一種新疆常用保溫被的性能測(cè)試與分析

姜魯艷+張彩虹+吐爾遜娜依·熱依木江+馬艷+于秀針+馬彩雯

【摘要】針對(duì)新疆市場(chǎng)上現(xiàn)有保溫被在日光溫室生產(chǎn)中保溫效果欠佳的實(shí)際問題，本文試驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室安裝的一種保溫被，材料由外到內(nèi)為土工膜膠氈+毛氈+土工膜膠氈，重量2.1 kg/m2。按照保溫被使用年限對(duì)選取保溫被進(jìn)行保溫性能測(cè)試，采用溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)試臺(tái)進(jìn)行保溫被整體傳熱系數(shù)測(cè)試；對(duì)保溫被整體、內(nèi)表層及外表層材料進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試；為了研究保溫被的動(dòng)態(tài)性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，進(jìn)行拉伸效果比對(duì)；評(píng)價(jià)保溫被在新疆地區(qū)使用過程中存在的問題，為適于新疆不同生態(tài)區(qū)保溫被的選型與改進(jìn)提供理論依據(jù)。

距今，新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)經(jīng)歷了20多年的發(fā)展，截至2015年底全疆設(shè)施農(nóng)業(yè)面積達(dá)到91萬畝（6 萬hm2），相關(guān)設(shè)施裝備也有較快的發(fā)展。對(duì)于日光溫室，在其外圍護(hù)表面中，前屋面是主要的散熱面，其傳熱系數(shù)最大，散失的熱量約占溫室熱量總損失的70%～80%[1]。因此，在冬季日光溫室整體保溫性能中，前屋面覆蓋材料的保溫能力對(duì)溫室的保溫性能有著很大的影響。國(guó)外，Garzoli、Blackwell建立了溫室單層、雙層塑料薄膜覆蓋在夜間的熱量損失模型[2-3]，Nijiskens等建立了考慮半透明覆蓋材料對(duì)于遠(yuǎn)紅外輻射透過特性的溫室覆蓋材料傳熱模型[4]。國(guó)內(nèi)，凌堅(jiān)、李樹海等分別建立了溫室多層覆蓋的傳熱模型[5-6]。近年來，已經(jīng)研究開發(fā)了各種類型的保溫被，并得到大量的生產(chǎn)和應(yīng)用[7-11]。對(duì)于已有的保溫被產(chǎn)品，其保溫性能可在保溫被使用中的溫室現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)定[12-14]，或在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)定[12，15-17]。新疆地區(qū)用于保溫被的材料也是各種各樣，鮮少有一個(gè)較為規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。有些保溫被覆蓋材料在初始性能測(cè)試時(shí)表現(xiàn)很差，達(dá)不到保溫效果；有些保溫被初始性能較好，但在使用過程中，在天氣、外力等作用下，保溫被保溫性能快速下降，使得溫室更新保溫被的頻率過快，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。由于這種種因素，制約著日光溫室保溫性能的發(fā)揮。所以，針對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問題，本試驗(yàn)選用在新疆標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室上安裝，應(yīng)用面積較大的一種保溫被，針對(duì)這種保溫被的使用年限進(jìn)行跟蹤測(cè)試，根據(jù)NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)定方法》的規(guī)定，采用溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)試臺(tái)[18-20]對(duì)保溫被的傳熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試；對(duì)保溫被整體材料、外表層材料及內(nèi)表層材料分別進(jìn)行了單獨(dú)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試；為了研究保溫被的動(dòng)態(tài)性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，進(jìn)行拉伸效果比對(duì)；評(píng)價(jià)保溫被在新疆地區(qū)使用過程中存在的問題，為適于新疆不同生態(tài)區(qū)保溫被的選型與改進(jìn)提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料

◎ 試驗(yàn)保溫覆蓋材料

試驗(yàn)所選用的保溫覆蓋材料由外到內(nèi)為土工膜膠氈+毛氈+土工膜膠氈，重量2.1 kg/m2（圖1）。

◎ 試驗(yàn)溫室

測(cè)試溫室地點(diǎn)為西山農(nóng)牧場(chǎng)項(xiàng)目示范區(qū)，距離烏魯木齊市18 km，地處北緯43°31'30"，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，日照充足、氣候干燥、風(fēng)沙大，每年8級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)在28天以上。

測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)能日光溫室（圖2）由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)建造，針對(duì)烏魯木齊縣的氣候特點(diǎn)設(shè)計(jì)。配備JLL-1.5型電動(dòng)卷簾機(jī)、5LDRF-2型燃煤熱風(fēng)爐以及采用齒輪齒條式開窗等溫室專用設(shè)備。

