Li Jianming, Sun Guotao, dll.Teknologi rekayasa pertanian hortikultura rumah kaca21 November 2022 17:42 Diterbitkan di Beijing

Dalam beberapa tahun terakhir, industri rumah kaca telah berkembang pesat. Pengembangan rumah kaca tidak hanya meningkatkan tingkat pemanfaatan lahan dan tingkat produksi produk pertanian, tetapi juga memecahkan masalah pasokan buah dan sayuran di luar musim. Namun, rumah kaca juga menghadapi tantangan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Fasilitas, metode pemanasan, dan bentuk struktural yang ada telah menimbulkan hambatan terhadap lingkungan dan perkembangan. Material baru dan desain baru sangat dibutuhkan untuk mengubah struktur rumah kaca, dan sumber energi baru sangat dibutuhkan untuk mencapai tujuan penghematan energi dan perlindungan lingkungan, serta meningkatkan produksi dan pendapatan.

Artikel ini membahas tema “energi baru, material baru, desain baru untuk membantu revolusi baru rumah kaca”, termasuk penelitian dan inovasi energi surya, energi biomassa, energi panas bumi, dan sumber energi baru lainnya di rumah kaca, penelitian dan aplikasi material baru untuk penutup, insulasi termal, dinding, dan peralatan lainnya, serta prospek dan pemikiran masa depan tentang energi baru, material baru, dan desain baru untuk membantu reformasi rumah kaca, sehingga dapat memberikan referensi bagi industri.

Pengembangan pertanian terlindungi merupakan kebutuhan politik dan pilihan yang tak terhindarkan untuk mengimplementasikan semangat instruksi penting dan pengambilan keputusan pemerintah pusat. Pada tahun 2020, total luas lahan pertanian terlindungi di Tiongkok akan mencapai 2,8 juta hm2, dan nilai produksinya akan melebihi 1 triliun yuan. Meningkatkan kapasitas produksi rumah kaca merupakan cara penting untuk meningkatkan kinerja pencahayaan dan isolasi termal rumah kaca melalui energi baru, material baru, dan desain rumah kaca baru. Terdapat banyak kekurangan dalam produksi rumah kaca tradisional, seperti penggunaan batu bara, minyak bakar, dan sumber energi lainnya untuk pemanasan di rumah kaca tradisional, yang menghasilkan sejumlah besar gas dioksida, yang sangat mencemari lingkungan, sementara gas alam, energi listrik, dan sumber energi lainnya meningkatkan biaya operasional rumah kaca. Material penyimpanan panas tradisional untuk dinding rumah kaca sebagian besar berupa tanah liat dan batu bata, yang banyak dikonsumsi dan menyebabkan kerusakan serius pada sumber daya lahan. Efisiensi penggunaan lahan rumah kaca surya tradisional dengan dinding tanah hanya 40% ~ 50%, dan rumah kaca biasa memiliki kapasitas penyimpanan panas yang buruk, sehingga tidak dapat bertahan hidup di musim dingin untuk menghasilkan sayuran hangat di Tiongkok utara. Oleh karena itu, inti dari upaya mendorong perubahan rumah kaca, atau penelitian dasar, terletak pada desain rumah kaca, penelitian dan pengembangan material baru, serta energi baru. Artikel ini akan berfokus pada penelitian dan inovasi sumber energi baru di rumah kaca, merangkum status penelitian sumber energi baru seperti energi surya, energi biomassa, energi panas bumi, energi angin, serta material penutup transparan baru, material insulasi termal, dan material dinding di rumah kaca, menganalisis penerapan energi baru dan material baru dalam pembangunan rumah kaca baru, dan menantikan peran mereka dalam pengembangan dan transformasi rumah kaca di masa depan.

Penelitian dan Inovasi Rumah Kaca Energi Baru

Energi hijau baru dengan potensi pemanfaatan pertanian terbesar meliputi energi surya, energi panas bumi, dan energi biomassa, atau pemanfaatan komprehensif dari berbagai sumber energi baru, sehingga mencapai penggunaan energi yang efisien dengan belajar dari kekuatan masing-masing.

energi/tenaga surya

Teknologi energi surya merupakan mode penyediaan energi yang rendah karbon, efisien, dan berkelanjutan, serta merupakan komponen penting dari industri strategis baru Tiongkok. Teknologi ini akan menjadi pilihan yang tak terhindarkan untuk transformasi dan peningkatan struktur energi Tiongkok di masa depan. Dari sudut pandang pemanfaatan energi, rumah kaca itu sendiri merupakan struktur fasilitas untuk pemanfaatan energi surya. Melalui efek rumah kaca, energi matahari dikumpulkan di dalam ruangan, suhu rumah kaca meningkat, dan panas yang dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman pun tersedia. Sumber energi utama fotosintesis tanaman rumah kaca adalah sinar matahari langsung, yang merupakan pemanfaatan langsung energi surya.

01 Pembangkit listrik fotovoltaik untuk menghasilkan panas

Pembangkit listrik fotovoltaik adalah teknologi yang secara langsung mengubah energi cahaya menjadi energi listrik berdasarkan efek fotovoltaik. Elemen kunci dari teknologi ini adalah sel surya. Ketika energi matahari menyinari susunan panel surya secara seri atau paralel, komponen semikonduktor secara langsung mengubah energi radiasi matahari menjadi energi listrik. Teknologi fotovoltaik dapat secara langsung mengubah energi cahaya menjadi energi listrik, menyimpan listrik melalui baterai, dan memanaskan rumah kaca di malam hari, tetapi biayanya yang tinggi membatasi pengembangannya lebih lanjut. Kelompok peneliti mengembangkan perangkat pemanas graphene fotovoltaik, yang terdiri dari panel fotovoltaik fleksibel, mesin kontrol balik terintegrasi, baterai penyimpanan, dan batang pemanas graphene. Sesuai dengan panjang jalur tanam, batang pemanas graphene ditanam di bawah kantong substrat. Pada siang hari, panel fotovoltaik menyerap radiasi matahari untuk menghasilkan listrik dan menyimpannya dalam baterai penyimpanan, kemudian listrik tersebut dilepaskan pada malam hari untuk batang pemanas graphene. Dalam pengukuran aktual, mode kontrol suhu yang digunakan adalah mulai dari 17℃ dan berakhir pada 19℃. Dengan pengoperasian di malam hari (20:00-08:00 pada hari kedua) selama 8 jam, konsumsi energi untuk memanaskan satu baris tanaman adalah 1,24 kW·jam, dan suhu rata-rata kantong substrat di malam hari adalah 19,2℃, yang 3,5 ~ 5,3℃ lebih tinggi daripada kontrol. Metode pemanasan ini yang dikombinasikan dengan pembangkit listrik fotovoltaik memecahkan masalah konsumsi energi tinggi dan polusi tinggi pada pemanasan rumah kaca di musim dingin.

