Li Jianming, Sun Guotao וכו'.טכנולוגיית הנדסה חקלאית לגננות חממה2022-11-21 17:42 פורסם בבייג'ינג

בשנים האחרונות, תעשיית החממות פותחה במרץ. פיתוח החממות לא רק משפר את שיעור ניצול הקרקע ואת קצב התפוקה של תוצרת חקלאית, אלא גם פותר את בעיית אספקת הפירות והירקות מחוץ לעונה. עם זאת, החממה נתקלה גם באתגרים חסרי תקדים. המתקנים המקוריים, שיטות החימום וצורות המבנה יצרו עמידות לסביבה ולפיתוח. חומרים חדשים ועיצובים חדשים נדרשים בדחיפות כדי לשנות את מבנה החממה, ומקורות אנרגיה חדשים נדרשים בדחיפות כדי להשיג את מטרות שימור האנרגיה והגנת הסביבה, ולהגדיל את הייצור וההכנסה.

מאמר זה דן בנושא "אנרגיה חדשה, חומרים חדשים, עיצוב חדש שיסייעו למהפכה החדשה של חממות", כולל מחקר וחדשנות של אנרגיה סולארית, אנרגיית ביומסה, אנרגיה גיאותרמית ומקורות אנרגיה חדשים אחרים בחממות, מחקר ויישום של חומרים חדשים לכיסוי, בידוד תרמי, קירות וציוד אחר, והסיכויים והחשיבה העתידית של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חדש שיסייעו לרפורמה בחממות, על מנת לספק מקור התייחסות לתעשייה.

פיתוח חקלאות מתקנים הוא דרישה פוליטית ובחירה בלתי נמנעת ליישם את רוח ההנחיות החשובות ואת קבלת ההחלטות של הממשלה המרכזית. בשנת 2020, שטח החקלאות המוגנת הכולל בסין יעמוד על 2.8 מיליון קמ"ר, וערך התפוקה יעלה על טריליון יואן. זוהי דרך חשובה לשיפור כושר הייצור של חממות על ידי שיפור ביצועי התאורה והבידוד התרמי של החממות באמצעות אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חממות חדש. ישנם חסרונות רבים בייצור חממות מסורתי, כגון פחם, דלק ומקורות אנרגיה אחרים המשמשים לחימום וחימום בחממות מסורתיות, וכתוצאה מכך יוצרים כמות גדולה של גז דו-חמצני, המזהם קשות את הסביבה, בעוד שגז טבעי, אנרגיה חשמלית ומקורות אנרגיה אחרים מגדילים את עלות התפעול של חממות. חומרי אחסון חום מסורתיים לקירות חממות הם בעיקר חרס ולבנים, הצורכים הרבה וגורמים נזק חמור למשאבי הקרקע. יעילות ניצול הקרקע של חממה סולארית מסורתית עם קיר עפר היא רק 40% ~ 50%, ולחממה רגילה יש כושר אחסון חום ירוד, כך שהיא לא יכולה לשרוד את החורף כדי לייצר ירקות חמים בצפון סין. לכן, ליבת קידום שינוי החממות, או המחקר הבסיסי, טמונה בתכנון החממות, במחקר ובפיתוח של חומרים חדשים ואנרגיה חדשה. מאמר זה יתמקד במחקר ובחדשנות של מקורות אנרגיה חדשים בחממות, יסכם את מצב המחקר של מקורות אנרגיה חדשים כגון אנרגיה סולארית, אנרגיית ביומסה, אנרגיה גיאותרמית, אנרגיית רוח וחומרי כיסוי שקופים חדשים, חומרי בידוד תרמי וחומרי קיר בחממות, ינתח את היישום של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים בבניית חממות חדשות, ויצפה לתפקידם בפיתוח ובטרנספורמציה העתידיים של חממות.

מחקר וחדשנות של חממות אנרגיה חדשות

האנרגיה הירוקה החדשה בעלת פוטנציאל הניצול החקלאי הגדול ביותר כוללת אנרגיה סולארית, אנרגיה גיאותרמית ואנרגיית ביומסה, או ניצול מקיף של מגוון מקורות אנרגיה חדשים, על מנת להשיג ניצול יעיל של אנרגיה על ידי למידה מהנקודות החוזקות של כל אחד.

אנרגיה סולארית/חשמל

טכנולוגיית אנרגיה סולארית היא אמצעי אספקת אנרגיה דל פחמן, יעיל ובת קיימא, והיא מרכיב חשוב בתעשיות המתפתחות האסטרטגיות של סין. היא תהפוך לבחירה בלתי נמנעת לשינוי ושדרוג מבנה האנרגיה של סין בעתיד. מנקודת מבט של ניצול אנרגיה, החממה עצמה היא מבנה מתקן לניצול אנרגיה סולארית. באמצעות אפקט החממה, אנרגיית השמש נאספת בתוך הבית, טמפרטורת החממה עולה, ומספק את החום הדרוש לגידול יבולים. מקור האנרגיה העיקרי לפוטוסינתזה של צמחי חממה הוא אור שמש ישיר, שהוא ניצול ישיר של אנרגיה סולארית.

01 ייצור חשמל פוטו-וולטאי לייצור חום

ייצור חשמל פוטו-וולטאי הוא טכנולוגיה הממירה ישירות אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית המבוססת על אפקט פוטו-וולטאי. המרכיב המרכזי בטכנולוגיה זו הוא תאים סולאריים. כאשר אנרגיה סולארית מאירה על מערך פאנלים סולאריים בטור או במקביל, רכיבי מוליכים למחצה ממירים ישירות את אנרגיית קרינת השמש לאנרגיה חשמלית. טכנולוגיה פוטו-וולטאית יכולה להמיר ישירות אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית, לאגור חשמל באמצעות סוללות ולחמם את החממה בלילה, אך עלותה הגבוהה מגבילה את פיתוחה הנוסף. קבוצת המחקר פיתחה מכשיר חימום גרפן פוטו-וולטאי, המורכב מפאנלים פוטו-וולטאיים גמישים, מכונת בקרה הפוכה הכל-באחד, סוללת אחסון ומוט חימום גרפן. בהתאם לאורך קו השתילה, מוט חימום הגרפן קבור מתחת לשקית המצע. במהלך היום, הפאנלים הפוטו-וולטאיים סופגים קרינת שמש כדי לייצר חשמל ולאגור אותו בסוללת האחסון, ולאחר מכן החשמל משתחרר בלילה עבור מוט חימום הגרפן. במדידה בפועל, מאומץ מצב בקרת טמפרטורה של התחלה ב-17℃ וסגירה ב-19℃. בלילה (20:00-08:00 ביום השני) במשך 8 שעות, צריכת האנרגיה לחימום שורה אחת של צמחים היא 1.24 קוט"ש, והטמפרטורה הממוצעת של שקית המצע בלילה היא 19.2 מעלות צלזיוס, שהיא גבוהה ב-3.5 ~ 5.3 מעלות צלזיוס מזו של הבקרה. שיטת חימום זו בשילוב עם ייצור חשמל פוטו-וולטאי פותרת את בעיות צריכת האנרגיה הגבוהה והזיהום הגבוה בחימום חממות בחורף.

