江苏地区设施园艺保温材料的选型及应用

虞利俊 ， 徐 磊 ， 柳 军 ， 等 江苏地区设施园艺保温材料的选型及应用 J 江苏农业科学 ， 2017， 45( 19) : 251 253doi: 1015889/j issn1002 1302201719059江苏地区设施园艺保温材料的选型及应用虞利俊 ， 徐 磊 ， 柳 军 ， 蒋希芝 ， 夏礼如( 江苏省农业科学院农业设施与装备研究所 ， 江苏南京 210014)摘要 : 江苏省作为东部沿海经济发达省份 ， 人们生活水平有了较大提高 ， 对农产品的需求越来越高 ， 也带动了全省高效农业的发展 。然而 ， 复杂的气候特征导致江苏省设施园艺种植类型的多样化 ， 加上江苏地区冬季经常出现长时间低温寡照 、连续阴雨的天气 ， 因此 ， 设施的保温性能在冬季设施种植过程中起非常重要的作用 。综述目前国内外使用较成熟的几种保温材料 ， 结合江苏地区的设施结构特点进行分析 ， 以期为今后江苏地区设施种植保温材料的选型与应用提供参考性建议 。关键词 : 江苏地区 ; 设施园艺 ; 保温材料 ; 选型中图分类号 : S625 文献标志码 : A 文章编号 : 1002 1302( 2017) 19 0251 02收稿日期 : 2016 12 08基金项目 : 省部共建国家重点实验室培育基地 江苏省食品质量安全重点实验室建设项目 ( 编号 : 028064911406) 。作者简介 : 虞利俊 ( 1973) ， 男 ， 江苏丹阳人 ， 副研究员 ， 主要从事设施种植结构及材料的应用研究 。E mail: 251512339 qq com。通信作者 : 夏礼如 ， 江苏泰州人 ， 研究员 ， 主要从事农业设施结构 、材料及装备研究 。E mail: xlrjaas126 com。设施园艺是一种发达的农业生产模式 ， 不仅集成了传统的农业种植技术 ， 更增加了工程装备 、生物环境 、功能材料等现代工业技术 ， 使其具有技术密集 、集约化及商品化程度高的特点 ， 可有效提高资源利用率 、单位面积的土地产出率及劳动生产率 ， 综合提高了农产品的质量 、效益及竞争力 ， 从而推动农业产业结构的优化调整 1。设施园艺的快速发展有力地保障了我国居民农产品的安全供给 、提高了资源利用率 、促进了农民增收 、加快了现代农业产业的发展 2。设施园艺在我国各地的发展并不平衡 ， 在部分地区取得了令人瞩目的成绩 ，如山东省已成为满足北京市等大城市蔬菜供给的重要生产基地 ， 山东省寿光市更是成为我国最大的蔬菜集散地 ， 寿光模式不断地在其他急须发展设施园艺的区域快速扩张 。江苏省作为东部沿海经济发达省份 ， 人们生活水平有了较大提高 ， 对农产品的需求越来越高 ， 也带动了全省高效农业的发展 ， 目前江苏省高效农业已经占到全省农业的 30% 以上 。设施农业 ， 尤其是设施园艺产业作为高效农业的重要组成部分 ， 在江苏省得到各级政府的重视 ， 为江苏省 “菜篮子工程 ”提供了坚实保障 ， 也为提高农民收入提供了新的途径 3 4。然而 ， 由于江苏省地处中纬度的海陆过渡带和气候过渡带 ， 兼受西风带 、副热带和低纬东风带天气系统的影响 ， 一般以淮河 、苏北灌溉总渠一线为界 ， 以北地区属暖温带湿润 、半湿润季风气候 ， 以南地区属亚热带湿润季风气候 。复杂的气候特征导致江苏设施园艺种植类型的多样化 ， 淮河以北地区常见的种植类型有日光温室 、连栋大棚以及传统的钢架大棚 ， 淮河以南地区以连栋大棚及钢架大棚较常见 。设施类型的多样化 ， 加上江苏地区冬季经常出现长时间低温寡照 、连续阴雨的天气 ， 因此 ， 设施的保温性能在越冬的设施种植过程中起非常重要的作用 。本研究综述了目前国内使用较成熟的几种设施保温材料 ， 结合江苏地区的设施结构特点进行分析 ， 为今后江苏地区设施种植保温材料的选型与应用提供一些参考性建议 。1 设施保温材料的类型设施农业是一项耗能产业 。