Li Jianming, Sun Guotao itd.Tehnologija kmetijskega inženiringa v rastlinjakih2022-11-21 17:42 Objavljeno v Pekingu

V zadnjih letih se je industrija rastlinjakov močno razvila. Razvoj rastlinjakov ne le izboljšuje stopnjo izkoriščenosti zemljišč in stopnjo proizvodnje kmetijskih proizvodov, temveč tudi rešuje problem oskrbe s sadjem in zelenjavo v izven sezone. Vendar pa se rastlinjaki soočajo tudi z izjemnimi izzivi. Prvotni objekti, načini ogrevanja in strukturne oblike so ustvarili odpornost na okolje in razvoj. Za spremembo strukture rastlinjakov so nujno potrebni novi materiali in nove zasnove, za doseganje ciljev varčevanja z energijo in varstva okolja ter povečanje proizvodnje in dohodka pa so nujno potrebni novi viri energije.

Ta članek obravnava temo »nova energija, novi materiali, nova zasnova za pomoč pri novi revoluciji v rastlinjakih«, vključno z raziskavami in inovacijami sončne energije, energije iz biomase, geotermalne energije in drugih novih virov energije v rastlinjakih, raziskavami in uporabo novih materialov za prekrivanje, toplotno izolacijo, stene in drugo opremo ter prihodnjimi obeti in razmišljanjem o novi energiji, novih materialih in novi zasnovi za pomoč pri reformi rastlinjakov, da bi zagotovili referenco za industrijo.

Razvoj kmetijske mehanizacije je politična zahteva in neizogibna izbira za izvajanje duha pomembnih navodil in odločitev centralne vlade. Leta 2020 bo skupna površina zaščitenega kmetijstva na Kitajskem znašala 2,8 milijona hm2, proizvodna vrednost pa bo presegla 1 bilijon juanov. To je pomemben način za izboljšanje proizvodnih zmogljivosti rastlinjakov, saj se z novo energijo, novimi materiali in novo zasnovo rastlinjakov izboljša osvetlitev in toplotna izolacija rastlinjakov. Tradicionalna proizvodnja v rastlinjakih ima številne pomanjkljivosti, saj se za ogrevanje in ogrevanje v tradicionalnih rastlinjakih uporabljajo premog, kurilno olje in drugi viri energije, kar povzroča veliko količino dioksida, ki resno onesnažuje okolje, medtem ko zemeljski plin, električna energija in drugi viri energije povečujejo obratovalne stroške rastlinjakov. Tradicionalni materiali za shranjevanje toplote za stene rastlinjakov so večinoma glina in opeka, ki porabita veliko energije in povzročata resno škodo zemljiškim virom. Učinkovitost rabe zemljišč tradicionalnih sončnih rastlinjakov z zemeljskim zidom je le 40 % ~ 50 %, navaden rastlinjak pa ima slabo zmogljivost shranjevanja toplote, zato ne more preživeti zime za pridelavo tople zelenjave na severu Kitajske. Zato je jedro spodbujanja sprememb v rastlinjakih oziroma temeljnih raziskav v načrtovanju rastlinjakov, raziskavah in razvoju novih materialov in nove energije. Ta članek se bo osredotočil na raziskave in inovacije novih virov energije v rastlinjakih, povzel stanje raziskav novih virov energije, kot so sončna energija, energija biomase, geotermalna energija, vetrna energija ter novi prozorni pokrivni materiali, toplotnoizolacijski materiali in stenski materiali v rastlinjakih, analiziral uporabo nove energije in novih materialov pri gradnji novih rastlinjakov ter se veselil njihove vloge pri prihodnjem razvoju in preobrazbi rastlinjakov.

Raziskave in inovacije novih energetskih rastlinjakov

Zelena nova energija z največjim potencialom za kmetijsko izrabo vključuje sončno energijo, geotermalno energijo in energijo iz biomase oziroma celovito izrabo različnih novih virov energije, da bi dosegli učinkovito rabo energije z učenjem iz prednosti drug drugega.

sončna energija/moč

Tehnologija sončne energije je nizkoogljični, učinkovit in trajnosten način oskrbe z energijo ter pomemben sestavni del kitajskih strateških industrij v vzponu. V prihodnosti bo postala neizogibna izbira za preoblikovanje in nadgradnjo kitajske energetske strukture. Z vidika izrabe energije je rastlinjak sam objekt za izrabo sončne energije. Zaradi učinka tople grede se sončna energija zbira v zaprtih prostorih, temperatura rastlinjaka se dvigne in zagotovi potrebna toplota za rast poljščin. Glavni vir energije za fotosintezo rastlinjakov je neposredna sončna svetloba, ki predstavlja neposredno izrabo sončne energije.

01 Fotovoltaična proizvodnja energije za proizvodnjo toplote

Fotovoltaična proizvodnja energije je tehnologija, ki neposredno pretvarja svetlobno energijo v električno energijo na podlagi fotovoltaičnega učinka. Ključni element te tehnologije so sončne celice. Ko sončna energija sije na niz sončnih panelov zaporedno ali vzporedno, polprevodniške komponente neposredno pretvarjajo energijo sončnega sevanja v električno energijo. Fotovoltaična tehnologija lahko neposredno pretvori svetlobno energijo v električno energijo, shrani električno energijo z baterijami in ponoči ogreva rastlinjak, vendar njeni visoki stroški omejujejo njen nadaljnji razvoj. Raziskovalna skupina je razvila fotovoltaično grelno napravo z grafenom, ki je sestavljena iz fleksibilnih fotovoltaičnih panelov, večnamenskega stroja za vzvratno krmiljenje, akumulatorja in grafenske grelne palice. Glede na dolžino sadilne linije je grafenska grelna palica zakopana pod substratno vrečko. Čez dan fotovoltaični paneli absorbirajo sončno sevanje za proizvodnjo električne energije in jo shranjujejo v akumulatorju, nato pa se elektrika ponoči sprosti za grafensko grelno palico. Pri dejanski meritvi se uporablja način nadzora temperature, ki se začne pri 17 ℃ in konča pri 19 ℃. Pri delovanju ponoči (20:00–08:00 drugi dan) 8 ur je poraba energije za ogrevanje ene vrste rastlin 1,24 kW·h, povprečna temperatura vreče substrata ponoči pa je 19,2 ℃, kar je 3,5 ~ 5,3 ℃ več kot pri kontrolni skupini. Ta metoda ogrevanja v kombinaciji s fotovoltaično proizvodnjo energije rešuje težave z visoko porabo energije in visokim onesnaženjem pri ogrevanju rastlinjakov pozimi.

