Tecnologia di ingegneria agricola orticola in serra 2022-12-02 17:30 pubblicato a Pechino

Lo sviluppo di serre solari in aree non coltivate come il deserto, il Gobi e le terre sabbiose ha risolto efficacemente la contraddizione tra cibo e ortaggi in competizione per il territorio. È uno dei fattori ambientali decisivi per la crescita e lo sviluppo delle colture a temperatura ambiente, che spesso determina il successo o il fallimento della produzione agricola in serra. Pertanto, per sviluppare serre solari in aree non coltivate, dobbiamo prima risolvere il problema della temperatura ambientale delle serre. In questo articolo, vengono riassunti i metodi di controllo della temperatura utilizzati nelle serre su terreni non coltivati ​​negli ultimi anni, e vengono analizzati e riassunti i problemi esistenti e la direzione di sviluppo della protezione della temperatura e dell'ambiente nelle serre solari su terreni non coltivati.

La Cina ha una popolazione numerosa e minori risorse territoriali disponibili. Oltre l'85% delle risorse territoriali è costituito da terreni non coltivati, concentrati principalmente nella Cina nord-occidentale. Il documento n. 1 del Comitato Centrale del 2022 ha sottolineato la necessità di accelerare lo sviluppo dell'agricoltura integrata e, sulla base della tutela dell'ambiente ecologico, di esplorare i terreni liberi e incolti sfruttabili per sviluppare l'agricoltura integrata. La Cina nord-occidentale è ricca di deserti, Gobi, terreni incolti e altre risorse territoriali non coltivate, nonché di luce naturale e calore, che sono adatti allo sviluppo dell'agricoltura integrata. Pertanto, lo sviluppo e l'utilizzo di terreni non coltivati ​​per la realizzazione di serre su terreni non coltivati ​​è di grande importanza strategica per garantire la sicurezza alimentare nazionale e alleviare i conflitti sull'uso del suolo.

Attualmente, le serre solari non coltivate rappresentano la principale forma di sviluppo agricolo ad alta efficienza in terreni non coltivati. Nella Cina nord-occidentale, l'escursione termica tra il giorno e la notte è elevata e la temperatura notturna invernale è bassa, il che spesso determina il fenomeno di una temperatura minima interna inferiore a quella necessaria per la normale crescita e sviluppo delle colture. La temperatura è uno dei fattori ambientali indispensabili per la crescita e lo sviluppo delle colture. Una temperatura troppo bassa rallenta le reazioni fisiologiche e biochimiche delle colture, rallentandone la crescita e lo sviluppo. Quando la temperatura è inferiore al limite tollerabile dalle colture, può persino causare danni da gelo. Pertanto, è particolarmente importante garantire la temperatura necessaria per la normale crescita e lo sviluppo delle colture. Mantenere la temperatura adeguata in una serra solare non è un'unica soluzione. È necessario garantire tale temperatura a livello di progettazione, costruzione, selezione dei materiali, regolazione e gestione quotidiana della serra. Pertanto, questo articolo riassumerà lo stato della ricerca e i progressi nel controllo della temperatura delle serre non coltivate in Cina negli ultimi anni, per quanto riguarda gli aspetti della progettazione e costruzione delle serre, delle misure di conservazione e riscaldamento del calore e della gestione ambientale, in modo da fornire un riferimento sistematico per la progettazione e la gestione razionale delle serre non coltivate.

Struttura e materiali della serra

L'ambiente termico della serra dipende principalmente dalla capacità di trasmissione, intercettazione e stoccaggio della serra alla radiazione solare, che è correlata alla progettazione ragionevole dell'orientamento della serra, alla forma e al materiale della superficie di trasmissione della luce, alla struttura e al materiale delle pareti e del tetto posteriore, all'isolamento delle fondamenta, alle dimensioni della serra, alla modalità di isolamento notturno e al materiale del tetto anteriore, ecc., e si riferisce anche al fatto che la costruzione e il processo di costruzione della serra possano garantire l'effettiva realizzazione dei requisiti di progettazione.

Capacità di trasmissione della luce del tetto anteriore

L'energia principale nella serra proviene dal sole. Aumentare la capacità di trasmissione della luce del tetto frontale è utile per la serra, che riceve più calore, ed è anche un elemento fondamentale per garantire la temperatura ambiente della serra in inverno. Attualmente, esistono tre metodi principali per aumentare la capacità di trasmissione della luce e il tempo di ricezione della luce del tetto frontale della serra.

01 progettare un orientamento e un azimut ragionevoli della serra

L'orientamento della serra influisce sulle prestazioni di illuminazione e sulla capacità di accumulo termico della serra. Pertanto, per ottenere un maggiore accumulo termico in serra, l'orientamento delle serre non coltivate nella Cina nord-occidentale è rivolto verso sud. Per quanto riguarda l'azimut specifico della serra, scegliendo l'orientamento da sud a est, è vantaggioso "catturare il sole" e la temperatura interna aumenta rapidamente al mattino; scegliendo l'orientamento da sud a ovest, è vantaggioso per la serra sfruttare la luce pomeridiana. L'orientamento a sud è un compromesso tra le due situazioni precedenti. Secondo le conoscenze geofisiche, la Terra ruota di 360° in un giorno e l'azimut del sole si sposta di circa 1° ogni 4 minuti. Pertanto, ogni volta che l'azimut della serra varia di 1°, il tempo di luce solare diretta differirà di circa 4 minuti, ovvero l'azimut della serra influenza il momento in cui la serra è illuminata al mattino e alla sera.

