Li Ťien-ming, Sun Guotao atd.Technologie zemědělského inženýrství ve sklenících2022-11-21 17:42 Publikováno v Pekingu

V posledních letech se skleníkový průmysl energicky rozvíjí. Rozvoj skleníků nejen zlepšuje míru využití půdy a produkci zemědělských produktů, ale také řeší problém se zásobováním ovocem a zeleninou v mimosezóně. Skleníky se však setkaly i s nebývalými výzvami. Původní zařízení, metody vytápění a konstrukční formy kladly negativní dopady na životní prostředí a rozvoj. Pro změnu struktury skleníků jsou naléhavě potřebné nové materiály a nové designy a pro dosažení cílů úspory energie a ochrany životního prostředí a zvýšení produkce a příjmů jsou naléhavě potřebné nové zdroje energie.

Tento článek se zabývá tématem „nová energie, nové materiály, nový design na podporu nové revoluce ve skleníkovém průmyslu“, včetně výzkumu a inovací v oblasti solární energie, energie z biomasy, geotermální energie a dalších nových zdrojů energie ve sklenících, výzkumu a aplikace nových materiálů pro zakrytí, tepelnou izolaci, stěny a další zařízení a budoucí vyhlídky a úvahy o nové energii, nových materiálech a novém designu na podporu reformy skleníků, aby poskytl referenci pro toto odvětví.

Rozvoj zemědělských strojů je politickým požadavkem a nevyhnutelnou volbou pro implementaci ducha důležitých pokynů a rozhodování ústřední vlády. V roce 2020 bude celková plocha chráněného zemědělství v Číně dosahovat 2,8 milionu hm² a produkce přesáhne 1 bilion juanů. Je to důležitý způsob, jak zlepšit výrobní kapacitu skleníků, a to zlepšením osvětlení skleníků a tepelné izolace prostřednictvím nových energií, nových materiálů a nového designu skleníků. Tradiční skleníková produkce má mnoho nevýhod, protože uhlí, topný olej a další zdroje energie používané k vytápění a vytápění v tradičních sklenících mají za následek velké množství oxidu uhličitého, který vážně znečišťuje životní prostředí, zatímco zemní plyn, elektřina a další zdroje energie zvyšují provozní náklady skleníků. Tradičními materiály pro akumulaci tepla pro stěny skleníků jsou většinou hlína a cihly, které spotřebovávají hodně a způsobují vážné škody na půdních zdrojích. Účinnost využití půdy u tradičních solárních skleníků s zemní zdí je pouze 40 % ~ 50 % a běžný skleník má nízkou kapacitu akumulace tepla, takže v severní Číně nemůže přežít zimu a produkovat teplou zeleninu. Jádrem podpory změn ve sklenících, neboli základního výzkumu, je proto návrh skleníků, výzkum a vývoj nových materiálů a nových energií. Tento článek se zaměří na výzkum a inovace nových zdrojů energie ve sklenících, shrne stav výzkumu nových zdrojů energie, jako je solární energie, energie z biomasy, geotermální energie, větrná energie a nové průhledné krycí materiály, tepelně izolační materiály a stěnové materiály ve sklenících, analyzuje využití nových energií a nových materiálů při konstrukci nových skleníků a zaměří se na jejich roli v budoucím vývoji a transformaci skleníků.

Výzkum a inovace v oblasti nových energetických skleníků

Mezi nové zelené zdroje energie s největším potenciálem využití v zemědělství patří solární energie, geotermální energie a energie z biomasy, případně komplexní využití různých nových zdrojů energie s cílem dosáhnout efektivního využívání energie vzájemným učením se ze silných stránek.

solární energie/elektřina

Technologie solární energie je nízkouhlíkovým, efektivním a udržitelným způsobem zásobování energií a je důležitou součástí strategicky rozvíjejících se průmyslových odvětví Číny. V budoucnu se stane nevyhnutelnou volbou pro transformaci a modernizaci energetické struktury Číny. Z hlediska využití energie je samotný skleník zařízením pro využití solární energie. Díky skleníkovému efektu se sluneční energie shromažďuje uvnitř, zvyšuje se teplota skleníku a zajišťuje se potřebné teplo pro růst plodin. Hlavním zdrojem energie pro fotosyntézu skleníkových rostlin je přímé sluneční světlo, což představuje přímé využití sluneční energie.

01 Fotovoltaická výroba energie pro výrobu tepla

Fotovoltaická výroba energie je technologie, která přímo přeměňuje světelnou energii na elektrickou energii na základě fotovoltaického jevu. Klíčovým prvkem této technologie je solární článek. Když sluneční energie svítí na pole solárních panelů zapojených sériově nebo paralelně, polovodičové součástky přímo přeměňují energii slunečního záření na elektrickou energii. Fotovoltaická technologie dokáže přímo přeměňovat světelnou energii na elektrickou energii, ukládat elektřinu pomocí baterií a v noci vytápět skleník, ale její vysoká cena omezuje její další rozvoj. Výzkumná skupina vyvinula fotovoltaické grafenové topné zařízení, které se skládá z flexibilních fotovoltaických panelů, zařízení pro zpětnou regulaci typu „vše v jednom“, akumulátoru a grafenové topné tyče. V závislosti na délce výsadbové řady je grafenová topná tyč uložena pod substrátovým sáčkem. Během dne fotovoltaické panely absorbují sluneční záření, generují elektřinu a ukládají ji do akumulátoru, a poté se v noci uvolňuje pro grafenovou topnou tyč. Při skutečném měření se používá režim regulace teploty, který začíná na 17 °C a končí na 19 °C. Při provozu v noci (20:00-08:00 druhého dne) po dobu 8 hodin je spotřeba energie na vytápění jedné řady rostlin 1,24 kW·h a průměrná teplota substrátového sáčku v noci je 19,2 ℃, což je o 3,5 ~ 5,3 ℃ více než u kontroly. Tato metoda vytápění v kombinaci s fotovoltaickou výrobou energie řeší problémy s vysokou spotřebou energie a vysokým znečištěním při vytápění skleníků v zimě.

