2018-日光温室保温被材料及保温性能评价_马承伟.pdf

温室园艺 2018 11 12 日光温室保温被材料及保温性能评价 马承伟 王平智 赵淑梅 程杰宇 中国农业大学水利与土木工程学院 农业农村部设施农业工程重点实验室 北京 100083 中 国日光温室具有优良的 保温节能特性 其中在 前屋面采用的外保温覆盖起 了非常重要的作用 日光温 室外保温覆盖通常是采用夜 间展开保温 白天卷起 不 影响温室透光的活动式覆盖 方式 因此日光温室屋面外 保温覆盖基本采用不透光 厚而蓬松 保温性能优良的 材料制作 中国日光温室的传统外 保温覆盖 多使用稻草秸秆 编制而成的草苫 草帘 以及蒲草 芦苇和其他山草 等编制的席帘状材料 草苫 利用农业废弃物资源 价格 较为便宜 也有较好的保温 性 但较为笨重 卷放作业 劳动强度大 使用中易污染 损坏薄膜 防水性差 遇雨 雪容易浸水 腐烂 使保温 性显著降低 使用寿命缩短 一般仅能使用3年左右 20世纪90年代 随着日 光温室的快速发展 保温被作 为替代草苫 蒲席的日光温室 专用外保温覆盖材料 开始开 发并逐渐普及 图1 同为非织造材料 采用回收的 废旧棉 毛 人造纤维制品或 工业下脚料 纺织企业的布头 和纱线头 利用开松机 将其 破碎松解 生产出绒状的再生 纤维 再通过针刺机进行加工 图1 使用中的日光温室保温被 图2 无纺布 图3 再生纤维针刺毡 保温被产品通常为多层复 合构造 主要包括保温主芯材 防水层 面层等 其中主芯材 多为保温性良好的纤维或多孔 性蓬松材料 目前市场上销售 的保温被 其主芯材主要有以 下几种 无纺布 无纺布 图2 即非织造 材料 又称不织布 包括针刺 水刺 热压 纺粘 化学粘合 等工艺制成的产品 目前在设 施园艺工程中使用的非织造材 料主要有两大类 一类是使用 热压或化学粘合制造的无纺布 这类材料主要是采用聚丙烯纤 维 聚酯纤维 粘胶纤维等短 纤维或者长丝 进行定向或随 机排列 形成纤网结构 然后 采用热粘或化学等方法加固而 成 另一类是使用各种纤维材 料采用针刺工艺制作的针刺毡 这类材料在日光温室保温被中 采用较多 可用作保温芯材或 面层 再生纤维针刺毡 再生纤维针刺毡 图3 保温被保温主芯材的种类 本期策划 Special Planning DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2018 31 001 温室园艺 2018 11 13 生产出的毡状物 这些废弃物 原料的利用 不仅有利于环保 节省资源 同时其保温性良好 成本也很低廉 因此 在保温 被中应用最多 再生纤维针刺毡通常用作 保温被的保温主芯材 也有一 些针刺毡采用纤维强度较高且 耐水 耐久性较好的原料 通 过适当提高针刺密度等工艺制 成 具有较为密实 抗拉强度 较高和耐久性较好的特性 可 兼用作保温被的面料 聚乙烯微孔泡沫塑料 聚乙烯 PE 微孔泡沫 塑料 图4 是以聚乙烯树脂 为主体 加化学发泡剂 交联 剂和其他助剂制成 其化学性 能稳定 不易受腐蚀 密度小 26 50 kg m 3 闭孔的聚乙 烯泡沫塑料吸水性小 根据发 泡倍率不同 导热系数一般为 0 04 0 095 W m K 用作保 温芯材 具有良好的保温性与 自防水性能 用作保温被PE闭孔发泡材 料的厚度为10 15 mm的单层 整体材料 由于自身强度较低 在制成保温被时 必须在上 下表面粘贴抗拉强度与耐久性 较好的材料 例如涤纶布等作 为面层 橡塑保温材料 橡塑保温材料 图5 是采用丁腈橡胶与聚氯乙烯 NBR PVC 为主体材料 经复杂工艺发泡而成的软质保 温节能材料 在工业与民用方 面多用于各类冷热介质管道 容器的保温 近年也有些保温 被将橡塑保温材料用作主保温 芯材 橡塑保温材料为黑色海绵 状 密度较小 40 60 kg m 3 因其为密闭式发泡结构 导热 系数小 一般为0 035 W m K 左右 具有良好的保温绝热 性能 且密闭式发泡结构及 致密的表皮使水汽不易透过 吸水率低 橡塑保温材料富 有柔软性 用作保温被材料 卷放容易 此外 橡塑保温 材料防火阻燃性好 适用温 度范围广 40 120 