Quando le ore di luce del mattino e del pomeriggio sono uguali e l'angolo est o ovest è lo stesso, la serra riceverà le stesse ore di luce. Tuttavia, per l'area a nord di 37° di latitudine nord, la temperatura è bassa al mattino e il momento di scoprire la trapunta è tardivo, mentre la temperatura è relativamente alta nel pomeriggio e nella sera, quindi è opportuno ritardare il momento di chiudere la trapunta isolante. Pertanto, queste aree dovrebbero scegliere un orientamento da sud a ovest e sfruttare appieno la luce pomeridiana. Per le aree con 30°~35° di latitudine nord, grazie alle migliori condizioni di illuminazione al mattino, il momento di preservare il calore e di scoprire la trapunta può anche essere anticipato. Pertanto, queste aree dovrebbero scegliere la direzione sud-est per ottenere una maggiore radiazione solare mattutina per la serra. Tuttavia, nell'area compresa tra 35°~37° di latitudine nord, la differenza di radiazione solare al mattino e al pomeriggio è minima, quindi è meglio scegliere una direzione sud. Che sia orientato a sud-est o a sud-ovest, l'angolo di deviazione è generalmente compreso tra 5° e 8°, e il massimo non deve superare i 10°. La Cina nord-occidentale si trova a una latitudine nord compresa tra 37° e 50°, quindi l'angolo azimutale della serra è generalmente da sud a ovest. In considerazione di ciò, la serra solare progettata da Zhang Jingshe ecc. nell'area di Taiyuan ha scelto un orientamento di 5° a ovest rispetto al sud, la serra solare costruita da Chang Meimei ecc. nell'area del Gobi del Corridoio di Hexi ha adottato un orientamento compreso tra 5° e 10° a ovest rispetto al sud, e la serra solare costruita da Ma Zhigui ecc. nello Xinjiang settentrionale ha adottato un orientamento di 8° a ovest rispetto al sud.

02 Progettare una forma ragionevole del tetto anteriore e un angolo di inclinazione

La forma e l'inclinazione del tetto anteriore determinano l'angolo di incidenza dei raggi solari. Minore è l'angolo di incidenza, maggiore è la trasmittanza. Sun Juren ritiene che la forma del tetto anteriore sia determinata principalmente dal rapporto tra la lunghezza della superficie di illuminazione principale e la pendenza posteriore. Una pendenza anteriore lunga e una pendenza posteriore corta sono vantaggiose per l'illuminazione e la conservazione del calore del tetto anteriore. Chen Wei-Qian e altri ritengono che il tetto di illuminazione principale della serra solare utilizzata nell'area del Gobi adotti un arco circolare con un raggio di 4,5 m, in grado di resistere efficacemente al freddo. Zhang Jingshe, ecc. ritengono che sia più appropriato utilizzare un arco semicircolare sul tetto anteriore della serra nelle aree alpine e ad alta latitudine. Per quanto riguarda l'angolo di inclinazione del tetto anteriore, in base alle caratteristiche di trasmissione della luce del film plastico, quando l'angolo di incidenza è compreso tra 0 e 40°, la riflettività del tetto anteriore alla luce solare è ridotta, mentre quando supera i 40°, la riflettività aumenta significativamente. Pertanto, per calcolare l'angolo di inclinazione del tetto frontale, si considera un angolo di incidenza massimo di 40°, in modo che anche durante il solstizio d'inverno la radiazione solare possa penetrare nella serra nella massima misura. Pertanto, durante la progettazione di una serra solare adatta alle aree non coltivate di Wuhai, nella Mongolia Interna, He Bin e altri hanno calcolato l'angolo di inclinazione del tetto frontale con un angolo di incidenza di 40°, ritenendo che, purché superiore a 30°, avrebbe potuto soddisfare i requisiti di illuminazione e conservazione del calore della serra. Zhang Caihong e altri ritengono che, quando si costruiscono serre nelle aree non coltivate dello Xinjiang, l'angolo di inclinazione del tetto frontale delle serre nello Xinjiang meridionale sia di 31°, mentre quello nello Xinjiang settentrionale sia di 32°~33,5°.

03 Scegliere materiali di copertura trasparenti adatti.

Oltre all'influenza delle condizioni di radiazione solare esterna, anche il materiale e le caratteristiche di trasmissione della luce del telo per serre sono fattori importanti che influenzano l'ambiente luminoso e termico della serra. Attualmente, la trasmissione luminosa dei teli plastici come PE, PVC, EVA e PO varia a seconda dei materiali e degli spessori del telo. In generale, la trasmissione luminosa dei teli utilizzati per 1-3 anni può essere garantita superiore all'88%, il che dovrebbe essere selezionato in base alle esigenze di luce e temperatura delle colture. Inoltre, oltre alla trasmissione luminosa in serra, anche la distribuzione della luce in serra è un fattore a cui si presta sempre più attenzione. Pertanto, negli ultimi anni, il materiale di copertura con trasmissione luminosa e diffusione migliorata ha ricevuto un'ampia approvazione dal settore, soprattutto nelle aree con forte radiazione solare nella Cina nord-occidentale. L'applicazione di una pellicola di luce diffusa migliorata ha ridotto l'effetto di ombreggiamento sulla parte superiore e inferiore della chioma della coltura, ha aumentato la luce nelle parti centrali e inferiori della chioma della coltura, ha migliorato le caratteristiche fotosintetiche dell'intera coltura e ha mostrato un buon effetto nel promuovere la crescita e aumentare la produzione.