02 fototermální konverze a využití

Solární fototermální konverze označuje použití speciálního povrchu pro sběr slunečního záření vyrobeného z fototermálních konverzních materiálů, který shromažďuje a absorbuje co nejvíce sluneční energie vyzařované na něj a přeměňuje ji na tepelnou energii. Ve srovnání se solárními fotovoltaickými aplikacemi zvyšují solární fototermální aplikace absorpci blízkého infračerveného pásma, takže mají vyšší účinnost využití energie slunečního záření, nižší náklady a vyspělou technologii a jsou nejrozšířenějším způsobem využití solární energie.

Nejvyspělejší technologií fototermální přeměny a využití v Číně je solární kolektor, jehož základní součástí je jádro z tepelně absorpční desky se selektivním absorpčním povlakem, které dokáže přeměnit energii slunečního záření procházejícího krycí deskou na tepelnou energii a předat ji tepelně absorpčnímu pracovnímu médiu. Solární kolektory lze rozdělit do dvou kategorií podle toho, zda je v kolektoru vakuum, či nikoliv: ploché solární kolektory a vakuové trubicové solární kolektory; koncentrační solární kolektory a nekoncentrační solární kolektory podle toho, zda sluneční záření v otvoru pro denní světlo mění směr; a kapalinové solární kolektory a vzduchové solární kolektory podle typu tepelně přenosného pracovního média.

Využití sluneční energie ve sklenících se provádí hlavně pomocí různých typů solárních kolektorů. Univerzita Ibn Zor v Maroku vyvinula aktivní systém solárního ohřevu (ASHS) pro vytápění skleníků, který může v zimě zvýšit celkovou produkci rajčat o 55 %. Čínská zemědělská univerzita navrhla a vyvinula sadu systémů pro sběr a odvod tepla s povrchovým chladičem a ventilátorem s kapacitou sběru tepla 390,6 až 693,0 MJ a předložila myšlenku oddělení procesu sběru tepla od procesu akumulace tepla pomocí tepelného čerpadla. Univerzita v Bari v Itálii vyvinula polygenerační systém vytápění skleníků, který se skládá ze solárního systému a tepelného čerpadla vzduch-voda a dokáže zvýšit teplotu vzduchu o 3,6 % a teplotu půdy o 92 %. Výzkumná skupina vyvinula aktivní zařízení pro sběr solárního tepla s proměnným úhlem sklonu pro solární skleník a podpůrné zařízení pro akumulaci tepla pro skleníkovou vodní plochu v každém počasí. Technologie aktivního sběru solárního tepla s proměnným sklonem boří omezení tradičních zařízení pro sběr tepla ve sklenících, jako je omezená kapacita sběru tepla, zastínění a obdělávaná půda. Použitím speciální konstrukce solárního skleníku se plně využívá prostor skleníku, který není určen k osázení, což výrazně zlepšuje účinnost využití prostoru skleníku. Za typických slunečných provozních podmínek dosahuje aktivní systém solárního sběru tepla s proměnným sklonem 1,9 MJ/(m2h), účinnost využití energie dosahuje 85,1 % a míra úspory energie je 77 %. Technologie akumulace tepla ve skleníku využívá vícefázovou strukturu akumulace tepla, zvyšuje kapacitu akumulace tepla v zařízení a dosahuje pomalého uvolňování tepla ze zařízení, čímž se dosahuje efektivního využití tepla shromážděného solárním zařízením pro sběr tepla ve skleníku.

energie z biomasy

Nová konstrukce zařízení je postavena kombinací zařízení na výrobu tepla z biomasy se skleníkem. Suroviny z biomasy, jako je vepřový hnůj, zbytky hub a sláma, se kompostují za účelem výroby tepla a generovaná tepelná energie se přímo dodává do skleníku [5]. Ve srovnání se skleníkem bez vytápěcí nádrže na fermentaci biomasy může vytápěný skleník účinně zvýšit teplotu půdy ve skleníku a udržovat správnou teplotu kořenů plodin pěstovaných v půdě za normálního klimatu v zimě. Vezměme si jako příklad jednovrstvý asymetrický tepelně izolační skleník s rozpětím 17 m a délkou 30 m a přidáním 8 m zemědělského odpadu (směs rajčatové slámy a vepřového hnoje) do vnitřní fermentační nádrže pro přirozené kvašení bez převracení hromady lze v zimě zvýšit průměrnou denní teplotu skleníku o 4,2 ℃ a průměrná denní minimální teplota může dosáhnout 4,6 ℃.

