Kasbouw, tuinbouw en landbouwtechniek, 2022-12-02 17:30 gepubliceerd in Peking

De ontwikkeling van zonnekassen in niet-gecultiveerde gebieden zoals woestijnen, de Gobiwoestijn en zandgronden heeft de tegenstelling tussen voedselproductie en de concurrentie om landbouwgrond effectief opgelost. Temperatuur is een van de doorslaggevende omgevingsfactoren voor de groei en ontwikkeling van gewassen die een hoge temperatuur nodig hebben, en bepaalt vaak het succes of falen van de kasproductie. Om zonnekassen in niet-gecultiveerde gebieden te ontwikkelen, moeten we daarom eerst het probleem van de omgevingstemperatuur in de kassen oplossen. In dit artikel worden de methoden voor temperatuurregeling die de afgelopen jaren in kassen op niet-gecultiveerd land zijn gebruikt samengevat, en worden de bestaande problemen en de ontwikkelingsrichting van temperatuur- en milieubescherming in zonnekassen op niet-gecultiveerd land geanalyseerd en samengevat.

China heeft een grote bevolking en beperkte landbouwgrond. Meer dan 85% van de landbouwgrond bestaat uit onbebouwde grond, die zich voornamelijk in het noordwesten van China bevindt. Document nr. 1 van het Centraal Comité uit 2022 benadrukte dat de ontwikkeling van de glastuinbouw versneld moet worden en dat, met behoud van een gezond milieu, de beschikbare braakliggende grond en woeste gronden moeten worden onderzocht voor de ontwikkeling van glastuinbouw. ​​Het noordwesten van China is rijk aan woestijnen, de Gobiwoestijn, woeste gronden en andere onbebouwde gebieden, evenals aan natuurlijke licht- en warmtebronnen, die uitermate geschikt zijn voor de ontwikkeling van glastuinbouw. ​​Daarom is de ontwikkeling en benutting van onbebouwde grond voor de bouw van glastuinen van groot strategisch belang voor het waarborgen van de nationale voedselzekerheid en het verminderen van conflicten over landgebruik.

Momenteel is de zonnekas, die niet voor landbouwdoeleinden wordt gebruikt, de belangrijkste vorm van efficiënte landbouwontwikkeling op onbebouwd land. In het noordwesten van China is het temperatuurverschil tussen dag en nacht groot, en de nachttemperaturen in de winter zijn laag. Dit leidt er vaak toe dat de minimumtemperatuur binnen lager is dan de temperatuur die nodig is voor de normale groei en ontwikkeling van gewassen. Temperatuur is een van de onmisbare omgevingsfactoren voor de groei en ontwikkeling van gewassen. Een te lage temperatuur vertraagt ​​de fysiologische en biochemische reacties van gewassen en remt hun groei en ontwikkeling. Wanneer de temperatuur lager is dan de grens die gewassen kunnen verdragen, kan dit zelfs leiden tot vorstschade. Daarom is het van groot belang om de temperatuur te garanderen die nodig is voor de normale groei en ontwikkeling van gewassen. Het handhaven van de juiste temperatuur in een zonnekas is niet met één enkele maatregel op te lossen. Het vereist aandacht voor de aspecten van het ontwerp, de constructie, de materiaalkeuze, de regelgeving en het dagelijkse beheer van de kas. Dit artikel vat daarom de onderzoeksstatus en -vooruitgang samen met betrekking tot temperatuurregeling in niet-teeltkassen in China in de afgelopen jaren, vanuit de perspectieven van kasontwerp en -constructie, warmtebehoud en verwarmingsmaatregelen en milieubeheer, om zo een systematisch referentiekader te bieden voor het rationele ontwerp en beheer van niet-teeltkassen.

Constructie en materialen van de kas

Het thermische klimaat van een kas hangt voornamelijk af van het vermogen van de kas om zonnestraling door te laten, op te vangen en op te slaan. Dit is gerelateerd aan een verstandig ontwerp van de kas, zoals de oriëntatie, vorm en het materiaal van de lichtdoorlatende oppervlakken, de structuur en het materiaal van de wanden en het achterdak, de funderingsisolatie, de grootte van de kas, de nachtisolatie en het materiaal van het voordak, enzovoort. Het hangt ook samen met de vraag of de constructie en het bouwproces van de kas de effectieve realisatie van de ontwerpvereisten garanderen.

Lichtdoorlatendheid van het voordak

De belangrijkste energiebron in een kas is de zon. Het verhogen van de lichtdoorlatendheid van het voordak is gunstig voor de warmteopname in de kas en vormt tevens een belangrijke basis voor een aangenaam binnenklimaat in de winter. Momenteel zijn er drie belangrijke methoden om de lichtdoorlatendheid en de lichtopnametijd van het voordak van een kas te vergroten.

01 Ontwerp een redelijke oriëntatie en azimut voor de kas

De oriëntatie van een kas beïnvloedt de lichtinval en de warmteopslagcapaciteit. Om de warmteopslag in een kas te maximaliseren, zijn niet-gecultiveerde kassen in Noordwest-China daarom op het zuiden gericht. Bij een oriëntatie van zuid naar oost is het gunstig om de zon optimaal te benutten, waardoor de temperatuur in de kas 's ochtends snel stijgt. Een oriëntatie van zuid naar west daarentegen maakt optimaal gebruik van het middaglicht. De zuidelijke richting is een compromis tussen deze twee situaties. Volgens de geofysica draait de aarde 360° per dag en verandert de azimut van de zon ongeveer 1° per 4 minuten. Elke keer dat de azimut van de kas met 1° verandert, verandert de tijd dat de kas direct zonlicht ontvangt dus met ongeveer 4 minuten. De azimut van de kas beïnvloedt dus de tijd dat de kas 's ochtends en 's avonds zonlicht ontvangt.