Progettazione ragionevole delle dimensioni della serra

La lunghezza della serra è troppo lunga o troppo corta, il che influirà sul controllo della temperatura interna. Quando la lunghezza della serra è troppo corta, prima dell'alba e del tramonto, l'area ombreggiata dai frontoni est e ovest è ampia, il che non favorisce il riscaldamento della serra e, a causa del suo piccolo volume, influirà sull'assorbimento e sul rilascio di calore da parte del terreno e delle pareti interne. Quando la lunghezza è troppo lunga, è difficile controllare la temperatura interna e ciò influirà sulla solidità della struttura della serra e sulla configurazione del meccanismo di avvolgimento della trapunta di conservazione del calore. L'altezza e la campata della serra influiscono direttamente sulla luce naturale del tetto anteriore, sulle dimensioni dello spazio della serra e sul rapporto di isolamento. Quando la campata e la lunghezza della serra sono fisse, aumentando l'altezza della serra si può aumentare l'angolo di illuminazione del tetto anteriore dal punto di vista dell'ambiente luminoso, il che favorisce la trasmissione della luce; dal punto di vista dell'ambiente termico, l'altezza della parete aumenta e l'area di accumulo di calore della parete posteriore aumenta, il che è vantaggioso per l'accumulo e il rilascio di calore della parete posteriore. Inoltre, lo spazio è ampio, la capacità termica è elevata e l'ambiente termico della serra è più stabile. Naturalmente, l'aumento dell'altezza della serra ne aumenterà il costo, il che richiede una valutazione approfondita. Pertanto, quando si progetta una serra, è necessario scegliere una lunghezza, una campata e un'altezza ragionevoli in base alle condizioni locali. Ad esempio, Zhang Caihong e altri ritengono che nello Xinjiang settentrionale la lunghezza della serra sia di 50~80 m, la campata di 7 m e l'altezza della serra di 3,9 m, mentre nello Xinjiang meridionale la lunghezza della serra è di 50~80 m, la campata di 8 m e l'altezza della serra di 3,6~4,0 m; si ritiene inoltre che la campata della serra non debba essere inferiore a 7 m e che, con una campata di 8 m, l'effetto di conservazione del calore sia ottimale. Inoltre, Chen Weiqian e altri ritengono che la lunghezza, la campata e l'altezza della serra solare dovrebbero essere rispettivamente di 80 m, 8~10 m e 3,8~4,2 m quando verrà costruita nella zona di Gobi a Jiuquan, Gansu.

Migliorare l'accumulo di calore e la capacità isolante della parete

Durante il giorno, la parete accumula calore assorbendo la radiazione solare e il calore di una parte dell'aria interna. Di notte, quando la temperatura interna è inferiore a quella della parete, la parete rilascia calore passivamente per riscaldare la serra. In quanto principale accumulatore di calore della serra, la parete può migliorare significativamente la temperatura interna notturna aumentando la sua capacità di accumulo termico. Allo stesso tempo, la funzione di isolamento termico della parete è alla base della stabilità termica della serra. Attualmente, esistono diversi metodi per migliorare l'accumulo di calore e la capacità isolante delle pareti.

01 progettare una struttura muraria ragionevole

La funzione della parete è principalmente quella di accumulo e conservazione del calore e, allo stesso tempo, la maggior parte delle pareti delle serre funge anche da elementi portanti per sostenere la capriata del tetto. Dal punto di vista dell'ottenimento di un buon ambiente termico, una struttura muraria ragionevole dovrebbe avere una capacità di accumulo termico sufficiente sul lato interno e una capacità di conservazione del calore sufficiente sul lato esterno, riducendo al contempo i ponti termici non necessari. Nella ricerca sull'accumulo termico e l'isolamento delle pareti, Bao Encai e altri hanno progettato una parete di accumulo termico passivo in sabbia solidificata nell'area desertica di Wuhai, nella Mongolia Interna. Mattoni porosi sono stati utilizzati come strato isolante all'esterno e sabbia solidificata come strato di accumulo termico all'interno. Il test ha dimostrato che la temperatura interna può raggiungere i 13,7 °C nelle giornate di sole. Ma Yuehong e altri hanno progettato una parete composita in blocchi di malta di gusci di grano nello Xinjiang settentrionale, in cui la calce viva è inserita nei blocchi di malta come strato di accumulo termico e sacchi di scorie sono impilati all'esterno come strato isolante. Il muro in blocchi cavi progettato da Zhao Peng, ecc. nell'area di Gobi, nella provincia di Gansu, utilizza pannelli in benzene spessi 100 mm come strato isolante all'esterno e sabbia e mattoni cavi come strato di accumulo termico all'interno. Il test mostra che la temperatura media in inverno è superiore a 10 °C di notte, e Chai Regeneration, ecc. utilizza anche sabbia e ghiaia come strato isolante e strato di accumulo termico del muro nell'area di Gobi, nella provincia di Gansu. Per quanto riguarda la riduzione dei ponti termici, Yan Junyue ecc. ha progettato una parete posteriore leggera e semplificata, che non solo ha migliorato la resistenza termica del muro, ma ha anche migliorato le proprietà di tenuta del muro incollando pannelli di polistirene all'esterno della parete posteriore; Wu Letian ecc. ha posizionato una trave ad anello in cemento armato sopra le fondamenta della parete della serra e ha utilizzato mattoni stampati trapezoidali appena sopra la trave ad anello per sostenere il tetto posteriore, risolvendo il problema delle crepe e dei cedimenti delle fondamenta che si verificano facilmente nelle serre di Hotian, nello Xinjiang, compromettendo così l'isolamento termico delle serre.

