Li Jianming, Sun Guotao, enz.Kasbouw, tuinbouw, landbouwtechniek2022-11-21 17:42 Gepubliceerd in Peking

De afgelopen jaren heeft de glastuinbouw zich sterk ontwikkeld. De ontwikkeling van glastuinen verbetert niet alleen de benutting van land en de opbrengst van landbouwproducten, maar lost ook het probleem van de aanvoer van groenten en fruit buiten het seizoen op. De glastuinbouw staat echter ook voor ongekende uitdagingen. De oorspronkelijke installaties, verwarmingsmethoden en constructies zijn niet meer bestand tegen de veranderende omgeving en ontwikkelingen. Nieuwe materialen en ontwerpen zijn dringend nodig om de glastuinbouw te moderniseren, en nieuwe energiebronnen zijn essentieel om energiebesparing en milieubescherming te realiseren, en tegelijkertijd de productie en inkomsten te verhogen.

Dit artikel behandelt het thema "nieuwe energie, nieuwe materialen, nieuw ontwerp ter ondersteuning van de nieuwe revolutie in de kassenbouw", inclusief onderzoek naar en innovatie op het gebied van zonne-energie, biomassa-energie, geothermische energie en andere nieuwe energiebronnen in de kassenbouw, onderzoek naar en toepassing van nieuwe materialen voor afdekking, thermische isolatie, wanden en andere voorzieningen, en de toekomstperspectieven en ideeën over hoe nieuwe energie, nieuwe materialen en nieuw ontwerp de hervorming van de kassenbouw kunnen bevorderen, om zo een referentiepunt voor de sector te bieden.

De ontwikkeling van kassenbouw is een politieke noodzaak en een onvermijdelijke keuze om de geest van belangrijke richtlijnen en de besluitvorming van de centrale overheid te implementeren. In 2020 zal de totale oppervlakte aan beschermde landbouw in China 2,8 miljoen hm² bedragen en de productiewaarde meer dan 1 biljoen yuan. Het verbeteren van de kasproductiecapaciteit door middel van nieuwe energiebronnen, nieuwe materialen en een nieuw kasontwerp is een belangrijke manier om de kasverlichting en thermische isolatie te verbeteren. Traditionele kassenbouw kent veel nadelen, zoals het gebruik van steenkool, stookolie en andere energiebronnen voor verwarming, wat resulteert in een grote hoeveelheid kooldioxide en ernstige milieuvervuiling. Daarnaast verhogen aardgas, elektriciteit en andere energiebronnen de operationele kosten van kassen. Traditionele materialen voor warmteopslag in kaswanden zijn voornamelijk klei en bakstenen, wat veel verbruik en ernstige schade aan de grond veroorzaakt. De landgebruiksefficiëntie van traditionele zonnekassen met aarden wanden is slechts 40% tot 50%, en gewone kassen hebben een slechte warmteopslagcapaciteit, waardoor ze in Noord-China de winter niet kunnen overleven en er geen groenten in de warmte kunnen worden geteeld. De kern van het bevorderen van veranderingen in de kassenbouw, ofwel fundamenteel onderzoek, ligt daarom in het ontwerp, het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe materialen en nieuwe energiebronnen. Dit artikel richt zich op het onderzoek naar en de innovatie van nieuwe energiebronnen in de kassenbouw, vat de onderzoeksstatus samen van nieuwe energiebronnen zoals zonne-energie, biomassa-energie, geothermische energie, windenergie en nieuwe transparante afdekkingsmaterialen, thermische isolatiematerialen en wandmaterialen voor kassen, analyseert de toepassing van nieuwe energie en nieuwe materialen bij de bouw van nieuwe kassen en blikt vooruit op hun rol in de toekomstige ontwikkeling en transformatie van de kassenbouw.

Onderzoek en innovatie van nieuwe energiebroeikassystemen

De groene, nieuwe energiebronnen met het grootste potentieel voor toepassing in de landbouw omvatten zonne-energie, geothermische energie en biomassa-energie, ofwel de integrale benutting van diverse nieuwe energiebronnen, om zo een efficiënt energiegebruik te bereiken door van elkaars sterke punten te leren.

zonne-energie/stroom

Zonne-energietechnologie is een koolstofarme, efficiënte en duurzame energiebron en een belangrijk onderdeel van China's strategische opkomende industrieën. Het zal een onvermijdelijke keuze worden voor de transformatie en modernisering van de Chinese energiestructuur in de toekomst. Vanuit het oogpunt van energiegebruik is de kas zelf een faciliteit voor het benutten van zonne-energie. Door het broeikaseffect wordt zonne-energie binnenshuis opgevangen, stijgt de temperatuur in de kas en wordt de benodigde warmte voor de gewasgroei geleverd. De belangrijkste energiebron voor fotosynthese van kasplanten is direct zonlicht, wat neerkomt op een directe benutting van zonne-energie.

