Li Jianming, Sun Guotao и др.Технология за оранжерийно градинарство и селскостопанско инженерство2022-11-21 17:42 Публикувано в Пекин

През последните години оранжерийната индустрия се развива енергично. Развитието на оранжериите не само подобрява степента на използване на земята и производството на селскостопански продукти, но и решава проблема с доставките на плодове и зеленчуци в извънсезонния период. Оранжериите обаче се сблъскват и с безпрецедентни предизвикателства. Оригиналните съоръжения, методите на отопление и структурните форми са създали устойчивост на околната среда и развитието. Спешно са необходими нови материали и нови дизайни, за да се промени структурата на оранжериите, както и нови енергийни източници, за да се постигнат целите за пестене на енергия и опазване на околната среда, както и за увеличаване на производството и доходите.

Тази статия разглежда темата „нова енергия, нови материали, нов дизайн, които да подпомогнат новата революция в оранжериите“, включително изследванията и иновациите в областта на слънчевата енергия, енергията от биомаса, геотермалната енергия и други нови енергийни източници в оранжериите, изследванията и приложението на нови материали за покритие, топлоизолация, стени и друго оборудване, както и бъдещите перспективи и обмисляне на нова енергия, нови материали и нов дизайн, които да подпомогнат реформата на оранжериите, за да се предостави ориентир за индустрията.

Развитието на земеделието с градинска основа е политическо изискване и неизбежен избор за прилагане на духа на важните инструкции и решенията на централното правителство. През 2020 г. общата площ на защитените земеделски площи в Китай ще бъде 2,8 милиона хектара квадратни метра, а произведената продукция ще надхвърли 1 трилион юана. Това е важен начин за подобряване на производствения капацитет на оранжерии, за да се подобрят осветлението и топлоизолацията на оранжериите чрез нова енергия, нови материали и нов дизайн на оранжерии. Традиционното оранжерийно производство има много недостатъци, като например използването на въглища, мазут и други енергийни източници за отопление в традиционните оранжерии, което води до голямо количество диоксиден газ, който сериозно замърсява околната среда, докато природният газ, електрическата енергия и други енергийни източници увеличават експлоатационните разходи на оранжериите. Традиционните материали за съхранение на топлина за стените на оранжериите са предимно глина и тухли, които консумират много и причиняват сериозни щети на земните ресурси. Ефективността на използване на земята на традиционните слънчеви оранжерии със земна стена е само 40% ~ 50%, а обикновената оранжерия има слаб капацитет за съхранение на топлина, така че не може да преживее зимата, за да произвежда топли зеленчуци в Северен Китай. Следователно, ядрото на насърчаването на промяната в оранжериите или фундаменталните изследвания се крие в проектирането, изследването и разработването на нови материали и нова енергия. Тази статия ще се фокусира върху изследванията и иновациите в областта на новите енергийни източници в оранжериите, ще обобщи състоянието на изследванията на нови енергийни източници като слънчева енергия, енергия от биомаса, геотермална енергия, вятърна енергия и нови прозрачни покривни материали, топлоизолационни материали и стенни материали в оранжериите, ще анализира приложението на нова енергия и нови материали при изграждането на нови оранжерии и ще обсъди тяхната роля в бъдещото развитие и трансформация на оранжериите.

Изследвания и иновации в областта на новата енергийна оранжерия

Зелената нова енергия с най-голям потенциал за селскостопанско използване включва слънчева енергия, геотермална енергия и енергия от биомаса или цялостно използване на различни нови енергийни източници, така че да се постигне ефективно използване на енергията чрез учене от силните страни на всеки.

слънчева енергия/мощност

Технологията за слънчева енергия е нисковъглероден, ефективен и устойчив начин за енергийно снабдяване и е важен компонент от стратегически развиващите се индустрии на Китай. Тя ще се превърне в неизбежен избор за трансформацията и модернизирането на енергийната структура на Китай в бъдеще. От гледна точка на използването на енергия, самата оранжерия е съоръжение за използване на слънчева енергия. Чрез парниковия ефект слънчевата енергия се събира на закрито, температурата на оранжерията се повишава и се осигурява необходимата топлина за растежа на културите. Основният източник на енергия за фотосинтезата на оранжерийните растения е пряката слънчева светлина, което представлява директно използване на слънчевата енергия.

01 Фотоволтаично производство на енергия за генериране на топлина

Фотоволтаичното генериране на енергия е технология, която директно преобразува светлинната енергия в електрическа енергия, базирана на фотоволтаичен ефект. Ключовият елемент на тази технология е слънчевата клетка. Когато слънчевата енергия осветява масив от слънчеви панели, свързани последователно или паралелно, полупроводниковите компоненти директно преобразуват слънчевата радиация в електрическа енергия. Фотоволтаичната технология може директно да преобразува светлинната енергия в електрическа енергия, да съхранява електричество чрез батерии и да отоплява оранжерията през нощта, но високата ѝ цена ограничава по-нататъшното ѝ развитие. Изследователската група разработи фотоволтаично графеново отоплително устройство, което се състои от гъвкави фотоволтаични панели, машина за обратно управление „всичко в едно“, акумулаторна батерия и графенов нагревателен прът. В зависимост от дължината на линията за засаждане, графеновият нагревателен прът се заравя под торбата със субстрат. През деня фотоволтаичните панели абсорбират слънчевата радиация, за да генерират електричество и да го съхраняват в акумулаторната батерия, а след това електричеството се освобождава през нощта за графеновия нагревателен прът. При самото измерване се използва режим на контрол на температурата, който започва от 17℃ и завършва при 19℃. При работа през нощта (20:00-08:00 на втория ден) в продължение на 8 часа, консумацията на енергия за отопление на един ред растения е 1,24 kW·h, а средната температура на торбата със субстрат през нощта е 19,2℃, което е с 3,5 ~ 5,3℃ по-високо от контролната. Този метод на отопление, комбиниран с фотоволтаично генериране на енергия, решава проблемите с високата консумация на енергия и високото замърсяване при отоплението на оранжерии през зимата.

