新型農(nóng)用保溫被結(jié)構(gòu)設計與保溫性能研究*

陳海珍 張放軍 樓 杰 (.浙江紡織服裝職業(yè)技術學院，寧波，5;.紡織工業(yè)科學技術發(fā)展中心，北京，0074; .寧波中直農(nóng)業(yè)科技有限公司，寧波，500)

新型農(nóng)用保溫被結(jié)構(gòu)設計與保溫性能研究*

陳海珍1張放軍2樓 杰3(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術學院，寧波，315122;2.紡織工業(yè)科學技術發(fā)展中心，北京，100742; 3.寧波中直農(nóng)業(yè)科技有限公司，寧波，315100)

根據(jù)建筑保溫原理設計新型保溫被結(jié)構(gòu)，采用NY/T 1831—2009溫室覆蓋材料保溫性能測定方法測試保溫性能，以北京溫室基地使用各種保溫被實測棚溫的平均值做對比，討論了新型保溫材料結(jié)構(gòu)設計的合理性和上述行業(yè)標準評價的可行性。結(jié)果表明新型保溫被結(jié)構(gòu)雙面防水、芯材采用熱熔絮棉，保溫性能優(yōu)于其他同等面密度的保溫被和草簾子，且700 g/m2左右芯材的新型保溫被能夠在冬季最低溫度－15℃以上地區(qū)使用。上述行業(yè)標準對保溫材料保溫性能評價存在一定缺陷，即對吸濕性材料戶外使用中受雨雪影響的因素未有考慮。

溫室保溫被，保溫性，雙面防水，熱熔絮棉，傳熱系數(shù)，溫室

我國溫室大棚的覆蓋材料目前使用最多的是稻草或蒲草編織的草簾子，其保溫效果較好，缺點是壽命較短，遇雨雪霜凍天保溫效果下降明顯且收卷難［1]。蒲草是北方地區(qū)重要植被，過度砍伐會導致地方環(huán)境急劇惡化，當?shù)卣呀?jīng)開始實施限制砍伐措施。近幾年來草簾子的價格上漲了2倍多，市場供應量未增長，所以每年草簾子都無法滿足溫室大棚保溫材料的需求。據(jù)了解2009年僅山東壽光地區(qū)的12月左右積雪量達到40 cm時，在4萬個大棚中有近4 000座覆蓋草簾子的大棚被壓塌，直接經(jīng)濟損失1.6億元。所以，研發(fā)質(zhì)輕、保溫效果更好的保溫被取代傳統(tǒng)草簾子是我國溫室發(fā)展的迫切需求。

上世紀80年代以來保溫被行業(yè)的科技人員開展了大量的研發(fā)工作，應用了大量的紡織品，開發(fā)出了各種不同結(jié)構(gòu)、不同保溫材料的保溫被，但到目前為止，保溫被行業(yè)規(guī)模小，技術含量低，大部分產(chǎn)品保溫性能不如草簾子，且沒有自己的行業(yè)標準［2]。保溫性能是保溫被的主要性能，一般采用紡織行業(yè)的GB/T 11048—1989紡織品保溫性能試驗方法測試，采用的平板式恒定溫差散熱法是測試布面兩側(cè)表面溫差為1℃時通過單位面積的熱流量，評價結(jié)果受試樣厚度影響很大，與戶外實際使用效果差異很大［3]。農(nóng)業(yè)的行業(yè)標準NY/T 1831—2009溫室覆蓋材料保溫性能測定方法2009年3月制定，2009年12月推廣實施。

本文根據(jù)建筑保溫原理設計新型保溫被結(jié)構(gòu)，并采用NY/T 1831—2009溫室覆蓋材料保溫性能測定方法［4]測試保溫性能，以北京溫室基地2010年1～3月使用各種保溫被實測棚溫的平均值做對比，討論新型保溫被結(jié)構(gòu)設計的合理性和上述行業(yè)標準評價的可行性。

1 保溫材料結(jié)構(gòu)設計原理

將保溫被作為一種類似日光溫室建筑的圍護結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑保溫原理設計新型保溫被結(jié)構(gòu)，采用保溫建筑材料及建筑熱工設計中常用性能指標傳熱系數(shù)評價其保溫性［5-6]。傳熱系數(shù)與紡織品保溫系數(shù)完全不同。

圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)是指在材料兩側(cè)單位空氣溫差的情況下，在單位時間內(nèi)通過材料單位面積的傳熱量。它反映保溫材料兩側(cè)冷熱流體間溫度相差1℃(或1 K)時，單位時間內(nèi)通過每平方米面積可傳遞的熱量(W)［5-6]。保溫被的傳熱系數(shù)值與保溫被兩側(cè)氣流體的性質(zhì)、氣體流動情況、保溫被材料、面積及形狀等許多因素有關，所以數(shù)值變化范圍很大，通常采用靜態(tài)方法測試。

保溫被結(jié)構(gòu)設計中需要重點考慮影響其傳熱系數(shù)的如下因素。

(1)容重:即體積質(zhì)量。一般情況下，靜止空氣的傳熱系數(shù)是最小的，在保溫被結(jié)構(gòu)中能含有足夠多的靜止空氣，保溫層的傳熱系數(shù)也就較小。對于膨松狀的保溫被而言，在戶外溫室大棚上使用中經(jīng)常被卷拉，其密度變化幅度較大，傳熱系數(shù)就會變大，保溫性能降低。因此，在保溫被的結(jié)構(gòu)設計中，必須采用膨松的、有彈性的芯材制作保溫被的保溫層，同時需研究確定其最佳的密度值，以達到最好的保溫性。

(2)濕度:當材料空隙中的部分空氣被水分所代替時，由于水的導熱系數(shù)［0.58 W/(m·K)]約比空氣大20倍，同時水分的存在增加了材料相互間的接觸，其傳熱系數(shù)顯著增大;特別是在潮濕低溫狀態(tài)下，材料的傳熱系數(shù)會增加更大，因為冰的導熱系數(shù)比水的導熱系數(shù)約大4倍。而在我國東北、華北的冬季雨雪天氣較多，低溫低至零下數(shù)十度，每日早晚霜凍、大霧等氣候?qū)Ρ乇粋鳠嵯禂?shù)的負面影響非常大。因此，設計制作的保溫被必須有一定的防水性，以減少水分子進入保溫層。

2 保溫芯材篩選

根據(jù)保溫被結(jié)構(gòu)設計原理和常用材料的導熱系數(shù)(見表1)，我們必須選用導熱系數(shù)小、吸濕度小的保溫材料，同時盡量避免水蒸氣對材料的影響，必須要有防水膜。表1材料中導熱系數(shù)最小的就是空氣和滌綸。

表1 常用保溫材料的導熱系數(shù)［6]

首先進行保溫被芯材的對比與選擇。以聚乙烯膜做表層，分別與噴膠棉、針刺廢毛氈、聚苯乙烯發(fā)泡材料、針刺廢棉氈和熱熔絮棉［7]一起制作保溫被芯材，另外還準備了鋁箔、草簾子，共制作了7種結(jié)構(gòu)的保溫芯材。7種結(jié)構(gòu)的保溫芯材結(jié)構(gòu)特征和卷曲試驗后的變形情況(面密度和厚度為10次測試的平均值)見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)的保溫芯材的結(jié)構(gòu)特征和卷曲試驗后的變化

噴膠棉主要由線密度為6.6～7.7 dtex的純滌綸和廢棉絮纖維組成，廢棉絮成分復雜，多數(shù)是紡織下腳料和回收的破舊混紡或交織布。熱熔絮棉以線密度為3.3～6.6 dtex、長度為51～64 mm 的低熔點纖維，混合一部分紡織下腳料和廢棉，還在其中添加了10%～20%質(zhì)量分數(shù)的線密度為19.8 dtex、長度約64 mm的滌綸中空纖維。

卷曲試驗方法:1 m2試樣平鋪在平板上，將其包卷在直徑為0.03 m的紙筒上手工卷曲100次，然后放置半小時后進行測試。

從表2中可以看出泡沫芯材由于變形能力較小，彈性差，在卷曲100次后出現(xiàn)斷裂，不適合作為戶外日光溫室長期使用;以針刺工藝制作的保溫芯材不容易變形，但太厚太硬;噴膠棉保溫被變形較大，厚度減少至原厚度的約89.22%;熱熔絮棉的保型效果最好。