02 המרה וניצול פוטותרמי

המרה פוטותרמית סולארית מתייחסת לשימוש במשטח איסוף אור שמש מיוחד העשוי מחומרי המרה פוטותרמית כדי לאסוף ולספוג כמה שיותר אנרגיה סולארית המוקרנת עליו ולהמיר אותה לאנרגיית חום. בהשוואה ליישומים פוטו-וולטאיים סולאריים, יישומים פוטו-תרמיים סולאריים מגבירים את ספיגת התחום הקרוב לאינפרא אדום, כך שיש להם יעילות ניצול אנרגטי גבוה יותר של אור השמש, עלות נמוכה יותר וטכנולוגיה מתקדמת, וזוהי הדרך הנפוצה ביותר לניצול אנרגיה סולארית.

הטכנולוגיה הבוגרת ביותר של המרה וניצול פוטותרמיים בסין היא קולטי שמש, שמרכיב הליבה שלו הוא ליבת לוח סופג חום עם ציפוי ספיגה סלקטיבי, שיכולה להמיר את אנרגיית קרינת השמש העוברת דרך לוח הכיסוי לאנרגיית חום ולהעביר אותה למדיום העבודה סופג החום. ניתן לחלק קולטי שמש לשתי קטגוריות בהתאם לשאלה האם יש חלל ואקום בקולט או לא: קולטי שמש שטוחים וקולטי שמש בצינורות ואקום; קולטי שמש מרוכזים וקולטי שמש לא מרוכזים בהתאם לשאלה האם קרינת השמש בפתח תאורת היום משנה כיוון; וקולטי שמש נוזליים וקולטי שמש אוויריים בהתאם לסוג מדיום העבודה של העברת החום.

ניצול אנרגיה סולארית בחממה מתבצע בעיקר באמצעות סוגים שונים של קולטי שמש. אוניברסיטת אבן זור במרוקו פיתחה מערכת חימום אנרגיה סולארית אקטיבית (ASHS) לחימום חממה, שיכולה להגדיל את סך ייצור העגבניות ב-55% בחורף. אוניברסיטת החקלאות של סין תכננה ופיתחה מערכת של מערכות איסוף ופריקה באמצעות קירור שטח-מאוורר, עם קיבולת איסוף חום של 390.6 עד 693.0 מגה-ג'אול, והעלתה את הרעיון של הפרדת תהליך איסוף החום מתהליך אגירת החום באמצעות משאבת חום. אוניברסיטת בארי באיטליה פיתחה מערכת חימום רב-גנרטיבית לחממה, המורכבת ממערכת אנרגיה סולארית וממשאבת חום אוויר-מים, ויכולה להעלות את טמפרטורת האוויר ב-3.6% ואת טמפרטורת הקרקע ב-92%. קבוצת המחקר פיתחה סוג של ציוד איסוף חום סולארי אקטיבי עם זווית נטייה משתנה לחממה סולארית, והתקן אגירת חום תומך לגוף המים בחממה בכל מזג האוויר. טכנולוגיית איסוף חום סולארי אקטיבית עם נטייה משתנה פורצת את המגבלות של ציוד איסוף חום חממה מסורתי, כגון קיבולת איסוף חום מוגבלת, הצללה ושימוש באדמה מעובדת. באמצעות מבנה חממה מיוחד של חממה סולארית, מנוצל במלואו השטח שאינו מיועד לשתילה בחממה, מה שמשפר מאוד את יעילות הניצול של שטח החממה. בתנאי עבודה שטופי שמש אופייניים, מערכת איסוף חום סולארית אקטיבית עם נטייה משתנה מגיעה ל-1.9 מגה-ג'אול/(מ"ר שעה), יעילות ניצול האנרגיה מגיעה ל-85.1% ושיעור החיסכון באנרגיה הוא 77%. בטכנולוגיית אגירת חום בחממה, נקבע מבנה אגירת חום רב-פאזי, קיבולת אגירת החום של התקן אגירת החום גדלה, ומתממש שחרור איטי של חום מההתקן, על מנת לממש ניצול יעיל של החום הנאסף על ידי ציוד איסוף חום סולארית בחממה.

אנרגיית ביומסה

מבנה מתקן חדש נבנה על ידי שילוב של מתקן ייצור חום ביומסה עם החממה, וחומרי הגלם של הביומסה כגון זבל חזירים, שאריות פטריות וקש עוברים קומפוסטציה לחליטת חום, ואנרגיית החום הנוצרת מסופקת ישירות לחממה [5]. בהשוואה לחממה ללא מיכל חימום תסיסה ביומסה, חממת החימום יכולה להעלות ביעילות את טמפרטורת הקרקע בחממה ולשמור על הטמפרטורה הנכונה של שורשי הגידולים הגדלים באדמה באקלים רגיל בחורף. אם ניקח לדוגמה חממה מבודדת תרמית אסימטרית חד-שכבתית עם מוטת של 17 מטר ואורך של 30 מטר, הוספת 8 מטר של פסולת חקלאית (קש עגבניות וזבל חזירים מעורבבים) למיכל התסיסה הפנימי לתסיסה טבעית מבלי להפוך את הערימה יכולה להעלות את הטמפרטורה היומית הממוצעת של החממה ב-4.2 מעלות צלזיוס בחורף, וטמפרטורת המינימום היומית הממוצעת יכולה להגיע ל-4.6 מעלות צלזיוס.