01 Fotovoltaïsche energieopwekking voor warmteproductie

Fotovoltaïsche energieopwekking is een technologie die lichtenergie rechtstreeks omzet in elektrische energie op basis van het fotovoltaïsche effect. Het belangrijkste element van deze technologie is de zonnecel. Wanneer zonne-energie op een reeks zonnepanelen in serie of parallel valt, zetten halfgeleidercomponenten de zonne-energie direct om in elektrische energie. Fotovoltaïsche technologie kan lichtenergie direct omzetten in elektrische energie, elektriciteit opslaan in batterijen en de kas 's nachts verwarmen, maar de hoge kosten beperken de verdere ontwikkeling ervan. De onderzoeksgroep heeft een fotovoltaïsch verwarmingsapparaat met grafeen ontwikkeld, bestaande uit flexibele fotovoltaïsche panelen, een alles-in-één omkeerregelsysteem, een accu en een grafeen verwarmingsstaaf. Afhankelijk van de lengte van de plantenlijn wordt de grafeen verwarmingsstaaf onder de substraatzak geplaatst. Overdag absorberen de fotovoltaïsche panelen zonnestraling om elektriciteit op te wekken en op te slaan in de accu, waarna de opgewekte elektriciteit 's nachts wordt afgegeven aan de grafeen verwarmingsstaaf. In de praktijk is een temperatuurregeling toegepast waarbij de temperatuur wordt ingesteld op 17℃ en uitgeschakeld op 19℃. Door de verwarming 's nachts (van 20:00 tot 08:00 uur op de tweede dag) 8 uur lang te laten draaien, bedraagt ​​het energieverbruik voor het verwarmen van één rij planten 1,24 kWh, en de gemiddelde temperatuur van de substraatzak 's nachts is 19,2 °C, wat 3,5 tot 5,3 °C hoger is dan die van de controlegroep. Deze verwarmingsmethode, gecombineerd met zonne-energieopwekking, lost de problemen op van hoog energieverbruik en hoge vervuiling bij de verwarming van kassen in de winter.

02 fotothermische omzetting en benutting

Zonne-energieconversie met fotothermische eigenschappen houdt in dat een speciaal oppervlak, gemaakt van fotothermische materialen, zonlicht opvangt en absorbeert om zoveel mogelijk zonne-energie te absorberen en om te zetten in warmte-energie. In vergelijking met fotovoltaïsche zonne-energiesystemen verhoogt zonne-energieconversie de absorptie van nabij-infrarood licht, waardoor een hogere energiebenuttingsefficiëntie, lagere kosten en een vol成熟e technologie worden bereikt. Het is dan ook de meest gebruikte methode voor het benutten van zonne-energie.

De meest ontwikkelde technologie voor fotothermische conversie en benutting in China is de zonnecollector. Het kernonderdeel hiervan is de warmteabsorberende plaat met een selectieve absorptiecoating. Deze coating zet de zonne-energie die door de afdekplaat valt om in warmte-energie en draagt ​​deze over aan het warmteabsorberende werkmedium. Zonnecollectoren kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën, afhankelijk van de aanwezigheid van een vacuümruimte in de collector: vlakke zonnecollectoren en vacuümbuiszonnecollectoren; geconcentreerde zonnecollectoren en niet-geconcentreerde zonnecollectoren, afhankelijk van of de richting van de zonnestraling bij de daglichtopening verandert; en vloeibare zonnecollectoren en luchtzonnecollectoren, afhankelijk van het type warmteoverdrachtsmedium.

Het benutten van zonne-energie in kassen gebeurt voornamelijk via verschillende soorten zonnecollectoren. De Ibn Zor Universiteit in Marokko heeft een actief zonne-energieverwarmingssysteem (ASHS) ontwikkeld voor de verwarming van kassen, waarmee de totale tomatenproductie in de winter met 55% kan worden verhoogd. De Chinese Landbouwuniversiteit heeft een systeem ontworpen en ontwikkeld met een oppervlaktekoeler en ventilator voor het opvangen en afvoeren van warmte, met een warmteopvangcapaciteit van 390,6 tot 693,0 MJ, en heeft het idee geopperd om het warmteopvangproces te scheiden van het warmteopslagproces door middel van een warmtepomp. De Universiteit van Bari in Italië heeft een polygeneratieverwarmingssysteem voor kassen ontwikkeld, bestaande uit een zonne-energiesysteem en een lucht-waterwarmtepomp, waarmee de luchttemperatuur met 3,6% en de bodemtemperatuur met 92% kan worden verhoogd. De onderzoeksgroep heeft een actief zonne-energieopvangsysteem met variabele hellingshoek ontwikkeld voor zonnekassen, evenals een ondersteunend warmteopslagsysteem voor het waterreservoir in de kas, dat bestand is tegen alle weersomstandigheden. Actieve zonnewarmteopvangtechnologie met variabele hellingshoek doorbreekt de beperkingen van traditionele kaswarmteopvangsystemen, zoals een beperkte warmteopvangcapaciteit, schaduwvorming en de benodigde bebouwde oppervlakte. Door de speciale constructie van de zonnekas wordt de niet-beplante ruimte van de kas volledig benut, wat de benuttingsefficiëntie van de kasruimte aanzienlijk verbetert. Onder normale zonnige omstandigheden bereikt het actieve zonnewarmteopvangsysteem met variabele hellingshoek een rendement van 1,9 MJ/(m²h), een energie-efficiëntie van 85,1% en een energiebesparing van 77%. De warmteopslagtechnologie voor kassen maakt gebruik van een meerfasige warmteopslagstructuur, waardoor de warmteopslagcapaciteit van de warmteopslag wordt vergroot en de warmte langzaam wordt afgegeven. Dit zorgt voor een efficiënt gebruik van de door de zonnewarmteopvangapparatuur in de kas opgevangen warmte.

biomassa-energie

Een nieuwe faciliteitsstructuur wordt gebouwd door het biomassa-warmteproducerende apparaat te combineren met de kas, waarbij biomassa-grondstoffen zoals varkensmest, champignonresten en stro worden gecomposteerd om warmte te produceren, en de opgewekte warmte-energie direct aan de kas wordt geleverd [5]. In vergelijking met een kas zonder biomassa-fermentatie-verwarmingstank kan de verwarmde kas de bodemtemperatuur in de kas effectief verhogen en de juiste temperatuur voor de wortels van gewassen die in de grond worden geteeld, handhaven in een normaal klimaat in de winter. Neem bijvoorbeeld een enkellaagse asymmetrische thermisch geïsoleerde kas met een overspanning van 17 m en een lengte van 30 m: het toevoegen van 8 m³ landbouwafval (een mengsel van tomatenstro en varkensmest) aan de fermentatietank binnen voor natuurlijke fermentatie zonder de hoop om te keren, kan de gemiddelde dagtemperatuur van de kas in de winter met 4,2 °C verhogen, en de gemiddelde dagminimumtemperatuur kan oplopen tot 4,6 °C.

