TRIZ理論在解決溫室前屋面保溫問題中應(yīng)用的探索

吳海峰

摘要

針對(duì)傳統(tǒng)溫室保溫方法中存在的問題與缺陷，應(yīng)用TRIZ理論與方法，結(jié)合自己在溫室工程方面積累的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了系統(tǒng)分析，大膽地提出了兩種解決方案：①采用TRIZ理論中發(fā)明原理NO.31多孔材料得到的解決方案；②由發(fā)明原理NO.39惰性環(huán)境得到的解決方案。經(jīng)驗(yàn)檢，將泡沫塑料、海綿和珍珠綿等具有空、輕質(zhì)、易卷曲的物體加入覆蓋材料中間并取代一部分原有的材料，從而達(dá)到既能提高保溫性又可以達(dá)到不會(huì)增加覆蓋材料重量的目的，是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞溫室保溫；TRIZ理論；物理矛盾；科學(xué)效應(yīng)

中圖分類號(hào)S214.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-309-02

一直以來，人們衡量一座溫室性能優(yōu)劣的主要參數(shù)就是溫度，在不通風(fēng)情況下，溫室前屋面是溫室散熱速度最快的部分，當(dāng)前我國乃至世界普遍存在溫室建造后出現(xiàn)前屋面保溫性較差的情況。為了彌補(bǔ)這種缺陷，使溫室溫度能夠滿足作物生長需求，國內(nèi)外科技人員致力于研究各種促使溫室溫度保持一定范圍的方法。目前常用的方法有：在前屋面覆蓋保溫被（圖1）、密集型草簾（圖2），還有在溫室中建造加熱系統(tǒng)（圖3），使用雙層或多層結(jié)構(gòu)的采光面等。

不管是那種方式方法都是出于對(duì)保溫系統(tǒng)的簡單改進(jìn)，而且原有的保溫方式普遍存在保溫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)費(fèi)時(shí)（保溫覆蓋材料不論是人工卷放還是動(dòng)力系統(tǒng)卷放均需花費(fèi)時(shí)間）、費(fèi)力（人工卷放覆蓋材料）、費(fèi)電（動(dòng)力系統(tǒng)卷放及加熱系統(tǒng)運(yùn)行）的現(xiàn)象，尤其是現(xiàn)有的動(dòng)力卷放系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)存在著系統(tǒng)比較復(fù)雜、安全性較低（動(dòng)力卷放系統(tǒng)機(jī)械故障引發(fā)的安全事故）的情況，現(xiàn)有的各種系統(tǒng)日常運(yùn)行維修也有不小的花費(fèi)。

1TRIZ理論

TRIZ理論是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其團(tuán)隊(duì)自1946年以來通過對(duì)250萬份出色專利進(jìn)行分析研究而獲得的方法論。該理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明中存在的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，獲得最終的理想解。它不是采取折衷或者妥協(xié)的做法，而是基于技術(shù)的發(fā)展演化規(guī)律研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，使研究工作不再是隨機(jī)的行為。TRIZ常用工具有沖突矩陣、76標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ、物質(zhì)-場分析、科學(xué)效應(yīng)等40個(gè)創(chuàng)新原理，39個(gè)通用工程技術(shù)參數(shù)，物理學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理知識(shí)庫等。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。

應(yīng)用TRIA 理論解決問題的一般過程是首先將工程中遇到的問題進(jìn)行抽象轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，然后利用TRIZ工具得到通用解，再針對(duì)工程問題應(yīng)用相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將通用解轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q工程問題的最終解。由于TRIZ理論的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，用該理論解決問題的比直接用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)解決問題的效率和質(zhì)量高很多。

2解決溫室前屋面的保溫問題

任何事物間矛盾是普遍存在的，沖突是矛盾的極端表現(xiàn)，只有不斷地發(fā)現(xiàn)并解決沖突，社會(huì)才能發(fā)展和進(jìn)步。產(chǎn)品設(shè)計(jì)也具有同樣的規(guī)律，未克服沖突的設(shè)計(jì)不是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。阿奇舒勒通過研究，總結(jié)出39個(gè)系統(tǒng)矛盾對(duì)立的通用工程技術(shù)參數(shù)，并且提煉出了解決矛盾的40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法，進(jìn)而由39個(gè)矛盾對(duì)立的通用工程技術(shù)參數(shù)和40個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解組成了矛盾矩陣。利用TRIZ矛盾矩陣表，首先將特定的問題準(zhǔn)確地描述后，應(yīng)用39個(gè)技術(shù)參數(shù)，使其變?yōu)橐话阈再|(zhì)的問題；繼而，從表中的40個(gè)解中找到解決問題的一般方法；最后，結(jié)合實(shí)際工程情況，形成特定的解決方法。

