defectos dunha curta vida útil, non degradación e función única. Na actualidade, desenvolvéronse unha variedade de novas películas funcionais engadindo reactivos ou revestimentos funcionais.

Película de conversión de luz:A película de conversión de luz cambia as propiedades ópticas da película mediante o uso de axentes de conversión de luz como terras raras e nanomateriais, e pode converter a rexión da luz ultravioleta en luz vermella laranxa e luz azul violeta necesaria para a fotosíntese das plantas, aumentando así o rendemento das colleitas e reducindo os danos da luz ultravioleta ás colleitas e ás películas de invernadoiro en invernadoiros de plástico. Por exemplo, a película de invernadoiro de banda ancha de púrpura a vermello con axente de conversión de luz VTR-660 pode mellorar significativamente a transmitancia infravermella cando se aplica no invernadoiro e, en comparación co invernadoiro de control, o rendemento de tomate por hectárea, o contido de vitamina C e licopeno aumentaron significativamente nun 25,71 %, 11,11 % e 33,04 % respectivamente. Non obstante, na actualidade, a vida útil, a degradabilidade e o custo da nova película de conversión de luz aínda precisan ser estudados.

Vidro dispersoO vidro disperso nos invernadoiros é un patrón especial e unha tecnoloxía antirreflexo na superficie do vidro, que pode maximizar a luz solar en luz dispersa e entrar no invernadoiro, mellorar a eficiencia da fotosíntese dos cultivos e aumentar o rendemento das colleitas. O vidro disperso converte a luz que entra no invernadoiro en luz dispersa a través de patróns especiais, e a luz dispersa pode irradiarse máis uniformemente no invernadoiro, eliminando a influencia da sombra do esqueleto no invernadoiro. En comparación co vidro flotado ordinario e o vidro flotado ultrabranco, o estándar de transmitancia da luz do vidro disperso é do 91,5 %, e o do vidro flotado ordinario é do 88 %. Por cada aumento do 1 % na transmitancia da luz dentro do invernadoiro, o rendemento pode aumentar aproximadamente un 3 %, e o azucre soluble e a vitamina C nas froitas e verduras aumentan. O vidro disperso nos invernadoiros revístese primeiro e despois térmase, e a taxa de autoexplosión é superior ao estándar nacional, chegando ao 2 ‰.

Investigación e aplicación de novos materiais de illamento térmico

Os materiais tradicionais de illamento térmico en invernadoiros inclúen principalmente esteras de palla, colchas de papel, colchas de illamento térmico de feltro con agullas, etc., que se usan principalmente para o illamento térmico interno e externo de tellados, illamento de paredes e illamento térmico dalgúns dispositivos de almacenamento e recollida de calor. A maioría deles teñen o defecto de perder o rendemento do illamento térmico debido á humidade interna despois dun uso a longo prazo. Polo tanto, existen moitas aplicacións de novos materiais de alto illamento térmico, entre as cales as novas colchas de illamento térmico, os dispositivos de almacenamento e recollida de calor son o foco de investigación.

Os novos materiais de illamento térmico adoitan fabricarse procesando e combinando materiais impermeables á superficie e resistentes ao envellecemento, como películas tecidas e feltro revestido, con materiais de illamento térmico esponxosos, como algodón revestido por pulverización, cachemira variada e algodón perlado. No nordeste da China probouse unha colcha de illamento térmico de algodón revestida por pulverización con película tecida. Descubriuse que engadir 500 g de algodón revestido por pulverización equivalía ao rendemento de illamento térmico dunha colcha de illamento térmico de feltro negro de 4500 g no mercado. Nas mesmas condicións, o rendemento de illamento térmico dun algodón revestido por pulverización de 700 g mellorou en 1~2 ℃ en comparación co dunha colcha de illamento térmico de algodón revestido por pulverización de 500 g. Ao mesmo tempo, outros estudos tamén descubriron que, en comparación coas colchas de illamento térmico de uso común no mercado, o efecto de illamento térmico das colchas de illamento térmico de algodón revestido por pulverización e cachemira variada é mellor, con taxas de illamento térmico do 84,0 % e o 83,3 % respectivamente. Cando a temperatura exterior máis fría é de -24,4 ℃, a temperatura interior pode alcanzar os 5,4 e os 4,2 ℃ respectivamente. En comparación coa colcha illante de manta de palla única, a nova colcha illante composta ten as vantaxes de peso lixeiro, alta taxa de illamento, forte resistencia á auga e ao envellecemento, e pódese usar como un novo tipo de material illante de alta eficiencia para invernadoiros solares.