Wanneer de lichturen 's ochtends en 's middags gelijk zijn en het oosten of westen onder dezelfde hoek staan, ontvangt de kas evenveel licht. In gebieden ten noorden van 37° noorderbreedte is de temperatuur 's ochtends echter laag, waardoor het uittrekken van de isolatiedekens later kan plaatsvinden. 's Middags en 's avonds is de temperatuur daarentegen relatief hoog, waardoor het uittrekken van de isolatiedekens juist uitgesteld kan worden. In deze gebieden is een oriëntatie op het zuidwesten aan te raden, zodat optimaal gebruik wordt gemaakt van het middaglicht. In gebieden tussen 30° en 35° noorderbreedte is de lichtinval 's ochtends beter, waardoor het uittrekken van de isolatiedekens ook eerder kan plaatsvinden. In deze gebieden is een oriëntatie op het zuidoosten aan te raden, om zoveel mogelijk ochtendzonlicht voor de kas te genereren. Tussen 35° en 37° noorderbreedte is er echter weinig verschil in zonnestraling tussen de ochtend en de middag, waardoor een oriëntatie op het zuiden hier beter geschikt is. Of het nu zuidoost of zuidwest is, de afwijkingshoek is over het algemeen 5° tot 8°, met een maximum van 10°. Noordwest-China ligt tussen 37° en 50° noorderbreedte, waardoor de azimuthoek van een kas doorgaans van zuid naar west loopt. Daarom heeft de kas ontworpen door Zhang Jingshe e.a. in de regio Taiyuan een oriëntatie van 5° ten westen van het zuiden gekozen, de kas gebouwd door Chang Meimei e.a. in de Gobi-regio van de Hexi-corridor een oriëntatie van 5° tot 10° ten westen van het zuiden, en de kas gebouwd door Ma Zhigui e.a. in Noord-Xinjiang een oriëntatie van 8° ten westen van het zuiden.

02 Ontwerp een redelijke vorm en hellingshoek voor het voordak.

De vorm en helling van het voordak bepalen de invalshoek van de zonnestralen. Hoe kleiner de invalshoek, hoe groter de lichtdoorlatendheid. Sun Juren is van mening dat de vorm van het voordak voornamelijk wordt bepaald door de verhouding tussen de lengte van het belangrijkste lichtoppervlak en de helling van de achterzijde. Een lange helling aan de voorzijde en een korte helling aan de achterzijde zijn gunstig voor de lichtinval en warmte-isolatie van het voordak. Chen Wei-Qian en anderen denken dat het belangrijkste lichtdak van de zonnekas die in de Gobi-woestijn wordt gebruikt, een cirkelboog met een straal van 4,5 meter heeft, wat effectief bescherming biedt tegen de kou. Zhang Jingshe en anderen zijn van mening dat een halfronde boog geschikter is voor het voordak van kassen in alpiene en hooggelegen gebieden. Wat betreft de hellingshoek van het voordak: volgens de lichtdoorlatende eigenschappen van plastic folie is de reflectie van het voordak naar zonlicht gering bij een invalshoek van 0 tot 40°, en neemt deze aanzienlijk toe bij een hoek groter dan 40°. Daarom wordt 40° als maximale invalshoek genomen om de hellingshoek van het voorste dak te berekenen, zodat zelfs tijdens de winterzonnewende de zonnestraling maximaal de kas kan binnendringen. Bij het ontwerpen van een zonnekas voor niet-gecultiveerde gebieden in Wuhai, Binnen-Mongolië, berekenden He Bin en anderen de hellingshoek van het voorste dak met een invalshoek van 40° en concludeerden dat zolang deze groter was dan 30°, aan de eisen voor kasverlichting en warmte-isolatie kon worden voldaan. Zhang Caihong en anderen zijn van mening dat bij de bouw van kassen in niet-gecultiveerde gebieden in Xinjiang de hellingshoek van het voorste dak van kassen in Zuid-Xinjiang 31° is, terwijl die in Noord-Xinjiang 32° tot 33,5° bedraagt.

03 Kies geschikte transparante afdekmaterialen.

Naast de invloed van de buitenstraling, zijn ook het materiaal en de lichtdoorlatendheid van de kasfolie belangrijke factoren die het licht- en warmteklimaat in de kas beïnvloeden. De lichtdoorlatendheid van plastic folies zoals PE, PVC, EVA en PO verschilt momenteel door de verschillende materialen en foliediktes. Over het algemeen kan een lichtdoorlatendheid van folies die 1-3 jaar in gebruik zijn, gegarandeerd boven de 88% liggen. De keuze van de folie moet daarom worden afgestemd op de licht- en temperatuurbehoeften van de gewassen. Naast de lichtdoorlatendheid in de kas, wordt ook de lichtverdeling in de kas steeds belangrijker. Daarom is de lichtdoorlatendheid van folies met verbeterde lichtverstrooiing de laatste jaren sterk in trek bij de industrie, met name in de gebieden met sterke zonnestraling in Noordwest-China. De toepassing van folies met verbeterde lichtverstrooiing vermindert de schaduw op de boven- en onderkant van het gewas, verhoogt de lichtinval in het midden en onderste deel van het gewas, verbetert de fotosynthese van het gehele gewas en bevordert de groei en verhoogt de opbrengst.