2.1應(yīng)用TRIZ定義沖突

技術(shù)沖突是指在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中2個(gè)參數(shù)之間的矛盾，為了改善技術(shù)系統(tǒng)中的某個(gè)參數(shù)，而導(dǎo)致了該技術(shù)系統(tǒng)中的另一個(gè)參數(shù)惡化，因而這2個(gè)參數(shù)之間產(chǎn)生了矛盾。以采用保溫被或草簾覆蓋保溫為例，在原材料不變的情況下，要想提高覆蓋材料的保溫性能，就得增加單位面積上的厚度，即增加了物體的重量，這是39個(gè)通用工程參數(shù)中的第1個(gè)“運(yùn)動(dòng)物體的重量”。這樣的結(jié)果導(dǎo)致了由于重量的增加，覆蓋材料產(chǎn)生的有害因素就惡化了，比如材料成本的增加使性價(jià)比降低；安裝使用方便可大大節(jié)約用戶的使用成本，整體安裝合理也能提高保溫效果，但是重量的增加會(huì)導(dǎo)致安裝使用困難，整體安裝并不一定能夠合理；重量增加后卷簾機(jī)的負(fù)載勢必增加，也會(huì)發(fā)生卷不起覆蓋材料的情況（人工卷放草簾變得更加費(fèi)力）；重量增加后覆蓋材料對(duì)骨架的壓力隨之增大，這是39個(gè)通用工程參數(shù)中的第31個(gè)“物體產(chǎn)生的有害因素”。

根據(jù)分析得出的通用工程參數(shù)No.1和No.31可以在沖突矩陣中找出推薦的發(fā)明原理為No.22變有害為有益，No.35參數(shù)變化，No.31多孔材料和No.39惰性環(huán)境。

2.2應(yīng)用TRIZ發(fā)明原理提出的解決方案

對(duì)沖突矩陣提供的4個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行綜合分析，提出了以下2種解決方案。

（1）由發(fā)明原理No.31多孔材料得到的解決方案。 TRIZ理論中發(fā)明原理No.31多孔材料是指①使物體變?yōu)槎嗫谆蚣尤攵嗫孜矬w；②如果物體是多孔結(jié)構(gòu)，在小孔中事先引入某種物質(zhì)。在這里可以考慮采用加入多孔物體，由于人們主觀上希望覆蓋材料保溫、輕便、卷放自如，所以可以將泡沫塑料、海綿或者珍珠棉等有空、輕質(zhì)、易卷曲的物體加入到覆蓋材料中間并取代一部分原有的材料，從而達(dá)到既能提高保溫性又不會(huì)增加覆蓋材料重量的目的。

（2）由發(fā)明原理No.39惰性環(huán)境得到的解決方案。TRIZ理論中發(fā)明原理No.39惰性環(huán)境是指①用惰性環(huán)境代替通常環(huán)境；②在真空中進(jìn)行某過程。在真空中進(jìn)行某過程在這里不適用，可以選擇用惰性環(huán)境代替常溫常壓環(huán)境。保溫被中填充惰性氣體在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中不可能實(shí)現(xiàn)，由于塑料薄膜不透氣，因此可以考慮采用將塑料薄膜做成雙層的（類似氣墊床），溫室覆膜時(shí)在雙層中間填充惰性氣體可達(dá)到即透光又隔熱的作用。這樣做省去了保溫被及其配套設(shè)施的使用和管理費(fèi)用大大節(jié)約了成本。

2.3應(yīng)用物理矛盾解決方法解決問題

根據(jù)TRIZ理論，對(duì)溫室保溫被進(jìn)行分析。一方面人們要求保溫被很厚實(shí)，從而增加保溫性，能夠解決溫室前屋面散熱的問題。隨之出現(xiàn)的不利因素，即由于保溫被變厚加重將會(huì)對(duì)塑料薄膜和骨架造成一定傷害；另外一面人們又希望保溫被很薄，減少整體重量，減少對(duì)塑料薄膜和骨架的壓力，又容易被卷起。這里就出現(xiàn)了一對(duì)物理矛盾。