ניצול אנרגיה של תסיסה מבוקרת ביומסה היא שיטת תסיסה המשתמשת במכשירים וציוד לשליטה בתהליך התסיסה על מנת להשיג במהירות וביעילות אנרגיית חום של ביומסה ודשן גז CO2, שביניהם אוורור ולחות הם הגורמים המרכזיים לוויסות ייצור חום התסיסה וגז הביומסה. בתנאים מאווררים, מיקרואורגניזמים אירוביים בערימת התסיסה משתמשים בחמצן לפעילות חיונית, וחלק מהאנרגיה הנוצרת משמשת לפעילות חיונית משלהם, וחלק מהאנרגיה משתחררת לסביבה כאנרגיית חום, דבר המועיל לעליית הטמפרטורה של הסביבה. מים משתתפים בתהליך התסיסה כולו, ומספקים חומרים מזינים מסיסים נחוצים לפעילות מיקרוביאלית, ובמקביל משחררים את חום הערימה בצורת קיטור דרך המים, על מנת להפחית את טמפרטורת הערימה, להאריך את חיי המיקרואורגניזמים ולהגדיל את טמפרטורת הנפח של הערימה. התקנת מתקן שטיפת קש ​​במיכל התסיסה יכולה להגדיל את הטמפרטורה הפנימית ב-3 ~ 5 ℃ בחורף, לחזק את הפוטוסינתזה של הצמח ולהגדיל את תנובת העגבניות ב-29.6%.

אנרגיה גיאותרמית

סין עשירה במשאבים גיאותרמיים. כיום, הדרך הנפוצה ביותר עבור מתקני חקלאות לנצל אנרגיה גיאותרמית היא שימוש במשאבת חום קרקעית, שיכולה להעביר מאנרגיית חום נמוכה לאנרגיית חום גבוהה על ידי הזנת כמות קטנה של אנרגיה גבוהה (כגון אנרגיה חשמלית). בשונה מאמצעי חימום חממות מסורתיים, חימום באמצעות משאבת חום קרקעית יכול לא רק להשיג אפקט חימום משמעותי, אלא גם לקרר את החממה ולהפחית את הלחות בחממה. מחקר היישום של משאבת חום קרקעית בתחום בניית דיור הוא בשל. החלק המרכזי המשפיע על קיבולת החימום והקירור של משאבת חום קרקעית הוא מודול חילופי חום תת-קרקעי, הכולל בעיקר צינורות קבורים, בארות תת-קרקעיות וכו'. כיצד לתכנן מערכת חילופי חום תת-קרקעית עם עלות-אפקט מאוזנת תמיד היה מוקד המחקר של חלק זה. יחד עם זאת, שינוי הטמפרטורה של שכבת הקרקע התת-קרקעית ביישום משאבת חום קרקעית משפיע גם על אפקט השימוש של מערכת משאבת חום. שימוש במשאבת חום קרקעית לקירור החממה בקיץ ולאגירת אנרגיית החום בשכבת הקרקע העמוקה יכול להקל על ירידת הטמפרטורה של שכבת הקרקע התת-קרקעית ולשפר את יעילות ייצור החום של משאבת חום הקרקע בחורף.

כיום, במחקר הביצועים והיעילות של משאבת חום מקור קרקע, באמצעות נתונים ניסיוניים בפועל, נבנה מודל מספרי באמצעות תוכנות כמו TOUGH2 ו-TRNSYS, והמסקנות הן שביצועי החימום ומקדם הביצועים (COP) של משאבת חום מקור קרקע יכולים להגיע ל-3.0 ~ 4.5, דבר שיש לו אפקט קירור וחימום טובים. במחקר אסטרטגיית הפעולה של מערכת משאבת החום, פו יונז'ון ואחרים מצאו כי בהשוואה לזרימה בצד העומס, לזרימה בצד הקרקע יש השפעה גדולה יותר על ביצועי היחידה ועל ביצועי העברת החום של הצינור הקבור. בתנאי הגדרת הזרימה, ערך ה-COP המרבי של היחידה יכול להגיע ל-4.17 על ידי אימוץ סכמת פעולה של הפעלה למשך שעתיים ועצירה למשך שעתיים; שי הויקסיאן ואחרים אימצו מצב פעולה לסירוגין של מערכת קירור אגירת מים. בקיץ, כאשר הטמפרטורה גבוהה, ה-COP של מערכת אספקת האנרגיה כולה יכול להגיע ל-3.80.

טכנולוגיית אגירת חום עמוקה בחממה

אגירת חום עמוקה בחממה נקראת גם "בנק אגירת חום" בחממה. נזקי קור בחורף וטמפרטורה גבוהה בקיץ הם המכשולים העיקריים לייצור חממה. בהתבסס על קיבולת אגירת החום החזקה של אדמה עמוקה, קבוצת המחקר תכננה התקן אגירת חום עמוק תת-קרקעי לחממה. ההתקן הוא צינור העברת חום מקביל דו-שכבתי הקבור בעומק של 1.5 עד 2.5 מטר מתחת לאדמה בחממה, עם פתח כניסת אוויר בחלק העליון של החממה ופתח יציאת אוויר על הקרקע. כאשר הטמפרטורה בחממה גבוהה, האוויר הפנימי נשאב בכוח לתוך הקרקע על ידי מאוורר כדי להשיג אגירת חום והורדת טמפרטורה. כאשר הטמפרטורה בחממה נמוכה, חום מופק מהאדמה כדי לחמם את החממה. תוצאות הייצור והיישום מראות שההתקן יכול להעלות את טמפרטורת החממה ב-2.3 מעלות צלזיוס בלילות החורף, להפחית את הטמפרטורה הפנימית ב-2.6 מעלות צלזיוס ביום הקיץ ולהגדיל את יבול העגבניות ב-1500 ק"ג ב-667 מטר.²המכשיר מנצל באופן מלא את המאפיינים של "חם בחורף וקריר בקיץ" ו"טמפרטורה קבועה" של אדמה תת-קרקעית עמוקה, מספק "גישה לאנרגיה" לחממה, ומשלים באופן רציף את פונקציות העזר של קירור וחימום החממה.