Een verstandig ontwerp van de kasafmetingen

De lengte van een kas is te groot of te kort, wat de temperatuurregeling binnenin beïnvloedt. Bij een te korte kas is het schaduwgebied onder de oost- en westgevels groot voor zonsopgang en zonsondergang, wat de opwarming van de kas belemmert. Bovendien beïnvloedt dit, door het beperkte volume, de warmteabsorptie en -afgifte van de grond en de wanden. Bij een te grote kas is de temperatuur binnenin moeilijk te regelen en heeft dit invloed op de stevigheid van de kasconstructie en de werking van het oprolmechanisme van het warmte-isolerende doek. De hoogte en breedte van de kas hebben direct invloed op de lichtinval op het voordak, de grootte van de kasruimte en de isolatiewaarde. Bij een vaste breedte en lengte kan een hogere kas de lichtinval op het voordak vergroten, wat de lichtdoorlatendheid ten goede komt. Vanuit thermisch oogpunt vergroot een hogere wand het warmteopslagoppervlak van de achterwand, wat de warmteopslag en -afgifte van de achterwand verbetert. Bovendien is de ruimte groot, is de warmtecapaciteit ook hoog en is het thermische klimaat in de kas stabieler. Het is echter wel zo dat een grotere kas de kosten verhoogt, wat een belangrijke afweging vereist. Daarom is het bij het ontwerpen van een kas belangrijk om een ​​redelijke lengte, overspanning en hoogte te kiezen, afhankelijk van de lokale omstandigheden. Zo stellen Zhang Caihong en anderen dat in Noord-Xinjiang een kaslengte van 50-80 meter, een overspanning van 7 meter en een hoogte van 3,9 meter ideaal is, terwijl in Zuid-Xinjiang een lengte van 50-80 meter, een overspanning van 8 meter en een hoogte van 3,6-4,0 meter het meest geschikt is. Ook wordt aangenomen dat de overspanning van een kas minimaal 7 meter moet zijn en dat een overspanning van 8 meter het beste warmte-isolerende effect geeft. Daarnaast zijn Chen Weiqian en anderen van mening dat de lengte, overspanning en hoogte van de zonnekas respectievelijk 80 meter, 8 tot 10 meter en 3,8 tot 4,2 meter moeten zijn wanneer deze wordt gebouwd in het Gobi-gebied van Jiuquan, Gansu.

Verbeter de warmteopslagcapaciteit en isolatie van de muur.

Overdag slaat de muur warmte op door de zonnestraling en de warmte van de binnenlucht te absorberen. 's Nachts, wanneer de binnentemperatuur lager is dan de temperatuur van de muur, geeft de muur passief warmte af om de kas te verwarmen. Als belangrijkste warmteopslagelement van de kas kan de muur de binnentemperatuur 's nachts aanzienlijk verbeteren door zijn warmteopslagcapaciteit te vergroten. Tegelijkertijd vormt de thermische isolatie van de muur de basis voor de stabiliteit van het thermische klimaat in de kas. Er bestaan ​​momenteel verschillende methoden om de warmteopslag- en isolatiecapaciteit van muren te verbeteren.

01 Ontwerp een redelijke muurconstructie

De belangrijkste functie van een muur is warmteopslag en warmtebehoud. Tegelijkertijd dienen de meeste kaswanden ook als dragende elementen voor de dakconstructie. Om een ​​goed thermisch binnenklimaat te creëren, moet een redelijke muurconstructie voldoende warmteopslagcapaciteit aan de binnenzijde en voldoende warmtebehoudcapaciteit aan de buitenzijde hebben, terwijl onnodige koudebruggen worden vermeden. In het onderzoek naar warmteopslag en isolatie in muren ontwierpen Bao Encai en anderen een passieve warmteopslagmuur van gestold zand in de woestijn van Wuhai, Binnen-Mongolië. Poreuze bakstenen werden gebruikt als isolatielaag aan de buitenkant en gestold zand als warmteopslaglaag aan de binnenkant. Uit tests bleek dat de binnentemperatuur op zonnige dagen 13,7 °C kon bereiken. Ma Yuehong et al. ontwierpen een composietmuur van tarwekorrelmortelblokken in Noord-Xinjiang, waarbij ongebluste kalk in de mortelblokken werd verwerkt als warmteopslaglaag en slakkenzakken aan de buitenkant werden gestapeld als isolatielaag. De holleblokkenmuur, ontworpen door Zhao Peng et al. in het Gobi-gebied van de provincie Gansu, gebruikt een 100 mm dikke benzeenplaat als isolatielaag aan de buitenkant en zand en holle blokken als warmteopslaglaag aan de binnenkant. Uit tests blijkt dat de gemiddelde temperatuur 's nachts in de winter boven de 10℃ ligt. Chai Regeneration et al. gebruiken in hetzelfde gebied ook zand en grind als isolatie- en warmteopslaglaag voor hun muren. Om koudebruggen te verminderen, ontwierpen Yan Junyue et al. een lichte en eenvoudig te monteren achterwand, die niet alleen de thermische weerstand van de muur verbeterde, maar ook de afdichting door polystyreenplaten aan de buitenkant van de achterwand aan te brengen. Wu Letian et al. plaatsten een gewapende betonnen ringbalk boven de fundering van de kasmuur en gebruikten trapeziumvormige bakstenen direct boven de ringbalk om het achterdak te ondersteunen. Dit loste het probleem op van scheuren en verzakkingen van de fundering die gemakkelijk optreden in kassen in Hotian, Xinjiang, en die de thermische isolatie van de kassen beïnvloeden.