02 фототермично преобразуване и използване

Слънчевото фототермично преобразуване се отнася до използването на специална повърхност за събиране на слънчева светлина, изработена от фототермични преобразуващи материали, за да се събере и абсорбира възможно най-много слънчева енергия, излъчвана върху нея, и да се преобразува в топлинна енергия. В сравнение със слънчевите фотоволтаични приложения, слънчевите фототермични приложения увеличават абсорбцията на близката инфрачервена лента, така че имат по-висока енергийна ефективност на слънчевата светлина, по-ниска цена и зряла технология, и са най-широко използваният начин за използване на слънчевата енергия.

Най-развитата технология за фототермично преобразуване и използване в Китай е слънчевият колектор, чийто основен компонент е топлоабсорбираща пластина със селективно абсорбиращо покритие, която може да преобразува слънчевата радиационна енергия, преминаваща през покривната плоча, в топлинна енергия и да я предава на топлоабсорбиращия работен носител. Слънчевите колектори могат да бъдат разделени на две категории според това дали има вакуумно пространство в колектора или не: плоски слънчеви колектори и вакуумно-тръбни слънчеви колектори; концентриращи слънчеви колектори и неконцентриращи слънчеви колектори според това дали слънчевата радиация на отвора за дневна светлина променя посоката си; и течни слънчеви колектори и въздушни слънчеви колектори според вида на топлопренасящия работен носител.

Използването на слънчева енергия в оранжерии се осъществява главно чрез различни видове слънчеви колектори. Университетът Ибн Зор в Мароко е разработил активна система за отопление със слънчева енергия (ASHS) за затопляне на оранжерии, която може да увеличи общото производство на домати с 55% през зимата. Китайският селскостопански университет е проектирал и разработил комплект от повърхностни охладители и вентилатори за събиране и отвеждане на топлина, с капацитет за събиране на топлина от 390,6 до 693,0 MJ, и е предложил идеята за отделяне на процеса на събиране на топлина от процеса на съхранение на топлина чрез термопомпа. Университетът в Бари в Италия е разработил полигенерационна отоплителна система за оранжерии, която се състои от система за слънчева енергия и термопомпа въздух-вода и може да повиши температурата на въздуха с 3,6% и температурата на почвата с 92%. Изследователската група е разработила вид активно оборудване за събиране на слънчева топлина с променлив ъгъл на наклон за слънчева оранжерия и поддържащо устройство за съхранение на топлина за воден басейн в оранжерията при различни метеорологични условия. Технологията за активно събиране на слънчева топлина с променлив наклон преодолява ограниченията на традиционното оборудване за събиране на топлина в оранжерии, като например ограничен капацитет за събиране на топлина, засенчване и заемане на обработваема земя. Чрез използването на специалната оранжерийна структура на слънчевата оранжерия, пространството без засаждане на растения се използва напълно, което значително подобрява ефективността на използване на оранжерийното пространство. При типични слънчеви работни условия, активната система за събиране на слънчева топлина с променлив наклон достига 1,9 MJ/(m2h), ефективността на използване на енергията достига 85,1%, а коефициентът на пестене на енергия е 77%. В технологията за съхранение на топлина в оранжерия се използва многофазна структура за съхранение на топлина, капацитетът за съхранение на топлина на устройството за съхранение на топлина се увеличава и се реализира бавно освобождаване на топлина от устройството, така че да се постигне ефективно използване на топлината, събрана от оборудването за събиране на слънчева топлина в оранжерията.

енергия от биомаса

Нова конструкция на съоръжението е изградена чрез комбиниране на устройството за производство на топлина от биомаса с оранжерията, като суровините от биомаса, като свински тор, остатъци от гъби и слама, се компостират, за да се получи топлина, а генерираната топлинна енергия се подава директно към оранжерията [5]. В сравнение с оранжерията без резервоар за ферментация на биомаса, отоплителната оранжерия може ефективно да повиши температурата на земята в оранжерията и да поддържа правилната температура на корените на културите, отглеждани в почвата, в нормалния климат през зимата. Вземайки за пример еднослойна асиметрична топлоизолационна оранжерия с размах 17 м и дължина 30 м, добавянето на 8 м селскостопански отпадъци (смес от доматена слама и свински тор) във вътрешния резервоар за ферментация за естествена ферментация без обръщане на купчината може да увеличи средната дневна температура на оранжерията с 4,2 ℃ през зимата, а средната дневна минимална температура може да достигне 4,6 ℃.