測(cè)試溫室結(jié)構(gòu)的骨架為圓拱形拉花焊接式骨架結(jié)構(gòu)，采用無立柱輕型后屋面結(jié)構(gòu)，測(cè)試溫室內(nèi)種植品種為番茄。該溫室的基本參數(shù)如表1。

試驗(yàn)方法

針對(duì)已選擇的保溫被，從2013年新被的初始狀態(tài)開始，在標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室使用過程中第1年（2014年）和第2年（2015年）后，各截取同一個(gè)溫室使用中1 m2的保溫被進(jìn)行跟蹤測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

室內(nèi)外溫度分析

數(shù)據(jù)采集儀器為JZH-P06-12無線多路溫度傳感器，間隔10 min對(duì)室內(nèi)外溫度采集1次數(shù)據(jù)，本次分析采用2015年冬至日當(dāng)天及以后的兩個(gè)整天數(shù)據(jù)，經(jīng)過整理分析結(jié)果如圖3。

測(cè)試結(jié)果表明：2015年12月22日～12月24日的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)能日光溫室內(nèi)，假設(shè)日光溫室內(nèi)使用的熱風(fēng)爐出風(fēng)口溫度恒定，三天溫度平均值在0：00時(shí)室外溫度為-12.03℃室內(nèi)溫度為11.5℃；在6：00時(shí)室外溫度為-11.89℃室內(nèi)溫度為9.26℃，在14：00時(shí)室外溫度為-7.61℃室內(nèi)溫度為24.06℃；在22：00時(shí)室外溫度為-10.79℃室內(nèi)溫度為13.03℃，室內(nèi)外溫差均在20℃以上，說明使用中的保溫被可以起到一定的保溫效果。

保溫被試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)選用在標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室上安裝，且在新疆大面積應(yīng)用的一種保溫被，進(jìn)行保溫被整體傳熱性能測(cè)試，測(cè)試方法按照NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性測(cè)定方法》的規(guī)定進(jìn)行。傳熱系數(shù)是反映這一復(fù)合過程中傳熱性能的綜合性指標(biāo)，它綜合反映了覆蓋材料自身物理特性以及與周圍環(huán)境的相互作用，直接表示熱量傳遞能力的大小。測(cè)試分析如表2。

測(cè)試結(jié)果表明：初始狀態(tài)下的傳熱系數(shù)值最小，根據(jù)使用年限傳熱系數(shù)逐年上升，初始性能的熱節(jié)省率為82.74%，使用1年后下降變化較小，使用2年后下降至78.20%，使用1年后比初始狀態(tài)下多消耗熱能0.09%，使用2年后比使用1年后多消耗熱能4.45%。保溫性能減弱。

保溫被導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試

按照保溫被使用年限對(duì)選取保溫被進(jìn)行測(cè)試，對(duì)保溫被整體材料、表層材料及里層材料分別進(jìn)行了單獨(dú)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3。

對(duì)保溫被各層材料性能進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，表明里層材料的導(dǎo)熱系數(shù)變化較小，整體保溫被導(dǎo)熱性能由初始的0.094 W/（m·K）到使用2年后的0.144 W/（m·K），保溫導(dǎo)熱性能下降較明顯，但并不影響對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的分析。

保溫被拉伸性能測(cè)試

保溫被的使用環(huán)境要求保溫被的外層材料要具備較強(qiáng)的抗拉性能，在風(fēng)速快，風(fēng)力強(qiáng)的冬季夜晚，保護(hù)保溫被不被撕裂。為了研究保溫被的動(dòng)態(tài)性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)試樣被卷放200、400、600次之后的拉伸強(qiáng)度，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

測(cè)試結(jié)果：整體保溫被在多次卷放后，斷裂強(qiáng)力變化較小，僅減少10.7 N，變化最為明顯的是斷裂

生長(zhǎng)率，由初始的237.72%下降至106.05%，原因在于保溫被在使用過程中，由于保溫被縫合處進(jìn)水導(dǎo)致里層性能變化及太陽(yáng)輻射等原因，原本的柔性材料變脆變硬，在外力作用下容易撕裂。日光溫室保溫被的使用壽命與保溫被的整體傳熱性能，抗拉伸性能有關(guān)。