Ao mesmo tempo, segundo a investigación de materiais de illamento térmico para dispositivos de recollida e almacenamento de calor en invernadoiros, tamén se constatou que, cando o grosor é o mesmo, os materiais de illamento térmico compostos multicapa teñen un mellor rendemento de illamento térmico que os materiais individuais. O equipo do profesor Li Jianming da Universidade Northwest A&F deseñou e examinou 22 tipos de materiais de illamento térmico para dispositivos de almacenamento de auga en invernadoiros, como placas de baleiro, aeroxel e algodón de goma, e mediu as súas propiedades térmicas. Os resultados mostraron que o material de illamento composto de algodón de illamento térmico de 80 mm con revestimento de illamento térmico + aeroxel + goma-plástico podía reducir a disipación de calor en 0,367 MJ por unidade de tempo en comparación co algodón de goma-plástico de 80 mm, e o seu coeficiente de transferencia de calor era de 0,283 W/(m2·k) cando o grosor da combinación de illamento era de 100 mm.

O material de cambio de fase é un dos puntos candentes na investigación de materiais de invernadoiro. A Universidade Northwest A&F desenvolveu dous tipos de dispositivos de almacenamento de materiais de cambio de fase: un é unha caixa de almacenamento feita de polietileno negro, que ten un tamaño de 50 cm × 30 cm × 14 cm (lonxitude × altura × grosor) e está chea de materiais de cambio de fase, para que poida almacenar calor e liberar calor; En segundo lugar, desenvolveuse un novo tipo de placa de parede de cambio de fase. A placa de parede de cambio de fase consta de material de cambio de fase, placa de aluminio, placa de aluminio-plástico e aliaxe de aluminio. O material de cambio de fase está situado na posición máis central da placa de parede e a súa especificación é de 200 mm × 200 mm × 50 mm. É un sólido en po antes e despois do cambio de fase e non hai fenómeno de fusión ou fluxo. As catro paredes do material de cambio de fase son placa de aluminio e placa de aluminio-plástico, respectivamente. Este dispositivo pode realizar as funcións de almacenar calor principalmente durante o día e liberar calor principalmente pola noite.

Polo tanto, existen algúns problemas na aplicación dun só material de illamento térmico, como a baixa eficiencia de illamento térmico, a gran perda de calor, o curto tempo de almacenamento de calor, etc. Polo tanto, o uso de material de illamento térmico composto como capa de illamento térmico e capa de cobertura de illamento térmico interior e exterior do dispositivo de almacenamento de calor pode mellorar eficazmente o rendemento do illamento térmico do invernadoiro, reducir a perda de calor do invernadoiro e, polo tanto, conseguir o efecto de aforro de enerxía.

Investigación e aplicación de New Wall

Como unha especie de estrutura de peche, o muro é unha barreira importante para a protección contra o frío e a conservación da calor do invernadoiro. Segundo os materiais e as estruturas do muro, o desenvolvemento do muro norte do invernadoiro pódese dividir en tres tipos: o muro dunha soa capa feito de terra, ladrillos, etc., e o muro norte en capas feito de ladrillos de arxila, ladrillos de bloque, placas de poliestireno, etc., con almacenamento de calor interior e illamento térmico exterior, e a maioría destes muros requiren moito tempo e traballo; polo tanto, nos últimos anos apareceron moitos tipos novos de muros, que son fáciles de construír e axeitados para unha montaxe rápida.

