Li Jianming, Sun Guotao, ecc.Tecnologia di ingegneria agricola orticola in serra2022-11-21 17:42 Pubblicato a Pechino

Negli ultimi anni, l'industria delle serre ha conosciuto un notevole sviluppo. Lo sviluppo delle serre non solo migliora il tasso di utilizzo del suolo e la produttività dei prodotti agricoli, ma risolve anche il problema dell'approvvigionamento di frutta e verdura fuori stagione. Tuttavia, le serre hanno dovuto affrontare anche sfide senza precedenti. Le strutture originali, i metodi di riscaldamento e le forme strutturali hanno prodotto resistenza all'ambiente e allo sviluppo. Sono urgentemente necessari nuovi materiali e nuovi design per modificare la struttura delle serre, e nuove fonti energetiche sono urgentemente necessarie per raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico e tutela ambientale, aumentando la produzione e il reddito.

Questo articolo affronta il tema di "nuova energia, nuovi materiali, nuovo design per supportare la nuova rivoluzione delle serre", inclusa la ricerca e l'innovazione dell'energia solare, dell'energia da biomassa, dell'energia geotermica e di altre nuove fonti di energia nelle serre, la ricerca e l'applicazione di nuovi materiali per la copertura, l'isolamento termico, le pareti e altre attrezzature, nonché le prospettive future e il pensiero di nuova energia, nuovi materiali e nuovo design per supportare la riforma delle serre, in modo da fornire un riferimento per il settore.

Lo sviluppo dell'agricoltura strutturale è un requisito politico e una scelta inevitabile per attuare lo spirito delle importanti direttive e il processo decisionale del governo centrale. Nel 2020, la superficie totale dell'agricoltura protetta in Cina sarà di 2,8 milioni di hm² e il valore della produzione supererà i mille miliardi di yuan. È un modo importante per migliorare la capacità produttiva delle serre, migliorando l'illuminazione e le prestazioni di isolamento termico delle serre attraverso nuove energie, nuovi materiali e una nuova progettazione delle serre. La produzione tradizionale in serra presenta molti svantaggi, come il carbone, l'olio combustibile e altre fonti energetiche utilizzate per il riscaldamento e la produzione di calore nelle serre tradizionali, che si traducono in una grande quantità di anidride carbonica, che inquina gravemente l'ambiente, mentre il gas naturale, l'energia elettrica e altre fonti energetiche aumentano i costi di gestione delle serre. I materiali tradizionali per l'accumulo di calore per le pareti delle serre sono principalmente argilla e mattoni, che consumano molto e causano gravi danni alle risorse del territorio. L'efficienza di utilizzo del suolo di una tradizionale serra solare con parete in terra è solo del 40% ~ 50% e la serra ordinaria ha una scarsa capacità di accumulo di calore, quindi non può sopravvivere all'inverno per produrre verdure calde nella Cina settentrionale. Pertanto, il fulcro della promozione del cambiamento in serra, o ricerca di base, risiede nella progettazione delle serre, nella ricerca e nello sviluppo di nuovi materiali e nuove energie. Questo articolo si concentrerà sulla ricerca e l'innovazione di nuove fonti energetiche in serra, riassumerà lo stato della ricerca su nuove fonti energetiche come l'energia solare, l'energia da biomassa, l'energia geotermica, l'energia eolica e nuovi materiali di copertura trasparenti, materiali isolanti termici e materiali per pareti in serra, analizzerà l'applicazione di nuove energie e nuovi materiali nella costruzione di nuove serre e analizzerà il loro ruolo nel futuro sviluppo e trasformazione delle serre.

Ricerca e innovazione di nuove energie serre

Le nuove energie verdi con il più grande potenziale di utilizzo agricolo includono l'energia solare, l'energia geotermica e l'energia da biomassa, ovvero l'utilizzo completo di una varietà di nuove fonti energetiche, in modo da raggiungere un uso efficiente dell'energia imparando dai reciproci punti di forza.

energia solare/potenza

La tecnologia dell'energia solare è una modalità di approvvigionamento energetico a basse emissioni di carbonio, efficiente e sostenibile, e rappresenta una componente importante delle industrie emergenti strategiche della Cina. Diventerà una scelta inevitabile per la trasformazione e il potenziamento della struttura energetica cinese in futuro. Dal punto di vista dell'utilizzo energetico, la serra stessa è una struttura per l'utilizzo dell'energia solare. Grazie all'effetto serra, l'energia solare viene raccolta all'interno, la temperatura della serra aumenta e viene fornito il calore necessario per la crescita delle colture. La principale fonte di energia per la fotosintesi delle piante in serra è la luce solare diretta, che rappresenta l'utilizzo diretto dell'energia solare.

01 Generazione di energia fotovoltaica per generare calore

La generazione di energia fotovoltaica è una tecnologia che converte direttamente l'energia luminosa in energia elettrica sfruttando l'effetto fotovoltaico. L'elemento chiave di questa tecnologia è la cella solare. Quando l'energia solare colpisce una serie di pannelli solari in serie o in parallelo, i componenti semiconduttori convertono direttamente l'energia della radiazione solare in energia elettrica. La tecnologia fotovoltaica può convertire direttamente l'energia luminosa in energia elettrica, immagazzinare elettricità tramite batterie e riscaldare la serra di notte, ma il suo costo elevato ne limita l'ulteriore sviluppo. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un dispositivo di riscaldamento fotovoltaico al grafene, composto da pannelli fotovoltaici flessibili, una macchina di controllo inverso all-in-one, una batteria di accumulo e una barra riscaldante in grafene. A seconda della lunghezza della linea di semina, la barra riscaldante in grafene viene interrata sotto il sacco del substrato. Durante il giorno, i pannelli fotovoltaici assorbono la radiazione solare per generare elettricità e immagazzinarla nella batteria di accumulo, per poi rilasciarla di notte alla barra riscaldante in grafene. Nella misurazione effettiva, viene adottata la modalità di controllo della temperatura con inizio a 17 °C e fine a 19 °C. Utilizzandolo di notte (dalle 20:00 alle 8:00 del secondo giorno) per 8 ore, il consumo energetico per il riscaldamento di una singola fila di piante è di 1,24 kW·h e la temperatura media del sacco di substrato durante la notte è di 19,2 °C, ovvero 3,5 ~ 5,3 °C in più rispetto a quella del controllo. Questo metodo di riscaldamento, combinato con la generazione di energia fotovoltaica, risolve i problemi di elevato consumo energetico e di elevato inquinamento nel riscaldamento delle serre in inverno.