02 fototermalna pretvorba in uporaba

Sončna fototermalna pretvorba se nanaša na uporabo posebne površine za zbiranje sončne svetlobe, izdelane iz fototermičnih pretvorbenih materialov, ki zbira in absorbira čim več sončne energije, ki seva nanjo, in jo pretvori v toplotno energijo. V primerjavi s sončnimi fotovoltaičnimi aplikacijami sončna fototermalna uporaba poveča absorpcijo bližnjega infrardečega pasu, zato ima večjo učinkovitost izrabe energije sončne svetlobe, nižje stroške in zrelo tehnologijo ter je najpogosteje uporabljen način izrabe sončne energije.

Najzrelejša tehnologija fototermične pretvorbe in uporabe na Kitajskem je sončni kolektor, katerega osrednja komponenta je toplotno absorbirajoča plošča s selektivno absorpcijsko prevleko, ki lahko pretvori energijo sončnega sevanja, ki prehaja skozi pokrovno ploščo, v toplotno energijo in jo prenese na delovni medij, ki absorbira toploto. Sončne kolektorje lahko razdelimo v dve kategoriji glede na to, ali je v kolektorju vakuum ali ne: ploščati sončni kolektorji in vakuumski cevni sončni kolektorji; koncentracijski sončni kolektorji in nekoncentracijski sončni kolektorji glede na to, ali sončno sevanje na odprtini za dnevno svetlobo spreminja smer; ter tekočinski sončni kolektorji in zračni sončni kolektorji glede na vrsto delovnega medija za prenos toplote.

Izkoriščanje sončne energije v rastlinjakih se izvaja predvsem z različnimi vrstami sončnih kolektorjev. Univerza Ibn Zor v Maroku je razvila aktivni sistem ogrevanja s sončno energijo (ASHS) za ogrevanje rastlinjakov, ki lahko pozimi poveča skupno proizvodnjo paradižnika za 55 %. Kitajska kmetijska univerza je zasnovala in razvila sistem za zbiranje in odvajanje površinskega hladilnika in ventilatorja z zmogljivostjo zbiranja toplote 390,6 do 693,0 MJ ter predstavila idejo o ločitvi procesa zbiranja toplote od procesa shranjevanja toplote s toplotno črpalko. Univerza v Bariju v Italiji je razvila sistem poligeneracijskega ogrevanja za rastlinjake, ki je sestavljen iz sistema sončne energije in toplotne črpalke zrak-voda ter lahko poveča temperaturo zraka za 3,6 % in temperaturo tal za 92 %. Raziskovalna skupina je razvila nekakšno aktivno opremo za zbiranje sončne toplote s spremenljivim kotom naklona za sončne rastlinjake in podporno napravo za shranjevanje toplote za vodno telo v rastlinjakih v različnih vremenskih razmerah. Tehnologija aktivnega zbiranja sončne toplote s spremenljivim naklonom premaga omejitve tradicionalne opreme za zbiranje toplote v rastlinjakih, kot so omejena zmogljivost zbiranja toplote, senčenje in zasedenost obdelanih zemljišč. Z uporabo posebne strukture sončnega rastlinjaka se v celoti izkoristi prostor rastlinjaka, ki ni namenjen zasaditvi, kar močno izboljša učinkovitost izrabe prostora v rastlinjaku. V tipičnih sončnih delovnih pogojih aktivni sistem za zbiranje sončne toplote s spremenljivim naklonom doseže 1,9 MJ/(m2h), učinkovitost izrabe energije doseže 85,1 %, stopnja prihranka energije pa 77 %. Pri tehnologiji shranjevanja toplote v rastlinjaku se vzpostavi večfazna struktura shranjevanja toplote, poveča se zmogljivost shranjevanja toplote naprave za shranjevanje toplote in doseže se počasno sproščanje toplote iz naprave, s čimer se doseže učinkovita uporaba toplote, ki jo zbere oprema za zbiranje sončne toplote v rastlinjaku.

energija iz biomase

Nova struktura objekta je zgrajena z združitvijo naprave za proizvodnjo toplote iz biomase in rastlinjaka, pri čemer se surovine iz biomase, kot so prašičji gnoj, ostanki gob in slama, kompostirajo za proizvodnjo toplote, ustvarjena toplotna energija pa se neposredno dovaja v rastlinjak [5]. V primerjavi s rastlinjakom brez grelnega rezervoarja za fermentacijo biomase lahko grelni rastlinjak učinkovito zviša temperaturo tal v rastlinjaku in vzdržuje ustrezno temperaturo korenin poljščin, ki se gojijo v tleh v normalnem podnebju pozimi. Na primer, enoslojni asimetrični toplotnoizolacijski rastlinjak z razponom 17 m in dolžino 30 m lahko dodajanje 8 m kmetijskih odpadkov (mešanica paradižnikove slame in prašičjega gnoja) v notranji fermentacijski rezervoar za naravno fermentacijo brez obračanja kupa poveča povprečno dnevno temperaturo rastlinjaka za 4,2 ℃ pozimi, povprečna dnevna minimalna temperatura pa lahko doseže 4,6 ℃.