Energiebenutting door gecontroleerde fermentatie van biomassa is een fermentatiemethode waarbij instrumenten en apparatuur worden gebruikt om het fermentatieproces te beheersen. Het doel is om snel en efficiënt warmte-energie en CO2-gas als meststof uit biomassa te verkrijgen en te benutten. Ventilatie en vochtigheid zijn hierbij cruciale factoren voor de regulering van de warmte- en gasproductie tijdens de fermentatie. Onder geventileerde omstandigheden gebruiken aerobe micro-organismen in de fermentatiehoop zuurstof voor hun levensprocessen. Een deel van de opgewekte energie wordt gebruikt voor hun eigen levensprocessen, terwijl een ander deel als warmte aan de omgeving wordt afgegeven. Dit draagt ​​bij aan een verhoogde temperatuur van de omgeving. Water speelt een rol in het gehele fermentatieproces door de benodigde oplosbare voedingsstoffen voor de microbiële activiteiten te leveren en tegelijkertijd de warmte van de hoop in de vorm van stoom af te voeren. Hierdoor daalt de temperatuur van de hoop, wordt de levensduur van de micro-organismen verlengd en stijgt de gemiddelde temperatuur van de hoop. Door een stro-uitspoelingsinstallatie in de fermentatietank te plaatsen, kan de temperatuur in de winter met 3 tot 5 °C stijgen, de fotosynthese van de planten worden versterkt en de tomatenopbrengst met 29,6% toenemen.

Geothermische energie

China is rijk aan geothermische bronnen. Momenteel is de meest gangbare manier voor agrarische bedrijven om geothermische energie te benutten het gebruik van aardwarmtepompen. Deze pompen zetten laagwaardige warmte-energie om in hoogwaardige warmte-energie door een kleine hoeveelheid hoogwaardige energie (zoals elektriciteit) toe te voeren. In tegenstelling tot traditionele methoden voor het verwarmen van kassen, biedt verwarming met een aardwarmtepomp niet alleen een aanzienlijk verwarmingseffect, maar kan de kas ook worden gekoeld en de luchtvochtigheid worden verlaagd. Het onderzoek naar de toepassing van aardwarmtepompen in de woningbouw is al vergevorderd. Het belangrijkste onderdeel dat de verwarmings- en koelcapaciteit van een aardwarmtepomp beïnvloedt, is de ondergrondse warmtewisselaar, die voornamelijk bestaat uit leidingen en putten. Het ontwerpen van een ondergronds warmtewisselaarsysteem met een evenwichtige kosten-batenverhouding is altijd een belangrijk onderzoeksgebied geweest. Tegelijkertijd beïnvloedt de temperatuurverandering van de ondergrondse bodemlaag ook het rendement van het systeem. Door de aardwarmtepomp te gebruiken om de kas in de zomer te koelen en de warmte-energie in de diepere bodemlagen op te slaan, kan de temperatuurdaling in de ondergrondse bodemlaag worden beperkt en de warmteproductie-efficiëntie van de aardwarmtepomp in de winter worden verbeterd.

Momenteel wordt in het onderzoek naar de prestaties en efficiëntie van aardwarmtepompen, op basis van daadwerkelijke experimentele gegevens, een numeriek model ontwikkeld met software zoals TOUGH2 en TRNSYS. Hieruit blijkt dat de verwarmingsprestaties en de prestatiecoëfficiënt (COP) van aardwarmtepompen 3,0 tot 4,5 kunnen bereiken, wat duidt op een goed koel- en verwarmingseffect. In het onderzoek naar de werkingsstrategie van warmtepompsystemen ontdekten Fu Yunzhun en anderen dat, vergeleken met de belastingzijde, de aardwarmtezijde een grotere invloed heeft op de prestaties van de unit en de warmteoverdrachtsprestaties van de ondergrondse leidingen. Onder de voorwaarde van een optimale stroomregeling kan de maximale COP-waarde van de unit 4,17 bereiken door een werkingsschema van 2 uur in bedrijf en 2 uur uit te voeren. Shi Huixian et al. pasten een intermitterende werking toe op een wateropslagkoelsysteem. In de zomer, wanneer de temperaturen hoog zijn, kan de COP van het gehele energievoorzieningssysteem 3,80 bereiken.

Diepe bodemwarmteopslagtechnologie in kassen

Diepe bodemwarmteopslag in kassen wordt ook wel een "warmteopslagbank" genoemd. Koudeschade in de winter en hoge temperaturen in de zomer vormen de grootste obstakels voor de kasproductie. Gebaseerd op het sterke warmteopslagvermogen van diepe grond, heeft de onderzoeksgroep een ondergrondse warmteopslaginstallatie voor kassen ontworpen. Deze installatie bestaat uit een dubbellaagse, parallelle warmteoverdrachtsleiding die op een diepte van 1,5 tot 2,5 meter in de kas is begraven, met een luchtinlaat aan de bovenkant en een luchtuitlaat in de grond. Wanneer de temperatuur in de kas hoog is, wordt de binnenlucht door een ventilator onder druk de grond in gepompt om warmte op te slaan en de temperatuur te verlagen. Wanneer de temperatuur in de kas laag is, wordt warmte uit de grond onttrokken om de kas te verwarmen. De productie- en toepassingsresultaten tonen aan dat de installatie de temperatuur in de kas 's nachts met 2,3 °C kan verhogen, de binnentemperatuur overdag in de zomer met 2,6 °C kan verlagen en de tomatenopbrengst met 1500 kg kan verhogen op een oppervlakte van 667 m².²Het apparaat maakt optimaal gebruik van de eigenschappen van de diepe ondergrond, zoals "warm in de winter en koel in de zomer" en "constante temperatuur". Het fungeert als een "energiebron" voor de kas en vervult continu de ondersteunende functies van koeling en verwarming van de kas.

