江蘇地區(qū)設(shè)施園藝保溫材料的選型及應(yīng)用

虞利俊　徐磊　柳軍　蔣希芝　夏禮如

摘要：江蘇省作為東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份，人們生活水平有了較大提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求越來(lái)越高，也帶動(dòng)了全省高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展。然而，復(fù)雜的氣候特征導(dǎo)致江蘇省設(shè)施園藝種植類型的多樣化，加上江蘇地區(qū)冬季經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低溫寡照、連續(xù)陰雨的天氣，因此，設(shè)施的保溫性能在冬季設(shè)施種植過程中起非常重要的作用。綜述目前國(guó)內(nèi)外使用較成熟的幾種保溫材料，結(jié)合江蘇地區(qū)的設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，以期為今后江蘇地區(qū)設(shè)施種植保溫材料的選型與應(yīng)用提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：江蘇地區(qū)；設(shè)施園藝；保溫材料；選型

中圖分類號(hào)： S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0251-02

收稿日期：2016-12-08

基金項(xiàng)目：省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地——江蘇省食品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：028064911406）。

作者簡(jiǎn)介：虞利?。?973—），男，江蘇丹陽(yáng)人，副研究員，主要從事設(shè)施種植結(jié)構(gòu)及材料的應(yīng)用研究。E-mail： 251512339@qq.com。

通信作者：夏禮如，江蘇泰州人，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)、材料及裝備研究。E-mail： xlrjaas@126.com。 設(shè)施園藝是一種發(fā)達(dá)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，不僅集成了傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)，更增加了工程裝備、生物環(huán)境、功能材料等現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)，使其具有技術(shù)密集、集約化及商品化程度高的特點(diǎn)，可有效提高資源利用率、單位面積的土地產(chǎn)出率及勞動(dòng)生產(chǎn)率，綜合提高了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量、效益及競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整[1]。設(shè)施園藝的快速發(fā)展有力地保障了我國(guó)居民農(nóng)產(chǎn)品的安全供給、提高了資源利用率、促進(jìn)了農(nóng)民增收、加快了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。設(shè)施園藝在我國(guó)各地的發(fā)展并不平衡，在部分地區(qū)取得了令人矚目的成績(jī)，如山東省已成為滿足北京市等大城市蔬菜供給的重要生產(chǎn)基地，山東省壽光市更是成為我國(guó)最大的蔬菜集散地，壽光模式不斷地在其他急須發(fā)展設(shè)施園藝的區(qū)域快速擴(kuò)張。江蘇省作為東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份，人們生活水平有了較大提高，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求越來(lái)越高，也帶動(dòng)了全省高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展，目前江蘇省高效農(nóng)業(yè)已經(jīng)占到全省農(nóng)業(yè)的30%以上。設(shè)施農(nóng)業(yè)，尤其是設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)作為高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在江蘇省得到各級(jí)政府的重視，為江蘇省“菜籃子工程”提供了堅(jiān)實(shí)保障，也為提高農(nóng)民收入提供了新的途徑[3-4]。然而，由于江蘇省地處中緯度的海陸過渡帶和氣候過渡帶，兼受西風(fēng)帶、副熱帶和低緯東風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的影響，一般以淮河、蘇北灌溉總渠一線為界，以北地區(qū)屬暖溫帶濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，以南地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。復(fù)雜的氣候特征導(dǎo)致江蘇設(shè)施園藝種植類型的多樣化，淮河以北地區(qū)常見的種植類型有日光溫室、連棟大棚以及傳統(tǒng)的鋼架大棚，淮河以南地區(qū)以連棟大棚及鋼架大棚較常見。設(shè)施類型的多樣化，加上江蘇地區(qū)冬季經(jīng)常出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間低溫寡照、連續(xù)陰雨的天氣，因此，設(shè)施的保溫性能在越冬的設(shè)施種植過程中起非常重要的作用。本研究綜述了目前國(guó)內(nèi)使用較成熟的幾種設(shè)施保溫材料，結(jié)合江蘇地區(qū)的設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，為今后江蘇地區(qū)設(shè)施種植保溫材料的選型與應(yīng)用提供一些參考性建議。