02 Konversi dan pemanfaatan fototermal

Konversi fototermal surya mengacu pada penggunaan permukaan pengumpul sinar matahari khusus yang terbuat dari bahan konversi fototermal untuk mengumpulkan dan menyerap sebanyak mungkin energi matahari yang dipancarkan ke permukaan tersebut dan mengubahnya menjadi energi panas. Dibandingkan dengan aplikasi fotovoltaik surya, aplikasi fototermal surya meningkatkan penyerapan pita inframerah dekat, sehingga memiliki efisiensi pemanfaatan energi matahari yang lebih tinggi, biaya lebih rendah, dan teknologi yang lebih matang, serta merupakan cara pemanfaatan energi surya yang paling banyak digunakan.

Teknologi konversi dan pemanfaatan fototermal yang paling matang di Tiongkok adalah kolektor surya, yang komponen intinya adalah inti pelat penyerap panas dengan lapisan penyerapan selektif, yang dapat mengubah energi radiasi matahari yang melewati pelat penutup menjadi energi panas dan mentransmisikannya ke media kerja penyerap panas. Kolektor surya dapat dibagi menjadi dua kategori berdasarkan ada atau tidaknya ruang vakum di dalam kolektor: kolektor surya datar dan kolektor surya tabung vakum; kolektor surya konsentrator dan kolektor surya non-konsentrator berdasarkan apakah radiasi matahari pada port penerangan siang hari berubah arah; dan kolektor surya cair dan kolektor surya udara berdasarkan jenis media kerja transfer panas.

Pemanfaatan energi surya di rumah kaca terutama dilakukan melalui berbagai jenis kolektor surya. Universitas Ibn Zor di Maroko telah mengembangkan sistem pemanas energi surya aktif (ASHS) untuk pemanasan rumah kaca, yang dapat meningkatkan total produksi tomat hingga 55% di musim dingin. Universitas Pertanian China telah merancang dan mengembangkan seperangkat sistem pengumpul dan pembuangan kipas pendingin permukaan, dengan kapasitas pengumpulan panas 390,6～693,0 MJ, dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan proses pengumpulan panas dari proses penyimpanan panas dengan pompa panas. Universitas Bari di Italia telah mengembangkan sistem pemanas poligenerasi rumah kaca, yang terdiri dari sistem energi surya dan pompa panas udara-air, dan dapat meningkatkan suhu udara sebesar 3,6% dan suhu tanah sebesar 92%. Kelompok penelitian telah mengembangkan sejenis peralatan pengumpul panas surya aktif dengan sudut kemiringan variabel untuk rumah kaca surya, dan perangkat penyimpanan panas pendukung untuk badan air rumah kaca di berbagai cuaca. Teknologi pengumpul panas surya aktif dengan kemiringan variabel mengatasi keterbatasan peralatan pengumpul panas rumah kaca tradisional, seperti kapasitas pengumpulan panas yang terbatas, naungan, dan penggunaan lahan pertanian. Dengan menggunakan struktur rumah kaca khusus dari rumah kaca tenaga surya, ruang non-tanaman di rumah kaca dimanfaatkan sepenuhnya, yang sangat meningkatkan efisiensi pemanfaatan ruang rumah kaca. Dalam kondisi kerja cerah yang khas, sistem pengumpulan panas matahari aktif dengan kemiringan variabel mencapai 1,9 MJ/(m2h), efisiensi pemanfaatan energi mencapai 85,1% dan tingkat penghematan energi adalah 77%. Dalam teknologi penyimpanan panas rumah kaca, struktur penyimpanan panas perubahan multi-fase diatur, kapasitas penyimpanan panas dari perangkat penyimpanan panas ditingkatkan, dan pelepasan panas secara perlahan dari perangkat direalisasikan, sehingga mewujudkan penggunaan panas yang efisien yang dikumpulkan oleh peralatan pengumpulan panas matahari rumah kaca.

energi biomassa

Struktur fasilitas baru dibangun dengan menggabungkan perangkat penghasil panas biomassa dengan rumah kaca, dan bahan baku biomassa seperti kotoran babi, residu jamur, dan jerami dikomposkan untuk menghasilkan panas, dan energi panas yang dihasilkan langsung disuplai ke rumah kaca [5]. Dibandingkan dengan rumah kaca tanpa tangki pemanas fermentasi biomassa, rumah kaca pemanas dapat secara efektif meningkatkan suhu tanah di dalam rumah kaca dan menjaga suhu yang tepat untuk akar tanaman yang dibudidayakan di tanah dalam iklim normal di musim dingin. Mengambil contoh rumah kaca isolasi termal asimetris satu lapis dengan bentang 17m dan panjang 30m, menambahkan 8m limbah pertanian (campuran jerami tomat dan kotoran babi) ke dalam tangki fermentasi dalam ruangan untuk fermentasi alami tanpa membalik tumpukan dapat meningkatkan suhu rata-rata harian rumah kaca sebesar 4,2℃ di musim dingin, dan suhu minimum rata-rata harian dapat mencapai 4,6℃.

