Li Jianming, Sun Guotao, etc.Tecnología de ingeniería agrícola hortícola de invernadero.2022-11-21 17:42 Publicado en Pekín

En los últimos años, la industria de los invernaderos se ha desarrollado vigorosamente.El desarrollo de invernaderos no solo mejora la tasa de utilización de la tierra y la tasa de producción de productos agrícolas, sino que también resuelve el problema del suministro de frutas y verduras fuera de temporada.Sin embargo, el invernadero también se ha enfrentado a desafíos sin precedentes.Las instalaciones originales, los métodos de calefacción y las formas estructurales han producido resistencia al medio ambiente y al desarrollo.Se necesitan con urgencia nuevos materiales y nuevos diseños para cambiar la estructura del invernadero, y se necesitan con urgencia nuevas fuentes de energía para lograr los propósitos de conservación de energía y protección ambiental, y aumentar la producción y los ingresos.

Este artículo analiza el tema de "nueva energía, nuevos materiales, nuevo diseño para ayudar a la nueva revolución del efecto invernadero", incluida la investigación e innovación de energía solar, energía de biomasa, energía geotérmica y otras nuevas fuentes de energía en efecto invernadero, la investigación y aplicación de nuevos materiales para cubrir, aislamiento térmico, paredes y otros equipos, y la perspectiva futura y pensar en nuevas energías, nuevos materiales y nuevos diseños para ayudar a la reforma del invernadero, a fin de proporcionar una referencia para la industria.

El desarrollo de la agricultura de instalaciones es el requisito político y la opción inevitable para implementar el espíritu de las instrucciones importantes y la toma de decisiones del gobierno central.En 2020, el área total de agricultura protegida en China será de 2,8 millones de hm2 y el valor de producción superará el billón de yuanes.Es una forma importante de mejorar la capacidad de producción del invernadero para mejorar la iluminación del invernadero y el rendimiento del aislamiento térmico a través de nueva energía, nuevos materiales y un nuevo diseño del invernadero.Hay muchas desventajas en la producción de invernadero tradicional, como el carbón, el fuel oil y otras fuentes de energía utilizadas para calentar y calentar en los invernaderos tradicionales, lo que genera una gran cantidad de gas de dióxido, que contamina gravemente el medio ambiente, mientras que el gas natural, la energía eléctrica y otras fuentes de energía aumentan el costo operativo de los invernaderos.Los materiales tradicionales de almacenamiento de calor para las paredes de los invernaderos son en su mayoría arcilla y ladrillos, que consumen mucho y causan graves daños a los recursos de la tierra.La eficiencia del uso de la tierra del invernadero solar tradicional con pared de tierra es solo del 40% ~ 50%, y el invernadero común tiene poca capacidad de almacenamiento de calor, por lo que no puede vivir durante el invierno para producir vegetales cálidos en el norte de China.Por lo tanto, el núcleo de la promoción del cambio de efecto invernadero, o investigación básica, radica en el diseño de invernaderos, la investigación y el desarrollo de nuevos materiales y nuevas energías.Este artículo se centrará en la investigación y la innovación de nuevas fuentes de energía en invernaderos, resumirá el estado de la investigación de nuevas fuentes de energía como la energía solar, la energía de biomasa, la energía geotérmica, la energía eólica y los nuevos materiales de revestimiento transparente, materiales de aislamiento térmico y materiales de pared en invernadero, analice la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales en la construcción de nuevos invernaderos, y espere su papel en el futuro desarrollo y transformación de invernaderos.

Investigación e innovación de invernadero de nueva energía

La nueva energía verde con el mayor potencial de utilización agrícola incluye la energía solar, la energía geotérmica y la energía de biomasa, o la utilización integral de una variedad de nuevas fuentes de energía, para lograr un uso eficiente de la energía aprendiendo de los puntos fuertes de cada uno.

energía/poder solar

La tecnología de energía solar es un modo de suministro de energía sostenible, eficiente y con bajas emisiones de carbono, y es un componente importante de las industrias emergentes estratégicas de China.Se convertirá en una elección inevitable para la transformación y mejora de la estructura energética de China en el futuro.Desde el punto de vista de la utilización de energía, el propio invernadero es una estructura de instalación para la utilización de energía solar.A través del efecto invernadero, la energía solar se acumula en el interior, se eleva la temperatura del invernadero y se proporciona el calor necesario para el crecimiento de los cultivos.La principal fuente de energía de la fotosíntesis de las plantas de invernadero es la luz solar directa, que es la utilización directa de la energía solar.

01 Generación de energía fotovoltaica para generar calor

La generación de energía fotovoltaica es una tecnología que convierte directamente la energía luminosa en energía eléctrica basada en el efecto fotovoltaico.El elemento clave de esta tecnología es la célula solar.Cuando la energía solar incide sobre la matriz de paneles solares en serie o en paralelo, los componentes semiconductores convierten directamente la energía de la radiación solar en energía eléctrica.La tecnología fotovoltaica puede convertir directamente la energía luminosa en energía eléctrica, almacenar electricidad a través de baterías y calentar el invernadero por la noche, pero su alto costo restringe su desarrollo posterior.El grupo de investigación desarrolló un dispositivo de calentamiento de grafeno fotovoltaico, que consta de paneles fotovoltaicos flexibles, una máquina de control inverso todo en uno, una batería de almacenamiento y una barra de calentamiento de grafeno.De acuerdo con la longitud de la línea de plantación, la barra de calentamiento de grafeno se entierra debajo de la bolsa de sustrato.Durante el día, los paneles fotovoltaicos absorben la radiación solar para generar electricidad y almacenarla en la batería de almacenamiento, y luego la electricidad se libera por la noche para la barra de calentamiento de grafeno.En la medición real, se adopta el modo de control de temperatura de inicio a 17 ℃ y cierre a 19 ℃.Funcionando de noche (20:00-08:00 el segundo día) durante 8 horas, el consumo de energía para calentar una sola hilera de plantas es de 1,24 kW·h, y la temperatura promedio de la bolsa de sustrato por la noche es de 19,2 ℃, que es 3,5 ~ 5,3 ℃ más alto que el del control.Este método de calefacción combinado con la generación de energía fotovoltaica resuelve los problemas de alto consumo de energía y alta contaminación en la calefacción de invernaderos en invierno.

