Tecnología de ingeniería agrícola hortícola de invernadero, publicada en Pekín (2 de diciembre de 2022, 17:30).

El desarrollo de invernaderos solares en zonas no cultivadas, como desiertos, tierras arenosas y tierras de cultivo, ha resuelto eficazmente la contradicción entre la competencia por el suelo entre alimentos y hortalizas. Este es uno de los factores ambientales decisivos para el crecimiento y desarrollo de cultivos de temperatura, que a menudo determina el éxito o el fracaso de la producción de cultivos en invernadero. Por lo tanto, para desarrollar invernaderos solares en zonas no cultivadas, primero debemos resolver el problema de la temperatura ambiental de los invernaderos. En este artículo, se resumen los métodos de control de temperatura utilizados en invernaderos en tierras no cultivadas en los últimos años, y se analizan y resumen los problemas existentes y la dirección del desarrollo de la temperatura y la protección ambiental en invernaderos solares en tierras no cultivadas.

China tiene una gran población y pocos recursos de tierra disponibles. Más del 85% de los recursos de tierra son tierras no cultivadas, que se concentran principalmente en el noroeste de China. El Documento n.º 1 del Comité Central de 2022 señaló que se debe acelerar el desarrollo de la agricultura de infraestructura y, con base en la protección del medio ambiente, se deben explorar las tierras baldías y los terrenos baldíos explotables para desarrollar la agricultura de infraestructura. El noroeste de China es rico en desiertos, Gobi, terrenos baldíos y otros recursos de tierra no cultivada, así como en recursos naturales de luz y calor, que son propicios para el desarrollo de la agricultura de infraestructura. Por lo tanto, el desarrollo y la utilización de tierras no cultivadas para desarrollar invernaderos en ellas reviste una gran importancia estratégica para garantizar la seguridad alimentaria nacional y mitigar los conflictos por el uso de la tierra.

Actualmente, los invernaderos solares no cultivados son la principal forma de desarrollo agrícola de alta eficiencia en tierras no cultivadas. En el noroeste de China, la diferencia de temperatura entre el día y la noche es grande, y la temperatura nocturna en invierno es baja, lo que a menudo provoca que la temperatura mínima interior sea inferior a la necesaria para el crecimiento y desarrollo normal de los cultivos. La temperatura es uno de los factores ambientales indispensables para el crecimiento y desarrollo de los cultivos. Una temperatura demasiado baja ralentizará las reacciones fisiológicas y bioquímicas de los cultivos, lo que ralentizará su crecimiento y desarrollo. Cuando la temperatura es inferior al límite que los cultivos pueden soportar, incluso puede provocar daños por congelación. Por lo tanto, es especialmente importante garantizar la temperatura necesaria para el crecimiento y desarrollo normal de los cultivos. Mantener la temperatura adecuada del invernadero solar no es una solución única. Debe garantizarse desde el diseño, la construcción, la selección de materiales, la regulación y la gestión diaria del invernadero. Por lo tanto, este artículo resumirá el estado de la investigación y el progreso del control de temperatura de invernaderos no cultivados en China en los últimos años desde los aspectos de diseño y construcción de invernaderos, medidas de conservación y calentamiento del calor y gestión ambiental, a fin de proporcionar una referencia sistemática para el diseño y gestión racional de invernaderos no cultivados.

Estructura y materiales del invernadero

El entorno térmico del invernadero depende principalmente de la capacidad de transmisión, intercepción y almacenamiento del invernadero a la radiación solar, lo que está relacionado con el diseño razonable de la orientación del invernadero, la forma y el material de la superficie de transmisión de luz, la estructura y el material de la pared y el techo trasero, el aislamiento de los cimientos, el tamaño del invernadero, el modo de aislamiento nocturno y el material del techo frontal, etc., y también se relaciona con si el proceso de construcción y construcción del invernadero puede garantizar la realización efectiva de los requisitos de diseño.

Capacidad de transmisión de luz del techo delantero

La principal fuente de energía del invernadero proviene del sol. Aumentar la transmisión de luz del techo frontal beneficia la obtención de más calor y es fundamental para garantizar la temperatura ambiente en invierno. Actualmente, existen tres métodos principales para aumentar la transmisión de luz y el tiempo de recepción de luz del techo frontal del invernadero.

01 Diseñar una orientación y azimut razonables del invernadero.

La orientación del invernadero afecta el rendimiento de la iluminación del invernadero y la capacidad de almacenamiento de calor del invernadero. Por lo tanto, para obtener más almacenamiento de calor en el invernadero, la orientación de los invernaderos no cultivados en el noroeste de China es hacia el sur. Para el azimut específico del invernadero, al elegir de sur a este, es beneficioso "atrapar el sol", y la temperatura interior aumenta rápidamente por la mañana; cuando se selecciona de sur a oeste, es beneficioso para el invernadero aprovechar la luz de la tarde. La dirección sur es un compromiso entre las dos situaciones anteriores. Según el conocimiento de la geofísica, la tierra gira 360° en un día, y el azimut del sol se mueve aproximadamente 1° cada 4 minutos. Por lo tanto, cada vez que el azimut del invernadero difiere en 1°, el tiempo de luz solar directa diferirá en aproximadamente 4 minutos, es decir, el azimut del invernadero afecta el momento en que el invernadero ve la luz en la mañana y en la tarde.