Řízená fermentace biomasy využívá energii k řízení fermentačního procesu a využívá přístroje a zařízení k řízení fermentačního procesu za účelem rychlého a efektivního využití tepelné energie biomasy a plynného hnojiva CO2. Mezi klíčovými faktory pro regulaci produkce fermentačního tepla a plynu z biomasy patří větrání a vlhkost. Za větraných podmínek aerobní mikroorganismy ve fermentační haldě využívají kyslík pro své životní aktivity a část vyrobené energie je využívána pro jejich vlastní životní aktivity a část energie se uvolňuje do prostředí jako tepelná energie, což prospívá zvyšování teploty prostředí. Voda se podílí na celém fermentačním procesu, poskytuje potřebné rozpustné živiny pro mikrobiální aktivity a zároveň uvolňuje teplo z haldy ve formě páry prostřednictvím vody, čímž se snižuje teplota haldy, prodlužuje životnost mikroorganismů a zvyšuje se objemová teplota haldy. Instalace zařízení na vyluhování slámy ve fermentační nádrži může v zimě zvýšit vnitřní teplotu o 3 ~ 5 °C, posílit fotosyntézu rostlin a zvýšit výnos rajčat o 29,6 %.

Geotermální energie

Čína má bohaté geotermální zdroje. V současné době je nejběžnějším způsobem využití geotermální energie v zemědělských zařízeních použití tepelného čerpadla země-voda, které dokáže převést nízkou tepelnou energii na vysoce kvalitní tepelnou energii přivedením malého množství vysoce kvalitní energie (například elektrické energie). Na rozdíl od tradičních opatření pro vytápění skleníků může vytápění tepelným čerpadlem země-voda nejen dosáhnout významného topného účinku, ale také má schopnost chladit skleník a snižovat vlhkost ve skleníku. Výzkum aplikací tepelného čerpadla země-voda v oblasti bytové výstavby je pokročilý. Klíčovou součástí, která ovlivňuje topný a chladicí výkon tepelného čerpadla země-voda, je modul podzemní výměny tepla, který zahrnuje především zakopané potrubí, podzemní vrty atd. Výzkum v této oblasti se vždy zaměřoval na to, jak navrhnout podzemní systém výměny tepla s vyváženým poměrem nákladů a účinku. Zároveň změna teploty podzemní vrstvy půdy při aplikaci tepelného čerpadla země-voda také ovlivňuje účinek využití systému tepelného čerpadla. Using the ground source heat pump to cool the greenhouse in summer and store the heat energy in the deep soil layer can alleviate the temperature drop of the underground soil layer and improve the heat production efficiency of the ground source heat pump in winter.

V současné době je při výzkumu výkonu a účinnosti tepelného čerpadla země-voda, na základě skutečných experimentálních dat, vytvořen numerický model se softwarem, jako jsou TOUGH2 a TRNSYS, a byl zjištěn závěr, že topný výkon a topný koeficient (COP) tepelného čerpadla země-voda mohou dosáhnout 3,0 ~ 4,5, což má dobrý chladicí a topný účinek. Při výzkumu provozní strategie systému tepelného čerpadla Fu Yunzhun a další zjistili, že ve srovnání s průtokem na straně zátěže má průtok na straně země-voda větší vliv na výkon jednotky a přenos tepla zakopaným potrubím. Za podmínek nastavení průtoku může maximální hodnota COP jednotky dosáhnout 4,17 při použití provozního schématu s provozem 2 hodiny a zastavením na 2 hodiny; Shi Huixian a další zvolili přerušovaný provozní režim chladicího systému s akumulací vody. V létě, kdy je teplota vysoká, může COP celého systému zásobování energií dosáhnout 3,80.

Technologie hlubokého akumulace tepla v půdě ve skleníku

Hluboké ukládání tepla v půdě ve skleníku se také nazývá „akumulace tepla“. Poškození chladem v zimě a vysoké teploty v létě jsou hlavními překážkami produkce ve skleníku. Vzhledem k silné kapacitě hluboké půdy pro akumulaci tepla navrhla výzkumná skupina podzemní zařízení pro hlubokou akumulaci tepla ve skleníku. Zařízení je dvouvrstvé paralelní potrubí pro přenos tepla zakopané v hloubce 1,5 až 2,5 m pod zemí ve skleníku, s přívodem vzduchu v horní části skleníku a výstupem vzduchu na zemi. Když je teplota ve skleníku vysoká, je vnitřní vzduch nuceně vháněn do země ventilátorem, aby se dosáhlo akumulace tepla a snížení teploty. Když je teplota ve skleníku nízká, teplo se odebírá z půdy k ohřevu skleníku. Výsledky výroby a aplikace ukazují, že zařízení může zvýšit teplotu ve skleníku o 2,3 °C v zimní noci, snížit vnitřní teplotu o 2,6 °C v letním dni a zvýšit výnos rajčat o 1500 kg na 667 m².²Zařízení plně využívá charakteristik „tepla v zimě a chladu v létě“ a „konstantní teploty“ hluboko uložené půdy, poskytuje „zásobu energie“ pro skleník a nepřetržitě plní pomocné funkce chlazení a vytápění skleníku.

