山東壽光代表性保溫被保溫性能測試分析

劉晨霞 馬承偉 張錫玉

摘要：為了解市場上常用的日光溫室保溫被的保溫性能，收集了山東壽光地區(qū)有代表性的保溫被，對保溫被的厚度、質(zhì)量、傳熱系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行測試，并針對保溫被的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化及防水等問題進(jìn)行了討論。測試結(jié)果顯示：山東地區(qū)代表性保溫被的厚度為2.0—3.5 cm，單位面積質(zhì)量為1.2—4.5 kg/m2，傳熱系數(shù)為0. 55-1. 27 W/（m2.℃），所測試的保溫被的保溫性能優(yōu)于草苫;相同厚度情況下，以珍珠棉及珍珠棉與棉氈混合材料作為保溫芯材的保溫被，其保溫性能優(yōu)于與棉氈保溫被，且重量較輕;相同厚度的保溫被，其表觀密度越小時(shí)，保溫性能越好;相同材料保溫被的厚度越大，其質(zhì)量越大，保溫性能越好。目前山東保溫被的保溫性能已較好，但其生產(chǎn)仍未標(biāo)準(zhǔn)化、防水的問題也仍需進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞：日光溫室;保溫被;保溫性;傳熱系數(shù);測試

中圖分類號：S625.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2019） 24-0232-04

1 引言

在我國北方地區(qū)日光溫室種，前屋面熱量損失占整個(gè)溫室熱損失的60%以上[1，2]，是溫室熱量損失的主要部分，因此，最大限度地減少前屋面的熱量損失，是室內(nèi)維持一定夜間氣溫的必要措施。溫室前屋面覆蓋具有一定厚度的保溫材料可以有效地減少前屋面的熱量散失，達(dá)到節(jié)能效果。因此，在冬季，我國北方地區(qū)日光溫室前屋面夜間均覆蓋保溫性能良好的保溫材料，以維持溫室內(nèi)作物的正常生長。

草苫子是一種傳統(tǒng)的日光溫室保溫覆蓋，其傳熱系數(shù)小，保溫性能優(yōu)[3-5]，但也存在太笨重，不防水，被雨雪浸濕，使得本身的重量加重、保溫性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。近年來，隨著土地耕作方面機(jī)械化作業(yè)水平不斷提高、秸稈還田力度也不斷加大，可用于保溫覆蓋加工的材料供應(yīng)越來越少，因此，草苫的成本越來越高。而不斷增長的園藝設(shè)施面積，使得對保溫覆蓋材料的需求量不斷增多，因此，保溫性能優(yōu)良、且具有防水功能保溫被的研發(fā)迫在眉睫。自20世紀(jì)80年代，一些研究者不斷地嘗試用不同材料開發(fā)保溫被，并制作出多種不同材料組成及不同結(jié)構(gòu)的保溫被[6-12]。與此同時(shí)，全國各地保溫被加工廠層出不窮。蔬菜之鄉(xiāng)——山東壽光地區(qū)就成立了幾十家保溫被加工廠，這些保溫被加工廠生產(chǎn)的保溫被，多以再生棉、珍珠棉及噴膠棉等為材料，防水材料多為鍍鋁珍珠棉。但是由于行業(yè)內(nèi)沒有一定保溫被制作標(biāo)準(zhǔn)，全憑經(jīng)驗(yàn)，保溫被的厚度及保溫性等性能也不盡相同。

保溫被的傳熱系數(shù)（K）可直接反映保溫被熱量傳遞能力，是評價(jià)保溫性能優(yōu)劣的指標(biāo)，同時(shí)也是熱環(huán)境和環(huán)境調(diào)控設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)口]。其表達(dá)式見式（1）。