תיאום רב-אנרגטי

שימוש בשני סוגי אנרגיה או יותר לחימום חממה יכול לפצות ביעילות על החסרונות של סוג אנרגיה יחיד, ולתת ביטוי לאפקט הסופרפוזיציה של "אחד ועוד אחד גדול משתיים". שיתוף הפעולה המשלים בין אנרגיה גיאותרמית לאנרגיה סולארית הוא מוקד מחקר חדש לניצול אנרגיה בייצור חקלאי בשנים האחרונות. אמי ועמיתיו חקרו מערכת אנרגיה מרובת מקורות (איור 1), המצוידת בקולט שמש היברידי פוטו-וולטאי-תרמי. בהשוואה למערכת משאבות חום אוויר-מים נפוצה, יעילות האנרגיה של מערכת אנרגיה מרובת מקורות השתפרה ב-16%~25%. ג'נג ועמיתיו פיתחו סוג חדש של מערכת אגירת חום מצומדת של אנרגיה סולארית ומשאבת חום קרקעית. מערכת קולטי השמש יכולה לממש אגירת חימום עונתית באיכות גבוהה, כלומר, חימום באיכות גבוהה בחורף וקירור באיכות גבוהה בקיץ. מחליף חום קבור ומיכל אגירת חום לסירוגין יכולים כולם לפעול היטב במערכת, וערך COP של המערכת יכול להגיע ל-6.96.

בשילוב עם אנרגיה סולארית, מטרתו להפחית את צריכת החשמל המסחרית ולשפר את יציבות אספקת החשמל הסולארית בחממה. וואן יה ועמיתיו הציעו תוכנית חדשה לטכנולוגיית בקרה חכמה המשלבת ייצור חשמל סולארי עם חשמל מסחרי לחימום חממות, שיכולה לעשות שימוש באנרגיה פוטו-וולטאי כאשר יש אור, ולהפוך אותה לחשמל מסחרי כאשר אין אור, ובכך להפחית משמעותית את שיעור המחסור בחשמל בעומס ולהפחית את העלות הכלכלית ללא שימוש בסוללות.

אנרגיה סולארית, אנרגיית ביומסה ואנרגיה חשמלית יכולות לחמם יחד חממות, מה שיכול גם להשיג יעילות חימום גבוהה. ג'אנג ליאנגרוי ואחרים שילבו איסוף חום סולארי מצינורות ואקום עם מיכל מים לאגירת חום חשמלי בעמק. למערכת חימום החממה יש נוחות תרמית טובה, ויעילות החימום הממוצעת של המערכת היא 68.70%. מיכל המים לאגירת חום חשמלי הוא התקן לאגירת מים לחימום ביומסה עם חימום חשמלי. הטמפרטורה הנמוכה ביותר של כניסת המים בקצה החימום נקבעת, ואסטרטגיית הפעולה של המערכת נקבעת בהתאם לטמפרטורת אחסון המים של חלק איסוף החום הסולארי וחלק אחסון החום של הביומסה, על מנת להשיג טמפרטורת חימום יציבה בקצה החימום ולחסוך באנרגיה חשמלית ובחומרי אנרגיית ביומסה במידה המרבית.

מחקר חדשני ויישום של חומרי חממה חדשים

עם הרחבת שטחי החממה, מתגלים יותר ויותר חסרונות היישום של חומרי חממה מסורתיים כגון לבנים ואדמה. לכן, על מנת לשפר עוד יותר את הביצועים התרמיים של החממה ולענות על צרכי הפיתוח של חממות מודרניות, ישנם מחקרים ויישומים רבים של חומרי כיסוי שקופים חדשים, חומרי בידוד תרמי וחומרי קיר.

מחקר ויישום של חומרי כיסוי שקופים חדשים

סוגי חומרי הכיסוי השקופים לחממות כוללים בעיקר סרטי פלסטיק, זכוכית, פאנלים סולאריים ופאנלים פוטו-וולטאיים, שביניהם סרטי פלסטיק הם בעלי שטח היישום הגדול ביותר. לסרט PE לחממות המסורתי יש חסרונות של חיי שירות קצרים, עמידות בפני התכלות ותפקוד יחיד. כיום, פותחו מגוון סרטים פונקציונליים חדשים על ידי הוספת ריאגנטים או ציפויים פונקציונליים.

סרט המרת אור:סרט המרת האור משנה את התכונות האופטיות של הסרט באמצעות חומרי המרת אור כגון חומרי אדמה נדירים וחומרי ננו, ויכול להמיר את אזור האור האולטרה סגול לאור אדום כתום ואור כחול סגול הנדרשים לפוטוסינתזה של צמחים, ובכך להגדיל את תנובת היבול ולהפחית את הנזק של אור אולטרה סגול לגידולים ולסרטי חממה בחממות פלסטיק. לדוגמה, סרט חממה רחב פס סגול-לאדום עם חומר המרת אור VTR-660 יכול לשפר משמעותית את העברת האינפרא אדום כאשר מיושם בחממה, ובהשוואה לחממת הביקורת, תנובת העגבניות לדונם, תכולת ויטמין C וליקופן גדלה משמעותית ב-25.71%, 11.11% ו-33.04% בהתאמה. עם זאת, נכון לעכשיו, עדיין יש צורך לחקור את אורך החיים, ההתכלות והעלות של סרט המרת האור החדש.

זכוכית מפוזרתזכוכית מפוזרת בחממה היא דוגמה מיוחדת וטכנולוגיית נגד השתקפות על פני הזכוכית, שיכולה למקסם את אור השמש לאור מפוזר ולחדור לחממה, לשפר את יעילות הפוטוסינתזה של גידולים ולהגדיל את תנובת היבול. זכוכית מפוזרת הופכת את האור הנכנס לחממה לאור מפוזר באמצעות דוגמאות מיוחדות, והאור המפוזר יכול להיות מוקרן בצורה שווה יותר לתוך החממה, תוך ביטול השפעת הצל של השלד על החממה. בהשוואה לזכוכית צפה רגילה וזכוכית צפה לבנה במיוחד, תקן העברת האור של זכוכית מפוזרת הוא 91.5%, ושל זכוכית צפה רגילה הוא 88%. עבור כל עלייה של 1% בהעברת האור בתוך החממה, ניתן להגדיל את התפוקה בכ-3%, וכמות הסוכר המסיס וויטמין C בפירות וירקות עלתה. זכוכית מפוזרת בחממה מצופה תחילה ולאחר מכן מחוסמת, וקצב ההתפוצצות העצמית גבוה מהתקן הארצי, ומגיע ל-2‰.