长期以来 ， 温室的保温节能问题一直是各国设施农业专家普遍关注和研究的重点 。温室的围护结构性能影响内部环境 ， 热阻较小的保温材料占围护结构很大比重 ， 是温室热量进出的主要通道 ， 很大程度上影响室内的光温环境 。温室的保温材料传热系数或热节省率的确定 ， 原则上和最基本的方法是在实验室或在使用中的温室现场进行试验直接测定的 ， 传热系数是最直观的判断标准 。试件传热系数越低则传热阻及热节省率越高 ， 其保温材料的保温性能越好 。在温室覆盖材料的传热特性研究方面 ， 邱建军等利用稳态传热理论设计出绝热模型箱 ， 在无风和不受净辐射影响条件下 ， 测定出一系列保温材料的传热系数 5。陈青云等在 PO 和 PVC 薄膜温室的光 、温 、环境及其与薄膜流滴性能的关系方面也作了大量研究 ， 在 PO 膜的基础上开发出防雾功能膜 ， 其开发的防雾滴剂具有两亲性的分子结构 ， 在薄膜表面发生取向 ， 亲水基向外 ， 疏水基向内 ， 可起到降低水的表面张力 、促使凝聚在膜表面的水滴铺展而后顺膜流下的作用 6。防雾滴剂的作用过程实际上是其在膜中自迁移的动态过程 ， 其分子中的亲水基团在膜表面不断与水结合而逐渐流失 ， 随着防雾滴剂流失量的增加 ， 其降低水表面张力的能力减弱 ， 一段时间后薄膜会因此而丧失效能 ， 薄膜增加防雾效果的同时 ， 覆膜的保温隔热效果会有所降低 7。因此 ， 在设施园艺生产中合理选择覆膜及外保温材料尤为重要 。设施园艺的保温材料就其应用范围来讲 ， 可分为外层保温被 、相变保温材料 ( phase change material， PCM) 、内层隔热材料 3 种类型 。11 外层保温被外层保温被从结构上来看 ， 一般由外防水表面层及内保温隔热芯层组成 。外防水表面层通常由黑色淋膜毡 、镀铝编织布 、涂银迷彩布 、三防布 、刀刮布 、南韩布 、迷彩布 、有机硅152江苏农业科学 2017 年第 45 卷第 19 期布 、彩条布 、棉帆布等防水隔热材料组成 ; 内保温隔热芯层通常由太空棉 、珍珠棉 、喷胶棉 、无纺布 、毛毡材料等结构较疏松 ， 含空隙多的材料组成 。孙信成等测试了目前市场上常见的 17 种保温覆盖材料及其组合成的 41 种保温被的传热系数和热节省率 ， 发现涂银迷彩布 、镀铝编织布和黑色淋膜毡的保温性显著高于其他表层保温材料 ， 适合作保温被的外层材料 ; 保温被芯材料中以毛毡 、太空棉的保温隔热效果最好 ， 是优质的保温被内芯材料 ， 花色毡 、黑色无纺布 、白色无纺布和珍珠棉次之 ; 其中以涂银迷彩布 + 珍珠棉 + 太空棉 + 珍珠棉 + 镀铝编织布组合的保温被质量轻 ， 保温效果较好 8。外界温度越低 ， 覆盖保温被的保温效果越显著 ， 即增温幅度越高 ; 晴天天气条件下的保温效果要高于阴天 ， 即使在阴天有散射光时 ， 揭开保温被也可使棚内温度比室外温度稍有升高 ，1 d 中温度最低值一般出现在凌晨 9。12 相变保温材料相变保温材料是利用材料在物相变化过程中吸收或释放大量的热量 ， 而自身温度范围变化较小的特性 ， 进行能量的储存或释放 10 11。它具有相变潜热高 、储能密度大 、相变过程温度变化小 、相变过程简单易控等优点 12 13， 在航空航天 、建筑工程 、农业生产等领域有着广阔的发展空间和应用前景 14 15。相变材料根据其相变温度可分为高温相变材料 、中温相变材料 、低温相变材料 ， 其中 ， 低温相变材料相变温度范围为 0 100 ， 为农业温室大棚有效储能开辟了新的途径 ，受到国内外很多研究者的关注 。相变材料依据其不同的相变状态可分为固 固相变材料 、固 液相变材料 、液 液相变材料 。为了得到相变温度适当 、性能优越的相变储能材料 ， 常常需要将几种有机相变储能材料复合以形成二元或多元相变储能材料 ， 有时也将有机相变储能材料和无机相变储能材料复合 ， 以弥补二者的不足 ， 得到性能更好的相变储能材料 。