A aparición de novos tipos de paredes ensambladas promove o rápido desenvolvemento de invernadoiros ensamblados, incluíndo paredes compostas de novo tipo con materiais de superficie externos impermeables e antienvellecemento e materiais como feltro, algodón perlado, algodón espacial, algodón de vidro ou algodón reciclado como capas de illamento térmico, como as paredes flexibles ensambladas de algodón pulverizado en Xinjiang. Ademais, outros estudos tamén informaron da parede norte dun invernadoiro ensamblado con capa de almacenamento de calor, como un bloque de morteiro de casca de trigo cheo de ladrillo en Xinjiang. No mesmo ambiente externo, cando a temperatura exterior máis baixa é de -20,8 ℃, a temperatura no invernadoiro solar con parede composta de bloque de morteiro de casca de trigo é de 7,5 ℃, mentres que a temperatura no invernadoiro solar con parede de ladrillo e formigón é de 3,2 ℃. O tempo de colleita do tomate nun invernadoiro de ladrillo pode adiantarse 16 días e o rendemento dun só invernadoiro pode aumentarse nun 18,4 %.

O equipo das instalacións da Northwest A&F University propuxo a idea de deseño de converter palla, terra, auga, pedra e materiais de cambio de fase en módulos de illamento térmico e almacenamento de calor desde o ángulo da luz e un deseño de parede simplificado, o que promoveu a investigación de aplicacións de parede modular ensamblada. Por exemplo, en comparación cun invernadoiro de parede de ladrillo ordinario, a temperatura media no invernadoiro é 4,0 ℃ máis alta nun día soleado típico. Tres tipos de módulos de cemento de cambio de fase inorgánico, que están feitos de material de cambio de fase (PCM) e cemento, acumularon calor de 74,5, 88,0 e 95,1 MJ/m³e liberaron calor de 59,8, 67,8 e 84,2 MJ/m³, respectivamente. Teñen as funcións de "corte de picos" durante o día, "enchido de vals" pola noite, absorción de calor no verán e liberación de calor no inverno.

Estes novos muros móntanse in situ, cun curto período de construción e unha longa vida útil, o que crea as condicións para a construción de invernadoiros prefabricados lixeiros, simplificados e de montaxe rápida, e pode promover enormemente a reforma estrutural dos invernadoiros. Non obstante, existen algúns defectos neste tipo de muro, como o muro de acolchado de illamento térmico de algodón pulverizado que ten un excelente rendemento de illamento térmico, pero carece de capacidade de almacenamento de calor, e o material de construción de cambio de fase ten o problema do alto custo de uso. No futuro, debería reforzarse a investigación de aplicacións de muros ensamblados.

Novas enerxías, novos materiais e novos deseños axudan a cambiar a estrutura do invernadoiro.

A investigación e a innovación en novas enerxías e novos materiais proporcionan a base para a innovación no deseño de invernadoiros. Os invernadoiros solares de aforro de enerxía e os galpóns de arco son as estruturas de galpóns máis grandes na produción agrícola da China e desempeñan un papel importante na produción agrícola. Non obstante, co desenvolvemento da economía social da China, as deficiencias dos dous tipos de estruturas de instalacións preséntanse cada vez máis. En primeiro lugar, o espazo das estruturas de instalacións é pequeno e o grao de mecanización é baixo; en segundo lugar, o invernadoiro solar de aforro de enerxía ten un bo illamento térmico, pero o uso do solo é baixo, o que equivale a substituír a enerxía do invernadoiro por terra. Os galpóns de arco ordinarios non só teñen un espazo pequeno, senón que tamén teñen un illamento térmico deficiente. Aínda que o invernadoiro de varios vans ten un gran espazo, ten un illamento térmico deficiente e un alto consumo de enerxía. Polo tanto, é imperativo investigar e desenvolver a estrutura de invernadoiro axeitada para o nivel social e económico actual da China, e a investigación e o desenvolvemento de novas enerxías e novos materiais axudarán a cambiar a estrutura do invernadoiro e a producir unha variedade de modelos ou estruturas de invernadoiros innovadores.