מחקר ויישום של חומרי בידוד תרמי חדשים

חומרי הבידוד התרמי המסורתיים בחממות כוללים בעיקר מחצלות קש, שמיכות נייר, שמיכות לבד מחט וכו', המשמשים בעיקר לבידוד תרמי פנימי וחיצוני של גגות, בידוד קירות ובידוד תרמי של כמה התקני אגירת חום ואיסוף חום. לרובם יש את הפגם של אובדן ביצועי הבידוד התרמי עקב לחות פנימית לאחר שימוש ארוך טווח. לכן, ישנם יישומים רבים של חומרי בידוד תרמי גבוהים חדשים, ביניהם שמיכות בידוד תרמי חדשות, התקני אגירת חום ואיסוף חום הם מוקד המחקר.

חומרי בידוד תרמי חדשים מיוצרים בדרך כלל על ידי עיבוד וריכוך חומרים עמידים למים ועמידים בפני הזדקנות, כגון סרט ארוג ולבד מצופה, עם חומרי בידוד תרמי רכים כגון כותנה מצופה בהתזה, קשמיר מגוון וכותנת פנינה. שמיכת בידוד תרמי מכותנה מצופה בהתזה מסרט ארוג נבדקה בצפון מזרח סין. נמצא כי הוספת 500 גרם כותנה מצופה בהתזה הייתה שוות ערך לביצועי הבידוד התרמי של שמיכת בידוד תרמי מבד לבד שחור במשקל 4500 גרם בשוק. באותם תנאים, ביצועי הבידוד התרמי של 700 גרם כותנה מצופה בהתזה השתפרו ב-1~2 מעלות צלזיוס בהשוואה לאלו של 500 גרם כותנה מצופה בהתזה. במקביל, מחקרים אחרים מצאו גם כי בהשוואה לשמיכות הבידוד התרמי הנפוצות בשוק, אפקט הבידוד התרמי של שמיכות בידוד תרמי מכותנה מצופה בהתזה וקשמיר מגוון טוב יותר, עם שיעורי בידוד תרמי של 84.0% ו-83.3% בהתאמה. כאשר הטמפרטורה החיצונית הקרה ביותר היא -24.4 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה הפנימית יכולה להגיע ל-5.4 ו-4.2 מעלות צלזיוס בהתאמה. בהשוואה לשמיכת בידוד מקש יחיד, לשמיכת הבידוד המרוכבת החדשה יש יתרונות של משקל קל, שיעור בידוד גבוה, עמידות חזקה למים ועמידות בפני הזדקנות, וניתן להשתמש בה כסוג חדש של חומר בידוד יעיל במיוחד לחממות סולאריות.

במקביל, על פי מחקר על חומרי בידוד תרמי עבור התקני איסוף ואחסון חום בחממות, נמצא גם שכאשר העובי זהה, לחומרי בידוד תרמי מרוכבים רב-שכבתיים ביצועי בידוד תרמי טובים יותר מאשר לחומרים בודדים. צוותו של פרופסור לי ג'יאנמינג מאוניברסיטת נורת'ווסט A&F תכנן וסקר 22 סוגים של חומרי בידוד תרמי עבור התקני אחסון מים בחממות, כגון לוח ואקום, אירוג'ל וכותנה גומי, ומדד את תכונותיהם התרמיות. התוצאות הראו שחומר בידוד מרוכב של ציפוי בידוד תרמי בעובי 80 מ"מ + אירוג'ל + גומי-פלסטיק כותנה בידוד תרמי יכול להפחית את פיזור החום ב-0.367MJ ליחידת זמן בהשוואה ל-80 מ"מ גומי-פלסטיק כותנה, ומקדם העברת החום שלו היה 0.283W/(m2·k) כאשר עובי שילוב הבידוד היה 100 מ"מ.

חומר לשינוי פאזה הוא אחד התחומים החמים במחקר חומרי חממה. אוניברסיטת נורת'ווסט A&F פיתחה שני סוגים של התקני אחסון לחומרי שינוי פאזה: האחד הוא קופסת אחסון עשויה מפוליאתילן שחור, בגודל של 50 ס"מ × 30 ס"מ × 14 ס"מ (אורך × גובה × עובי) וממולאת בחומרי שינוי פאזה, כך שהיא יכולה לאגור חום ולשחרר חום; שנית, פותח סוג חדש של לוח קיר לשינוי פאזה. לוח הקיר לשינוי פאזה מורכב מחומר לשינוי פאזה, לוח אלומיניום, לוח אלומיניום-פלסטיק וסגסוגת אלומיניום. חומר שינוי הפאזה ממוקם במיקום המרכזי ביותר של לוח הקיר, והמפרט שלו הוא 200 מ"מ × 200 מ"מ × 50 מ"מ. זהו מוצק אבקתי לפני ואחרי שינוי פאזה, ואין תופעה של התכה או זרימה. ארבעת הדפנות של חומר שינוי הפאזה הן לוח אלומיניום ולוח אלומיניום-פלסטיק, בהתאמה. התקן זה יכול לממש את הפונקציות של אחסון חום בעיקר במהלך היום ושחרור חום בעיקר בלילה.

לכן, ישנן מספר בעיות ביישום של חומר בידוד תרמי יחיד, כגון יעילות בידוד תרמי נמוכה, אובדן חום גדול, זמן אחסון חום קצר וכו'. לכן, שימוש בחומר בידוד תרמי מרוכב כשכבת בידוד תרמי וכשכבת כיסוי בידוד תרמי פנימית וחיצונית של התקן אגירת חום יכול לשפר ביעילות את ביצועי הבידוד התרמי של החממה, להפחית את אובדן החום של החממה, ובכך להשיג את האפקט של חיסכון באנרגיה.