02 Scegliere materiali adatti per l'accumulo di calore e l'isolamento.

L'effetto di accumulo termico e isolamento della parete dipende innanzitutto dalla scelta dei materiali. Nel deserto nord-occidentale, nel Gobi, nei terreni sabbiosi e in altre aree, a seconda delle condizioni del sito, i ricercatori hanno utilizzato materiali locali e hanno compiuto audaci tentativi di progettare diversi tipi di pareti posteriori per serre solari. Ad esempio, quando Zhang Guosen e altri costruirono serre in campi di sabbia e ghiaia nel Gansu, sabbia e ghiaia furono utilizzate come strati di accumulo termico e isolamento delle pareti; in base alle caratteristiche del Gobi e del deserto nella Cina nord-occidentale, Zhao Peng progettò una sorta di parete in blocchi cavi utilizzando arenaria e blocchi cavi come materiali. Il test mostra che la temperatura media notturna interna è superiore a 10 °C. Considerata la scarsità di materiali da costruzione come mattoni e argilla nella regione del Gobi, nella Cina nord-occidentale, Zhou Changji e altri hanno scoperto che le serre locali solitamente utilizzano ciottoli come materiali per le pareti durante le loro ricerche sulle serre solari nella regione del Gobi di Kizilsu Kirgiz, nello Xinjiang. Grazie alle prestazioni termiche e alla resistenza meccanica dei ciottoli, la serra costruita con ciottoli offre buone prestazioni in termini di conservazione del calore, accumulo di calore e capacità di carico. Analogamente, Zhang Yong e altri hanno utilizzato i ciottoli come materiale principale per la parete e hanno progettato una parete posteriore indipendente in ciottoli per l'accumulo di calore nello Shanxi e in altre località. I ​​test dimostrano che l'effetto di accumulo di calore è buono. Zhang e altri hanno progettato un tipo di parete in arenaria, adatta alle caratteristiche della zona nord-occidentale del Gobi, in grado di aumentare la temperatura interna di 2,5 °C. Inoltre, Ma Yuehong e altri hanno testato la capacità di accumulo di calore di una parete in sabbia riempita di blocchi, di una parete in blocchi e di una parete in mattoni a Hotian, nello Xinjiang. I risultati hanno mostrato che la parete in sabbia riempita di blocchi aveva la maggiore capacità di accumulo di calore. Inoltre, al fine di migliorare le prestazioni di accumulo di calore della parete, i ricercatori stanno attivamente sviluppando nuovi materiali e tecnologie per l'accumulo di calore. Ad esempio, Bao Encai ha proposto un materiale indurente a cambiamento di fase, che può essere utilizzato per migliorare la capacità di accumulo di calore della parete posteriore di una serra solare nelle aree non coltivate del nord-ovest. Come materiali locali, pagliaio, scorie, pannelli di benzene e paglia vengono utilizzati anche come materiali per le pareti, ma questi materiali di solito hanno solo la funzione di preservare il calore e non hanno capacità di accumulo. In generale, le pareti riempite di ghiaia e blocchi hanno una buona capacità di accumulo termico e di isolamento.

03 Aumentare opportunamente lo spessore della parete

Solitamente, la resistenza termica è un indice importante per misurare le prestazioni di isolamento termico di una parete, e il fattore che influenza la resistenza termica è lo spessore dello strato di materiale, oltre alla conduttività termica del materiale stesso. Pertanto, sulla base della selezione di materiali isolanti termici appropriati, un aumento appropriato dello spessore della parete può aumentare la resistenza termica complessiva della parete e ridurre la dispersione termica attraverso la parete, aumentando così l'isolamento termico e la capacità di accumulo termico della parete e dell'intera serra. Ad esempio, nel Gansu e in altre aree, lo spessore medio di una parete in sacchi di sabbia nella città di Zhangye è di 2,6 m, mentre quello di una parete in muratura di malta nella città di Jiuquan è di 3,7 m. Più spessa è la parete, maggiore è il suo isolamento termico e la sua capacità di accumulo termico. Tuttavia, pareti troppo spesse aumenteranno l'occupazione di terreno e i costi di costruzione della serra. Pertanto, dal punto di vista del miglioramento della capacità di isolamento termico, dovremmo anche dare priorità alla selezione di materiali ad alto isolamento termico con bassa conduttività termica, come polistirene, poliuretano e altri materiali, e quindi aumentarne lo spessore in modo appropriato.

Progettazione ragionevole del tetto posteriore

Per la progettazione del tetto posteriore, la considerazione principale è quella di non causare l'influenza dell'ombreggiamento e migliorare la capacità di isolamento termico. Per ridurre l'influenza dell'ombreggiamento sul tetto posteriore, la regolazione dell'angolo di inclinazione si basa principalmente sul fatto che il tetto posteriore possa ricevere la luce solare diretta durante il giorno, quando le colture vengono piantate e prodotte. Pertanto, l'angolo di elevazione del tetto posteriore viene generalmente scelto in modo da essere migliore dell'angolo di altitudine solare locale del solstizio d'inverno di 7°~8°. Ad esempio, Zhang Caihong e altri ritengono che, quando si costruiscono serre solari nel Gobi e nelle aree salmastre-alcaline dello Xinjiang, la lunghezza prevista del tetto posteriore sia di 1,6 m, quindi l'angolo di inclinazione del tetto posteriore è di 40° nello Xinjiang meridionale e di 45° nello Xinjiang settentrionale. Chen Wei-Qian e altri ritengono che il tetto posteriore della serra solare nell'area di Jiuquan nel Gobi debba essere inclinato di 40°. Per l'isolamento termico del tetto posteriore, la capacità di isolamento termico deve essere garantita principalmente nella scelta dei materiali isolanti termici, nella progettazione dello spessore necessario e nella giunzione a sovrapposizione ragionevole dei materiali isolanti termici durante la costruzione.

Ridurre la perdita di calore del suolo

Durante la notte invernale, poiché la temperatura del terreno interno è più alta di quella del terreno esterno, il calore del terreno interno verrà trasferito all'esterno per conduzione termica, causando la perdita di calore della serra. Esistono diversi modi per ridurre la perdita di calore del terreno.

01 isolamento del terreno

Il terreno sprofonda correttamente, evitando lo strato di terreno ghiacciato e utilizzando il terreno per la conservazione del calore. Ad esempio, la serra solare "1448 a tre materiali e un corpo" sviluppata da Chai Regeneration e altri terreni non coltivati ​​nel Corridoio di Hexi è stata costruita scavando 1 m di profondità, evitando efficacemente lo strato di terreno ghiacciato; dato che la profondità del terreno ghiacciato nell'area di Turpan è di 0,8 m, Wang Huamin e altri hanno suggerito di scavare 0,8 m per migliorare la capacità di isolamento termico della serra. Quando Zhang Guosen, ecc. hanno costruito la parete posteriore della serra solare a doppio arco e doppio film su terreni non coltivabili, la profondità di scavo è stata di 1 m. L'esperimento ha dimostrato che la temperatura minima notturna è aumentata di 2~3 °C rispetto alla tradizionale serra solare di seconda generazione.