式（1）中：φ為單位時(shí)間通過覆蓋材料的熱流量，W;A為覆蓋材料傳熱面積，m2;△t為覆蓋材料兩側(cè)的空氣溫度差，℃。

從理論上考慮，保溫被傳熱系數(shù)的確定有兩種方式：①現(xiàn)場測試[13，14];②使用專門的測試設(shè)備[15 -17]，在實(shí)驗(yàn)室測試18.19]。但從實(shí)際操作上來講，由于現(xiàn)場測試各氣候條件不能達(dá)到穩(wěn)定性，因此，現(xiàn)場測試得到的結(jié)果不能對材料的性能進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)，而實(shí)驗(yàn)室保溫被傳熱系數(shù)測試，可以在較準(zhǔn)確控制氣候條件下，傳熱達(dá)到穩(wěn)定，測試的并保溫被的傳熱系數(shù)才能較準(zhǔn)確。

針對山東壽光地區(qū)生產(chǎn)的保溫被保溫性能的研究，本文在壽光市10余家生產(chǎn)廠收集樣品，基本代表了壽光市保溫被生產(chǎn)廠家的加工水平。通過對收集的保溫被的物理性質(zhì)及指標(biāo)，分析保溫被的保溫性能，進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，以期為保溫被的開發(fā)提供指導(dǎo)。

2 材料與方法

2.1保溫被材料組成

在山東壽光地區(qū)收集的保溫被樣品共12件，其材料組成如表1+所示。

從表1中12件保溫被的結(jié)構(gòu)組成可以看出，保溫芯材主要為針刺棉氈，珍珠棉、棉氈與珍珠棉組合。針刺棉氈是采用回收的廢舊碎線（布）等材料，處理后，經(jīng)針刺、粘壓制成的，其成本低，透氣性好，保溫性能好，但該類保溫被不具有防水性;珍珠棉（聚乙烯發(fā)泡棉，又稱EPE珍珠棉）它由低密度聚乙烯脂通過加化學(xué)發(fā)泡劑產(chǎn)生獨(dú)立氣泡構(gòu)成，是非交聯(lián)閉孑L結(jié)構(gòu)，具有隔水、防潮、保溫等優(yōu)點(diǎn)。由保溫被的組成可知：1號、3號和12號保溫被具有防水性能，其中1號保溫被由于保溫芯材——珍珠棉具有隔水功能，為內(nèi)防水;3號保溫被和12號保溫被分別因外側(cè)覆鍍鋁珍珠棉、淋膜無紡布（無紡布上淋有黑色聚乙烯膜），為外防水性。

2.2 測試方法

2.2.1 厚度測試

目前關(guān)于保溫被厚度方面的測量，還未有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的方法，由于材料處于不同的條件下，其厚度不同，尤其在保溫被正常使用情況下與不加重平放狀態(tài)下，有較大的不同。因此，對于同一保溫被，其狀態(tài)不同及天氣條件等均影響保溫被厚度的測試結(jié)果。因此，本研究借鑒了2010北京市農(nóng)業(yè)局發(fā)布實(shí)施的《DGII/T13 -2010農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱：保溫被》的測試方法，將保溫被放在平板上，并將底平面為150 mm×150 mm、質(zhì)量為（5±0.1） kg的方箱放置于保溫被上，測量壓實(shí)后保溫被的厚度，取4次測試值的平均值作為厚度值。由于該測試方法中，保溫被被施加了較大的壓力，因此，保溫被的厚度具有較穩(wěn)定的測試值，測試結(jié)果具有可重復(fù)性。需要明確的是，該測試方法測得的保溫被厚度，并非在實(shí)際工作環(huán)境中保溫被的實(shí)際尺寸。

2.2.2 保溫被質(zhì)量的測試

由于保溫被具有一定的規(guī)格，為了使其能夠滿足保溫被測試臺測試要求，對其進(jìn)行一定的剪裁，用（150±0. 01） kg電子稱稱質(zhì)量，計(jì)算其單位面積質(zhì)量。

2.2.3 傳熱系數(shù)的測試

保溫被傳熱系數(shù)的測試方法依據(jù)《NY/T1831 -2009溫室覆蓋材料保溫性測定方法》農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14]，采用農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的溫室覆蓋材料保溫性能測試臺，進(jìn)行測試。該測試臺采用靜態(tài)熱箱法原理，測定試件的傳熱系數(shù)，并計(jì)算傳熱阻與熱節(jié)省率，根據(jù)這些熱工參數(shù)，可以對所測試件進(jìn)行保溫性能的評價(jià)。測試臺使用等相關(guān)說明見參考文獻(xiàn)[17-18]，各保溫被試件測試時(shí)下襯國產(chǎn)的0.1 mm PE膜，模擬保溫被使用過程中溫室薄膜覆蓋。