מחקר ויישום של קיר חדש

כמעין מבנה סגור, הקיר מהווה מחסום חשוב להגנה מפני קור ולשימור חום של החממה. בהתאם לחומרי הקיר והמבנים, ניתן לחלק את פיתוח הקיר הצפוני של החממה לשלושה סוגים: קיר חד-שכבתי העשוי מאדמה, לבנים וכו', וקיר צפוני שכבתי העשוי מלבני חרס, לבני גוש, לוחות פוליסטירן וכו', עם אגירת חום פנימית ובידוד חום חיצוני, ורוב הקירות הללו גוזלים זמן ועבודה רבה; לכן, בשנים האחרונות הופיעו סוגים חדשים רבים של קירות, שהם קלים לבנייה ומתאימים להרכבה מהירה.

הופעתם של קירות מורכבים מסוג חדש מקדמת את הפיתוח המהיר של חממות מורכבות, כולל קירות מרוכבים מסוג חדש עם חומרי משטח חיצוניים עמידים למים ואנטי-אייג'ינג וחומרים כגון לבד, כותנה פנינה, כותנה חלל, כותנה זכוכית או כותנה ממוחזרת כשכבות בידוד חום, כגון קירות גמישים מורכבים מכותנה מודבקת בהתזה בשינג'יאנג. בנוסף, מחקרים אחרים דיווחו גם על הקיר הצפוני של חממה מורכבת עם שכבת אגירת חום, כגון בלוק טיט קליפות חיטה מלא בלבנים בשינג'יאנג. תחת אותה סביבה חיצונית, כאשר הטמפרטורה החיצונית הנמוכה ביותר היא -20.8℃, הטמפרטורה בחממה הסולארית עם קיר מרוכב בלוק טיט קליפות חיטה היא 7.5℃, בעוד שהטמפרטורה בחממה הסולארית עם קיר בטון-לבנים היא 3.2℃. זמן קציר העגבניות בחממת לבנים יכול להיות מוקדם ב-16 ימים, והיבול של חממה בודדת יכול להיות מוגדל ב-18.4%.

צוות המתקן של אוניברסיטת נורת'ווסט A&F העלה את רעיון התכנון של הפיכת קש, אדמה, מים, אבן וחומרי שינוי פאזה למודולים של בידוד תרמי ואחסון חום מזווית האור ועיצוב קירות פשוט יותר, מה שקידם את המחקר היישומי של קירות מורכבים מודולריים. לדוגמה, בהשוואה לחממה רגילה מקירות לבנים, הטמפרטורה הממוצעת בחממה גבוהה ב-4.0 מעלות צלזיוס ביום שמש טיפוסי. שלושה סוגים של מודולי צמנט אנאורגניים לשינוי פאזה, העשויים מחומר שינוי פאזה (PCM) ומלט, צברו חום של 74.5, 88.0 ו-95.1 מגה-ג'אול/מ"ר.³, ושחרר חום של 59.8, 67.8 ו-84.2 MJ/m³³, בהתאמה. יש להם את הפונקציות של "חיתוך שיא" ביום, "מילוי עמק" בלילה, ספיגת חום בקיץ ושחרור חום בחורף.

קירות חדשים אלה מורכבים באתר, עם תקופת בנייה קצרה וחיי שירות ארוכים, היוצרים תנאים לבניית חממות טרומיות קלות, פשוטות ומהירות להרכבה, ויכולים לקדם מאוד את הרפורמה המבנית של חממות. עם זאת, ישנם כמה פגמים בסוג זה של קיר, כגון קיר בידוד תרמי מבד כותנה בהתזה בעל ביצועי בידוד תרמי מצוינים, אך חסר קיבולת אגירת חום, וחומר הבנייה בעל שינוי פאזה סובל מבעיה של עלות שימוש גבוהה. בעתיד, יש לחזק את מחקר היישום של קירות מורכבים.

אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצובים חדשים מסייעים לשינוי מבנה החממה.

המחקר והחדשנות של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים מספקים את הבסיס לחדשנות עיצובית של חממות. חממות סולאריות חסכוניות באנרגיה וסככות קשת הן מבני הסככות הגדולים ביותר בייצור החקלאי של סין, והן ממלאות תפקיד חשוב בייצור החקלאי. עם זאת, עם התפתחות הכלכלה החברתית של סין, מתגלים יותר ויותר חסרונות של שני סוגי מבני המתקנים. ראשית, שטח מבני המתקנים קטן ומידת המיכון נמוכה; שנית, לחממות סולאריות חסכוניות באנרגיה יש בידוד תרמי טוב, אך ניצול הקרקע נמוך, מה ששווה ערך להחלפת אנרגיית החממה בקרקע. לסככות קשת רגילות יש לא רק שטח קטן, אלא גם בידוד תרמי גרוע. למרות שלחממה רב-ממדית יש שטח גדול, יש לה בידוד תרמי גרוע וצריכת אנרגיה גבוהה. לכן, חיוני לחקור ולפתח את מבנה החממה המתאים לרמה החברתית והכלכלית הנוכחית של סין, והמחקר והפיתוח של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים יסייעו לשינוי מבנה החממה ולייצר מגוון דגמי או מבני חממה חדשניים.

מחקר חדשני על חממת בישול אסימטרית גדולה המבוקרת על ידי מים

חממת בישול אסימטרית גדולה הנשלטת על ידי מים (מספר פטנט: ZL 201220391214.2) מבוססת על עקרון חממת אור השמש, תוך שינוי המבנה הסימטרי של חממת פלסטיק רגילה, הגדלת המרווח הדרומי, הגדלת אזור התאורה של הגג הדרומי, צמצום המרווח הצפוני והפחתת אזור פיזור החום, עם מפתח של 18~24 מטר וגובה רכס של 6~7 מטר. באמצעות חדשנות עיצובית, המבנה המרחבי גדל משמעותית. במקביל, בעיות של חוסר חום בחממה בחורף ובידוד תרמי לקוי של חומרי בידוד תרמי נפוצים נפתרות באמצעות טכנולוגיה חדשה של חום וחומרי בידוד תרמי של ביומסה. תוצאות הייצור והמחקר מראות כי חממת בישול אסימטרית גדולה המבוססת על מים, עם טמפרטורה ממוצעת של 11.7 מעלות צלזיוס בימי שמש ו-10.8 מעלות צלזיוס בימים מעוננים, יכולה לענות על הביקוש לגידול יבולים בחורף, עלות הבנייה של החממה מופחתת ב-39.6% ושיעור ניצול הקרקע גדל ביותר מ-30% בהשוואה לחממת קירות לבני פוליסטירן, המתאימה לפופולריות ויישום נוספים באגן נהר הואיה הצהוב בסין.