Контролираната ферментация с използване на енергия за оползотворяване на биомаса е ферментационен метод, който използва инструменти и оборудване за контрол на ферментационния процес, за да се получи бързо и ефективно топлинна енергия от биомаса и CO2 газообразен тор, сред които вентилацията и влагата са ключовите фактори за регулиране на производството на топлина и газ от ферментацията на биомаса. При вентилирани условия аеробните микроорганизми във ферментационния резервоар използват кислород за жизнени дейности и част от генерираната енергия се използва за собствените им жизнени дейности, а част от енергията се отделя в околната среда като топлинна енергия, което е благоприятно за повишаване на температурата на околната среда. Водата участва в целия ферментационен процес, осигурявайки необходимите разтворими хранителни вещества за микробната активност и същевременно освобождавайки топлината от резервоара под формата на пара чрез водата, така че да се намали температурата на резервоара, да се удължи живота на микроорганизмите и да се увеличи общата температура на резервоара. Инсталирането на устройство за излужване на слама във ферментационния резервоар може да повиши вътрешната температура с 3 ~ 5℃ през зимата, да засили фотосинтезата на растенията и да увеличи добива на домати с 29,6%.

Геотермална енергия

Китай е богат на геотермални ресурси. В момента най-разпространеният начин за използване на геотермална енергия от селскостопанските съоръжения е чрез използване на геотермална термопомпа, която може да прехвърли нискокачествена топлинна енергия към висококачествена топлинна енергия чрез влагане на малко количество висококачествена енергия (като например електрическа енергия). За разлика от традиционните мерки за отопление на оранжерии, отоплението с геотермална термопомпа може не само да постигне значителен топлинен ефект, но и да има способността да охлажда оранжерията и да намалява влажността в нея. Изследванията за приложението на геотермални термопомпи в областта на жилищното строителство са добре завършени. Основната част, която влияе върху капацитета на отопление и охлаждане на геотермалната термопомпа, е модулът за подземен топлообмен, който включва главно заровени тръби, подземни кладенци и др. Как да се проектира подземна система за топлообмен с балансирано съотношение цена-ефект винаги е било фокусът на изследванията в тази част. В същото време, промяната на температурата на подземния почвен слой при прилагането на геотермална термопомпа също влияе върху ефекта от използването на термопомпената система. Използването на геотермална термопомпа за охлаждане на оранжерията през лятото и съхраняване на топлинната енергия в дълбокия почвен слой може да облекчи спада на температурата на подземния почвен слой и да подобри ефективността на производството на топлина от геотермалната термопомпа през зимата.

В настоящия момент, при изследване на производителността и ефективността на геотермалните термопомпи, чрез реални експериментални данни, е създаден числен модел със софтуер като TOUGH2 и TRNSYS и е направено заключението, че топлинната производителност и коефициентът на преобразуване (COP) на геотермалните термопомпи могат да достигнат 3,0 ~ 4,5, което има добър охлаждащ и отоплителен ефект. В изследване на стратегията за работа на термопомпената система, Фу Юнжун и други установиха, че в сравнение с потока от страната на натоварване, потокът от страната на земята има по-голямо влияние върху производителността на устройството и производителността на топлопреминаване на заровената тръба. При условие на настройка на потока, максималната стойност на COP на устройството може да достигне 4,17, като се приеме схема на работа с 2 часа и спиране за 2 часа; Ши Хуейсян и др. са възприели режим на периодична работа на охладителната система с акумулиране на вода. През лятото, когато температурата е висока, COP на цялата система за енергоснабдяване може да достигне 3,80.

Технология за съхранение на топлина в дълбока почва в оранжерия

Дълбокото съхранение на топлина в почвата в оранжерия се нарича още „топлинен акумулатор“. Щетите от студ през зимата и високите температури през лятото са основните пречки за производството на оранжерии. Въз основа на силния капацитет за съхранение на топлина на дълбоката почва, изследователската група е проектирала подземно устройство за съхранение на топлина в оранжерия. Устройството представлява двуслоен паралелен тръбопровод за пренос на топлина, заровен на дълбочина 1,5～2,5 м под земята в оранжерията, с вход за въздух в горната част на оранжерията и изход за въздух на земята. Когато температурата в оранжерията е висока, вътрешният въздух се изпомпва принудително в земята от вентилатор, за да се осъществи съхранение на топлина и намаляване на температурата. Когато температурата в оранжерията е ниска, топлината се извлича от почвата, за да се затопли оранжерията. Резултатите от производството и приложението показват, че устройството може да повиши температурата в оранжерията с 2,3℃ през зимната нощ, да намали вътрешната температура с 2,6℃ през летния ден и да увеличи добива на домати с 1500 кг на 667 м².²Устройството използва пълноценно характеристиките „топло през зимата и хладно през лятото“ и „постоянна температура“ на дълбоката подземна почва, осигурява „банка за достъп до енергия“ за оранжерията и непрекъснато изпълнява спомагателните функции за охлаждане и отопление на оранжерията.