王宏丽等研究了硬脂酸正丁酯的相变温度 、潜热值和稳定性 ， 发现硬脂酸正丁酯相变温度适合 、相变潜热大 、热稳定性能好 ， 适合用作低温相变储热材料 ， 应用保温效果明显 16 17。陈超等研究了以石墨为主体的复合相变材料的蓄放热性能 ， 发现温室内温度可明显增加 ， 温室的热环境得到改善 18 19。章学来等分析了不同成核剂对十二水磷酸氢二钠过冷度的影响 ， 发现添加氧化铝和羧甲基纤维素钠可有效降低过冷度 ， 稳定蓄热体系 ，相变效果好 13。Alkilani 等针对玻璃温室研究了相变蓄热系统 ， 提高了太阳能储能效率 ， 温室温度显著提高 20 21。13 内层隔热材料内层隔热材料是用于温室内保温的一种保温隔热材料 ，其针对设施大棚冬季保温性能差 、热量损失较大的问题 ， 在设施内部覆盖 1 层保温隔热材料用于防御冬季极低气温对农作物的损害 。内层隔热材料最大的特点就是其与设施结构相结合 ， 使用成本较低 ， 保温性能较好 。目前普遍使用的内层隔热材料通常以传统的聚烯烃塑料为主 ， 国外已有研究团队将聚烯烃发泡膜用于设施大棚的内层隔热材料 ， 极大地降低膜的导热率 ， 从而提升了设施的保温性能 。发泡薄膜是以树脂为基体 ， 采用物理或化学发泡等方法 ， 形成均匀的开孔或闭孔结构的泡沫体 。泡沫塑料具有很多优点 ， 如质量轻 、缓冲性能良好 、隔热及隔音效果佳等 ， 可广泛应用于电子 、精密设备等工业制品以及陶瓷 、家电等生活用品的防震内衬 ， 成为现代包装工业不可或缺的缓冲包装材料 ， 也常用作隔热 、隔音的建筑用材 。目前生产制备发泡材料的工艺手段主要有 2 种 ， 即模压发泡和注塑发泡 。模压发泡工艺由来已久 ， 生产手段较纯熟 ，生产成本较少 ， 但生产效率低 ， 附带的废料较多 。在薄膜发泡过程中 ， 工艺条件 ( 温度 、压力 、时间等 ) 对材料的性能影响很大 。当温度过低时 ， 发泡剂无法完全分解 ， 产生不了足够的气泡 ; 交联反应也会受到限制 ， 达不到发泡阶段所需求的黏弹性 。温度过高时 ， 发泡剂分解过快 ， 短时间内产生过量的气体 ， 交联反应也会过度 ， 致使熔体松弛度不规律且粘度较低 ，表面作用力小 ， 泡孔也会发生破裂或合并现象 。压力对模压过程的影响相对较小 ， 因为高压有利于形成过饱和熔体 ， 这种熔体有利于泡孔的形成 ; 低压则有利于泡孔在熔体中的成长和定型 ， 但如果压力过低 ， 分解产生的气体会无规则地在熔体中扩散 ， 甚至出现气体逃逸现象 ， 导致泡孔不够均匀且发生破裂 ， 发泡材料的表面龟裂不平整 。常见的模压发泡时间控制为 400 800 s， 温度为 165 180 ， 压力为 5 10 MPa。一般情况下 ， 发泡倍率会随着时间的增加而增大 ， 并逐渐趋于稳定 ，但发泡时间过长 ， 不利于气泡的定型 ， 生产效率也会下降 。因此 ， 选择合适的工艺及配方制备农用发泡材料用于设施内部的保温 ， 可有效降低设施的能耗 ， 从而提升园艺设施的保温性能 。2 江苏地区设施保温材料的选型江苏省淮河以北地区的设施类型中 ， 日光温室占比较多 ，可选用外层保温被与棚内相变保温材料相结合的手段以提高冬季设施内的极低温度 ; 连栋大棚及钢架大棚可选用相变保温材料与内层隔热材料相结合 ， 利用相变材料的储能与内层隔热材料的保温性来提高棚内的夜间温度 。淮河以南地区的设施类型主要以单体钢架大棚为主 ， 可选用内层隔热材料用于设施的保温 ， 减少热量的流失 ， 以提高设施内夜间的温度 ;如果遭遇极端低温 ， 可适时地选用相变保温材料 ， 将白天的热量储存下来用于夜间释放以提高夜间的极低温 。3 结论本研究综述了目前国内使用较成熟的几种设施保温材料 ， 结合江苏地区的设施结构特点进行分析得知 ， 江苏省淮河以北地区的日光温室主要以外层保温被与棚内相变保温材料相结合的手段 ， 以提高冬季设施内的极低温度 ; 连栋大棚及钢架大棚以相变保温材料与内层隔热材料相结合的方式 。淮河以南地区以内层隔热材料为主 ， 如遇特殊极端天气 ， 结合相变保温材料用于冬季的保温增温 。