חממת אור שמש מורכבת

חממת אור שמש מורכבת משתמשת בעמודים ושלד גג כמבנה נושא עומס, וחומר הקיר שלה הוא בעיקר מארז בידוד חום, במקום אחסון ושחרור חום פסיביים. בעיקר: (1) סוג חדש של קיר מורכב נוצר על ידי שילוב חומרים שונים כגון סרט מצופה או לוח פלדה צבעוני, גוש קש, שמיכת בידוד תרמי גמישה, גוש טיט וכו'. (2) לוח קיר מרוכב עשוי מלוח בטון-לוח פוליסטירן-לוח בטון; (3) חומרי בידוד תרמי קלים ופשוטים להרכבה עם מערכת אגירת ושחרור חום אקטיבית ומערכת ייבוש לחות, כגון אחסון חום דלי פלסטיק מרובע ואחסון חום בצנרת. שימוש בחומרי בידוד חום חדשים שונים וחומרי אחסון חום במקום קיר עפר מסורתי לבניית חממה סולארית מאפשר שטח גדול ובנייה אזרחית קטנה. תוצאות הניסוי מראות כי טמפרטורת החממה בלילה בחורף גבוהה ב-4.5 מעלות צלזיוס מזו של חממת לבנים מסורתית, ועובי הקיר האחורי הוא 166 מ"מ. בהשוואה לחממה עם קיר לבנים בעובי 600 מ"מ, שטח הקיר התפוסה מצטמצם ב-72%, והעלות למטר מרובע היא 334.5 יואן, שהם 157.2 יואן פחות מזו של חממה עם קיר לבנים, ועלות הבנייה ירדה משמעותית. לכן, לחממה המורכבת יש יתרונות של פחות הרס אדמה מעובדת, חיסכון בקרקע, מהירות בנייה מהירה וחיי שירות ארוכים, והיא מהווה כיוון מפתח לחדשנות ופיתוח של חממות סולאריות בהווה ובעתיד.

חממת אור שמש הזזה

חממת השמש החוסכת באנרגיה המורכבת מסקייטבורד שפותחה על ידי אוניברסיטת שניאנג החקלאית משתמשת בקיר האחורי של החממה הסולארית כדי ליצור מערכת אחסון חום של קיר במחזור מים לאגירת חום ולהעלאת הטמפרטורה, המורכבת בעיקר מבריכה (32 מ"ר)³), לוחית איסוף אור (360 מטר)²), משאבת מים, צינור מים ובקר. שמיכת הבידוד התרמי הגמישה מוחלפת בחומר פלדה חדש בצבע צמר סלעים קל משקל בחלק העליון. המחקר מראה שעיצוב זה פותר ביעילות את בעיית הגמלונים החוסמים אור, ומגדיל את שטח כניסת האור לחממה. זווית התאורה של החממה היא 41.5°, שהיא גבוהה בכמעט 16° מזו של חממת הבקרה, ובכך משפרת את קצב התאורה. פיזור הטמפרטורה בתוך הבית אחיד, והצמחים גדלים בצורה מסודרת. לחממה יתרונות של שיפור יעילות ניצול הקרקע, גמישות בתכנון גודל החממה וקיצור תקופת הבנייה, דבר בעל חשיבות רבה להגנה על משאבי הקרקע המעובדת והסביבה.

חממה פוטו-וולטאית

חממה חקלאית היא חממה המשלבת ייצור חשמל פוטו-וולטאית סולארית, בקרת טמפרטורה חכמה ושתילה מודרנית ומתקדמת. היא מאמצת מסגרת פלדה ומכוסה במודולים פוטו-וולטאיים סולאריים כדי להבטיח את דרישות התאורה של מודולי ייצור החשמל הפוטו-וולטאיים ואת דרישות התאורה של החממה כולה. הזרם הישיר הנוצר על ידי אנרגיה סולארית משלים ישירות את האור של חממות חקלאיות, תומך ישירות בפעולה הרגילה של ציוד החממה, מניע את ההשקיה של משאבי המים, מעלה את טמפרטורת החממה ומקדם את הצמיחה המהירה של גידולים. מודולים פוטו-וולטאיים בדרך זו ישפיעו על יעילות התאורה של גג החממה, ולאחר מכן ישפיעו על הצמיחה הרגילה של ירקות החממה. לכן, הפריסה הרציונלית של פאנלים פוטו-וולטאיים על גג החממה הופכת לנקודת יישום מרכזית. חממה חקלאית היא תוצר של שילוב אורגני של חקלאות תיירותית וגינון מתקנים, והיא תעשייה חקלאית חדשנית המשלבת ייצור חשמל פוטו-וולטאית, תיירות חקלאית, גידולים חקלאיים, טכנולוגיה חקלאית, נוף ופיתוח תרבותי.

תכנון חדשני של קבוצת חממות עם אינטראקציה אנרגטית בין סוגי חממות שונים

גואו וונג'ונג, חוקר באקדמיה למדעי החקלאות והיערנות של בייג'ינג, משתמש בשיטת חימום להעברת אנרגיה בין חממות כדי לאסוף את אנרגיית החום הנותרת בחממה אחת או יותר כדי לחמם חממה אחרת או יותר. שיטת חימום זו מממשת את העברת אנרגיית החממה בזמן ובמרחב, משפרת את יעילות ניצול האנרגיה של אנרגיית החום הנותרת של החממה, ומפחיתה את צריכת האנרגיה הכוללת לחימום. שני סוגי החממות יכולים להיות מסוגי חממה שונים או מאותו סוג חממה לנטיעת גידולים שונים, כגון חממות חסה ועגבניות. שיטות איסוף החום כוללות בעיקר מיצוי חום של האוויר הפנימי ויירוט ישיר של קרינה פוגעת. באמצעות איסוף אנרגיה סולארית, הסעה כפויה על ידי מחליף חום ומיצוי כפוי על ידי משאבת חום, עודפי החום בחממה בעלת אנרגיה גבוהה חולצו לחימום החממה.