02 conversión y utilización fototérmica

La conversión fototérmica solar se refiere al uso de una superficie especial de recolección de luz solar hecha de materiales de conversión fototérmica para recolectar y absorber la mayor cantidad posible de energía solar irradiada y convertirla en energía térmica.En comparación con las aplicaciones solares fotovoltaicas, las aplicaciones solares fototérmicas aumentan la absorción de la banda del infrarrojo cercano, por lo que tiene una mayor eficiencia de utilización de energía de la luz solar, menor costo y tecnología madura, y es la forma más utilizada de utilización de energía solar.

La tecnología más madura de conversión y utilización fototérmica en China es el colector solar, cuyo componente central es el núcleo de placa absorbente de calor con revestimiento de absorción selectiva, que puede convertir la energía de radiación solar que pasa a través de la placa de cubierta en energía térmica y transmitir al medio de trabajo absorbente de calor.Los colectores solares se pueden dividir en dos categorías según haya o no un espacio de vacío en el colector: colectores solares planos y colectores solares de tubos de vacío;colectores solares de concentración y colectores solares de no concentración según si la radiación solar en el puerto de luz natural cambia de dirección;y colectores solares líquidos y colectores solares de aire según el tipo de medio de trabajo de transferencia de calor.

La utilización de la energía solar en el invernadero se lleva a cabo principalmente a través de varios tipos de colectores solares.La Universidad Ibn Zor de Marruecos ha desarrollado un sistema de calefacción de energía solar activa (ASHS) para el calentamiento del invernadero, que puede aumentar la producción total de tomate en un 55 % en invierno.La Universidad Agrícola de China ha diseñado y desarrollado un conjunto de sistemas de recolección y descarga de ventiladores enfriadores de superficie, con una capacidad de recolección de calor de 390,6～693,0 MJ, y presentó la idea de separar el proceso de recolección de calor del proceso de almacenamiento de calor mediante bomba de calor.La Universidad de Bari en Italia ha desarrollado un sistema de calefacción de poligeneración de invernadero, que consta de un sistema de energía solar y una bomba de calor aire-agua, y puede aumentar la temperatura del aire en un 3,6 % y la temperatura del suelo en un 92 %.El grupo de investigación ha desarrollado un tipo de equipo de recolección de calor solar activo con ángulo de inclinación variable para invernadero solar y un dispositivo de almacenamiento de calor de apoyo para el cuerpo de agua del invernadero en todo el clima.La tecnología activa de captación de calor solar con inclinación variable supera las limitaciones de los equipos tradicionales de captación de calor de los invernaderos, como la limitada capacidad de captación de calor, la sombra y la ocupación de la tierra cultivada.Mediante el uso de la estructura de invernadero especial del invernadero solar, el espacio de no plantación del invernadero se utiliza por completo, lo que mejora en gran medida la eficiencia de utilización del espacio del invernadero.En condiciones de trabajo soleadas típicas, el sistema activo de recolección de calor solar con inclinación variable alcanza 1,9 MJ/(m2h), la eficiencia de utilización de energía alcanza el 85,1 % y la tasa de ahorro de energía es del 77 %.En la tecnología de almacenamiento de calor de invernadero, se establece la estructura de almacenamiento de calor de cambio multifásico, se aumenta la capacidad de almacenamiento de calor del dispositivo de almacenamiento de calor y se realiza la liberación lenta de calor del dispositivo, a fin de realizar el uso eficiente de el calor recogido por el equipo de recogida de calor solar del invernadero.

energía de biomasa

Se construye una nueva estructura de instalaciones combinando el dispositivo de producción de calor de biomasa con el invernadero, y las materias primas de biomasa, como el estiércol de cerdo, los residuos de hongos y la paja, se compostan para producir calor, y la energía térmica generada se suministra directamente al invernadero [ 5].Comparado con el invernadero sin tanque de calefacción de fermentación de biomasa, el invernadero de calefacción puede aumentar efectivamente la temperatura del suelo en el invernadero y mantener la temperatura adecuada de las raíces de los cultivos cultivados en el suelo en el clima normal en invierno.Tomando como ejemplo un invernadero de aislamiento térmico asimétrico de una sola capa con una luz de 17 m y una longitud de 30 m, agregando 8 m de desechos agrícolas (mezcla de paja de tomate y estiércol de cerdo) en el tanque de fermentación interior para una fermentación natural sin voltear la lata de pila aumentar la temperatura diaria promedio del invernadero en 4,2 ℃ en invierno, y la temperatura mínima diaria promedio puede alcanzar los 4,6 ℃.