耐候性良好 耐酸抗碱 有 防止霉菌生长的特性 但其 价格较高一些 聚乙烯发泡棉 EPE 珍珠棉 聚乙烯发泡棉 图6 是 由低密度聚乙烯脂经物理发 泡产生无数的独立气泡构成 化学性能稳定 密度小 约 30 kg m 3 吸水性小 不同 发泡倍率珍珠棉的导热系数 一般为0 04 0 095 W m K 因此 聚乙烯发泡棉具有良好 的保温性与自防水性能 聚乙烯发泡棉材料通常为 厚度1 5 mm的片状 可以与 其他保温材料组合 也可数片 叠放一起 构成保温被的保温 芯材 与其他保温材料组合使 用时 通常放在保温被芯材的 上 下部位 可兼具保温与防 水 隔气的作用 喷胶棉 太空棉 或无胶棉 喷胶棉 图7 是由天然 棉纤维 人造纤维或合成纤维 经拉松 梳理 喷胶 焙烘 固化而成 喷胶棉结构形成的 方法是将黏合剂喷洒在蓬松纤 维中 再经过烘燥 固化 使 纤维间的交接点被粘接 形成 蓬松的三维网状结构 图4 聚乙烯微孔泡沫塑料 图5 橡塑保温材料 图6 聚乙烯发泡棉 EPE珍珠棉 图7 喷胶棉 温室园艺 2018 11 14 无胶棉又称为热熔絮棉 是采用低熔点纤维 通过在热 熔态交接点处的粘连 同样形 成类似喷胶棉的蓬松三维网状 结构 喷胶棉与无胶棉具有多孔 性 高压缩回弹性和高蓬松性 质轻 保温性良好 适于用作 保温芯材 同时由于其透气性 高 抗拉强度与抗变形能力低 因此用作保温被材料时 表面 必须结合具有较高抗拉强度与 一定隔气作用的面层 保温被面层材料 作为保温被的面层材料 需具有较高抗拉强度 一定的 隔气和防水性能 以及良好的 耐久性 前述无纺布 包括再 生纤维针刺毡等非织造材料 除用作保温芯材以外 其抗拉 强度和耐久性较好者 也较多 用作保温被的面层材料 此外 还有各种材料的牛津布 编织 帘材料 PE薄膜以及淋膜面 层等 图8 被用作保温被 面层材料 牛津布多用涤纶丝编织 具有较高抗拉强度与耐久性 编织帘材料一般为通过抗 老化处理的聚乙烯 HDPE 聚丙烯 PP 等各种塑料 经 热熔挤出 拉伸成扁丝 再经 织造 编制而成 牛津布与编织帘均有一定 透气性与透水性 因此为了使 面层具有隔气 防水作用 需 采用涂覆或粘接等工艺 形成 隔气 防水层 例如涂覆丙烯 酸油 或采用热熔工艺粘贴PE 膜等方法 生产中也多采用流延工 艺 形成与面层材料紧密结合 的淋膜层的方法 这种淋膜工 艺也可直接用于一些保温芯材 表面 例如针刺毡或无纺布表 面 使保温主材与隔气防水面 层结合为一体 在保温被表面使用含铝的 塑料薄膜 包括铝箔膜 镀铝 膜或银灰色膜 掺入了铝粉 等 除具有防雨 隔气的作用以外 由于这些膜表面对红外辐射具 有较高的反射率和较低的吸收 率 发射率 因此 具有显 著地阻止表面与环境热辐射交 换的作用 用在保温被表面 可增加其保温性 保温被的保温性能 保温性能评价 日光温室屋面外保温覆 盖材料必须具有良好的保温 性 防水性 机械强度以及耐 久性 其中最基本和最重要的 是保温性 主要评价指标是传 热系数 是指在热稳定的状态 下 覆盖材料两侧空气每1 K 或1 的温差所引起的通 过覆盖材料单位面积的热流 量 其单位为W m 2 K 或 W m 2 涤纶牛津布面层 淋膜面层 具有镀铝表面的面层 针刺毡面层 图8 各种面层的日光温室保温被 图9 温室覆盖材料传热性能测试台 温室园艺 2018 11 15 根据NY T1831 2009 温 室覆盖材料保温性测定方 法 中国农业大学农业农村 部设施农业工程重点实验室利 用温室覆盖材料传热性能测试 台 图9 对多种日光温室 保温被的保温性 传热系数 进行了测定 结果如表1所示 由表1可见 目前生产 使用的保温被 其中保温性较 好者 传热系数多在1 2 W m 2 以下 保温性优于传 统的草苫 草帘 保温被保温性能的影响因素 保温被保温性的优劣 主 要取决于保温芯材自身材料的 保温绝热性以及材料的用量 材料相同的情况下 保温被厚 度越大 单位面积重量越大 一 定程度上表明保温材料用量 大 其保温性越好 材料的保温绝热性 对于 以导热形式传热的材料 用导 热系数来评价 是指在稳定传 热条件下 1 m厚度材料的两 侧表面每1 K 或1 的温差 