1 設(shè)施保溫材料的類型

設(shè)施農(nóng)業(yè)是一項(xiàng)耗能產(chǎn)業(yè)。長(zhǎng)期以來(lái)，溫室的保溫節(jié)能問題一直是各國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)專家普遍關(guān)注和研究的重點(diǎn)。溫室的圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能影響內(nèi)部環(huán)境，熱阻較小的保溫材料占圍護(hù)結(jié)構(gòu)很大比重，是溫室熱量進(jìn)出的主要通道，很大程度上影響室內(nèi)的光溫環(huán)境。溫室的保溫材料傳熱系數(shù)或熱節(jié)省率的確定，原則上和最基本的方法是在實(shí)驗(yàn)室或在使用中的溫室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)直接測(cè)定的，傳熱系數(shù)是最直觀的判斷標(biāo)準(zhǔn)。試件傳熱系數(shù)越低則傳熱阻及熱節(jié)省率越高，其保溫材料的保溫性能越好。在溫室覆蓋材料的傳熱特性研究方面，邱建軍等利用穩(wěn)態(tài)傳熱理論設(shè)計(jì)出絕熱模型箱，在無(wú)風(fēng)和不受凈輻射影響條件下，測(cè)定出一系列保溫材料的傳熱系數(shù)[5]。陳青云等在PO和PVC薄膜溫室的光、溫、環(huán)境及其與薄膜流滴性能的關(guān)系方面也作了大量研究，在PO膜的基礎(chǔ)上開發(fā)出防霧功能膜，其開發(fā)的防霧滴劑具有兩親性的分子結(jié)構(gòu)，在薄膜表面發(fā)生取向，親水基向外，疏水基向內(nèi)，可起到降低水的表面張力、促使凝聚在膜表面的水滴鋪展而后順膜流下的作用[6]。防霧滴劑的作用過程實(shí)際上是其在膜中自遷移的動(dòng)態(tài)過程，其分子中的親水基團(tuán)在膜表面不斷與水結(jié)合而逐漸流失，隨著防霧滴劑流失量的增加，其降低水表面張力的能力減弱，一段時(shí)間后薄膜會(huì)因此而喪失效能，薄膜增加防霧效果的同時(shí)，覆膜的保溫隔熱效果會(huì)有所降低[7]。因此，在設(shè)施園藝生產(chǎn)中合理選擇覆膜及外保溫材料尤為重要。

設(shè)施園藝的保溫材料就其應(yīng)用范圍來(lái)講，可分為外層保溫被、相變保溫材料（phase change material，PCM）、內(nèi)層隔熱材料3種類型。

1.1 外層保溫被

外層保溫被從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，一般由外防水表面層及內(nèi)保溫隔熱芯層組成。外防水表面層通常由黑色淋膜氈、鍍鋁編織布、涂銀迷彩布、三防布、刀刮布、南韓布、迷彩布、有機(jī)硅布、彩條布、棉帆布等防水隔熱材料組成；內(nèi)保溫隔熱芯層通常由太空棉、珍珠棉、噴膠棉、無(wú)紡布、毛氈材料等結(jié)構(gòu)較疏松，含空隙多的材料組成。孫信成等測(cè)試了目前市場(chǎng)上常見的 17 種保溫覆蓋材料及其組合成的 41 種保溫被的傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率，發(fā)現(xiàn)涂銀迷彩布、鍍鋁編織布和黑色淋膜氈的保溫性顯著高于其他表層保溫材料，適合作保溫被的外層材料；保溫被芯材料中以毛氈、太空棉的保溫隔熱效果最好，是優(yōu)質(zhì)的保溫被內(nèi)芯材料，花色氈、黑色無(wú)紡布、白色無(wú)紡布和珍珠棉次之；其中以涂銀迷彩布+珍珠棉+太空棉+珍珠棉+鍍鋁編織布組合的保溫被質(zhì)量輕，保溫效果較好[8]。外界溫度越低，覆蓋保溫被的保溫效果越顯著，即增溫幅度越高；晴天天氣條件下的保溫效果要高于陰天，即使在陰天有散射光時(shí)，揭開保溫被也可使棚內(nèi)溫度比室外溫度稍有升高，1 d 中溫度最低值一般出現(xiàn)在凌晨[9]。endprint

