Li Jianming, Sun Guotao, etc.Drivhushagebruk landbruksteknikkteknologi2022-11-21 17:42 Publisert i Beijing

I de senere årene har drivhusindustrien blitt kraftig utviklet. Utviklingen av drivhus forbedrer ikke bare arealutnyttelsesgraden og produksjonshastigheten for landbruksprodukter, men løser også forsyningsproblemet med frukt og grønnsaker i lavsesongen. Drivhus har imidlertid også møtt enestående utfordringer. De opprinnelige anleggene, oppvarmingsmetodene og strukturelle formene har skapt motstand mot miljøet og utviklingen. Nye materialer og nye design er et presserende behov for å endre drivhusstrukturen, og nye energikilder er et presserende behov for å oppnå målene om energisparing og miljøvern, og øke produksjon og inntekt.

Denne artikkelen diskuterer temaet «ny energi, nye materialer, ny design for å hjelpe den nye revolusjonen innen drivhus», inkludert forskning og innovasjon innen solenergi, biomasseenergi, geotermisk energi og andre nye energikilder i drivhus, forskning og anvendelse av nye materialer for tildekking, varmeisolasjon, vegger og annet utstyr, og fremtidsutsiktene og tenkningen rundt ny energi, nye materialer og ny design for å hjelpe drivhusreformen, for å gi en referanse for industrien.

Utvikling av anleggsjordbruk er et politisk krav og et uunngåelig valg for å implementere ånden i de viktige instruksjonene og sentralregjeringens beslutningstaking. I 2020 vil det totale arealet med beskyttet jordbruk i Kina være 2,8 millioner hm2, og produksjonsverdien vil overstige 1 billion yuan. Det er en viktig måte å forbedre drivhusproduksjonskapasiteten på å forbedre drivhusbelysningen og varmeisolasjonen gjennom ny energi, nye materialer og ny drivhusdesign. Det er mange ulemper med tradisjonell drivhusproduksjon, som kull, fyringsolje og andre energikilder som brukes til oppvarming og oppvarming i tradisjonelle drivhus, noe som resulterer i en stor mengde dioksidgass, som forurenser miljøet alvorlig, mens naturgass, elektrisk energi og andre energikilder øker driftskostnadene for drivhus. Tradisjonelle varmelagringsmaterialer for drivhusvegger er for det meste leire og murstein, som forbruker mye og forårsaker alvorlig skade på landressursene. Arealutnyttelseseffektiviteten til tradisjonelt solcelledrivhus med jordvegg er bare 40 % ~ 50 %, og et vanlig drivhus har dårlig varmelagringskapasitet, så det kan ikke overleve vinteren for å produsere varme grønnsaker i Nord-Kina. Kjernen i å fremme drivhusendringer, eller grunnforskning, ligger derfor i design, forskning og utvikling av nye materialer og ny energi i drivhus. Denne artikkelen vil fokusere på forskning og innovasjon av nye energikilder i drivhus, oppsummere forskningsstatusen for nye energikilder som solenergi, biomasseenergi, geotermisk energi, vindenergi og nye transparente dekkmaterialer, varmeisolasjonsmaterialer og veggmaterialer i drivhus, analysere bruken av ny energi og nye materialer i byggingen av nye drivhus, og se frem til deres rolle i fremtidig utvikling og transformasjon av drivhus.

Forskning og innovasjon innen nytt energidrivhus

Den grønne nye energien med størst potensial for landbruksutnyttelse omfatter solenergi, geotermisk energi og biomasseenergi, eller omfattende utnyttelse av en rekke nye energikilder, for å oppnå effektiv energibruk ved å lære av hverandres sterke sider.

solenergi/kraft

Solenergiteknologi er en lavkarbon, effektiv og bærekraftig energiforsyningsmåte, og det er en viktig komponent i Kinas strategiske fremvoksende industrier. Det vil bli et uunngåelig valg for transformasjon og oppgradering av Kinas energistruktur i fremtiden. Fra et energiutnyttelsesperspektiv er drivhuset i seg selv en anleggsstruktur for utnyttelse av solenergi. Gjennom drivhuseffekten samles solenergi innendørs, temperaturen i drivhuset økes, og den nødvendige varmen for avlingsvekst tilveiebringes. Hovedenergikilden for fotosyntese hos drivhusplanter er direkte sollys, som er direkte utnyttelse av solenergi.

01 Solcelledrevet kraftproduksjon for å generere varme

Fotovoltaisk kraftproduksjon er en teknologi som direkte konverterer lysenergi til elektrisk energi basert på fotovoltaisk effekt. Nøkkelelementet i denne teknologien er solceller. Når solenergi skinner på en rekke solcellepaneler i serie eller parallelt, konverterer halvlederkomponenter direkte solstrålingsenergi til elektrisk energi. Fotovoltaisk teknologi kan direkte konvertere lysenergi til elektrisk energi, lagre strøm via batterier og varme opp drivhuset om natten, men den høye kostnaden begrenser videreutviklingen. Forskningsgruppen utviklet en fotovoltaisk grafenvarmeenhet, som består av fleksible fotovoltaiske paneler, en alt-i-ett reverskontrollmaskin, et lagringsbatteri og en grafenvarmestang. I henhold til lengden på plantelinjen graves grafenvarmestangen ned under substratposen. I løpet av dagen absorberer de fotovoltaiske panelene solstråling for å generere strøm og lagrer den i lagringsbatteriet, og deretter frigjøres strømmen om natten til grafenvarmestangen. I den faktiske målingen brukes temperaturkontrollmodusen som starter ved 17 ℃ og lukker ved 19 ℃. Når den kjører om natten (kl. 20.00–08.00 den andre dagen) i 8 timer, er energiforbruket for å varme opp en enkelt rad med planter 1,24 kW·t, og gjennomsnittstemperaturen i substratposen om natten er 19,2 ℃, som er 3,5–5,3 ℃ høyere enn kontrollmetoden. Denne oppvarmingsmetoden kombinert med fotovoltaisk kraftproduksjon løser problemene med høyt energiforbruk og høy forurensning ved oppvarming av drivhus om vinteren.