Nadzorovana fermentacija z izkoriščanjem energije iz biomase je metoda fermentacije, ki uporablja instrumente in opremo za nadzor procesa fermentacije, da se hitro pridobi in učinkovito izkoristi toplotna energija biomase in plinsko gnojilo CO2, med katerimi sta prezračevanje in vlaga ključna dejavnika za uravnavanje proizvodnje toplote in plina med fermentacijo biomase. V prezračevanih pogojih aerobni mikroorganizmi v fermentacijskem kupu uporabljajo kisik za življenjske aktivnosti, del ustvarjene energije pa se porabi za lastne življenjske aktivnosti, del energije pa se sprosti v okolje kot toplotna energija, kar koristi dvigu temperature okolja. Voda sodeluje v celotnem procesu fermentacije, saj zagotavlja potrebna topna hranila za mikrobne aktivnosti in hkrati sprošča toploto kupa v obliki pare skozi vodo, s čimer se zniža temperatura kupa, podaljša življenjska doba mikroorganizmov in poveča temperatura kupa v razsutem stanju. Namestitev naprave za izpiranje slame v fermentacijski rezervoar lahko pozimi poveča notranjo temperaturo za 3 ~ 5 ℃, okrepi fotosintezo rastlin in poveča pridelek paradižnika za 29,6 %.

Geotermalna energija

Kitajska je bogata z geotermalnimi viri. Trenutno je najpogostejši način izkoriščanja geotermalne energije v kmetijskih obratih uporaba geotermalne toplotne črpalke, ki lahko z vnosom majhne količine visokokakovostne energije (kot je električna energija) pretvarja nizkoenergijsko toplotno energijo v visokoenergijsko. Za razliko od tradicionalnih ukrepov za ogrevanje rastlinjakov lahko ogrevanje z geotermalno toplotno črpalko ne le doseže znaten ogrevalni učinek, temveč ima tudi sposobnost hlajenja rastlinjaka in zmanjšanja vlažnosti v njem. Raziskave uporabe geotermalne toplotne črpalke na področju stanovanjske gradnje so zrele. Osrednji del, ki vpliva na ogrevalno in hladilno zmogljivost geotermalne toplotne črpalke, je modul za podzemno izmenjavo toplote, ki vključuje predvsem zakopane cevi, podzemne vrtine itd. V središču raziskav tega področja je vedno bilo, kako zasnovati podzemni sistem za izmenjavo toplote z uravnoteženim razmerjem med stroški in učinkom. Hkrati pa sprememba temperature podzemne plasti tal pri uporabi geotermalne toplotne črpalke vpliva tudi na učinek uporabe sistema toplotne črpalke. Uporaba toplotne črpalke zemlja-voda za hlajenje rastlinjaka poleti in shranjevanje toplotne energije v globoki plasti tal lahko ublaži padec temperature podzemne plasti tal in izboljša učinkovitost proizvodnje toplote toplotne črpalke zemlja-voda pozimi.

Trenutno se pri raziskavah delovanja in učinkovitosti geotermalnih toplotnih črpalk na podlagi dejanskih eksperimentalnih podatkov vzpostavlja numerični model s programsko opremo, kot sta TOUGH2 in TRNSYS, in sklepa se, da lahko ogrevalna zmogljivost in koeficient učinkovitosti (COP) geotermalnih toplotnih črpalk dosežeta 3,0–4,5, kar ima dober hladilni in ogrevalni učinek. V raziskavi strategije delovanja sistema toplotnih črpalk so Fu Yunzhun in drugi ugotovili, da ima pretok geotermalnih toplotnih črpalk v primerjavi s pretokom na strani obremenitve večji vpliv na delovanje enote in prenos toplote skozi zakopano cev. Pri nastavitvi pretoka lahko najvišja vrednost COP enote doseže 4,17 z uporabo sheme delovanja 2 uri in 2 uri mirovanja; Shi Huixian in drugi so uporabili prekinitveni način delovanja hladilnega sistema z zbiralnikom vode. Poleti, ko je temperatura visoka, lahko COP celotnega sistema oskrbe z energijo doseže 3,80.

Tehnologija shranjevanja toplote v globokih tleh v rastlinjaku

Globoko shranjevanje toplote v rastlinjaku se v rastlinjaku imenuje tudi "akumulator toplote". Poškodbe zaradi mraza pozimi in visoke temperature poleti so glavni oviri za pridelavo v rastlinjaku. Raziskovalna skupina je na podlagi velike zmogljivosti shranjevanja toplote v globoki zemlji zasnovala napravo za globoko shranjevanje toplote v rastlinjaku. Naprava je dvoslojni vzporedni cevovod za prenos toplote, zakopan na globini 1,5–2,5 m pod zemljo v rastlinjaku, z dovodom zraka na vrhu rastlinjaka in izpustom zraka na tleh. Ko je temperatura v rastlinjaku visoka, ventilator prisilno črpa notranji zrak v zemljo, da doseže shranjevanje toplote in zniža temperaturo. Ko je temperatura v rastlinjaku nizka, se toplota iz zemlje odvzema za ogrevanje rastlinjaka. Rezultati proizvodnje in uporabe kažejo, da lahko naprava pozimi ponoči zviša temperaturo v rastlinjaku za 2,3 ℃, poleti podnevi zniža notranjo temperaturo za 2,6 ℃ in poveča pridelek paradižnika za 1500 kg na 667 m².²Naprava v celoti izkorišča značilnosti "pozimi toplo in poleti hladno" ter "konstantno temperaturo" globokih tal, zagotavlja "energijski vir" za rastlinjak in neprekinjeno opravlja pomožne funkcije hlajenja in ogrevanja rastlinjaka.