Multi-energiecoördinatie

Het gebruik van twee of meer energiebronnen voor de verwarming van een kas kan de nadelen van een enkele energiebron effectief compenseren en het superpositie-effect van "één plus één is groter dan twee" benutten. De complementaire samenwerking tussen geothermische energie en zonne-energie is de laatste jaren een belangrijk onderzoeksthema op het gebied van nieuwe energiebenutting in de landbouwproductie. Emmi et al. bestudeerden een energiesysteem met meerdere bronnen (Figuur 1), uitgerust met een hybride fotovoltaïsch-thermische zonnecollector. Vergeleken met een gangbaar lucht-water warmtepompsysteem is de energie-efficiëntie van dit systeem met meerdere bronnen met 16% tot 25% verbeterd. Zheng et al. ontwikkelden een nieuw type gekoppeld warmteopslagsysteem van zonne-energie en een aardwarmtepomp. Het zonnecollectorsysteem maakt hoogwaardige seizoensopslag van warmte mogelijk, dat wil zeggen hoogwaardige verwarming in de winter en hoogwaardige koeling in de zomer. De ondergrondse buiswarmtewisselaar en de intermitterende warmteopslagtank functioneren beide goed in het systeem en de COP-waarde van het systeem kan 6,96 bereiken.

In combinatie met zonne-energie is het doel het verbruik van commerciële elektriciteit te verminderen en de stabiliteit van de zonne-energievoorziening in kassen te verbeteren. Wan Ya et al. hebben een nieuw intelligent besturingsschema ontwikkeld voor de combinatie van zonne-energieopwekking met commerciële elektriciteit voor de verwarming van kassen. Dit schema maakt gebruik van zonne-energie wanneer er licht is en zet deze om in commerciële elektriciteit wanneer er geen licht is. Hierdoor wordt het tekort aan stroom aanzienlijk verminderd en worden de economische kosten verlaagd, zonder dat er batterijen nodig zijn.

Zonne-energie, biomassa-energie en elektrische energie kunnen gezamenlijk worden gebruikt om kassen te verwarmen, wat tevens een hoog verwarmingsrendement oplevert. Zhang Liangrui en anderen combineerden een vacuümbuissysteem voor zonnewarmte met een watertank voor elektrische warmteopslag. Het verwarmingssysteem voor de kas biedt een goed thermisch comfort en het gemiddelde verwarmingsrendement van het systeem bedraagt ​​68,70%. De watertank voor elektrische warmteopslag is een apparaat voor wateropslag met biomassaverwarming en elektrische verwarming. De laagste temperatuur van het inlaatwater aan de verwarmingszijde wordt ingesteld en de werkingsstrategie van het systeem wordt bepaald aan de hand van de watertemperatuur in het deel voor zonnewarmteopvang en het deel voor biomassawarmteopslag, om zo een stabiele verwarmingstemperatuur aan de verwarmingszijde te bereiken en elektriciteit en biomassa maximaal te besparen.

Innovatief onderzoek naar en toepassing van nieuwe kasmaterialen

Door de uitbreiding van het kassenoppervlak komen de nadelen van traditionele kasmaterialen zoals bakstenen en aarde steeds meer aan het licht. Om de thermische prestaties van kassen verder te verbeteren en te voldoen aan de ontwikkelingsbehoeften van moderne kassen, wordt er daarom veel onderzoek gedaan naar en worden nieuwe transparante afdekmaterialen, thermische isolatiematerialen en wandmaterialen toegepast.

Onderzoek naar en toepassing van nieuwe transparante afdekmaterialen

De meest voorkomende transparante afdekmaterialen voor kassen zijn plastic folie, glas, zonnepanelen en fotovoltaïsche panelen. Plastic folie heeft het grootste toepassingsgebied. De traditionele PE-folie voor kassen heeft echter nadelen, zoals een korte levensduur, gebrek aan afbreekbaarheid en een beperkte functionaliteit. Tegenwoordig worden er diverse nieuwe functionele folies ontwikkeld door toevoeging van functionele reagentia of coatings.

Lichtomzettingsfolie:De lichtomzettingsfolie verandert de optische eigenschappen van de folie door gebruik te maken van lichtomzettingsmiddelen zoals zeldzame aardmetalen en nanomaterialen. Hierdoor kan ultraviolet licht worden omgezet in rood-oranje en blauwviolet licht, wat essentieel is voor de fotosynthese van planten. Dit leidt tot een hogere gewasopbrengst en minder schade door ultraviolet licht aan gewassen en kasfolie in plastic kassen. Zo kan bijvoorbeeld een breedbandige paars-naar-rood kasfolie met het lichtomzettingsmiddel VTR-660 de infrarooddoorlaatbaarheid aanzienlijk verbeteren. Vergeleken met een controlekas is de tomatenopbrengst per hectare, het vitamine C-gehalte en het lycopeengehalte significant gestegen met respectievelijk 25,71%, 11,11% en 33,04%. De levensduur, afbreekbaarheid en kosten van deze nieuwe lichtomzettingsfolie moeten echter nog verder worden onderzocht.

Verspreid glasVerstrooid glas in kassen is een speciaal patroon en een antireflectietechnologie op het glasoppervlak. Dit maximaliseert de hoeveelheid zonlicht die de kas binnenkomt door het licht te verstrooien, waardoor de fotosynthese-efficiëntie van gewassen verbetert en de opbrengst toeneemt. Verstrooid glas zet het licht dat de kas binnenkomt om in verstrooid licht door middel van speciale patronen. Dit verstrooide licht wordt gelijkmatiger in de kas verspreid en elimineert de invloed van schaduwen op de constructie van de kas. Vergeleken met gewoon floatglas en ultra-wit floatglas, heeft verstrooid glas een lichtdoorlatendheid van 91,5%, terwijl die van gewoon floatglas 88% is. Elke toename van 1% in lichtdoorlatendheid in de kas leidt tot een opbrengstverhoging van ongeveer 3%, en het gehalte aan oplosbare suikers en vitamine C in groenten en fruit neemt toe. Verstrooid glas in kassen wordt eerst gecoat en vervolgens gehard. De zelfontploffingsweerstand is hoger dan de nationale norm en bedraagt ​​2‰.