Koordinace více energií

Použití dvou nebo více typů energie k vytápění skleníku může efektivně kompenzovat nevýhody jednoho typu energie a umožnit uplatnění superpozičního efektu „jedna plus jedna je větší než dvě“. Doplňková spolupráce mezi geotermální energií a solární energií je v posledních letech výzkumným bodem pro nové využití energie v zemědělské produkci. Emmi a další studovali systém s více zdroji energie (obrázek 1), který je vybaven hybridním fotovoltaickým a termálním solárním kolektorem. Ve srovnání s běžným systémem tepelného čerpadla vzduch-voda se energetická účinnost systému s více zdroji energie zlepšila o 16 % až 25 %. Zheng a další vyvinuli nový typ propojeného systému akumulace tepla se solární energií a tepelným čerpadlem země-voda. Systém solárních kolektorů dokáže realizovat vysoce kvalitní sezónní akumulaci tepla, tj. vysoce kvalitní vytápění v zimě a vysoce kvalitní chlazení v létě. Zakopaný trubkový výměník tepla a přerušovaný zásobník tepla mohou v systému dobře fungovat a hodnota COP systému může dosáhnout 6,96.

V kombinaci se solární energií si klade za cíl snížit spotřebu komerční energie a zvýšit stabilitu solárního napájení ve sklenících. Wan Ya a další představili nový systém inteligentní řídicí technologie, který kombinuje výrobu solární energie s komerční energií pro vytápění skleníků. Tento systém dokáže využít fotovoltaickou energii, když je světlo, a přeměnit ji na komerční energii, když světlo není, čímž se výrazně snižuje míra nedostatku energie pro zátěž a snižují se ekonomické náklady bez použití baterií.

Solární energie, energie z biomasy a elektřina mohou společně vytápět skleníky, čímž lze dosáhnout vysoké topné účinnosti. Zhang Liangrui a další kombinovali solární vakuový sběr tepla s akumulační nádrží na teplo z údolní elektřiny. Systém vytápění skleníků má dobrý tepelný komfort a průměrná topná účinnost systému je 68,70 %. Elektrická akumulační nádrž na teplo je zařízení na ohřev vody z biomasy s elektrickým ohřevem. Je nastavena nejnižší teplota vody na vstupu na straně vytápění a provozní strategie systému je určena podle teploty akumulační vody v části pro sběr solárního tepla a části pro akumulaci tepla z biomasy, aby se dosáhlo stabilní teploty vytápění na straně vytápění a maximálně se ušetřila elektrická energie a energetické materiály z biomasy.

Inovativní výzkum a aplikace nových skleníkových materiálů

S rozšiřováním plochy skleníků se stále více odhalují nevýhody tradičních skleníkových materiálů, jako jsou cihly a zemina. Proto s cílem dále zlepšit tepelné vlastnosti skleníků a uspokojit potřeby vývoje moderních skleníků probíhá mnoho výzkumů a aplikací nových průhledných krycích materiálů, tepelně izolačních materiálů a stěnových materiálů.

Výzkum a aplikace nových transparentních krycích materiálů

Mezi typy průhledných krycích materiálů pro skleníky patří především plastové fólie, sklo, solární panely a fotovoltaické panely, z nichž plastové fólie mají největší oblast použití. Tradiční PE fólie pro skleníky má nevýhody krátké životnosti, nedegradace a jediné funkce. V současné době byla vyvinuta řada nových funkčních fólií s přidáním funkčních činidel nebo povlaků.

Konverzní film pro světlo:Světlokonverzní fólie mění optické vlastnosti fólie pomocí světlokonverzních činidel, jako jsou materiály vzácných zemin a nanomateriály, a dokáže přeměnit oblast ultrafialového záření na červenooranžové a modrofialové světlo potřebné pro fotosyntézu rostlin, čímž zvyšuje výnos plodin a snižuje poškození ultrafialovým zářením plodin a fólií v plastových sklenících. Například širokopásmová fialovočervená skleníková fólie s světlokonverzním činidlem VTR-660 může při aplikaci ve skleníku výrazně zlepšit propustnost infračerveného záření a ve srovnání s kontrolním skleníkem se výrazně zvýšil hektarový výnos rajčat, obsah vitamínu C a lykopenu o 25,71 %, 11,11 % a 33,04 %. V současné době je však stále třeba prostudovat životnost, odbouratelnost a náklady nové světlokonverzní fólie.

Rozptýlené skloRozptýlené sklo ve skleníku je speciální vzor a technologie antireflexní úpravy povrchu skla, která maximalizuje pronikání slunečního světla do skleníku na rozptýlené světlo, zlepšuje účinnost fotosyntézy plodin a zvyšuje výnos plodin. Rozptýlené sklo přeměňuje světlo vstupující do skleníku na rozptýlené světlo pomocí speciálních vzorů a rozptýlené světlo může být rovnoměrněji ozařováno do skleníku, čímž se eliminuje vliv stínu kostry na skleník. Ve srovnání s běžným plaveným sklem a ultra bílým plaveným sklem je standard propustnosti světla rozptýleného skla 91,5 % a u běžného plaveného skla je to 88 %. Na každé 1% zvýšení propustnosti světla uvnitř skleníku se může výnos zvýšit přibližně o 3 % a zvýšit se obsah rozpustného cukru a vitamínu C v ovoci a zelenině. Rozptýlené sklo ve skleníku je nejprve potaženo a poté tvrzeno, takže míra samovolného výbuchu je vyšší než národní standard a dosahuje 2 ‰.