参考文献 : 1 于 水 设施农业发展的现状 、问题与对策 以江苏省为例 J 华中农业大学学报 ( 社会科学版 ) ， 2008( 6) : 9 14 2 宗锦耀 深入贯彻落实科学发展观大力促进设施农业又好又快发展 J 农机市场 ， 2007( 12) : 4 6 3 郭忠仁 ， 李乃伟 ， 李云龙 设施园艺对江苏农业发展贡献分析 J 江苏农村经济 ， 2010( 4) : 44 45 4 姚於康 ， 孙 宁 ， 刘 媛 ， 等 江苏省设施农业现状及发展对策 J 江苏农业学报 ， 2009， 25( 6) : 1382 1386 5 邱建军 ， 李哲敏 温室保温覆盖材料传热系数的测定 J 农业工程学报 ， 1997( 增刊 1) : 116 122252 江苏农业科学 2017 年第 45 卷第 19 期櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄 6 陈青云 ， 原园芳信 ， 吉本真由美 PO 与 PVC 薄膜温室的光温环境及其薄膜流滴性的关系 J 农业工程学报 ， 1997， 13( 1) : 130 135 7 杨迪桂 不同薄膜覆盖下小拱棚的环境特性分析及其湿度环境的模拟 D 北京 : 中国农业大学 ， 2002 8 孙信成 ， 王秀峰 ， 魏 珉 ， 等 6 种保温被的应用效果研究 J 山东农业科学 ， 2015， 47( 12) : 35 37 9 王宇欣 高寒地区大型连栋充气温室节能保温机理及结构可靠性的系统研究 D 北京 : 中国农业大学 ， 2000 10 闫彦涛 ， 邹志荣 ， 李 凯 太阳能相变蓄热系统在温室加温中的应用 J 中国农业大学学报 ， 2016， 21( 5) 139 146 11 孙心心 ， 邹志荣 ， 王宏丽 ， 等 新型复合相变墙日光温室性能实测分析 J 农机化研究 ， 2010( 3) : 168 170 12 李国柱 ， 冯国会 ， 赫 娜 ， 等 不同冷却温度下相变材料Na2SO410H2O 的过冷行为 J 材料热处理学报 ， 2013， 34( 9) : 31 35 13 章学来 ， 盛青青 ， 葛轶群 十二水磷酸氢二钠相变性能改进研究 J 化学工程 ， 2009， 37( 5) : 53 56 14 郭 靖 ， 邹志荣 ， 刘玉凤 不同方式封装的相变材料蓄热效果研究 基于日光温室 J 农机化研究 ， 2012( 2) : 137 140 15 铁生年 ， 蒋自鹏 相变储能材料在温室大棚中应用研究进展 J 硅酸盐通报 ， 2015， 34( 7) : 1933 1940 16 王宏丽 ， 王 朋 ， 邹志荣 硬脂酸正丁酯 /聚苯乙烯定形相变材料实验 J 太阳能学报 ， 2010， 31( 11) : 1471 1474 17 王宏丽 ， 李晓野 ， 邹志荣 相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果 J 农业工程学报 ， 2011， 27( 5) : 253 257 18 陈 超 ， 果海凤 ， 周 玮 相变墙体材料在温室大棚中的实验研究 J 太阳能学报 ， 2009， 30( 3) : 287 293 19 管 勇 ， 陈 超 ， 李 琢 ， 等 相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善 J 农业工程学报 ， 2012， 28( 10) : 194 201 20 Alkilani M M， Sopian K， Alghoul M A， et al Review of solar aircollectors with thermal storage unites J Renewable andSustainable Energy Reviews， 2011， 15( 3) : 1476 1490 21 Benli H， Durmus A Performance