02 fototermisk konvertering og utnyttelse

Solfototermisk konvertering refererer til bruken av en spesiell sollysinnsamlingsflate laget av fototermiske konverteringsmaterialer for å samle og absorbere så mye solenergi som utstråles på den som mulig og konvertere den til varmeenergi. Sammenlignet med solcellefotovoltaiske applikasjoner øker solfototermiske applikasjoner absorpsjonen av nær-infrarødt bånd, slik at den har høyere energiutnyttelseseffektivitet for sollys, lavere kostnader og moden teknologi, og er den mest brukte måten å utnytte solenergi på.

Den mest modne teknologien for fototermisk konvertering og bruk i Kina er solfangere, der kjernekomponenten er en varmeabsorberende platekjerne med selektivt absorpsjonsbelegg, som kan konvertere solstrålingsenergien som passerer gjennom dekselplaten til varmeenergi og overføre den til det varmeabsorberende arbeidsmediet. Solfangere kan deles inn i to kategorier avhengig av om det er et vakuumrom i kollektoren eller ikke: flate solfangere og vakuumrørsolfangere; konsentrerte solfangere og ikke-konsentrerte solfangere avhengig av om solstrålingen ved dagslysåpningen endrer retning; og flytende solfangere og luftsolfangere i henhold til typen varmeoverføringsmedium.

Solenergiutnyttelse i drivhus skjer hovedsakelig gjennom ulike typer solfangere. Ibn Zor-universitetet i Marokko har utviklet et aktivt solvarmesystem (ASHS) for oppvarming av drivhus, som kan øke den totale tomatproduksjonen med 55 % om vinteren. China Agricultural University har designet og utviklet et sett med overflatekjøler-vifte-oppsamlings- og utladingssystem, med en varmeinnsamlingskapasitet på 390,6–693,0 MJ, og fremmet ideen om å skille varmeinnsamlingsprosessen fra varmelagringsprosessen ved hjelp av varmepumpe. Universitetet i Bari i Italia har utviklet et drivhus-polygenerasjonsvarmesystem, som består av et solenergisystem og en luft-vann-varmepumpe, og kan øke lufttemperaturen med 3,6 % og jordtemperaturen med 92 %. Forskningsgruppen har utviklet en type aktivt solvarmeinnsamlingsutstyr med variabel helningsvinkel for soldrevet drivhus, og en støttende varmelagringsenhet for drivhusvannmassen på tvers av været. Aktiv solvarmeinnsamlingsteknologi med variabel helning bryter gjennom begrensningene til tradisjonelt drivhusvarmeinnsamlingsutstyr, som begrenset varmeinnsamlingskapasitet, skyggelegging og bruk av dyrket mark. Ved å bruke den spesielle drivhusstrukturen til soldrivhuset, utnyttes den ikke-plantede plassen i drivhuset fullt ut, noe som forbedrer utnyttelseseffektiviteten til drivhusplassen betraktelig. Under typiske solrike arbeidsforhold når det aktive solvarmeinnsamlingssystemet med variabel helning 1,9 MJ/(m2t), energiutnyttelseseffektiviteten når 85,1 % og energisparingen er 77 %. I drivhusvarmelagringsteknologien settes en flerfaseendringsvarmelagringsstruktur, varmelagringskapasiteten til varmelagringsenheten økes, og den langsomme frigjøringen av varme fra enheten realiseres, for å oppnå effektiv bruk av varmen som samles inn av drivhusets solvarmeinnsamlingsutstyr.

biomasseenergi

En ny anleggsstruktur bygges ved å kombinere biomassevarmeproduserende enhet med drivhuset, og biomasseråmaterialer som svinegjødsel, soppräster og halm komposteres for å brygge varme, og den genererte varmeenergien tilføres direkte til drivhuset [5]. Sammenlignet med drivhuset uten biomassefermenteringsvarmetank, kan varmedrivhuset effektivt øke bakketemperaturen i drivhuset og opprettholde riktig temperatur på røttene til avlinger som dyrkes i jorden i normalt klima om vinteren. Hvis vi tar et ettlags asymmetrisk varmeisolerende drivhus med et spenn på 17 m og en lengde på 30 m som et eksempel, kan det å legge til 8 m landbruksavfall (blandet tomatstrå og svinegjødsel) i den innendørs fermenteringstanken for naturlig fermentering uten å snu haugen øke den gjennomsnittlige daglige temperaturen i drivhuset med 4,2 ℃ om vinteren, og den gjennomsnittlige daglige minimumstemperaturen kan nå 4,6 ℃.