1.2 相變保溫材料

相變保溫材料是利用材料在物相變化過程中吸收或釋放大量的熱量，而自身溫度范圍變化較小的特性，進(jìn)行能量的儲(chǔ)存或釋放[10-11]。它具有相變潛熱高、儲(chǔ)能密度大、相變過程溫度變化小、相變過程簡(jiǎn)單易控等優(yōu)點(diǎn)[12-13]，在航空航天、建筑工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景[14-15]。相變材料根據(jù)其相變溫度可分為高溫相變材料、中溫相變材料、低溫相變材料，其中，低溫相變材料相變溫度范圍為0～100 ℃，為農(nóng)業(yè)溫室大棚有效儲(chǔ)能開辟了新的途徑，受到國(guó)內(nèi)外很多研究者的關(guān)注。相變材料依據(jù)其不同的相變狀態(tài)可分為固-固相變材料、固-液相變材料、液-液相變材料。為了得到相變溫度適當(dāng)、性能優(yōu)越的相變儲(chǔ)能材料，常常需要將幾種有機(jī)相變儲(chǔ)能材料復(fù)合以形成二元或多元相變儲(chǔ)能材料，有時(shí)也將有機(jī)相變儲(chǔ)能材料和無(wú)機(jī)相變儲(chǔ)能材料復(fù)合，以彌補(bǔ)二者的不足，得到性能更好的相變儲(chǔ)能材料。王宏麗等研究了硬脂酸正丁酯的相變溫度、潛熱值和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)硬脂酸正丁酯相變溫度適合、相變潛熱大、熱穩(wěn)定性能好，適合用作低溫相變儲(chǔ)熱材料，應(yīng)用保溫效果明顯[16-17]。陳超等研究了以石墨為主體的復(fù)合相變材料的蓄放熱性能，發(fā)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度可明顯增加，溫室的熱環(huán)境得到改善[18-19]。章學(xué)來(lái)等分析了不同成核劑對(duì)十二水磷酸氫二鈉過冷度的影響，發(fā)現(xiàn)添加氧化鋁和羧甲基纖維素鈉可有效降低過冷度，穩(wěn)定蓄熱體系，相變效果好[13]。Alkilani等針對(duì)玻璃溫室研究了相變蓄熱系統(tǒng)，提高了太陽(yáng)能儲(chǔ)能效率，溫室溫度顯著提高[20-21]。