02 conversione e utilizzo fototermico

La conversione fototermica solare si riferisce all'utilizzo di una speciale superficie di raccolta della luce solare realizzata con materiali di conversione fototermica per raccogliere e assorbire la maggior quantità possibile di energia solare irradiata e convertirla in energia termica. Rispetto alle applicazioni solari fotovoltaiche, le applicazioni solari fototermiche aumentano l'assorbimento della banda del vicino infrarosso, quindi presentano una maggiore efficienza di utilizzo dell'energia solare, costi inferiori e una tecnologia avanzata, e rappresentano il metodo più ampiamente utilizzato per l'utilizzo dell'energia solare.

La tecnologia più matura di conversione e utilizzo fototermico in Cina è il collettore solare, il cui componente principale è il nucleo della piastra termoassorbente con rivestimento ad assorbimento selettivo, in grado di convertire l'energia della radiazione solare che passa attraverso la piastra di copertura in energia termica e trasmetterla al mezzo di lavoro termoassorbente. I collettori solari possono essere suddivisi in due categorie a seconda che vi sia o meno uno spazio vuoto al loro interno: collettori solari piani e collettori solari a tubi sottovuoto; collettori solari a concentrazione e collettori solari non a concentrazione, a seconda che la radiazione solare in corrispondenza della porta di illuminazione naturale cambi direzione; e collettori solari a liquido e collettori solari ad aria, a seconda del tipo di mezzo di lavoro utilizzato per lo scambio termico.

L'utilizzo dell'energia solare in serra avviene principalmente attraverso vari tipi di collettori solari. L'Università Ibn Zor in Marocco ha sviluppato un sistema di riscaldamento solare attivo (ASHS) per il riscaldamento delle serre, che può aumentare la produzione totale di pomodori del 55% in inverno. L'Università di Agraria Cinese ha progettato e sviluppato un sistema di raccolta e scarico con ventola di raffreddamento superficiale, con una capacità di raccolta del calore di 390,6-693,0 MJ, e ha proposto l'idea di separare il processo di raccolta del calore dal processo di accumulo tramite pompa di calore. L'Università di Bari in Italia ha sviluppato un sistema di riscaldamento poligenerativo per serre, composto da un impianto solare e una pompa di calore aria-acqua, in grado di aumentare la temperatura dell'aria del 3,6% e la temperatura del suolo del 92%. Il gruppo di ricerca ha sviluppato un tipo di dispositivo di raccolta del calore solare attivo con angolo di inclinazione variabile per serre solari e un dispositivo di accumulo di calore di supporto per il corpo idrico della serra indipendentemente dalle condizioni meteorologiche. La tecnologia di raccolta attiva del calore solare con inclinazione variabile supera i limiti delle tradizionali apparecchiature di raccolta del calore nelle serre, come la limitata capacità di raccolta del calore, l'ombreggiamento e l'occupazione di terreni coltivati. Grazie alla speciale struttura della serra solare, lo spazio non destinato alla coltivazione viene sfruttato appieno, migliorando notevolmente l'efficienza di utilizzo dello spazio della serra. In tipiche condizioni di soleggiamento, il sistema di raccolta attiva del calore solare con inclinazione variabile raggiunge 1,9 MJ/(m²h), l'efficienza di utilizzo dell'energia raggiunge l'85,1% e il tasso di risparmio energetico è del 77%. Nella tecnologia di accumulo termico delle serre, viene impostata la struttura di accumulo termico a variazione multifase, la capacità di accumulo del dispositivo di accumulo termico viene aumentata e viene realizzato un rilascio lento di calore dal dispositivo, in modo da ottenere un utilizzo efficiente del calore raccolto dalle apparecchiature di raccolta del calore solare nelle serre.

energia da biomassa

Una nuova struttura viene costruita combinando il dispositivo di produzione di calore a biomassa con la serra, e le materie prime di biomassa come letame di maiale, residui di funghi e paglia vengono compostate per produrre calore, e l'energia termica generata viene fornita direttamente alla serra [5]. Rispetto alla serra senza serbatoio di riscaldamento per la fermentazione della biomassa, la serra riscaldata può aumentare efficacemente la temperatura del terreno nella serra e mantenere la temperatura adeguata delle radici delle colture coltivate nel terreno nel clima normale in inverno. Prendendo come esempio una serra a isolamento termico asimmetrico a strato singolo con una campata di 17 m e una lunghezza di 30 m, l'aggiunta di 8 m di rifiuti agricoli (paglia di pomodoro e letame di maiale mescolati) nel serbatoio di fermentazione interno per la fermentazione naturale senza rivoltare il cumulo può aumentare la temperatura media giornaliera della serra di 4,2 °C in inverno, e la temperatura minima media giornaliera può raggiungere i 4,6 °C.