La utilización de energía de la fermentación controlada por biomasa es un método de fermentación que utiliza instrumentos y equipos para controlar el proceso de fermentación con el fin de obtener rápidamente y utilizar eficientemente energía térmica de biomasa y fertilizante de gas CO2, entre los cuales la ventilación y la humedad son los factores clave para regular el calor de fermentación. y producción de gas de biomasa.En condiciones ventiladas, los microorganismos aeróbicos en la pila de fermentación usan oxígeno para actividades vitales, y parte de la energía generada se usa para sus propias actividades vitales, y parte de la energía se libera al medio ambiente como energía térmica, que es beneficiosa para la temperatura. auge del medio ambiente.El agua participa en todo el proceso de fermentación, proporciona los nutrientes solubles necesarios para las actividades microbianas y, al mismo tiempo, libera el calor de la pila en forma de vapor a través del agua, para reducir la temperatura de la pila, prolongar la vida de microorganismos y aumentar la temperatura general de la pila.La instalación de un dispositivo de lixiviación de paja en el tanque de fermentación puede aumentar la temperatura interior entre 3 y 5 ℃ en invierno, fortalecer la fotosíntesis de la planta y aumentar el rendimiento del tomate en un 29,6 %.

Energía geotérmica

China es rica en recursos geotérmicos.En la actualidad, la forma más común para que las instalaciones agrícolas utilicen energía geotérmica es usar una bomba de calor de fuente terrestre, que puede transferir energía térmica de bajo grado a energía térmica de alto grado al ingresar una pequeña cantidad de energía de alto grado (como energía eléctrica).A diferencia de las medidas tradicionales de calefacción de invernadero, la calefacción con bomba de calor de fuente terrestre no solo puede lograr un efecto de calefacción significativo, sino que también tiene la capacidad de enfriar el invernadero y reducir la humedad en el invernadero.La investigación de aplicaciones de bombas de calor geotérmicas en el campo de la construcción de viviendas está madura.La parte central que afecta la capacidad de calefacción y refrigeración de la bomba de calor geotérmica es el módulo de intercambio de calor subterráneo, que incluye principalmente tuberías enterradas, pozos subterráneos, etc. La forma de diseñar un sistema de intercambio de calor subterráneo con un costo y un efecto equilibrados siempre ha sido ha sido el foco de investigación de esta parte.Al mismo tiempo, el cambio de la temperatura de la capa subterránea del suelo en la aplicación de la bomba de calor geotérmica también afecta el efecto de uso del sistema de bomba de calor.El uso de la bomba de calor geotérmica para enfriar el invernadero en verano y almacenar la energía térmica en la capa profunda del suelo puede aliviar la caída de temperatura de la capa subterránea del suelo y mejorar la eficiencia de producción de calor de la bomba de calor geotérmica en invierno.

En la actualidad, en la investigación del rendimiento y eficiencia de la bomba de calor geotérmica, a través de los datos experimentales reales, se establece un modelo numérico con software como TOUGH2 y TRNSYS, y se concluye que el rendimiento de calefacción y el coeficiente de rendimiento (COP ) de la bomba de calor de fuente terrestre puede alcanzar 3,0 ~ 4,5, lo que tiene un buen efecto de enfriamiento y calentamiento.En la investigación de la estrategia de operación del sistema de bomba de calor, Fu Yunzhun y otros descubrieron que, en comparación con el flujo del lado de la carga, el flujo del lado de la fuente subterránea tiene un mayor impacto en el rendimiento de la unidad y el rendimiento de la transferencia de calor de la tubería enterrada. .Bajo la condición de configuración de flujo, el valor COP máximo de la unidad puede alcanzar 4.17 al adoptar el esquema de operación de operar por 2 horas y detenerse por 2 horas;Shi Huixian et.adoptó un modo de funcionamiento intermitente del sistema de refrigeración de almacenamiento de agua.En verano, cuando la temperatura es alta, el COP de todo el sistema de suministro de energía puede llegar a 3,80.

Tecnología de almacenamiento de calor en suelo profundo en invernadero

El almacenamiento de calor en el suelo profundo en el invernadero también se denomina "banco de almacenamiento de calor" en el invernadero.Los daños por frío en invierno y las altas temperaturas en verano son los principales obstáculos para la producción en invernadero.Basándose en la gran capacidad de almacenamiento de calor del suelo profundo, el grupo de investigación diseñó un dispositivo de almacenamiento de calor profundo subterráneo para invernadero.El dispositivo es una tubería de transferencia de calor paralela de doble capa enterrada a una profundidad de 1,5 a 2,5 m bajo tierra en el invernadero, con una entrada de aire en la parte superior del invernadero y una salida de aire en el suelo.Cuando la temperatura en el invernadero es alta, un ventilador bombea a la fuerza el aire interior hacia el suelo para lograr el almacenamiento de calor y la reducción de la temperatura.Cuando la temperatura del invernadero es baja, se extrae calor del suelo para calentar el invernadero.Los resultados de producción y aplicación muestran que el dispositivo puede aumentar la temperatura del invernadero en 2,3 ℃ en la noche de invierno, reducir la temperatura interior en 2,6 ℃ en el día de verano y aumentar la producción de tomate en 1500 kg en 667 m².El dispositivo aprovecha al máximo las características de "cálido en invierno y fresco en verano" y "temperatura constante" del suelo subterráneo profundo, proporciona un "banco de acceso a la energía" para el invernadero y completa continuamente las funciones auxiliares de refrigeración y calefacción del invernadero. .