Výzkum a aplikace nových tepelněizolačních materiálů

Mezi tradiční tepelněizolační materiály ve sklenících patří zejména slaměné rohože, papírové prošívané deky, jehlová plsť a další, které se používají hlavně k vnitřní a vnější tepelné izolaci střech, izolaci stěn a tepelné izolaci některých zařízení pro akumulaci a sběr tepla. Většina z nich má tu vadu, že po dlouhodobém používání ztrácejí tepelněizolační vlastnosti v důsledku vnitřní vlhkosti. Proto existuje mnoho aplikací nových vysoce tepelněizolačních materiálů, mezi nimiž jsou výzkum zaměřeny na nové tepelněizolační deky, zařízení pro akumulaci a sběr tepla.

Nové tepelněizolační materiály se obvykle vyrábějí zpracováním a smícháním povrchově nepromokavých a stárnutí odolných materiálů, jako je tkaná fólie a potažená plsť, s nadýchanými tepelněizolačními materiály, jako je bavlna s nástřikem, různý kašmír a perleťová bavlna. V severovýchodní Číně byla testována tkaná fólie s nástřikem bavlny s tepelněizolačním povlakem. Bylo zjištěno, že přidání 500 g bavlny s nástřikem odpovídalo tepelněizolačnímu výkonu 4500 g černé plsti s nástřikem, která je na trhu. Za stejných podmínek se tepelněizolační výkon 700 g bavlny s nástřikem zlepšil o 1~2 °C ve srovnání s 500 g bavlny s nástřikem. Současně jiné studie také zjistily, že ve srovnání s běžně používanými tepelněizolačními prošívanými dekami na trhu je tepelněizolační účinek dek s nástřikem bavlny a různých kašmírových tepelněizolačních prošívaných deek lepší, s mírou tepelné izolace 84,0 %, respektive 83,3 %. Při nejnižší venkovní teplotě -24,4 °C může vnitřní teplota dosáhnout 5,4 °C, respektive 4,2 °C. Ve srovnání s jednovrstvou izolační dekou z slaměného pletiva má nová kompozitní izolační deka výhody nízké hmotnosti, vysokého stupně izolace, silné vodotěsnosti a odolnosti proti stárnutí a lze ji použít jako nový typ vysoce účinného izolačního materiálu pro solární skleníky.

Zároveň se podle výzkumu tepelněizolačních materiálů pro zařízení na sběr a akumulaci tepla ve sklenících zjistilo, že při stejné tloušťce mají vícevrstvé kompozitní tepelněizolační materiály lepší tepelněizolační vlastnosti než jednotlivé materiály. Tým profesora Li Jianminga z Northwest A&F University navrhl a otestoval 22 druhů tepelněizolačních materiálů pro zařízení na akumulaci vody ve sklenících, jako jsou vakuové desky, aerogely a pryžová vata, a změřil jejich tepelné vlastnosti. Výsledky ukázaly, že 80mm tepelněizolační nátěr + aerogel + pryžovo-plastová tepelněizolační bavlněná kompozitní izolační materiál dokázal snížit odvod tepla o 0,367 MJ za jednotku času ve srovnání s 80mm pryžovo-plastovou bavlnou a jeho koeficient prostupu tepla byl 0,283 W/(m2·k) při tloušťce izolační kombinace 100 mm.

Fázově měnící se materiál je jedním z klíčových témat ve výzkumu materiálů pro skleníky. Severozápadní univerzita A&F vyvinula dva druhy zařízení pro ukládání fázově měnících se materiálů: prvním je úložný box vyrobený z černého polyethylenu o rozměrech 50 cm × 30 cm × 14 cm (délka × výška × tloušťka) a je naplněn fázově měnícími se materiály, aby mohly akumulovat teplo a teplo uvolňovat; Za druhé, byl vyvinut nový typ fázově měnící se stěnové desky. Fázově měnící se stěnová deska se skládá z fázově měnícího se materiálu, hliníkové desky, hliníkoplastové desky a hliníkové slitiny. Fázově měnící se materiál je umístěn v nejstřednější poloze stěnové desky a jeho specifikace je 200 mm × 200 mm × 50 mm. Před a po fázové změně se jedná o práškovou pevnou látku, u které nedochází k tavení ani tečení. Čtyři stěny fázově měnícího se materiálu jsou hliníková deska a hliníkoplastová deska. Toto zařízení může realizovat funkce hlavně ukládání tepla během dne a hlavně uvolňování tepla v noci.

Proto existují určité problémy s aplikací jednoho tepelně izolačního materiálu, jako je nízká tepelně izolační účinnost, velké tepelné ztráty, krátká doba akumulace tepla atd. Použití kompozitního tepelně izolačního materiálu jako tepelně izolační vrstvy a krycí vrstvy vnitřní i venkovní tepelně izolační vrstvy zařízení na akumulaci tepla proto může účinně zlepšit tepelně izolační vlastnosti skleníku, snížit tepelné ztráty skleníku a tím dosáhnout úspory energie.

Výzkum a aplikace nové zdi

Jako druh uzavírací konstrukce je zeď důležitou bariérou pro ochranu skleníku před chladem a uchování tepla. Podle materiálů a konstrukcí stěn lze severní stěnu skleníku rozdělit na tři typy: jednovrstvou stěnu z hlíny, cihel atd. a vrstvenou severní stěnu z hliněných cihel, tvárnic, polystyrenových desek atd. s vnitřním akumulačním systémem tepla a vnější tepelnou izolací. Většina těchto stěn je časově a pracně náročná. Proto se v posledních letech objevilo mnoho nových typů stěn, které se snadno staví a jsou vhodné pro rychlou montáž.