Cuando las horas de luz de la mañana y la tarde son iguales, y el este o el oeste están en el mismo ángulo, el invernadero recibirá las mismas horas de luz. Sin embargo, en la zona al norte de los 37° de latitud norte, la temperatura es baja por la mañana y el momento de descubrir la manta es tardío, mientras que la temperatura es relativamente alta por la tarde y la noche, por lo que es apropiado retrasar el momento de cerrar la manta de aislamiento térmico. Por lo tanto, en estas zonas se debe elegir la orientación sur-oeste para aprovechar al máximo la luz de la tarde. En las zonas con una latitud norte de 30° a 35°, debido a las mejores condiciones de iluminación por la mañana, también se puede adelantar el momento de conservación del calor y descubrimiento de la cubierta. Por lo tanto, en estas zonas se debe elegir la orientación sur-este para procurar una mayor radiación solar matutina para el invernadero. Sin embargo, en la zona de latitud norte de 35° a 37°, hay poca diferencia en la radiación solar entre la mañana y la tarde, por lo que es mejor elegir la orientación sur. Ya sea en orientación sureste o suroeste, el ángulo de desviación suele ser de 5° a 8°, y el máximo no debe superar los 10°. El noroeste de China se encuentra entre los 37° y 50° de latitud norte, por lo que el ángulo azimutal del invernadero suele ser de sur a oeste. Por ello, el invernadero solar diseñado por Zhang Jingshe, etc., en la zona de Taiyuan, tiene una orientación de 5° al oeste del sur; el invernadero solar construido por Chang Meimei, etc., en la zona de Gobi del Corredor Hexi, tiene una orientación de 5° a 10° al oeste del sur; y el invernadero solar construido por Ma Zhigui, etc., en el norte de Xinjiang, tiene una orientación de 8° al oeste del sur.

02 Diseñe una forma de techo frontal y un ángulo de inclinación razonables

La forma e inclinación del techo frontal determinan el ángulo de incidencia de los rayos solares. Cuanto menor sea el ángulo de incidencia, mayor será la transmitancia. Sun Juren cree que la forma del techo frontal está determinada principalmente por la relación entre la longitud de la superficie de iluminación principal y la pendiente trasera. Una pendiente delantera larga y una pendiente trasera corta son beneficiosas para la iluminación y la preservación del calor del techo frontal. Chen Wei-Qian y otros opinan que el techo de iluminación principal de los invernaderos solares utilizados en la zona de Gobi adopta un arco circular con un radio de 4,5 m, que puede resistir eficazmente el frío. Zhang Jingshe y otros creen que es más apropiado usar un arco semicircular en el techo frontal de los invernaderos en zonas alpinas y de alta latitud. En cuanto al ángulo de inclinación del techo frontal, de acuerdo con las características de transmisión de luz de la película plástica, cuando el ángulo de incidencia es de 0 a 40°, la reflectividad del techo frontal a la luz solar es baja, y cuando supera los 40°, la reflectividad aumenta significativamente. Por lo tanto, se toma 40° como el ángulo de incidencia máximo para calcular el ángulo de inclinación del techo frontal, de modo que incluso en el solsticio de invierno, la radiación solar pueda entrar al invernadero en su máxima extensión. Por lo tanto, al diseñar un invernadero solar adecuado para áreas no cultivadas en Wuhai, Mongolia Interior, He Bin y otros calcularon el ángulo de inclinación del techo frontal con un ángulo de incidencia de 40° y consideraron que, siempre que fuera mayor de 30°, podría cumplir con los requisitos de iluminación y conservación del calor del invernadero. Zhang Caihong y otros creen que, al construir invernaderos en áreas no cultivadas de Xinjiang, el ángulo de inclinación del techo frontal de los invernaderos en el sur de Xinjiang es de 31°, mientras que en el norte de Xinjiang es de 32° a 33,5°.

03 Elija materiales de cobertura transparentes adecuados.

Además de la influencia de las condiciones de radiación solar exterior, el material y las características de transmisión de luz de la película de invernadero también son factores importantes que afectan el ambiente de luz y calor del invernadero. En la actualidad, la transmitancia de luz de películas plásticas como PE, PVC, EVA y PO es diferente debido a los diferentes materiales y espesores de película. En términos generales, se puede garantizar que la transmitancia de luz de las películas que se han utilizado durante 1 a 3 años sea superior al 88% en total, que debe seleccionarse de acuerdo con la demanda de luz y temperatura de los cultivos. Además de la transmisión de luz en el invernadero, la distribución del ambiente de luz en el invernadero también es un factor al que las personas prestan cada vez más atención. Por lo tanto, en los últimos años, el material de cubierta de transmisión de luz con luz de dispersión mejorada ha sido altamente reconocido por la industria, especialmente en las áreas con fuerte radiación solar en el noroeste de China. La aplicación de una película de luz dispersa mejorada ha reducido el efecto de sombreado en la parte superior e inferior del dosel del cultivo, ha aumentado la luz en las partes media e inferior del dosel del cultivo, ha mejorado las características fotosintéticas de todo el cultivo y ha mostrado un buen efecto de promoción del crecimiento y aumento de la producción.