Koordinacija več energij

Uporaba dveh ali več vrst energije za ogrevanje rastlinjaka lahko učinkovito nadomesti slabosti ene same vrste energije in omogoči učinek superpozicije »ena plus ena je več kot dva«. Komplementarno sodelovanje med geotermalno in sončno energijo je v zadnjih letih raziskovalna vroča točka za novo izrabo energije v kmetijski proizvodnji. Emmi in sodelavci so preučevali sistem z več viri energije (slika 1), ki je opremljen s fotovoltaičnim in termičnim hibridnim sončnim kolektorjem. V primerjavi z običajnim sistemom toplotne črpalke zrak-voda se je energetska učinkovitost sistema z več viri energije izboljšala za 16 % do 25 %. Zheng in sodelavci so razvili nov tip povezanega sistema za shranjevanje toplote, ki združuje sončno energijo in toplotno črpalko zemlja-voda. Sistem sončnih kolektorjev lahko doseže visokokakovostno sezonsko shranjevanje toplote, torej visokokakovostno ogrevanje pozimi in visokokakovostno hlajenje poleti. Vkopani cevni toplotni izmenjevalnik in občasni hranilnik toplote lahko v sistemu dobro delujeta, vrednost COP sistema pa lahko doseže 6,96.

V kombinaciji s sončno energijo si prizadeva zmanjšati porabo komercialne energije in izboljšati stabilnost oskrbe s sončno energijo v rastlinjakih. Wan Ya in drugi so predstavili novo shemo inteligentne tehnologije krmiljenja, ki združuje proizvodnjo sončne energije s komercialno energijo za ogrevanje rastlinjakov. Ta lahko izkoristi fotovoltaično energijo, ko je svetloba, in jo pretvori v komercialno energijo, ko je ni, kar močno zmanjša stopnjo pomanjkanja energije za obremenitve in zmanjša ekonomske stroške brez uporabe baterij.

Sončna energija, energija biomase in električna energija lahko skupaj ogrevajo rastlinjake, kar omogoča tudi visoko učinkovitost ogrevanja. Zhang Liangrui in drugi so združili zbiranje toplote s sončno vakuumsko cevjo z rezervoarjem za vodo iz električne energije v dolini. Sistem ogrevanja rastlinjaka ima dobro toplotno udobje, povprečna učinkovitost ogrevanja sistema pa je 68,70 %. Električni rezervoar za vodo je naprava za shranjevanje ogrevalne vode na biomaso z električnim ogrevanjem. Nastavljena je najnižja temperatura dovoda vode na ogrevalnem koncu, strategija delovanja sistema pa se določi glede na temperaturo vode v delu za zbiranje sončne toplote in delu za shranjevanje toplote na biomasi, da se doseže stabilna temperatura ogrevanja na ogrevalnem koncu in se čim bolj prihrani električna energija in energetski materiali iz biomase.

Inovativne raziskave in uporaba novih materialov za rastlinjake

Z naraščanjem površine rastlinjakov se vse bolj razkrivajo slabosti uporabe tradicionalnih materialov za rastlinjake, kot sta opeka in zemlja. Zato se za nadaljnje izboljšanje toplotnih lastnosti rastlinjakov in zadovoljevanje razvojnih potreb sodobnih rastlinjakov izvaja veliko raziskav in uporabe novih prozornih pokrivnih materialov, toplotnoizolacijskih materialov in stenskih materialov.

Raziskave in uporaba novih prozornih prekrivnih materialov

Vrste prozornih pokrivnih materialov za rastlinjake vključujejo predvsem plastično folijo, steklo, sončne panele in fotonapetostne panele, med katerimi ima plastična folija največje področje uporabe. Tradicionalna PE folija za rastlinjake ima pomanjkljivosti kratke življenjske dobe, nerazgradljivosti in enostavne funkcije. Trenutno je bilo razvitih veliko novih funkcionalnih folij z dodajanjem funkcionalnih reagentov ali premazov.

Film za pretvorbo svetlobe:Svetlobno pretvorniška folija s pomočjo snovi za pretvorbo svetlobe, kot so redke zemlje in nanomateriali, spremeni optične lastnosti folije in lahko pretvori ultravijolično območje v rdečo oranžno in modro vijolično svetlobo, ki jo potrebujejo rastline za fotosintezo, s čimer poveča pridelek in zmanjša škodo, ki jo ultravijolična svetloba povzroča pridelkom in folijam v plastičnih rastlinjakih. Na primer, širokopasovna vijolično-rdeča folija za rastlinjake s svetlobno pretvorniško folijo VTR-660 lahko znatno izboljša prepustnost infrardeče svetlobe pri uporabi v rastlinjaku, v primerjavi s kontrolnim rastlinjakom pa se pridelek paradižnika na hektar, vsebnost vitamina C in likopena znatno povečajo za 25,71 %, 11,11 % oziroma 33,04 %. Vendar pa je treba trenutno še preučiti življenjsko dobo, razgradljivost in stroške nove svetlobno pretvorniške folije.

Razpršeno stekloRazpršeno steklo v rastlinjaku je posebna tehnologija vzorca in protiodsevne prevleke na površini stekla, ki lahko maksimizira sončno svetlobo v razpršeno svetlobo, ki vstopa v rastlinjak, izboljša učinkovitost fotosinteze pridelkov in poveča pridelek. Razpršeno steklo s posebnimi vzorci pretvori svetlobo, ki vstopa v rastlinjak, v razpršeno svetlobo, razpršena svetloba pa se lahko enakomerneje obseva v rastlinjak, s čimer se odpravi vpliv sence okostja na rastlinjak. V primerjavi z navadnim float steklom in ultra belim float steklom je standard prepustnosti svetlobe razpršenega stekla 91,5 %, pri navadnem float steklu pa 88 %. Za vsako 1-odstotno povečanje prepustnosti svetlobe v rastlinjaku se lahko pridelek poveča za približno 3 %, poveča pa se tudi vsebnost topnega sladkorja in vitamina C v sadju in zelenjavi. Razpršeno steklo v rastlinjaku je najprej prevlečeno in nato kaljeno, stopnja samoeksplozije pa je višja od nacionalnega standarda in doseže 2 ‰.

