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新能源、新材料、新设计助力温室结构变革

文章出处:来源百度搜索       发表时间:2022/11/23 9:06:25 

传统温室墙体蓄热材料多采用黏土、砖块等,消耗大且对土地资源造成严重破坏;传统的土墙日光温室土地利用效率仅为40%~50%,普通大棚蓄热保温能力差,在北方地区不能越冬生 产喜温类蔬菜。因此,推进温室变革的核心,或者说基础研究在于温室设计、新材料和新能源研究开发。本文将围绕温室新能源的研究创新,对温室太阳能、生物质能、地热能、风能等新能源和温室新 型透明覆盖材料、保温材料、墙体材料研究现状进行概述,分析新能源、新材料在新型大棚温室建造 中的应用,展望其对未来温室发展变革中的作用。

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新型墙体的研究与应用

墙体作为一种围护结构,是温室防寒保温的 重要屏障。根据墙体材料和结构,温室北墙的发 展可分为3种:主要为土壤、砖块等单层墙体及 利用粘土砖、砌块砖、聚苯板等建造的内层蓄 热、外层隔热型分层北墙,而这些墙体建造时大 都费时费工;因此,近几年出现了许多便于建 造、适宜快速组装的新型墙体。

新型组装式墙体的出现,推动着装配式温室 的迅速发展,包括具有外部防雨防老化表层材料 和毛毡、珍珠棉、太空棉、玻璃棉或回收棉作隔 热层等材料组装成的新型复合墙体,如新疆地 区的喷胶棉柔性组装墙体。此外,其他研究也 报告了带有蓄热层的装配式温室北墙,如新疆的 砖填充小麦壳砂浆砌块,在相同外界环境下, 室外最低温-20.8 ℃时,麦壳砂浆砌块复合墙 体日光温室内温度为7.5 ℃,而砖混墙体日光温 室内温度为3.2 ℃,砌块温室番茄收获期可提早 16 d,单棚产量提高18.4%。

西北农林科技大学设施团队从墙体设计轻简 化、便于取材的角度出发,提出将秸秆、土、 水、石、相变材料制备成保温蓄热模块的设计理 念,推动了模块化组装墙体的应用研究。例如, 铅丝网笼装填石块形成的石块墙体温室,与普通 砖墙日光温室相比,该温室内平均气温在典型 晴天高4.0 ℃;相变材料(PCM)与水泥混制 的3种无机相变水泥模块,其单位体积蓄热量分 别为74.5、88.0、95.1 MJ/m3 ,放热量为59.8、 67.8、84.2 MJ/m3 ,具有白天“削峰”、夜间“填 谷”,夏天吸热、冬天放热的作用。

这些新型墙体现场组装、施工周期短、使用 寿命长,为轻简化、可快速组装的装配式温室建 造创造了条件,可极大地推动温室结构变革;但 是,这类墙体也存在一定的缺陷,如喷胶棉保温 被墙体保温性能优良,但缺乏蓄热能力,而相变 建筑材料又存在使用成本较高的问题,未来要加 强组装式墙体的应用研究。

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新能源、新材料、新设计助力温室结构变革

新能源与新材料的研究创新,为温室大棚设 计创新提供了基础。节能日光温室和拱棚是我国 农业生产应用面积最大的棚体结构,在农业生产 中发挥着重要的作用,但是随着我国社会经济的 发展,2种设施结构的缺点日益呈现,一是设施 结构空间小,机械化程度低;二是节能日光温室 保温性好,但是土地利用低,相当于以土地置换 了温室能量。普通拱棚不仅空间小,而且保温性 差。连栋温室尽管空间大,但是保温性差,能耗 大。所以,研究开发适宜于我国现阶段社会经济 水平的温室结构势在必行,而新能源、新材料的 研发将助力温室结构变革,产生多种创新温室模 式或结构。

大跨度非对称水控酿热大棚的创新研究

大跨度非对称水控酿热大棚(专利号:Z L  201220391214.2)是依据日光温室采光保温原 理,改变普通塑料大棚对称性结构,增大南部跨 度,提高南屋面采光面积,缩小北部跨度,减少 散热面积,跨度18~24 m,脊高6~7 m。通过设 计创新,空间结构显著增大。同时,利用生物质 酿热和保温新材料技术,解决了温室冬季热量 不足以及普通保温材料保温性差的问题。生产 使用与研究结果表明,大跨度非对称水控酿热 大棚,晴天夜间的平均温度为11.7 ℃,阴天为 10.8 ℃,能满足冬季作物生长的需求,且该温室 比苯板砖墙温室建造成本降低了39.6%,土地利 用率提高了30%以上,适合在我国黄淮河流域进 一步推广和应用。

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装配式日光温室

装配式日光温室以立柱和屋面骨架作为承力 结构,其墙体材料以隔热围护为主,不再以承 重和被动储放热为主要功能。主要有:(1)以 外覆薄膜或彩钢板、秸秆块、柔性保温被、砂 浆砌块等多种材料组合,形成新型组装墙体;(2)以预制水泥板—聚苯板—水泥板的复合 墙板墙体;(3)隔热材料配主动蓄放热系统和 除湿系统的轻简装配式,例如塑料方块水桶蓄热、管道蓄热等。利用不同新型隔热材料和蓄 热材料,替代传统土墙体建造的日光温室空间 大,土建工程小。试验结果表明,该温室冬季 夜晚温度比传统砖墙温室提高4.5 ℃,后墙厚度 为166 mm,与600 mm厚的砖墙温室相比,墙 体占地面积减少72%,且每平方米造价为334.5 元,比砖墙温室减少了157.2元,建筑成本下降 显著。由此可见,装配式温室有着破坏耕地 少、节约用地、建设速度快、使用寿命长的优 点,是当前和今后日光温室创新和发展的一个 重点方向。

滑盖式日光温室

沈阳农业大学研发的滑板装配式节能日光 温室利用日光温室后墙组成水循环墙体蓄热系 统蓄热提温,主要由水池(32 m3 )、采光板 (360 m2 )、水泵、水管和控制器等组成。顶 部采用新型轻质岩棉彩钢板材料替换柔性保温 被。研究显示,该设计有效解决了山墙挡光 问题,增加了温室进光面积;温室采光角为 41.5°,比对照温室增加将近16°,提高了采 光率。室内温度分布均匀程度高,植株长势整 齐。

光伏农业温室

光伏农业温室是集太阳能光伏发电、智能温 控、现代高科技种植为一体的温室。它采用钢制骨 架,上覆太阳能光伏组件,以保证光伏发电组件的 光照要求和整个温室的采光要求。太阳能光伏发 出的直流电,直接为农业温室进行补光,并直接 支持温室设备的正常运行,驱动水资源灌溉,同 时提高温室温度,促进作物快速增长。这种方式 中的光伏组件会影响温室屋面的采光效率,进而影 响温室蔬菜的正常生长。所以,合理布置温室屋面 的光伏板成为应用的关键点。农业光伏温室是观 光农业与设施园艺有机结合的产物,是集光伏发 电、农业观光、农业作物、农业技术、园林景观及文化发展于一体的创新型农业产业。



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