3 結(jié)果與分析

本研究對收集山東地區(qū)的12件保溫被采用2.2節(jié)中的測試方法，分別對保溫被試件的厚度、重量、傳熱系數(shù)進(jìn)行測試，其結(jié)果見表2。

由表2可知，測試保溫被的厚度一般為2.0×l0_2～3.5×10-z m;保溫被單位面積質(zhì)量范圍為：1.3～4.5kg/m2;保溫被的傳熱系數(shù)范圍為0. 55～1.27 W/（ m2.℃），與草苫的傳熱系數(shù)o.70～1.90 W/（ m2.℃）[5，16]相比，保溫被的保溫性能優(yōu)于一般草苫。由此可見，所收集的山東具有代表性的保溫被的保溫性較好。

由于不同地理位置、不同時(shí)期，各地區(qū)夜間最低溫度差異較大。在我國冬季北方地區(qū)，由于室外的氣溫較低，溫室前屋面覆蓋保溫被，才能在溫室不加溫的情況下，保證作物不被凍死;當(dāng)保溫被的保溫性能較好時(shí)，也能滿足喜溫蔬菜越冬生產(chǎn)。日光溫室能夠進(jìn)行喜溫蔬菜的越冬生產(chǎn)，對應(yīng)不同的夜間最低氣溫，保溫覆蓋的傳熱系數(shù)的要求見表3[19]。

表3顯示2號、7號保溫被是12個(gè)試件中厚度最大，保溫性能最好的，其傳熱系數(shù)約為0. 55 W/（m2.℃），能夠在室外夜間最低溫度為-20℃地區(qū)，滿足喜溫作物的溫室生產(chǎn);1號、3號、5號、8號、12號保溫被相對于2號、7號保溫被，其保溫性能降低了近1倍，傳熱系數(shù)在1.O W/（m2.℃）左右，可用于室外最低溫度為-15℃地區(qū)的溫室喜溫作物生產(chǎn);4號、6號、9號、10號、11號保溫被的傳熱系數(shù)約1.2 W/（m2.℃），其保溫性能是此次收集保溫被中相對較差的，能夠在室外最低溫度為-10℃地區(qū)使喜溫作物在溫室中正常越冬生產(chǎn)。

本研究所收集的12件保溫被中，1號和9號保溫被，3號、4號和11號保溫被，5號和12號保溫被具有相同的厚度，通過其表觀密度和傳熱系數(shù)可看出（表2），當(dāng)厚度相同時(shí)，表觀密度越小，保溫被的傳熱系數(shù)越小，其保溫性能越好。

1號保溫被和9號保溫被的厚度雖然相同，均為2.O cm（表2），但由于1號保溫被的保溫芯材為4層4 mm珍珠棉，9號保溫被為針刺棉氈（表1），二者單位面積質(zhì)量相差較大，1號保溫被約為9號保溫被的二分之一，同時(shí)1號保溫被的保溫性能比9號保溫被提高近20%，說明在厚度相同的情況下，質(zhì)量較小的（即蓬松程度較大的）材料制作的保溫被的保溫性能較好。類似情況可以從2號與7號保溫被保溫性能對比結(jié)果看出，2號保溫被的保溫芯材為棉氈和4層4 mm厚珍珠棉，7號保溫被的保溫芯材為棉氈，二者的厚度相同，均為3.5 cm，2號保溫被的質(zhì)量（2. 88 kg/m2）遠(yuǎn)小于7號保溫被（4. 41 kg/m2），但二者的傳熱系數(shù)相近。