L'utilizzo energetico della fermentazione controllata dalla biomassa è un metodo di fermentazione che utilizza strumenti e attrezzature per controllare il processo di fermentazione al fine di ottenere rapidamente ed efficientemente l'energia termica della biomassa e il fertilizzante gassoso CO2. Tra questi, ventilazione e umidità sono i fattori chiave per regolare il calore di fermentazione e la produzione di gas della biomassa. In condizioni di ventilazione, i microrganismi aerobici nel cumulo di fermentazione utilizzano l'ossigeno per le loro attività vitali e parte dell'energia generata viene utilizzata per le proprie attività vitali, mentre un'altra parte viene rilasciata nell'ambiente sotto forma di energia termica, contribuendo all'aumento della temperatura ambientale. L'acqua partecipa all'intero processo di fermentazione, fornendo i nutrienti solubili necessari per le attività microbiche e rilasciando allo stesso tempo il calore del cumulo sotto forma di vapore acqueo, in modo da ridurre la temperatura del cumulo, prolungare la vita dei microrganismi e aumentare la temperatura complessiva del cumulo. L'installazione di un dispositivo di lisciviazione della paglia nel serbatoio di fermentazione può aumentare la temperatura interna di 3-5 °C in inverno, rafforzare la fotosintesi delle piante e aumentare la resa dei pomodori del 29,6%.

Energia geotermica

La Cina è ricca di risorse geotermiche. Attualmente, il modo più comune per le strutture agricole di utilizzare l'energia geotermica è l'utilizzo di pompe di calore geotermiche, che possono trasferire energia termica di bassa qualità a energia termica di alta qualità immettendo una piccola quantità di energia di alta qualità (come l'energia elettrica). A differenza dei tradizionali sistemi di riscaldamento delle serre, il riscaldamento con pompe di calore geotermiche non solo può ottenere un significativo effetto termico, ma è anche in grado di raffreddare la serra e ridurne l'umidità. La ricerca applicativa delle pompe di calore geotermiche nel campo dell'edilizia abitativa è matura. L'elemento fondamentale che influenza la capacità di riscaldamento e raffreddamento delle pompe di calore geotermiche è il modulo di scambio termico sotterraneo, che include principalmente tubazioni interrate, pozzi sotterranei, ecc. Come progettare un sistema di scambio termico sotterraneo con un costo ed un'efficacia bilanciati è sempre stato l'obiettivo della ricerca in questo ambito. Allo stesso tempo, la variazione della temperatura dello strato di terreno sotterraneo nell'applicazione delle pompe di calore geotermiche influisce anche sull'efficacia del sistema di pompa di calore. Utilizzando la pompa di calore geotermica per raffreddare la serra in estate e immagazzinare l'energia termica nello strato profondo del terreno, è possibile attenuare il calo di temperatura dello strato sotterraneo del terreno e migliorare l'efficienza di produzione di calore della pompa di calore geotermica in inverno.

Attualmente, nell'ambito della ricerca sulle prestazioni e l'efficienza delle pompe di calore geotermiche, attraverso dati sperimentali concreti, è stato sviluppato un modello numerico con software come TOUGH2 e TRNSYS, e si è concluso che le prestazioni di riscaldamento e il coefficiente di prestazione (COP) delle pompe di calore geotermiche possono raggiungere valori compresi tra 3,0 e 4,5, con un buon effetto di raffreddamento e riscaldamento. Nella ricerca sulla strategia operativa del sistema a pompa di calore, Fu Yunzhun e altri hanno scoperto che, rispetto al flusso lato carico, il flusso lato sorgente geotermica ha un impatto maggiore sulle prestazioni dell'unità e sulle prestazioni di trasferimento del calore del tubo interrato. In base alle condizioni di flusso, il valore COP massimo dell'unità può raggiungere 4,17 adottando uno schema operativo di 2 ore di funzionamento e 2 ore di arresto; Shi Huixian et al. hanno adottato una modalità di funzionamento intermittente per il sistema di raffreddamento ad accumulo d'acqua. In estate, quando la temperatura è elevata, il COP dell'intero sistema di fornitura energetica può raggiungere 3,80.

Tecnologia di accumulo del calore nel terreno profondo in serra

L'accumulo di calore nel terreno profondo in serra è anche chiamato "banca di accumulo termico". I danni causati dal freddo in inverno e le alte temperature in estate sono i principali ostacoli alla produzione in serra. Basandosi sull'elevata capacità di accumulo termico del terreno profondo, il gruppo di ricerca ha progettato un dispositivo di accumulo termico sotterraneo per serre. Il dispositivo è costituito da una tubazione di trasferimento del calore parallela a doppio strato interrata a una profondità di 1,5-2,5 m nella serra, con una presa d'aria nella parte superiore della serra e una presa d'aria a terra. Quando la temperatura nella serra è elevata, l'aria interna viene pompata forzatamente nel terreno da una ventola per realizzare l'accumulo di calore e la riduzione della temperatura. Quando la temperatura della serra è bassa, il calore viene estratto dal terreno per riscaldare la serra. I risultati di produzione e applicazione mostrano che il dispositivo può aumentare la temperatura della serra di 2,3 °C nelle notti invernali, ridurre la temperatura interna di 2,6 °C nelle giornate estive e aumentare la resa di pomodori di 1500 kg in 667 m.²Il dispositivo sfrutta appieno le caratteristiche di "caldo d'inverno e fresco d'estate" e di "temperatura costante" del terreno sotterraneo profondo, fornisce una "banca di accesso all'energia" per la serra e completa continuamente le funzioni ausiliarie di raffreddamento e riscaldamento della serra.