Многоенергийна координация

Използването на два или повече вида енергия за отопление на оранжерия може ефективно да компенсира недостатъците на един вид енергия и да даде възможност за ефекта на суперпозиция „едно плюс едно е по-голямо от две“. Допълващото се сътрудничество между геотермалната енергия и слънчевата енергия е гореща точка в изследванията за ново използване на енергия в селскостопанското производство през последните години. Еми и др. са изследвали многоизточникова енергийна система (Фигура 1), която е оборудвана с фотоволтаично-термичен хибриден слънчев колектор. В сравнение с обичайната система с термопомпа въздух-вода, енергийната ефективност на многоизточниковата енергийна система е подобрена с 16%~25%. Женг и др. са разработили нов тип свързана система за съхранение на топлина от слънчева енергия и геотермална термопомпа. Системата със слънчеви колектори може да реализира висококачествено сезонно съхранение на топлина, т.е. висококачествено отопление през зимата и висококачествено охлаждане през лятото. Заровеният тръбен топлообменник и резервоарът за периодично съхранение на топлина могат да работят добре в системата, а стойността на COP на системата може да достигне 6,96.

В комбинация със слънчева енергия, целта е да се намали потреблението на търговска енергия и да се подобри стабилността на слънчевото електрозахранване в оранжериите. Уан Я и др. предлагат нова схема за интелигентна технология за управление, комбинираща производството на слънчева енергия с търговска енергия за отопление на оранжерии. Тя може да използва фотоволтаична енергия, когато има светлина, и да я превърне в търговска енергия, когато няма светлина, като значително намалява процента на недостиг на мощност на товара и намалява икономическите разходи без използване на батерии.

Слънчевата енергия, енергията от биомаса и електрическата енергия могат едновременно да отопляват оранжерии, което също може да постигне висока ефективност на отопление. Джан Лиангруи и други комбинираха събиране на топлина от слънчеви вакуумни тръби с резервоар за съхранение на топлина от долина. Системата за отопление на оранжерии има добър топлинен комфорт, а средната ефективност на отоплението на системата е 68,70%. Електрическият резервоар за съхранение на топлина е устройство за съхранение на вода за отопление на биомаса с електрическо отопление. Задава се най-ниската температура на входа на водата в нагревателния край и стратегията за работа на системата се определя в зависимост от температурата на съхранение на вода в частта за събиране на слънчева топлина и частта за съхранение на топлина от биомаса, така че да се постигне стабилна температура на нагряване в нагревателния край и да се спести максимално електрическа енергия и енергийни материали от биомаса.

Иновативни изследвания и приложение на нови материали за оранжерии

С разширяването на площта на оранжериите, все повече се разкриват недостатъците на прилагането на традиционни материали за оранжерии, като тухли и почва. Следователно, за да се подобрят допълнително топлинните характеристики на оранжериите и да се отговорят на нуждите на развитието на съвременните оранжерии, се провеждат много изследвания и приложения на нови прозрачни покривни материали, топлоизолационни материали и стенни материали.

Изследване и приложение на нови прозрачни покривни материали

Видовете прозрачни покривни материали за оранжерии включват главно пластмасово фолио, стъкло, слънчеви панели и фотоволтаични панели, сред които пластмасовото фолио има най-голяма област на приложение. Традиционното PE фолио за оранжерии има недостатъци като кратък експлоатационен живот, неразграждане и еднофункционалност. Понастоящем са разработени различни нови функционални фолиа чрез добавяне на функционални реагенти или покрития.

Светлинно преобразуващо фолио:Светлопреобразуващото фолио променя оптичните си свойства чрез използване на светлопреобразуващи агенти, като редкоземни елементи и наноматериали, и може да преобразува ултравиолетовата област в червено-оранжева и синьо-виолетова светлина, необходими за фотосинтезата на растенията, като по този начин увеличава добива и намалява увреждането от ултравиолетова светлина върху културите и оранжерийните фолиа в пластмасови оранжерии. Например, широколентовото лилаво-червено оранжерийно фолио със светлопреобразуващия агент VTR-660 може значително да подобри инфрачервената пропускливост, когато се прилага в оранжерия, и в сравнение с контролната оранжерия, добивът на домати на хектар, съдържанието на витамин С и ликопен са значително увеличени съответно с 25,71%, 11,11% и 33,04%. Въпреки това, в момента животът, разградимостта и цената на новото светлопреобразуващо фолио все още трябва да бъдат проучени.

Разпръснато стъклоРазсеяното стъкло в оранжерията е специален модел и технология против отражение върху повърхността на стъклото, която може да увеличи максимално слънчевата светлина в разсеяна светлина и да я насочи към оранжерията, да подобри ефективността на фотосинтезата на културите и да увеличи добива. Разсеяното стъкло превръща светлината, влизаща в оранжерията, в разсеяна светлина чрез специални модели и разсеяната светлина може да бъде облъчена по-равномерно в оранжерията, елиминирайки влиянието на сянката от скелета върху оранжерията. В сравнение с обикновеното флоатно стъкло и ултрабялото флоатно стъкло, стандартът за светлопропускливост на разсеяното стъкло е 91,5%, а този на обикновеното флоатно стъкло е 88%. За всяко 1% увеличение на светлопропускливостта в оранжерията, добивът може да се увеличи с около 3%, а разтворимата захар и витамин С в плодовете и зеленчуците са се увеличили. Разсеяното стъкло в оранжерията първо се покрива и след това се закалява, а степента на самоексплозия е по-висока от националния стандарт, достигайки 2‰.