Pemanfaatan energi dari fermentasi biomassa terkontrol adalah metode fermentasi yang menggunakan instrumen dan peralatan untuk mengontrol proses fermentasi guna memperoleh dan memanfaatkan energi panas biomassa dan gas CO2 secara cepat dan efisien, di mana ventilasi dan kelembapan merupakan faktor kunci untuk mengatur panas fermentasi dan produksi gas biomassa. Dalam kondisi berventilasi, mikroorganisme aerobik dalam tumpukan fermentasi menggunakan oksigen untuk aktivitas kehidupan, dan sebagian energi yang dihasilkan digunakan untuk aktivitas kehidupan mereka sendiri, dan sebagian lagi dilepaskan ke lingkungan sebagai energi panas, yang bermanfaat untuk peningkatan suhu lingkungan. Air berperan dalam seluruh proses fermentasi, menyediakan nutrisi terlarut yang diperlukan untuk aktivitas mikroba, dan pada saat yang sama melepaskan panas tumpukan dalam bentuk uap melalui air, sehingga mengurangi suhu tumpukan, memperpanjang umur mikroorganisme, dan meningkatkan suhu keseluruhan tumpukan. Pemasangan alat pelindian jerami di tangki fermentasi dapat meningkatkan suhu ruangan sebesar 3 ~ 5℃ di musim dingin, memperkuat fotosintesis tanaman, dan meningkatkan hasil panen tomat sebesar 29,6%.

Energi panas bumi

Tiongkok kaya akan sumber daya panas bumi. Saat ini, cara paling umum bagi fasilitas pertanian untuk memanfaatkan energi panas bumi adalah dengan menggunakan pompa panas sumber tanah, yang dapat mentransfer energi panas tingkat rendah ke energi panas tingkat tinggi dengan memasukkan sejumlah kecil energi tingkat tinggi (seperti energi listrik). Berbeda dengan metode pemanasan rumah kaca tradisional, pemanasan dengan pompa panas sumber tanah tidak hanya dapat mencapai efek pemanasan yang signifikan, tetapi juga memiliki kemampuan untuk mendinginkan rumah kaca dan mengurangi kelembaban di dalam rumah kaca. Penelitian aplikasi pompa panas sumber tanah di bidang konstruksi perumahan sudah matang. Bagian inti yang memengaruhi kapasitas pemanasan dan pendinginan pompa panas sumber tanah adalah modul pertukaran panas bawah tanah, yang terutama meliputi pipa yang terkubur, sumur bawah tanah, dll. Bagaimana merancang sistem pertukaran panas bawah tanah dengan biaya dan efek yang seimbang selalu menjadi fokus penelitian di bagian ini. Pada saat yang sama, perubahan suhu lapisan tanah bawah tanah dalam aplikasi pompa panas sumber tanah juga memengaruhi efek penggunaan sistem pompa panas. Penggunaan pompa panas sumber tanah untuk mendinginkan rumah kaca di musim panas dan menyimpan energi panas di lapisan tanah yang dalam dapat mengurangi penurunan suhu lapisan tanah di bawah permukaan dan meningkatkan efisiensi produksi panas pompa panas sumber tanah di musim dingin.

Saat ini, dalam penelitian kinerja dan efisiensi pompa panas sumber tanah, melalui data eksperimen aktual, sebuah model numerik dibuat dengan perangkat lunak seperti TOUGH2 dan TRNSYS, dan disimpulkan bahwa kinerja pemanasan dan koefisien kinerja (COP) pompa panas sumber tanah dapat mencapai 3,0 ~ 4,5, yang memiliki efek pendinginan dan pemanasan yang baik. Dalam penelitian strategi operasi sistem pompa panas, Fu Yunzhun dkk. menemukan bahwa dibandingkan dengan aliran sisi beban, aliran sisi sumber tanah memiliki dampak yang lebih besar pada kinerja unit dan kinerja perpindahan panas pipa yang terkubur. Dalam kondisi pengaturan aliran, nilai COP maksimum unit dapat mencapai 4,17 dengan mengadopsi skema operasi beroperasi selama 2 jam dan berhenti selama 2 jam; Shi Huixian dkk. mengadopsi mode operasi intermiten sistem pendingin penyimpanan air. Di musim panas, ketika suhu tinggi, COP dari seluruh sistem pasokan energi dapat mencapai 3,80.

Teknologi penyimpanan panas tanah dalam di rumah kaca

Penyimpanan panas tanah dalam di rumah kaca juga disebut "bank penyimpanan panas" di rumah kaca. Kerusakan akibat dingin di musim dingin dan suhu tinggi di musim panas merupakan hambatan utama produksi rumah kaca. Berdasarkan kapasitas penyimpanan panas yang kuat dari tanah dalam, kelompok peneliti merancang perangkat penyimpanan panas bawah tanah rumah kaca. Perangkat ini berupa pipa transfer panas paralel dua lapis yang dikubur pada kedalaman 1,5–2,5 m di bawah tanah di dalam rumah kaca, dengan saluran masuk udara di bagian atas rumah kaca dan saluran keluar udara di permukaan tanah. Ketika suhu di dalam rumah kaca tinggi, udara di dalam ruangan dipompa secara paksa ke dalam tanah oleh kipas untuk mewujudkan penyimpanan panas dan pengurangan suhu. Ketika suhu rumah kaca rendah, panas diekstraksi dari tanah untuk menghangatkan rumah kaca. Hasil produksi dan aplikasi menunjukkan bahwa perangkat ini dapat meningkatkan suhu rumah kaca sebesar 2,3℃ pada malam musim dingin, mengurangi suhu dalam ruangan sebesar 2,6℃ pada siang hari di musim panas, dan meningkatkan hasil panen tomat sebesar 1500 kg di lahan seluas 667 m².²Perangkat ini memanfaatkan sepenuhnya karakteristik "hangat di musim dingin dan sejuk di musim panas" serta "suhu konstan" dari tanah di bawah permukaan yang dalam, menyediakan "bank akses energi" untuk rumah kaca, dan terus menerus menyelesaikan fungsi tambahan pendinginan dan pemanasan rumah kaca.