Coordinamento multi-energetico

L'utilizzo di due o più fonti di energia per riscaldare la serra può compensare efficacemente gli svantaggi di un'unica fonte energetica e sfruttare l'effetto di sovrapposizione "uno più uno fa più di due". La cooperazione complementare tra energia geotermica ed energia solare è un punto di riferimento per la ricerca di nuove fonti di energia nella produzione agricola negli ultimi anni. Emmi et. hanno studiato un sistema energetico multi-fonte (Figura 1), dotato di un collettore solare ibrido fotovoltaico-termico. Rispetto al comune sistema a pompa di calore aria-acqua, l'efficienza energetica del sistema multi-fonte è migliorata del 16%~25%. Zheng et. hanno sviluppato un nuovo tipo di sistema di accumulo termico accoppiato di energia solare e pompa di calore geotermica. Il sistema a collettore solare può realizzare un accumulo stagionale di calore di alta qualità, ovvero un riscaldamento di alta qualità in inverno e un raffrescamento di alta qualità in estate. Lo scambiatore di calore a tubi interrati e il serbatoio di accumulo termico intermittente possono funzionare bene nel sistema e il valore COP del sistema può raggiungere 6,96.

In combinazione con l'energia solare, mira a ridurre il consumo di energia commerciale e a migliorare la stabilità dell'approvvigionamento di energia solare nelle serre. Wan Ya et. hanno proposto un nuovo schema di tecnologia di controllo intelligente che combina la generazione di energia solare con l'energia commerciale per il riscaldamento delle serre, in grado di sfruttare l'energia fotovoltaica in presenza di luce e trasformarla in energia commerciale in assenza di luce, riducendo notevolmente il tasso di carenza di energia e i costi economici senza l'utilizzo di batterie.

L'energia solare, l'energia da biomassa e l'energia elettrica possono riscaldare congiuntamente le serre, raggiungendo anche un'elevata efficienza di riscaldamento. Zhang Liangrui e altri hanno combinato la raccolta di calore tramite tubi sottovuoto solari con un serbatoio di accumulo di calore elettrico a valle. Il sistema di riscaldamento della serra offre un buon comfort termico e l'efficienza di riscaldamento media del sistema è del 68,70%. Il serbatoio di accumulo di calore elettrico è un dispositivo di accumulo di acqua per il riscaldamento a biomassa con riscaldamento elettrico. Viene impostata la temperatura minima dell'acqua in ingresso all'estremità di riscaldamento e la strategia di funzionamento del sistema viene determinata in base alla temperatura di accumulo dell'acqua della parte di raccolta del calore solare e della parte di accumulo di calore a biomassa, in modo da raggiungere una temperatura di riscaldamento stabile all'estremità di riscaldamento e risparmiare il massimo di energia elettrica e di materiali energetici da biomassa.

Ricerca innovativa e applicazione di nuovi materiali per serre

Con l'espansione delle superfici delle serre, gli svantaggi applicativi dei materiali tradizionali, come mattoni e terra, sono sempre più evidenti. Pertanto, al fine di migliorare ulteriormente le prestazioni termiche delle serre e soddisfare le esigenze di sviluppo delle serre moderne, sono in corso numerose ricerche e applicazioni di nuovi materiali di copertura trasparenti, materiali termoisolanti e materiali per pareti.

Ricerca e applicazione di nuovi materiali di rivestimento trasparenti

I tipi di materiali di copertura trasparenti per serre includono principalmente pellicole di plastica, vetro, pannelli solari e pannelli fotovoltaici, tra cui la pellicola di plastica ha il più ampio campo di applicazione. La tradizionale pellicola in PE per serre presenta i difetti di breve durata, non degradabilità e monofunzionalità. Attualmente, sono state sviluppate diverse nuove pellicole funzionali aggiungendo reagenti o rivestimenti funzionali.

Pellicola di conversione della luce:Il film di conversione della luce modifica le proprietà ottiche del film utilizzando agenti di conversione della luce come terre rare e nanomateriali, e può convertire la regione della luce ultravioletta in luce rosso-arancio e luce blu-violetta, necessaria per la fotosintesi delle piante, aumentando così la resa delle colture e riducendo i danni della luce ultravioletta alle colture e ai teli per serre in plastica. Ad esempio, il film per serre a banda larga viola-rosso con agente di conversione della luce VTR-660 può migliorare significativamente la trasmittanza infrarossa quando applicato in serra e, rispetto alla serra di controllo, la resa di pomodori per ettaro, il contenuto di vitamina C e licopene sono aumentati significativamente rispettivamente del 25,71%, dell'11,11% e del 33,04%. Tuttavia, al momento, la durata, la degradabilità e il costo del nuovo film di conversione della luce devono ancora essere studiati.

Vetro sparso: Il vetro diffuso nelle serre è un modello speciale e una tecnologia antiriflesso sulla superficie del vetro, che può massimizzare la luce solare in luce diffusa e penetrare nella serra, migliorando l'efficienza della fotosintesi delle colture e aumentandone la resa. Il vetro diffuso trasforma la luce che entra nella serra in luce diffusa attraverso speciali modelli, e la luce diffusa può essere irradiata in modo più uniforme nella serra, eliminando l'effetto ombra della struttura sulla serra. Rispetto al vetro float ordinario e al vetro float ultrabianco, lo standard di trasmissione luminosa del vetro diffuso è del 91,5% e quello del vetro float ordinario è dell'88%. Per ogni aumento dell'1% della trasmissione luminosa all'interno della serra, la resa può essere aumentata di circa il 3% e lo zucchero solubile e la vitamina C in frutta e verdura sono aumentati. Il vetro diffuso nelle serre viene prima rivestito e poi temperato, e il tasso di autoesplosione è superiore allo standard nazionale, raggiungendo il 2‰.