Raziskave in uporaba novih toplotnoizolacijskih materialov

Tradicionalni toplotnoizolacijski materiali v rastlinjakih vključujejo predvsem slamnate preproge, papirnate odeje, iglane filcne toplotnoizolacijske odeje itd., ki se uporabljajo predvsem za notranjo in zunanjo toplotno izolacijo streh, izolacijo sten in toplotno izolacijo nekaterih naprav za shranjevanje in zbiranje toplote. Večina jih ima napako, da po dolgotrajni uporabi izgubijo toplotnoizolacijske lastnosti zaradi notranje vlage. Zato obstaja veliko uporab novih visoko toplotnoizolacijskih materialov, med katerimi so nove toplotnoizolacijske odeje, naprave za shranjevanje in zbiranje toplote v središču raziskav.

Novi toplotnoizolacijski materiali se običajno izdelujejo s predelavo in mešanjem površinsko vodoodpornih in proti staranju odpornih materialov, kot sta tkana folija in prevlečen filc, s puhastimi toplotnoizolacijskimi materiali, kot so bombaž s pršenjem, mešani kašmir in biserni bombaž. Na severovzhodu Kitajske so testirali toplotnoizolacijsko odejo iz tkane folije s pršenjem iz bombaža. Ugotovljeno je bilo, da je dodatek 500 g bombaža s pršenjem enakovreden toplotnoizolacijski učinkovitosti 4500 g črne toplotnoizolacijske odeje iz filca, ki je na trgu. Pod enakimi pogoji se je toplotnoizolacijska učinkovitost 700 g bombaža s pršenjem izboljšala za 1~2 ℃ v primerjavi s toplotnoizolacijsko učinkovitostjo 500 g bombaža s pršenjem. Hkrati so druge študije pokazale tudi, da je toplotnoizolacijski učinek odej iz bombaža s pršenjem in mešanega kašmirja v primerjavi z običajno uporabljenimi toplotnoizolacijskimi odejami na trgu boljši, s stopnjo toplotne izolacije 84,0 % oziroma 83,3 %. Ko je najnižja zunanja temperatura -24,4 ℃, lahko notranja temperatura doseže 5,4 oziroma 4,2 ℃. V primerjavi z enojno slamnato izolacijsko odejo ima nova kompozitna izolacijska odeja prednosti majhne teže, visoke stopnje izolacije, močne vodoodpornosti in odpornosti proti staranju ter se lahko uporablja kot nova vrsta visoko učinkovitega izolacijskega materiala za sončne rastlinjake.

Hkrati je bilo v raziskavah toplotnoizolacijskih materialov za naprave za zbiranje in shranjevanje toplote v rastlinjakih ugotovljeno, da imajo večplastni kompozitni toplotnoizolacijski materiali pri enaki debelini boljšo toplotnoizolacijsko učinkovitost kot enojni materiali. Ekipa profesorja Li Jianminga z univerze Northwest A&F je zasnovala in pregledala 22 vrst toplotnoizolacijskih materialov za naprave za shranjevanje vode v rastlinjakih, kot so vakuumske plošče, aerogel in gumijasta vata, ter izmerila njihove toplotne lastnosti. Rezultati so pokazali, da lahko 80 mm toplotnoizolacijski premaz + aerogel + gumijasto-plastična toplotnoizolacijska bombažna kompozitna izolacija zmanjša odvajanje toplote za 0,367 MJ na enoto časa v primerjavi z 80 mm gumijasto-plastično vato, njen koeficient prenosa toplote pa je bil 0,283 W/(m2·k) pri debelini izolacijske kombinacije 100 mm.

Fazno spremenljivi materiali so ena od vročih točk v raziskavah materialov za rastlinjake. Univerza Northwest A&F je razvila dve vrsti naprav za shranjevanje fazno spremenljivih materialov: prva je shranjevalna škatla iz črnega polietilena, ki ima velikost 50 cm × 30 cm × 14 cm (dolžina × višina × debelina) in je napolnjena s fazno spremenljivimi materiali, tako da lahko shranjuje in sprošča toploto; drugič, razvita je bila nova vrsta fazno spremenljive stenske plošče. Fazno spremenljiva stenska plošča je sestavljena iz fazno spremenljivega materiala, aluminijaste plošče, aluminijasto-plastične plošče in aluminijeve zlitine. Fazno spremenljivi material se nahaja na najbolj osrednjem mestu stenske plošče, njegove specifikacije pa so 200 mm × 200 mm × 50 mm. Pred in po fazni spremembi je praškasta trdna snov, ki se ne tali ali teče. Štiri stene fazno spremenljivega materiala so aluminijasta oziroma aluminijasto-plastična plošča. Ta naprava lahko opravlja funkcijo predvsem shranjevanja toplote podnevi in ​​predvsem sproščanja toplote ponoči.

Zato obstajajo nekatere težave pri uporabi enega samega toplotnoizolacijskega materiala, kot so nizka toplotnoizolacijska učinkovitost, velike toplotne izgube, kratek čas shranjevanja toplote itd. Zato lahko uporaba kompozitnega toplotnoizolacijskega materiala kot toplotnoizolacijske plasti ter notranje in zunanje toplotnoizolacijske prekrivne plasti naprave za shranjevanje toplote učinkovito izboljša toplotnoizolacijske lastnosti rastlinjaka, zmanjša toplotne izgube rastlinjaka in s tem doseže učinek varčevanja z energijo.

Raziskave in uporaba novega zidu

Kot nekakšna ograjevalna konstrukcija je stena pomembna ovira za zaščito rastlinjaka pred mrazom in ohranjanje toplote. Glede na materiale in konstrukcije sten lahko razvoj severne stene rastlinjaka razdelimo na tri vrste: enoslojno steno iz zemlje, opeke itd. in večplastno severno steno iz glinenih opek, blokov, polistirenskih plošč itd., z notranjim shranjevanjem toplote in zunanjo toplotno izolacijo, večina teh sten pa je dolgotrajnih in delovno intenzivnih; zato se je v zadnjih letih pojavilo veliko novih vrst sten, ki jih je enostavno graditi in so primerne za hitro montažo.