Coordinación multienergética

El uso de dos o más tipos de energía para calentar el invernadero puede compensar eficazmente las desventajas de un solo tipo de energía y dar lugar al efecto de superposición de "uno más uno es mayor que dos".La cooperación complementaria entre la energía geotérmica y la energía solar es un foco de investigación de la utilización de nuevas energías en la producción agrícola en los últimos años.Emmi et.estudió un sistema de energía multifuente (Figura 1), que está equipado con un colector solar híbrido fotovoltaico-térmico.En comparación con el sistema común de bomba de calor de aire y agua, la eficiencia energética del sistema de energía de múltiples fuentes mejora entre un 16 % y un 25 %.Zheng et.desarrolló un nuevo tipo de sistema de almacenamiento de calor acoplado de energía solar y bomba de calor geotérmica.El sistema de colector solar puede realizar un almacenamiento estacional de calefacción de alta calidad, es decir, calefacción de alta calidad en invierno y refrigeración de alta calidad en verano.El intercambiador de calor de tubo enterrado y el tanque de almacenamiento de calor intermitente pueden funcionar bien en el sistema, y ​​el valor COP del sistema puede llegar a 6,96.

Combinado con la energía solar, tiene como objetivo reducir el consumo de energía comercial y mejorar la estabilidad del suministro de energía solar en el invernadero.Wan Ya et.presentó un nuevo esquema de tecnología de control inteligente que combina la generación de energía solar con energía comercial para la calefacción de invernaderos, que puede hacer uso de la energía fotovoltaica cuando hay luz y convertirla en energía comercial cuando no hay luz, lo que reduce en gran medida la escasez de energía de carga tasa, y reduciendo el costo económico sin usar baterías.

La energía solar, la energía de biomasa y la energía eléctrica pueden calentar conjuntamente los invernaderos, que también pueden lograr una alta eficiencia de calefacción.Zhang Liangrui y otros combinaron la recolección de calor del tubo de vacío solar con el tanque de agua de almacenamiento de calor de electricidad del valle.El sistema de calefacción del invernadero tiene un buen confort térmico y la eficiencia de calefacción media del sistema es del 68,70 %.El tanque de agua de almacenamiento de calor eléctrico es un dispositivo de almacenamiento de agua de calefacción de biomasa con calefacción eléctrica.Se establece la temperatura más baja de entrada de agua en el extremo de calentamiento, y la estrategia de operación del sistema se determina de acuerdo con la temperatura de almacenamiento de agua de la parte de recolección de calor solar y la parte de almacenamiento de calor de biomasa, para lograr una temperatura de calentamiento estable en el terminar la calefacción y ahorrar energía eléctrica y materiales energéticos de biomasa al máximo.

Investigación innovadora y aplicación de nuevos materiales de efecto invernadero

Con la expansión del área del invernadero, se revelan cada vez más las desventajas de la aplicación de los materiales de invernadero tradicionales, como los ladrillos y el suelo.Por lo tanto, con el fin de mejorar aún más el rendimiento térmico de los invernaderos y satisfacer las necesidades de desarrollo de los invernaderos modernos, existen muchas investigaciones y aplicaciones de nuevos materiales de cubierta transparentes, materiales de aislamiento térmico y materiales de pared.

Investigación y aplicación de nuevos materiales de recubrimiento transparentes

Los tipos de materiales de cubierta transparentes para invernaderos incluyen principalmente película plástica, vidrio, panel solar y panel fotovoltaico, entre los cuales la película plástica tiene el área de aplicación más grande.La película de PE de invernadero tradicional tiene los defectos de una vida útil corta, no degradable y de función única.En la actualidad, se han desarrollado una variedad de nuevas películas funcionales mediante la adición de reactivos o recubrimientos funcionales.

Película de conversión de luz:La película de conversión de luz cambia las propiedades ópticas de la película mediante el uso de agentes de conversión de luz como tierras raras y nanomateriales, y puede convertir la región de luz ultravioleta en luz naranja roja y luz violeta azul requerida por la fotosíntesis de la planta, aumentando así el rendimiento de los cultivos y reduciendo el daño de la luz ultravioleta a los cultivos y películas de invernadero en invernaderos de plástico.Por ejemplo, la película de invernadero de banda ancha de púrpura a rojo con el agente de conversión de luz VTR-660 puede mejorar significativamente la transmitancia infrarroja cuando se aplica en el invernadero y, en comparación con el invernadero de control, el rendimiento del tomate por hectárea, la vitamina C y el contenido de licopeno. se incrementan significativamente en un 25,71%, 11,11% y 33,04% respectivamente.Sin embargo, en la actualidad, la vida útil, la degradabilidad y el costo de la nueva película de conversión de luz aún deben estudiarse.

Vidrio disperso: El vidrio disperso en el invernadero es un patrón especial y una tecnología antirreflectante en la superficie del vidrio, que puede maximizar la luz solar en luz dispersa e ingresar al invernadero, mejorar la eficiencia de la fotosíntesis de los cultivos y aumentar el rendimiento de los cultivos.El vidrio de dispersión convierte la luz que ingresa al invernadero en luz dispersa a través de patrones especiales, y la luz dispersa puede irradiarse de manera más uniforme hacia el invernadero, eliminando la influencia de la sombra del esqueleto en el invernadero.En comparación con el vidrio flotado común y el vidrio flotado ultrablanco, el estándar de transmisión de luz del vidrio de dispersión es del 91,5 % y el del vidrio flotado común es del 88 %.Por cada 1% de aumento en la transmisión de luz dentro del invernadero, el rendimiento puede aumentar en aproximadamente un 3%, y el azúcar soluble y la vitamina C en frutas y verduras han aumentado.El vidrio de dispersión en el invernadero se recubre primero y luego se templa, y la tasa de autoexplosión es más alta que el estándar nacional, alcanzando el 2‰.