Ricerca e applicazione di nuovi materiali isolanti termici

I materiali tradizionali per l'isolamento termico nelle serre includono principalmente stuoie di paglia, trapunte di carta, trapunte di feltro agugliato, ecc., che vengono utilizzati principalmente per l'isolamento termico interno ed esterno di tetti, l'isolamento delle pareti e l'isolamento termico di alcuni dispositivi di accumulo e raccolta del calore. La maggior parte di essi presenta il difetto di perdere le prestazioni di isolamento termico a causa dell'umidità interna dopo un utilizzo prolungato. Pertanto, sono numerose le applicazioni dei nuovi materiali ad alto isolamento termico, tra cui le nuove trapunte di isolamento termico e i dispositivi di accumulo e raccolta del calore sono al centro della ricerca.

I nuovi materiali isolanti termici sono solitamente realizzati elaborando e combinando materiali superficiali impermeabili e resistenti all'invecchiamento, come pellicole intrecciate e feltro rivestito, con materiali isolanti soffici come cotone spruzzato, cashmere misto e cotone perlato. Una trapunta isolante termica in cotone spruzzato con pellicole intrecciate è stata testata nel nord-est della Cina. Si è scoperto che l'aggiunta di 500 g di cotone spruzzato equivaleva alle prestazioni di isolamento termico di una trapunta isolante termica in feltro nero da 4500 g disponibile sul mercato. Nelle stesse condizioni, le prestazioni di isolamento termico di 700 g di cotone spruzzato sono migliorate di 1~2 °C rispetto a quelle di una trapunta isolante termica in cotone spruzzato da 500 g. Allo stesso tempo, altri studi hanno rilevato che, rispetto alle trapunte isolanti termiche comunemente utilizzate sul mercato, l'effetto di isolamento termico delle trapunte isolanti termiche in cotone spruzzato e cashmere misto è migliore, con tassi di isolamento termico rispettivamente dell'84,0% e dell'83,3%. Quando la temperatura esterna più fredda è di -24,4 °C, la temperatura interna può raggiungere rispettivamente 5,4 e 4,2 °C. Rispetto alla trapunta isolante in paglia singola, la nuova trapunta isolante composita presenta i vantaggi di leggerezza, elevato potere isolante, elevata impermeabilità e resistenza all'invecchiamento, e può essere utilizzata come un nuovo tipo di materiale isolante ad alta efficienza per le serre solari.

Allo stesso tempo, secondo la ricerca sui materiali isolanti termici per dispositivi di raccolta e accumulo del calore nelle serre, si è anche scoperto che, a parità di spessore, i materiali isolanti termici compositi multistrato offrono prestazioni di isolamento termico migliori rispetto ai materiali singoli. Il team del Professor Li Jianming della Northwest A&F University ha progettato e analizzato 22 tipi di materiali isolanti termici per dispositivi di accumulo dell'acqua nelle serre, come pannelli sottovuoto, aerogel e cotone di gomma, e ne ha misurato le proprietà termiche. I risultati hanno mostrato che un materiale isolante composito con rivestimento isolante termico da 80 mm + aerogel + cotone isolante termico in gomma-plastica poteva ridurre la dissipazione del calore di 0,367 MJ per unità di tempo rispetto a un cotone in gomma-plastica da 80 mm, e il suo coefficiente di trasferimento termico era di 0,283 W/(m²·k) con uno spessore della combinazione isolante di 100 mm.

I materiali a cambiamento di fase sono uno dei punti caldi nella ricerca sui materiali per serre. La Northwest A&F University ha sviluppato due tipi di dispositivi di accumulo di materiali a cambiamento di fase: uno è una scatola di stoccaggio in polietilene nero, che ha dimensioni di 50 cm × 30 cm × 14 cm (lunghezza × altezza × spessore) ed è riempita con materiali a cambiamento di fase, in modo da poter immagazzinare calore e rilasciarlo; in secondo luogo, è stato sviluppato un nuovo tipo di pannello murale a cambiamento di fase. Il pannello murale a cambiamento di fase è costituito da materiale a cambiamento di fase, piastra di alluminio, piastra di alluminio-plastica e lega di alluminio. Il materiale a cambiamento di fase si trova nella posizione più centrale del pannello murale e le sue specifiche sono 200 mm × 200 mm × 50 mm. Si presenta come un solido polveroso prima e dopo il cambiamento di fase e non presenta fenomeni di fusione o scorrimento. Le quattro pareti del materiale a cambiamento di fase sono rispettivamente una piastra di alluminio e una piastra di alluminio-plastica. Questo dispositivo può svolgere le funzioni di immagazzinare calore principalmente durante il giorno e rilasciarlo principalmente di notte.

Pertanto, l'applicazione di un singolo materiale isolante termico presenta alcuni problemi, come la bassa efficienza di isolamento termico, l'elevata perdita di calore, il breve tempo di accumulo del calore, ecc. Pertanto, l'utilizzo di un materiale isolante termico composito come strato isolante termico e strato di copertura isolante termico interno ed esterno del dispositivo di accumulo del calore può migliorare efficacemente le prestazioni di isolamento termico della serra, ridurre la perdita di calore della serra e quindi ottenere l'effetto di risparmio energetico.

Ricerca e applicazione di nuovi muri

Come struttura di recinzione, il muro rappresenta un'importante barriera per la protezione dal freddo e la conservazione del calore della serra. In base ai materiali e alle strutture delle pareti, la parete nord della serra può essere suddivisa in tre tipologie: la parete monostrato in terra, mattoni, ecc., e la parete nord a strati in mattoni di argilla, blocchi di mattoni, pannelli di polistirolo, ecc., con accumulo di calore interno e isolamento termico esterno. La maggior parte di queste pareti richiede molto tempo e manodopera; pertanto, negli ultimi anni sono comparsi molti nuovi tipi di pareti, facili da costruire e adatte a un rapido montaggio.

