Li Jianming, Sun Guotao etc.Tehnologie de inginerie agricolă horticolă în seră2022-11-21 17:42 Publicat în Beijing

În ultimii ani, industria serelor a cunoscut o dezvoltare viguroasă. Dezvoltarea serelor nu numai că îmbunătățește rata de utilizare a terenurilor și rata de producție a produselor agricole, dar rezolvă și problema aprovizionării cu fructe și legume în extrasezon. Cu toate acestea, serele s-au confruntat și cu provocări fără precedent. Facilitățile originale, metodele de încălzire și formele structurale au creat rezistență la mediu și la dezvoltare. Sunt necesare urgent materiale și designuri noi pentru a schimba structura serelor, iar noi surse de energie sunt necesare urgent pentru a atinge obiectivele de conservare a energiei și protecție a mediului, precum și pentru a crește producția și veniturile.

Acest articol discută tema „energie nouă, materiale noi, design nou pentru a ajuta noua revoluție a serelor”, inclusiv cercetarea și inovarea în domeniul energiei solare, energiei din biomasă, energiei geotermale și al altor surse noi de energie în sere, cercetarea și aplicarea de noi materiale pentru acoperiri, izolații termice, pereți și alte echipamente, precum și perspectivele și gândirea viitoare privind energia nouă, materialele noi și designul nou pentru a ajuta reforma serelor, astfel încât să ofere referințe pentru industrie.

Dezvoltarea agriculturii protejate este o cerință politică și o alegere inevitabilă pentru implementarea spiritului instrucțiunilor importante și a deciziilor guvernului central. În 2020, suprafața totală a agriculturii protejate din China va fi de 2,8 milioane hm2, iar valoarea producției va depăși 1 trilion de yuani. Este o modalitate importantă de a îmbunătăți capacitatea de producție a serelor, îmbunătățind iluminatul serelor și performanța de izolare termică prin intermediul unor noi surse de energie, materiale noi și un nou design al serelor. Există numeroase dezavantaje în producția tradițională de sere, cum ar fi cărbunele, păcura și alte surse de energie utilizate pentru încălzirea serelor tradiționale, rezultând o cantitate mare de dioxid de carbon, care poluează grav mediul, în timp ce gazele naturale, energia electrică și alte surse de energie cresc costurile de operare ale serelor. Materialele tradiționale de stocare a căldurii pentru pereții serelor sunt în mare parte argila și cărămizile, care consumă mult și provoacă daune grave resurselor funciare. Eficiența utilizării terenurilor în cazul serelor solare tradiționale cu perete de pământ este de doar 40% ~ 50%, iar sera obișnuită are o capacitate slabă de stocare a căldurii, astfel încât nu poate supraviețui iernii pentru a produce legume calde în nordul Chinei. Prin urmare, nucleul promovării schimbării în domeniul serelor, sau al cercetării fundamentale, constă în proiectarea serelor, cercetarea și dezvoltarea de noi materiale și noi surse de energie. Acest articol se va concentra pe cercetarea și inovarea noilor surse de energie în sere, va rezuma stadiul cercetării noilor surse de energie, cum ar fi energia solară, energia biomasei, energia geotermală, energia eoliană și noile materiale transparente de acoperire, materialele de izolare termică și materialele de pereți din sere, va analiza aplicarea noilor energii și a noilor materiale în construcția de noi sere și va analiza rolul lor în dezvoltarea și transformarea viitoare a serelor.

Cercetare și inovare în domeniul energiei noi cu efect de seră

Noua energie verde cu cel mai mare potențial de utilizare agricolă include energia solară, energia geotermală și energia din biomasă sau utilizarea cuprinzătoare a unei varietăți de noi surse de energie, astfel încât să se realizeze o utilizare eficientă a energiei prin învățarea din punctele forte ale celorlalți.

energie/putere solară

Tehnologia energiei solare este un mod de furnizare a energiei cu emisii reduse de carbon, eficient și sustenabil și este o componentă importantă a industriilor emergente strategice ale Chinei. Va deveni o alegere inevitabilă pentru transformarea și modernizarea structurii energetice a Chinei în viitor. Din punctul de vedere al utilizării energiei, sera în sine este o structură de instalație pentru utilizarea energiei solare. Prin efectul de seră, energia solară este colectată în interior, temperatura serei este ridicată și este furnizată căldura necesară creșterii culturilor. Principala sursă de energie a fotosintezei plantelor de seră este lumina directă a soarelui, care reprezintă utilizarea directă a energiei solare.

01 Generarea de energie fotovoltaică pentru generarea de căldură

Generarea de energie fotovoltaică este o tehnologie care convertește direct energia luminoasă în energie electrică pe baza efectului fotovoltaic. Elementul cheie al acestei tehnologii este celula solară. Atunci când energia solară cade pe o rețea de panouri solare în serie sau în paralel, componentele semiconductoare convertesc direct energia radiației solare în energie electrică. Tehnologia fotovoltaică poate converti direct energia luminoasă în energie electrică, poate stoca electricitatea prin baterii și poate încălzi sera noaptea, dar costul său ridicat îi restricționează dezvoltarea ulterioară. Grupul de cercetare a dezvoltat un dispozitiv de încălzire fotovoltaic cu grafen, care constă din panouri fotovoltaice flexibile, o mașină de control invers all-in-one, o baterie de stocare și o tijă de încălzire cu grafen. În funcție de lungimea liniei de plantare, tija de încălzire cu grafen este îngropată sub sacul de substrat. În timpul zilei, panourile fotovoltaice absorb radiația solară pentru a genera electricitate și a o stoca în bateria de stocare, iar apoi electricitatea este eliberată noaptea pentru tija de încălzire cu grafen. În măsurarea efectivă, se adoptă modul de control al temperaturii de pornire la 17℃ și închidere la 19℃. Funcționând noaptea (20:00-08:00 în a doua zi) timp de 8 ore, consumul de energie pentru încălzirea unui singur rând de plante este de 1,24 kW·h, iar temperatura medie a sacului de substrat pe timp de noapte este de 19,2℃, cu 3,5 ~ 5,3℃ mai mare decât cea a modului de control. Această metodă de încălzire, combinată cu generarea de energie fotovoltaică, rezolvă problemele consumului ridicat de energie și poluării ridicate la încălzirea serelor în timpul iernii.