所引起的通过覆盖材料单位面积 的热流量 其单位为W m K 或W m 对于日光温室保温被 采 用的多数材料为多孔隙疏松材 料 材料中包含很多空气 其 中的传热形式不仅有导热 还 有空气的对流以及孔隙表面间 的辐射传热 实际传热过程很 复杂 通常简化为等效的导热 过程 其保温绝热性 仍用导 热系数来评价 而称为表观导 热系数 或等效导热系数 当 量导热系数 表观导热系数 越小的材料 其保温绝热性越 好 几种保温被保温材料的表 观导热系数如表2所示 喷胶棉 无胶棉以及聚乙 烯闭孔泡沫塑料 珍珠棉等材 料 均是优良的保温材料 其 重量较轻 有利于降低卷被的 负荷 但另一方面 却易于被 大风掀动 造成冷风灌入 降 低了其保温性 所以需要保温 被分块搭接牢固 在使用中覆 盖时采用压被线压牢 再生纤维针刺毡的绝热性 略低于上述材料 但由于其价 格低廉 如采用较多的材料 较厚的厚度 也可达到较好的 保温性 在山东地区使用的这 类保温被 已有厚度达到4 cm 以上 传热系数低于0 5 W m 2 的保温性极好的产品 出现 保温被表面使用对红外 辐射具有较高的反射率的铝箔 膜 镀铝膜或混铝膜 银灰色 膜 等材料作为面层时 可以 提高其保温性 与红外辐射较 低反射表面的保温被相比 采 用铝箔膜或镀铝膜一类较高反 表1 各种日光温室屋面外保温覆盖材料的保温性 外保温覆盖种类 各层材料组成 由上至下 厚度 cm 重量 kg m 2 传热系数 W m 2 多层复合材料保温被 强力针刺毡 二层针刺毡 四层珍珠棉 强 力针刺毡 4 5 3 03 0 42 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 强力针刺毡 3 5 4 63 0 56 多层复合材料保温被 淋膜针刺毡 针刺厚棉毡 强力针刺毡 2 5 2 70 0 87 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺毡 定型网 强力针 刺毡 3 0 3 28 0 91 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 无纺布 强力 针刺毡 2 5 3 23 0 98 多层复合材料保温被 镀铝珍珠棉 针刺厚棉毡 珍珠棉 2 3 2 18 1 01 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 无纺布 强力 针刺毡 3 0 3 98 1 16 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 强力针刺毡 2 0 2 71 1 18 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 强力针刺毡 2 0 2 47 1 23 多层复合材料保温被 强力针刺毡 二层棉絮 强力针刺毡 2 5 2 60 1 26 多层复合材料保温被 强力针刺毡 三层针刺棉毡 强力针刺毡 3 0 2 64 1 26 喷胶棉 或无胶棉 保 温被 涤纶布复合涂层PE膜 喷胶棉 或无胶棉 涤纶布 2 5 0 9 1 2 喷胶棉 或无胶棉 保 温被 涤纶布复合涂层PE膜 喷胶棉 或无胶棉 涤纶布 3 8 1 4 0 9 聚乙烯泡沫塑料保温被 涤纶布 聚乙烯闭孔泡沫塑料 涤纶布 1 0 1 3 0 6 0 8 2 3 1 8 草苫 草帘 稻草编织 2 4 2 4 2 0 1 5 注 1 传热系数为保温覆盖自身材料之外 下部还贴附有一层固定聚乙烯薄膜时的测定值 2 因资料来源不同 各覆盖材料产 品的厚度测定方法不一致 表中提供的厚度值仅供参考 3 本表是在实验室中 新制成品在理想工作条件下的测定值 在实际 的工作情况下 由于雨 雪 风以及搭接处漏风 产品老化和破损等原因 实际传热系数将增大 50 100 表2 几种保温材料的保温绝热性 保温材料 表观导热系数 W m 非织造材料 无纺布 0 05 0 06 再生纤维针刺毡 0 05 0 07 聚乙烯微孔泡沫塑料 0 04 0 095 橡塑保温材料 0 035 聚乙烯发泡棉 