Vznik nového typu montovaných stěn podporuje rychlý rozvoj montovaných skleníků, včetně nového typu kompozitních stěn s vnějšími vodotěsnými a stárnoucími povrchovými materiály a materiály, jako je plsť, perleťová bavlna, kosmická bavlna, skelná vata nebo recyklovaná bavlna jako tepelně izolační vrstvy, jako jsou například flexibilní montované stěny z bavlny pojené stříkáním v Sin-ťiangu. Kromě toho další studie také uvádějí severní stěnu montovaného skleníku s vrstvou akumulující teplo, jako jsou cihlově vyplněné tvárnice z pšeničné malty v Sin-ťiangu. Za stejného vnějšího prostředí, když je nejnižší venkovní teplota -20,8 °C, je teplota v solárním skleníku s kompozitní stěnou z pšeničné malty 7,5 °C, zatímco teplota v solárním skleníku s cihlově-betonovou stěnou je 3,2 °C. Doba sklizně rajčat v cihlovém skleníku se může posunout o 16 dní a výnos jednoho skleníku se může zvýšit o 18,4 %.

Tým inženýrů z Northwest A&F University přišel s myšlenkou výroby tepelně izolačních a tepelně akumulačních modulů ze slámy, půdy, vody, kamene a materiálů s fázovou změnou z hlediska světla a zjednodušeného návrhu stěn, což podpořilo aplikační výzkum modulárních montovaných stěn. Například ve srovnání s běžným skleníkem s cihlovou zdí je průměrná teplota ve skleníku za typického slunečného dne o 4,0 °C vyšší. Tři druhy modulů z anorganického cementu s fázovou změnou, které jsou vyrobeny z materiálu s fázovou změnou (PCM) a cementu, akumulovaly teplo 74,5, 88,0 a 95,1 MJ/m³.³a uvolněné teplo 59,8, 67,8 a 84,2 MJ/m³, respektive. Mají funkce „ořezávání vrcholů“ ve dne, „vyplňování údolí“ v noci, absorbování tepla v létě a uvolňování tepla v zimě.

Tyto nové stěny se montují na místě, s krátkou dobou výstavby a dlouhou životností, což vytváří podmínky pro stavbu lehkých, zjednodušených a rychle montovaných prefabrikovaných skleníků a může výrazně podpořit strukturální reformu skleníků. Existují však určité nedostatky tohoto typu stěn, například bavlněná tepelně izolační stěna stříkanou pojivem má vynikající tepelně izolační vlastnosti, ale postrádá kapacitu akumulace tepla a tento stavební materiál s fázovou změnou má problém s vysokými provozními náklady. V budoucnu by měl být posílen výzkum aplikací montovaných stěn.

Nová energie, nové materiály a nové designy pomáhají změnit strukturu skleníků.

Výzkum a inovace v oblasti nových energií a materiálů poskytují základ pro designové inovace skleníků. Energeticky úsporné solární skleníky a klenuté přístřešky jsou největšími přístřešky v čínské zemědělské produkci a hrají v ní důležitou roli. S rozvojem čínské sociální ekonomiky se však stále více projevují nedostatky těchto dvou typů konstrukcí budov. Za prvé, prostor budov je malý a stupeň mechanizace je nízký. Za druhé, energeticky úsporné solární skleníky mají dobrou tepelnou izolaci, ale využití půdy je nízké, což je ekvivalentní nahrazení energie ze skleníku pozemkem. Běžné klenuté přístřešky mají nejen malý prostor, ale také špatnou tepelnou izolaci. Přestože vícerozměrové skleníky mají velký prostor, mají špatnou tepelnou izolaci a vysokou spotřebu energie. Proto je nezbytné zkoumat a vyvíjet konstrukce skleníků vhodné pro současnou sociální a ekonomickou úroveň Číny. Výzkum a vývoj nových energií a materiálů pomůže změnit strukturu skleníků a vytvořit řadu inovativních modelů nebo konstrukcí skleníků.

Inovativní výzkum velkorozměrového asymetrického vodou řízeného pivovarnického skleníku

Velkorozponový asymetrický vodou řízený pivovarský skleník (číslo patentu: ZL 201220391214.2) je založen na principu slunečního záření skleníku, který mění symetrickou strukturu běžného plastového skleníku, zvětšuje jižní rozpětí, zvětšuje osvětlenou plochu jižní střechy, zmenšuje severní rozpětí a zmenšuje plochu odvodu tepla, s rozpětím 18~24 m a výškou hřebene 6~7 m. Díky inovaci designu se výrazně zvětšila prostorová struktura. Zároveň se problémy s nedostatečným teplem ve skleníku v zimě a špatnou tepelnou izolací běžných tepelně izolačních materiálů řeší použitím nové technologie tepelných a tepelně izolačních materiálů pro vaření biomasy. Výsledky výroby a výzkumu ukazují, že velkorozměrový asymetrický vodou řízený pivovarský skleník s průměrnou teplotou 11,7 ℃ za slunečných dnů a 10,8 ℃ za oblačných dnů dokáže uspokojit poptávku po růstu plodin v zimě. Náklady na výstavbu skleníku se snížily o 39,6 % a míra využití půdy se zvýšila o více než 30 % ve srovnání se skleníkem s polystyrenovou cihlovou stěnou, což je vhodné pro další popularizaci a použití v povodí Žluté řeky Huaihe v Číně.