02 conversie fototermică și utilizare

Conversia fototermală solară se referă la utilizarea unei suprafețe speciale de colectare a luminii solare, realizată din materiale de conversie fototermală, pentru a colecta și absorbi cât mai multă energie solară radiată și a o converti în energie termică. Comparativ cu aplicațiile fotovoltaice solare, aplicațiile fototermale solare cresc absorbția benzii infraroșii apropiate, având astfel o eficiență mai mare în utilizarea energiei solare, costuri mai mici și tehnologie matură, fiind cea mai utilizată metodă de utilizare a energiei solare.

Cea mai matură tehnologie de conversie și utilizare fototermică din China este colectorul solar, a cărui componentă principală este miezul plăcii de absorbție a căldurii cu acoperire cu absorbție selectivă, care poate converti energia radiației solare care trece prin placa de acoperire în energie termică și o poate transmite mediului de lucru de absorbție a căldurii. Colectoarele solare pot fi împărțite în două categorii în funcție de existența sau nu a unui spațiu de vid în colector: colectoare solare plate și colectoare solare cu tuburi vidate; colectoare solare concentratoare și colectoare solare neconcentratoare, în funcție de schimbarea direcției radiației solare la orificiul de iluminare naturală; și colectoare solare lichide și colectoare solare cu aer, în funcție de tipul mediului de lucru de transfer termic.

Utilizarea energiei solare în sere se realizează în principal prin intermediul diferitelor tipuri de colectoare solare. Universitatea Ibn Zor din Maroc a dezvoltat un sistem activ de încălzire cu energie solară (ASHS) pentru încălzirea serelor, care poate crește producția totală de roșii cu 55% în timpul iernii. Universitatea Agricolă din China a proiectat și dezvoltat un set de sisteme de colectare și descărcare cu răcitor de suprafață și ventilator, cu o capacitate de colectare a căldurii de 390,6～693,0 MJ și a propus ideea separării procesului de colectare a căldurii de procesul de stocare a căldurii prin pompă de căldură. Universitatea din Bari din Italia a dezvoltat un sistem de încălzire poligenerativă pentru sere, care constă dintr-un sistem de energie solară și o pompă de căldură aer-apă și poate crește temperatura aerului cu 3,6% și temperatura solului cu 92%. Grupul de cercetare a dezvoltat un tip de echipament activ de colectare a căldurii solare cu unghi de înclinare variabil pentru serele solare și un dispozitiv de stocare a căldurii de susținere pentru corpul de apă din seră, în funcție de vreme. Tehnologia activă de colectare a căldurii solare cu înclinare variabilă depășește limitările echipamentelor tradiționale de colectare a căldurii din seră, cum ar fi capacitatea limitată de colectare a căldurii, umbrirea și ocuparea terenurilor cultivate. Prin utilizarea structurii speciale de seră a serei solare, spațiul neplantat al serei este utilizat pe deplin, ceea ce îmbunătățește considerabil eficiența utilizării spațiului serei. În condiții tipice de funcționare însorite, sistemul activ de colectare a căldurii solare cu înclinare variabilă atinge 1,9 MJ/(m2h), eficiența utilizării energiei atinge 85,1%, iar rata de economisire a energiei este de 77%. În tehnologia de stocare a căldurii în seră, este configurată structura de stocare a căldurii cu schimbare multifazică, capacitatea de stocare a căldurii a dispozitivului de stocare a căldurii este crescută și se realizează eliberarea lentă a căldurii din dispozitiv, astfel încât să se realizeze utilizarea eficientă a căldurii colectate de echipamentul de colectare a căldurii solare din seră.

energie din biomasă

O nouă structură a instalației este construită prin combinarea dispozitivului de producere a căldurii pe bază de biomasă cu sera, iar materiile prime din biomasă, cum ar fi gunoiul de porc, reziduurile de ciuperci și paiele, sunt compostate pentru a produce căldură, iar energia termică generată este furnizată direct serei [5]. Comparativ cu sera fără rezervor de încălzire prin fermentare cu biomasă, sera cu încălzire poate crește eficient temperatura solului din seră și poate menține temperatura adecvată a rădăcinilor culturilor cultivate în sol în climat normal pe timp de iarnă. Luând ca exemplu o seră asimetrică cu izolație termică, cu un singur strat, cu o deschidere de 17 m și o lungime de 30 m, adăugarea a 8 m de deșeuri agricole (amestecat de paie de roșii și gunoi de porc) în rezervorul de fermentare interior pentru fermentarea naturală, fără răsturnarea grămezii, poate crește temperatura medie zilnică a serei cu 4,2 ℃ pe timp de iarnă, iar temperatura minimă medie zilnică poate ajunge la 4,6 ℃.