以熱熔絮棉為芯材，我們設計了芯材面密度為800、700、600 和450 g/m2的保溫被。

3 雙面防水新型保溫被加工工藝

經(jīng)過多次篩選，我們利用熱熔絮棉芯材和滌綸牛津布面料(面密度為76 g/m2)研制成雙面防水新型保溫被，采用了防水層復合工藝在布與絮棉間形成了0.4～1.5 mm 的防水、阻熱、粘結(jié)的膜(防水涂層材質(zhì))，耐靜水壓達到14.7 kPa以上。與PU涂層防水工藝相比，該工藝加工的材料克服了低溫脆化的缺點，防水性能穩(wěn)定，且能有效地阻隔熱量的散失和雨雪、水汽的滲入;材料成本低廉，加工工藝簡單，一次成型，產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢突出;在工藝上，有效地解決了表層與芯層連接的問題，不用絎縫固定，新型保溫被表面無針洞，平整光滑，具有較好的防水性能。與其他表層塑料或泡沫防水技術相比，雙面防水新型保溫被的覆膜防水層在滌綸布內(nèi)側(cè)，柔軟有彈性，滌綸布很好地保護了防水層不受外界破壞，增強了防水效果，并延長了防水壽命。

雙面防水新型保溫被的產(chǎn)品編號為D×××，其中D表示雙面防水的功能，×××表示芯材面密度。

4 雙面防水新型保溫被性能測試結(jié)果比較

保溫被的保溫性按NY/T 1831—2009溫室覆蓋材料保溫性能測定方法測試，評價參數(shù)是傳熱系數(shù)。采用靜態(tài)熱箱法測定，在測試設備中覆蓋材料試件的一側(cè)空間加熱、另一側(cè)空間冷卻，兩側(cè)分別建立起穩(wěn)定的溫度、氣流和熱輻射條件，在試件接近一維穩(wěn)態(tài)傳熱的狀態(tài)下，測定流經(jīng)試件的熱流量和兩側(cè)空氣溫度，據(jù)此確定試件的傳熱系數(shù)和傳熱阻。

試樣準備:選擇干燥、完好無破損、表面平整的保溫被做試樣，試樣面積大于95 cm×95 cm;對可能吸潮的試件，測定前調(diào)節(jié)到氣干狀態(tài)。

測試環(huán)境接近真實戶外環(huán)境。測試設備主體包括熱箱和冷箱兩部分，控制冷箱內(nèi)空氣溫度為－4.0～0.0℃，熱箱空氣溫度為 22.0 ～26.0℃。試件表面空氣溫度應分布均勻，在試件計量面范圍內(nèi)，垂直于試件表面沿著氣流方向的空氣溫度梯度不得超過2℃/m;平行于試件表面氣流的橫向空氣溫度差不得超過冷箱與熱箱內(nèi)空氣溫度差的2.0%;試件表面平均氣流速度:(4.0 ±0.2)m/s;試件表面各測點氣流速度:(4.0±0.8)m/s;冷輻射板表面平均溫度:－22.0 ～18.0℃。

測試熱箱內(nèi)空氣溫度、冷箱內(nèi)空氣溫度和加熱裝置的加熱功率，以不小于30 min的時間間隔連續(xù)測定兩次。兩次測試所得的傳熱系數(shù)值與平均值相比允許相差±1.0%，否則應繼續(xù)增加測定次數(shù)，直至最后兩次測定結(jié)果滿足上述要求［1]。

我們選擇了 D450、D600、D700、D800型雙面防水新型保溫被和針刺廢棉氈保溫被(芯材面密度800 g/m2)與草簾子(面密度1 500 g/m2)進行了保溫性能測試比較，測試結(jié)果(2次測試的平均值，允許相差±1%)如表3。

表3 不同保溫材料的保溫性能

2010年1～3月期間，表3中的幾種保溫材料(D700和D450型雙面防水新型保溫被、針刺棉保溫被及加厚型草簾子)在北京懷柔地區(qū)溫室基地實際應用，該基地在相同室外條件下使用保溫材料，在52 d的時間里每天早上8∶30卷保溫被之前測量溫室棚內(nèi)溫度(棚溫)和室外溫度，并記錄測量結(jié)果，如圖1。

圖1 2010年1～3月北京懷柔地區(qū)溫室棚溫與戶外溫度對照

計算得出:使用D700型雙面防水新型保溫被的溫室平均棚溫約9.90℃，使用D450型雙面防水新型保溫被的溫室平均棚溫約7.00℃，使用針刺棉保溫被的溫室平均棚溫約6.96℃，使用草簾子的溫室平均棚溫約 7.81℃;室外最低溫度為－12.00℃，平均氣溫 －7.82℃。

實際使用保溫被的農(nóng)戶反映草簾子和針刺棉保溫被表面防水效果較差，雨雪天前后棚溫變化較大，雨雪天后收卷也較困難;新型保溫被防水性能穩(wěn)定，棚溫較穩(wěn)定。