Изследване и приложение на нови топлоизолационни материали

Традиционните топлоизолационни материали за оранжерии включват главно сламени рогозки, хартиени юргани, иглолистни топлоизолационни юргани и др., които се използват главно за вътрешна и външна топлоизолация на покриви, изолация на стени и топлоизолация на някои устройства за съхранение и събиране на топлина. Повечето от тях имат недостатъка да губят топлоизолационните си характеристики поради вътрешна влага след продължителна употреба. Поради това има много приложения на нови висококачествени топлоизолационни материали, сред които новите топлоизолационни юргани, устройства за съхранение и събиране на топлина са в центъра на изследванията.

Новите топлоизолационни материали обикновено се произвеждат чрез обработка и смесване на повърхностно водоустойчиви и устойчиви на стареене материали, като тъкано фолио и покрит филц, с пухкави топлоизолационни материали, като например пръскан памук, различни видове кашмир и перлен памук. В Североизточен Китай е тествано тъкано фолио, покрито с пръскан памук, покрито с пръскан памук, покрито с пръскан памук. Установено е, че добавянето на 500 г пръскан памук е еквивалентно на топлоизолационните характеристики на 4500 г черен филц, покрит с пръскан памук, предлаган на пазара. При същите условия, топлоизолационните характеристики на 700 г пръскан памук са подобрени с 1~2℃ в сравнение с тези на 500 г пръскан памучен термоизолационен юрган. В същото време, други проучвания също така установяват, че в сравнение с често използваните топлоизолационни юргани на пазара, топлоизолационният ефект на пръскания памук и различните видове кашмир е по-добър, със степен на топлоизолация съответно 84,0% и 83,3%. Когато най-ниската външна температура е -24,4℃, вътрешната температура може да достигне съответно 5,4 и 4,2℃. В сравнение с изолационното одеяло от единична сламка, новото композитно изолационно одеяло има предимствата на леко тегло, висок коефициент на изолация, силна водоустойчивост и устойчивост на стареене и може да се използва като нов вид високоефективен изолационен материал за слънчеви оранжерии.

Същевременно, според изследвания на топлоизолационни материали за устройства за събиране и съхранение на топлина за оранжерии, е установено, че когато дебелината е еднаква, многослойните композитни топлоизолационни материали имат по-добри топлоизолационни характеристики от единичните материали. Екипът на професор Ли Джиенмин от Северозападния университет A&F е проектирал и проверил 22 вида топлоизолационни материали за устройства за съхранение на вода за оранжерии, като вакуумна плоскост, аерогел и гумена вата, и е измерил техните термични свойства. Резултатите показват, че 80 мм топлоизолационно покритие + аерогел + гумено-пластмасов термоизолационен памучен композитен изолационен материал може да намали разсейването на топлина с 0,367 MJ за единица време в сравнение с 80 мм гумено-пластмасов памук, а коефициентът на топлопреминаване е 0,283 W/(m2·k), когато дебелината на изолационната комбинация е 100 мм.

Фазопроменящите се материали са една от горещите точки в изследванията на материали за оранжерии. Северозападният университет A&F е разработил два вида устройства за съхранение на фазовопроменящи се материали: едното е кутия за съхранение, изработена от черен полиетилен, с размери 50 см × 30 см × 14 см (дължина × височина × дебелина) и е запълнена с фазовопроменящи се материали, така че да може да съхранява и освобождава топлина; Второ, разработен е нов тип фазовопроменяща се стенокартон. Фазопроменящият се стенокартон се състои от фазовопроменящ се материал, алуминиева плоча, алуминиево-пластмасова плоча и алуминиева сплав. Фазопроменящият се материал е разположен в най-централната позиция на стенокартона, а спецификацията му е 200 мм × 200 мм × 50 мм. Той е прахообразно твърдо вещество преди и след фазовата промяна и няма явление на топене или течене. Четирите стени на фазовопроменящия се материал са съответно алуминиева плоча и алуминиево-пластмасова плоча. Това устройство може да реализира функциите основно за съхранение на топлина през деня и основно за освобождаване на топлина през нощта.

Следователно, има някои проблеми при прилагането на единичен топлоизолационен материал, като например ниска топлоизолационна ефективност, големи топлинни загуби, кратко време за съхранение на топлина и др. Следователно, използването на композитен топлоизолационен материал като топлоизолационен слой и вътрешен и външен топлоизолационен покриващ слой на устройството за съхранение на топлина може ефективно да подобри топлоизолационните характеристики на оранжерията, да намали топлинните загуби на оранжерията и по този начин да постигне ефект на пестене на енергия.

Изследване и приложение на новата стена

Като вид ограждаща конструкция, стената е важна бариера за защита на оранжерията от студ и запазване на топлината. Според материалите и конструкциите на стените, северната стена на оранжерията може да бъде разделена на три вида: еднослойна стена, изградена от пръст, тухли и др., и многослойна северна стена, изградена от глинени тухли, блокови тухли, полистиролни плоскости и др., с вътрешно съхранение на топлина и външна топлоизолация, като повечето от тези стени са времеемки и трудоемки; поради това през последните години се появиха много нови видове стени, които са лесни за изграждане и подходящи за бърз монтаж.