Utilizarea energiei în fermentația controlată a biomasei este o metodă de fermentare care utilizează instrumente și echipamente pentru a controla procesul de fermentare, cu scopul de a obține rapid și utiliza eficient energia termică din biomasă și îngrășământul gazos pe bază de CO2, printre care ventilația și umiditatea sunt factorii cheie pentru reglarea căldurii de fermentare și a producției de gaze din biomasă. În condiții ventilate, microorganismele aerobe din grămada de fermentare utilizează oxigen pentru activitățile vitale, iar o parte din energia generată este utilizată pentru propriile activități vitale, iar o parte din energie este eliberată în mediu sub formă de energie termică, ceea ce este benefic pentru creșterea temperaturii mediului. Apa participă la întregul proces de fermentare, furnizând nutrienții solubili necesari pentru activitățile microbiene și, în același timp, eliberând căldura grămadei sub formă de abur prin apă, astfel încât să se reducă temperatura grămadei, să se prelungească viața microorganismelor și să se crească temperatura brută a grămadei. Instalarea unui dispozitiv de levigare a paielor în rezervorul de fermentare poate crește temperatura interioară cu 3 ~ 5 ℃ în timpul iernii, să consolideze fotosinteza plantelor și să crească randamentul tomatelor cu 29,6%.

Energia geotermală

China este bogată în resurse geotermale. În prezent, cea mai comună modalitate prin care instalațiile agricole utilizează energia geotermală este utilizarea pompelor de căldură geotermale, care pot transfera energia termică de calitate inferioară la cea de calitate superioară prin introducerea unei cantități mici de energie de calitate superioară (cum ar fi energia electrică). Spre deosebire de măsurile tradiționale de încălzire a serelor, încălzirea cu pompe de căldură geotermale nu numai că poate obține un efect de încălzire semnificativ, dar are și capacitatea de a răci sera și de a reduce umiditatea din seră. Cercetarea privind aplicațiile pompelor de căldură geotermale în domeniul construcției de locuințe este matură. Partea principală care afectează capacitatea de încălzire și răcire a pompei de căldură geotermale este modulul subteran de schimb de căldură, care include în principal conducte îngropate, puțuri subterane etc. Modul de proiectare a unui sistem de schimb de căldură subteran cu un cost și un efect echilibrate a fost întotdeauna în centrul cercetării acestei părți. În același timp, schimbarea temperaturii stratului de sol subteran în aplicarea pompei de căldură geotermale afectează, de asemenea, efectul de utilizare al sistemului de pompe de căldură. Utilizarea pompei de căldură geotermale pentru răcirea serei vara și stocarea energiei termice în stratul profund de sol poate atenua scăderea temperaturii din stratul subteran de sol și poate îmbunătăți eficiența producției de căldură a pompei de căldură geotermale pe timp de iarnă.

În prezent, în cercetarea performanței și eficienței pompelor de căldură geotermale, prin intermediul datelor experimentale concrete, s-a stabilit un model numeric cu ajutorul unor programe software precum TOUGH2 și TRNSYS, concluzionând că performanța de încălzire și coeficientul de performanță (COP) ale pompei de căldură geotermale pot atinge 3,0 ~ 4,5, ceea ce are un efect bun de răcire și încălzire. În cercetarea strategiei de funcționare a sistemului de pompe de căldură, Fu Yunzhun și alții au descoperit că, în comparație cu fluxul din partea de sarcină, fluxul din partea geotermale are un impact mai mare asupra performanței unității și a performanței de transfer termic al conductei îngropate. În condițiile setării debitului, valoarea maximă a COP a unității poate ajunge la 4,17 prin adoptarea schemei de funcționare de 2 ore și oprire timp de 2 ore; Shi Huixian și alții au adoptat un mod de funcționare intermitentă al sistemului de răcire cu stocare de apă. Vara, când temperatura este ridicată, COP-ul întregului sistem de alimentare cu energie poate ajunge la 3,80.

Tehnologie de stocare a căldurii în sol în seră

Stocarea căldurii în sol în seră este numită și „bancă de stocare a căldurii” în seră. Daunele provocate de frig iarna și temperaturile ridicate vara sunt principalele obstacole în calea producției de seră. Pe baza capacității puternice de stocare a căldurii din sol, grupul de cercetare a proiectat un dispozitiv de stocare a căldurii în adâncime pentru seră. Dispozitivul este o conductă de transfer de căldură paralelă cu două straturi, îngropată la o adâncime de 1,5-2,5 m în seră, cu o admisie de aer în partea superioară a serei și o ieșire de aer la sol. Când temperatura din seră este ridicată, aerul din interior este pompat cu forța în sol de către un ventilator pentru a realiza stocarea căldurii și reducerea temperaturii. Când temperatura serei este scăzută, căldura este extrasă din sol pentru a încălzi sera. Rezultatele producției și aplicării arată că dispozitivul poate crește temperatura serei cu 2,3 ​​℃ în timpul nopții de iarnă, reduce temperatura interioară cu 2,6 ℃ în timpul zilei de vară și crește randamentul roșiilor cu 1500 kg în 667 m².²Dispozitivul utilizează pe deplin caracteristicile de „căldură iarna și răcoare vara” și „temperatură constantă” ale solului subteran adânc, oferă o „bancă de acces la energie” pentru seră și îndeplinește continuu funcțiile auxiliare de răcire și încălzire a serei.