Diseño razonable del tamaño del invernadero

La longitud del invernadero es demasiado larga o demasiado corta, lo que afecta el control de la temperatura interior. Si la longitud del invernadero es demasiado corta, antes del amanecer y el atardecer, el área sombreada por los hastiales este y oeste es grande, lo que no favorece el calentamiento del invernadero y, debido a su pequeño volumen, afecta la absorción y liberación de calor del suelo y las paredes interiores. Si la longitud es demasiado grande, es difícil controlar la temperatura interior y afecta la firmeza de la estructura del invernadero y la configuración del mecanismo de enrollado de la colcha de conservación de calor. La altura y la envergadura del invernadero afectan directamente la iluminación natural del techo frontal, el tamaño del espacio del invernadero y el índice de aislamiento. Si la envergadura y la longitud del invernadero son fijas, aumentar la altura puede aumentar el ángulo de iluminación del techo frontal desde la perspectiva del entorno lumínico, lo que favorece la transmisión de la luz. Desde el punto de vista térmico, la altura de la pared aumenta y el área de almacenamiento de calor de la pared trasera aumenta, lo que beneficia el almacenamiento y la liberación de calor de la pared trasera. Además, el espacio es amplio, la tasa de capacidad calorífica también es alta y el ambiente térmico del invernadero es más estable. Por supuesto, aumentar la altura del invernadero aumentará el costo del mismo, lo cual requiere una consideración integral. Por lo tanto, al diseñar un invernadero, debemos elegir una longitud, luz y altura razonables según las condiciones locales. Por ejemplo, Zhang Caihong y otros creen que en el norte de Xinjiang, la longitud del invernadero es de 50 a 80 m, la luz es de 7 m y la altura es de 3,9 m, mientras que en el sur de Xinjiang, la longitud del invernadero es de 50 a 80 m, la luz es de 8 m y la altura es de 3,6 a 4,0 m; también se considera que la luz del invernadero no debe ser inferior a 7 m, y cuando la luz es de 8 m, el efecto de conservación del calor es el mejor. Además, Chen Weiqian y otros piensan que la longitud, la envergadura y la altura del invernadero solar deberían ser de 80 m, 8~10 m y 3,8~4,2 m respectivamente cuando se construya en el área de Gobi de Jiuquan, Gansu.

Mejorar la capacidad de almacenamiento de calor y aislamiento de la pared.

Durante el día, la pared acumula calor absorbiendo la radiación solar y el calor del aire interior. Por la noche, cuando la temperatura interior es inferior a la de la pared, esta libera calor pasivamente para calentar el invernadero. Como principal elemento de almacenamiento de calor del invernadero, la pared puede mejorar significativamente la temperatura interior nocturna al mejorar su capacidad de almacenamiento de calor. Al mismo tiempo, su función de aislamiento térmico es fundamental para la estabilidad del entorno térmico del invernadero. Actualmente, existen varios métodos para mejorar la capacidad de almacenamiento de calor y aislamiento de las paredes.

01 Diseño de estructura de pared razonable

La función del muro incluye principalmente el almacenamiento y la preservación del calor, y al mismo tiempo, la mayoría de los muros de invernadero también sirven como elementos portantes para sostener la cercha del techo. Desde el punto de vista de obtener un buen ambiente térmico, una estructura de muro razonable debe tener suficiente capacidad de almacenamiento de calor en el lado interior y suficiente capacidad de preservación de calor en el lado exterior, a la vez que reduce los puentes térmicos innecesarios. En la investigación del almacenamiento y aislamiento de calor del muro, Bao Encai y otros diseñaron el muro pasivo de almacenamiento de calor de arena solidificada en el área del desierto de Wuhai, Mongolia Interior. Se utilizó ladrillo poroso como capa aislante en el exterior y arena solidificada como capa de almacenamiento de calor en el interior. La prueba mostró que la temperatura interior podía alcanzar los 13,7 ℃ en días soleados. Ma Yuehong, etc., diseñó un muro compuesto de bloques de mortero de cáscara de trigo en el norte de Xinjiang, en el que se rellenan bloques de mortero con cal viva como capa de almacenamiento de calor y se apilan bolsas de escoria en el exterior como capa aislante. El muro de bloques huecos diseñado por Zhao Peng, etc., en la zona de Gobi, provincia de Gansu, utiliza paneles de benceno de 100 mm de espesor como capa aislante en el exterior y arena y ladrillos huecos como capa de almacenamiento de calor en el interior. Las pruebas muestran que la temperatura media nocturna en invierno supera los 10 °C. Chai Regeneration, etc., también utiliza arena y grava como capa aislante y de almacenamiento de calor en el muro en la zona de Gobi, provincia de Gansu. Para reducir los puentes térmicos, Yan Junyue, etc., diseñó un muro trasero ligero y de ensamblaje simplificado, que no solo mejoró la resistencia térmica del muro, sino que también mejoró su sellado mediante la adhesión de paneles de poliestireno en el exterior. Wu Letian, etc., instaló una viga anular de hormigón armado sobre la cimentación del muro del invernadero y utilizó ladrillos trapezoidales estampados justo encima de la viga anular para sostener el techo trasero. Esto solucionó el problema de la fácil aparición de grietas y hundimientos de cimentación en los invernaderos de Hotian, Xinjiang, lo que afectaba al aislamiento térmico de los invernaderos.