02 fondotinta protezione dal freddo

Il metodo principale consiste nello scavare un fossato a prova di freddo lungo la parte di fondazione del tetto anteriore, riempire con materiali termoisolanti o interrare continuamente materiali termoisolanti lungo la parte del muro di fondazione, tutti metodi che mirano a ridurre la dispersione di calore causata dal trasferimento di calore attraverso il terreno nella parte di confine della serra. I materiali termoisolanti utilizzati si basano principalmente sulle condizioni locali della Cina nord-occidentale e sono reperibili localmente, come fieno, scorie, lana di roccia, pannelli di polistirolo, paglia di mais, letame di cavallo, foglie cadute, erba tritata, segatura, erbacce, paglia, ecc.

03 pellicola pacciamante

Coprendo il film plastico, la luce solare può raggiungere il terreno attraverso di esso durante il giorno, e il terreno assorbe il calore del sole e si riscalda. Inoltre, il film plastico può bloccare la radiazione a onde lunghe riflessa dal terreno, riducendo così la perdita di radiazione del terreno e aumentandone l'accumulo di calore. Di notte, il film plastico può ostacolare lo scambio termico convettivo tra il terreno e l'aria interna, riducendo così la perdita di calore del terreno. Allo stesso tempo, il film plastico può anche ridurre la perdita di calore latente causata dall'evaporazione dell'acqua nel terreno. Wei Wenxiang ha coperto la serra con un film plastico nell'altopiano del Qinghai e l'esperimento ha dimostrato che la temperatura del terreno poteva essere aumentata di circa 1 °C.

Rafforzare le prestazioni di isolamento termico del tetto anteriore

Il tetto frontale della serra è la principale superficie di dissipazione del calore e il calore disperso rappresenta oltre il 75% della dispersione termica totale nella serra. Pertanto, il rafforzamento della capacità di isolamento termico del tetto frontale della serra può ridurre efficacemente la dispersione attraverso il tetto frontale e migliorare la temperatura ambientale invernale della serra. Attualmente, sono tre le misure principali per migliorare la capacità di isolamento termico del tetto frontale.

01 Viene adottato un rivestimento trasparente multistrato.

Dal punto di vista strutturale, l'utilizzo di una pellicola a doppio strato o a tre strati come superficie di trasmissione della luce di una serra può migliorare efficacemente le prestazioni di isolamento termico della stessa. Ad esempio, Zhang Guosen e altri hanno progettato una serra solare a doppio arco con doppia pellicola di tipo scavato nella zona di Gobi, nella città di Jiuquan. L'esterno del tetto anteriore della serra è realizzato in pellicola EVA, mentre l'interno è realizzato in pellicola anti-goccia in PVC anti-invecchiamento. Gli esperimenti dimostrano che, rispetto alla tradizionale serra solare di seconda generazione, l'effetto di isolamento termico è eccezionale e la temperatura minima notturna aumenta in media di 2-3 °C. Analogamente, Zhang Jingshe e altri hanno progettato una serra solare con doppia pellicola di copertura per le caratteristiche climatiche delle alte latitudini e delle zone a freddo intenso, che ha migliorato significativamente l'isolamento termico della serra. Rispetto alla serra di controllo, la temperatura notturna è aumentata di 3 °C. Inoltre, Wu Letian e altri hanno provato a utilizzare tre strati di pellicola EVA di 0,1 mm di spessore sul tetto anteriore della serra solare progettata nella zona desertica di Hetian, nello Xinjiang. La pellicola multistrato può ridurre efficacemente la dispersione di calore del tetto anteriore, ma poiché la trasmissione luminosa della pellicola monostrato è di circa il 90%, la pellicola multistrato ne ridurrà naturalmente la trasmissione luminosa. Pertanto, nella scelta della copertura multistrato con trasmissione luminosa, è necessario tenere in debita considerazione le condizioni di illuminazione e i requisiti di illuminazione delle serre.

02 Rafforzare l'isolamento notturno del tetto anteriore

Sul tetto frontale viene utilizzata una pellicola di plastica per aumentare la trasmissione della luce durante il giorno, ma di notte diventa il punto più debole dell'intera serra. Pertanto, ricoprire la superficie esterna del tetto frontale con uno spesso strato isolante termico composito è una misura di isolamento termico necessaria per le serre solari. Ad esempio, nella regione alpina del Qinghai, Liu Yanjie e altri hanno utilizzato tende di paglia e carta kraft come strati isolanti termici per gli esperimenti. I risultati dei test hanno mostrato che la temperatura interna minima della serra di notte poteva superare i 7,7 °C. Inoltre, Wei Wenxiang ritiene che la dispersione di calore della serra possa essere ridotta di oltre il 90% utilizzando doppie tende di erba o tende di erba esterna in carta kraft per l'isolamento termico in quest'area. Inoltre, Zou Ping, ecc. ha utilizzato uno strato isolante termico in feltro agugliato di fibre riciclate nella serra solare nella regione del Gobi nello Xinjiang, e Chang Meimei, ecc. ha utilizzato uno strato isolante termico in cotone sandwich nella serra solare nella regione del Gobi nel Corridoio di Hexi. Attualmente, esistono molti tipi di trapunte termoisolanti utilizzate nelle serre solari, ma la maggior parte di esse è realizzata in feltro agugliato, cotone spruzzato con colla, cotone perlato, ecc., con strati superficiali impermeabili o anti-invecchiamento su entrambi i lati. Secondo il meccanismo di isolamento termico della trapunta termoisolante, per migliorarne le prestazioni di isolamento termico, dovremmo iniziare migliorandone la resistenza termica e riducendone il coefficiente di trasferimento del calore. Le misure principali consistono nel ridurre la conduttività termica dei materiali, aumentare lo spessore degli strati di materiale o aumentarne il numero, ecc. Pertanto, attualmente, il materiale di base della trapunta termoisolante ad alte prestazioni di isolamento termico è spesso costituito da materiali compositi multistrato. Secondo i test, il coefficiente di trasferimento del calore della trapunta termoisolante ad alte prestazioni di isolamento termico può attualmente raggiungere 0,5 W/(m²℃), il che fornisce una migliore garanzia per l'isolamento termico delle serre nelle zone fredde in inverno. Naturalmente, la zona nord-occidentale è ventosa e polverosa e la radiazione ultravioletta è forte, quindi lo strato superficiale di isolamento termico dovrebbe avere buone prestazioni anti-invecchiamento.