Energiutnyttelse av biomassekontrollert fermentering er en fermenteringsmetode som bruker instrumenter og utstyr for å kontrollere fermenteringsprosessen for raskt å skaffe og effektivt utnytte biomassevarmeenergi og CO2-gassgjødsel, der ventilasjon og fuktighet er nøkkelfaktorene for å regulere fermenteringsvarmen og gassproduksjonen av biomasse. Under ventilerte forhold bruker aerobe mikroorganismer i fermenteringshaugen oksygen til livsaktiviteter, og deler av den genererte energien brukes til sine egne livsaktiviteter, og deler av energien frigjøres til miljøet som varmeenergi, noe som er gunstig for temperaturøkningen i miljøet. Vann deltar i hele fermenteringsprosessen, og gir nødvendige løselige næringsstoffer for mikrobiell aktivitet, samtidig som det frigjør varmen fra haugen i form av damp gjennom vann, for å redusere temperaturen på haugen, forlenge levetiden til mikroorganismer og øke haugens bulktemperatur. Installasjon av halmutvaskingsanordning i fermenteringstanken kan øke innetemperaturen med 3 ~ 5 ℃ om vinteren, styrke plantenes fotosyntese og øke tomatutbyttet med 29,6 %.

Geotermisk energi

Kina er rikt på geotermiske ressurser. For tiden er den vanligste måten for landbruksanlegg å utnytte geotermisk energi på å bruke jordvarmepumper, som kan overføre fra lavverdig varmeenergi til høyverdig varmeenergi ved å tilføre en liten mengde høyverdig energi (som elektrisk energi). I motsetning til tradisjonelle oppvarmingstiltak for drivhus, kan jordvarmepumper ikke bare oppnå en betydelig varmeeffekt, men også ha evnen til å kjøle ned drivhuset og redusere fuktigheten i drivhuset. Anvendelsesforskningen av jordvarmepumper innen boligbygging er moden. Kjernedelen som påvirker oppvarmings- og kjølekapasiteten til jordvarmepumper er den underjordiske varmevekslingsmodulen, som hovedsakelig inkluderer nedgravde rør, underjordiske brønner osv. Hvordan man designer et underjordisk varmevekslingssystem med en balansert kostnad og effekt har alltid vært forskningsfokuset i denne delen. Samtidig påvirker endringen i temperaturen i det underjordiske jordlaget ved bruk av jordvarmepumper også brukseffekten av varmepumpesystemet. Bruk av jordvarmepumpe til å kjøle ned drivhuset om sommeren og lagre varmeenergien i det dype jordlaget kan redusere temperaturfallet i det underjordiske jordlaget og forbedre varmeproduksjonseffektiviteten til jordvarmepumpen om vinteren.

I forskningen på ytelse og effektivitet til jordvarmepumper er det for tiden etablert en numerisk modell gjennom faktiske eksperimentelle data med programvare som TOUGH2 og TRNSYS, og det konkluderes med at varmeytelsen og effektfaktoren (COP) til jordvarmepumper kan nå 3,0 ~ 4,5, noe som har en god kjøle- og varmeeffekt. I forskningen på driftsstrategien til varmepumpesystemet fant Fu Yunzhun og andre at jordstrømningen har større innvirkning på enhetens ytelse og varmeoverføringsytelsen til det nedgravde røret sammenlignet med lastsidens strømning. Under innstilling av strømningsforholdene kan enhetens maksimale COP-verdi nå 4,17 ved å bruke driftsskjemaet med 2 timers drift og 2 timers stopp. Shi Huixian et al. brukte en intermitterende driftsmodus for vannlagringskjølesystemet. Om sommeren, når temperaturen er høy, kan COP-en for hele energiforsyningssystemet nå 3,80.

Teknologi for lagring av dyp jordvarme i drivhus

Dyp jordlagring av varme i drivhus kalles også «varmelagringsbank» i drivhus. Kuldeskader om vinteren og høy temperatur om sommeren er de største hindringene for drivhusproduksjon. Basert på den sterke varmelagringskapasiteten i dyp jord, utviklet forskergruppen en underjordisk dyp varmelagringsenhet i drivhus. Enheten er en tolags parallell varmeoverføringsrørledning begravd i en dybde på 1,5–2,5 m under bakken i drivhuset, med et luftinntak på toppen av drivhuset og et luftutløp på bakken. Når temperaturen i drivhuset er høy, pumpes inneluften med tvang ned i bakken av en vifte for å oppnå varmelagring og temperaturreduksjon. Når temperaturen i drivhuset er lav, trekkes varme ut av jorden for å varme opp drivhuset. Produksjons- og bruksresultatene viser at enheten kan øke drivhustemperaturen med 2,3 ℃ om vinternetter, redusere innetemperaturen med 2,6 ℃ om sommeren og øke tomatutbyttet med 1500 kg på 667 m.²Enheten utnytter fullt ut egenskapene «varm om vinteren og kjølig om sommeren» og «konstant temperatur» i dyp underjordisk jord, gir en «energibank» for drivhuset og fullfører kontinuerlig tilleggsfunksjonene for drivhuskjøling og -oppvarming.