Sestavený skleník na sluneční světlo

Montovaný solární skleník využívá sloupy a střešní kostru jako nosnou konstrukci a jeho stěnový materiál je převážně tepelně izolační plášť, namísto nosných a pasivních tepelných úložišť. Hlavními aspekty jsou: (1) nový typ montované stěny je vytvořen kombinací různých materiálů, jako je potažená fólie nebo barevný ocelový plech, slaměný blok, flexibilní tepelně izolační prošívaná deka, maltový blok atd. (2) kompozitní stěnová deska vyrobená z prefabrikovaných cemento-polystyrenových desek a cemento-cementových desek; (3) lehký a snadno montovatelný typ tepelně izolačních materiálů s aktivním systémem akumulace a uvolňování tepla a systémem odvlhčování, jako je plastová čtvercová akumulace tepla a potrubí pro akumulaci tepla. Použití různých nových tepelně izolačních materiálů a materiálů pro akumulaci tepla místo tradiční zemní zdi k výstavbě solárního skleníku vyžaduje velký prostor a malé stavební nároky. Experimentální výsledky ukazují, že teplota ve skleníku v zimě je o 4,5 °C vyšší než u tradičního skleníku s cihlovou zdí a tloušťka zadní stěny je 166 mm. Ve srovnání se skleníkem s cihlovou zdí o tloušťce 600 mm je zabíraná plocha zdi menší o 72 % a náklady na metr čtvereční činí 334,5 juanů, což je o 157,2 juanů méně než u skleníku s cihlovou zdí, a náklady na výstavbu se výrazně snížily. Smontovaný skleník má proto výhody v podobě menšího ničení obdělávané půdy, úspory půdy, rychlé výstavby a dlouhé životnosti, což je klíčový směr pro inovace a vývoj solárních skleníků v současnosti i v budoucnu.

Posuvný skleník na slunečním světle

Energeticky úsporný solární skleník sestavený ze skateboardu, vyvinutý Zemědělskou univerzitou v Šen-jangu, využívá zadní stěnu solárního skleníku k vytvoření systému akumulace tepla s cirkulující vodou ve stěně, který ukládá teplo a zvyšuje teplotu. Systém se skládá převážně z bazénu (32 m²).³), sběrná deska světla (360 m²), vodní čerpadlo, vodovodní potrubí a regulátor. Flexibilní tepelně izolační deka je v horní části nahrazena novým lehkým ocelovým plechem barvy minerální vlny. Výzkum ukazuje, že tato konstrukce účinně řeší problém štítů blokujících světlo a zvětšuje plochu vstupu světla do skleníku. Úhel osvětlení skleníku je 41,5°, což je téměř o 16° více než u kontrolního skleníku, čímž se zlepšuje intenzita osvětlení. Rozložení vnitřní teploty je rovnoměrné a rostliny rostou úhledně. Skleník má výhody v podobě zlepšení efektivity využívání půdy, flexibilního navrhování velikosti skleníku a zkrácení doby výstavby, což má velký význam pro ochranu obdělávaných půdních zdrojů a životního prostředí.

Fotovoltaický skleník

Zemědělský skleník je skleník, který integruje výrobu solární fotovoltaické energie, inteligentní regulaci teploty a moderní high-tech osázení. Používá ocelový kostěný rám a je pokryt solárními fotovoltaickými moduly, aby byly zajištěny světelné požadavky fotovoltaických modulů na výrobu energie a světelné požadavky celého skleníku. Stejnosměrný proud generovaný solární energií přímo doplňuje světlo zemědělských skleníků, přímo podporuje normální provoz skleníkového zařízení, pohání zavlažování vodních zdrojů, zvyšuje teplotu ve skleníku a podporuje rychlý růst plodin. Fotovoltaické moduly tímto způsobem ovlivňují světelnou účinnost střechy skleníku a následně ovlivňují normální růst skleníkové zeleniny. Proto se racionální uspořádání fotovoltaických panelů na střeše skleníku stává klíčovým bodem aplikace. Zemědělský skleník je produktem organické kombinace turistického zemědělství a zahradničení a je inovativním zemědělským odvětvím, které integruje výrobu fotovoltaické energie, zemědělské turistické atrakce, zemědělské plodiny, zemědělskou technologii, krajinářský a kulturní rozvoj.

Inovativní návrh skupiny skleníků s energetickou interakcí mezi různými typy skleníků

Guo Wenzhong, výzkumník z Pekingské akademie zemědělských a lesnických věd, využívá metodu ohřevu s přenosem energie mezi skleníky k zachycení zbývající tepelné energie v jednom nebo více sklenících pro vytápění jiného nebo více skleníků. Tato metoda ohřevu realizuje přenos energie skleníku v čase a prostoru, zlepšuje účinnost využití energie zbývající tepelné energie skleníku a snižuje celkovou spotřebu energie na vytápění. Dva typy skleníků mohou být různé nebo stejného typu pro pěstování různých plodin, jako jsou skleníky na salát a rajčata. Metody sběru tepla zahrnují především odběr tepla z vnitřního vzduchu a přímé zachycení dopadajícího záření. Prostřednictvím sběru sluneční energie, nucené konvekce pomocí výměníku tepla a nuceného odsávání pomocí tepelného čerpadla bylo přebytečné teplo ve vysokoenergetickém skleníku odváděno k vytápění skleníku.

shrnout

Tyto nové solární skleníky mají výhody rychlé montáže, zkrácené doby výstavby a lepšího využití pozemku. Proto je nutné dále prozkoumat výkonnost těchto nových skleníků v různých oblastech a poskytnout možnost pro jejich rozsáhlou popularizaci a využití. Zároveň je nutné neustále posilovat používání nových energií a materiálů ve sklenících, aby se zajistila energie pro strukturální reformu skleníků.