03 Aggiungere una tenda interna di isolamento termico.

Sebbene il tetto anteriore della serra solare sia coperto da un telo isolante termico esterno durante la notte, per quanto riguarda le altre strutture dell'intera serra, il tetto anteriore rimane comunque un punto debole per l'intera serra durante la notte. Pertanto, il team di progetto "Struttura e Tecnologia di Costruzione di Serre nei Terreni Non Arabili del Nord-Ovest" ha progettato un semplice sistema di isolamento termico interno avvolgibile (Figura 1), la cui struttura è costituita da una tenda isolante termica interna fissa sul piede anteriore e da una tenda isolante termica interna mobile nella parte superiore. La tenda isolante termica mobile superiore viene aperta e ripiegata sulla parete posteriore della serra durante il giorno, il che non influisce sull'illuminazione della serra; la tenda isolante termica fissa nella parte inferiore svolge la funzione di sigillante durante la notte. Il design dell'isolamento interno è pulito e facile da usare e può anche svolgere la funzione di ombreggiamento e raffrescamento in estate.

Tecnologia di riscaldamento attivo

A causa delle basse temperature invernali nella Cina nord-occidentale, se ci affidassimo solo alla conservazione e all'accumulo del calore nelle serre, non saremmo comunque in grado di soddisfare i requisiti di produzione invernale delle colture in condizioni climatiche fredde, per cui sono necessarie anche alcune misure di riscaldamento attivo.

Sistema di accumulo di energia solare e rilascio di calore

È importante sottolineare che la parete svolge le funzioni di conservazione e accumulo del calore e di supporto del carico, il che determina gli elevati costi di costruzione e il basso tasso di utilizzo del suolo delle serre solari. Pertanto, la semplificazione e l'assemblaggio delle serre solari sono destinate a rappresentare un'importante direzione di sviluppo in futuro. Tra queste, la semplificazione della funzione della parete consiste nell'eliminare la funzione di accumulo e rilascio del calore della parete, in modo che la parete posteriore assuma solo la funzione di conservazione del calore, il che rappresenta un modo efficace per semplificare lo sviluppo. Ad esempio, il sistema di accumulo e rilascio attivo del calore di Fang Hui (Figura 2) è ampiamente utilizzato in aree non coltivate come Gansu, Ningxia e Xinjiang. Il suo dispositivo di raccolta del calore è appeso alla parete nord. Durante il giorno, il calore raccolto dal dispositivo di raccolta del calore viene immagazzinato nel corpo di accumulo termico attraverso la circolazione del mezzo di accumulo termico, mentre di notte il calore viene rilasciato e riscaldato dalla circolazione del mezzo di accumulo termico, realizzando così il trasferimento di calore nel tempo e nello spazio. Gli esperimenti dimostrano che la temperatura minima nella serra può essere aumentata di 3-5 °C utilizzando questo dispositivo. Wang Zhiwei e altri hanno proposto un sistema di riscaldamento a cortina d'acqua per serre solari nella zona desertica meridionale dello Xinjiang, che può aumentare la temperatura della serra di 2,1 °C durante la notte.

Inoltre, Bao Encai ecc. ha progettato un sistema di circolazione attiva dell'accumulo di calore per la parete nord. Durante il giorno, grazie alla circolazione di ventilatori assiali, l'aria calda interna fluisce attraverso il condotto di trasferimento del calore incorporato nella parete nord, che scambia calore con lo strato di accumulo termico all'interno della parete, migliorando significativamente la capacità di accumulo termico della parete. Inoltre, il sistema di accumulo termico a cambiamento di fase solare progettato da Yan Yantao ecc. immagazzina il calore nei materiali a cambiamento di fase attraverso i collettori solari durante il giorno, per poi dissiparlo nell'aria interna attraverso la circolazione dell'aria durante la notte, aumentando la temperatura media di 2,0 °C durante la notte. Le tecnologie e le apparecchiature per l'utilizzo dell'energia solare sopra descritte presentano caratteristiche di economicità, risparmio energetico e basse emissioni di carbonio. Dopo l'ottimizzazione e il miglioramento, dovrebbero avere buone prospettive di applicazione nelle aree con abbondanti risorse di energia solare nella Cina nord-occidentale.

Altre tecnologie di riscaldamento ausiliario

01 riscaldamento energetico a biomassa

Lettiera, paglia, sterco di mucca, sterco di pecora e sterco di pollame vengono mescolati con batteri biologici e interrati nel terreno della serra. Durante il processo di fermentazione si genera molto calore e una grande quantità di ceppi benefici, materia organica e CO2. I ceppi benefici possono inibire e uccidere una varietà di germi e ridurre l'insorgenza di malattie e parassiti in serra; la materia organica può diventare fertilizzante per le colture; la CO2 prodotta può migliorare la fotosintesi delle colture. Ad esempio, Wei Wenxiang ha interrato fertilizzanti organici caldi come letame di cavallo, letame di mucca e letame di pecora nel terreno interno della serra solare nell'altopiano del Qinghai, aumentando efficacemente la temperatura del terreno. Nella serra solare nell'area desertica del Gansu, Zhou Zhilong ha utilizzato paglia e fertilizzante organico per fermentare tra una coltura e l'altra. Il test ha dimostrato che la temperatura della serra poteva essere aumentata di 2~3 °C.