L'emergere di nuove tipologie di pareti assemblate promuove il rapido sviluppo di serre assemblate, comprese le nuove tipologie di pareti composite con materiali di superficie esterni impermeabili e anti-invecchiamento e materiali come feltro, cotone perlato, cotone spaziale, cotone di vetro o cotone riciclato come strati di isolamento termico, come le pareti assemblate flessibili in cotone spruzzato nello Xinjiang. Inoltre, altri studi hanno riportato la parete settentrionale di una serra assemblata con strato di accumulo termico, come blocchi di malta di gusci di grano riempiti di mattoni nello Xinjiang. Nello stesso ambiente esterno, quando la temperatura esterna minima è di -20,8 °C, la temperatura nella serra solare con parete composita di blocchi di malta di gusci di grano è di 7,5 °C, mentre la temperatura nella serra solare con parete in mattoni e cemento è di 3,2 °C. Il periodo di raccolta dei pomodori nella serra in mattoni può essere anticipato di 16 giorni e la resa di una serra singola può essere aumentata del 18,4%.

Il team della Northwest A&F University ha proposto l'idea progettuale di trasformare paglia, terra, acqua, pietra e materiali a cambiamento di fase in moduli di isolamento termico e accumulo di calore, partendo dalla luce e da una progettazione semplificata delle pareti, che ha promosso la ricerca applicativa di pareti modulari assemblate. Ad esempio, rispetto a una normale serra con pareti in mattoni, la temperatura media nella serra è di 4,0 °C più alta in una tipica giornata di sole. Tre tipi di moduli in cemento a cambiamento di fase inorganico, realizzati con materiale a cambiamento di fase (PCM) e cemento, hanno accumulato calore pari a 74,5, 88,0 e 95,1 MJ/m³e ha rilasciato calore pari a 59,8, 67,8 e 84,2 MJ/m³, rispettivamente. Hanno le funzioni di "taglio dei picchi" durante il giorno, "riempimento delle valli" durante la notte, assorbimento del calore in estate e rilascio di calore in inverno.

Queste nuove pareti vengono assemblate in loco, con tempi di costruzione brevi e una lunga durata utile, creando le condizioni per la costruzione di serre prefabbricate leggere, semplificate e di rapido assemblaggio, e possono promuovere notevolmente la riforma strutturale delle serre. Tuttavia, questo tipo di parete presenta alcuni difetti, come ad esempio il rivestimento isolante termico in cotone a spruzzo, che ha eccellenti prestazioni di isolamento termico, ma manca di capacità di accumulo termico, e il materiale da costruzione a cambiamento di fase presenta il problema di costi di utilizzo elevati. In futuro, la ricerca applicativa sulle pareti assemblate dovrebbe essere rafforzata.

Nuova energia, nuovi materiali e nuovi design contribuiscono a cambiare la struttura della serra.

La ricerca e l'innovazione di nuove energie e nuovi materiali costituiscono la base per l'innovazione nella progettazione delle serre. Le serre solari a risparmio energetico e le serre ad arco sono le strutture a capannone più grandi nella produzione agricola cinese e svolgono un ruolo importante nella produzione agricola. Tuttavia, con lo sviluppo dell'economia sociale cinese, le carenze di entrambi i tipi di strutture sono sempre più evidenti. In primo luogo, lo spazio delle strutture è ridotto e il grado di meccanizzazione è basso; in secondo luogo, le serre solari a risparmio energetico hanno un buon isolamento termico, ma il consumo di suolo è basso, il che equivale a sostituire l'energia della serra con il terreno. Le serre ad arco tradizionali non solo hanno uno spazio ridotto, ma hanno anche uno scarso isolamento termico. Sebbene le serre a più campate abbiano ampi spazi, presentano uno scarso isolamento termico e un elevato consumo energetico. Pertanto, è fondamentale ricercare e sviluppare una struttura per serre adatta all'attuale livello sociale ed economico della Cina, e la ricerca e lo sviluppo di nuove energie e nuovi materiali contribuiranno a cambiare la struttura delle serre e a produrre una varietà di modelli o strutture di serre innovative.

Ricerca innovativa su una serra per la produzione di birra asimmetrica a grande campata e controllata dall'acqua

La serra asimmetrica per la produzione di birra a grande campata con controllo dell'acqua (numero di brevetto: ZL 201220391214.2) si basa sul principio della serra solare, modificando la struttura simmetrica delle normali serre in plastica, aumentando la campata a sud, aumentando l'area di illuminazione del tetto a sud, riducendo la campata a nord e riducendo l'area di dissipazione del calore, con una campata di 18~24 m e un'altezza del colmo di 6~7 m. Grazie all'innovazione progettuale, la struttura spaziale è stata notevolmente ampliata. Allo stesso tempo, i problemi di calore insufficiente nella serra in inverno e di scarso isolamento termico dei comuni materiali isolanti vengono risolti utilizzando nuove tecnologie di riscaldamento e materiali isolanti termici per la produzione di birra a biomassa. I risultati della produzione e della ricerca dimostrano che la serra per la produzione di birra asimmetrica ad ampia campata con controllo dell'acqua, con una temperatura media di 11,7 °C nelle giornate soleggiate e di 10,8 °C in quelle nuvolose, può soddisfare la domanda di crescita delle colture in inverno, e il costo di costruzione della serra è ridotto del 39,6% e il tasso di utilizzo del terreno è aumentato di oltre il 30% rispetto a quello della serra con parete in mattoni di polistirene, che è adatta per un'ulteriore diffusione e applicazione nel bacino del fiume Huaihe Giallo in Cina.