Koordinasi multi-energi

Penggunaan dua atau lebih jenis energi untuk memanaskan rumah kaca dapat secara efektif menutupi kekurangan dari satu jenis energi, dan memanfaatkan efek superposisi "satu ditambah satu lebih besar dari dua". Kerja sama komplementer antara energi panas bumi dan energi surya merupakan topik penelitian yang menarik dalam pemanfaatan energi baru di bidang produksi pertanian dalam beberapa tahun terakhir. Emmi dkk. mempelajari sistem energi multi-sumber (Gambar 1), yang dilengkapi dengan kolektor surya hibrida fotovoltaik-termal. Dibandingkan dengan sistem pompa panas udara-air biasa, efisiensi energi sistem energi multi-sumber meningkat sebesar 16%~25%. Zheng dkk. mengembangkan jenis baru sistem penyimpanan panas gabungan energi surya dan pompa panas sumber tanah. Sistem kolektor surya dapat mewujudkan penyimpanan panas musiman berkualitas tinggi, yaitu pemanasan berkualitas tinggi di musim dingin dan pendinginan berkualitas tinggi di musim panas. Penukar panas tabung terpendam dan tangki penyimpanan panas intermiten dapat berfungsi dengan baik dalam sistem, dan nilai COP sistem dapat mencapai 6,96.

Dikombinasikan dengan energi surya, tujuannya adalah untuk mengurangi konsumsi daya komersial dan meningkatkan stabilitas pasokan energi surya di rumah kaca. Wan Ya dkk. mengusulkan skema teknologi kontrol cerdas baru yang menggabungkan pembangkit listrik tenaga surya dengan daya komersial untuk pemanasan rumah kaca, yang dapat memanfaatkan energi fotovoltaik saat ada cahaya, dan mengubahnya menjadi daya komersial saat tidak ada cahaya, sehingga sangat mengurangi tingkat kekurangan daya beban, dan mengurangi biaya ekonomi tanpa menggunakan baterai.

Energi surya, energi biomassa, dan energi listrik dapat secara bersamaan memanaskan rumah kaca, yang juga dapat mencapai efisiensi pemanasan yang tinggi. Zhang Liangrui dan rekan-rekannya menggabungkan pengumpul panas tabung vakum surya dengan tangki penyimpanan air panas listrik lembah. Sistem pemanasan rumah kaca memiliki kenyamanan termal yang baik, dan efisiensi pemanasan rata-rata sistem adalah 68,70%. Tangki penyimpanan air panas listrik adalah perangkat penyimpanan air pemanas biomassa dengan pemanas listrik. Suhu air masuk terendah di ujung pemanasan diatur, dan strategi operasi sistem ditentukan sesuai dengan suhu penyimpanan air bagian pengumpul panas surya dan bagian penyimpanan panas biomassa, sehingga mencapai suhu pemanasan yang stabil di ujung pemanasan dan menghemat energi listrik dan bahan energi biomassa secara maksimal.

Penelitian dan Penerapan Inovatif Material Rumah Kaca Baru

Seiring dengan perluasan area rumah kaca, kelemahan penerapan material rumah kaca tradisional seperti batu bata dan tanah semakin terungkap. Oleh karena itu, untuk lebih meningkatkan kinerja termal rumah kaca dan memenuhi kebutuhan pengembangan rumah kaca modern, terdapat banyak penelitian dan aplikasi material penutup transparan baru, material insulasi termal, dan material dinding.

Penelitian dan penerapan material penutup transparan baru.

Jenis bahan penutup transparan untuk rumah kaca terutama meliputi film plastik, kaca, panel surya, dan panel fotovoltaik, di mana film plastik memiliki area aplikasi terbesar. Film PE rumah kaca tradisional memiliki kekurangan berupa masa pakai yang pendek, tidak mudah terdegradasi, dan fungsi tunggal. Saat ini, berbagai film fungsional baru telah dikembangkan dengan menambahkan reagen fungsional atau lapisan.

Film konversi cahaya:Film konversi cahaya mengubah sifat optik film dengan menggunakan agen konversi cahaya seperti unsur tanah jarang dan nanomaterial, dan dapat mengubah wilayah cahaya ultraviolet menjadi cahaya merah jingga dan cahaya biru ungu yang dibutuhkan oleh fotosintesis tanaman, sehingga meningkatkan hasil panen dan mengurangi kerusakan sinar ultraviolet pada tanaman dan film rumah kaca di rumah kaca plastik. Misalnya, film rumah kaca pita lebar ungu-ke-merah dengan agen konversi cahaya VTR-660 dapat secara signifikan meningkatkan transmisi inframerah ketika diterapkan di rumah kaca, dan dibandingkan dengan rumah kaca kontrol, hasil panen tomat per hektar, kandungan vitamin C dan likopen meningkat secara signifikan masing-masing sebesar 25,71%, 11,11% dan 33,04%. Namun, saat ini, masa pakai, kemampuan degradasi, dan biaya film konversi cahaya baru masih perlu dipelajari.

Kaca berserakanKaca hamburan pada rumah kaca adalah teknologi pola dan anti-refleksi khusus pada permukaan kaca, yang dapat memaksimalkan sinar matahari menjadi cahaya hamburan dan masuk ke dalam rumah kaca, meningkatkan efisiensi fotosintesis tanaman dan meningkatkan hasil panen. Kaca hamburan mengubah cahaya yang masuk ke rumah kaca menjadi cahaya hamburan melalui pola khusus, dan cahaya hamburan dapat dipancarkan lebih merata ke dalam rumah kaca, menghilangkan pengaruh bayangan kerangka pada rumah kaca. Dibandingkan dengan kaca float biasa dan kaca float ultra-putih, standar transmisi cahaya kaca hamburan adalah 91,5%, dan kaca float biasa adalah 88%. Untuk setiap peningkatan 1% transmisi cahaya di dalam rumah kaca, hasil panen dapat meningkat sekitar 3%, dan gula larut serta vitamin C dalam buah dan sayuran meningkat. Kaca hamburan pada rumah kaca dilapisi terlebih dahulu kemudian dikeraskan, dan tingkat ledakan sendiri lebih tinggi dari standar nasional, mencapai 2‰.