02 Kies geschikte materialen voor warmteopslag en isolatie.

Het warmteopslag- en isolatievermogen van een wand hangt in de eerste plaats af van de materiaalkeuze. In de woestijngebieden van Noordwest-China, zoals de Gobiwoestijn, zandvlaktes en andere regio's, hebben onderzoekers, afhankelijk van de lokale omstandigheden, gedurfde experimenten uitgevoerd met het ontwerpen van diverse achterwanden voor zonnekassen. Zo gebruikten Zhang Guosen en anderen zand en grind als warmteopslag- en isolatielagen in de wanden van kassen in zand- en grindvelden in Gansu. Zhao Peng ontwierp, rekening houdend met de kenmerken van de Gobiwoestijn in Noordwest-China, een holle blokkenwand met zandsteen en holle blokken als materialen. Uit tests bleek dat de gemiddelde nachttemperatuur binnen boven de 10 °C lag. Gezien de schaarste aan bouwmaterialen zoals bakstenen en klei in de Gobiwoestijn in Noordwest-China, ontdekten Zhou Changji en anderen dat in de Gobiwoestijn in Kirgizië (Xinjiang) vaak kiezels als wandmateriaal worden gebruikt. Gezien de thermische eigenschappen en mechanische sterkte van kiezels, presteert een kas gebouwd met kiezels goed op het gebied van warmtebehoud, warmteopslag en draagvermogen. Op vergelijkbare wijze gebruiken Zhang Yong en anderen ook kiezels als hoofdmateriaal voor de muur en hebben ze in Shanxi en andere plaatsen een onafhankelijke warmteopslagmuur van kiezels ontworpen. Uit tests blijkt dat het warmteopslageffect goed is. Zhang en anderen ontwierpen een zandstenen muur die is afgestemd op de kenmerken van het noordwestelijke Gobi-gebied, waarmee de binnentemperatuur met 2,5 °C kan worden verhoogd. Daarnaast testten Ma Yuehong en anderen de warmteopslagcapaciteit van een met blokken gevulde zandmuur, een blokmuur en een bakstenen muur in Hotian, Xinjiang. De resultaten toonden aan dat de met blokken gevulde zandmuur de grootste warmteopslagcapaciteit had. Om de warmteopslagprestaties van de muur te verbeteren, ontwikkelen onderzoekers actief nieuwe warmteopslagmaterialen en -technologieën. Zo stelde Bao Encai een faseveranderend uithardingsmiddel voor, dat kan worden gebruikt om de warmteopslagcapaciteit van de achterwand van een zonnekas in niet-gecultiveerde gebieden in het noordwesten te verbeteren. Bij het onderzoeken van lokale materialen worden ook hooistapels, slakken, benzineplaten en stro gebruikt als muurmateriaal, maar deze materialen hebben meestal alleen een warmte-isolerende functie en geen warmteopslagcapaciteit. Over het algemeen hebben muren gevuld met grind en blokken een goed warmteopslagvermogen en isolerende werking.

03 Verhoog de wanddikte op passende wijze

De thermische weerstand is doorgaans een belangrijke indicator voor de thermische isolatieprestaties van een muur. De dikte van de isolatielaag, naast de warmtegeleidingscoëfficiënt van het materiaal, is van invloed op de thermische weerstand. Door de juiste isolatiematerialen te kiezen en de muurdikte op passende wijze te vergroten, kan de algehele thermische weerstand van de muur worden verbeterd en het warmteverlies door de muur worden verminderd. Dit verhoogt de thermische isolatie en het warmteopslagvermogen van de muur en de gehele kas. In Gansu en andere regio's is de gemiddelde dikte van een zandzakkenmuur in Zhangye bijvoorbeeld 2,6 meter, terwijl die van een metselwerkmuur in Jiuquan 3,7 meter bedraagt. Hoe dikker de muur, hoe groter de thermische isolatie en het warmteopslagvermogen. Te dikke muren nemen echter meer grond in beslag en verhogen de bouwkosten van de kas. Om de thermische isolatie te verbeteren, is het daarom belangrijk om prioriteit te geven aan de keuze van hoogwaardige isolatiematerialen met een lage warmtegeleidingscoëfficiënt, zoals polystyreen, polyurethaan en andere materialen, en vervolgens de dikte op passende wijze te vergroten.

Redelijk ontwerp van het achterdak

Bij het ontwerp van het achterdak is de belangrijkste overweging het minimaliseren van schaduwvorming en het verbeteren van de thermische isolatie. Om de invloed van schaduw op het achterdak te verminderen, wordt de hellingshoek ervan voornamelijk bepaald op basis van het feit dat het achterdak overdag direct zonlicht ontvangt wanneer gewassen worden geplant en geoogst. Daarom wordt de hellingshoek van het achterdak over het algemeen gekozen op een waarde die beter is dan de lokale zonnehoogtehoek tijdens de winterzonnewende, namelijk 7° tot 8°. Zhang Caihong en anderen stellen bijvoorbeeld dat bij de bouw van zonne-kasconstructies in de Gobi-woestijn en zout-alkalische gebieden in Xinjiang, de geprojecteerde lengte van het achterdak 1,6 meter is, waardoor de hellingshoek van het achterdak 40° bedraagt ​​in Zuid-Xinjiang en 45° in Noord-Xinjiang. Chen Wei-Qian en anderen zijn van mening dat het achterdak van de zonne-kasconstructie in het Jiuquan Gobi-gebied een hellingshoek van 40° moet hebben. Voor de thermische isolatie van het achterdak moet de isolatiecapaciteit vooral gewaarborgd worden door de juiste keuze van isolatiematerialen, de benodigde dikte en een redelijke overlapping van de isolatiematerialen tijdens de bouw.

Verminder het warmteverlies uit de bodem

's Nachts in de winter, wanneer de temperatuur van de binnengrond hoger is dan die van de buitengrond, wordt de warmte van de binnengrond door warmtegeleiding naar buiten overgedragen, waardoor warmteverlies in de kas optreedt. Er zijn verschillende manieren om dit warmteverlies te beperken.

01 bodemisolatie

De grond zakt op de juiste manier in, waardoor de bevroren grondlaag wordt vermeden en de grond wordt gebruikt voor warmtebehoud. Zo werd bijvoorbeeld de "1448 drie-materialen-één-lichaam" zonnekas, ontwikkeld door Chai Regeneration en andere onbebouwde grond in de Hexi-corridor, gebouwd door 1 meter diep te graven, waardoor de bevroren grondlaag effectief werd omzeild. Gezien het feit dat de bevroren grondlaag in het Turpan-gebied 0,8 meter diep is, stelden Wang Huamin en anderen voor om 0,8 meter diep te graven om de thermische isolatiecapaciteit van de kas te verbeteren. Toen Zhang Guosen et al. de achterwand van de dubbelboogvormige, dubbelfolie zonnekas op onbebouwde grond bouwden, werd een graafdiepte van 1 meter aangehouden. Uit het experiment bleek dat de laagste nachttemperatuur 2 tot 3 °C hoger lag dan bij een traditionele zonnekas van de tweede generatie.