Multienergikoordinering

Bruk av to eller flere energityper for å varme opp drivhuset kan effektivt kompensere for ulempene med én energitype, og gi rom for superposisjonseffekten «en pluss en er større enn to». Det komplementære samarbeidet mellom geotermisk energi og solenergi er et forskningsfokusert område for ny energiutnyttelse i landbruksproduksjon de siste årene. Emmi et al. studerte et flerkildesystem (figur 1), som er utstyrt med en solcelledrevet hybrid solfanger. Sammenlignet med vanlige luft-vann-varmepumpesystemer er energieffektiviteten til flerkildesystemet forbedret med 16 % til 25 %. Zheng et al. utviklet en ny type koblet varmelagringssystem med solenergi og jordvarmepumpe. Solfangersystemet kan realisere sesonglagring av varme av høy kvalitet, det vil si oppvarming av høy kvalitet om vinteren og kjøling av høy kvalitet om sommeren. Den nedgravde rørvarmeveksleren og den intermitterende varmelagringstanken kan alle kjøre godt i systemet, og systemets COP-verdi kan nå 6,96.

Kombinert med solenergi har det som mål å redusere forbruket av kommersiell strøm og forbedre stabiliteten til solenergiforsyningen i drivhus. Wan Ya et al. la frem en ny intelligent kontrollteknologiordning for å kombinere solenergiproduksjon med kommersiell strøm til oppvarming av drivhus, som kan bruke solcellepaneler når det er lys, og gjøre dem om til kommersiell strøm når det ikke er lys, noe som reduserer mangelen på belastningseffekt betraktelig og reduserer de økonomiske kostnadene uten å bruke batterier.

Solenergi, biomasseenergi og elektrisk energi kan varme opp drivhus sammen, noe som også kan oppnå høy oppvarmingseffektivitet. Zhang Liangrui og andre kombinerte solcelledrevet vakuumrørsvarmeinnsamling med en dalstrømsvanntank for varmelagring. Drivhusvarmesystemet har god termisk komfort, og systemets gjennomsnittlige oppvarmingseffektivitet er 68,70 %. Den elektriske vanntanken for varmelagring er en biomassevannlagringsenhet med elektrisk oppvarming. Den laveste temperaturen på vanninnløpet ved varmeenden stilles inn, og systemets driftsstrategi bestemmes i henhold til vannlagringstemperaturen til solvarmeinnsamlingsdelen og biomassevarmelagringsdelen, for å oppnå stabil oppvarmingstemperatur ved varmeenden og spare elektrisk energi og biomasseenergimaterialer i størst mulig grad.

Innovativ forskning og anvendelse av nye drivhusmaterialer

Med utvidelsen av drivhusarealet blir ulempene ved bruk av tradisjonelle drivhusmaterialer som murstein og jord stadig mer avdekket. For å forbedre drivhusets termiske ytelse ytterligere og møte utviklingsbehovene til moderne drivhus, finnes det derfor mye forskning på og bruk av nye transparente dekkmaterialer, varmeisolasjonsmaterialer og veggmaterialer.

Forskning og anvendelse av nye transparente dekkmaterialer

Transparente dekkmaterialer for drivhus inkluderer hovedsakelig plastfilm, glass, solcellepaneler og solcellepaneler, og plastfilm har det største bruksområdet. Den tradisjonelle PE-filmen for drivhus har ulempene kort levetid, er ikke nedbrytbar og har én funksjon. For tiden er det utviklet en rekke nye funksjonelle filmer ved å tilsette funksjonelle reagenser eller belegg.

Lyskonverteringsfilm:Lyskonverteringsfilmen endrer filmens optiske egenskaper ved å bruke lyskonverteringsmidler som sjeldne jordarter og nanomaterialer, og kan konvertere det ultrafiolette lysområdet til rødt oransje lys og blåfiolett lys som kreves av plantefotosyntese, og dermed øke avlingen og redusere skaden ultrafiolett lys forårsaket av på avlinger og drivhusfilmer i plastdrivhus. For eksempel kan den bredbåndede lilla-til-røde drivhusfilmen med VTR-660 lyskonverteringsmiddel forbedre den infrarøde transmittansen betydelig når den brukes i drivhus, og sammenlignet med kontrolldrivhuset økes tomatutbyttet per hektar, vitamin C og lykopeninnholdet betydelig med henholdsvis 25,71 %, 11,11 % og 33,04 %. Imidlertid må levetiden, nedbrytbarheten og kostnaden for den nye lyskonverteringsfilmen fortsatt studeres for øyeblikket.

Spredt glassSpredt glass i drivhus er et spesielt mønster og antirefleksjonsteknologi på glassoverflaten, som kan maksimere sollyset til spredt lys som kommer inn i drivhuset, forbedre fotosynteseeffektiviteten til avlinger og øke avlingen. Spredt glass gjør lyset som kommer inn i drivhuset om til spredt lys gjennom spesielle mønstre, og det spredte lyset kan bestråles jevnere inn i drivhuset, noe som eliminerer skyggepåvirkningen fra skjelettet på drivhuset. Sammenlignet med vanlig floatglass og ultrahvitt floatglass er standarden for lysgjennomgang for spredt glass 91,5 %, og for vanlig floatglass er det 88 %. For hver 1 % økning i lysgjennomgang inne i drivhuset kan utbyttet økes med omtrent 3 %, og mengden løselig sukker og vitamin C i frukt og grønnsaker har økt. Spredt glass i drivhus er først belagt og deretter herdet, og selveksplosjonsraten er høyere enn den nasjonale standarden og når 2‰.