Penelitian dan Penerapan Material Isolasi Termal Baru

Bahan isolasi termal tradisional di rumah kaca terutama meliputi tikar jerami, selimut kertas, selimut isolasi termal dari kain felt yang dijahit, dll., yang terutama digunakan untuk isolasi termal internal dan eksternal atap, isolasi dinding, dan isolasi termal beberapa perangkat penyimpanan dan pengumpulan panas. Sebagian besar memiliki kekurangan berupa penurunan kinerja isolasi termal akibat kelembapan internal setelah penggunaan jangka panjang. Oleh karena itu, terdapat banyak aplikasi bahan isolasi termal tinggi baru, di antaranya selimut isolasi termal baru, perangkat penyimpanan dan pengumpulan panas menjadi fokus penelitian.

Bahan isolasi termal baru biasanya dibuat dengan memproses dan mencampurkan bahan tahan air dan tahan penuaan permukaan seperti film tenun dan kain felt berlapis dengan bahan isolasi termal berbulu seperti kapas berlapis semprot, kasmir campuran, dan kapas mutiara. Selimut isolasi termal dari film tenun dan kapas berlapis semprot diuji di Tiongkok Timur Laut. Ditemukan bahwa penambahan 500g kapas berlapis semprot setara dengan kinerja isolasi termal selimut isolasi termal kain felt hitam 4500g yang ada di pasaran. Dalam kondisi yang sama, kinerja isolasi termal dari 700g kapas berlapis semprot meningkat 1~2℃ dibandingkan dengan selimut isolasi termal dari 500g kapas berlapis semprot. Pada saat yang sama, penelitian lain juga menemukan bahwa dibandingkan dengan selimut isolasi termal yang umum digunakan di pasaran, efek isolasi termal dari selimut isolasi termal dari kapas berlapis semprot dan kasmir campuran lebih baik, dengan tingkat isolasi termal masing-masing 84,0% dan 83,3%. Ketika suhu luar ruangan terdingin mencapai -24,4℃, suhu dalam ruangan dapat mencapai 5,4 dan 4,2℃ secara berturut-turut. Dibandingkan dengan selimut isolasi jerami tunggal, selimut isolasi komposit baru ini memiliki keunggulan bobot ringan, tingkat isolasi tinggi, tahan air dan tahan penuaan yang kuat, dan dapat digunakan sebagai jenis bahan isolasi efisiensi tinggi baru untuk rumah kaca tenaga surya.

Pada saat yang sama, menurut penelitian tentang bahan isolasi termal untuk perangkat pengumpulan dan penyimpanan panas rumah kaca, ditemukan juga bahwa ketika ketebalannya sama, bahan isolasi termal komposit multi-lapisan memiliki kinerja isolasi termal yang lebih baik daripada bahan tunggal. Tim Profesor Li Jianming dari Universitas Pertanian dan Kehutanan Barat Laut merancang dan menyeleksi 22 jenis bahan isolasi termal untuk perangkat penyimpanan air rumah kaca, seperti papan vakum, aerogel, dan kapas karet, dan mengukur sifat termalnya. Hasilnya menunjukkan bahwa bahan isolasi komposit lapisan isolasi termal 80mm + aerogel + kapas isolasi termal karet-plastik dapat mengurangi pelepasan panas sebesar 0,367MJ per satuan waktu dibandingkan dengan kapas karet-plastik 80mm, dan koefisien perpindahan panasnya adalah 0,283W/(m2·k) ketika ketebalan kombinasi isolasi adalah 100mm.

Material perubahan fasa merupakan salah satu topik hangat dalam penelitian material rumah kaca. Universitas Pertanian dan Kehutanan Barat Laut telah mengembangkan dua jenis perangkat penyimpanan material perubahan fasa: pertama, kotak penyimpanan yang terbuat dari polietilen hitam, berukuran 50cm×30cm×14cm (panjang×tinggi×tebal) dan diisi dengan material perubahan fasa, sehingga dapat menyimpan dan melepaskan panas; kedua, dikembangkan jenis papan dinding perubahan fasa baru. Papan dinding perubahan fasa terdiri dari material perubahan fasa, pelat aluminium, pelat aluminium-plastik, dan paduan aluminium. Material perubahan fasa terletak di posisi paling tengah papan dinding, dengan spesifikasi 200mm×200mm×50mm. Material ini berupa padatan bubuk sebelum dan sesudah perubahan fasa, dan tidak mengalami fenomena peleburan atau pencairan. Keempat dinding material perubahan fasa masing-masing adalah pelat aluminium dan pelat aluminium-plastik. Perangkat ini dapat mewujudkan fungsi utama menyimpan panas di siang hari dan terutama melepaskan panas di malam hari.

Oleh karena itu, terdapat beberapa masalah dalam penerapan material insulasi termal tunggal, seperti efisiensi insulasi termal yang rendah, kehilangan panas yang besar, waktu penyimpanan panas yang singkat, dan lain sebagainya. Maka, penggunaan material insulasi termal komposit sebagai lapisan insulasi termal dan lapisan penutup insulasi termal dalam dan luar ruangan pada perangkat penyimpanan panas dapat secara efektif meningkatkan kinerja insulasi termal rumah kaca, mengurangi kehilangan panas rumah kaca, dan dengan demikian mencapai efek penghematan energi.

Penelitian dan Penerapan Dinding Baru

Sebagai salah satu jenis struktur penutup, dinding merupakan penghalang penting untuk perlindungan dingin dan pengawetan panas di rumah kaca. Berdasarkan bahan dan struktur dinding, pengembangan dinding utara rumah kaca dapat dibagi menjadi tiga jenis: dinding satu lapis yang terbuat dari tanah, batu bata, dll., dan dinding utara berlapis yang terbuat dari batu bata tanah liat, batu bata blok, papan polistiren, dll., dengan penyimpanan panas di dalam dan isolasi panas di luar, dan sebagian besar dinding ini memakan waktu dan tenaga yang banyak; Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, banyak jenis dinding baru telah muncul, yang mudah dibangun dan cocok untuk perakitan cepat.