לְסַכֵּם

לחממות סולאריות חדשות אלו יתרונות של הרכבה מהירה, תקופת בנייה מקוצרת וניצול משופר של הקרקע. לכן, יש צורך לחקור לעומק את ביצועי החממות החדשות הללו באזורים שונים, ולספק אפשרות לפופולריות ויישום בקנה מידה גדול של חממות חדשות. במקביל, יש צורך לחזק באופן מתמיד את השימוש באנרגיה חדשה וחומרים חדשים בחממות, על מנת לספק חשמל לרפורמה מבנית של חממות.

תחזית עתידית וחשיבה

לחממות מסורתיות יש לעיתים קרובות חסרונות מסוימים, כגון צריכת אנרגיה גבוהה, ניצול קרקע נמוך, גוזל זמן ועבודה, ביצועים ירודים וכו', שאינם יכולים עוד לענות על צרכי הייצור של החקלאות המודרנית, וצפויים להיעלם בהדרגה. לכן, זוהי מגמת פיתוח של שימוש במקורות אנרגיה חדשים כגון אנרגיה סולארית, אנרגיית ביומסה, אנרגיה גיאותרמית ואנרגיית רוח, חומרים חדשים ליישום חממות ועיצובים חדשים כדי לקדם את השינוי המבני של החממה. ראשית, חממה חדשה המונעת על ידי אנרגיה חדשה וחומרים חדשים צריכה לא רק לענות על צרכי הפעולה הממוכנת, אלא גם לחסוך באנרגיה, קרקע ועלויות. שנית, יש צורך לבחון כל הזמן את ביצועי החממות החדשות באזורים שונים, על מנת לספק תנאים לפופולריות בקנה מידה גדול של חממות. בעתיד, עלינו להמשיך לחפש אחר אנרגיה חדשה וחומרים חדשים המתאימים ליישום חממות, ולמצוא את השילוב הטוב ביותר של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים וחממה, על מנת לאפשר בניית חממה חדשה בעלות נמוכה, תקופת בנייה קצרה, צריכת אנרגיה נמוכה וביצועים מצוינים, לסייע בשינוי מבנה החממה ולקדם את פיתוח המודרניזציה של חממות בסין.

למרות שהשימוש באנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצובים חדשים בבניית חממות הוא מגמה בלתי נמנעת, עדיין ישנן בעיות רבות שיש ללמוד ולהתגבר עליהן: (1) עלות הבנייה עולה. בהשוואה לחימום מסורתי באמצעות פחם, גז טבעי או נפט, השימוש באנרגיה חדשה וחומרים חדשים הוא ידידותי לסביבה וללא זיהום, אך עלות הבנייה עולה משמעותית, דבר שיש לו השפעה מסוימת על החזר ההשקעה בייצור ובתפעול. בהשוואה לניצול אנרגיה, עלות החומרים החדשים תגדל משמעותית. (2) ניצול לא יציב של אנרגיית חום. היתרון הגדול ביותר של ניצול אנרגיה חדשה הוא עלות תפעול נמוכה ופליטת פחמן דו-חמצני נמוכה, אך אספקת האנרגיה והחום אינה יציבה, וימים מעוננים הופכים לגורם המגביל הגדול ביותר בניצול אנרגיה סולארית. בתהליך ייצור חום ביומסה באמצעות תסיסה, הניצול היעיל של אנרגיה זו מוגבל על ידי בעיות של אנרגיית חום נמוכה מתסיסה, ניהול ובקרה קשים ושטח אחסון גדול להובלת חומרי גלם. (3) בגרות טכנולוגית. טכנולוגיות אלו המשמשות את האנרגיה החדשה והחומרים החדשים הן הישגים מחקריים וטכנולוגיים מתקדמים, ואזור היישום והיקפם עדיין מוגבלים למדי. הם לא עברו פעמים רבות, אתרים רבים ואימות מעשי בקנה מידה גדול, וישנם באופן בלתי נמנע כמה ליקויים ותכנים טכניים שיש לשפר ביישום. משתמשים לעיתים קרובות מכחישים את התקדמות הטכנולוגיה בגלל ליקויים קלים. (4) שיעור חדירת הטכנולוגיה נמוך. יישום נרחב של הישג מדעי וטכנולוגי דורש פופולריות מסוימת. כיום, אנרגיה חדשה, טכנולוגיה חדשה וטכנולוגיית עיצוב חממות חדשה נמצאים כולם בצוות של מרכזי מחקר מדעיים באוניברסיטאות עם יכולת חדשנות מסוימת, ורוב הדורשים הטכניים או המעצבים עדיין לא יודעים; יחד עם זאת, הפופולריות והיישום של טכנולוגיות חדשות עדיין מוגבלים למדי מכיוון שציוד הליבה של טכנולוגיות חדשות רשום בפטנט. (5) יש לחזק עוד יותר את השילוב של אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב מבני חממה. מכיוון שאנרגיה, חומרים ועיצוב מבני חממה שייכים לשלוש תחומים שונים, כישרונות עם ניסיון בעיצוב חממות לרוב חסרים מחקר על אנרגיה וחומרים הקשורים לחממות, ולהיפך; לכן, חוקרים הקשורים למחקר אנרגיה וחומרים צריכים לחזק את החקירה וההבנה של הצרכים בפועל של פיתוח תעשיית החממות, ועל מתכנני מבנים לחקור גם חומרים חדשים ואנרגיה חדשה כדי לקדם שילוב עמוק של שלושת הקשרים, על מנת להשיג את המטרה של טכנולוגיית מחקר חממות מעשית, עלות בנייה נמוכה ואפקט שימוש טוב. בהתבסס על הבעיות הנ"ל, מוצע כי המדינה, הרשויות המקומיות ומרכזי המחקר המדעי יגבירו את המחקר הטכני, יבצעו מחקר משותף לעומק, יחזקו את הפרסום של הישגים מדעיים וטכנולוגיים, ישפרו את הפופולריות של ההישגים, ויגשים במהירות את המטרה של אנרגיה חדשה וחומרים חדשים כדי לסייע בפיתוח החדש של תעשיית החממות.

מידע מצוטט

לי ג'יאנמינג, סון גואטאו, לי האוג'יה, לי רוי, הו ייקין. אנרגיה חדשה, חומרים חדשים ועיצוב חדש מסייעים למהפכה החדשה של חממות [J]. ירקות, 2022,(10):1-8.