Onderzoek naar en toepassing van nieuwe thermische isolatiematerialen

De traditionele thermische isolatiematerialen in kassen omvatten voornamelijk stromatten, papieren dekens en naaldviltdekens. Deze worden vooral gebruikt voor de interne en externe thermische isolatie van daken, wandisolatie en de thermische isolatie van warmteopslag- en warmteopvangsystemen. De meeste van deze materialen hebben echter als nadeel dat ze na langdurig gebruik hun isolerende werking verliezen door interne vochtigheid. Daarom is er een grote vraag naar nieuwe, hoogwaardige thermische isolatiematerialen, waarbij nieuwe thermische dekens en warmteopslag- en warmteopvangsystemen een belangrijk onderzoeksgebied vormen.

Nieuwe thermische isolatiematerialen worden doorgaans gemaakt door het verwerken en mengen van waterdichte en verouderingsbestendige materialen zoals geweven folie en gecoat vilt met pluizige thermische isolatiematerialen zoals gecoat katoen, kasjmier en parelkatoen. Een thermische isolatiedeken van geweven folie en gecoat katoen werd getest in Noordoost-China. Het bleek dat de toevoeging van 500 gram gecoat katoen gelijkwaardig was aan de thermische isolatieprestaties van een commercieel verkrijgbare zwarte vilten isolatiedeken van 4500 gram. Onder dezelfde omstandigheden was de thermische isolatieprestatie van 700 gram gecoat katoen 1 tot 2 °C hoger dan die van de isolatiedeken met 500 gram gecoat katoen. Tegelijkertijd toonden andere studies aan dat de thermische isolatieprestaties van isolatiedekens van gecoat katoen en kasjmier beter zijn dan die van gangbare isolatiedekens, met respectievelijk 84,0% en 83,3%. Bij een buitentemperatuur van -24,4℃ kan de binnentemperatuur respectievelijk 5,4 en 4,2℃ bereiken. In vergelijking met een isolatiedeken van stro heeft de nieuwe composietisolatiedeken de voordelen van een laag gewicht, een hoge isolatiewaarde, een sterke waterdichtheid en weerstand tegen veroudering. Het kan daarom worden gebruikt als een nieuw type hoogefficiënt isolatiemateriaal voor zonne-kassen.

Tegelijkertijd blijkt uit onderzoek naar thermische isolatiematerialen voor warmteopvang- en opslagsystemen in kassen dat meerlaagse composietisolatiematerialen, bij gelijke dikte, betere thermische isolatieprestaties leveren dan enkelvoudige materialen. Het team van professor Li Jianming van de Northwest A&F University ontwierp en testte 22 soorten thermische isolatiematerialen voor wateropslagsystemen in kassen, zoals vacuümplaten, aerogel en rubberkatoen, en mat hun thermische eigenschappen. De resultaten toonden aan dat een composietisolatiemateriaal van 80 mm thermische isolatiecoating + aerogel + rubber-plastic isolatiekatoen de warmteafvoer met 0,367 MJ per tijdseenheid kon verminderen in vergelijking met 80 mm rubber-plastic isolatiekatoen, en dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt 0,283 W/(m²·K) bedroeg bij een isolatiedikte van 100 mm.

Faseveranderingsmateriaal is een van de belangrijkste onderzoeksthema's in de bouwmaterialenindustrie. Northwest A&F University heeft twee soorten opslagsystemen met faseveranderingsmateriaal ontwikkeld: een opslagbox van zwart polyethyleen met afmetingen van 50 cm × 30 cm × 14 cm (lengte × hoogte × dikte), gevuld met faseveranderingsmateriaal, waardoor warmte kan worden opgeslagen en afgegeven; en een nieuw type faseveranderingswand. Deze wand bestaat uit faseveranderingsmateriaal, een aluminiumplaat, een aluminium-kunststofplaat en een aluminiumlegering. Het faseveranderingsmateriaal bevindt zich in het midden van de wand en heeft afmetingen van 200 mm × 200 mm × 50 mm. Het is een poederachtige vaste stof vóór en na de faseverandering en smelt of vloeit niet. De vier wanden van het faseveranderingsmateriaal zijn respectievelijk gemaakt van een aluminiumplaat en een aluminium-kunststofplaat. Dit systeem kan overdag voornamelijk warmte opslaan en 's nachts voornamelijk warmte afgeven.

Er zijn dus enkele problemen verbonden aan de toepassing van enkelvoudig thermisch isolatiemateriaal, zoals een lage thermische isolatie-efficiëntie, groot warmteverlies en een korte warmteopslagtijd. Door composiet thermisch isolatiemateriaal te gebruiken als thermische isolatielaag en als binnen- en buitenisolatielaag van de warmteopslaginstallatie, kan de thermische isolatieprestatie van de kas effectief worden verbeterd, het warmteverlies worden verminderd en zo energie worden bespaard.

Onderzoek naar en toepassing van een nieuwe muur

Als een soort omhullende constructie vormt de wand een belangrijke barrière voor de bescherming tegen kou en het behoud van warmte in een kas. Afhankelijk van het materiaal en de constructie van de wand, kan de ontwikkeling van de noordwand van een kas worden onderverdeeld in drie typen: de enkellaagse wand van aarde, bakstenen, enz., en de meerlaagse noordwand van kleibakstenen, blokken, polystyreenplaten, enz., met interne warmteopslag en externe warmte-isolatie. De meeste van deze wanden zijn tijdrovend en arbeidsintensief. Daarom zijn er de laatste jaren veel nieuwe typen wanden verschenen die gemakkelijk te bouwen en snel te monteren zijn.