02 fundering koudebescherming

De belangrijkste methode is het graven van een koudebestendige gracht langs het funderingsgedeelte van het voordak, het vullen met isolatiemateriaal of het continu aanbrengen van isolatiemateriaal in de grond langs de funderingsmuur. Dit alles is erop gericht het warmteverlies door warmteoverdracht via de grond aan de rand van de kas te verminderen. Het gebruikte isolatiemateriaal is voornamelijk gebaseerd op de lokale omstandigheden in Noordwest-China en kan lokaal worden verkregen, zoals hooi, slakken, steenwol, piepschuimplaten, maïsstro, paardenmest, gevallen bladeren, gebroken gras, zaagsel, onkruid, stro, enz.

03 mulchfolie

Door de kas met plastic folie te bedekken, kan zonlicht overdag door de folie heen de grond bereiken, waardoor de grond de warmte van de zon absorbeert en opwarmt. Bovendien blokkeert de plastic folie de langgolvige straling die door de grond wordt weerkaatst, waardoor het stralingsverlies van de grond wordt verminderd en de warmteopslag in de grond wordt verhoogd. 's Nachts kan de plastic folie de convectieve warmte-uitwisseling tussen de grond en de binnenlucht belemmeren, waardoor het warmteverlies van de grond wordt verminderd. Tegelijkertijd kan de plastic folie ook het latente warmteverlies door verdamping van grondwater verminderen. Wei Wenxiang bedekte een kas met plastic folie op het Qinghai-plateau en uit een experiment bleek dat de grondtemperatuur met ongeveer 1℃ kon worden verhoogd.

Verbeter de thermische isolatieprestaties van het voordak.

Het voorste dak van de kas is het belangrijkste oppervlak voor warmteafvoer, en het warmteverlies via dit gedeelte is verantwoordelijk voor meer dan 75% van het totale warmteverlies in de kas. Het verbeteren van de warmte-isolatie van het voorste dak kan daarom het warmteverlies via dit dak effectief verminderen en het winterklimaat in de kas verbeteren. Momenteel zijn er drie belangrijke maatregelen om de warmte-isolatie van het voorste dak te verbeteren.

01 Er wordt gebruik gemaakt van een meerlaagse transparante bekleding.

Structureel gezien kan het gebruik van dubbellaags of drielaags folie als lichtdoorlatend oppervlak van een kas de thermische isolatieprestaties aanzienlijk verbeteren. Zo ontwierpen Zhang Guosen en anderen een dubbelboogvormige, dubbellaags folie-zonnekas in het Gobi-gebied van Jiuquan. De buitenkant van het voorste dak van de kas is gemaakt van EVA-folie en de binnenkant van de kas van een druppelvrije, anti-verouderingsfolie van PVC. Experimenten tonen aan dat, vergeleken met de traditionele tweede generatie zonnekassen, het thermische isolatie-effect uitstekend is en de laagste temperatuur 's nachts gemiddeld met 2 tot 3 °C stijgt. Ook Zhang Jingshe en anderen ontwierpen een zonnekas met een dubbele foliebekleding, rekening houdend met de klimatologische omstandigheden van hoge breedtegraden en strenge koude gebieden, wat de thermische isolatie van de kas aanzienlijk verbeterde. Vergeleken met de controlekas steeg de nachttemperatuur met 3 °C. Daarnaast probeerden Wu Letian en anderen drie lagen van 0,1 mm dikke EVA-folie te gebruiken op het voorste dak van een zonnekas in de Hetian-woestijn in Xinjiang. Meerlaagse folie kan het warmteverlies van het voordak effectief verminderen, maar omdat de lichtdoorlatendheid van enkellaagse folie in principe ongeveer 90% is, zal meerlaagse folie vanzelfsprekend leiden tot een vermindering van de lichtdoorlatendheid. Daarom is het bij de keuze van meerlaagse lichtdoorlatende folie noodzakelijk om rekening te houden met de lichtomstandigheden en de lichtbehoefte van de kas.

02 Versterk de nachtisolatie van het voordak

Plasticfolie wordt op het voordak gebruikt om de lichtdoorlatendheid overdag te verhogen, maar 's nachts is dit de zwakste plek in de hele kas. Daarom is het bedekken van de buitenkant van het voordak met een dikke, samengestelde thermische isolatiedeken een noodzakelijke maatregel voor thermische isolatie in zonnekassen. In de alpenregio Qinghai gebruikten Liu Yanjie en anderen bijvoorbeeld strogordijnen en kraftpapier als thermische isolatiedekens voor experimenten. De testresultaten toonden aan dat de laagste binnentemperatuur in de kas 's nachts boven de 7,7 °C kon komen. Wei Wenxiang is er bovendien van overtuigd dat het warmteverlies van een kas in dit gebied met meer dan 90% kan worden verminderd door dubbele grasgordijnen of kraftpapier aan de buitenkant van grasgordijnen te gebruiken voor thermische isolatie. Daarnaast gebruikten Zou Ping en anderen een thermische isolatiedeken van gerecycled naaldvilt in een zonnekas in de Gobi-regio van Xinjiang, en Chang Meimei en anderen gebruikten een thermische isolatiedeken van sandwichkatoen in een zonnekas in de Gobi-regio van de Hexi-corridor. Momenteel worden er veel soorten thermische isolatiedekens gebruikt in zonne-kassen, maar de meeste zijn gemaakt van naaldvilt, met lijm bespoten katoen, parelkatoen, enz., met waterdichte of anti-verouderingslagen aan beide zijden. Gezien het thermische isolatiemechanisme van een isolatiedeken, moeten we, om de thermische isolatieprestaties te verbeteren, beginnen met het verhogen van de thermische weerstand en het verlagen van de warmteoverdrachtscoëfficiënt. De belangrijkste maatregelen hiervoor zijn het verlagen van de thermische geleidbaarheid van de materialen, het vergroten van de dikte van de materiaallagen of het verhogen van het aantal materiaallagen, enz. Daarom bestaat de kern van thermische isolatiedekens met hoge thermische isolatieprestaties tegenwoordig vaak uit meerlaagse composietmaterialen. Uit tests blijkt dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt van de huidige thermische isolatiedekens met hoge thermische isolatieprestaties 0,5 W/(m²℃) kan bereiken, wat een betere garantie biedt voor de thermische isolatie van kassen in koude gebieden tijdens de winter. Uiteraard is het in het noordwesten winderig en stoffig, en is de ultraviolette straling sterk, waardoor de thermische isolatielaag aan de buitenzijde goede anti-verouderingseigenschappen moet hebben.