Coordonare multi-energie

Utilizarea a două sau mai multe tipuri de energie pentru încălzirea serei poate compensa eficient dezavantajele unui singur tip de energie și poate activa efectul de suprapunere „unu plus unu este mai mare decât doi”. Cooperarea complementară dintre energia geotermală și energia solară este un punct de interes pentru cercetarea noilor utilizări ale energiei în producția agricolă din ultimii ani. Emmi și colab. au studiat un sistem energetic multi-sursă (Figura 1), care este echipat cu un colector solar hibrid fotovoltaic-termic. Comparativ cu sistemul obișnuit de pompe de căldură aer-apă, eficiența energetică a sistemului energetic multi-sursă este îmbunătățită cu 16%~25%. Zheng și colab. au dezvoltat un nou tip de sistem cuplat de stocare a căldurii, format din energie solară și pompă de căldură geotermală. Sistemul cu colectoare solare poate realiza stocarea sezonieră de înaltă calitate a încălzirii, adică încălzire de înaltă calitate iarna și răcire de înaltă calitate vara. Schimbătorul de căldură cu tuburi îngropate și rezervorul de stocare intermitentă a căldurii pot funcționa bine în sistem, iar valoarea COP a sistemului poate ajunge la 6,96.

Combinată cu energia solară, aceasta își propune să reducă consumul de energie comercială și să îmbunătățească stabilitatea alimentării cu energie solară în seră. Wan Ya și colaboratorii au prezentat o nouă schemă tehnologică inteligentă de control care combină generarea de energie solară cu energia comercială pentru încălzirea serelor, care poate utiliza energia fotovoltaică atunci când există lumină și o poate transforma în energie comercială atunci când nu există lumină, reducând considerabil rata deficitului de energie electrică la sarcină și reducând costurile economice fără a utiliza baterii.

Energia solară, energia din biomasă și energia electrică pot încălzi împreună serele, ceea ce poate duce la o eficiență ridicată a încălzirii. Zhang Liangrui și alții au combinat colectarea căldurii prin tuburi solare vidate cu rezervorul de apă pentru stocarea căldurii prin intermediul energiei electrice din vale. Sistemul de încălzire a serelor are un confort termic bun, iar eficiența medie de încălzire a sistemului este de 68,70%. Rezervorul de apă pentru stocarea căldurii prin intermediul energiei electrice este un dispozitiv de stocare a apei pentru încălzirea cu biomasă cu încălzire electrică. Se stabilește cea mai scăzută temperatură de admisie a apei la capătul de încălzire, iar strategia de funcționare a sistemului este determinată în funcție de temperatura de stocare a apei din partea de colectare a căldurii solare și partea de stocare a căldurii din biomasă, astfel încât să se obțină o temperatură de încălzire stabilă la capătul de încălzire și să se economisească la maximum energia electrică și materialele energetice din biomasă.

Cercetare inovatoare și aplicarea de noi materiale pentru sere

Odată cu extinderea suprafeței serelor, dezavantajele aplicării materialelor tradiționale pentru sere, cum ar fi cărămizile și pământul, sunt din ce în ce mai evidente. Prin urmare, pentru a îmbunătăți în continuare performanța termică a serelor și a satisface nevoile de dezvoltare ale serelor moderne, există numeroase cercetări și aplicații ale noilor materiale transparente de acoperire, materiale de izolare termică și materiale de pereți.

Cercetarea și aplicarea de noi materiale de acoperire transparente

Tipurile de materiale transparente de acoperire pentru sere includ în principal folia de plastic, sticla, panourile solare și panourile fotovoltaice, dintre care folia de plastic are cea mai mare arie de aplicare. Folia tradițională de PE pentru sere prezintă defecte precum durata de viață scurtă, nedegradarea și funcționalitatea unică. În prezent, au fost dezvoltate o varietate de noi folii funcționale prin adăugarea de reactivi funcționali sau acoperiri.

Film de conversie a luminii:Pelicula de conversie a luminii modifică proprietățile optice ale acesteia prin utilizarea unor agenți de conversie a luminii, cum ar fi pământurile rare și nanomaterialele, și poate converti regiunea luminii ultraviolete în lumină roșu-portocaliu și lumină albastru-violet necesare fotosintezei plantelor, crescând astfel randamentul culturilor și reducând daunele cauzate de lumina ultravioletă culturilor și peliculelor de seră din serele de plastic. De exemplu, pelicula de seră cu bandă largă violet-roșu cu agent de conversie a luminii VTR-660 poate îmbunătăți semnificativ transmitanța infraroșie atunci când este aplicată în seră, iar în comparație cu sera de control, randamentul de tomate pe hectar, conținutul de vitamina C și licopen sunt semnificativ crescute cu 25,71%, 11,11% și, respectiv, 33,04%. Cu toate acestea, în prezent, durata de viață, degradabilitatea și costul noii pelicule de conversie a luminii trebuie încă studiate.

Sticlă împrăștiatăSticla dispersată în seră este un model special și o tehnologie antireflexie pe suprafața sticlei, care poate maximiza lumina solară în lumină dispersată și pătrunde în seră, îmbunătățind eficiența fotosintezei culturilor și crescând randamentul culturilor. Sticla dispersată transformă lumina care intră în seră în lumină dispersată prin modele speciale, iar lumina dispersată poate fi iradiată mai uniform în seră, eliminând influența umbrei scheletului asupra serei. Comparativ cu sticla flotată obișnuită și sticla flotată ultra-albă, standardul de transmitanță a luminii sticlei dispersate este de 91,5%, iar cel al sticlei flotate obișnuite este de 88%. Pentru fiecare creștere de 1% a transmitanței luminii în interiorul serei, randamentul poate fi crescut cu aproximativ 3%, iar zahărul solubil și vitamina C din fructe și legume au crescut. Sticla dispersată în seră este mai întâi acoperită și apoi călită, iar rata de autoexplozie este mai mare decât standardul național, ajungând la 2‰.