Munculnya dinding rakitan tipe baru mendorong perkembangan pesat rumah kaca rakitan, termasuk dinding komposit tipe baru dengan material permukaan luar yang tahan air dan anti penuaan, serta material seperti kain felt, kapas mutiara, kapas ruang angkasa, kapas kaca, atau kapas daur ulang sebagai lapisan isolasi panas, seperti dinding rakitan fleksibel dari kapas yang direkatkan dengan semprotan di Xinjiang. Selain itu, penelitian lain juga melaporkan dinding utara rumah kaca rakitan dengan lapisan penyimpanan panas, seperti blok mortar kulit gandum yang diisi bata di Xinjiang. Di bawah lingkungan eksternal yang sama, ketika suhu luar ruangan terendah adalah -20,8℃, suhu di rumah kaca surya dengan dinding komposit blok mortar kulit gandum adalah 7,5℃, sedangkan suhu di rumah kaca surya dengan dinding bata-beton adalah 3,2℃. Waktu panen tomat di rumah kaca bata dapat dimajukan hingga 16 hari, dan hasil panen rumah kaca tunggal dapat meningkat sebesar 18,4%.

Tim fasilitas Universitas Pertanian dan Kehutanan Barat Laut mengemukakan ide desain untuk membuat jerami, tanah, air, batu, dan material perubahan fasa menjadi modul isolasi termal dan penyimpanan panas dari sudut pandang cahaya dan desain dinding yang disederhanakan, yang mendorong penelitian aplikasi dinding rakitan modular. Misalnya, dibandingkan dengan rumah kaca dinding bata biasa, suhu rata-rata di rumah kaca 4,0℃ lebih tinggi pada hari yang cerah. Tiga jenis modul semen perubahan fasa anorganik, yang terbuat dari material perubahan fasa (PCM) dan semen, telah mengakumulasi panas masing-masing sebesar 74,5, 88,0, dan 95,1 MJ/m².³dan melepaskan panas sebesar 59,8, 67,8 dan 84,2 MJ/m³Masing-masing memiliki fungsi "pemotongan puncak" di siang hari, "pengisian lembah" di malam hari, menyerap panas di musim panas dan melepaskan panas di musim dingin.

Dinding-dinding baru ini dirakit di lokasi, dengan periode konstruksi yang singkat dan masa pakai yang lama, yang menciptakan kondisi untuk pembangunan rumah kaca prefabrikasi yang ringan, sederhana, dan cepat dirakit, serta dapat sangat mendorong reformasi struktural rumah kaca. Namun, ada beberapa kekurangan pada jenis dinding ini, seperti dinding selimut insulasi termal kapas yang direkatkan dengan semprotan memiliki kinerja insulasi termal yang sangat baik, tetapi kurang memiliki kapasitas penyimpanan panas, dan bahan bangunan perubahan fasa memiliki masalah biaya penggunaan yang tinggi. Di masa mendatang, penelitian aplikasi dinding rakitan perlu diperkuat.

Energi baru, material baru, dan desain baru membantu mengubah struktur rumah kaca.

Penelitian dan inovasi energi baru serta material baru menjadi landasan bagi inovasi desain rumah kaca. Rumah kaca hemat energi bertenaga surya dan gudang lengkung merupakan struktur gudang terbesar dalam produksi pertanian di Tiongkok, dan memainkan peran penting dalam produksi pertanian. Namun, seiring perkembangan ekonomi sosial Tiongkok, kekurangan dari kedua jenis struktur fasilitas tersebut semakin terlihat. Pertama, luas lahan struktur fasilitas kecil dan tingkat mekanisasinya rendah; Kedua, rumah kaca hemat energi bertenaga surya memiliki insulasi termal yang baik, tetapi penggunaan lahannya rendah, yang setara dengan mengganti energi rumah kaca dengan lahan. Gudang lengkung biasa tidak hanya memiliki ruang yang kecil, tetapi juga memiliki insulasi termal yang buruk. Meskipun rumah kaca bentang ganda memiliki ruang yang besar, ia memiliki insulasi termal yang buruk dan konsumsi energi yang tinggi. Oleh karena itu, sangat penting untuk meneliti dan mengembangkan struktur rumah kaca yang sesuai dengan tingkat ekonomi sosial Tiongkok saat ini, dan penelitian serta pengembangan energi baru dan material baru akan membantu perubahan struktur rumah kaca dan menghasilkan berbagai model atau struktur rumah kaca inovatif.

Penelitian Inovatif tentang Rumah Kaca Pembuatan Bir Asimetris Bentang Lebar dengan Pengendalian Air

Rumah kaca fermentasi biomassa asimetris bentang lebar yang dikendalikan air (nomor paten: ZL 201220391214.2) didasarkan pada prinsip rumah kaca sinar matahari, mengubah struktur simetris rumah kaca plastik biasa, meningkatkan bentang selatan, meningkatkan area pencahayaan atap selatan, mengurangi bentang utara dan mengurangi area pembuangan panas, dengan bentang 18~24m dan tinggi puncak 6~7m. Melalui inovasi desain, struktur spasial telah ditingkatkan secara signifikan. Pada saat yang sama, masalah kurangnya panas di rumah kaca pada musim dingin dan isolasi termal yang buruk dari bahan isolasi termal umum diatasi dengan menggunakan teknologi baru panas fermentasi biomassa dan bahan isolasi termal. Hasil produksi dan penelitian menunjukkan bahwa rumah kaca pembuatan bir asimetris bentang lebar yang dikendalikan air, dengan suhu rata-rata 11,7℃ pada hari cerah dan 10,8℃ pada hari berawan, dapat memenuhi kebutuhan pertumbuhan tanaman di musim dingin, dan biaya konstruksi rumah kaca berkurang sebesar 39,6% serta tingkat pemanfaatan lahan meningkat lebih dari 30% dibandingkan dengan rumah kaca dinding bata polistirena, yang cocok untuk dipopulerkan dan diterapkan lebih lanjut di Cekungan Sungai Huaihe Kuning di Tiongkok.