Investigación innovadora sobre un invernadoiro de cervexa asimétrico de gran envergadura controlado por auga

O invernadoiro de cervexa asimétrico de gran envergadura con control de auga (número de patente: ZL 201220391214.2) baséase no principio do invernadoiro de luz solar, cambiando a estrutura simétrica dun invernadoiro de plástico común, aumentando o envergadura sur, aumentando a área de iluminación do teito sur, reducindo o envergadura norte e reducindo a área de disipación de calor, cunha envergadura de 18~24 m e unha altura de cumio de 6~7 m. Mediante a innovación do deseño, a estrutura espacial aumentou significativamente. Ao mesmo tempo, os problemas de calor insuficiente no invernadoiro no inverno e o illamento térmico deficiente dos materiais de illamento térmico comúns resólvense mediante o uso de novas tecnoloxías de calor de cervexa de biomasa e materiais de illamento térmico. Os resultados da produción e a investigación amosan que o invernadoiro de cervexa asimétrico de gran envergadura con control de auga, cunha temperatura media de 11,7 ℃ en días soleados e 10,8 ℃ en días nubrados, pode satisfacer a demanda de crecemento dos cultivos no inverno, e o custo de construción do invernadoiro redúcese nun 39,6 % e a taxa de utilización da terra aumenta en máis dun 30 % en comparación co do invernadoiro de parede de ladrillo de poliestireno, o que é axeitado para unha maior popularización e aplicación na conca do río Huaihe Amarelo da China.

Invernadoiro de luz solar montado

O invernadoiro solar montado toma columnas e o esqueleto do tellado como estrutura portante, e o material do seu muro é principalmente illamento térmico envolvente, en lugar de almacenamento e liberación pasiva de calor portante. Principalmente: (1) fórmase un novo tipo de muro montado combinando varios materiais como película revestida ou placa de aceiro de cor, bloque de palla, colcha de illamento térmico flexible, bloque de morteiro, etc. (2) placa de parede composta feita de placa de cemento prefabricada, placa de poliestireno e placa de cemento; (3) Tipo de montaxe lixeiro e sinxelo de materiais de illamento térmico con sistema activo de almacenamento e liberación de calor e sistema de deshumidificación, como almacenamento de calor en balde cadrado de plástico e almacenamento de calor en tubaxes. O uso de diferentes novos materiais de illamento térmico e materiais de almacenamento de calor en lugar do muro de terra tradicional para construír un invernadoiro solar ten un gran espazo e unha enxeñaría civil pequena. Os resultados experimentais mostran que a temperatura do invernadoiro pola noite no inverno é 4,5 ℃ máis alta que a do invernadoiro tradicional de parede de ladrillo, e o grosor da parede traseira é de 166 mm. En comparación co invernadoiro de parede de ladrillo de 600 mm de grosor, a área ocupada da parede redúcese nun 72 % e o custo por metro cadrado é de 334,5 yuans, 157,2 yuans menos que o do invernadoiro de parede de ladrillo, e o custo de construción diminuíu significativamente. Polo tanto, o invernadoiro ensamblado ten as vantaxes dunha menor destrución de terra cultivada, aforro de terra, velocidade de construción rápida e longa vida útil, e é unha dirección clave para a innovación e o desenvolvemento de invernadoiros solares no presente e no futuro.

Invernadoiro solar deslizante

O invernadoiro solar de aforro de enerxía montado nun monopatín desenvolvido pola Universidade Agrícola de Shenyang usa a parede traseira do invernadoiro solar para formar un sistema de almacenamento de calor de parede circulante de auga para almacenar calor e aumentar a temperatura, que está composto principalmente por unha piscina (32 m³), unha placa colectora de luz (360 m²), unha bomba de auga, unha tubaxe de auga e un controlador. O colchón de illamento térmico flexible substitúese por un novo material de placa de aceiro de cor la de rocha lixeira na parte superior. A investigación demostra que este deseño resolve eficazmente o problema dos gabletes que bloquean a luz e aumenta a área de entrada de luz do invernadoiro. O ángulo de iluminación do invernadoiro é de 41,5°, case 16° máis alto que o do invernadoiro de control, o que mellora a taxa de iluminación. A distribución da temperatura interior é uniforme e as plantas medran de forma ordenada. O invernadoiro ten as vantaxes de mellorar a eficiencia do uso do solo, deseñar de forma flexible o tamaño do invernadoiro e acurtar o período de construción, o que é de gran importancia para protexer os recursos da terra cultivada e o medio ambiente.