綜合以上分析可得：1）以珍珠棉為芯材的保溫被與相同厚度的棉氈作為芯材的保溫被相比，其單位面積的質(zhì)量較小，保溫性能較好;2）保溫被用材料用量（單位面積質(zhì)量）及材料的蓬松程度對保溫被性能的影響：對于同種材料的保溫被，保溫材料的蓬松度一定.單位面積質(zhì)量越大的保溫被，其保溫性也就越好;當(dāng)保溫被芯材厚度相同時(shí)，由于較蓬松材料含有更多靜止空氣小隔層，因此，蓬松材料的保溫性能一般情況下要優(yōu)于密實(shí)度較大的材料。

4 結(jié)論及建議

由收集的山東典型保溫被的結(jié)構(gòu)組成可知，目前的保溫被做外防水的較少，保溫芯材主要為發(fā)泡聚乙烯、棉氈。以本文采用厚度、質(zhì)量、傳熱系數(shù)的測試方法下，對收集的保溫被進(jìn)行測試，并得到以下結(jié)論：

（1）山東壽光地區(qū)的保溫被厚度為0.02～0.035m，質(zhì)量為1.3～4.5 kg/m2;傳熱系數(shù)為0. 55～1. 27W/（m2.℃）。與相同厚度的草苫相比，山東地區(qū)的保溫被的保溫性能較優(yōu);

（2）以珍珠棉作為芯材的保溫被與相同厚度的棉氈芯材保溫被相比，其單位面積的質(zhì)量小，保溫性能好;

（3）厚度相同的保溫被，表觀密度較小時(shí)（即蓬松度大），其保溫性能較好;

針對保溫被生產(chǎn)現(xiàn)狀，對保溫被的生產(chǎn)、研究進(jìn)行以下討論并提出意見：

（1）對于保溫芯材相同的保溫被，其保溫性能隨著厚度的增大而增強(qiáng)，但是保溫被太厚，不僅成本增高，且對于溫室的骨架的安全性也會(huì)有影響;如果保溫被的厚度太小，其保溫性能就較差，有可能達(dá)不到保溫的預(yù)期效果。隨著科技不斷發(fā)展，生產(chǎn)節(jié)奏的加快，溫室生產(chǎn)企業(yè)或農(nóng)民需要的保溫措施也將更科學(xué)。對于保溫被的應(yīng)用而言，不再是盲目性追隨，而是合理覆蓋一定厚度的保溫被。這就要求保溫被生產(chǎn)企業(yè)能夠給出產(chǎn)品材料、厚度等參數(shù)及與其對應(yīng)的保溫性能。如此，就需要有一定的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范保溫被厚度、長度等指標(biāo)的測量，以使參數(shù)的測量值具有可重復(fù)性，從而使保溫被的生產(chǎn)、研發(fā)及應(yīng)用更合理化、規(guī)范化;

（2）保溫被在應(yīng)用過程中，有可能遇到陰雨、雪天，這就需要保溫被要有外防水。而外防水層如果是縫合的方式，雨水有可能透過縫隙進(jìn)入保溫芯材，這不僅造成保溫被質(zhì)量的加重，影響溫室的骨架的安全性及卷簾設(shè)備的正常運(yùn)行，而且降低了保溫被的保溫效果，最終有可能影響溫室的正常生產(chǎn)。因此，怎樣解決保溫被使用中的防水問題，仍值得研究探索。

（3）如果保溫被的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不能盡快的出臺，各地區(qū)可由政府部門或科研機(jī)構(gòu)牽頭，建立保溫被生產(chǎn)行業(yè)協(xié)會(huì)。協(xié)會(huì)可通過制定一些規(guī)章制度，來規(guī)范保溫被生產(chǎn)、制作及銷售價(jià)格，防止惡性競爭。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬承偉，苗香雯，農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程[Ml.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005.

[2]陳端生，鄭海山，張建國等，日光溫室氣象環(huán)境綜合研究（三）一幾種弧形采光屋面溫室內(nèi)直射光量的比較研究[Jl.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1992，8（4）：78-82.

[3]周長吉，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.

[4]王明磊.日光溫室厚型保溫覆蓋材料保溫性能研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[5]周新群，董仁杰，張淑敏，等，日光溫室外保溫蜂窩結(jié)構(gòu)覆蓋材料的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1998，14（4）：159～163.