De opkomst van nieuwe typen geprefabriceerde wanden bevordert de snelle ontwikkeling van geprefabriceerde kassen, waaronder nieuwe composietwanden met waterdichte en verouderingsbestendige buitenlagen en materialen zoals vilt, parelkatoen, spacekatoen, glaskatoen of gerecycled katoen als warmte-isolatielagen, zoals flexibele geprefabriceerde wanden van spuitgelijmd katoen in Xinjiang. Daarnaast is er ook onderzoek gedaan naar de noordwand van geprefabriceerde kassen met een warmteopslaglaag, zoals bakstenen van tarwekafmortelblokken in Xinjiang. Onder dezelfde externe omstandigheden, bij een laagste buitentemperatuur van -20,8 °C, is de temperatuur in de zonnekas met een composietwand van tarwekafmortelblokken 7,5 °C, terwijl de temperatuur in de zonnekas met een bakstenen-betonwand 3,2 °C is. De oogsttijd van tomaten in de bakstenen kas kan met 16 dagen worden vervroegd en de opbrengst per kas kan met 18,4% toenemen.

Het facilitaire team van Northwest A&F University kwam met het ontwerpidee om stro, aarde, water, steen en faseveranderingsmaterialen te gebruiken voor thermische isolatie en warmteopslagmodules. Dit idee, gebaseerd op een vereenvoudigd wandontwerp met aandacht voor lichtinval, stimuleerde het onderzoek naar toepassingen van modulaire, samengestelde wanden. Zo is de gemiddelde temperatuur in een kas bijvoorbeeld 4,0 °C hoger op een typische zonnige dag dan in een kas met een gewone bakstenen muur. Drie soorten anorganische faseveranderingsmodules, gemaakt van faseveranderingsmateriaal (PCM) en cement, hebben respectievelijk 74,5, 88,0 en 95,1 MJ/m² aan warmte opgeslagen.³en gaf warmte af van 59,8, 67,8 en 84,2 MJ/m².³respectievelijk. Ze hebben de functies van "piekvermindering" overdag, "dalvermindering" 's nachts, warmteabsorptie in de zomer en warmteafgifte in de winter.

Deze nieuwe wanden worden ter plaatse gemonteerd, met een korte bouwtijd en een lange levensduur. Dit creëert de voorwaarden voor de bouw van lichte, vereenvoudigde en snel te monteren geprefabriceerde kassen en kan de structurele hervorming van kassen aanzienlijk bevorderen. Er zijn echter enkele nadelen aan dit type wand. Zo heeft de met spuitlijm aangebrachte katoenen isolatiedeken weliswaar uitstekende thermische isolatieprestaties, maar een gebrek aan warmteopslagcapaciteit, en is het gebruik van faseveranderende bouwmaterialen een probleem met de hoge gebruikskosten. Toekomstig onderzoek naar de toepassing van geprefabriceerde wanden is daarom wenselijk.

Nieuwe energie, nieuwe materialen en nieuwe ontwerpen zorgen ervoor dat de structuur van de kas verandert.

Onderzoek naar en innovatie op het gebied van nieuwe energiebronnen en materialen vormen de basis voor innovatieve ontwerpen van kassen. Energiezuinige zonne-kassen en boogkassen zijn de grootste kassen in de Chinese landbouwproductie en spelen een belangrijke rol in de agrarische sector. Met de ontwikkeling van de Chinese sociaaleconomische situatie komen de tekortkomingen van deze twee soorten gebouwen echter steeds meer aan het licht. Ten eerste is de beschikbare ruimte beperkt en de mate van mechanisatie laag. Ten tweede heeft de energiezuinige zonne-kas weliswaar een goede thermische isolatie, maar een laag grondgebruik, wat neerkomt op het vervangen van energie door grond. De traditionele boogkas heeft niet alleen een beperkte ruimte, maar ook een slechte thermische isolatie. Hoewel de meerdelige kas een grote ruimte biedt, heeft deze een slechte thermische isolatie en een hoog energieverbruik. Daarom is het van cruciaal belang om onderzoek te doen naar en kassen te ontwikkelen die geschikt zijn voor het huidige sociaaleconomische niveau in China. Onderzoek naar en ontwikkeling van nieuwe energiebronnen en materialen zal bijdragen aan de verandering van kassen en de ontwikkeling van diverse innovatieve kasmodellen en -constructies.

Innovatief onderzoek naar een asymmetrische, watergeregelde brouwkas met grote overspanning.

De grote, asymmetrische, watergestuurde brouikas (patentnummer: ZL 201220391214.2) is gebaseerd op het principe van een zonlichtkas. De symmetrische structuur van een gewone plastic kas is aangepast door de zuidelijke overspanning te vergroten, waardoor het lichtoppervlak van het zuidelijke dak toeneemt. De noordelijke overspanning, met een kleinere warmteafvoer, wordt verkleind. De overspanning bedraagt ​​18 tot 24 meter en de nokhoogte 6 tot 7 meter. Door innovatief ontwerp is de ruimtelijke marge aanzienlijk vergroot. Tegelijkertijd worden de problemen van onvoldoende verwarming in de kas in de winter en de slechte thermische isolatie van gangbare isolatiematerialen opgelost door gebruik te maken van nieuwe technologieën voor biomassa-brouwwarmte en -isolatie. De productie- en onderzoeksresultaten tonen aan dat de grote, asymmetrische, watergecontroleerde broeikas, met een gemiddelde temperatuur van 11,7℃ op zonnige dagen en 10,8℃ op bewolkte dagen, kan voldoen aan de eisen voor gewasgroei in de winter. Bovendien zijn de bouwkosten van de kas met 39,6% verlaagd en is de benutting van het landoppervlak met meer dan 30% verhoogd in vergelijking met een kas met polystyreenwanden. Dit maakt de kas geschikt voor verdere popularisering en toepassing in het stroomgebied van de Gele Huaihe-rivier in China.