Investigación y Aplicación de Nuevos Materiales de Aislamiento Térmico

Los materiales de aislamiento térmico tradicionales en el invernadero incluyen principalmente esteras de paja, edredones de papel, edredones de aislamiento térmico de fieltro punzonado, etc., que se utilizan principalmente para el aislamiento térmico interno y externo de techos, aislamiento de paredes y aislamiento térmico de algunos dispositivos de almacenamiento y recolección de calor. .La mayoría de ellos tienen el defecto de perder el rendimiento del aislamiento térmico debido a la humedad interna después de un uso prolongado.Por lo tanto, hay muchas aplicaciones de nuevos materiales de alto aislamiento térmico, entre los cuales el nuevo edredón de aislamiento térmico, el almacenamiento de calor y los dispositivos de recolección de calor son el foco de investigación.

Los nuevos materiales de aislamiento térmico generalmente se fabrican mediante el procesamiento y la combinación de materiales impermeables y resistentes al envejecimiento de la superficie, como películas tejidas y fieltro revestido, con materiales de aislamiento térmico esponjosos, como algodón revestido con spray, cachemira variada y algodón perlado.En el noreste de China se probó un edredón de aislamiento térmico de algodón recubierto con película tejida.Se descubrió que agregar 500 g de algodón rociado era equivalente al rendimiento de aislamiento térmico de una colcha de aislamiento térmico de fieltro negro de 4500 g en el mercado.En las mismas condiciones, el rendimiento del aislamiento térmico del algodón rociado de 700 g mejoró entre 1 y 2 ℃ en comparación con el edredón de aislamiento térmico de algodón rociado de 500 g.Al mismo tiempo, otros estudios también encontraron que, en comparación con los edredones de aislamiento térmico de uso común en el mercado, el efecto de aislamiento térmico del algodón recubierto con aerosol y los edredones de aislamiento térmico de cachemira miscelánea es mejor, con tasas de aislamiento térmico de 84.0% y 83.3 %respectivamente.Cuando la temperatura exterior más fría es -24,4 ℃, la temperatura interior puede alcanzar los 5,4 y 4,2 ℃ respectivamente.En comparación con el edredón de aislamiento de manta de paja simple, el nuevo edredón de aislamiento compuesto tiene las ventajas de peso ligero, alta tasa de aislamiento, fuerte resistencia al agua y al envejecimiento, y puede usarse como un nuevo tipo de material de aislamiento de alta eficiencia para invernaderos solares.

Al mismo tiempo, de acuerdo con la investigación de materiales de aislamiento térmico para dispositivos de recolección y almacenamiento de calor de invernadero, también se encontró que cuando el grosor es el mismo, los materiales de aislamiento térmico compuestos de múltiples capas tienen un mejor rendimiento de aislamiento térmico que los materiales individuales.El equipo del profesor Li Jianming de la Universidad Northwest A&F diseñó y evaluó 22 tipos de materiales de aislamiento térmico de dispositivos de almacenamiento de agua de invernadero, como placas de vacío, aerogel y algodón de caucho, y midió sus propiedades térmicas.Los resultados mostraron que el revestimiento de aislamiento térmico de 80 mm + aerogel + material aislante compuesto de algodón para aislamiento térmico de caucho y plástico podría reducir la disipación de calor en 0,367 MJ por unidad de tiempo en comparación con el algodón de caucho y plástico de 80 mm, y su coeficiente de transferencia de calor fue de 0,283 W/(m2 ·k) cuando el espesor de la combinación de aislamiento sea de 100 mm.

El material de cambio de fase es uno de los puntos calientes en la investigación de materiales de invernadero.La Universidad Northwest A&F ha desarrollado dos tipos de dispositivos de almacenamiento de material de cambio de fase: uno es una caja de almacenamiento hecha de polietileno negro, que tiene un tamaño de 50 cm × 30 cm × 14 cm (largo × alto × grosor) y está lleno de materiales de cambio de fase, por lo que que puede almacenar calor y liberar calor;En segundo lugar, se desarrolla un nuevo tipo de panel de cambio de fase.El panel de yeso de cambio de fase consta de material de cambio de fase, placa de aluminio, placa de aluminio y plástico y aleación de aluminio.El material de cambio de fase está ubicado en la posición más central del tablero y su especificación es de 200 mm × 200 mm × 50 mm.Es un sólido en polvo antes y después del cambio de fase, y no hay fenómeno de fusión o flujo.Las cuatro paredes del material de cambio de fase son una placa de aluminio y una placa de aluminio y plástico, respectivamente.Este dispositivo puede realizar las funciones de almacenar calor principalmente durante el día y liberar calor principalmente durante la noche.

Por lo tanto, existen algunos problemas en la aplicación de un solo material de aislamiento térmico, como baja eficiencia de aislamiento térmico, gran pérdida de calor, corto tiempo de almacenamiento de calor, etc. Por lo tanto, el uso de material de aislamiento térmico compuesto como capa de aislamiento térmico y aislamiento térmico interior y exterior La capa de recubrimiento del dispositivo de almacenamiento de calor puede mejorar efectivamente el rendimiento del aislamiento térmico del invernadero, reducir la pérdida de calor del invernadero y, por lo tanto, lograr el efecto de ahorro de energía.

Investigación y aplicación de New Wall

Como una especie de estructura de cerramiento, la pared es una barrera importante para la protección contra el frío y la preservación del calor del invernadero.De acuerdo con los materiales y estructuras de la pared, el desarrollo de la pared norte del invernadero se puede dividir en tres tipos: la pared de una sola capa hecha de tierra, ladrillos, etc., y la pared norte en capas hecha de ladrillos de arcilla, bloques de ladrillos, tableros de poliestireno, etc., con almacenamiento de calor interno y aislamiento térmico externo, y la mayoría de estas paredes requieren mucho tiempo y mano de obra;Por lo tanto, en los últimos años han aparecido muchos tipos nuevos de muros, que son fáciles de construir y adecuados para un montaje rápido.