Cercetarea și aplicarea de noi materiale de izolație termică

Materialele tradiționale de izolare termică pentru sere includ în principal rogojinile de paie, pilotele de hârtie, pilotele de izolare termică din fetru aculizat etc., care sunt utilizate în principal pentru izolarea termică internă și exterioară a acoperișurilor, izolarea pereților și izolarea termică a unor dispozitive de stocare și colectare a căldurii. Majoritatea acestora au defectul de a-și pierde performanța de izolare termică din cauza umidității interne după utilizare pe termen lung. Prin urmare, există numeroase aplicații ale noilor materiale de izolare termică ridicată, printre care noile pilote de izolare termică, dispozitivele de stocare și colectare a căldurii sunt în centrul cercetării.

Noile materiale de izolare termică sunt de obicei fabricate prin procesarea și combinarea materialelor impermeabile la suprafață și rezistente la îmbătrânire, cum ar fi pelicula țesută și pâsla acoperită, cu materiale de izolare termică pufoase, cum ar fi bumbacul pulverizat, cașmirul divers și bumbacul perlat. O pilotă termoizolantă din bumbac pulverizat, acoperită cu peliculă țesută, a fost testată în nord-estul Chinei. S-a constatat că adăugarea a 500 g de bumbac pulverizat a fost echivalentă cu performanța de izolare termică a unei pilote termoizolante din pâslă neagră de 4500 g de pe piață. În aceleași condiții, performanța de izolare termică a unei pilote termoizolante din bumbac pulverizat de 700 g a fost îmbunătățită cu 1~2 ℃ comparativ cu cea a unei pilote termoizolante din bumbac pulverizat de 500 g. În același timp, alte studii au constatat, de asemenea, că, în comparație cu pilotele termoizolante utilizate în mod obișnuit pe piață, efectul de izolare termică al pilotelor termoizolante din bumbac pulverizat și din cașmir divers este mai bun, cu rate de izolare termică de 84,0%, respectiv 83,3%. Când temperatura exterioară cea mai scăzută este de -24,4 ℃, temperatura interioară poate ajunge la 5,4 ℃, respectiv 4,2 ℃. Comparativ cu pilota izolatoare cu o singură pătură de paie, noua pilotă izolatoare compozită are avantajele greutății reduse, ratei ridicate de izolație, rezistenței puternice la apă și îmbătrânire și poate fi utilizată ca un nou tip de material izolator de înaltă eficiență pentru serele solare.

În același timp, conform cercetărilor privind materialele de izolare termică pentru dispozitivele de colectare și stocare a căldurii din seră, s-a constatat, de asemenea, că, atunci când grosimea este aceeași, materialele compozite multistrat de izolare termică au performanțe de izolare termică mai bune decât materialele individuale. Echipa profesorului Li Jianming de la Universitatea Northwest A&F a proiectat și analizat 22 de tipuri de materiale de izolare termică pentru dispozitivele de stocare a apei din seră, cum ar fi plăcile vidate, aerogelul și bumbacul de cauciuc, și a măsurat proprietățile lor termice. Rezultatele au arătat că un material compozit de izolare termică format din 80 mm, aerogel și bumbac de cauciuc-plastic, a putut reduce disiparea căldurii cu 0,367 MJ pe unitatea de timp, comparativ cu 80 mm, bumbacul de cauciuc-plastic, iar coeficientul său de transfer termic a fost de 0,283 W/(m2·k) atunci când grosimea combinației de izolație a fost de 100 mm.

Materialul cu schimbare de fază este unul dintre punctele fierbinți din cercetarea materialelor pentru sere. Universitatea Northwest A&F a dezvoltat două tipuri de dispozitive de stocare a materialelor cu schimbare de fază: unul este o cutie de depozitare din polietilenă neagră, care are o dimensiune de 50cm × 30cm × 14cm (lungime × înălțime × grosime) și este umplută cu materiale cu schimbare de fază, astfel încât să poată stoca căldură și să elibereze căldură; În al doilea rând, este dezvoltat un nou tip de placă de gips-carton cu schimbare de fază. Placa de gips-carton cu schimbare de fază este alcătuită din material cu schimbare de fază, placă de aluminiu, placă de aluminiu-plastic și aliaj de aluminiu. Materialul cu schimbare de fază este situat în poziția cea mai centrală a plăcii de gips-carton, iar specificațiile sale sunt de 200mm × 200mm × 50mm. Este un solid pulverulent înainte și după schimbarea de fază și nu există fenomene de topire sau curgere. Cei patru pereți ai materialului cu schimbare de fază sunt placă de aluminiu și, respectiv, placă de aluminiu-plastic. Acest dispozitiv poate realiza funcțiile de stocare a căldurii în principal în timpul zilei și de eliberare a căldurii în principal noaptea.

Prin urmare, există unele probleme în aplicarea unui singur material de izolație termică, cum ar fi eficiența scăzută a izolației termice, pierderile mari de căldură, timpul scurt de stocare a căldurii etc. Prin urmare, utilizarea materialului compozit de izolație termică ca strat de izolație termică și strat de acoperire a izolației termice interioare și exterioare a dispozitivului de stocare a căldurii poate îmbunătăți eficient performanța de izolație termică a serei, poate reduce pierderile de căldură ale serei și, astfel, poate obține efectul de economisire a energiei.