Budoucí vyhlídky a myšlení

Tradiční skleníky mají často určité nevýhody, jako je vysoká spotřeba energie, nízká míra využití půdy, časová a pracná náročnost, nízký výkon atd., které již nemohou uspokojovat výrobní potřeby moderního zemědělství a budou postupně eliminovány. Proto je vývojovým trendem využívat nové zdroje energie, jako je solární energie, energie z biomasy, geotermální energie a větrná energie, nové materiály pro aplikace ve sklenících a nové designy, které podporují strukturální změny skleníků. V první řadě by nový skleník poháněný novou energií a novými materiály měl nejen splňovat potřeby mechanizovaného provozu, ale také šetřit energii, půdu a náklady. Za druhé je nutné neustále zkoumat výkon nových skleníků v různých oblastech, aby se vytvořily podmínky pro rozsáhlou popularizaci skleníků. V budoucnu bychom měli dále hledat novou energii a nové materiály vhodné pro použití ve sklenících a najít nejlepší kombinaci nové energie, nových materiálů a skleníku, aby bylo možné postavit nový skleník s nízkými náklady, krátkou dobou výstavby, nízkou spotřebou energie a vynikajícím výkonem, napomoci změně struktury skleníků a podpořit modernizační rozvoj skleníků v Číně.

Přestože je používání nových energií, nových materiálů a nových designů ve výstavbě skleníků nevyhnutelným trendem, stále existuje mnoho problémů, které je třeba prostudovat a překonat: (1) Náklady na výstavbu se zvyšují. Ve srovnání s tradičním vytápěním uhlím, zemním plynem nebo ropou je používání nových energií a nových materiálů šetrné k životnímu prostředí a bez znečištění, ale náklady na výstavbu se výrazně zvyšují, což má určitý dopad na návratnost investic do výroby a provozu. Ve srovnání s využitím energie se náklady na nové materiály výrazně zvýší. (2) Nestabilní využití tepelné energie. Největší výhodou využití nových energií jsou nízké provozní náklady a nízké emise oxidu uhličitého, ale dodávky energie a tepla jsou nestabilní a zatažené dny se stávají největším omezujícím faktorem při využívání solární energie. V procesu výroby tepla z biomasy fermentací je efektivní využití této energie omezeno problémy s nízkou tepelnou energií z fermentace, obtížným řízením a kontrolou a velkým skladovacím prostorem pro přepravu surovin. (3) Technologická vyspělost. Tyto technologie používané novými energií a novými materiály jsou pokročilým výzkumem a technologickým úspěchem a jejich oblast použití a rozsah jsou stále poměrně omezené. Neprošly mnoha testy, ověřením na mnoha místech a ve velkém měřítku a nevyhnutelně se vyskytují určité nedostatky a technický obsah, který je třeba v aplikaci vylepšit. Uživatelé často popírají pokrok technologií kvůli drobným nedostatkům. (4) Míra penetrace technologií je nízká. Široké uplatnění vědeckých a technologických úspěchů vyžaduje určitou popularitu. V současné době jsou nové zdroje energie, nové technologie a nové technologie pro návrh skleníků v týmu vědeckovýzkumných center na univerzitách s určitými inovačními schopnostmi a většina technických poptávek nebo designérů je stále nezná. Zároveň je popularizace a aplikace nových technologií stále poměrně omezená, protože základní vybavení nových technologií je patentováno. (5) Je třeba dále posílit integraci nových zdrojů energie, nových materiálů a návrhu skleníkových konstrukcí. Protože energie, materiály a návrh skleníkových konstrukcí patří do tří různých oborů, talentům se zkušenostmi s návrhem skleníků často chybí výzkum v oblasti energie a materiálů souvisejících se skleníky a naopak. Výzkumníci v oblasti energetiky a materiálového výzkumu proto musí posílit výzkum a pochopení skutečných potřeb rozvoje skleníkového průmyslu a konstruktéři by měli také studovat nové materiály a nové zdroje energie, aby podpořili hlubokou integraci těchto tří vztahů a dosáhli tak cíle praktické technologie skleníkového výzkumu, nízkých stavebních nákladů a dobrého užitného efektu. Na základě výše uvedených problémů se navrhuje, aby stát, místní samosprávy a vědecká výzkumná centra zintenzivnily technický výzkum, prováděly společný hloubkový výzkum, posílily publicitu vědeckých a technologických úspěchů, zlepšily jejich popularizaci a rychleji realizovaly cíl nové energie a nových materiálů, které by podpořily nový rozvoj skleníkového průmyslu.

Citované informace

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nová energie, nové materiály a nový design pomáhají nové revoluci skleníkového zemědělství [J]. Zelenina, 2022,(10):1-8.