02 Elija materiales de almacenamiento de calor y aislamiento adecuados.

El efecto de almacenamiento de calor y aislamiento de la pared depende principalmente de la elección de los materiales. En el desierto del noroeste, Gobi, terrenos arenosos y otras zonas, según las condiciones del terreno, los investigadores utilizaron materiales locales y realizaron audaces intentos para diseñar diversos tipos de paredes traseras para invernaderos solares. Por ejemplo, cuando Zhang Guosen y otros construyeron invernaderos en campos de arena y grava en Gansu, utilizaron arena y grava como capas de almacenamiento de calor y aislamiento de las paredes. Teniendo en cuenta las características del Gobi y el desierto del noroeste de China, Zhao Peng diseñó una especie de pared de bloques huecos con arenisca y bloques huecos como materiales. Las pruebas muestran que la temperatura media nocturna en interiores supera los 10 °C. Dada la escasez de materiales de construcción como ladrillos y arcilla en la región de Gobi, en el noroeste de China, Zhou Changji y otros descubrieron que los invernaderos locales suelen utilizar guijarros como material de pared al investigar invernaderos solares en la región de Gobi de Kizilsu Kirguistán, Xinjiang. Gracias al rendimiento térmico y la resistencia mecánica de los guijarros, el invernadero construido con guijarros ofrece un buen rendimiento en términos de conservación y almacenamiento de calor, y capacidad de carga. De igual manera, Zhang Yong y otros también utilizan guijarros como material principal para sus muros y diseñaron un muro posterior de guijarros con almacenamiento de calor independiente en Shanxi y otros lugares. Las pruebas demuestran un buen efecto de almacenamiento de calor. Zhang y otros diseñaron un muro de arenisca adaptado a las características de la zona noroeste de Gobi, capaz de elevar la temperatura interior en 2,5 °C. Además, Ma Yuehong y otros probaron la capacidad de almacenamiento de calor de muros de arena rellenos de bloques, muros de bloques y muros de ladrillo en Hotian, Xinjiang. Los resultados mostraron que el muro de arena relleno de bloques presentaba la mayor capacidad de almacenamiento de calor. Además, para mejorar el rendimiento de almacenamiento de calor del muro, los investigadores desarrollan activamente nuevos materiales y tecnologías de almacenamiento de calor. Por ejemplo, Bao Encai propuso un material de curado por cambio de fase que puede utilizarse para mejorar la capacidad de almacenamiento de calor del muro posterior de invernaderos solares en zonas no cultivadas del noroeste. En la exploración de materiales locales, también se utilizan paja, escoria, tableros de benceno y paja como materiales para muros, pero estos materiales generalmente solo conservan el calor, pero no lo almacenan. En general, los muros rellenos de grava y bloques tienen buena capacidad de almacenamiento de calor y aislamiento.

03 Aumente adecuadamente el espesor de la pared

Generalmente, la resistencia térmica es un indicador importante para medir el rendimiento del aislamiento térmico de una pared. El factor que la afecta es el espesor de la capa de material, además de su conductividad térmica. Por lo tanto, al seleccionar los materiales de aislamiento térmico adecuados, aumentar el espesor de la pared puede aumentar su resistencia térmica general y reducir la pérdida de calor, mejorando así el aislamiento térmico y la capacidad de almacenamiento de calor, tanto de la pared como de todo el invernadero. Por ejemplo, en Gansu y otras zonas, el espesor promedio de un muro de sacos de arena en la ciudad de Zhangye es de 2,6 m, mientras que el de un muro de mampostería de mortero en la ciudad de Jiuquan es de 3,7 m. Cuanto más grueso sea el muro, mayor será su aislamiento térmico y su capacidad de almacenamiento de calor. Sin embargo, un espesor excesivo aumentará la ocupación del terreno y el costo de la construcción del invernadero. Por lo tanto, para mejorar el aislamiento térmico, también debemos priorizar la selección de materiales con alto aislamiento térmico y baja conductividad térmica, como poliestireno, poliuretano y otros materiales, y luego aumentar el espesor según corresponda.

Diseño razonable del techo trasero

Para el diseño del techo trasero, la consideración principal es evitar la influencia del sombreado y mejorar la capacidad de aislamiento térmico. Para reducir la influencia del sombreado en el techo trasero, el ajuste de su ángulo de inclinación se basa principalmente en el hecho de que el techo trasero puede recibir luz solar directa durante el día cuando se siembran y producen cultivos. Por lo tanto, el ángulo de elevación del techo trasero generalmente se elige para ser mejor que el ángulo de altitud solar local del solsticio de invierno de 7° a 8°. Por ejemplo, Zhang Caihong y otros creen que al construir invernaderos solares en Gobi y áreas de tierras salino-alcalinas en Xinjiang, la longitud proyectada del techo trasero es de 1,6 m, por lo que el ángulo de inclinación del techo trasero es de 40° en el sur de Xinjiang y 45° en el norte de Xinjiang. Chen Wei-Qian y otros creen que el techo trasero del invernadero solar en el área de Jiuquan Gobi debería tener una inclinación de 40°. Para el aislamiento térmico del techo trasero, la capacidad de aislamiento térmico debe garantizarse principalmente en la selección de materiales de aislamiento térmico, el diseño del espesor necesario y la junta traslapada razonable de los materiales de aislamiento térmico durante la construcción.

Reducir la pérdida de calor del suelo

Durante la noche de invierno, debido a que la temperatura del suelo interior es más alta que la del exterior, el calor del suelo interior se transfiere al exterior por conducción térmica, lo que provoca la pérdida de calor del invernadero. Existen varias maneras de reducir la pérdida de calor del suelo.