Cercetare și aplicare a noului zid

Ca structură de închidere, peretele este o barieră importantă pentru protecția serei împotriva frigului și conservarea căldurii. În funcție de materialele și structurile peretelui, peretele nordic al serei poate fi împărțit în trei tipuri: peretele cu un singur strat, realizat din pământ, cărămizi etc., și peretele nordic stratificat, realizat din cărămizi de lut, cărămizi bloc, plăci de polistiren etc., cu stocare interioară a căldurii și izolație termică exterioară, iar majoritatea acestor pereți necesită mult timp și multă muncă; prin urmare, în ultimii ani, au apărut multe tipuri noi de pereți, ușor de construit și potriviți pentru asamblare rapidă.

Apariția noilor tipuri de pereți asamblați promovează dezvoltarea rapidă a serelor asamblate, inclusiv pereți compoziti de tip nou cu materiale de suprafață exterioare impermeabile și anti-îmbătrânire și materiale precum fetru, bumbac perlat, bumbac spațial, bumbac de sticlă sau bumbac reciclat ca straturi de izolație termică, cum ar fi pereții flexibili asamblați din bumbac lipit prin pulverizare în Xinjiang. În plus, alte studii au raportat și peretele nordic al serei asamblate cu strat de stocare a căldurii, cum ar fi blocul de mortar din coajă de grâu umplut cu cărămidă în Xinjiang. În același mediu extern, când cea mai scăzută temperatură exterioară este de -20,8 ℃, temperatura în sera solară cu perete compozit din blocuri de mortar din coajă de grâu este de 7,5 ℃, în timp ce temperatura în sera solară cu perete din cărămidă-beton este de 3,2 ℃. Timpul de recoltare a roșiilor în sera de cărămidă poate fi avansat cu 16 zile, iar randamentul unei singure sere poate fi crescut cu 18,4%.

Echipa de la Universitatea Northwest A&F a propus ideea de design de a transforma paie, sol, apă, piatră și materiale cu schimbare de fază în module de izolație termică și stocare a căldurii, din perspectiva luminii și a unui design simplificat al pereților, ceea ce a promovat cercetarea aplicațiilor pentru pereții modulari asamblați. De exemplu, comparativ cu o seră obișnuită cu pereți de cărămidă, temperatura medie din seră este cu 4,0 ℃ mai mare într-o zi însorită obișnuită. Trei tipuri de module de ciment anorganic cu schimbare de fază, care sunt fabricate din material cu schimbare de fază (PCM) și ciment, au acumulat căldură de 74,5, 88,0 și 95,1 MJ/m².³și a eliberat căldură de 59,8, 67,8 și 84,2 MJ/m³, respectiv. Acestea au funcțiile de „tăiere a vârfurilor” în timpul zilei, „umplere a văii” noaptea, absorbție a căldurii vara și eliberare a căldurii iarna.

Acești pereți noi sunt asamblați la fața locului, având o perioadă scurtă de construcție și o durată lungă de viață, ceea ce creează condiții pentru construirea unor sere prefabricate ușoare, simplificate și asamblate rapid și poate promova considerabil reforma structurală a serelor. Cu toate acestea, există unele defecte la acest tip de perete, cum ar fi peretele matlasat din bumbac termoizolant, lipit prin pulverizare, care are performanțe excelente de izolare termică, dar nu are capacitate de stocare a căldurii, iar materialul de construcție cu schimbare de fază prezintă problema costurilor ridicate de utilizare. În viitor, cercetarea aplicațiilor pentru pereții asamblați ar trebui consolidată.

Energia nouă, materialele noi și designurile noi contribuie la schimbarea structurii serei.

Cercetarea și inovarea în domeniul energiei noi și al noilor materiale oferă fundamentul pentru inovarea în designul serelor. Serele solare economice și șopronele arcuite sunt cele mai mari structuri de șoproane din producția agricolă a Chinei și joacă un rol important în producția agricolă. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea economiei sociale a Chinei, deficiențele celor două tipuri de structuri de instalații sunt din ce în ce mai prezente. În primul rând, spațiul structurilor de instalații este mic, iar gradul de mecanizare este scăzut; în al doilea rând, sera solară economică are o izolație termică bună, dar utilizarea terenului este redusă, ceea ce este echivalent cu înlocuirea energiei din seră cu teren. Șopronul arcuit obișnuit nu numai că are un spațiu mic, dar are și o izolație termică slabă. Deși sera cu mai multe deschideri are un spațiu mare, are o izolație termică slabă și un consum ridicat de energie. Prin urmare, este imperativ să se cerceteze și să se dezvolte o structură de seră potrivită pentru nivelul social și economic actual al Chinei, iar cercetarea și dezvoltarea de noi energii și materiale noi vor ajuta la schimbarea structurii serelor și la producerea unei varietăți de modele sau structuri inovatoare de seră.

Cercetare inovatoare privind sera de bere asimetrică cu control al apei, de mari dimensiuni

Sera de fabricare a berii asimetrică, cu control al apei, de mare deschidere (număr brevet: ZL 201220391214.2) se bazează pe principiul serei cu lumină solară, modificând structura simetrică a serei obișnuite din plastic, mărind deschiderea sudică, mărind suprafața de iluminare a acoperișului sudic, reducând deschiderea nordică și reducând suprafața de disipare a căldurii, având o deschidere de 18~24 m și o înălțime a coamei de 6~7 m. Prin inovarea în design, structura spațială a fost îmbunătățită semnificativ. În același timp, problemele legate de căldura insuficientă din seră în timpul iernii și izolația termică deficitară a materialelor termoizolante comune sunt rezolvate prin utilizarea noilor tehnologii de încălzire a berii din biomasă și a materialelor termoizolante. Rezultatele producției și cercetării arată că sera de bere asimetrică, cu control al apei, de mari dimensiuni, cu o temperatură medie de 11,7 ℃ în zilele însorite și 10,8 ℃ în zilele noroase, poate satisface cererea de creștere a culturilor în timpul iernii, iar costul de construcție al serei este redus cu 39,6%, iar rata de utilizare a terenului este crescută cu peste 30% în comparație cu cea a serei cu pereți din cărămidă de polistiren, fiind potrivită pentru popularizare și aplicare ulterioară în bazinul râului Huaihe Galben din China.