invernadoiro fotovoltaico

Un invernadoiro agrícola é un invernadoiro que integra a xeración de enerxía solar fotovoltaica, o control intelixente da temperatura e a plantación moderna de alta tecnoloxía. Adopta unha estrutura de aceiro e está cuberto con módulos solares fotovoltaicos para garantir os requisitos de iluminación dos módulos de xeración de enerxía fotovoltaica e os requisitos de iluminación de todo o invernadoiro. A corrente continua xerada pola enerxía solar complementa directamente a luz dos invernadoiros agrícolas, apoia directamente o funcionamento normal dos equipos de invernadoiro, impulsa o rego dos recursos hídricos, aumenta a temperatura do invernadoiro e promove o rápido crecemento dos cultivos. Deste xeito, os módulos fotovoltaicos afectarán a eficiencia da iluminación do teito do invernadoiro e, a continuación, o crecemento normal das hortalizas de invernadoiro. Polo tanto, a disposición racional dos paneis fotovoltaicos no teito do invernadoiro convértese no punto clave de aplicación. O invernadoiro agrícola é o produto da combinación orgánica da agricultura turística e a xardinería de instalacións, e é unha industria agrícola innovadora que integra a xeración de enerxía fotovoltaica, o turismo agrícola, os cultivos agrícolas, a tecnoloxía agrícola, a paisaxe e o desenvolvemento cultural.

Deseño innovador dun grupo de invernadoiros con interacción enerxética entre diferentes tipos de invernadoiros

Guo Wenzhong, investigador da Academia de Ciencias Agrícolas e Forestais de Pequín, emprega o método de quecemento de transferencia de enerxía entre invernadoiros para recoller a enerxía térmica restante nun ou máis invernadoiros para quentar outro ou máis. Este método de quecemento realiza a transferencia de enerxía de invernadoiro no tempo e no espazo, mellora a eficiencia da utilización enerxética da enerxía térmica restante do invernadoiro e reduce o consumo total de enerxía de calefacción. Os dous tipos de invernadoiros poden ser de diferentes tipos ou do mesmo tipo de invernadoiro para plantar varios cultivos, como invernadoiros de leituga e tomate. Os métodos de recollida de calor inclúen principalmente a extracción da calor do aire interior e a interceptación directa da radiación incidente. Mediante a recollida de enerxía solar, a convección forzada por intercambiador de calor e a extracción forzada por bomba de calor, o exceso de calor no invernadoiro de alta enerxía extraíase para quentalo.

resumir

Estes novos invernadoiros solares teñen as vantaxes dunha montaxe rápida, un período de construción máis curto e unha mellor taxa de utilización do solo. Polo tanto, é necesario explorar máis a fondo o rendemento destes novos invernadoiros en diferentes áreas e ofrecer a posibilidade de popularización e aplicación a grande escala de novos invernadoiros. Ao mesmo tempo, é necesario fortalecer continuamente a aplicación de novas enerxías e novos materiais nos invernadoiros, para así proporcionar enerxía para a reforma estrutural dos invernadoiros.

Perspectiva e reflexións de futuro

Os invernadoiros tradicionais adoitan ter algunhas desvantaxes, como un alto consumo de enerxía, unha baixa taxa de utilización da terra, un consumo lento e de man de obra, un rendemento deficiente, etc., que xa non poden satisfacer as necesidades de produción da agricultura moderna e que están destinados a ser eliminados gradualmente. Polo tanto, é unha tendencia de desenvolvemento usar novas fontes de enerxía como a enerxía solar, a enerxía da biomasa, a enerxía xeotérmica e a enerxía eólica, novos materiais para aplicacións de invernadoiros e novos deseños para promover o cambio estrutural do invernadoiro. En primeiro lugar, o novo invernadoiro impulsado por novas enerxías e novos materiais non só debe satisfacer as necesidades da operación mecanizada, senón tamén aforrar enerxía, terra e custos. En segundo lugar, é necesario explorar constantemente o rendemento dos novos invernadoiros en diferentes áreas, para proporcionar condicións para a popularización a grande escala dos invernadoiros. No futuro, deberiamos buscar máis novas enerxías e novos materiais axeitados para a aplicación en invernadoiros e atopar a mellor combinación de novas enerxías, novos materiais e invernadoiro, para facer posible construír un novo invernadoiro con baixo custo, curto período de construción, baixo consumo de enerxía e excelente rendemento, axudar ao cambio na estrutura do invernadoiro e promover o desenvolvemento da modernización dos invernadoiros en China.