01 aislamiento del suelo

El suelo se hunde adecuadamente, evitando la capa de suelo congelado y utilizando el suelo para la preservación del calor. Por ejemplo, el invernadero solar "1448 de tres materiales y un cuerpo" desarrollado por Chai Regeneration y otras tierras no cultivadas en el Corredor Hexi se construyó excavando 1 m hacia abajo, evitando efectivamente la capa de suelo congelado; Según el hecho de que la profundidad del suelo congelado en el área de Turpan es de 0,8 m, Wang Huamin y otros sugirieron excavar 0,8 m para mejorar la capacidad de aislamiento térmico del invernadero. Cuando Zhang Guosen, etc. construyó la pared trasera del invernadero solar de excavación de doble película y doble arco en tierras no cultivables, la profundidad de excavación fue de 1 m. El experimento mostró que la temperatura más baja en la noche aumentó en 2~3 ℃ en comparación con el invernadero solar tradicional de segunda generación.

02 base de protección contra el frío

El método principal consiste en excavar una zanja a prueba de frío a lo largo de la cimentación del tejado frontal, rellenar con materiales de aislamiento térmico o enterrarlos continuamente a lo largo de la cimentación. Todo esto tiene como objetivo reducir la pérdida de calor causada por la transferencia de calor a través del suelo en la zona límite del invernadero. Los materiales de aislamiento térmico utilizados se basan principalmente en las condiciones locales del noroeste de China y se pueden obtener localmente, como heno, escoria, lana de roca, paneles de poliestireno, paja de maíz, estiércol de caballo, hojas caídas, hierba triturada, serrín, maleza, paja, etc.

03 película de mantillo

Al cubrir la película plástica, la luz solar llega al suelo a través de ella durante el día, absorbiendo el calor del sol y calentándose. Además, bloquea la radiación de onda larga reflejada por el suelo, reduciendo así la pérdida de radiación y aumentando su almacenamiento de calor. Por la noche, dificulta el intercambio de calor por convección entre el suelo y el aire interior, reduciendo así la pérdida de calor del suelo. Asimismo, reduce la pérdida de calor latente causada por la evaporación del agua del suelo. Wei Wenxiang cubrió un invernadero con película plástica en la meseta de Qinghai, y el experimento demostró que la temperatura del suelo podía elevarse aproximadamente 1 °C.

Fortalecer el rendimiento del aislamiento térmico del techo frontal.

El techo frontal del invernadero es la principal superficie de disipación de calor, y la pérdida de calor representa más del 75 % de la pérdida total de calor. Por lo tanto, reforzar el aislamiento térmico del techo frontal puede reducir eficazmente las pérdidas y mejorar la temperatura ambiente invernal. Actualmente, existen tres medidas principales para mejorar el aislamiento térmico del techo frontal.

01 Se adopta una cubierta transparente multicapa.

Estructuralmente, el uso de una película de doble o triple capa como superficie transmisora ​​de luz en un invernadero puede mejorar eficazmente su aislamiento térmico. Por ejemplo, Zhang Guosen y otros diseñaron un invernadero solar de doble arco y doble película excavada en la zona de Gobi, en la ciudad de Jiuquan. El exterior del techo frontal del invernadero está hecho de película EVA, y el interior, de película de PVC antigoteo y antienvejecimiento. Experimentos demuestran que, en comparación con los invernaderos solares tradicionales de segunda generación, el efecto de aislamiento térmico es excepcional, con un aumento promedio de la temperatura mínima nocturna de 2 a 3 °C. De igual manera, Zhang Jingshe y otros diseñaron un invernadero solar con doble película para las características climáticas de las zonas de alta latitud y frío extremo, lo que mejoró significativamente su aislamiento térmico. En comparación con el invernadero de control, la temperatura nocturna aumentó 3 °C. Además, Wu Letian y otros probaron a utilizar tres capas de película EVA de 0,1 mm de espesor en el techo frontal del invernadero solar diseñado en la zona desértica de Hetian, Xinjiang. La película multicapa puede reducir eficazmente la pérdida de calor del techo frontal. Sin embargo, dado que la transmitancia lumínica de la película monocapa es de aproximadamente el 90%, la película multicapa atenuará naturalmente la transmitancia lumínica. Por lo tanto, al seleccionar una cubierta multicapa con transmitancia lumínica, es necesario considerar las condiciones y requisitos de iluminación de los invernaderos.

02 Reforzar el aislamiento nocturno del techo frontal

Se utiliza una película de plástico en el techo frontal para aumentar la transmitancia de la luz durante el día, y se convierte en el punto más débil de todo el invernadero por la noche. Por lo tanto, cubrir la superficie exterior del techo frontal con una gruesa colcha de aislamiento térmico compuesto es una medida de aislamiento térmico necesaria para los invernaderos solares. Por ejemplo, en la región alpina de Qinghai, Liu Yanjie y otros utilizaron cortinas de paja y papel kraft como colchas de aislamiento térmico para experimentos. Los resultados de las pruebas mostraron que la temperatura interior más baja del invernadero por la noche podía superar los 7,7 °C. Además, Wei Wenxiang cree que la pérdida de calor del invernadero se puede reducir en más del 90 % utilizando cortinas de césped dobles o cortinas de césped exteriores de papel kraft para el aislamiento térmico en esta área. Asimismo, Zou Ping, etc., utilizó una colcha de aislamiento térmico de fieltro punzonado de fibra reciclada en el invernadero solar de la región de Gobi, Xinjiang, y Chang Meimei, etc., utilizó una colcha de aislamiento térmico de algodón sándwich en el invernadero solar de la región de Gobi, en el Corredor Hexi. Actualmente, existen muchos tipos de colchas aislantes térmicas en invernaderos solares, pero la mayoría están hechas de fieltro punzonado, algodón encolado, algodón perlado, etc., con capas superficiales impermeables o antienvejecimiento en ambas caras. Según el mecanismo de aislamiento térmico de la colcha, para mejorar su rendimiento, se debe comenzar por mejorar su resistencia térmica y reducir su coeficiente de transferencia de calor. Las principales medidas son reducir la conductividad térmica de los materiales, aumentar el grosor o el número de capas, etc. Por lo tanto, actualmente, el material principal de la colcha aislante térmica con alto rendimiento suele estar hecho de materiales compuestos multicapa. Según las pruebas, el coeficiente de transferencia de calor de la colcha aislante térmica con alto rendimiento puede alcanzar los 0,5 W/(m²℃), lo que proporciona una mejor garantía para el aislamiento térmico de invernaderos en zonas frías en invierno. Por supuesto, la zona noroeste es ventosa y polvorienta, y la radiación ultravioleta es intensa, por lo que la capa superficial aislante térmica debe tener un buen rendimiento antienvejecimiento.