Seră de lumină solară asamblată

Sera solară asamblată are ca structură portantă coloane și schelet de acoperiș, iar materialul peretelui său este în principal o incintă termoizolantă, în loc de stocare și eliberare pasivă a căldurii portante. În principal: (1) un nou tip de perete asamblat este format prin combinarea diverselor materiale, cum ar fi folie acoperită sau tablă de oțel colorată, bloc de paie, cuvertură termoizolantă flexibilă, bloc de mortar etc. (2) placă de perete compozită realizată din placă de ciment prefabricată, placă de polistiren și placă de ciment; (3) Materiale termoizolante ușoare și simple de asamblare cu sistem activ de stocare și eliberare a căldurii și sistem de dezumidificare, cum ar fi stocarea căldurii sub formă de găleată pătrată din plastic și stocarea căldurii în conducte. Utilizarea diferitelor materiale termoizolante noi și a materialelor de stocare a căldurii în loc de zidul tradițional din pământ pentru a construi o seră solară are un spațiu mare și lucrări civile reduse. Rezultatele experimentale arată că temperatura serei pe timp de noapte, în timpul iernii, este cu 4,5 ℃ mai mare decât cea a serei tradiționale cu pereți de cărămidă, iar grosimea peretelui din spate este de 166 mm. Comparativ cu sera cu pereți de cărămidă cu grosimea de 600 mm, suprafața ocupată a peretelui este redusă cu 72%, iar costul pe metru pătrat este de 334,5 yuani, cu 157,2 yuani mai mic decât cel al serei cu pereți de cărămidă, iar costul construcției a scăzut semnificativ. Prin urmare, sera asamblată are avantajele unei distrugeri mai mici de teren cultivat, economisirii terenului, vitezei mari de construcție și duratei lungi de viață și reprezintă o direcție cheie pentru inovarea și dezvoltarea serelor solare în prezent și în viitor.

Seră glisantă cu lumină solară

Sera solară economică, asamblată pe skateboard, dezvoltată de Universitatea Agricolă Shenyang, folosește peretele din spate al serei solare pentru a forma un sistem de stocare a căldurii cu pereți care circulă apa, pentru a stoca căldura și a crește temperatura, care este compus în principal dintr-o piscină (32 m³), o placă colectoare de lumină (360 m²), o pompă de apă, o conductă de apă și un controler. Pilota flexibilă de izolație termică este înlocuită în partea superioară cu un nou material ușor, din tablă de oțel colorată din vată minerală. Studiile arată că acest design rezolvă eficient problema blocării luminii de către frontoane și mărește suprafața de intrare a luminii în seră. Unghiul de iluminare al serei este de 41,5°, cu aproape 16° mai mare decât cel al serei de control, îmbunătățind astfel rata de iluminare. Distribuția temperaturii interioare este uniformă, iar plantele cresc frumos. Sera are avantajele îmbunătățirii eficienței utilizării terenurilor, proiectării flexibile a dimensiunii serei și scurtării perioadei de construcție, ceea ce este de mare importanță pentru protejarea resurselor terenurilor cultivate și a mediului.

Seră fotovoltaică

Sera agricolă este o seră care integrează generarea de energie solară fotovoltaică, controlul inteligent al temperaturii și plantarea modernă de înaltă tehnologie. Adoptă o structură din oțel și este acoperită cu module solare fotovoltaice pentru a asigura cerințele de iluminat ale modulelor de generare a energiei fotovoltaice și cerințele de iluminat ale întregii sere. Curentul continuu generat de energia solară completează direct lumina serelor agricole, susține direct funcționarea normală a echipamentelor de seră, stimulează irigarea resurselor de apă, crește temperatura serii și promovează creșterea rapidă a culturilor. Modulele fotovoltaice vor afecta în acest fel eficiența iluminării acoperișului serii și apoi vor afecta creșterea normală a legumelor din seră. Prin urmare, amplasarea rațională a panourilor fotovoltaice pe acoperișul serii devine punctul cheie de aplicare. Sera agricolă este produsul combinației organice dintre agricultura turistică și grădinăritul de amenajări și este o industrie agricolă inovatoare care integrează generarea de energie fotovoltaică, vizitarea obiectivelor turistice agricole, culturile agricole, tehnologia agricolă, dezvoltarea peisagistică și culturală.

Design inovator al grupului de sere cu interacțiune energetică între diferite tipuri de sere

Guo Wenzhong, cercetător la Academia de Științe Agricole și Silvice din Beijing, utilizează metoda de încălzire prin transfer de energie între sere pentru a colecta energia termică rămasă într-una sau mai multe sere și a încălzi o altă sau mai multe sere. Această metodă de încălzire realizează transferul de energie a serelor în timp și spațiu, îmbunătățește eficiența utilizării energiei termice rămase din seră și reduce consumul total de energie pentru încălzire. Cele două tipuri de sere pot fi de tipuri diferite sau de același tip de seră pentru plantarea diverselor culturi, cum ar fi serele de salată verde și roșii. Metodele de colectare a căldurii includ în principal extragerea căldurii din aerul interior și interceptarea directă a radiației incidente. Prin colectarea energiei solare, convecția forțată prin schimbătorul de căldură și extracția forțată prin pompa de căldură, surplusul de căldură din sera cu consum ridicat de energie a fost extras pentru încălzirea serei.

rezuma

Aceste noi sere solare au avantajele asamblării rapide, perioadei de construcție scurtate și ratei îmbunătățite de utilizare a terenului. Prin urmare, este necesar să se exploreze în continuare performanța acestor noi sere în diferite zone și să se ofere posibilitatea popularizării și aplicării pe scară largă a noilor sere. În același timp, este necesar să se consolideze continuu aplicarea noilor energii și a noilor materiale în sere, astfel încât să se asigure puterea necesară pentru reforma structurală a serelor.