Aínda que a aplicación de novas enerxías, novos materiais e novos deseños na construción de invernadoiros é unha tendencia inevitable, aínda hai moitos problemas por estudar e superar: (1) O custo da construción aumenta. En comparación coa calefacción tradicional con carbón, gas natural ou petróleo, a aplicación de novas enerxías e novos materiais é respectuosa co medio ambiente e libre de contaminación, pero o custo da construción aumenta significativamente, o que ten un certo impacto na recuperación do investimento na produción e operación. En comparación coa utilización da enerxía, o custo dos novos materiais aumentará significativamente. (2) Utilización inestable da enerxía térmica. A maior vantaxe da utilización de novas enerxías é o baixo custo operativo e a baixa emisión de dióxido de carbono, pero o subministro de enerxía e calor é inestable, e os días nubrados convértense no maior factor limitante na utilización da enerxía solar. No proceso de produción de calor de biomasa por fermentación, a utilización efectiva desta enerxía está limitada polos problemas da baixa enerxía térmica de fermentación, a difícil xestión e control e o gran espazo de almacenamento para o transporte de materias primas. (3) Madurez tecnolóxica. Estas tecnoloxías empregadas polas novas enerxías e os novos materiais son investigacións avanzadas e logros tecnolóxicos, e a súa área de aplicación e alcance aínda son bastante limitados. Non se aprobaron moitas veces, moitos sitios e verificación práctica a grande escala, e inevitablemente hai algunhas deficiencias e contidos técnicos que precisan mellorar na súa aplicación. Os usuarios a miúdo negan o avance da tecnoloxía debido a pequenas deficiencias. (4) A taxa de penetración da tecnoloxía é baixa. A ampla aplicación dun logro científico e tecnolóxico require unha certa popularidade. Na actualidade, as novas enerxías, as novas tecnoloxías e as novas tecnoloxías de deseño de invernadoiros están no equipo dos centros de investigación científica das universidades con certa capacidade de innovación, e a maioría dos demandantes técnicos ou deseñadores aínda non o saben; Ao mesmo tempo, a popularización e aplicación das novas tecnoloxías aínda son bastante limitadas porque o equipo principal das novas tecnoloxías está patentado. (5) É necesario fortalecer aínda máis a integración das novas enerxías, os novos materiais e o deseño de estruturas de invernadoiros. Debido a que a enerxía, os materiais e o deseño de estruturas de invernadoiros pertencen a tres disciplinas diferentes, os talentos con experiencia en deseño de invernadoiros a miúdo carecen de investigación sobre enerxía e materiais relacionados cos invernadoiros, e viceversa; Polo tanto, os investigadores relacionados coa investigación enerxética e de materiais deben fortalecer a investigación e a comprensión das necesidades reais do desenvolvemento da industria dos invernadoiros, e os deseñadores estruturais tamén deben estudar novos materiais e novas enerxías para promover a profunda integración das tres relacións, co fin de acadar o obxectivo dunha tecnoloxía práctica de investigación de invernadoiros, un baixo custo de construción e un bo efecto de uso. Baseándose nos problemas anteriores, suxírese que os gobernos estatais, locais e centros de investigación científica intensifiquen a investigación técnica, leven a cabo investigacións conxuntas en profundidade, fortalezan a publicidade dos logros científicos e tecnolóxicos, melloren a popularización dos logros e alcancen rapidamente o obxectivo das novas enerxías e os novos materiais para axudar ao novo desenvolvemento da industria dos invernadoiros.

Información citada

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Novas enerxías, novos materiais e novos deseños axudan á nova revolución dos invernadoiros [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.