Появата на нов тип сглобяеми стени насърчава бързото развитие на сглобяеми оранжерии, включително нов тип композитни стени с външни водоустойчиви и устойчиви на стареене повърхностни материали и материали като филц, перлен памук, космически памук, стъклен памук или рециклиран памук като топлоизолационни слоеве, като например гъвкави сглобяеми стени от спрей-свързан памук в Синцзян. Освен това, други проучвания съобщават и за северната стена на сглобяема оранжерия със слой за съхранение на топлина, като например тухлено-запълнени блокове от хоросан от пшенични черупки в Синцзян. При същата външна среда, когато най-ниската външна температура е -20,8℃, температурата в слънчевата оранжерия с композитна стена от блокове от хоросан от пшенични черупки е 7,5℃, докато температурата в слънчевата оранжерия с тухлено-бетонна стена е 3,2℃. Времето за прибиране на реколтата от домати в тухлена оранжерия може да се ускори с 16 дни, а добивът от единична оранжерия може да се увеличи с 18,4%.

Екипът на Северозападния университет A&F предложи дизайнерската идея за превръщане на слама, почва, вода, камък и фазово-променящи се материали в топлоизолационни и топлоакумулиращи модули от гледна точка на светлината и опростения дизайн на стените, което насърчи приложните изследвания на модулни сглобяеми стени. Например, в сравнение с обикновена тухлена оранжерия, средната температура в оранжерията е с 4,0℃ по-висока в типичен слънчев ден. Три вида неорганични фазово-променящи се циментови модули, изработени от фазово-променящ се материал (PCM) и цимент, са акумулирали топлина от 74,5, 88,0 и 95,1 MJ/m³.³и отделена топлина от 59,8, 67,8 и 84,2 MJ/m³, съответно. Те имат функциите на „рязане на пикове“ през деня, „запълване на долини“ през нощта, абсорбиране на топлина през лятото и отделяне на топлина през зимата.

Тези нови стени се сглобяват на място, с кратък период на строителство и дълъг експлоатационен живот, което създава условия за изграждане на леки, опростени и бързо сглобяеми сглобяеми оранжерии и може значително да насърчи структурната реформа на оранжериите. Съществуват обаче някои недостатъци на този вид стени, като например, пръскано-свързаната памучна топлоизолационна стена има отлични топлоизолационни характеристики, но ѝ липсва капацитет за съхранение на топлина, а фазово-променящият се строителен материал има проблема с високата експлоатационна цена. В бъдеще е необходимо да се засилят изследванията на приложението на сглобяеми стени.

Нова енергия, нови материали и нови дизайни спомагат за промяната на структурата на оранжериите.

Изследванията и иновациите в областта на новата енергия и новите материали осигуряват основата за иновативния дизайн на оранжериите. Енергоспестяващите слънчеви оранжерии и сводестите навеси са най-големите навесни конструкции в селскостопанското производство на Китай и играят важна роля в него. С развитието на социалната икономика в Китай обаче все по-често се появяват недостатъци на двата вида съоръжения. Първо, пространството на съоръженията е малко, а степента на механизация е ниска. Второ, енергоспестяващите слънчеви оранжерии имат добра топлоизолация, но използването на земята е ниско, което е еквивалентно на заместване на енергията на оранжерията със земя. Обикновените сводести навеси не само имат малко пространство, но и лоша топлоизолация. Въпреки че многопролетните оранжерии имат голямо пространство, те имат лоша топлоизолация и висока консумация на енергия. Следователно е наложително да се проучи и разработи структура на оранжерии, подходяща за настоящото социално-икономическо ниво на Китай, а изследването и разработването на нови енергийни източници и нови материали ще помогнат за промяна на структурата на оранжериите и ще създадат разнообразие от иновативни модели или структури на оранжерии.

Иновативно изследване на асиметрична оранжерия за пивоварство с воден контрол с голям обхват

Асиметричната оранжерия за пивоварство с голям обхват и водно контролирано управление (патентен номер: ZL 201220391214.2) е базирана на принципа на слънчевата оранжерия, променяйки симетричната структура на обикновената пластмасова оранжерия, увеличавайки южния обхват, увеличавайки осветената площ на южния покрив, намалявайки северния обхват и намалявайки площта за разсейване на топлината, с обхват от 18~24 м и височина на билото от 6~7 м. Чрез иновации в дизайна пространствената структура е значително увеличена. В същото време, проблемите с недостатъчното отопление в оранжерията през зимата и лошата топлоизолация на обикновените топлоизолационни материали са решени чрез използване на нова технология за топлоизолация и топлоизолационни материали за пивоварство на биомаса. Резултатите от производството и изследванията показват, че асиметричната оранжерия за пивоварство с воден контрол с голям обхват, със средна температура от 11,7℃ в слънчеви дни и 10,8℃ в облачни дни, може да отговори на нуждите от растеж на културите през зимата, а разходите за строителство на оранжерията са намалени с 39,6%, а коефициентът на използване на земята е увеличен с повече от 30% в сравнение с тази на оранжерията с полистиролни тухлени стени, което е подходящо за по-нататъшно популяризиране и приложение в басейна на река Хуайхе в Китай.