Serra solare assemblata

La serra solare assemblata utilizza colonne e scheletro del tetto come struttura portante, e il materiale delle sue pareti è principalmente un involucro isolante termico, anziché un sistema di accumulo e rilascio passivo del calore. Principalmente: (1) un nuovo tipo di parete assemblata è formato combinando vari materiali come pellicola rivestita o lamiera d'acciaio colorata, blocchi di paglia, trapunta isolante termica flessibile, blocchi di malta, ecc. (2) pannello composito per parete realizzato con pannelli prefabbricati in cemento-pannelli in polistirene-pannelli in cemento; (3) un tipo di assemblaggio leggero e semplice di materiali isolanti termici con sistema di accumulo e rilascio attivo del calore e sistema di deumidificazione, come l'accumulo di calore a secchio quadrato in plastica e l'accumulo di calore tramite tubature. L'utilizzo di diversi nuovi materiali isolanti e materiali per l'accumulo di calore al posto del tradizionale muro di terra per costruire una serra solare richiede molto spazio e richiede piccole opere di ingegneria civile. I risultati sperimentali mostrano che la temperatura notturna della serra in inverno è di 4,5 °C superiore a quella della tradizionale serra con pareti in mattoni e lo spessore della parete posteriore è di 166 mm. Rispetto alla serra con parete in mattoni spessa 600 mm, l'area occupata dalla parete è ridotta del 72% e il costo al metro quadro è di 334,5 yuan, ovvero 157,2 yuan in meno rispetto alla serra con parete in mattoni, con un conseguente calo significativo dei costi di costruzione. Pertanto, la serra assemblata presenta i vantaggi di una minore distruzione di terreni coltivati, di un risparmio di suolo, di una rapida costruzione e di una lunga durata, rappresentando una direzione chiave per l'innovazione e lo sviluppo delle serre solari, oggi e in futuro.

Serra scorrevole con luce solare

La serra solare a risparmio energetico assemblata con uno skateboard, sviluppata dall'Università agricola di Shenyang, utilizza la parete posteriore della serra solare per formare un sistema di accumulo di calore a parete con circolazione dell'acqua per immagazzinare calore e aumentare la temperatura, che è composto principalmente da una piscina (32 m³), una piastra di raccolta della luce (360 m²), una pompa dell'acqua, un tubo dell'acqua e un controller. Il flessibile strato isolante termico è sostituito da un nuovo materiale leggero in lamiera d'acciaio colorata in lana di roccia nella parte superiore. La ricerca dimostra che questo design risolve efficacemente il problema dei frontoni che bloccano la luce e aumenta l'area di ingresso della luce nella serra. L'angolo di illuminazione della serra è di 41,5°, quasi 16° superiore a quello della serra di controllo, migliorando così il tasso di illuminazione. La distribuzione della temperatura interna è uniforme e le piante crescono in modo ordinato. La serra presenta i vantaggi di migliorare l'efficienza dell'uso del suolo, progettare in modo flessibile le dimensioni della serra e ridurre i tempi di costruzione, il che è di grande importanza per la protezione delle risorse dei terreni coltivati ​​e dell'ambiente.

Serra fotovoltaica

La serra agricola è una serra che integra la produzione di energia solare fotovoltaica, il controllo intelligente della temperatura e moderne tecniche di coltivazione ad alta tecnologia. Adotta una struttura in acciaio ed è rivestita con moduli solari fotovoltaici per garantire il fabbisogno di illuminazione dei moduli di generazione di energia fotovoltaica e dell'intera serra. La corrente continua generata dall'energia solare integra direttamente la luce delle serre agricole, supporta direttamente il normale funzionamento delle attrezzature della serra, alimenta l'irrigazione delle risorse idriche, aumenta la temperatura della serra e favorisce la rapida crescita delle colture. In questo modo, i moduli fotovoltaici influiscono sull'efficienza luminosa del tetto della serra e, di conseguenza, sulla normale crescita degli ortaggi in serra. Pertanto, la disposizione razionale dei pannelli fotovoltaici sul tetto della serra diventa il punto chiave dell'applicazione. La serra agricola è il prodotto della combinazione organica di agricoltura turistica e giardinaggio, ed è un'industria agricola innovativa che integra la produzione di energia fotovoltaica, la visita turistica agricola, le colture agricole, la tecnologia agricola, lo sviluppo paesaggistico e culturale.

Progettazione innovativa di un gruppo di serre con interazione energetica tra diversi tipi di serre

Guo Wenzhong, ricercatore presso l'Accademia di Scienze Agrarie e Forestali di Pechino, utilizza il metodo di riscaldamento basato sul trasferimento di energia tra serre per raccogliere l'energia termica rimanente in una o più serre e riscaldarne un'altra o più. Questo metodo di riscaldamento realizza il trasferimento di energia della serra nel tempo e nello spazio, migliora l'efficienza energetica dell'energia termica rimanente della serra e riduce il consumo totale di energia per il riscaldamento. I due tipi di serre possono essere serre diverse o la stessa tipologia di serra per la coltivazione di diverse colture, come serre per lattuga e pomodori. I metodi di raccolta del calore includono principalmente l'estrazione del calore dall'aria interna e l'intercettazione diretta della radiazione incidente. Attraverso la raccolta di energia solare, la convezione forzata tramite scambiatore di calore e l'estrazione forzata tramite pompa di calore, il calore in eccesso nella serra ad alto consumo energetico viene estratto per il riscaldamento della serra.

riassumere

Queste nuove serre solari presentano i vantaggi di un montaggio rapido, tempi di costruzione ridotti e un migliore utilizzo del suolo. Pertanto, è necessario approfondire le prestazioni di queste nuove serre in diverse aree e offrire la possibilità di una loro diffusione e applicazione su larga scala. Allo stesso tempo, è necessario rafforzare costantemente l'impiego di nuove energie e nuovi materiali nelle serre, al fine di fornire energia per la riforma strutturale del settore.