1.3 內(nèi)層隔熱材料

內(nèi)層隔熱材料是用于溫室內(nèi)保溫的一種保溫隔熱材料，其針對(duì)設(shè)施大棚冬季保溫性能差、熱量損失較大的問題，在設(shè)施內(nèi)部覆蓋1層保溫隔熱材料用于防御冬季極低氣溫對(duì)農(nóng)作物的損害。內(nèi)層隔熱材料最大的特點(diǎn)就是其與設(shè)施結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使用成本較低，保溫性能較好。目前普遍使用的內(nèi)層隔熱材料通常以傳統(tǒng)的聚烯烴塑料為主，國(guó)外已有研究團(tuán)隊(duì)將聚烯烴發(fā)泡膜用于設(shè)施大棚的內(nèi)層隔熱材料，極大地降低膜的導(dǎo)熱率，從而提升了設(shè)施的保溫性能。發(fā)泡薄膜是以樹脂為基體，采用物理或化學(xué)發(fā)泡等方法，形成均勻的開孔或閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫體。泡沫塑料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如質(zhì)量輕、緩沖性能良好、隔熱及隔音效果佳等，可廣泛應(yīng)用于電子、精密設(shè)備等工業(yè)制品以及陶瓷、家電等生活用品的防震內(nèi)襯，成為現(xiàn)代包裝工業(yè)不可或缺的緩沖包裝材料，也常用作隔熱、隔音的建筑用材。目前生產(chǎn)制備發(fā)泡材料的工藝手段主要有2種，即模壓發(fā)泡和注塑發(fā)泡。模壓發(fā)泡工藝由來(lái)已久，生產(chǎn)手段較純熟，生產(chǎn)成本較少，但生產(chǎn)效率低，附帶的廢料較多。在薄膜發(fā)泡過程中，工藝條件（溫度、壓力、時(shí)間等）對(duì)材料的性能影響很大。當(dāng)溫度過低時(shí)，發(fā)泡劑無(wú)法完全分解，產(chǎn)生不了足夠的氣泡；交聯(lián)反應(yīng)也會(huì)受到限制，達(dá)不到發(fā)泡階段所需求的黏彈性。溫度過高時(shí)，發(fā)泡劑分解過快，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過量的氣體，交聯(lián)反應(yīng)也會(huì)過度，致使熔體松弛度不規(guī)律且粘度較低，表面作用力小，泡孔也會(huì)發(fā)生破裂或合并現(xiàn)象。壓力對(duì)模壓過程的影響相對(duì)較小，因?yàn)楦邏河欣谛纬蛇^飽和熔體，這種熔體有利于泡孔的形成；低壓則有利于泡孔在熔體中的成長(zhǎng)和定型，但如果壓力過低，分解產(chǎn)生的氣體會(huì)無(wú)規(guī)則地在熔體中擴(kuò)散，甚至出現(xiàn)氣體逃逸現(xiàn)象，導(dǎo)致泡孔不夠均勻且發(fā)生破裂，發(fā)泡材料的表面龜裂不平整。常見的模壓發(fā)泡時(shí)間控制為 400～800 s，溫度為165～180 ℃，壓力為 5～10 MPa。一般情況下，發(fā)泡倍率會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，但發(fā)泡時(shí)間過長(zhǎng)，不利于氣泡的定型，生產(chǎn)效率也會(huì)下降。因此，選擇合適的工藝及配方制備農(nóng)用發(fā)泡材料用于設(shè)施內(nèi)部的保溫，可有效降低設(shè)施的能耗，從而提升園藝設(shè)施的保溫性能。

2 江蘇地區(qū)設(shè)施保溫材料的選型

江蘇省淮河以北地區(qū)的設(shè)施類型中，日光溫室占比較多，可選用外層保溫被與棚內(nèi)相變保溫材料相結(jié)合的手段以提高冬季設(shè)施內(nèi)的極低溫度；連棟大棚及鋼架大棚可選用相變保溫材料與內(nèi)層隔熱材料相結(jié)合，利用相變材料的儲(chǔ)能與內(nèi)層隔熱材料的保溫性來(lái)提高棚內(nèi)的夜間溫度?；春右阅系貐^(qū)的設(shè)施類型主要以單體鋼架大棚為主，可選用內(nèi)層隔熱材料用于設(shè)施的保溫，減少熱量的流失，以提高設(shè)施內(nèi)夜間的溫度；如果遭遇極端低溫，可適時(shí)地選用相變保溫材料，將白天的熱量?jī)?chǔ)存下來(lái)用于夜間釋放以提高夜間的極低溫。

3 結(jié)論

本研究綜述了目前國(guó)內(nèi)使用較成熟的幾種設(shè)施保溫材料，結(jié)合江蘇地區(qū)的設(shè)施結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析得知，江蘇省淮河以北地區(qū)的日光溫室主要以外層保溫被與棚內(nèi)相變保溫材料相結(jié)合的手段，以提高冬季設(shè)施內(nèi)的極低溫度；連棟大棚及鋼架大棚以相變保溫材料與內(nèi)層隔熱材料相結(jié)合的方式。淮河以南地區(qū)以內(nèi)層隔熱材料為主，如遇特殊極端天氣，結(jié)合相變保溫材料用于冬季的保溫增溫。

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