北京懷柔地區(qū)溫室基地的戶外使用效果說明，在當?shù)貧夂驐l件下D450型雙面防水新型保溫被與加厚型草簾子覆蓋的溫室棚溫相近，都能達到大棚作物所需的生長溫度7℃;使用D700型雙面防水新型保溫被保溫的溫室棚溫比草簾子的高出2℃以上，實際使用效果良好。

5 結(jié)語

(1)利用建筑保溫原理設計新型農(nóng)用保溫被芯材，選用傳熱系數(shù)作為實驗室內(nèi)評價保溫被保溫性的指標。具有良好保溫性的保溫被需保證其材料結(jié)構(gòu)膨松有彈性，而且達到一定的厚度;同時必須避免水對材料導熱系數(shù)的影響，做到表層防水。

(2)采用熱熔絮棉工藝，制作出膨松且密度穩(wěn)定的保溫被芯材。在面密度一定的情況下，通過調(diào)整芯材的厚度能制得不同厚度的芯材;在一定范圍內(nèi)，可以通過增加芯材的面密度來增加厚度，從而達到降低傳熱系數(shù)的目的。采用防水層復合工藝制作而成的D700型雙面防水新型保溫被戶外使用的效果明顯好于草簾子。

(3)參照NY/T 1831—2010標準，采用氣干狀態(tài)下的材料測試，相同試驗條件下各種材料的試驗結(jié)果具有一定的可比性。但該標準仍然存在一定缺陷，就是無法模擬戶外潮濕低溫狀態(tài)下材料保溫性能的變化。

(4)與針刺棉(毛)氈相比，在相同用料的情況下，熱熔絮棉芯材更加膨松，空氣保有量更多，保暖性更好。相同的保溫效果下，熱熔絮棉芯材質(zhì)輕、用料少，不僅節(jié)約了材料、降低了材料成本，而且以這種芯材制作的保溫被用作溫室大棚的覆蓋材料可大大降低溫室的承重，這將對以后溫室的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。

［1]葛志軍，傅理.國內(nèi)外溫室發(fā)展現(xiàn)狀與研究進展［J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36(35):15751-15753.

［2]徐剛毅，周長吉.日光溫室PE發(fā)泡自防水保溫被的研制與性能測試［J].農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21(1):128-131.

［3]劉增錄，劉天愚.GB/T 11048—1989紡織品保溫性能試驗方法［S].北京:紡織工業(yè)部標準化研究所，1989.

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［5]胡達明，趙士懷，黃夏東，等.建筑節(jié)能設計中圍護結(jié)構(gòu)用材料的隔熱性能及其相關性探討［J].建筑砌塊與砌塊建筑，2007(4):8-11.

［6]蔡龍俊，魯雅萍.農(nóng)業(yè)溫室供熱系統(tǒng)的研究與設計［J].建筑熱能通風空調(diào)，2001(2):23-24，40.

［7]張玉惕.產(chǎn)業(yè)用紡織品［M].北京:中國紡織出版社，2009:1-35，54-78.

New structure and thermal insulation performance analysis on greenhouse covering quilt

Chen Haizhen1，Zhang Fangjun2and Lou Jie3(1.Zhejiang Textile＆ Fashion College;2.Science and Technology Developing Center for Textile Industry; 3.Ningbo Zhongzhi Agri.Co.，Ltd.)

In this article，new structure of greenhouse covering quilt was founded on principle of building insulation，and its insulation performance was analyzed by the tests of industry standard NY/T1831—2010 and the comparation tests of actual room temperature in Beijing greenhouses.Then the reasonability of new structure and the feasibility of NY/T1831—2009 standard were evaluated.The result was that new structure of greenhouse covering quilt has water-proof in both sides and heat-bonded wadding in core;its thermal insulation performance was better than other covering materials and straw curtains.D700 can be used in the area where the lowest temperature in winter is no more than －15℃.And the evalution of industry standard test ignored thermal insulation performance of hygroscopic materials outdoor in rain and snow.

greenhouse covering quilt，thermal insulation performance，water-proof in both sides，heat-bonded wadding，coefficient of heat transfer，greenhouse

TS106.64

A

1004－7093(2010)12－0012－05

*中國紡織工業(yè)協(xié)會科技指導性項目(2008116)，浙江省教育廳項目(Y201009960)

2010－11－25

陳海珍，女，1978年生，講師。主要從事紡織服裝技術開發(fā)工作。