03 Voeg een intern thermisch isolerend gordijn toe.

Hoewel het voorste dak van de kas 's nachts bedekt is met een externe thermische isolatiedeken, blijft het voorste dak, in vergelijking met de rest van de kas, 's nachts een zwakke plek. Daarom heeft het projectteam "Structuur en bouwtechnologie van kassen in niet-agrarisch gebied in Noordwest-Engeland" een eenvoudig intern thermisch isolatiesysteem ontworpen (Figuur 1). Dit systeem bestaat uit een vast intern thermisch isolatiegordijn aan de voorzijde en een beweegbaar intern thermisch isolatiegordijn in de bovenruimte. Het bovenste beweegbare thermisch isolatiegordijn wordt overdag geopend en opgevouwen tegen de achterwand van de kas, waardoor de lichtinval niet wordt belemmerd. De vaste thermische isolatiedeken aan de onderkant zorgt 's nachts voor een goede afsluiting. Het interne isolatiesysteem is netjes en eenvoudig te bedienen en biedt bovendien schaduw en verkoeling in de zomer.

Actieve verwarmingstechnologie

Vanwege de lage temperaturen in de winter in Noordwest-China kunnen we, als we alleen vertrouwen op warmtebehoud en warmteopslag in kassen, in sommige koude perioden nog steeds niet voldoen aan de eisen voor de overwintering van gewassen. Daarom zijn ook actieve verwarmingsmaatregelen nodig.

Systeem voor opslag van zonne-energie en warmteafgifte

Het is een belangrijke reden dat de wand de functies van warmtebehoud, warmteopslag en dragen vervult, wat leidt tot hoge bouwkosten en een lage benutting van de beschikbare grond bij zonnekassen. Daarom zal de vereenvoudiging en montage van zonnekassen ongetwijfeld een belangrijke ontwikkelingsrichting voor de toekomst zijn. Een effectieve manier om de bouw te vereenvoudigen is door de warmteopslag- en warmteafgiftefunctie van de wand te elimineren, zodat de achterwand alleen nog de warmtebehoudfunctie vervult. Dit is een effectieve manier om de bouw te vereenvoudigen. Een voorbeeld hiervan is het actieve warmteopslag- en warmteafgiftesysteem van Fang Hui (Figuur 2), dat veelvuldig wordt gebruikt in niet-gecultiveerde gebieden zoals Gansu, Ningxia en Xinjiang. Het warmteopvangsysteem is aan de noordwand bevestigd. Overdag wordt de warmte die door het warmteopvangsysteem wordt opgevangen, opgeslagen in de warmteopslag door de circulatie van het warmteopslagmedium. 's Nachts wordt de warmte afgegeven en verwarmd door de circulatie van het warmteopslagmedium, waardoor warmteoverdracht in tijd en ruimte plaatsvindt. Experimenten tonen aan dat de minimumtemperatuur in de kas met 3 tot 5 °C kan worden verhoogd door dit apparaat te gebruiken. Wang Zhiwei et al. hebben een watergordijnverwarmingssysteem voor zonne-kassystemen in de woestijn van Zuid-Xinjiang ontwikkeld, waarmee de temperatuur in de kas 's nachts met 2,1 °C kan worden verhoogd.

Daarnaast ontwierpen Bao Encai en anderen een actief warmteopslag- en circulatiesysteem voor de noordwand. Overdag stroomt de warme binnenlucht door de circulatie van axiale ventilatoren via een in de noordwand ingebouwd warmteoverdrachtskanaal. Dit kanaal wisselt warmte uit met de warmteopslaglaag in de wand, waardoor de warmteopslagcapaciteit van de wand aanzienlijk wordt verbeterd. Verder slaat het door Yan Yantao en anderen ontworpen faseveranderingswarmteopslagsysteem overdag warmte op in faseveranderingsmaterialen via zonnecollectoren. 's Nachts wordt deze warmte via luchtcirculatie aan de binnenlucht afgegeven, waardoor de gemiddelde temperatuur 's nachts met 2,0 °C kan stijgen. De bovengenoemde technologieën en apparatuur voor het benutten van zonne-energie kenmerken zich door economische voordelen, energiebesparing en een lage CO2-uitstoot. Na optimalisatie en verbetering hebben ze goede toepassingsmogelijkheden in de gebieden met overvloedige zonne-energiebronnen in Noordwest-China.

Andere aanvullende verwarmingstechnologieën

01 verwarming met biomassa-energie

Strooisel, stro, koeienmest, schapenmest en kippenmest worden gemengd met biologische bacteriën en in de grond van de kas begraven. Tijdens het fermentatieproces komt veel warmte vrij, waardoor veel nuttige bacteriën, organisch materiaal en CO2 ontstaan. Deze nuttige bacteriën kunnen diverse ziektekiemen remmen en doden, en de kans op ziekten en plagen in de kas verkleinen. Het organische materiaal dient als meststof voor de gewassen. De geproduceerde CO2 bevordert de fotosynthese van de gewassen. Zo begroef Wei Wenxiang bijvoorbeeld hete organische meststoffen zoals paardenmest, koeienmest en schapenmest in de grond van een zonnekas op het Qinghai-plateau, waardoor de bodemtemperatuur effectief steeg. In een zonnekas in de woestijn van Gansu gebruikte Zhou Zhilong stro en organische meststoffen om tussen de gewassen door te laten fermenteren. Uit een test bleek dat de temperatuur in de kas met 2 tot 3 °C kon stijgen.