La aparición de paredes ensambladas de nuevo tipo promueve el rápido desarrollo de los invernaderos ensamblados, incluidas las paredes compuestas de nuevo tipo con materiales de superficie impermeables y antienvejecimiento externos y materiales como fieltro, algodón perlado, algodón espacial, algodón de vidrio o algodón reciclado como calor. capas de aislamiento, como paredes ensambladas flexibles de algodón unido por aspersión en Xinjiang.Además, otros estudios también han informado sobre la pared norte del invernadero ensamblado con una capa de almacenamiento de calor, como un bloque de mortero de cáscara de trigo relleno de ladrillos en Xinjiang.Bajo el mismo entorno externo, cuando la temperatura exterior más baja es de -20,8 ℃, la temperatura en el invernadero solar con pared compuesta de bloque de mortero de cáscara de trigo es de 7,5 ℃, mientras que la temperatura en el invernadero solar con pared de ladrillo y hormigón es de 3,2 ℃.El tiempo de cosecha del tomate en un invernadero de ladrillo se puede adelantar 16 días y el rendimiento de un solo invernadero se puede aumentar en un 18,4 %.

El equipo de la instalación de la Universidad Northwest A&F presentó la idea de diseño de hacer paja, tierra, agua, piedra y materiales de cambio de fase en módulos de aislamiento térmico y almacenamiento de calor desde el ángulo de la luz y un diseño de pared simplificado, lo que promovió la investigación de aplicaciones de módulos ensamblados modulares. muro.Por ejemplo, en comparación con un invernadero de pared de ladrillo ordinario, la temperatura promedio en el invernadero es 4.0 ℃ más alta en un día soleado típico.Tres tipos de módulos de cemento de cambio de fase inorgánico, que están hechos de material de cambio de fase (PCM) y cemento, han acumulado calor de 74,5, 88,0 y 95,1 MJ/m³, y liberó calor de 59,8, 67,8 y 84,2 MJ/m³, respectivamente.Tienen las funciones de "corte de picos" durante el día, "llenado de valles" durante la noche, absorción de calor en verano y liberación de calor en invierno.

Estos nuevos muros se ensamblan en el sitio, con un período de construcción corto y una vida útil prolongada, lo que crea las condiciones para la construcción de invernaderos prefabricados livianos, simplificados y de ensamblaje rápido, y puede promover en gran medida la reforma estructural de los invernaderos.Sin embargo, hay algunos defectos en este tipo de pared, como que la pared del edredón de aislamiento térmico de algodón adherido por pulverización tiene un excelente rendimiento de aislamiento térmico, pero carece de capacidad de almacenamiento de calor, y el material de construcción de cambio de fase tiene el problema del alto costo de uso.En el futuro, se debe fortalecer la investigación de aplicaciones de paredes ensambladas.

La nueva energía, los nuevos materiales y los nuevos diseños ayudan a cambiar la estructura del invernadero.

La investigación y la innovación de nuevas energías y nuevos materiales sientan las bases para la innovación en el diseño de los invernaderos.El invernadero solar y el cobertizo de arco que ahorran energía son las estructuras de cobertizo más grandes en la producción agrícola de China y juegan un papel importante en la producción agrícola.Sin embargo, con el desarrollo de la economía social de China, las deficiencias de los dos tipos de estructuras de instalaciones se presentan cada vez más.Primero, el espacio de las estructuras de las instalaciones es pequeño y el grado de mecanización es bajo;En segundo lugar, el invernadero solar que ahorra energía tiene un buen aislamiento térmico, pero el uso de la tierra es bajo, lo que equivale a reemplazar la energía del invernadero con tierra.El cobertizo de arco ordinario no solo tiene poco espacio, sino que también tiene un aislamiento térmico deficiente.Aunque el invernadero de varios tramos tiene un gran espacio, tiene un aislamiento térmico deficiente y un alto consumo de energía.Por lo tanto, es imperativo investigar y desarrollar la estructura del invernadero adecuada para el nivel social y económico actual de China, y la investigación y el desarrollo de nuevas energías y nuevos materiales ayudarán a que la estructura del invernadero cambie y produzca una variedad de modelos o estructuras de invernadero innovadores.

Investigación innovadora sobre un invernadero cervecero controlado por agua asimétrico de gran envergadura

El invernadero cervecero controlado por agua asimétrico de gran envergadura (número de patente: ZL 201220391214.2) se basa en el principio del invernadero de luz solar, cambiando la estructura simétrica del invernadero de plástico ordinario, aumentando el tramo sur, aumentando el área de iluminación del techo sur, reduciendo el vano norte y reduce el área de disipación de calor, con un vano de 18~24m y una altura de cumbrera de 6~7m.A través de la innovación en el diseño, la estructura espacial se ha incrementado significativamente.Al mismo tiempo, los problemas de calor insuficiente en el invernadero en invierno y aislamiento térmico deficiente de los materiales de aislamiento térmico comunes se resuelven mediante el uso de nueva tecnología de materiales de aislamiento térmico y calor de elaboración de biomasa.Los resultados de producción e investigación muestran que el invernadero de elaboración de cerveza asimétrico de gran envergadura controlado por agua, con una temperatura promedio de 11,7 ℃ en días soleados y 10,8 ℃ en días nublados, puede satisfacer la demanda de crecimiento de cultivos en invierno y el costo de construcción de el invernadero se reduce en un 39,6% y la tasa de utilización de la tierra aumenta en más del 30% en comparación con el invernadero de pared de ladrillos de poliestireno, que es adecuado para una mayor popularización y aplicación en la cuenca del río Yellow Huaihe de China.