Pojav novih tipov montažnih sten spodbuja hiter razvoj montažnih rastlinjakov, vključno z novimi kompozitnimi stenami z zunanjimi vodoodpornimi in proti staranju odpornimi površinskimi materiali ter materiali, kot so filc, biserni bombaž, vesoljski bombaž, steklena vata ali reciklirani bombaž kot toplotnoizolacijske plasti, kot so na primer fleksibilne montažne stene iz brizganega bombaža v Xinjiangu. Poleg tega so druge študije poročale tudi o severni steni montažnega rastlinjaka s plastjo za shranjevanje toplote, kot je na primer blok iz malte iz pšeničnih lupin, napolnjen z opeko v Xinjiangu. V enakem zunanjem okolju, ko je najnižja zunanja temperatura -20,8 ℃, je temperatura v solarnem rastlinjaku s kompozitno steno iz malte iz pšeničnih lupin 7,5 ℃, medtem ko je temperatura v solarnem rastlinjaku z opečno-betonsko steno 3,2 ℃. Čas obiranja paradižnika v opečnem rastlinjaku se lahko podaljša za 16 dni, pridelek enega samega rastlinjaka pa se lahko poveča za 18,4 %.

Ekipa Univerze Northwest A&F je predstavila idejo o izdelavi toplotnoizolacijskih in toplotnoizolacijskih modulov iz slame, zemlje, vode, kamna in fazno spremenljivih materialov z vidika svetlobe in poenostavljene zasnove sten, kar je spodbudilo raziskave uporabe modularnih montažnih sten. Na primer, v primerjavi z navadnim rastlinjakom z opečno steno je povprečna temperatura v rastlinjaku na tipičen sončen dan za 4,0 ℃ višja. Tri vrste modulov iz anorganskega fazno spremenljivega cementa, ki so izdelani iz fazno spremenljivega materiala (PCM) in cementa, so akumulirali toploto 74,5, 88,0 in 95,1 MJ/m³.³, in sproščena toplota 59,8, 67,8 in 84,2 MJ/m³, oziroma. Podnevi imajo funkcije "rezanja konic", ponoči "polnjenja dolin", poleti absorbirajo toploto in pozimi jo sproščajo.

Te nove stene se sestavljajo na kraju samem, s kratkim časom gradnje in dolgo življenjsko dobo, kar ustvarja pogoje za gradnjo lahkih, poenostavljenih in hitro sestavljivih montažnih rastlinjakov ter lahko močno spodbudi strukturno prenovo rastlinjakov. Vendar pa ima ta vrsta sten nekaj pomanjkljivosti, na primer brizgana bombažna toplotnoizolacijska prešita stena ima odlične toplotnoizolacijske lastnosti, vendar nima dovolj zmogljivosti shranjevanja toplote, gradbeni material s fazno spremembo pa ima težavo z visokimi stroški uporabe. V prihodnosti bi bilo treba okrepiti raziskave uporabe montažnih sten.

Nova energija, novi materiali in nove zasnove pomagajo spremeniti strukturo rastlinjaka.

Raziskave in inovacije na področju novih energij in materialov zagotavljajo temelje za inovacije v oblikovanju rastlinjakov. Energetsko varčni sončni rastlinjak in obokani lop sta največji lopni konstrukciji v kitajski kmetijski proizvodnji in igrata pomembno vlogo v kmetijski proizvodnji. Vendar pa se z razvojem kitajskega socialnega gospodarstva vse bolj pojavljajo pomanjkljivosti teh dveh vrst objektnih konstrukcij. Prvič, prostor objektnih konstrukcij je majhen in stopnja mehanizacije je nizka; drugič, energetsko varčni sončni rastlinjak ima dobro toplotno izolacijo, vendar je raba zemljišč nizka, kar je enakovredno nadomestitvi energije rastlinjaka z zemljo. Navadni obokani lop nima le majhnega prostora, ampak ima tudi slabo toplotno izolacijo. Čeprav ima večrazponski rastlinjak veliko površino, ima slabo toplotno izolacijo in visoko porabo energije. Zato je nujno raziskati in razviti konstrukcijo rastlinjaka, ki je primerna za trenutno družbeno in gospodarsko raven Kitajske, raziskave in razvoj novih energij in novih materialov pa bodo pomagali spremeniti konstrukcijo rastlinjaka in ustvariti različne inovativne modele ali konstrukcije rastlinjakov.

Inovativne raziskave asimetričnega vodno nadzorovanega pivovarskega rastlinjaka z velikim razponom

Veliki asimetrični vodno nadzorovani pivovarski rastlinjak (številka patenta: ZL 201220391214.2) temelji na načelu sončne svetlobe, s čimer se spremeni simetrična struktura običajnega plastičnega rastlinjaka, poveča južni razpon, poveča površina osvetlitve južne strehe, zmanjša severni razpon in zmanjša površina odvajanja toplote, z razponom 18~24 m in višino slemena 6~7 m. Z inovacijami v zasnovi se je prostorska struktura znatno povečala. Hkrati se težave z nezadostno toploto v rastlinjaku pozimi in slabo toplotno izolacijo običajnih toplotnoizolacijskih materialov rešujejo z uporabo nove tehnologije varjenja biomase in toplotnoizolacijskih materialov. Rezultati proizvodnje in raziskav kažejo, da lahko velik asimetrični vodno nadzorovani pivovarski rastlinjak s povprečno temperaturo 11,7 ℃ v sončnih dneh in 10,8 ℃ v oblačnih dneh zadovolji potrebe po rasti poljščin pozimi, stroški gradnje rastlinjaka pa se zmanjšajo za 39,6 %, stopnja izkoriščenosti zemljišč pa se poveča za več kot 30 % v primerjavi s rastlinjakom s polistirenskimi opečnimi stenami, kar je primerno za nadaljnjo popularizacijo in uporabo v porečju reke Rumena Huaihe na Kitajskem.