analysis of a latent heat storagesystem with phase change material for new designed solar collectorsin greenhouse heating J Solar Energy， 2009， 83 ( 12) : 2109 2119张伟建 ， 王新忠 ， 李亮亮 ， 等 夏季屋顶全开型温室遮阳网降温调控的 CFD 分析 J 江苏农业科学 ， 2017， 45( 19) : 253 256doi: 1015889/j issn1002 1302201719060夏季屋顶全开型温室遮阳网降温调控的CFD分析张伟建 ， 王新忠 ， 李亮亮 ， 洪亚杰( 江苏大学农业装备工程学院 ， 江苏镇江 212013)摘要 : 为研究遮阳网对屋顶全开型温室夏季降温的影响 ， 建立屋顶全开型温室的计算流体动力学 ( CFD) 模型 ， 在上海地区进行夏季试验 。通过对比试验实测值与模拟值验证了模型的有效性 ， 并利用试验和 CFD 模型分析了遮阳网对温室降温的影响 ， 结果表明 ， 遮阳网的使用层数对温室降温影响明显 ， 2 层遮阳网下温室室内外温差为 4 5 ， 1 层遮阳网下为 37 ， 无遮阳网为 13 ; 利用 CFD 模拟分析了增加外遮阳网后的温室内温度场 ， 在基本满足植物生长光照要求的情况下 ， 温室接收的太阳总辐射降为 176 3 W/m2， 室内平均温度降为 37 6 ， 温室内局部高温状况也被大大缓解 。关键词 : 遮阳网 ; 夏季降温 ; 屋顶全开型温室 ; CFD中图分类号 : S6255+1 文献标志码 : A 文章编号 : 1002 1302( 2017) 19 0253 04收稿日期 : 2016 04 27基金项目 : 国家科技支撑计划 ( 编号 : 2014BAD08B03) ; 江苏省重点研发计划 ( 编 号 : BE2016323) ; 江 苏 省 昆 山 市 科 技 计 划 ( 编 号 :KN1504) 。作者简介 : 张伟建 ( 1988) ， 男 ， 江苏连云港人 ， 硕士研究生 ， 主要从事温室流场方向研究 。E mail: 9492945497 qq com。夏季降温一直是困扰玻璃温室种植的一个重大问题 ， 采用机械通风降温 ， 耗能较高 ， 且易形成不均匀的温度场 ， 造成作物品质下降 。采用自然通风时耗能少 ， 温度分布均匀 ， 但传统温室的设计方式使温室天窗通风率低 ， 难以实现自然通风的有效降温 。屋顶全开天窗型温室增强了温室自然通风效果 ， 配合遮阳网的使用 ， 在夏季高太阳辐射弱风天气中达到很好的降温效果 。这种新型温室在我国尚处在推广期 ， 有待进一步加强对其的试验分析和理论研究 。目前 ， 温室流场研究大多针对塑料大棚或普通文洛型温室展 开 1 3， 表明计算流体动力学 ( computational fluiddynamics， 简称 CFD) 方法是温室流场研究中的有效手段 。遮阳网是重要的温室调控设备 ， 对温室室内温度 、湿度等环境参数的调节都起到了非常重要的作用 。沈明卫等利用布点测量的研究方法分别建立了遮阳网对温室内环境调控影响的光辐射模型 ， 该模型可以在测得室外光照度和遮阳网自身参数的情况下预测遮阳温室的室内光照情况 4 6。Abdel Ghany 等给出了不同遮阳网布置下遮阳温室对室外辐射值的接收情况 5 6， 为使用 CFD 方法进行遮阳网对温室调控影响的模拟提供了直接参考 。Willits 等利用布点测量的方法研究发现 ，遮阳网的使用不仅有利于温室的降温 ， 也有利温室内植物水分的保持 7。李永欣等采用了辐射折算的方法成功地在CFD 中模拟了遮阳网对温室内环境的影响 8。遮阳网对温室的调控作用巨大 ， 已有文献主要针对温室中的某几个点分析遮阳网的影响 ， 利用 CFD 手段从整体温室流场角度研究遮352江苏农业科学 2017 年第 45 卷第 19 期