Сглобена оранжерия със слънчева светлина

Сглобената слънчева оранжерия използва колони и покривна конструкция като носеща конструкция, а материалът на стените ѝ е основно топлоизолационен корпус, вместо носеща конструкция и пасивно съхранение и освобождаване на топлина. Основно: (1) нов тип сглобена стена се формира чрез комбиниране на различни материали, като например покрито фолио или цветна стоманена плоча, сламен блок, гъвкава топлоизолационна завивка, хоросан и др. (2) композитна стенна плоскост, изработена от сглобяеми циментови плоскости-полистиренови плоскости-циментови плоскости; (3) лек и лесен за сглобяване тип топлоизолационни материали с активна система за съхранение и освобождаване на топлина и система за обезвлажняване, като например пластмасова квадратна кофа за съхранение на топлина и тръбопроводно съхранение на топлина. Използването на различни нови топлоизолационни материали и материали за съхранение на топлина вместо традиционна земна стена за изграждане на слънчева оранжерия изисква голямо пространство и малки строителни инженерни разходи. Експерименталните резултати показват, че температурата на оранжерията през нощта през зимата е с 4,5℃ по-висока от тази на традиционната тухлена оранжерия, а дебелината на задната стена е 166 мм. В сравнение с оранжерията с тухлена стена с дебелина 600 мм, заеманата площ на стената е намалена със 72%, а цената на квадратен метър е 334,5 юана, което е със 157,2 юана по-ниско от това на оранжерията с тухлена стена, а разходите за строителство са намалели значително. Следователно, сглобената оранжерия има предимствата на по-малко унищожаване на обработваема земя, спестяване на земя, бърза скорост на строителство и дълъг експлоатационен живот и е ключова насока за иновациите и развитието на слънчеви оранжерии в момента и в бъдеще.

Плъзгаща се оранжерия със слънчева светлина

Енергоспестяващата слънчева оранжерия, сглобена от скейтборд, разработена от Шенянския селскостопански университет, използва задната си стена, за да образува система за съхранение на топлина с циркулираща вода и повишаване на температурата, която се състои главно от басейн (32 м³), светлосъбираща плоча (360 м²), водна помпа, водопровод и контролер. Гъвкавият топлоизолационен слой е заменен с нов лек стоманен лист с цвят на каменна вата в горната част. Изследванията показват, че този дизайн ефективно решава проблема с фронтоните, блокиращи светлината, и увеличава площта за навлизане на светлина в оранжерията. Ъгълът на осветление на оранжерията е 41,5°, което е с близо 16° по-високо от това на контролната оранжерия, като по този начин се подобрява степента на осветление. Разпределението на вътрешната температура е равномерно и растенията растат спретнато. Оранжерията има предимствата на подобряване на ефективността на използването на земята, гъвкаво проектиране на размера на оранжерията и съкращаване на периода на строителство, което е от голямо значение за опазването на обработваемите земни ресурси и околната среда.

Фотоволтаична оранжерия

Селскостопанската оранжерия е оранжерия, която интегрира производство на слънчева фотоволтаична енергия, интелигентен контрол на температурата и модерно високотехнологично засаждане. Тя използва стоманена костна рамка и е покрита със слънчеви фотоволтаични модули, за да осигури изискванията за осветление на фотоволтаичните модули за производство на енергия и изискванията за осветление на цялата оранжерия. Постоянният ток, генериран от слънчевата енергия, директно допълва светлината на селскостопанските оранжерии, директно подпомага нормалната работа на оранжерийното оборудване, задвижва напояването на водните ресурси, повишава температурата в оранжерията и насърчава бързия растеж на културите. По този начин фотоволтаичните модули ще повлияят на ефективността на осветлението на покрива на оранжерията и след това ще повлияят на нормалния растеж на оранжерийните зеленчуци. Следователно, рационалното разположение на фотоволтаичните панели на покрива на оранжерията се превръща в ключова точка на приложение. Селскостопанската оранжерия е продукт на органичната комбинация от забележителности в земеделието и градинарството и е иновативна селскостопанска индустрия, интегрираща производство на фотоволтаична енергия, селскостопански забележителности, селскостопански култури, селскостопански технологии, ландшафтно и културно развитие.

Иновативен дизайн на оранжерийна група с енергийно взаимодействие между различните видове оранжерии

Гуо Уенджонг, изследовател в Пекинската академия по селскостопански и горски науки, използва метода на отопление чрез пренос на енергия между оранжерии, за да събере останалата топлинна енергия в една или повече оранжерии за отопление на друга или повече оранжерии. Този метод на отопление осъществява пренос на парникова енергия във времето и пространството, подобрява ефективността на използване на енергията, останала в оранжерията, и намалява общото потребление на топлинна енергия. Двата вида оранжерии могат да бъдат различни или един и същ тип оранжерии за засаждане на различни култури, като например оранжерии за маруля и домати. Методите за събиране на топлина включват главно извличане на топлината от вътрешния въздух и директно прихващане на падащата радиация. Чрез събиране на слънчева енергия, принудителна конвекция чрез топлообменник и принудително извличане чрез термопомпа, излишната топлина във високоенергийната оранжерия се извлича за отопление на оранжерията.