Forskning og anvendelse av nye varmeisolasjonsmaterialer

Tradisjonelle varmeisolasjonsmaterialer i drivhus inkluderer hovedsakelig stråmatter, papirtepper, nålete filt-varmeisolasjonstepper, osv., som hovedsakelig brukes til intern og ekstern varmeisolasjon av tak, veggisolasjon og varmeisolasjon av noen varmelagrings- og varmeoppsamlingsenheter. De fleste av dem har den ulempen at de mister varmeisolasjonsytelse på grunn av indre fuktighet etter langvarig bruk. Derfor finnes det mange bruksområder for nye høytemperaturisolasjonsmaterialer, blant annet nye varmeisolasjonstepper, varmelagrings- og varmeoppsamlingsenheter.

Nye varmeisolasjonsmaterialer lages vanligvis ved å bearbeide og blande overflatevanntette og aldringsbestandige materialer som vevd film og belagt filt med luftige varmeisolasjonsmaterialer som spraybelagt bomull, diverse kasjmir og perlebomull. Et varmeisolasjonsdyne av vevd film med spraybelagt bomull ble testet i Nordøst-Kina. Det ble funnet at tilsetning av 500 g spraybelagt bomull tilsvarte varmeisolasjonsytelsen til 4500 g svart filtvarmeisolasjonsdyne på markedet. Under de samme forholdene ble varmeisolasjonsytelsen til 700 g spraybelagt bomull forbedret med 1~2 ℃ sammenlignet med 500 g spraybelagt bomullvarmeisolasjonsdyne. Samtidig fant andre studier også at varmeisolasjonseffekten til spraybelagt bomull og diverse kasjmirvarmeisolasjonsdyner er bedre sammenlignet med de vanlige varmeisolasjonsdynene på markedet, med varmeisolasjonsgrader på henholdsvis 84,0 % og 83,3 %. Når den kaldeste utetemperaturen er -24,4 ℃, kan innetemperaturen nå henholdsvis 5,4 og 4,2 ℃. Sammenlignet med isolasjonsdynen med ett enkelt strå, har den nye komposittisolasjonsdynen fordelene med lett vekt, høy isolasjonsgrad, sterk vanntetthet og aldringsmotstand, og kan brukes som en ny type høyeffektivt isolasjonsmateriale for solcelledrivhus.

Samtidig viser forskning på termiske isolasjonsmaterialer for varmeinnsamling og -lagring i drivhus at flerlags kompositt-termisolasjonsmaterialer har bedre termisk isolasjonsytelse enn enkeltlagsmaterialer når tykkelsen er den samme. Professor Li Jianmings team fra Northwest A&F University designet og screenet 22 typer termiske isolasjonsmaterialer for vannlagringsenheter i drivhus, som vakuumplater, aerogel og gummi-bomull, og målte deres termiske egenskaper. Resultatene viste at 80 mm termisk isolasjonsbelegg + aerogel + gummi-plast-termisolasjonsbomullskompositt-isolasjonsmateriale kunne redusere varmespredningen med 0,367 MJ per tidsenhet sammenlignet med 80 mm gummi-plast-bomull, og varmeoverføringskoeffisienten var 0,283 W/(m2·k) når tykkelsen på isolasjonskombinasjonen var 100 mm.

Faseendringsmateriale er et av de viktigste områdene innen forskning på drivhusmaterialer. Northwest A&F University har utviklet to typer lagringsenheter for faseendringsmaterialer: den ene er en oppbevaringsboks laget av svart polyetylen, som har en størrelse på 50 cm × 30 cm × 14 cm (lengde × høyde × tykkelse) og er fylt med faseendringsmaterialer, slik at den kan lagre varme og frigjøre varme. For det andre er det utviklet en ny type faseendringsveggplate. Faseendringsveggplaten består av faseendringsmateriale, aluminiumsplate, aluminium-plastplate og aluminiumslegering. Faseendringsmaterialet er plassert mest sentralt på veggplaten, og spesifikasjonen er 200 mm × 200 mm × 50 mm. Det er et pulveraktig fast stoff før og etter faseendring, og det er ingen smelting eller flyt. De fire veggene i faseendringsmaterialet er henholdsvis aluminiumsplate og aluminium-plastplate. Denne enheten kan utføre funksjonene med hovedsakelig å lagre varme om dagen og hovedsakelig frigjøre varme om natten.

Derfor er det noen problemer ved bruk av enkeltstående varmeisolasjonsmaterialer, som lav varmeisolasjonseffektivitet, stort varmetap, kort varmelagringstid, osv. Derfor kan bruk av kompositt varmeisolasjonsmateriale som varmeisolasjonslag og et dekkende lag med innendørs og utendørs varmeisolasjon i varmelagringsenheten effektivt forbedre drivhusets varmeisolasjonsytelse, redusere drivhusets varmetap og dermed oppnå energisparing.