02 kolenverwarming

Er bestaan ​​kunstmatige kachels, energiebesparende waterverwarmers en verwarmingssystemen. Zo ontdekte Wei Wenxiang na onderzoek op het Qinghai-plateau dat er lokaal voornamelijk gebruik werd gemaakt van kunstmatige ovenverwarming. Deze verwarmingsmethode heeft als voordelen een snellere opwarming en een duidelijk verwarmingseffect. Bij de verbranding van kolen komen echter schadelijke gassen zoals SO2, CO en H2S vrij, waardoor een goede afvoer van deze gassen noodzakelijk is.

03 elektrische verwarming

Gebruik elektrische verwarmingsdraden om het voorste dak van de kas te verwarmen, of gebruik een elektrische kachel. Het verwarmingseffect is opmerkelijk, het gebruik is veilig, er worden geen schadelijke stoffen in de kas geproduceerd en de verwarmingsapparatuur is eenvoudig te bedienen. Chen Weiqian en anderen zijn van mening dat het probleem van vorstschade in de winter in het Jiuquan-gebied de ontwikkeling van de lokale Gobi-landbouw belemmert en dat elektrische verwarmingselementen gebruikt kunnen worden om de kas te verwarmen. Vanwege het gebruik van hoogwaardige elektrische energiebronnen is het energieverbruik echter hoog en de kosten hoog. Het wordt daarom aangeraden om dit alleen als tijdelijke noodverwarming in extreme kou te gebruiken.

Milieubeheermaatregelen

Tijdens de productie en het gebruik van een kas kunnen de complete uitrusting en de normale werking ervan niet garanderen dat het thermische binnenklimaat aan de ontwerpeisen voldoet. Het gebruik en beheer van de apparatuur spelen vaak een cruciale rol bij het creëren en behouden van een optimaal thermisch binnenklimaat, met name het dagelijkse beheer van de isolatiedekens en ventilatieopeningen.

Beheer van thermische isolatiedekens

De thermische isolatiedeken is essentieel voor de thermische isolatie van het voordak 's nachts. Het is daarom van groot belang om het dagelijkse beheer en onderhoud ervan zorgvuldig te plannen, met name de volgende punten: ① Kies het juiste tijdstip voor het openen en sluiten van de thermische isolatiedeken. Het openen en sluiten van de isolatiedeken beïnvloedt niet alleen de lichtperiode in de kas, maar ook het verwarmingsproces. Te vroeg of te laat openen of sluiten van de isolatiedeken is niet bevorderlijk voor de warmteopname. Als de deken 's ochtends te vroeg wordt verwijderd, daalt de binnentemperatuur te veel door de lage buitentemperatuur en het zwakke licht. Omgekeerd, als de deken te laat wordt verwijderd, wordt de lichtperiode in de kas verkort en stijgt de binnentemperatuur later. Als de isolatiedeken 's middags te vroeg wordt verwijderd, wordt de lichtperiode binnen verkort en neemt de warmteopslag in de grond en wanden af. Integendeel, als de warmte-isolatie te laat wordt uitgeschakeld, zal het warmteverlies in de kas toenemen door de lage buitentemperatuur en het zwakke licht. Daarom is het over het algemeen raadzaam om de warmte-isolatie 's ochtends in te schakelen nadat de temperatuur met 1-2 °C is gedaald. Hetzelfde geldt voor het uitschakelen van de warmte-isolatie. ② Let er bij het sluiten van de warmte-isolatie op dat de isolatie alle voorste daken goed bedekt en pas eventuele openingen tijdig aan. ③ Controleer na het volledig neerleggen van de warmte-isolatie of de onderkant goed is aangedrukt om te voorkomen dat de warmte-isolatie 's nachts door de wind wordt weggeblazen. ④ Controleer en onderhoud de warmte-isolatie tijdig, vooral bij beschadigingen. Repareer of vervang de isolatie indien nodig. ⑤ Houd de weersomstandigheden in de gaten. Bedek de warmte-isolatie tijdig en verwijder sneeuw bij regen of sneeuw.

Beheer van ventilatieopeningen

Het doel van ventilatie in de winter is om de luchttemperatuur te reguleren en oververhitting rond het middaguur te voorkomen; ten tweede om vocht binnenshuis te verwijderen, de luchtvochtigheid in de kas te verlagen en plagen en ziekten te bestrijden; ten derde om de CO2-concentratie binnenshuis te verhogen en de gewasgroei te bevorderen. Ventilatie en warmtebehoud zijn echter tegenstrijdig. Als de ventilatie niet goed wordt beheerd, kan dit leiden tot problemen met een te lage temperatuur. Daarom moeten het tijdstip en de duur van het openen van de ventilatieopeningen dynamisch worden aangepast aan de omgevingsomstandigheden in de kas. In de niet-gecultiveerde gebieden in het noordwesten wordt het beheer van kasventilatie hoofdzakelijk op twee manieren uitgevoerd: handmatig en mechanisch. De openingstijd en ventilatietijd van de ventilatieopeningen zijn echter grotendeels gebaseerd op subjectieve inschattingen, waardoor het kan voorkomen dat de openingen te vroeg of te laat worden geopend. Om deze problemen op te lossen, hebben Yin Yilei et al. een intelligent dakventilatiesysteem ontworpen dat de openingstijd en de grootte van de ventilatieopeningen kan bepalen op basis van veranderingen in het binnenklimaat. Met de verdieping van het onderzoek naar de wetmatigheden van milieuverandering en de vraag naar gewassen, evenals de popularisering en vooruitgang van technologieën en apparatuur zoals milieuwaarneming, informatieverzameling, -analyse en -controle, zou de automatisering van ventilatiebeheer in zonne-kassen een belangrijke ontwikkelingsrichting voor de toekomst moeten zijn.