Sestavljen rastlinjak na sončni svetlobi

Sestavljen rastlinjak na sončni svetlobi ima kot nosilno konstrukcijo stebre in strešno ogrodje, stenski material pa je predvsem toplotnoizolacijski ovoj, namesto nosilne konstrukcije in pasivnega shranjevanja in sproščanja toplote. Predvsem: (1) nova vrsta sestavljene stene je oblikovana s kombinacijo različnih materialov, kot so prevlečena folija ali barvna jeklena plošča, slamnati bloki, fleksibilna toplotnoizolacijska prevleka, maltni bloki itd. (2) kompozitna stenska plošča iz montažne cementne plošče, polistirenske plošče in cementne plošče; (3) lahka in enostavna montaža toplotnoizolacijskih materialov z aktivnim sistemom shranjevanja in sproščanja toplote ter sistemom za razvlaževanje, kot so plastična kvadratna vedra za shranjevanje toplote in cevovodi za shranjevanje toplote. Uporaba različnih novih toplotnoizolacijskih materialov in materialov za shranjevanje toplote namesto tradicionalnega zemeljskega zidu za gradnjo sončnega rastlinjaka zahteva veliko prostora in majhne gradbene projekte. Eksperimentalni rezultati kažejo, da je temperatura rastlinjaka pozimi ponoči za 4,5 ℃ višja kot v tradicionalnem rastlinjaku z opečnimi stenami, debelina zadnje stene pa je 166 mm. V primerjavi s 600 mm debelim rastlinjakom z opečnimi stenami se zasedena površina stene zmanjša za 72 %, stroški na kvadratni meter pa znašajo 334,5 juana, kar je 157,2 juana manj kot pri rastlinjaku z opečnimi stenami, stroški gradnje pa so se znatno znižali. Zato ima sestavljeni rastlinjak prednosti manjšega uničenja obdelanih zemljišč, varčevanja z zemljišči, hitre gradnje in dolge življenjske dobe, kar je ključna smer za inovacije in razvoj sončnih rastlinjakov danes in v prihodnosti.

Drsni rastlinjak na sončni svetlobi

Energetsko varčni sončni rastlinjak, sestavljen iz rolke, ki ga je razvila Kmetijska univerza Shenyang, uporablja zadnjo steno sončnega rastlinjaka za oblikovanje sistema za shranjevanje toplote s kroženjem vode na steni, ki shranjuje toploto in dviguje temperaturo, in je sestavljen predvsem iz bazena (32 m²).³), plošča za zbiranje svetlobe (360 m²), vodno črpalko, vodovodno cev in krmilnik. Fleksibilno toplotnoizolacijsko odejo na vrhu nadomešča nov lahek jekleni ploščni material v barvi kamene volne. Raziskava kaže, da ta zasnova učinkovito rešuje problem zatrepov, ki blokirajo svetlobo, in povečuje površino vstopa svetlobe v rastlinjak. Kot osvetlitve rastlinjaka je 41,5°, kar je skoraj 16° več kot pri kontrolnem rastlinjaku, s čimer se izboljša stopnja osvetlitve. Porazdelitev notranje temperature je enakomerna in rastline lepo rastejo. Rastlinjak ima prednosti izboljšanja učinkovitosti rabe zemljišč, fleksibilnega načrtovanja velikosti rastlinjaka in skrajšanja obdobja gradnje, kar je zelo pomembno za zaščito obdelovalnih zemljišč in okolja.

Fotovoltaični rastlinjak

Kmetijski rastlinjak je rastlinjak, ki združuje proizvodnjo sončne fotovoltaične energije, inteligentni nadzor temperature in sodobno visokotehnološko sajenje. Uporablja jekleno kostno ogrodje in je prekrit s sončnimi fotovoltaičnimi moduli, da se zagotovijo svetlobne potrebe fotovoltaičnih modulov za proizvodnjo energije in svetlobne potrebe celotnega rastlinjaka. Enosmerni tok, ki ga ustvarja sončna energija, neposredno dopolnjuje svetlobo kmetijskih rastlinjakov, neposredno podpira normalno delovanje opreme rastlinjaka, poganja namakanje vodnih virov, zvišuje temperaturo rastlinjaka in spodbuja hitro rast pridelkov. Fotovoltaični moduli na ta način vplivajo na učinkovitost osvetlitve strehe rastlinjaka in nato vplivajo na normalno rast zelenjave v rastlinjaku. Zato je racionalna postavitev fotovoltaičnih panelov na strehi rastlinjaka ključna točka uporabe. Kmetijski rastlinjak je produkt organske kombinacije turističnega kmetijstva in vrtnarjenja ter inovativna kmetijska industrija, ki združuje fotovoltaično proizvodnjo energije, kmetijsko turistično dejavnost, kmetijske pridelke, kmetijsko tehnologijo, krajinski in kulturni razvoj.

Inovativna zasnova skupine rastlinjakov z energetsko interakcijo med različnimi vrstami rastlinjakov

Guo Wenzhong, raziskovalec na Pekinški akademiji za kmetijske in gozdarske znanosti, uporablja metodo ogrevanja s prenosom energije med rastlinjaki za zbiranje preostale toplotne energije v enem ali več rastlinjakih za ogrevanje drugega ali več rastlinjakov. Ta metoda ogrevanja omogoča prenos energije rastlinjaka v času in prostoru, izboljšuje učinkovitost izrabe preostale toplotne energije rastlinjaka in zmanjšuje skupno porabo energije za ogrevanje. Ti dve vrsti rastlinjakov sta lahko različni ali isti vrsti rastlinjakov za sajenje različnih poljščin, kot so rastlinjaki za solato in paradižnik. Metode zbiranja toplote vključujejo predvsem odvzem toplote notranjega zraka in neposredno prestrezanje vpadnega sevanja. Z zbiranjem sončne energije, prisilno konvekcijo s toplotnim izmenjevalnikom in prisilnim odvzemom s toplotno črpalko se je presežek toplote v visokoenergijskem rastlinjaku odvzemal za ogrevanje rastlinjaka.

povzeti

Prednosti teh novih sončnih rastlinjakov so hitra montaža, krajši čas gradnje in izboljšana stopnja izkoriščenosti zemljišč. Zato je treba nadalje raziskati delovanje teh novih rastlinjakov na različnih območjih in zagotoviti možnost za obsežno popularizacijo in uporabo novih rastlinjakov. Hkrati je treba nenehno krepiti uporabo nove energije in novih materialov v rastlinjakih, da bi zagotovili energijo za strukturno prenovo rastlinjakov.