Forskning og anvendelse av ny vegg

Som en slags innkapslingsstruktur er veggen en viktig barriere for drivhusets kuldebeskyttelse og varmebevaring. I henhold til veggmaterialene og -konstruksjonene kan utviklingen av drivhusets nordvegg deles inn i tre typer: enlagsvegg laget av jord, murstein osv., og lagdelt nordvegg laget av leirstein, blokkstein, polystyrenplater osv., med indre varmelagring og ytre varmeisolasjon, og de fleste av disse veggene er tidkrevende og arbeidsintensive. Derfor har det de siste årene dukket opp mange nye typer vegger, som er enkle å bygge og egnet for rask montering.

Fremveksten av nye typer monterte vegger fremmer den raske utviklingen av monterte drivhus, inkludert nye typer komposittvegger med utvendige vanntette og anti-aldrings overflatematerialer og materialer som filt, perlebomull, rombomull, glassbomull eller resirkulert bomull som varmeisolasjonslag, for eksempel fleksible monterte vegger av sprøytebundet bomull i Xinjiang. I tillegg har andre studier også rapportert den nordlige veggen av montert drivhus med varmelagringslag, for eksempel mursteinfylte hveteskallmørtelblokker i Xinjiang. Under det samme ytre miljøet, når den laveste utetemperaturen er -20,8 ℃, er temperaturen i soldrivhuset med hveteskallmørtelblokk-komposittvegg 7,5 ℃, mens temperaturen i soldrivhuset med murstein-betongvegg er 3,2 ℃. Høstetiden for tomat i mursteindrivhus kan fremskyndes med 16 dager, og avlingen i enkeltdrivhus kan økes med 18,4 %.

Fasilitetsteamet ved Northwest A&F University la frem designideen om å lage halm, jord, vann, stein og faseendringsmaterialer til termiske isolasjons- og varmelagringsmoduler fra lysvinkelen og forenklet veggdesign, noe som fremmet anvendelsesforskningen av modulære veggmonterte moduler. Sammenlignet med et vanlig murveggdrivhus er for eksempel gjennomsnittstemperaturen i drivhuset 4,0 ℃ høyere på en typisk solskinnsdag. Tre typer uorganiske faseendringssementmoduler, som er laget av faseendringsmateriale (PCM) og sement, har akkumulert varme på 74,5, 88,0 og 95,1 MJ/m².³, og frigjorde varme på 59,8, 67,8 og 84,2 MJ/m²³De har funksjonene å «skjære ned topper» på dagtid, «fylle dalen» om natten, absorbere varme om sommeren og frigjøre varme om vinteren.

Disse nye veggene monteres på stedet, med kort byggetid og lang levetid, noe som skaper forutsetninger for bygging av lette, forenklede og raskt monterte prefabrikkerte drivhus, og kan i stor grad fremme strukturell reform av drivhus. Det er imidlertid noen mangler ved denne typen vegg, for eksempel har den sprøytebundne bomulls-termisolerende quiltveggen utmerket varmeisolasjonsytelse, men mangler varmelagringskapasitet, og faseendringsbyggematerialet har problemet med høye brukskostnader. I fremtiden bør anvendelsesforskningen av monterte vegger styrkes.

Ny energi, nye materialer og nye design bidrar til at drivhusstrukturen endres.

Forskning og innovasjon innen ny energi og nye materialer danner grunnlaget for designinnovasjon innen drivhus. Energisparende solcelledrivhus og bueformede skur er de største skurstrukturene i Kinas landbruksproduksjon, og de spiller en viktig rolle i landbruksproduksjonen. Med utviklingen av Kinas sosiale økonomi viser imidlertid manglene ved de to typene anleggsstrukturer seg i økende grad. For det første er plassen til anleggsstrukturene liten og graden av mekanisering er lav. For det andre har det energisparende solcelledrivhuset god varmeisolasjon, men arealbruken er lav, noe som tilsvarer å erstatte drivhusenergien med land. Vanlige bueformede skur har ikke bare liten plass, men har også dårlig varmeisolasjon. Selv om drivhuset med flere spenn har stor plass, har det dårlig varmeisolasjon og høyt energiforbruk. Derfor er det viktig å forske på og utvikle drivhusstrukturer som er egnet for Kinas nåværende sosiale og økonomiske nivå, og forskning og utvikling av ny energi og nye materialer vil bidra til å endre drivhusstrukturen og produsere en rekke innovative drivhusmodeller eller -strukturer.

Innovativ forskning på storspenns asymmetrisk vannkontrollert bryggedrivhus

Det storspennede asymmetriske vannstyrte bryggedrivhuset (patentnummer: ZL 201220391214.2) er basert på prinsippet om sollysdrivhus, som endrer den symmetriske strukturen til et vanlig plastdrivhus, øker det sørlige spennet, øker belysningsområdet på det sørlige taket, reduserer det nordlige spennet og reduserer varmespredningsområdet, med et spenn på 18~24 m og en mønehøyde på 6~7 m. Gjennom designinnovasjon har den romlige strukturen blitt betydelig økt. Samtidig løses problemene med utilstrekkelig varme i drivhuset om vinteren og dårlig varmeisolasjon av vanlige varmeisolasjonsmaterialer ved å bruke ny teknologi for biomassebryggingsvarme og varmeisolasjonsmaterialer. Produksjons- og forskningsresultatene viser at det store asymmetriske vannkontrollerte bryggedrivhuset, med en gjennomsnittstemperatur på 11,7 ℃ på solfylte dager og 10,8 ℃ på overskyede dager, kan møte behovet for avlingsvekst om vinteren. Byggekostnadene for drivhuset reduseres med 39,6 % og arealutnyttelsesgraden økes med mer enn 30 % sammenlignet med drivhuset av polystyrenmurvegger. Dette drivhuset er egnet for videre popularisering og anvendelse i Yellow Huaihe-elvebassenget i Kina.

