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新能源、新材料、新設計助力溫室結構變革

文章出處:來源百度搜索       發表時間:2022/11/23 9:06:25 

傳統溫室墻體蓄熱材料多采用黏土、磚塊等,消耗大且對土地資源造成嚴重破壞;傳統的土墻日光溫室土地利用效率僅為40%~50%,普通大棚蓄熱保溫能力差,在北方地區不能越冬生 產喜溫類蔬菜。因此,推進溫室變革的核心,或者說基礎研究在于溫室設計、新材料和新能源研究開發。本文將圍繞溫室新能源的研究創新,對溫室太陽能、生物質能、地熱能、風能等新能源和溫室新 型透明覆蓋材料、保溫材料、墻體材料研究現狀進行概述,分析新能源、新材料在新型大棚溫室建造 中的應用,展望其對未來溫室發展變革中的作用。

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新型墻體的研究與應用

墻體作為一種圍護結構,是溫室防寒保溫的 重要屏障。根據墻體材料和結構,溫室北墻的發 展可分為3種:主要為土壤、磚塊等單層墻體及 利用粘土磚、砌塊磚、聚苯板等建造的內層蓄 熱、外層隔熱型分層北墻,而這些墻體建造時大 都費時費工;因此,近幾年出現了許多便于建 造、適宜快速組裝的新型墻體。

新型組裝式墻體的出現,推動著裝配式溫室 的迅速發展,包括具有外部防雨防老化表層材料 和毛氈、珍珠棉、太空棉、玻璃棉或回收棉作隔 熱層等材料組裝成的新型復合墻體,如新疆地 區的噴膠棉柔性組裝墻體。此外,其他研究也 報告了帶有蓄熱層的裝配式溫室北墻,如新疆的 磚填充小麥殼砂漿砌塊,在相同外界環境下, 室外最低溫-20.8 ℃時,麥殼砂漿砌塊復合墻 體日光溫室內溫度為7.5 ℃,而磚混墻體日光溫 室內溫度為3.2 ℃,砌塊溫室番茄收獲期可提早 16 d,單棚產量提高18.4%。

西北農林科技大學設施團隊從墻體設計輕簡 化、便于取材的角度出發,提出將秸稈、土、 水、石、相變材料制備成保溫蓄熱模塊的設計理 念,推動了模塊化組裝墻體的應用研究。例如, 鉛絲網籠裝填石塊形成的石塊墻體溫室,與普通 磚墻日光溫室相比,該溫室內平均氣溫在典型 晴天高4.0 ℃;相變材料(PCM)與水泥混制 的3種無機相變水泥模塊,其單位體積蓄熱量分 別為74.5、88.0、95.1 MJ/m3 ,放熱量為59.8、 67.8、84.2 MJ/m3 ,具有白天“削峰”、夜間“填 谷”,夏天吸熱、冬天放熱的作用。

這些新型墻體現場組裝、施工周期短、使用 壽命長,為輕簡化、可快速組裝的裝配式溫室建 造創造了條件,可極大地推動溫室結構變革;但 是,這類墻體也存在一定的缺陷,如噴膠棉保溫 被墻體保溫性能優良,但缺乏蓄熱能力,而相變 建筑材料又存在使用成本較高的問題,未來要加 強組裝式墻體的應用研究。

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新能源、新材料、新設計助力溫室結構變革

新能源與新材料的研究創新,為溫室大棚設 計創新提供了基礎。節能日光溫室和拱棚是我國 農業生產應用面積最大的棚體結構,在農業生產 中發揮著重要的作用,但是隨著我國社會經濟的 發展,2種設施結構的缺點日益呈現,一是設施 結構空間小,機械化程度低;二是節能日光溫室 保溫性好,但是土地利用低,相當于以土地置換 了溫室能量。普通拱棚不僅空間小,而且保溫性 差。連棟溫室盡管空間大,但是保溫性差,能耗 大。所以,研究開發適宜于我國現階段社會經濟 水平的溫室結構勢在必行,而新能源、新材料的 研發將助力溫室結構變革,產生多種創新溫室模 式或結構。

大跨度非對稱水控釀熱大棚的創新研究

大跨度非對稱水控釀熱大棚(專利號:Z L  201220391214.2)是依據日光溫室采光保溫原 理,改變普通塑料大棚對稱性結構,增大南部跨 度,提高南屋面采光面積,縮小北部跨度,減少 散熱面積,跨度18~24 m,脊高6~7 m。通過設 計創新,空間結構顯著增大。同時,利用生物質 釀熱和保溫新材料技術,解決了溫室冬季熱量 不足以及普通保溫材料保溫性差的問題。生產 使用與研究結果表明,大跨度非對稱水控釀熱 大棚,晴天夜間的平均溫度為11.7 ℃,陰天為 10.8 ℃,能滿足冬季作物生長的需求,且該溫室 比苯板磚墻溫室建造成本降低了39.6%,土地利 用率提高了30%以上,適合在我國黃淮河流域進 一步推廣和應用。

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裝配式日光溫室

裝配式日光溫室以立柱和屋面骨架作為承力 結構,其墻體材料以隔熱圍護為主,不再以承 重和被動儲放熱為主要功能。主要有:(1)以 外覆薄膜或彩鋼板、秸稈塊、柔性保溫被、砂 漿砌塊等多種材料組合,形成新型組裝墻體;(2)以預制水泥板—聚苯板—水泥板的復合 墻板墻體;(3)隔熱材料配主動蓄放熱系統和 除濕系統的輕簡裝配式,例如塑料方塊水桶蓄熱、管道蓄熱等。利用不同新型隔熱材料和蓄 熱材料,替代傳統土墻體建造的日光溫室空間 大,土建工程小。試驗結果表明,該溫室冬季 夜晚溫度比傳統磚墻溫室提高4.5 ℃,后墻厚度 為166 mm,與600 mm厚的磚墻溫室相比,墻 體占地面積減少72%,且每平方米造價為334.5 元,比磚墻溫室減少了157.2元,建筑成本下降 顯著。由此可見,裝配式溫室有著破壞耕地 少、節約用地、建設速度快、使用壽命長的優 點,是當前和今后日光溫室創新和發展的一個 重點方向。

滑蓋式日光溫室

沈陽農業大學研發的滑板裝配式節能日光 溫室利用日光溫室后墻組成水循環墻體蓄熱系 統蓄熱提溫,主要由水池(32 m3 )、采光板 (360 m2 )、水泵、水管和控制器等組成。頂 部采用新型輕質巖棉彩鋼板材料替換柔性保溫 被。研究顯示,該設計有效解決了山墻擋光 問題,增加了溫室進光面積;溫室采光角為 41.5°,比對照溫室增加將近16°,提高了采 光率。室內溫度分布均勻程度高,植株長勢整 齊。

光伏農業溫室

光伏農業溫室是集太陽能光伏發電、智能溫 控、現代高科技種植為一體的溫室。它采用鋼制骨 架,上覆太陽能光伏組件,以保證光伏發電組件的 光照要求和整個溫室的采光要求。太陽能光伏發 出的直流電,直接為農業溫室進行補光,并直接 支持溫室設備的正常運行,驅動水資源灌溉,同 時提高溫室溫度,促進作物快速增長。這種方式 中的光伏組件會影響溫室屋面的采光效率,進而影 響溫室蔬菜的正常生長。所以,合理布置溫室屋面 的光伏板成為應用的關鍵點。農業光伏溫室是觀 光農業與設施園藝有機結合的產物,是集光伏發 電、農業觀光、農業作物、農業技術、園林景觀及文化發展于一體的創新型農業產業。



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