Rumah kaca sinar matahari yang telah dirakit

Rumah kaca tenaga surya rakitan menggunakan kolom dan kerangka atap sebagai struktur penahan beban, dan material dindingnya terutama berupa penutup isolasi panas, bukan penahan beban dan penyimpanan serta pelepasan panas pasif. Terutama: (1) jenis dinding rakitan baru dibentuk dengan menggabungkan berbagai material seperti film berlapis atau pelat baja berwarna, blok jerami, selimut isolasi termal fleksibel, blok mortar, dll. (2) papan dinding komposit yang terbuat dari papan semen prefabrikasi-papan polistirena-papan semen; (3) jenis rakitan ringan dan sederhana dari material isolasi termal dengan sistem penyimpanan dan pelepasan panas aktif serta sistem dehumidifikasi, seperti penyimpanan panas ember persegi plastik dan penyimpanan panas pipa. Penggunaan berbagai material isolasi panas dan material penyimpanan panas baru sebagai pengganti dinding tanah tradisional untuk membangun rumah kaca tenaga surya memiliki ruang yang besar dan rekayasa sipil yang kecil. Hasil percobaan menunjukkan bahwa suhu rumah kaca pada malam hari di musim dingin 4,5℃ lebih tinggi daripada rumah kaca dinding bata tradisional, dan ketebalan dinding belakang adalah 166mm. Dibandingkan dengan rumah kaca berdinding bata setebal 600 mm, luas area yang ditempati dinding berkurang sebesar 72%, dan biaya per meter persegi adalah 334,5 yuan, yang berarti 157,2 yuan lebih rendah daripada rumah kaca berdinding bata, dan biaya konstruksi telah turun secara signifikan. Oleh karena itu, rumah kaca rakitan memiliki keunggulan berupa kerusakan lahan pertanian yang lebih sedikit, penghematan lahan, kecepatan konstruksi yang cepat, dan umur layanan yang panjang, dan merupakan arah kunci untuk inovasi dan pengembangan rumah kaca tenaga surya saat ini dan di masa mendatang.

Rumah kaca geser yang terkena sinar matahari

Rumah kaca hemat energi bertenaga surya yang dirakit menggunakan papan seluncur, yang dikembangkan oleh Universitas Pertanian Shenyang, menggunakan dinding belakang rumah kaca surya untuk membentuk sistem penyimpanan panas dinding sirkulasi air guna menyimpan panas dan menaikkan suhu, yang terutama terdiri dari kolam (32m²).³), pelat pengumpul cahaya (360m²), sebuah pompa air, pipa air, dan pengontrol. Selimut insulasi termal fleksibel diganti dengan material pelat baja berwarna wol batu ringan baru di bagian atas. Penelitian menunjukkan bahwa desain ini secara efektif memecahkan masalah atap pelana yang menghalangi cahaya, dan meningkatkan area masuk cahaya ke dalam rumah kaca. Sudut pencahayaan rumah kaca adalah 41,5°, yang hampir 16° lebih tinggi daripada rumah kaca kontrol, sehingga meningkatkan tingkat pencahayaan. Distribusi suhu dalam ruangan seragam, dan tanaman tumbuh dengan rapi. Rumah kaca ini memiliki keunggulan dalam meningkatkan efisiensi penggunaan lahan, mendesain ukuran rumah kaca secara fleksibel, dan mempersingkat periode konstruksi, yang sangat penting untuk melindungi sumber daya lahan pertanian dan lingkungan.

Rumah kaca fotovoltaik

Rumah kaca pertanian adalah rumah kaca yang mengintegrasikan pembangkit listrik fotovoltaik surya, kontrol suhu cerdas, dan penanaman berteknologi tinggi modern. Rumah kaca ini menggunakan rangka baja dan dilapisi modul fotovoltaik surya untuk memastikan kebutuhan pencahayaan modul pembangkit listrik fotovoltaik dan kebutuhan pencahayaan seluruh rumah kaca. Arus searah yang dihasilkan oleh energi matahari secara langsung menambah cahaya rumah kaca pertanian, secara langsung mendukung pengoperasian normal peralatan rumah kaca, menggerakkan irigasi sumber daya air, meningkatkan suhu rumah kaca, dan mendorong pertumbuhan tanaman yang cepat. Modul fotovoltaik dengan cara ini akan memengaruhi efisiensi pencahayaan atap rumah kaca, dan kemudian memengaruhi pertumbuhan normal sayuran di rumah kaca. Oleh karena itu, tata letak panel fotovoltaik yang rasional di atap rumah kaca menjadi poin kunci penerapannya. Rumah kaca pertanian adalah produk kombinasi organik antara pertanian wisata dan berkebun fasilitas, dan merupakan industri pertanian inovatif yang mengintegrasikan pembangkit listrik fotovoltaik, wisata pertanian, tanaman pertanian, teknologi pertanian, lanskap, dan pengembangan budaya.

Desain inovatif kelompok rumah kaca dengan interaksi energi antar berbagai jenis rumah kaca.

Guo Wenzhong, seorang peneliti di Akademi Ilmu Pertanian dan Kehutanan Beijing, menggunakan metode pemanasan transfer energi antar rumah kaca untuk mengumpulkan energi panas yang tersisa di satu atau lebih rumah kaca untuk memanaskan rumah kaca lainnya. Metode pemanasan ini mewujudkan transfer energi rumah kaca dalam ruang dan waktu, meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi panas rumah kaca yang tersisa, dan mengurangi total konsumsi energi pemanasan. Kedua jenis rumah kaca tersebut dapat berupa jenis rumah kaca yang berbeda atau jenis rumah kaca yang sama untuk menanam berbagai tanaman, seperti rumah kaca selada dan tomat. Metode pengumpulan panas terutama meliputi ekstraksi panas udara dalam ruangan dan penangkapan langsung radiasi yang datang. Melalui pengumpulan energi matahari, konveksi paksa oleh penukar panas dan ekstraksi paksa oleh pompa panas, panas berlebih di rumah kaca berenergi tinggi diekstraksi untuk memanaskan rumah kaca.

meringkaskan

Rumah kaca tenaga surya baru ini memiliki keunggulan perakitan yang cepat, periode konstruksi yang lebih singkat, dan peningkatan tingkat pemanfaatan lahan. Oleh karena itu, perlu dilakukan eksplorasi lebih lanjut terhadap kinerja rumah kaca baru ini di berbagai daerah, dan memberikan kemungkinan untuk popularisasi dan penerapan rumah kaca baru secara besar-besaran. Pada saat yang sama, perlu terus memperkuat penerapan energi baru dan material baru dalam rumah kaca, sehingga dapat memberikan daya dorong bagi reformasi struktural rumah kaca.