Invernadero de luz solar ensamblado

El invernadero de luz solar ensamblado toma las columnas y el esqueleto del techo como estructura portante, y el material de la pared es principalmente un recinto de aislamiento térmico, en lugar de almacenamiento y liberación de calor pasivo y portante.Principalmente: (1) un nuevo tipo de pared ensamblada se forma combinando varios materiales, como película recubierta o placa de acero de color, bloque de paja, colcha de aislamiento térmico flexible, bloque de mortero, etc. (2) panel de pared compuesto hecho de panel de cemento prefabricado -placa de poliestireno-placa de cemento;(3) Tipo de montaje ligero y simple de materiales de aislamiento térmico con sistema activo de almacenamiento y liberación de calor y sistema de deshumidificación, como almacenamiento de calor de cubo cuadrado de plástico y almacenamiento de calor de tubería.El uso de diferentes materiales nuevos de aislamiento térmico y materiales de almacenamiento de calor en lugar de la pared de tierra tradicional para construir un invernadero solar tiene un gran espacio y una pequeña ingeniería civil.Los resultados experimentales muestran que la temperatura del invernadero durante la noche en invierno es 4,5 ℃ más alta que la del invernadero de pared de ladrillo tradicional, y el grosor de la pared trasera es de 166 mm.En comparación con el invernadero de paredes de ladrillo de 600 mm de espesor, el área ocupada de la pared se reduce en un 72 % y el costo por metro cuadrado es de 334,5 yuanes, que es 157,2 yuanes más bajo que el del invernadero de paredes de ladrillos, y el costo de construcción ha bajado significativamente.Por lo tanto, el invernadero ensamblado tiene las ventajas de una menor destrucción de tierra cultivada, ahorro de tierra, velocidad de construcción rápida y larga vida útil, y es una dirección clave para la innovación y el desarrollo de invernaderos solares en el presente y en el futuro.

Invernadero solar deslizante

El invernadero solar ahorrador de energía montado en una patineta desarrollado por la Universidad Agrícola de Shenyang utiliza la pared trasera del invernadero solar para formar un sistema de almacenamiento de calor de pared de circulación de agua para almacenar calor y elevar la temperatura, que se compone principalmente de una piscina (32 m³), una placa colectora de luz (360m²), una bomba de agua, una tubería de agua y un controlador.El edredón de aislamiento térmico flexible se reemplaza por un nuevo material ligero de placa de acero de color lana de roca en la parte superior.La investigación muestra que este diseño resuelve efectivamente el problema de los hastiales que bloquean la luz y aumenta el área de entrada de luz del invernadero.El ángulo de iluminación del invernadero es de 41,5°, casi 16° más alto que el del invernadero de control, lo que mejora la tasa de iluminación.La distribución de la temperatura interior es uniforme y las plantas crecen ordenadamente.El invernadero tiene las ventajas de mejorar la eficiencia del uso de la tierra, diseñar de manera flexible el tamaño del invernadero y acortar el período de construcción, lo cual es de gran importancia para proteger los recursos de la tierra cultivada y el medio ambiente.

invernadero fotovoltaico

El invernadero agrícola es un invernadero que integra generación de energía solar fotovoltaica, control inteligente de temperatura y plantación moderna de alta tecnología.Adopta un marco óseo de acero y está cubierto con módulos solares fotovoltaicos para garantizar los requisitos de iluminación de los módulos de generación de energía fotovoltaica y los requisitos de iluminación de todo el invernadero.La corriente continua generada por la energía solar complementa directamente la luz de los invernaderos agrícolas, apoya directamente el funcionamiento normal de los equipos del invernadero, impulsa el riego de los recursos hídricos, aumenta la temperatura del invernadero y promueve el rápido crecimiento de los cultivos.Los módulos fotovoltaicos de esta manera afectarán la eficiencia de iluminación del techo del invernadero y luego afectarán el crecimiento normal de las verduras del invernadero.Por lo tanto, el diseño racional de los paneles fotovoltaicos en el techo del invernadero se convierte en el punto clave de aplicación.El invernadero agrícola es el producto de la combinación orgánica de la agricultura de turismo y la jardinería de instalaciones, y es una industria agrícola innovadora que integra la generación de energía fotovoltaica, el turismo agrícola, los cultivos agrícolas, la tecnología agrícola, el paisaje y el desarrollo cultural.

Diseño innovador de grupo invernadero con interacción energética entre diferentes tipos de invernaderos

Guo Wenzhong, investigador de la Academia de Ciencias Agrícolas y Forestales de Beijing, utiliza el método de calefacción de transferencia de energía entre invernaderos para recolectar la energía térmica restante en uno o más invernaderos para calentar otro o más invernaderos.Este método de calentamiento realiza la transferencia de energía de efecto invernadero en el tiempo y el espacio, mejora la eficiencia de utilización de energía de la energía térmica restante del efecto invernadero y reduce el consumo total de energía de calefacción.Los dos tipos de invernaderos pueden ser tipos de invernadero diferentes o el mismo tipo de invernadero para plantar varios cultivos, como invernaderos de lechuga y tomate.Los métodos de recolección de calor incluyen principalmente extraer el calor del aire interior e interceptar directamente la radiación incidente.A través de la recolección de energía solar, convección forzada por intercambiador de calor y extracción forzada por bomba de calor, el calor excedente en el invernadero de alta energía se extrajo para calentar el invernadero.

resumir

Estos nuevos invernaderos solares tienen las ventajas de un montaje rápido, un período de construcción más corto y una mejor tasa de utilización de la tierra.Por lo tanto, es necesario explorar más a fondo el rendimiento de estos nuevos invernaderos en diferentes áreas y brindar la posibilidad de popularización y aplicación a gran escala de nuevos invernaderos.Al mismo tiempo, es necesario fortalecer continuamente la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales en los invernaderos, a fin de proporcionar energía para la reforma estructural de los invernaderos.