Prospettive e pensieri futuri

Le serre tradizionali presentano spesso alcuni svantaggi, come l'elevato consumo energetico, il basso tasso di utilizzo del suolo, il dispendio di tempo e manodopera, le scarse prestazioni, ecc., che non sono più in grado di soddisfare le esigenze produttive dell'agricoltura moderna e sono destinati a essere gradualmente eliminati. Pertanto, una tendenza in crescita è quella di utilizzare nuove fonti energetiche come l'energia solare, l'energia da biomassa, l'energia geotermica e l'energia eolica, nuovi materiali per l'applicazione in serra e nuovi design per promuovere il cambiamento strutturale delle serre. Innanzitutto, le nuove serre alimentate da nuove energie e nuovi materiali non dovrebbero solo soddisfare le esigenze di un funzionamento meccanizzato, ma anche risparmiare energia, suolo e costi. In secondo luogo, è necessario valutare costantemente le prestazioni delle nuove serre in diverse aree, in modo da creare le condizioni per una diffusione su larga scala delle serre. In futuro, dovremmo continuare a ricercare nuove energie e nuovi materiali adatti all'applicazione in serra e trovare la migliore combinazione di nuove energie, nuovi materiali e serra, in modo da rendere possibile la costruzione di una nuova serra a basso costo, con tempi di costruzione brevi, basso consumo energetico e prestazioni eccellenti, aiutare a cambiare la struttura della serra e promuovere lo sviluppo della modernizzazione delle serre in Cina.

Sebbene l'applicazione di nuove energie, nuovi materiali e nuovi design nella costruzione di serre sia una tendenza inevitabile, ci sono ancora molti problemi da studiare e superare: (1) Aumento dei costi di costruzione. Rispetto al riscaldamento tradizionale a carbone, gas naturale o petrolio, l'applicazione di nuove energie e nuovi materiali è ecologica e non inquinante, ma i costi di costruzione aumentano significativamente, il che ha un certo impatto sul recupero degli investimenti di produzione e funzionamento. Rispetto all'utilizzo di energia, il costo dei nuovi materiali aumenterà significativamente. (2) Utilizzo instabile dell'energia termica. Il principale vantaggio dell'utilizzo di nuove energie è il basso costo operativo e le basse emissioni di anidride carbonica, ma l'approvvigionamento di energia e calore è instabile e le giornate nuvolose diventano il principale fattore limitante nell'utilizzo dell'energia solare. Nel processo di produzione di calore da biomassa mediante fermentazione, l'utilizzo efficace di questa energia è limitato dai problemi di bassa energia termica di fermentazione, dalla difficoltà di gestione e controllo e dall'ampio spazio di stoccaggio per il trasporto delle materie prime. (3) Maturità tecnologica. Queste tecnologie utilizzate da nuove energie e nuovi materiali rappresentano risultati avanzati di ricerca e tecnologia, e il loro campo di applicazione e la loro portata sono ancora piuttosto limitati. Non hanno superato molte verifiche, molti siti e pratiche su larga scala, e inevitabilmente presentano alcune carenze e contenuti tecnici che devono essere migliorati nell'applicazione. Gli utenti spesso negano il progresso tecnologico a causa di piccole carenze. (4) Il tasso di penetrazione della tecnologia è basso. L'ampia applicazione di un risultato scientifico e tecnologico richiede una certa popolarità. Attualmente, le nuove energie, le nuove tecnologie e le nuove tecnologie di progettazione delle serre sono tutte disponibili nei centri di ricerca scientifica delle università con una certa capacità di innovazione, e la maggior parte dei tecnici o dei progettisti non le conoscono ancora; Allo stesso tempo, la divulgazione e l'applicazione delle nuove tecnologie sono ancora piuttosto limitate perché le apparecchiature principali delle nuove tecnologie sono brevettate. (5) L'integrazione di nuove energie, nuovi materiali e progettazione delle strutture delle serre deve essere ulteriormente rafforzata. Poiché energia, materiali e progettazione delle strutture delle serre appartengono a tre discipline diverse, i talenti con esperienza nella progettazione di serre spesso non hanno competenze di ricerca sull'energia e sui materiali correlati alle serre, e viceversa; Pertanto, i ricercatori impegnati nella ricerca energetica e sui materiali devono rafforzare l'indagine e la comprensione delle reali esigenze di sviluppo dell'industria serricola, e i progettisti strutturali dovrebbero anche studiare nuovi materiali e nuove energie per promuovere una profonda integrazione delle tre relazioni, al fine di raggiungere l'obiettivo di una tecnologia di ricerca pratica sulle serre, bassi costi di costruzione e un buon effetto d'uso. Sulla base delle problematiche sopra menzionate, si suggerisce che lo Stato, le amministrazioni locali e i centri di ricerca scientifica intensifichino la ricerca tecnica, svolgano ricerche congiunte approfondite, rafforzino la pubblicità dei risultati scientifici e tecnologici, migliorino la divulgazione dei risultati e realizzino rapidamente l'obiettivo di nuove energie e nuovi materiali per favorire il nuovo sviluppo dell'industria serricola.

Informazioni citate

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nuova energia, nuovi materiali e nuovo design contribuiscono alla nuova rivoluzione delle serre [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.