通過查找TRIZ理論中物理矛盾的11種解決方法，發(fā)現(xiàn)第11種解決方法即通過物理作用及化學(xué)反應(yīng)使物質(zhì)從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài)的方法可以用來解決這個(gè)問題。即可以考慮采用微孔發(fā)泡技術(shù)，將保溫被中的保溫材料如毛氈、無紡布等進(jìn)行發(fā)泡，使這些材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變成多孔結(jié)構(gòu)。在保證保溫被厚度不變的情況下，中間保溫材料的質(zhì)量變輕，而保溫性又得到了提高。

根據(jù)溫室工況要求溫室前屋面在天氣寒冷或外界溫度低的情況下保證溫室內(nèi)熱量不要或較少地流失，并不一定需要使用保溫被。因此，可以考慮將溫室前屋面的塑料薄膜做成雙層可充氣的結(jié)構(gòu)。在環(huán)境溫度低時(shí)，可以給其充入惰性氣體覆蓋在前屋面，即保溫又不影響透光，如環(huán)境溫度高了，可放掉充入的惰性氣體。這樣即方便使用，又節(jié)約了許多材料成本。

2.4應(yīng)用科學(xué)效應(yīng)解決問題

在TRIZ理論中，科學(xué)效應(yīng)庫是解決問題的重要工具。效應(yīng)是在特定條件下，在技術(shù)系統(tǒng)中實(shí)施自然規(guī)律的技術(shù)結(jié)果，是場（能量）與物質(zhì)之間的互動(dòng)結(jié)果。效應(yīng)也能看作是一種功能，他使物質(zhì)、場或兩種的組合，將輸入作用轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧妮敵鲎饔?。通過選擇不同的效應(yīng)、物質(zhì)參數(shù)，可以控制效應(yīng)的轉(zhuǎn)換效果?？傊茖W(xué)效應(yīng)是科學(xué)原理、現(xiàn)象、定理和定律的集中表現(xiàn)形式和實(shí)施的必然結(jié)果。科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象的應(yīng)用，對(duì)解決技術(shù)創(chuàng)新問題具有超乎想象的、強(qiáng)有力的幫助和支持。

一級(jí)相變即在發(fā)生相變時(shí)，有體積的變化同時(shí)也有熱量的吸收或釋放。相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固-液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時(shí)，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時(shí)，儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。

根據(jù)這個(gè)科學(xué)效應(yīng)，可以利用現(xiàn)有的新技術(shù)材料復(fù)合相變材料，在保溫被靠近前屋面的面層材料和保溫材料中添加一定量的復(fù)合相變材料，白天溫度高時(shí)復(fù)合相變材料吸收并儲(chǔ)存大量的潛熱，夜晚溫度低時(shí)保溫被覆蓋在前屋面，儲(chǔ)存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)散發(fā)到溫室內(nèi)部。這樣做不但起到了保溫被的保溫效果，也給溫室增加了一定的熱量。

2.5確定的最終解

根據(jù)TRIZ理論的相關(guān)知識(shí)，提出了解決溫室前屋面保溫問題的方案，這些方案從理論角度都是可行的，但是并沒有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。由發(fā)明原理No.31多孔材料得到的解決方案即將泡沫塑料、海綿或者珍珠綿等有空、輕質(zhì)、易卷曲的物體加入到覆蓋材料中間并取代一部分原有的材料，從而達(dá)到既能提高保溫性又不會(huì)增加覆蓋材料重量的目的，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)是切實(shí)可行的。由此，確定了解決溫室前屋面保溫問題的理想解是在保溫被中填充多孔材料。

3結(jié)論

由上面解決問題的具體過程中可以強(qiáng)烈感受到TRIZ理論在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。TRIZ理論具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢，他著力于澄清和強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)中存在的矛盾，而不是逃避矛盾，其目標(biāo)是完全解決矛盾，它能夠幫助研究者系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或者矛盾，能夠準(zhǔn)確地確定問題探索的方向，突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題，進(jìn)行系統(tǒng)思維與創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1]

檀潤華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)：TRIZ發(fā)明問題解決理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 檀潤華.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的沖突確定方法及解決過程[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2003，20（10）：4-7.

[3] 周樹溫.基于TRIZ理論的溫室大棚卷膜機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012（2）：4-7.