Perspectiva de futuro y pensamiento

Los invernaderos tradicionales a menudo tienen algunas desventajas, como un alto consumo de energía, una baja tasa de utilización de la tierra, mucho tiempo y mano de obra, bajo rendimiento, etc., que ya no pueden satisfacer las necesidades de producción de la agricultura moderna y están obligados a ser gradualmente eliminadoPor lo tanto, es una tendencia de desarrollo utilizar nuevas fuentes de energía como la energía solar, la energía de la biomasa, la energía geotérmica y la energía eólica, nuevos materiales de aplicación de invernaderos y nuevos diseños para promover el cambio estructural de los invernaderos.En primer lugar, el nuevo invernadero impulsado por nueva energía y nuevos materiales no solo debe satisfacer las necesidades de la operación mecanizada, sino también ahorrar energía, terreno y costos.En segundo lugar, es necesario explorar constantemente el rendimiento de los nuevos invernaderos en diferentes áreas, a fin de proporcionar las condiciones para la popularización de los invernaderos a gran escala.En el futuro, debemos seguir buscando nuevas energías y nuevos materiales adecuados para la aplicación en invernaderos, y encontrar la mejor combinación de nuevas energías, nuevos materiales e invernaderos, para que sea posible construir un nuevo invernadero a bajo costo y de corta duración. período, bajo consumo de energía y excelente rendimiento, ayudan a cambiar la estructura del invernadero y promueven el desarrollo de modernización de los invernaderos en China.

Aunque la aplicación de nuevas energías, nuevos materiales y nuevos diseños en la construcción de invernaderos es una tendencia inevitable, aún quedan muchos problemas por estudiar y superar: (1) El costo de construcción aumenta.En comparación con la calefacción tradicional con carbón, gas natural o petróleo, la aplicación de nuevas energías y nuevos materiales es respetuosa con el medio ambiente y libre de contaminación, pero el costo de construcción aumenta significativamente, lo que tiene un cierto impacto en la recuperación de la inversión de producción y operación. .En comparación con la utilización de energía, el costo de los nuevos materiales aumentará significativamente.(2) Utilización inestable de la energía térmica.La mayor ventaja de la utilización de nueva energía es el bajo costo operativo y la baja emisión de dióxido de carbono, pero el suministro de energía y calor es inestable y los días nublados se convierten en el mayor factor limitante en la utilización de la energía solar.En el proceso de producción de calor de biomasa por fermentación, la utilización efectiva de esta energía está limitada por los problemas de baja energía térmica de fermentación, difícil gestión y control, y gran espacio de almacenamiento para el transporte de materias primas.(3) Madurez de la tecnología.Estas tecnologías utilizadas por las nuevas energías y los nuevos materiales son investigaciones avanzadas y logros tecnológicos, y su área de aplicación y alcance aún son bastante limitados.No han pasado muchas veces, muchos sitios y prácticas de verificación a gran escala, e inevitablemente hay algunas deficiencias y contenidos técnicos que deben mejorarse en la aplicación.Los usuarios a menudo niegan el avance de la tecnología debido a las deficiencias menores.(4) La tasa de penetración de la tecnología es baja.La amplia aplicación de un logro científico y tecnológico requiere cierta popularidad.En la actualidad, la nueva energía, la nueva tecnología y la nueva tecnología de diseño de invernaderos están en el equipo de centros de investigación científica en universidades con cierta capacidad de innovación, y la mayoría de los demandantes técnicos o diseñadores aún no lo saben;Al mismo tiempo, la popularización y la aplicación de nuevas tecnologías todavía son bastante limitadas porque los equipos básicos de las nuevas tecnologías están patentados.(5) La integración de nuevas energías, nuevos materiales y el diseño de la estructura del invernadero debe fortalecerse aún más.Debido a que el diseño de energía, materiales y estructuras de invernaderos pertenecen a tres disciplinas diferentes, los talentos con experiencia en diseño de invernaderos a menudo carecen de investigación sobre energía y materiales relacionados con invernaderos, y viceversa;Por lo tanto, los investigadores relacionados con la investigación de energía y materiales deben fortalecer la investigación y la comprensión de las necesidades reales del desarrollo de la industria de invernaderos, y los diseñadores estructurales también deben estudiar nuevos materiales y nuevas energías para promover la integración profunda de las tres relaciones, a fin de lograr el objetivo de la tecnología práctica de investigación de invernadero, bajo costo de construcción y buen efecto de uso.Con base en los problemas anteriores, se sugiere que el estado, los gobiernos locales y los centros de investigación científica intensifiquen la investigación técnica, lleven a cabo investigaciones conjuntas en profundidad, fortalezcan la publicidad de los logros científicos y tecnológicos, mejoren la popularización de los logros y se den cuenta rápidamente. objetivo de nuevas energías y nuevos materiales para ayudar al nuevo desarrollo de la industria de efecto invernadero.

Información citada

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin.Nueva energía, nuevos materiales y nuevo diseño ayudan a la nueva revolución del invernadero [J].Verduras, 2022,(10):1-8.