討論

① 新疆地區(qū)用于標(biāo)準(zhǔn)化日光溫室的保溫被的保溫性能與保溫被自身縫合方式及連接方式有關(guān)。由于雨雪從縫合處或粘貼處進(jìn)入保溫被里層，使得里層浸濕、腐爛，從而導(dǎo)致保溫被失去保溫效果，要提高保溫被的保溫效果，要提高保溫被的縫合或粘貼處的密封設(shè)計(jì)。② 里層材料要保持較為穩(wěn)定的蓬松度，且保溫傳熱性能較好，這與抗拉伸性能有關(guān)。保溫體強(qiáng)度與里層材料密不可分，但在使用過程中，由于卷放次數(shù)的增多，內(nèi)層材料失去蓬松性變薄或分散開。所以保溫體設(shè)計(jì)：在一定厚度和重量情況下，蓬松且使用過程中變形少，能最大限度富含靜止空氣的材料較為適用。③ 銷售保溫被的生產(chǎn)廠家，要根據(jù)已發(fā)布的新疆地方標(biāo)準(zhǔn)《日光溫室保溫被質(zhì)量評(píng)價(jià)》的要求，規(guī)范保溫被的寬度、厚度和單位面積質(zhì)量等生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，如有需要可建立行業(yè)協(xié)會(huì)，防止低價(jià)惡性競(jìng)爭(zhēng)，并在保溫被產(chǎn)品上標(biāo)明各種參數(shù)，如傳熱系數(shù)、抗拉性能等。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳端生，鄭海山，劉步洲.日光溫室氣象環(huán)境綜合研究（一）——

墻體、覆蓋物熱效應(yīng)研究初報(bào)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1990，6（2）：

77-81.

[2] Garzoli K V，Blackwell J.An analysis of the nocturnal

heat loss from a single skin plastic greenhouse[J].

Journal of Agricultural Engineering Research 1981，

26（3）： 203-204.

[3] Garzoli K V， Blackwell J. An analysis of the nocturnal heat

loss from a double skin plastic greenhouse[J].Journal of

Agricultural Engineering Research 1987， 36（2）： 75-85.

[4] Nijskens J，Deltour J，Coutisse S，et al.Heat transfer

through covering materials of greenhouse[J].Agricultural

and Forest Meteorology， 1984， 33（2/3）： 193-214.

[5] 凌堅(jiān)，馬承偉，林聰，等.溫室綴鋁膜保溫幕節(jié)能性能的實(shí)驗(yàn)

研究初報(bào)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（1）：89-92.

[6] 李樹海，馬承偉，張俊芳，等.多層覆蓋連棟溫室熱環(huán)境模型構(gòu)

建[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（3）：217-221.

[7] 徐剛毅，董天峰.日光溫室保溫被發(fā)展近況[J].蔬菜，1998（5）：14.

[8] 張放軍，陳海珍.日光溫室保溫被的發(fā)展現(xiàn)狀分析與進(jìn)展[J].

紡織導(dǎo)報(bào)，2011（1）：73-76.

[9] 劉瓔瑛，丁為民，張劍鋒.日光溫室保溫簾揭蓋時(shí)間的確定[J].

農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（04）：230-233.

[10] 鐘巖，羅新蘭，李炳海，等.沈陽(yáng)地區(qū)日光溫室揭蓋時(shí)間的模

擬[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（3）：403-405.

[11] 佟國(guó)紅，Christopher D M.，李天來，等.日光溫室保溫被卷

放位置對(duì)溫度環(huán)境的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（10）：

253-258.

[12] 陳端生，邱建軍，王剛，等.幾種日光溫室外保溫覆蓋材料的

保溫性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1996，12（增刊）：108-115.

[13] 周長(zhǎng)吉，周新群，桂金光.幾種日光溫室復(fù)合保溫被保溫性能

分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（2）：168-171.

[14] 柴立龍，馬承偉，王明磊，等.日光溫室外覆蓋復(fù)合材料保溫

性能的實(shí)驗(yàn)研究[C].中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2007.

[15] 周新群.蜂窩結(jié)構(gòu)材料保溫性能及其應(yīng)用研究[D].北京：中

國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，1998.

[16] 覃密道.覆蓋材料傳熱系數(shù)測(cè)試技術(shù)和設(shè)備的研究[D].北京：

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[17] 張俊芳.溫室覆蓋層傳熱及傳熱系數(shù)的理論解析與驗(yàn)證[D].

北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[18] Geoola F， Kashti Y， Levi A， et al. A study of the overall

heat transfer coefficient of greenhouse cladding

materials with thermal screen using the hot box

method[J]. Polymer Testing， 2009， 28（5）： 470-474.

[19] 張俊芳，馬承偉，覃密道，等.溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái)

的研究開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（11）：141-145.

項(xiàng)目支持：新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃（201130104），

新疆設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（xjnkkl-2013-002）。

作者簡(jiǎn)介：姜魯艷（1982-），女，山東人，助理研究員，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)工程。

通信作者：馬彩雯（1965-），女，天津人，研究員，研究方向：設(shè)施農(nóng)業(yè)。