Gemonteerde kas met zonlicht

Een geprefabriceerde zonnekas gebruikt kolommen en een dakconstructie als dragende structuur, waarbij het wandmateriaal voornamelijk bestaat uit warmte-isolerende omhulsels in plaats van dragende elementen met passieve warmteopslag en -afgifte. De belangrijkste toepassingen zijn: (1) een nieuw type geprefabriceerde wand, gevormd door een combinatie van verschillende materialen zoals gecoate folie of gekleurde staalplaten, stroblokken, flexibele warmte-isolerende dekens, mortelblokken, enz.; (2) composietwandplaten gemaakt van geprefabriceerde cementplaten, polystyreenplaten en cementplaten; (3) lichte en eenvoudig te monteren warmte-isolerende materialen met een actief warmteopslag- en -afgiftesysteem en een ontvochtigingssysteem, zoals plastic vierkante emmers voor warmteopslag en buiswarmteopslag. Het gebruik van verschillende nieuwe warmte-isolerende en warmteopslagmaterialen in plaats van traditionele aarden muren voor de bouw van een zonnekas biedt veel ruimtebesparing en vereist weinig bouwkundige werkzaamheden. Experimentele resultaten tonen aan dat de temperatuur in de kas 's nachts in de winter 4,5 °C hoger is dan in een traditionele kas met bakstenen muren, bij een wanddikte van 166 mm. Vergeleken met een kas met 600 mm dikke bakstenen muren, is het benodigde wandoppervlak met 72% verminderd en bedragen de kosten per vierkante meter 334,5 yuan, wat 157,2 yuan lager is dan bij een kas met bakstenen muren. De bouwkosten zijn dus aanzienlijk gedaald. De geprefabriceerde kas heeft daarom voordelen zoals minder grondverlies, landbesparing, snelle bouwtijd en een lange levensduur. Dit maakt het een belangrijke richting voor de innovatie en ontwikkeling van zonne-energiekassen, zowel nu als in de toekomst.

Schuifbare kas met zonlicht

De door de Landbouwuniversiteit van Shenyang ontwikkelde energiebesparende zonnekas, die is opgebouwd uit skateboards, maakt gebruik van de achterwand van de kas om een ​​watercirculatiesysteem te creëren voor warmteopslag en temperatuurverhoging. Dit systeem bestaat hoofdzakelijk uit een bassin (32 m³).³), een lichtverzamelplaat (360m²), een waterpomp, een waterleiding en een controller. De flexibele thermische isolatiedeken is aan de bovenzijde vervangen door een nieuw, lichtgewicht, gekleurd staalplaatmateriaal van steenwol. Uit onderzoek blijkt dat dit ontwerp het probleem van lichtblokkering door de gevels effectief oplost en het lichtinvalsoppervlak van de kas vergroot. De lichtinvalshoek van de kas is 41,5°, wat bijna 16° hoger is dan die van de referentiekas, waardoor de lichtintensiteit verbetert. De temperatuurverdeling binnen is gelijkmatig en de planten groeien netjes. De kas heeft als voordelen een efficiënter landgebruik, een flexibele ontwerpmogelijkheid qua afmetingen en een kortere bouwtijd, wat van groot belang is voor de bescherming van landbouwgrond en het milieu.

Zonne-energie kas

Een landbouwkas is een kas die zonne-energieopwekking, intelligente temperatuurregeling en moderne, hightech teelt combineert. De kas heeft een stalen frame en is bedekt met zonnepanelen om te voorzien in de lichtbehoefte van de zonnepanelen en de gehele kas. De gelijkstroom die door zonne-energie wordt opgewekt, vult de verlichting in de kas aan, ondersteunt de normale werking van de kasapparatuur, drijft de irrigatie aan, verhoogt de temperatuur in de kas en bevordert de snelle groei van gewassen. De zonnepanelen beïnvloeden op deze manier de lichtefficiëntie van het kasdak en daarmee de normale groei van de gewassen. Daarom is een rationele plaatsing van de zonnepanelen op het dak van de kas cruciaal. De landbouwkas is het resultaat van de organische combinatie van toeristische landbouw en tuinbouw en is een innovatieve agrarische sector die zonne-energieopwekking, agrarisch toerisme, landbouwgewassen, landbouwtechnologie, landschaps- en cultuurontwikkeling integreert.

Innovatief ontwerp van een kassencomplex met energie-interactie tussen verschillende typen kassen.

Guo Wenzhong, onderzoeker aan de Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, gebruikt een verwarmingsmethode waarbij energie tussen kassen wordt overgedragen. De resterende warmte-energie in één of meerdere kassen wordt gebruikt om andere kassen te verwarmen. Deze verwarmingsmethode maakt de overdracht van energie in tijd en ruimte mogelijk, verbetert de energie-efficiëntie van de resterende warmte en verlaagt het totale energieverbruik voor verwarming. De twee kassen kunnen van verschillende typen zijn, of van hetzelfde type voor de teelt van diverse gewassen, zoals sla- en tomatenkassen. De warmteopvangmethoden omvatten hoofdzakelijk het onttrekken van warmte uit de binnenlucht en het direct opvangen van invallende straling. Door middel van zonne-energieopvang, geforceerde convectie via een warmtewisselaar en geforceerde afvoer via een warmtepomp, wordt de overtollige warmte in de energiezuinige kas onttrokken voor verwarming.

samenvatten

Deze nieuwe zonne-kassen hebben als voordelen een snelle montage, een kortere bouwtijd en een efficiënter gebruik van de beschikbare grond. Daarom is het noodzakelijk om de prestaties van deze nieuwe kassen in verschillende toepassingsgebieden verder te onderzoeken en de mogelijkheid te creëren voor grootschalige popularisering en toepassing ervan. Tegelijkertijd is het van belang om de toepassing van nieuwe energiebronnen en materialen in de kassenbouw continu te stimuleren, om zo de structurele hervorming van de kassenbouw te bevorderen.