03 Añadir una cortina de aislamiento térmico interior.

Aunque el techo frontal del invernadero solar está cubierto con una colcha de aislamiento térmico externo por la noche, en lo que respecta a otras estructuras de todo el invernadero, el techo frontal sigue siendo un punto débil para todo el invernadero por la noche. Por lo tanto, el equipo del proyecto de "Tecnología de Estructura y Construcción de Invernaderos en Tierras No Cultivables del Noroeste" diseñó un sistema enrollable de aislamiento térmico interno simple (Figura 1), cuya estructura consiste en una cortina de aislamiento térmico interno fija en la base delantera y una cortina de aislamiento térmico interno móvil en el espacio superior. La cortina de aislamiento térmico móvil superior se abre y se pliega en la pared trasera del invernadero durante el día, lo que no afecta la iluminación del invernadero; La colcha de aislamiento térmico fija en la parte inferior cumple la función de sellado por la noche. El diseño de aislamiento interno es limpio y fácil de operar, y también puede desempeñar la función de sombreado y refrigeración en verano.

Tecnología de calentamiento activo

Debido a la baja temperatura en invierno en el noroeste de China, si solo dependemos de la preservación y almacenamiento de calor en invernaderos, aún no podemos satisfacer los requerimientos de producción invernal de los cultivos en climas fríos, por lo que algunas medidas de calentamiento activo también son necesarias.

Sistema de almacenamiento de energía solar y liberación de calor

Una razón importante es que la pared cumple las funciones de conservación y almacenamiento de calor, así como de soporte de carga, lo que conlleva el alto coste de construcción y la baja tasa de utilización del terreno de los invernaderos solares. Por lo tanto, la simplificación y el montaje de invernaderos solares será una importante línea de desarrollo en el futuro. Entre ellas, la simplificación de la función de la pared permite liberar la función de almacenamiento y liberación de calor, de modo que la pared trasera solo se ocupe de la conservación de calor, lo cual es una forma eficaz de simplificar el desarrollo. Por ejemplo, el sistema activo de almacenamiento y liberación de calor de Fang Hui (Figura 2) se utiliza ampliamente en zonas no cultivadas como Gansu, Ningxia y Xinjiang. Su dispositivo de captación de calor está instalado en la pared norte. Durante el día, el calor captado por el dispositivo se almacena en el cuerpo de almacenamiento mediante la circulación del fluido de almacenamiento, y por la noche, el calor se libera y se calienta mediante la circulación del fluido de almacenamiento, logrando así la transferencia de calor en el tiempo y el espacio. Los experimentos demuestran que la temperatura mínima en el invernadero puede elevarse entre 3 y 5 °C utilizando este dispositivo. Wang Zhiwei, etc., presentó un sistema de calefacción por cortina de agua para invernaderos solares en la zona desértica del sur de Xinjiang, que puede aumentar la temperatura del invernadero en 2,1 ℃ por la noche.

Además, Bao Encai, etc., diseñó un sistema de circulación de almacenamiento de calor activo para el muro norte. Durante el día, mediante la circulación de ventiladores axiales, el aire caliente interior fluye a través del conducto de transferencia de calor integrado en el muro norte, y este intercambia calor con la capa de almacenamiento de calor dentro del muro, lo que mejora significativamente la capacidad de almacenamiento de calor del muro. Además, el sistema de almacenamiento de calor solar por cambio de fase, diseñado por Yan Yantao, etc., almacena calor en los materiales de cambio de fase mediante colectores solares durante el día y luego lo disipa al aire interior mediante la circulación de aire durante la noche, lo que puede aumentar la temperatura promedio en 2,0 ℃ por la noche. Las tecnologías y equipos de utilización de energía solar mencionados anteriormente se caracterizan por su economía, ahorro de energía y bajas emisiones de carbono. Tras su optimización y mejora, deberían tener buenas perspectivas de aplicación en las zonas con abundantes recursos de energía solar del noroeste de China.

Otras tecnologías de calefacción auxiliar

01 Calefacción de energía de biomasa

La cama, la paja, el estiércol de vaca, de oveja y de aves de corral se mezclan con bacterias biológicas y se entierran en el suelo del invernadero. Se genera mucho calor durante el proceso de fermentación, y se generan muchas cepas beneficiosas, materia orgánica y CO2 durante el proceso de fermentación. Las cepas beneficiosas pueden inhibir y matar una variedad de gérmenes, y pueden reducir la aparición de enfermedades y plagas de invernadero; la materia orgánica puede convertirse en fertilizante para los cultivos; el CO2 producido puede mejorar la fotosíntesis de los cultivos. Por ejemplo, Wei Wenxiang enterró fertilizantes orgánicos calientes como estiércol de caballo, estiércol de vaca y estiércol de oveja en el suelo interior del invernadero solar en la meseta de Qinghai, lo que elevó efectivamente la temperatura del suelo. En el invernadero solar en el área del desierto de Gansu, Zhou Zhilong usó paja y fertilizante orgánico para fermentar entre cultivos. La prueba mostró que la temperatura del invernadero podría aumentarse en 2~3 ℃.