Prospek dan pemikiran masa depan

Rumah kaca tradisional seringkali memiliki beberapa kekurangan, seperti konsumsi energi yang tinggi, tingkat pemanfaatan lahan yang rendah, memakan waktu dan tenaga, kinerja yang buruk, dan lain-lain, yang tidak lagi dapat memenuhi kebutuhan produksi pertanian modern, dan pasti akan secara bertahap dihilangkan. Oleh karena itu, penggunaan sumber energi baru seperti energi matahari, energi biomassa, energi panas bumi, dan energi angin, serta material aplikasi rumah kaca baru dan desain baru merupakan tren perkembangan untuk mendorong perubahan struktural rumah kaca. Pertama, rumah kaca baru yang didorong oleh energi dan material baru tidak hanya harus memenuhi kebutuhan operasi mekanis, tetapi juga menghemat energi, lahan, dan biaya. Kedua, perlu untuk terus mengeksplorasi kinerja rumah kaca baru di berbagai daerah, sehingga dapat menyediakan kondisi untuk popularisasi rumah kaca skala besar. Di masa depan, kita harus lebih lanjut mencari energi dan material baru yang sesuai untuk aplikasi rumah kaca, dan menemukan kombinasi terbaik antara energi, material baru, dan rumah kaca, sehingga memungkinkan untuk membangun rumah kaca baru dengan biaya rendah, periode konstruksi singkat, konsumsi energi rendah, dan kinerja yang sangat baik, membantu perubahan struktur rumah kaca dan mendorong perkembangan modernisasi rumah kaca di Tiongkok.

Meskipun penerapan energi baru, material baru, dan desain baru dalam konstruksi rumah kaca merupakan tren yang tak terhindarkan, masih banyak masalah yang perlu dipelajari dan diatasi: (1) Peningkatan biaya konstruksi. Dibandingkan dengan pemanasan tradisional menggunakan batu bara, gas alam, atau minyak, penerapan energi baru dan material baru lebih ramah lingkungan dan bebas polusi, tetapi biaya konstruksinya meningkat secara signifikan, yang berdampak pada pengembalian investasi produksi dan operasi. Dibandingkan dengan pemanfaatan energi, biaya material baru akan meningkat secara signifikan. (2) Pemanfaatan energi panas yang tidak stabil. Keuntungan terbesar dari pemanfaatan energi baru adalah biaya operasional yang rendah dan emisi karbon dioksida yang rendah, tetapi pasokan energi dan panas tidak stabil, dan hari-hari berawan menjadi faktor pembatas terbesar dalam pemanfaatan energi matahari. Dalam proses produksi panas biomassa melalui fermentasi, pemanfaatan energi ini secara efektif dibatasi oleh masalah energi panas fermentasi yang rendah, manajemen dan kontrol yang sulit, dan ruang penyimpanan yang besar untuk transportasi bahan baku. (3) Kematangan teknologi. Teknologi yang digunakan oleh energi baru dan material baru ini merupakan hasil penelitian dan teknologi yang canggih, dan area serta cakupan aplikasinya masih cukup terbatas. (4) Teknologi tersebut belum banyak diuji coba di berbagai lokasi dan praktik berskala besar, sehingga terdapat beberapa kekurangan dan konten teknis yang perlu diperbaiki dalam penerapannya. Pengguna seringkali menolak kemajuan teknologi karena kekurangan-kekurangan kecil tersebut. (5) Tingkat penetrasi teknologi masih rendah. Penerapan luas suatu pencapaian ilmiah dan teknologi membutuhkan popularitas tertentu. Saat ini, energi baru, teknologi baru, dan teknologi desain rumah kaca baru semuanya berada di tim pusat penelitian ilmiah di universitas dengan kemampuan inovasi tertentu, dan sebagian besar pengguna atau perancang teknologi masih belum mengetahuinya; Pada saat yang sama, popularisasi dan penerapan teknologi baru masih cukup terbatas karena peralatan inti dari teknologi baru tersebut dipatenkan. (6) Integrasi energi baru, material baru, dan desain struktur rumah kaca perlu diperkuat lebih lanjut. Karena energi, material, dan desain struktur rumah kaca termasuk dalam tiga disiplin ilmu yang berbeda, talenta dengan pengalaman desain rumah kaca seringkali kurang melakukan penelitian tentang energi dan material yang berkaitan dengan rumah kaca, dan sebaliknya; Oleh karena itu, para peneliti yang terkait dengan penelitian energi dan material perlu memperkuat investigasi dan pemahaman tentang kebutuhan aktual pengembangan industri rumah kaca, dan para perancang struktur juga harus mempelajari material baru dan energi baru untuk mendorong integrasi mendalam dari ketiga hubungan tersebut, sehingga mencapai tujuan teknologi penelitian rumah kaca yang praktis, biaya konstruksi rendah, dan efek penggunaan yang baik. Berdasarkan permasalahan di atas, disarankan agar pemerintah pusat, pemerintah daerah, dan pusat penelitian ilmiah mengintensifkan penelitian teknis, melakukan penelitian bersama secara mendalam, memperkuat publikasi prestasi ilmiah dan teknologi, meningkatkan popularisasi prestasi, dan dengan cepat mewujudkan tujuan energi baru dan material baru untuk membantu pengembangan baru industri rumah kaca.

Informasi yang dikutip

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Energi baru, material baru dan desain baru membantu revolusi baru rumah kaca [J]. Sayuran, 2022,(10):1-8.