02 riscaldamento a carbone

Esistono stufe artificiali, scaldabagni a risparmio energetico e sistemi di riscaldamento. Ad esempio, dopo un'indagine sull'altopiano del Qinghai, Wei Wenxiang ha scoperto che il riscaldamento tramite forni artificiali veniva utilizzato principalmente a livello locale. Questo metodo di riscaldamento offre il vantaggio di un riscaldamento più rapido e di un evidente effetto riscaldante. Tuttavia, durante la combustione del carbone vengono prodotti gas nocivi come SO2, CO e H2S, quindi è necessario garantire un'adeguata evacuazione dei gas nocivi.

03 riscaldamento elettrico

Utilizzare un filo riscaldante elettrico per riscaldare il tetto anteriore della serra, oppure una stufa elettrica. L'effetto riscaldante è notevole, l'uso è sicuro, non vengono generati inquinanti nella serra e l'impianto di riscaldamento è facile da controllare. Chen Weiqian e altri ritengono che il problema dei danni da gelo in inverno nella zona di Jiuquan ostacoli lo sviluppo dell'agricoltura locale del Gobi e che le resistenze elettriche possano essere utilizzate per riscaldare la serra. Tuttavia, a causa dell'utilizzo di fonti di energia elettrica di alta qualità, il consumo energetico e i costi sono elevati. Si suggerisce di utilizzarlo come mezzo temporaneo di riscaldamento di emergenza in condizioni climatiche estremamente fredde.

Misure di gestione ambientale

Nel processo di produzione e utilizzo di una serra, l'attrezzatura completa e il normale funzionamento non possono garantire efficacemente che l'ambiente termico soddisfi i requisiti di progettazione. Infatti, l'uso e la gestione delle attrezzature svolgono spesso un ruolo chiave nella formazione e nel mantenimento dell'ambiente termico, il più importante dei quali è la gestione quotidiana del rivestimento isolante termico e della ventilazione.

Gestione del piumone di isolamento termico

Il rivestimento isolante termico è fondamentale per l'isolamento termico notturno del tetto anteriore, pertanto è estremamente importante perfezionarne la gestione e la manutenzione quotidiana, prestando particolare attenzione ai seguenti aspetti: 1. Scegliere l'orario di apertura e chiusura appropriato del rivestimento isolante termico. L'orario di apertura e chiusura del rivestimento isolante termico non influisce solo sul tempo di illuminazione della serra, ma anche sul processo di riscaldamento al suo interno. Aprire e chiudere il rivestimento isolante termico troppo presto o troppo tardi non favorisce l'accumulo di calore. Al mattino, se il rivestimento isolante termico viene scoperto troppo presto, la temperatura interna scenderà eccessivamente a causa della bassa temperatura esterna e della scarsa illuminazione. Al contrario, se il rivestimento isolante termico viene scoperto troppo tardi, il tempo di esposizione alla luce nella serra si ridurrà e il tempo di aumento della temperatura interna sarà ritardato. Nel pomeriggio, se il rivestimento isolante termico viene spento troppo presto, il tempo di esposizione interna si ridurrà e l'accumulo di calore del terreno e delle pareti interne sarà ridotto. Al contrario, se la funzione di conservazione del calore viene disattivata troppo tardi, la dissipazione del calore della serra aumenterà a causa della bassa temperatura esterna e della scarsa illuminazione. Pertanto, in generale, quando si accende la trapunta isolante al mattino, è consigliabile che la temperatura aumenti dopo un calo di 1~2 °C, mentre quando la trapunta isolante è spenta, è consigliabile che la temperatura aumenti dopo un calo di 1~2 °C. 2 Quando si chiude la trapunta isolante, verificare che copra saldamente tutti i tetti anteriori e regolarli per tempo in caso di fessure. 3 Dopo aver completamente steso la trapunta isolante, verificare che la parte inferiore sia compattata, in modo da evitare che l'effetto di conservazione del calore venga dissipato dal vento durante la notte. 4 Controllare e manutenere la trapunta isolante in modo tempestivo, soprattutto se danneggiata, ripararla o sostituirla per tempo. 5 Prestare attenzione alle condizioni meteorologiche in modo tempestivo. In caso di pioggia o neve, coprire per tempo la trapunta termoisolante e rimuovere la neve in tempo.

Gestione delle prese d'aria

Lo scopo della ventilazione in inverno è quello di regolare la temperatura dell'aria per evitare temperature eccessive intorno a mezzogiorno; il secondo è quello di eliminare l'umidità interna, ridurre l'umidità dell'aria nella serra e controllare parassiti e malattie; il terzo è quello di aumentare la concentrazione di CO2 interna e promuovere la crescita delle colture. Tuttavia, ventilazione e conservazione del calore sono contraddittorie. Se la ventilazione non è gestita correttamente, probabilmente porterà a problemi di basse temperature. Pertanto, quando e per quanto tempo aprire le prese d'aria deve essere regolato dinamicamente in base alle condizioni ambientali della serra in qualsiasi momento. Nelle aree non coltivate del nord-ovest, la gestione delle prese d'aria della serra si divide principalmente in due modi: funzionamento manuale e semplice ventilazione meccanica. Tuttavia, il tempo di apertura e il tempo di ventilazione delle prese d'aria si basano principalmente sul giudizio soggettivo delle persone, quindi può accadere che le prese d'aria vengano aperte troppo presto o troppo tardi. Per risolvere i problemi di cui sopra, Yin Yilei & Co. ha progettato un dispositivo di ventilazione intelligente da tetto, in grado di determinare il tempo di apertura e le dimensioni di apertura e chiusura dei fori di ventilazione in base alle variazioni dell'ambiente interno. Con l'approfondimento della ricerca sulla legge dei cambiamenti ambientali e sulla domanda di colture, nonché la divulgazione e il progresso di tecnologie e attrezzature quali la percezione ambientale, la raccolta, l'analisi e il controllo delle informazioni, l'automazione della gestione della ventilazione nelle serre solari dovrebbe rappresentare un'importante direzione di sviluppo in futuro.