Montert sollysdrivhus

Montert sollysdrivhus bruker søyler og takskjelett som bærende konstruksjon, og veggmaterialet er hovedsakelig varmeisolerende innkapsling, i stedet for bærende og passiv varmelagring og -frigjøring. Hovedsakelig: (1) en ny type montert vegg dannes ved å kombinere forskjellige materialer som belagt film eller farget stålplate, stråblokk, fleksibel varmeisolasjonsduk, mørtelblokk, etc. (2) komposittveggplate laget av prefabrikkert sementplate-isoporplate-sementplate; (3) Lett og enkel montering av varmeisolasjonsmaterialer med aktivt varmelagrings- og frigjøringssystem og avfuktingssystem, for eksempel plast firkantet bøttevarmelagring og rørledningsvarmelagring. Bruk av forskjellige nye varmeisolasjonsmaterialer og varmelagringsmaterialer i stedet for tradisjonell jordmur for å bygge soldrivhus har stor plass og lite anleggsarbeid. De eksperimentelle resultatene viser at temperaturen i drivhuset om natten om vinteren er 4,5 ℃ høyere enn for et tradisjonelt murveggdrivhus, og tykkelsen på bakveggen er 166 mm. Sammenlignet med et 600 mm tykt murveggdrivhus, er det okkuperte arealet av veggen redusert med 72 %, og kostnaden per kvadratmeter er 334,5 yuan, som er 157,2 yuan lavere enn for murveggdrivhuset, og byggekostnadene har falt betydelig. Derfor har det monterte drivhuset fordelene med mindre ødeleggelse av dyrket mark, arealbesparelse, rask byggehastighet og lang levetid, og det er en nøkkelretning for innovasjon og utvikling av solcelledrivhus i dag og i fremtiden.

Skyvedrivhus med sollys

Det skateboardmonterte energisparende solcelledrivhuset utviklet av Shenyang Agricultural University bruker bakveggen i solcelledrivhuset til å danne et vannsirkulerende veggvarmelagringssystem for å lagre varme og øke temperaturen, som hovedsakelig består av et basseng (32m³), en lysoppsamlingsplate (360 m²), en vannpumpe, et vannrør og en kontroller. Den fleksible varmeisolasjonsduken er erstattet av et nytt lettvekts steinullfarget stålplatemateriale på toppen. Forskningen viser at denne designen effektivt løser problemet med gavler som blokkerer lys, og øker lysinnfallsområdet til drivhuset. Drivhusets belysningsvinkel er 41,5°, som er nesten 16° høyere enn kontrolldrivhusets, og dermed forbedrer belysningshastigheten. Innendørs temperaturfordeling er jevn, og plantene vokser pent. Drivhuset har fordelene med å forbedre arealbrukseffektiviteten, fleksibel utforming av drivhusstørrelse og forkorte byggeperioden, noe som er av stor betydning for å beskytte dyrkede arealressurser og miljøet.

Fotovoltaisk drivhus

Et landbruksdrivhus er et drivhus som integrerer solcellepaneler, intelligent temperaturkontroll og moderne høyteknologisk beplantning. Det bruker en stålramme og er dekket med solcellepaneler for å sikre belysningskravene til solcellepanelene og belysningskravene til hele drivhuset. Likestrømmen som genereres av solenergi supplerer direkte lyset i landbruksdrivhusene, støtter direkte normal drift av drivhusutstyr, driver vanning av vannressurser, øker drivhustemperaturen og fremmer rask vekst av avlinger. Solcellepaneler vil på denne måten påvirke belysningseffektiviteten til drivhustaket, og deretter påvirke den normale veksten av drivhusgrønnsaker. Derfor blir den rasjonelle utformingen av solcellepaneler på drivhustaket et sentralt bruksområde. Landbruksdrivhus er et produkt av den organiske kombinasjonen av landbruk og hagearbeid, og det er en innovativ landbruksindustri som integrerer solcellepaneler, landbruk, avlinger, landbruksteknologi, landskaps- og kulturutvikling.

Innovativ design av drivhusgruppe med energisamspill mellom ulike typer drivhus

Guo Wenzhong, en forsker ved Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, bruker oppvarmingsmetoden for energioverføring mellom drivhus for å samle den gjenværende varmeenergien i ett eller flere drivhus for å varme opp et eller flere drivhus. Denne oppvarmingsmetoden realiserer overføring av drivhusenergi i tid og rom, forbedrer energiutnyttelseseffektiviteten til den gjenværende drivhusvarmeenergien og reduserer det totale oppvarmingsenergiforbruket. De to typene drivhus kan være forskjellige drivhustyper eller samme drivhustype for planting av forskjellige avlinger, for eksempel salat- og tomatdrivhus. Varmeinnsamlingsmetoder inkluderer hovedsakelig utvinning av inneluftvarme og direkte avlytting av innfallende stråling. Gjennom solenergiinnsamling, tvungen konveksjon med varmeveksler og tvungen utvinning med varmepumpe, ble overskuddsvarmen i høyenergidrivhuset utvunnet for oppvarming av drivhuset.

oppsummere

Disse nye solcelledrivhusene har fordelene med rask montering, forkortet byggeperiode og forbedret arealutnyttelsesgrad. Derfor er det nødvendig å utforske ytelsen til disse nye drivhusene ytterligere i forskjellige områder, og gi mulighet for storskala popularisering og anvendelse av nye drivhus. Samtidig er det nødvendig å kontinuerlig styrke bruken av ny energi og nye materialer i drivhus, for å gi kraft til strukturell reform av drivhus.