Zhou Xinqun， Dong Renjie， Zhang Shumin， et al. Study on thermalinsulation coverlng materials of honeycomb plastic sheet [J].Transaction of the CSAE，1998， 14（4）： 159-163.

[6]邱仲華，宋明軍，康永動(dòng)，等，一種復(fù)合保溫覆蓋材料研制和應(yīng)用試驗(yàn)初報(bào)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1995，11（4）：117-120.

Qiu Zhonghua， Song Mingjun， Kang Yongdong，et al.The primaryReport on Research and Application of a Compound Thermal Insu-lated Material for Covering [J]. Transaction of the CSAE， 1995，11（4）：117～120.

[7]董仁杰，呂釗欽，齊 剛，等，蜂窩塑膜溫室覆蓋材料性能試驗(yàn)研究.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)[J]，1993，3：29-36.

Dong renjie， Lu Zhaoqin， QiGang， et al.Test on the property of theHoneycomb Plastic Film as a Greenhouse Covering Material [J].Transaction of the CSAE，1993，3：29—36.

[8]齊剛，董仁杰，劉道啟.一種溫室覆蓋新型材料蜂窩塑膜，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)[J]，1992，12（1）：52—56.

Qi Gang， Dong Renjie， Liu Daoqi.A New Kind of Greenhouse Cover-ing Material： Honeycomb Plastic Film[J]. Transaction of theCSAE，1992， 12（1）： 52-56.

[9]李化龍，劉新生，范彩蘭，等，日光溫室反輻射式保溫被的開發(fā)與特性研究[J].陜西氣象，2001（1）：24-26.

[lO]黃學(xué)群，謝世平，新型高效保溫被的效果及應(yīng)用前景[Jl.天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，10（3）：25-27.

[11]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(xué)報(bào)，2005，21（1）：128～131.

Xu Gangyi. Zhou Changji. Research and development and perform-ance test of waterproof puffed PE heat preservation quilt for sunlight greenhouse [J]. Transaction of the CSAE， 2005， 21 （1）：128 -131.

[12]喬正衛(wèi)，鄒志榮，楊雙曉，一種日光溫室保溫被的保溫性能研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（6）：131-133.

[13]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.

Chen Duansheng， Qiu Jianjun， Wang Gang， et al. Study on heat pre-servative properties of several thermal insulated covering materi-als for solar plastic greenhouse [J]. Transactions of the ChineseSociety of Agricultural Engineering（ Transactions of the CSAE）.1996， 12（supplement）： 108-115. （in Chinese with English ab-stract）

[14]周長吉，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.

Zhou Changji， Zhou Xinqun， Gui Jtnguang. Performance analysis onseveral kinds of insulation pads for solar plastic greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 1999， 15（2）： 168 - 171. （in Chi- nese with English abstract）

[15]馬承偉，丁小明，媵光輝，等.溫室覆蓋材料保溫性測定方法：NY/Tl831-2009 [S].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2009-12-22.

[16]張俊芳，馬承偉，覃密道，等.溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)測試臺的研究開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21（11）：141-145.

Zhang Junfang， Ma Chengwei， Qin Midao， et al. Research and devel-opment of the test apparatus for measure the overall heat transfercoefficient of greenhouse cover materials [J]. Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of theCSAE）， 2005， 21（ 11）： 141 - 145.（ in Chinese with English ab-stract）

[17]劉晨霞.日光溫室保溫被傳熱模型的建立及保溫性能影響因素分析[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[18]覃密道.覆蓋材料傳熱系數(shù)測試技術(shù)和設(shè)備的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

Qin Midao. Research on the test apparatus and technology for meas-uring the thermal transmittance of greenhouse covering materials[Dl. Beijing： China Agricultural University. 2004.

[19]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[Dl.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

Zhang Junfang. Theoretical Analysis and Validation on Heat Transferof Covering Layer and Heat Transfer Coefficients [Dl. Beijing：China Agricultural University， 2004.

[20]馬承偉.設(shè)施園藝工程學(xué).中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生課程講義[R]. 2010.

收稿日期：2019-10-24

作者簡介：劉晨霞（1983-），女，工程師，博士，研究方向?yàn)樵O(shè)施園藝工程研究。