Altre misure di gestione

Utilizzando vari tipi di pellicole per capannoni, la loro capacità di trasmissione della luce si indebolisce gradualmente, e la velocità di indebolimento non è correlata solo alle loro proprietà fisiche, ma anche all'ambiente circostante e alla gestione durante l'uso. Durante l'uso, il fattore più importante che porta al calo delle prestazioni di trasmissione della luce è l'inquinamento della superficie della pellicola. Pertanto, è estremamente importante effettuare pulizie regolari quando le condizioni lo consentono. Inoltre, la struttura di chiusura della serra deve essere controllata regolarmente. In caso di perdite nella parete e nel tetto anteriore, è necessario ripararle in tempo per evitare che la serra venga colpita da infiltrazioni di aria fredda.

Problemi esistenti e direzione dello sviluppo

I ricercatori hanno esplorato e studiato per molti anni le tecnologie di conservazione e stoccaggio del calore, le tecnologie di gestione e i metodi di riscaldamento delle serre nelle aree non coltivate del nord-ovest, che hanno sostanzialmente consentito la produzione di ortaggi durante l'inverno, migliorato notevolmente la capacità della serra di resistere ai danni da freddo a bassa temperatura e sostanzialmente consentito la produzione di ortaggi durante l'inverno. Ciò ha dato un contributo storico all'attenuazione della contraddizione tra cibo e ortaggi che competono per la terra in Cina. Tuttavia, permangono i seguenti problemi nella tecnologia di garanzia della temperatura nella Cina nord-occidentale.

Tipi di serre da potenziare

Attualmente, le tipologie di serre sono ancora quelle più diffuse, costruite tra la fine del XX secolo e l'inizio di questo secolo, con struttura semplice, progettazione irragionevole, scarsa capacità di mantenere l'ambiente termico della serra e di resistere ai disastri naturali, e mancanza di standardizzazione. Pertanto, nella futura progettazione delle serre, la forma e l'inclinazione del tetto anteriore, l'angolo azimutale della serra, l'altezza della parete posteriore, la profondità di sprofondamento della serra, ecc., dovrebbero essere standardizzate, combinando appieno la latitudine geografica e le caratteristiche climatiche locali. Allo stesso tempo, per quanto possibile, in una serra può essere piantata una sola coltura, in modo da poter effettuare un abbinamento standardizzato delle serre in base alle esigenze di luce e temperatura delle colture piantate.

La scala delle serre è relativamente piccola.

Se la scala della serra è troppo piccola, ciò influirà sulla stabilità dell'ambiente termico della serra e sullo sviluppo della meccanizzazione. Con il graduale aumento del costo del lavoro, lo sviluppo della meccanizzazione è una direzione importante per il futuro. Pertanto, in futuro, dovremmo basarci sullo sviluppo locale, tenere conto delle esigenze di sviluppo della meccanizzazione, progettare razionalmente lo spazio interno e la disposizione delle serre, accelerare la ricerca e lo sviluppo di attrezzature agricole adatte alle aree locali e migliorare il tasso di meccanizzazione della produzione in serra. Allo stesso tempo, in base alle esigenze delle colture e ai modelli di coltivazione, le attrezzature pertinenti dovrebbero essere conformi agli standard e dovrebbero essere promosse la ricerca e lo sviluppo integrati, l'innovazione e la diffusione di apparecchiature di ventilazione, riduzione dell'umidità, conservazione del calore e riscaldamento.

Lo spessore dei muri, come quelli realizzati in sabbia e blocchi cavi, è ancora elevato.

Se la parete è troppo spessa, nonostante l'effetto isolante sia buono, ridurrà il tasso di utilizzo del terreno, aumentando i costi e la difficoltà di costruzione. Pertanto, in futuro, da un lato, lo spessore della parete potrà essere ottimizzato scientificamente in base alle condizioni climatiche locali; dall'altro, dovremmo promuovere uno sviluppo leggero e semplificato della parete posteriore, in modo che la parete posteriore della serra mantenga solo la funzione di conservazione del calore, utilizzando collettori solari e altre apparecchiature per sostituire l'accumulo e il rilascio di calore della parete. I collettori solari presentano le caratteristiche di elevata efficienza di raccolta del calore, elevata capacità di raccolta del calore, risparmio energetico, basse emissioni di carbonio e così via, e la maggior parte di essi può realizzare una regolazione e un controllo attivi e può effettuare un riscaldamento esotermico mirato in base alle esigenze ambientali della serra durante la notte, con una maggiore efficienza di utilizzo del calore.

È necessario sviluppare una speciale trapunta isolante termica.

Il tetto anteriore è il principale elemento di dissipazione del calore nella serra e le prestazioni di isolamento termico del rivestimento isolante influenzano direttamente l'ambiente termico interno. Attualmente, la temperatura ambiente della serra in alcune aree non è buona, in parte perché il rivestimento isolante è troppo sottile e le prestazioni di isolamento termico dei materiali sono insufficienti. Allo stesso tempo, il rivestimento isolante presenta ancora alcuni problemi, come scarsa impermeabilità e scarsa capacità di scivolamento, facile invecchiamento dei materiali di superficie e del nucleo, ecc. Pertanto, in futuro, i materiali isolanti termici appropriati dovrebbero essere selezionati scientificamente in base alle caratteristiche e ai requisiti climatici locali e dovrebbero essere progettati e sviluppati prodotti di rivestimento isolante termico specifici adatti all'uso locale e alla diffusione.

FINE

Informazioni citate

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, ecc. Stato della ricerca sulla tecnologia di garanzia della temperatura ambientale della serra solare nei terreni non coltivati ​​del nord-ovest [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022,42(28):12-20.