02 calefacción de carbón

Existen estufas artificiales, calentadores de agua y sistemas de calefacción de bajo consumo. Por ejemplo, tras una investigación en la meseta de Qinghai, Wei Wenxiang descubrió que la calefacción con hornos artificiales se utilizaba principalmente a nivel local. Este método de calentamiento ofrece las ventajas de un calentamiento más rápido y un efecto de calentamiento evidente. Sin embargo, durante la combustión del carbón se producen gases nocivos como SO₂, CO₂ y H₂S, por lo que es necesario un buen control de los gases nocivos.

03 calefacción eléctrica

Utilice un cable calefactor eléctrico para calentar el techo frontal del invernadero o utilice un calefactor eléctrico. El efecto de calentamiento es notable, su uso es seguro, no genera contaminantes en el invernadero y el equipo de calefacción es fácil de controlar. Chen Weiqian y otros consideran que el problema de los daños por congelación en invierno en la zona de Jiuquan obstaculiza el desarrollo de la agricultura local en Gobi, por lo que se pueden utilizar calefactores eléctricos para calentar el invernadero. Sin embargo, debido al uso de energía eléctrica de alta calidad, el consumo y el costo de la energía son elevados. Se recomienda su uso como calefacción temporal de emergencia en climas extremadamente fríos.

Medidas de gestión ambiental

Durante la producción y el uso de un invernadero, el equipo completo y su funcionamiento normal no garantizan que su entorno térmico cumpla con los requisitos de diseño. De hecho, el uso y la gestión de los equipos suelen ser clave en la formación y el mantenimiento del entorno térmico, siendo la más importante la gestión diaria del aislamiento térmico y la ventilación.

Gestión de la colcha de aislamiento térmico

El aislamiento térmico es fundamental para el aislamiento térmico nocturno del techo frontal, por lo que es fundamental optimizar su gestión y mantenimiento diarios. Preste especial atención a los siguientes aspectos: ① Seleccione el horario adecuado para abrir y cerrar el aislamiento. Este horario no solo afecta el tiempo de iluminación del invernadero, sino también su calentamiento. Abrirlo o cerrarlo demasiado pronto o demasiado tarde no favorece la captación de calor. Por la mañana, si se destapa demasiado pronto, la temperatura interior bajará considerablemente debido a la baja temperatura exterior y la poca luz. Por el contrario, si se destapa demasiado tarde, el invernadero recibirá menos luz y la temperatura interior subirá más rápido. Por la tarde, si se apaga demasiado pronto, el tiempo de exposición al sol se acortará y la temperatura interior se acumulará menos. Por el contrario, si la preservación del calor se desactiva demasiado tarde, la disipación de calor del invernadero aumentará debido a la baja temperatura exterior y la poca luz. Por lo tanto, en general, al encender la manta de aislamiento térmico por la mañana, es recomendable que la temperatura suba después de una caída de 1 a 2 °C, mientras que al apagarla, es recomendable que la temperatura suba después de una caída de 1 a 2 °C. ② Al cerrar la manta de aislamiento térmico, preste atención a que cubra bien todos los techos frontales y ajústela a tiempo si hay algún hueco. ③ Después de colocar la manta de aislamiento térmico por completo, verifique que la parte inferior esté compactada para evitar que el viento nocturno altere el efecto de preservación del calor. ④ Revise y mantenga la manta de aislamiento térmico a tiempo, especialmente si está dañada, repárela o reemplácela a tiempo. ⑤ Preste atención a las condiciones climáticas. En caso de lluvia o nieve, cubra la manta de aislamiento térmico a tiempo y retire la nieve a tiempo.

Gestión de respiraderos

El propósito de la ventilación en invierno es ajustar la temperatura del aire para evitar temperaturas excesivas alrededor del mediodía; el segundo es eliminar la humedad interior, reducir la humedad del aire en el invernadero y controlar plagas y enfermedades; el tercero es aumentar la concentración de CO2 en el interior y promover el crecimiento de los cultivos. Sin embargo, la ventilación y la conservación del calor son contradictorias. Si la ventilación no se gestiona adecuadamente, probablemente provocará problemas de baja temperatura. Por lo tanto, el momento y la duración de la apertura de las rejillas de ventilación deben ajustarse dinámicamente según las condiciones ambientales del invernadero en cualquier momento. En las zonas no cultivadas del noroeste, la gestión de las rejillas de ventilación del invernadero se divide principalmente en dos formas: operación manual y ventilación mecánica simple. Sin embargo, el tiempo de apertura y el tiempo de ventilación de las rejillas se basan principalmente en el juicio subjetivo de las personas, por lo que puede suceder que las rejillas se abran demasiado pronto o demasiado tarde. Para resolver estos problemas, Yin Yilei, etc., diseñó un dispositivo de ventilación inteligente para techos, que puede determinar el tiempo de apertura y el tamaño de apertura y cierre de las rejillas de ventilación según los cambios en el ambiente interior. Con la profundización de la investigación sobre la ley del cambio ambiental y la demanda de cultivos, así como la popularización y el progreso de tecnologías y equipos como la percepción ambiental, la recopilación de información, el análisis y el control, la automatización de la gestión de la ventilación en invernaderos solares debería ser una dirección de desarrollo importante en el futuro.