Overige beheersmaatregelen

Tijdens het gebruik van verschillende soorten kasfolie neemt hun lichtdoorlatendheid geleidelijk af. De snelheid waarmee dit gebeurt, hangt niet alleen samen met de fysieke eigenschappen van de folie zelf, maar ook met de omgeving en het onderhoud tijdens het gebruik. De belangrijkste factor die leidt tot een afname van de lichtdoorlatendheid is vervuiling van het folieoppervlak. Daarom is het van groot belang om de folie regelmatig te reinigen en schoon te maken wanneer de omstandigheden dit toelaten. Daarnaast moet de constructie van de kas regelmatig worden gecontroleerd. Eventuele lekkages in de wanden of het voordak moeten tijdig worden gerepareerd om te voorkomen dat koude lucht de kas binnendringt.

Bestaande problemen en ontwikkelingsrichting

Onderzoekers hebben jarenlang onderzoek gedaan naar en onderzoek verricht naar technologieën voor warmtebehoud en -opslag, beheersmethoden en verwarmingstechnieken voor kassen in niet-gecultiveerde gebieden in het noordwesten van China. Dit heeft in principe de overwintering van groenten mogelijk gemaakt, het vermogen van kassen om schade door lage temperaturen te weerstaan ​​aanzienlijk verbeterd en een historische bijdrage geleverd aan het verlichten van de tegenstelling tussen voedselproductie en de concurrentie om landbouwgrond in China. Er bestaan ​​echter nog steeds de volgende problemen met de temperatuurgarantietechnologie in het noordwesten van China.

De types kassen worden gemoderniseerd.

Momenteel zijn de gangbare typen kassen nog steeds de modellen die eind 20e en begin deze eeuw zijn gebouwd, met een eenvoudige structuur, een onpraktisch ontwerp, een gebrekkig vermogen om het thermische klimaat in de kas te handhaven en natuurrampen te weerstaan, en een gebrek aan standaardisatie. Daarom zou bij het toekomstige ontwerp van kassen de vorm en helling van het voordak, de azimuthoek van de kas, de hoogte van de achterwand, de diepte van de kas, enzovoort, gestandaardiseerd moeten worden, rekening houdend met de lokale geografische breedtegraad en klimaateigenschappen. Tegelijkertijd zou het wenselijk moeten zijn om zoveel mogelijk slechts één gewas per kas te telen, zodat een gestandaardiseerde kasindeling mogelijk wordt die is afgestemd op de licht- en temperatuurbehoeften van de te telen gewassen.

De schaal van de kas is relatief klein.

Als de schaal van de kas te klein is, heeft dit gevolgen voor de stabiliteit van het thermische klimaat in de kas en de ontwikkeling van mechanisatie. Met de geleidelijke stijging van de arbeidskosten is mechanisatie een belangrijke richting voor de toekomst. Daarom moeten we ons in de toekomst baseren op het lokale ontwikkelingsniveau, rekening houden met de behoeften van de mechanisatieontwikkeling, de binnenruimte en indeling van kassen rationeel ontwerpen, het onderzoek en de ontwikkeling van landbouwmachines die geschikt zijn voor de lokale omstandigheden versnellen en de mechanisatiegraad in de glastuinbouw verhogen. Tegelijkertijd moet, afhankelijk van de behoeften van de gewassen en teeltpatronen, de relevante apparatuur worden afgestemd op de geldende normen en moet het geïntegreerde onderzoek en de ontwikkeling, innovatie en popularisering van ventilatie-, vochtregulerende, warmte-isolerende en verwarmingsapparatuur worden bevorderd.

De wanddikte van bijvoorbeeld zand en holle blokken is nog steeds aanzienlijk.

Als de wand te dik is, heeft dit weliswaar een goede isolerende werking, maar vermindert het de benutting van de grond, verhoogt het de kosten en maakt het de constructie complexer. Daarom moet in de toekomst enerzijds de wanddikte wetenschappelijk worden geoptimaliseerd op basis van de lokale klimaatomstandigheden. Anderzijds moeten we de achterwand lichter en eenvoudiger maken, zodat deze alleen nog de warmte-isolerende functie heeft en zonnecollectoren en andere apparatuur de warmteopslag en -afgifte van de wand vervangen. Zonnecollectoren kenmerken zich door een hoog rendement, een grote warmtecapaciteit, energiebesparing en een lage CO2-uitstoot. De meeste zonnecollectoren kunnen actief worden geregeld en gecontroleerd en kunnen 's nachts gericht verwarmen, afhankelijk van de omgevingsbehoeften van de kas, waardoor de warmte efficiënter wordt benut.

Er moet een speciaal thermisch isolerend dekbed worden ontwikkeld.

Het voorste dak is het belangrijkste onderdeel voor warmteafvoer in een kas, en de thermische isolatieprestaties van de isolatiedeken hebben een directe invloed op het binnenklimaat. Momenteel is de temperatuur in kassen in sommige gebieden niet optimaal, deels omdat de isolatiedeken te dun is en de isolatieprestaties van de gebruikte materialen onvoldoende zijn. Tegelijkertijd kampt de isolatiedeken nog steeds met problemen zoals een slechte waterdichtheid en slipweerstand, en snelle veroudering van het oppervlak en de kernmaterialen. Daarom is het in de toekomst noodzakelijk om geschikte isolatiematerialen wetenschappelijk te selecteren op basis van de lokale klimaatomstandigheden en -eisen, en om speciale isolatiedekens te ontwerpen en te ontwikkelen die geschikt zijn voor lokaal gebruik en een brede toepassing.

EINDE

Geciteerde informatie

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, enz. Onderzoeksstatus van de technologie voor het garanderen van de omgevingstemperatuur in zonne-kassystemen op onbebouwd land in het noordwesten [J]. Landbouwtechniek, 2022, 42(28): 12-20.