Fremtidsutsikter og tenkning

Tradisjonelle drivhus har ofte noen ulemper, som høyt energiforbruk, lav arealutnyttelsesgrad, tidkrevende og arbeidskrevende, dårlig ytelse osv., som ikke lenger kan dekke produksjonsbehovene til moderne landbruk, og som gradvis vil bli eliminert. Derfor er det en utviklingstrend å bruke nye energikilder som solenergi, biomasseenergi, geotermisk energi og vindenergi, nye drivhusmaterialer og nye design for å fremme strukturell endring av drivhus. Først og fremst bør det nye drivhuset som drives av ny energi og nye materialer ikke bare dekke behovene til mekanisert drift, men også spare energi, areal og kostnader. For det andre er det nødvendig å stadig utforske ytelsen til nye drivhus i forskjellige områder, for å gi forutsetninger for storskala popularisering av drivhus. I fremtiden bør vi videre søke etter ny energi og nye materialer som er egnet for drivhusbruk, og finne den beste kombinasjonen av ny energi, nye materialer og drivhus, for å gjøre det mulig å bygge et nytt drivhus med lave kostnader, kort byggeperiode, lavt energiforbruk og utmerket ytelse, bidra til endring av drivhusstrukturen og fremme moderniseringsutviklingen av drivhus i Kina.

Selv om bruk av ny energi, nye materialer og nye design i drivhusbygging er en uunngåelig trend, er det fortsatt mange problemer som må studeres og overvinnes: (1) Byggekostnadene øker. Sammenlignet med tradisjonell oppvarming med kull, naturgass eller olje, er bruken av ny energi og nye materialer miljøvennlig og forurensningsfri, men byggekostnadene øker betydelig, noe som har en viss innvirkning på investeringsgjenvinningen i produksjon og drift. Sammenlignet med energiutnyttelsen vil kostnadene for nye materialer øke betydelig. (2) Ustabil utnyttelse av varmeenergi. Den største fordelen med ny energiutnyttelse er lave driftskostnader og lave karbondioksidutslipp, men tilførselen av energi og varme er ustabil, og overskyede dager blir den største begrensende faktoren i solenergiutnyttelsen. I prosessen med biomassevarmeproduksjon ved fermentering er den effektive utnyttelsen av denne energien begrenset av problemer med lav fermenteringsvarmeenergi, vanskelig styring og kontroll, og stor lagringsplass for transport av råvarer. (3) Teknologisk modenhet. Disse teknologiene som brukes av ny energi og nye materialer er avansert forskning og teknologiske bragder, og deres anvendelsesområde og omfang er fortsatt ganske begrenset. De har ikke bestått mange ganger, mange steder og storskala praksisverifisering, og det er uunngåelig noen mangler og teknisk innhold som må forbedres i anvendelsen. Brukere benekter ofte teknologiens fremskritt på grunn av mindre mangler. (4) Teknologipenetrasjonsraten er lav. Den brede anvendelsen av en vitenskapelig og teknologisk bragd krever en viss popularitet. For tiden er ny energi, ny teknologi og ny drivhusdesignteknologi alle i teamet til vitenskapelige forskningssentre ved universiteter med en viss innovasjonsevne, og de fleste tekniske etterspørslere eller designere vet fortsatt ikke. Samtidig er populariseringen og anvendelsen av ny teknologi fortsatt ganske begrenset fordi kjerneutstyret til ny teknologi er patentert. (5) Integreringen av ny energi, nye materialer og design av drivhusstrukturer må styrkes ytterligere. Fordi energi, materialer og design av drivhusstrukturer tilhører tre forskjellige disipliner, mangler talenter med erfaring innen drivhusdesign ofte forskning på drivhusrelatert energi og materialer, og omvendt; Derfor må forskere knyttet til energi- og materialforskning styrke undersøkelsen og forståelsen av de faktiske behovene for utvikling av drivhusindustrien, og strukturdesignere bør også studere nye materialer og ny energi for å fremme en dyp integrering av de tre forholdene, for å oppnå målet om praktisk drivhusforskningsteknologi, lave byggekostnader og god brukseffekt. Basert på problemene ovenfor foreslås det at staten, lokale myndigheter og vitenskapelige forskningssentre bør intensivere teknisk forskning, gjennomføre felles forskning i dybden, styrke publisiteten av vitenskapelige og teknologiske bragder, forbedre populariseringen av bragder og raskt realisere målet om ny energi og nye materialer for å bidra til den nye utviklingen av drivhusindustrien.

Sitert informasjon

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Ny energi, nye materialer og ny design bidrar til den nye revolusjonen innen drivhus [J]. Grønnsaker, 2022,(10):1-8.