Perspective și gândire de viitor

Serele tradiționale au adesea unele dezavantaje, cum ar fi consumul ridicat de energie, rata scăzută de utilizare a terenurilor, consumul de timp și de forță de muncă, performanța slabă etc., care nu mai pot satisface nevoile de producție ale agriculturii moderne și sunt destinate să fie eliminate treptat. Prin urmare, este o tendință de dezvoltare utilizarea de noi surse de energie, cum ar fi energia solară, energia din biomasă, energia geotermală și energia eoliană, noi materiale pentru aplicații în sere și noi designuri pentru a promova schimbarea structurală a serelor. În primul rând, noua seră alimentată de energie nouă și materiale noi nu ar trebui doar să satisfacă nevoile funcționării mecanizate, ci și să economisească energie, teren și costuri. În al doilea rând, este necesar să se exploreze constant performanța noilor sere în diferite zone, astfel încât să se ofere condiții pentru popularizarea pe scară largă a serelor. În viitor, ar trebui să căutăm în continuare noi energii și noi materiale potrivite pentru aplicațiile în sere și să găsim cea mai bună combinație de energie nouă, materiale noi și seră, astfel încât să facem posibilă construirea unei sere noi cu costuri reduse, perioadă scurtă de construcție, consum redus de energie și performanțe excelente, să ajutăm la schimbarea structurii serelor și să promovăm dezvoltarea modernizării serelor în China.

Deși aplicarea noilor energii, a noilor materiale și a noilor designuri în construcția de sere este o tendință inevitabilă, există încă multe probleme de studiat și de depășit: (1) Costul construcției crește. Comparativ cu încălzirea tradițională cu cărbune, gaze naturale sau petrol, aplicarea noilor energii și a noilor materiale este ecologică și nu poluează, dar costul construcției crește semnificativ, ceea ce are un anumit impact asupra recuperării investițiilor în producție și exploatare. Comparativ cu utilizarea energiei, costul noilor materiale va crește semnificativ. (2) Utilizarea instabilă a energiei termice. Cel mai mare avantaj al utilizării noilor energii este costul de operare redus și emisiile reduse de dioxid de carbon, dar furnizarea de energie și căldură este instabilă, iar zilele înnorate devin cel mai mare factor limitator în utilizarea energiei solare. În procesul de producere a căldurii din biomasă prin fermentare, utilizarea eficientă a acestei energii este limitată de problemele legate de energia termică scăzută din fermentație, gestionarea și controlul dificile și spațiul mare de depozitare pentru transportul materiilor prime. (3) Maturitatea tehnologiei. Aceste tehnologii utilizate prin noile energii și noile materiale reprezintă cercetări avansate și realizări tehnologice, iar domeniul lor de aplicare și domeniul de aplicare sunt încă destul de limitate. Nu au trecut de multe ori, există multe site-uri și verificări practice la scară largă, existând inevitabil unele deficiențe și conținuturi tehnice care trebuie îmbunătățite în aplicare. Utilizatorii neagă adesea avansul tehnologiei din cauza unor deficiențe minore. (4) Rata de penetrare a tehnologiei este scăzută. Aplicarea pe scară largă a unei realizări științifice și tehnologice necesită o anumită popularitate. În prezent, noile energii, noile tehnologii și noile tehnologii de proiectare a serelor se află în echipa centrelor de cercetare științifică din universități cu o anumită capacitate de inovare, iar majoritatea solicitanților tehnici sau a proiectanților încă nu știu; În același timp, popularizarea și aplicarea noilor tehnologii sunt încă destul de limitate, deoarece echipamentele de bază ale noilor tehnologii sunt brevetate. (5) Integrarea noilor energii, a noilor materiale și a proiectării structurilor de seră trebuie consolidată în continuare. Deoarece energia, materialele și proiectarea structurilor de seră aparțin a trei discipline diferite, talentele cu experiență în proiectarea serelor adesea nu au nevoie de cercetare privind energia și materialele legate de seră și invers; Prin urmare, cercetătorii din domeniul energiei și materialelor trebuie să își consolideze investigarea și înțelegerea nevoilor reale ale dezvoltării industriei serelor, iar proiectanții de structuri ar trebui să studieze, de asemenea, materiale noi și noi energii pentru a promova integrarea profundă a celor trei relații, astfel încât să se atingă obiectivul tehnologiei practice de cercetare a serelor, al costurilor reduse de construcție și al efectului de utilizare eficientă. Pe baza problemelor menționate mai sus, se sugerează ca statul, administrațiile locale și centrele de cercetare științifică să intensifice cercetarea tehnică, să desfășoare cercetări comune aprofundate, să consolideze publicitatea realizărilor științifice și tehnologice, să îmbunătățească popularizarea realizărilor și să realizeze rapid obiectivul noilor energii și materiale pentru a ajuta la dezvoltarea industriei serelor.

Informații citate

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Energie nouă, materiale noi și design nou contribuie la noua revoluție a serelor [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.