Otras medidas de gestión

Durante el uso de diversos tipos de películas de invernadero, su capacidad de transmisión de luz se debilita gradualmente. Esta disminución no solo está relacionada con sus propiedades físicas, sino también con el entorno y el manejo durante su uso. Durante el uso, el factor más importante que contribuye a la disminución de la transmisión de luz es la contaminación de la superficie de la película. Por lo tanto, es fundamental realizar una limpieza regular cuando las condiciones lo permitan. Además, la estructura del invernadero debe revisarse periódicamente. Si se detecta una fuga en la pared o el techo frontal, debe repararse a tiempo para evitar la infiltración de aire frío.

Problemas existentes y dirección del desarrollo

Durante muchos años, los investigadores han explorado y estudiado la tecnología de conservación y almacenamiento de calor, la tecnología de gestión y los métodos de calentamiento de invernaderos en zonas no cultivadas del noroeste, lo que ha permitido la producción de hortalizas durante el invierno, ha mejorado considerablemente la capacidad de los invernaderos para resistir los daños por frío a bajas temperaturas y ha permitido la producción de hortalizas durante el invierno. Esto ha contribuido significativamente a mitigar la contradicción entre la competencia por la tierra entre alimentos y hortalizas en China. Sin embargo, aún existen los siguientes problemas en la tecnología de garantía de temperatura en el noroeste de China.

Tipos de invernaderos que se van a modernizar

En la actualidad, los invernaderos siguen siendo los comunes construidos a finales del siglo XX y principios de este siglo, con una estructura simple, un diseño poco razonable, poca capacidad para mantener la temperatura ambiente y resistir desastres naturales, y falta de estandarización. Por lo tanto, en el diseño futuro de invernaderos, la forma e inclinación del techo frontal, el ángulo azimutal, la altura de la pared trasera y la profundidad de hundimiento, entre otros, deben estandarizarse integrando plenamente las características geográficas y climáticas locales. Al mismo tiempo, se puede plantar un solo cultivo por invernadero, siempre que sea posible, para que se pueda realizar una adaptación estandarizada de los invernaderos según las necesidades de luz y temperatura de los cultivos.

La escala del invernadero es relativamente pequeña.

Si la escala del invernadero es demasiado pequeña, afectará la estabilidad del entorno térmico y el desarrollo de la mecanización. Con el aumento gradual del coste de la mano de obra, el desarrollo de la mecanización es una dirección importante en el futuro. Por lo tanto, en el futuro, debemos basarnos en el nivel de desarrollo local, tener en cuenta las necesidades de desarrollo de la mecanización, diseñar racionalmente el espacio interior y la distribución de los invernaderos, acelerar la investigación y el desarrollo de equipos agrícolas adecuados a las zonas locales y mejorar la tasa de mecanización de la producción en invernaderos. Al mismo tiempo, de acuerdo con las necesidades de los cultivos y los patrones de cultivo, los equipos pertinentes deben cumplir con los estándares, y se debe promover la investigación y el desarrollo integrados, la innovación y la popularización de equipos de ventilación, reducción de humedad, conservación del calor y calefacción.

El espesor de las paredes, como la arena y los bloques huecos, sigue siendo considerable.

Si la pared es demasiado gruesa, aunque el efecto de aislamiento sea bueno, reducirá la tasa de utilización del suelo, aumentará el costo y la dificultad de la construcción. Por lo tanto, en el desarrollo futuro, por un lado, el espesor de la pared puede optimizarse científicamente de acuerdo con las condiciones climáticas locales; por otro lado, debemos promover el desarrollo ligero y simplificado de la pared trasera, de modo que la pared trasera del invernadero solo conserve la función de preservación de calor, utilice colectores solares y otros equipos para reemplazar el almacenamiento y la liberación de calor de la pared. Los colectores solares se caracterizan por una alta eficiencia de recolección de calor, una fuerte capacidad de recolección de calor, ahorro de energía, bajo carbono, etc., y la mayoría de ellos pueden realizar una regulación y control activos, y pueden llevar a cabo un calentamiento exotérmico específico de acuerdo con los requisitos ambientales del invernadero por la noche, con una mayor eficiencia de utilización del calor.

Es necesario desarrollar una colcha especial con aislamiento térmico.

El techo frontal es el principal elemento de disipación de calor del invernadero, y el rendimiento de aislamiento térmico de la manta térmica afecta directamente la temperatura ambiente interior. Actualmente, la temperatura ambiente en invernaderos en algunas zonas no es óptima, en parte debido al exceso de espesor de la manta térmica y al insuficiente rendimiento de los materiales. Además, la manta térmica aún presenta algunos problemas, como baja impermeabilidad y resistencia al deslizamiento, y el fácil envejecimiento de los materiales de la superficie y el núcleo. Por lo tanto, en el futuro, se deben seleccionar científicamente materiales de aislamiento térmico adecuados según las características y requisitos climáticos locales, y se deben diseñar y desarrollar mantas térmicas especiales para su uso y difusión local.

FIN

Información citada

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, etc. Estado de la investigación sobre la tecnología de garantía de temperatura ambiental de invernaderos solares en tierras no cultivadas del noroeste [J]. Tecnología de Ingeniería Agrícola, 2022, 42(28):12-20.