EPE 珍珠棉 0 04 0 095 喷胶棉 无胶棉 0 04 0 05 温室园艺 2018 11 16 射率表面的保温被传热系数将 降低2 8 高反射率上表 面时传热系数降低幅度高于高 反射率下表面时 两面都采用 高反射率表面时传热系数降低 幅度最大 需要说明的是 表1中所 列各种外保温覆盖材料的传热 系数是在实验室中 对外保温 覆盖材料的新制成品 在理想 的工作条件下测得的数据 在 实际的工作情况下 由于雨 雪 风等影响 并考虑草苫或保温 被安装搭接处的漏风 以及产 品发生老化和破损等各方面因 素 实际使用中的外保温覆盖 材料的传热系数 将比表中所 列数值要增大50 100 雨 雪和冷凝水浸湿保温 被将大大降低其保温性 为了 防止水分进入保温被芯材中 较多保温被设置有各类防水作 用的面层 防水层需要保持整 个表面完好 严密 防止水分 从破损处进入 同时 保温被 缝合线的针孔处 水分易于进 入 也应进行适当的处理 保 温被的防水 隔气是个较难于 处理完善的问题 一些具有防 水 隔气面层的保温被 一旦 水分进入保温芯材中 就很难 排出 如保温被中水分过多 将会大大降低其保温性 同时 遇寒冷天气 保温被中水分冻 硬结冰 会使其卷放困难 也 难与屋面贴合严密 其保温性 会进一步降低 因此 目前在 一些冬季干燥少雨雪的地区 一些保温被采取不设置防水隔 气层的办法 保温被内外具有 一定的透气性 这样即使有少 量水分进入其内部 也容易排 出 这种方法可在干燥少雨雪 的地区采用 在防水性能方面 具有自 防水作用的聚乙烯泡沫塑料以 及橡塑保温材料等保温被具有 显著优势 保温被产品一般为1 5 6 m 宽度 通过分块搭接 连接为 覆盖屋面的整体覆盖面 其搭 接接缝处 如处理不当 将会 在接缝处产生严重的冷风灌入 将显著削弱其保温性 目前一 般搭接方法有扣眼 系绳连接 尼龙粘扣连接与胶带粘接等方 法 其中尼龙粘扣连接与胶带 粘接的接缝相对较为严密 但 胶带粘接对保温被表面有平整 度等方面要求 对于纤维一类 表面粗糙的保温被不能适用 参考文献 1 日本施設園芸協会 21世紀施設園芸研 究会 施設園芸用被覆資材 新订 M 東京 園芸情報 2004 2 一般社团法人日本施設園芸協会 施 設園芸 植物工場 M 東京 一般社团法人農山漁村文化協 会 2015 3 李士军 郭世荣 设施园艺学 M 北 京 中国农业出版社 2011 4 陈端生 邱建军 王刚 等 几种日光 温室外保温覆盖材料的保温性能 J 农业工程学报 1996 12 增 108 115 5 周长吉 周新群 桂金光 几种日光 温室复合保温被保温性能分析 J 农 业工程学报 1999 15 2 168 171 6 徐刚毅 周长吉 日光温室PE发泡 自防水保温被的研制与性能测试 J 农业工程学报 2005 21 1 128 131 7 任艳芳 何俊瑜 温祥珍 温室保温 覆盖材料研究现状及进展 J 山西农 业大学学报 2005 25 2 183 185 8 单明景 焦晓宁 郑智新 新型保 温被保温层的研究 J 产业用纺织 品 2006 11 9 11 9 马承伟 陈青云 农业设施设计 与建造 M 北京 中国农业出版 社 2007 10 乔正卫 邹志荣 张立明 等 4种 日光温室保温被室内的试验性能测 试 J 西北农林科技大学学报 自 然科学版 2008 36 6 153 158 11 王玉娟 王进美 陈海珍 等 农 用日光温室纺织复合保温材料热阻 湿阻的测试研究 J 产品用纺织 品 2014 6 38 41 12 刘晨霞 马承伟 王平智 等 日 光温室保温被保温性能影响 因素的分析 J 农业工程学 报 2015 31 20 186 193 项目支持 十二五 农村 领域国家科技计划 863 计 划 课题 日光温室构件集 热技术与智能控制系统 研究 2013AA102407 现 代 农业产业技术体系建设专项资金 CARS 23 C02 作者简介 马承伟 1952 男 重庆人 教授 研究方向 设施 园艺环境工程 引用信息 马承伟 王平智 赵淑梅 等 日光 温室保温被材料及保温性能评价 J 农业工程技 术 2018 38 31 12 16