Prihodnost in razmišljanje

Tradicionalni rastlinjaki imajo pogosto nekatere pomanjkljivosti, kot so visoka poraba energije, nizka stopnja izkoriščenosti zemljišč, zamudna in delovno intenzivna izgradnja, slaba zmogljivost itd., ki ne morejo več zadovoljiti proizvodnih potreb sodobnega kmetijstva in bodo postopoma odpravljene. Zato je razvojni trend uporaba novih virov energije, kot so sončna energija, energija biomase, geotermalna energija in vetrna energija, novi materiali za uporabo v rastlinjakih in nove zasnove za spodbujanje strukturnih sprememb rastlinjakov. Prvič, novi rastlinjak, ki ga poganja nova energija in novi materiali, ne sme le zadovoljiti potreb mehaniziranega delovanja, temveč tudi prihraniti energijo, zemljišča in stroške. Drugič, treba je nenehno raziskovati zmogljivost novih rastlinjakov na različnih območjih, da bi zagotovili pogoje za obsežno popularizacijo rastlinjakov. V prihodnosti bi morali še naprej iskati novo energijo in nove materiale, primerne za uporabo v rastlinjakih, ter najti najboljšo kombinacijo nove energije, novih materialov in rastlinjaka, da bi omogočili gradnjo novega rastlinjaka z nizkimi stroški, kratkim časom gradnje, nizko porabo energije in odlično zmogljivostjo, pomagali pri spremembi strukture rastlinjakov in spodbudili modernizacijo razvoja rastlinjakov na Kitajskem.

Čeprav je uporaba nove energije, novih materialov in novih zasnov pri gradnji rastlinjakov neizogiben trend, je še vedno veliko težav, ki jih je treba preučiti in premagati: (1) Stroški gradnje se povečujejo. V primerjavi s tradicionalnim ogrevanjem s premogom, zemeljskim plinom ali nafto je uporaba nove energije in novih materialov okolju prijazna in ne onesnažuje okolja, vendar se stroški gradnje znatno povečajo, kar ima določen vpliv na povračilo naložb v proizvodnjo in delovanje. V primerjavi z izrabo energije se bodo stroški novih materialov znatno povečali. (2) Nestabilna izraba toplotne energije. Največja prednost nove izrabe energije so nizki obratovalni stroški in nizke emisije ogljikovega dioksida, vendar je oskrba z energijo in toploto nestabilna, oblačni dnevi pa postanejo največji omejujoči dejavnik pri izrabi sončne energije. Pri procesu proizvodnje toplote iz biomase s fermentacijo je učinkovita izraba te energije omejena zaradi težav z nizko fermentacijsko toplotno energijo, težavnim upravljanjem in nadzorom ter velikim skladiščnim prostorom za prevoz surovin. (3) Zrelost tehnologije. Te tehnologije, ki jih uporabljajo nova energija in novi materiali, so napredni raziskovalni in tehnološki dosežki, njihovo področje uporabe in obseg pa sta še vedno precej omejena. Niso bili velikokrat preverjeni, veliko lokacij in preverjanje v praksi v velikem obsegu, neizogibno pa obstajajo nekatere pomanjkljivosti in tehnične vsebine, ki jih je treba izboljšati pri uporabi. Uporabniki pogosto zanikajo napredek tehnologije zaradi manjših pomanjkljivosti. (4) Stopnja prodiranja tehnologije je nizka. Široka uporaba znanstvenih in tehnoloških dosežkov zahteva določeno priljubljenost. Trenutno so nova energija, nova tehnologija in nova tehnologija načrtovanja rastlinjakov v skupini znanstvenoraziskovalnih centrov na univerzah z določenimi inovacijskimi sposobnostmi, večina tehničnih povpraševalcev ali oblikovalcev pa jih še vedno ne pozna; hkrati sta popularizacija in uporaba novih tehnologij še vedno precej omejeni, saj je osnovna oprema novih tehnologij patentirana. (5) Integracijo nove energije, novih materialov in načrtovanja rastlinjakov je treba še okrepiti. Ker energija, materiali in načrtovanje rastlinjakov spadajo v tri različne discipline, talenti z izkušnjami pri načrtovanju rastlinjakov pogosto nimajo dovolj raziskav o energiji in materialih, povezanih s rastlinjaki, in obratno; Zato morajo raziskovalci, povezani z raziskavami energije in materialov, okrepiti raziskave in razumevanje dejanskih potreb razvoja industrije rastlinjakov, strukturni načrtovalci pa bi morali preučevati tudi nove materiale in nove vire energije, da bi spodbudili globoko integracijo treh odnosov, da bi dosegli cilj praktične tehnologije raziskav v rastlinjakih, nizkih stroškov gradnje in dobrega učinka uporabe. Na podlagi zgoraj navedenih težav se predlaga, da država, lokalne oblasti in znanstvenoraziskovalni centri okrepijo tehnične raziskave, izvedejo poglobljene skupne raziskave, okrepijo obveščanje javnosti o znanstvenih in tehnoloških dosežkih, izboljšajo popularizacijo dosežkov in hitro uresničijo cilj novih virov energije in novih materialov, da bi pomagali novemu razvoju industrije rastlinjakov.

Citirane informacije

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nova energija, novi materiali in nova zasnova pomagajo pri novi revoluciji rastlinjakov [J]. Zelenjava, 2022,(10):1-8.