обобщавам

Тези нови слънчеви оранжерии имат предимствата на бърз монтаж, съкратен период на строителство и подобрен коефициент на използване на земята. Следователно е необходимо да се проучи допълнително ефективността на тези нови оранжерии в различни райони и да се осигури възможност за мащабно популяризиране и приложение на нови оранжерии. Същевременно е необходимо непрекъснато да се засилва прилагането на нова енергия и нови материали в оранжериите, за да се осигури енергия за структурната реформа на оранжериите.

Бъдеща перспектива и мислене

Традиционните оранжерии често имат някои недостатъци, като например висока консумация на енергия, ниска степен на използване на земята, отнемащи време и труд, лоша производителност и др., които вече не могат да отговорят на производствените нужди на съвременното земеделие и са склонни да бъдат постепенно елиминирани. Следователно, тенденция за развитие е използването на нови енергийни източници като слънчева енергия, енергия от биомаса, геотермална енергия и вятърна енергия, нови материали за приложение в оранжерии и нови дизайни, за да се насърчат структурните промени в оранжериите. На първо място, новите оранжерии, задвижвани от нова енергия и нови материали, трябва не само да отговарят на нуждите на механизирана работа, но и да пестят енергия, земя и разходи. Второ, необходимо е постоянно да се изследва производителността на новите оранжерии в различни райони, за да се осигурят условия за мащабно популяризиране на оранжериите. В бъдеще трябва да продължим да търсим нова енергия и нови материали, подходящи за приложение в оранжерии, и да намерим най-добрата комбинация от нова енергия, нови материали и оранжерия, така че да е възможно изграждането на нова оранжерия с ниска цена, кратък период на строителство, ниска консумация на енергия и отлични характеристики, да помогнем за промяната на структурата на оранжериите и да насърчим модернизацията на оранжериите в Китай.

Въпреки че прилагането на нова енергия, нови материали и нови дизайни в строителството на оранжерии е неизбежна тенденция, все още има много проблеми, които трябва да бъдат проучени и преодолени: (1) Увеличаване на разходите за строителство. В сравнение с традиционното отопление с въглища, природен газ или петрол, прилагането на нова енергия и нови материали е екологично и без замърсяване, но разходите за строителство се увеличават значително, което оказва известно влияние върху възвръщаемостта на инвестициите в производството и експлоатацията. В сравнение с използването на енергия, цената на новите материали ще се увеличи значително. (2) Нестабилно използване на топлинната енергия. Най-голямото предимство на използването на нова енергия е ниската експлоатационна цена и ниските емисии на въглероден диоксид, но снабдяването с енергия и топлина е нестабилно и облачните дни се превръщат в най-големия ограничаващ фактор при използването на слънчева енергия. В процеса на производство на топлина от биомаса чрез ферментация, ефективното използване на тази енергия е ограничено от проблемите с ниската ферментационна топлинна енергия, трудното управление и контрол, както и голямото пространство за съхранение на суровини. (3) Зрялост на технологиите. Тези технологии, използвани от нова енергия и нови материали, са напреднали научноизследователски и технологични постижения, а областта на приложение и обхватът им все още са доста ограничени. Те не са преминали многократно, многобройни проверки на обекти и мащабна практика и неизбежно има някои недостатъци и техническо съдържание, което трябва да се подобри при прилагането. Потребителите често отричат ​​напредъка на технологиите поради незначителни недостатъци. (4) Степента на проникване на технологиите е ниска. Широкото приложение на научни и технологични постижения изисква определена популярност. В момента новата енергия, новите технологии и новите технологии за проектиране на оранжерии са в екипа на научноизследователските центрове в университетите с определен иновационен капацитет и повечето технически изисквания или дизайнери все още не са запознати; В същото време популяризирането и прилагането на новите технологии са все още доста ограничени, тъй като основното оборудване на новите технологии е патентовано. (5) Интеграцията на нова енергия, нови материали и проектиране на оранжерийни конструкции трябва да се засили допълнително. Тъй като енергията, материалите и проектирането на оранжерийни конструкции принадлежат към три различни дисциплини, талантите с опит в проектирането на оранжерии често нямат достатъчно изследвания върху енергията и материалите, свързани с оранжериите, и обратно; Следователно, изследователите, свързани с изследванията в областта на енергията и материалите, трябва да засилят проучването и разбирането на реалните нужди на развитието на оранжерийната индустрия, а проектантите на конструкции също трябва да изучават нови материали и нови енергийни източници, за да насърчат дълбоката интеграция на трите взаимовръзки, така че да се постигне целта за практическа технология за изследване на оранжерии, ниски разходи за строителство и добър ефект на използване. Въз основа на горепосочените проблеми се препоръчва държавата, местните власти и научноизследователските центрове да засилят техническите изследвания, да провеждат задълбочени съвместни изследвания, да засилят публичността на научните и технологичните постижения, да подобрят популяризирането на постиженията и бързо да реализират целта за нови енергийни източници и нови материали, за да подпомогнат новото развитие на оранжерийната индустрия.

Цитирана информация

Ли Джианмин, Сун Гуотао, Ли Хаоджие, Ли Руи, Ху Исин. Нова енергия, нови материали и нов дизайн подпомагат новата революция в оранжерийното производство [J]. Зеленчуци, 2022,(10):1-8.