Toekomstperspectief en overwegingen

Traditionele kassen hebben vaak nadelen, zoals een hoog energieverbruik, een lage benutting van de grond, tijdrovende en arbeidsintensieve werkzaamheden en slechte prestaties. Deze nadelen voldoen niet langer aan de productiebehoeften van de moderne landbouw en zullen geleidelijk aan verdwijnen. Daarom is het een ontwikkelingstrend om nieuwe energiebronnen zoals zonne-energie, biomassa-energie, geothermische energie en windenergie te gebruiken, evenals nieuwe materialen en ontwerpen voor kassen, om zo de structurele veranderingen in de kassenbouw te bevorderen. Ten eerste moet de nieuwe kas, aangedreven door nieuwe energie en materialen, niet alleen voldoen aan de eisen van gemechaniseerde bedrijfsvoering, maar ook energie, grond en kosten besparen. Ten tweede is het noodzakelijk om de prestaties van nieuwe kassen in verschillende gebieden voortdurend te onderzoeken, om zo de voorwaarden te scheppen voor grootschalige toepassing van kassen. In de toekomst moeten we verder zoeken naar nieuwe energiebronnen en materialen die geschikt zijn voor kassenbouw, en de beste combinatie van nieuwe energie, nieuwe materialen en kasontwerp vinden. Dit moet het mogelijk maken om een ​​nieuwe kas te bouwen met lage kosten, een korte bouwtijd, een laag energieverbruik en uitstekende prestaties, en zo de structurele veranderingen in de kassenbouw te bevorderen en de modernisering van de kassenbouw in China te stimuleren.

Hoewel de toepassing van nieuwe energie, nieuwe materialen en nieuwe ontwerpen in de kassenbouw een onvermijdelijke trend is, zijn er nog steeds veel problemen die onderzocht en opgelost moeten worden: (1) Stijgende bouwkosten. Vergeleken met traditionele verwarming met kolen, aardgas of olie is de toepassing van nieuwe energie en nieuwe materialen milieuvriendelijk en vrij van vervuiling, maar de bouwkosten stijgen aanzienlijk, wat een zekere impact heeft op het terugverdienen van de investering tijdens productie en exploitatie. Vergeleken met energiegebruik zullen de kosten van nieuwe materialen aanzienlijk hoger liggen. (2) Onstabiel gebruik van warmte-energie. Het grootste voordeel van het gebruik van nieuwe energie is de lage operationele kosten en de lage CO2-uitstoot, maar de energie- en warmtevoorziening is onstabiel en bewolkte dagen vormen de grootste beperkende factor bij het gebruik van zonne-energie. Bij de warmteproductie uit biomassa door fermentatie wordt het effectieve gebruik van deze energie beperkt door problemen zoals de lage fermentatiewarmte, de moeilijke beheersbaarheid en controle, en de grote opslagruimte voor het transport van grondstoffen. (3) Technologische volwassenheid. De technologieën die worden gebruikt bij nieuwe energie en nieuwe materialen zijn geavanceerde onderzoeks- en technologische verworvenheden, maar hun toepassingsgebied en -omvang zijn nog vrij beperkt. Ze zijn nog niet vaak getest op veel locaties en op grote schaal in de praktijk, en er zijn onvermijdelijk tekortkomingen en technische aspecten die in de praktijk verbeterd moeten worden. Gebruikers ontkennen vaak de technologische vooruitgang vanwege deze kleine tekortkomingen. (4) De penetratiegraad van de technologie is laag. De brede toepassing van een wetenschappelijke en technologische prestatie vereist een zekere mate van bekendheid. Momenteel bevinden nieuwe energiebronnen, nieuwe technologieën en nieuwe technologieën voor het ontwerp van kassen zich allemaal in de teams van wetenschappelijke onderzoekscentra aan universiteiten met een zekere innovatiekracht, maar de meeste technische opdrachtgevers of ontwerpers zijn er nog niet van op de hoogte; tegelijkertijd is de popularisering en toepassing van nieuwe technologieën nog steeds vrij beperkt omdat de kernapparatuur van nieuwe technologieën gepatenteerd is. (5) De integratie van nieuwe energiebronnen, nieuwe materialen en het ontwerp van kasconstructies moet verder worden versterkt. Omdat energie, materialen en het ontwerp van kasconstructies tot drie verschillende disciplines behoren, ontbreekt het talenten met ervaring in het ontwerpen van kassen vaak aan onderzoek naar energie en materialen die relevant zijn voor kassen, en vice versa; Daarom moeten onderzoekers op het gebied van energie en materiaalonderzoek de daadwerkelijke behoeften van de ontwikkeling van de glastuinbouwsector beter onderzoeken en begrijpen. Ook constructeurs zouden zich moeten verdiepen in nieuwe materialen en nieuwe energiebronnen om de drie aspecten beter te integreren, zodat praktische glastuinbouwtechnologie, lage bouwkosten en een goed rendement worden behaald. Gezien de bovengenoemde problemen wordt voorgesteld dat de overheid, lokale overheden en wetenschappelijke onderzoekscentra het technisch onderzoek intensiveren, diepgaand gezamenlijk onderzoek uitvoeren, wetenschappelijke en technologische resultaten beter bekendmaken, de verspreiding ervan bevorderen en snel de doelstellingen realiseren om met nieuwe energiebronnen en materialen de nieuwe ontwikkeling van de glastuinbouwsector te ondersteunen.

Geciteerde informatie

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nieuwe energie, nieuwe materialen en nieuw ontwerp helpen de nieuwe revolutie in de kasbouw [J]. Groenten, 2022,(10):1-8.