Teknologi rekayasa pertanian hortikultura rumah kaca 2022-12-02 17:30 diterbitkan di Beijing

Pengembangan rumah kaca tenaga surya di daerah yang tidak ditanami seperti gurun, Gobi, dan lahan berpasir telah secara efektif memecahkan kontradiksi antara pangan dan sayuran yang bersaing memperebutkan lahan. Suhu merupakan salah satu faktor lingkungan yang menentukan pertumbuhan dan perkembangan tanaman yang membutuhkan suhu tinggi, yang seringkali menentukan keberhasilan atau kegagalan produksi tanaman di rumah kaca. Oleh karena itu, untuk mengembangkan rumah kaca tenaga surya di daerah yang tidak ditanami, kita harus terlebih dahulu menyelesaikan masalah suhu lingkungan rumah kaca. Dalam artikel ini, metode pengendalian suhu yang digunakan di rumah kaca lahan yang tidak ditanami dalam beberapa tahun terakhir dirangkum, dan masalah yang ada serta arah pengembangan suhu dan perlindungan lingkungan di rumah kaca tenaga surya lahan yang tidak ditanami dianalisis dan dirangkum.

Tiongkok memiliki populasi yang besar dan sumber daya lahan yang terbatas. Lebih dari 85% sumber daya lahan adalah lahan yang tidak ditanami, yang sebagian besar terkonsentrasi di barat laut Tiongkok. Dokumen No. 1 Komite Sentral tahun 2022 menunjukkan bahwa pengembangan pertanian fasilitas harus dipercepat, dan dengan dasar melindungi lingkungan ekologis, lahan kosong dan lahan terlantar yang dapat dimanfaatkan harus dieksplorasi untuk mengembangkan pertanian fasilitas. Barat laut Tiongkok kaya akan gurun, Gobi, lahan terlantar, dan sumber daya lahan yang tidak ditanami lainnya serta sumber daya cahaya dan panas alami, yang cocok untuk pengembangan pertanian fasilitas. Oleh karena itu, pengembangan dan pemanfaatan sumber daya lahan yang tidak ditanami untuk mengembangkan rumah kaca lahan yang tidak ditanami memiliki signifikansi strategis yang besar untuk menjamin ketahanan pangan nasional dan mengurangi konflik penggunaan lahan.

Saat ini, rumah kaca tenaga surya non-budidaya merupakan bentuk utama pengembangan pertanian efisien tinggi di lahan non-budidaya. Di barat laut Tiongkok, perbedaan suhu antara siang dan malam sangat besar, dan suhu malam hari di musim dingin rendah, yang sering menyebabkan fenomena suhu minimum di dalam ruangan lebih rendah daripada suhu yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman secara normal. Suhu adalah salah satu faktor lingkungan yang sangat penting untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman. Suhu yang terlalu rendah akan memperlambat reaksi fisiologis dan biokimia tanaman serta memperlambat pertumbuhan dan perkembangannya. Ketika suhu lebih rendah dari batas yang dapat ditoleransi tanaman, hal itu bahkan dapat menyebabkan kerusakan akibat pembekuan. Oleh karena itu, sangat penting untuk memastikan suhu yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangan tanaman secara normal. Untuk menjaga suhu yang tepat di rumah kaca tenaga surya, hal itu bukanlah solusi tunggal. Hal ini perlu dijamin dari aspek desain rumah kaca, konstruksi, pemilihan material, pengaturan, dan manajemen harian. Oleh karena itu, artikel ini akan merangkum status penelitian dan kemajuan pengendalian suhu rumah kaca non-budidaya di Tiongkok dalam beberapa tahun terakhir dari aspek desain dan konstruksi rumah kaca, tindakan pengawetan panas dan pemanasan, serta manajemen lingkungan, sehingga dapat memberikan referensi sistematis untuk desain dan manajemen rumah kaca non-budidaya yang rasional.

Struktur dan material rumah kaca

Lingkungan termal rumah kaca terutama bergantung pada kapasitas transmisi, intersepsi, dan penyimpanan radiasi matahari oleh rumah kaca, yang terkait dengan desain yang wajar dari orientasi rumah kaca, bentuk dan material permukaan yang meneruskan cahaya, struktur dan material dinding dan atap belakang, insulasi pondasi, ukuran rumah kaca, mode insulasi malam dan material atap depan, dll., dan juga terkait dengan apakah konstruksi dan proses pembangunan rumah kaca dapat memastikan realisasi persyaratan desain secara efektif.

Kapasitas transmisi cahaya atap depan

Energi utama di rumah kaca berasal dari matahari. Meningkatkan kapasitas transmisi cahaya atap depan bermanfaat bagi rumah kaca untuk mendapatkan lebih banyak panas, dan juga merupakan dasar penting untuk memastikan lingkungan suhu rumah kaca di musim dingin. Saat ini, ada tiga metode utama untuk meningkatkan kapasitas transmisi cahaya dan waktu penerimaan cahaya atap depan rumah kaca.

01 merancang orientasi dan azimut rumah kaca yang wajar

Orientasi rumah kaca memengaruhi kinerja pencahayaan rumah kaca dan kapasitas penyimpanan panas rumah kaca. Oleh karena itu, untuk mendapatkan lebih banyak penyimpanan panas di rumah kaca, orientasi rumah kaca non-budidaya di barat laut Cina menghadap ke selatan. Untuk azimut rumah kaca tertentu, ketika memilih selatan ke timur, akan menguntungkan untuk "menangkap matahari", dan suhu dalam ruangan naik dengan cepat di pagi hari; ketika selatan ke barat dipilih, akan menguntungkan rumah kaca untuk memanfaatkan cahaya sore hari. Arah selatan merupakan kompromi antara kedua situasi di atas. Menurut pengetahuan geofisika, bumi berputar 360° dalam sehari, dan azimut matahari bergerak sekitar 1° setiap 4 menit. Oleh karena itu, setiap kali azimut rumah kaca berbeda 1°, waktu sinar matahari langsung akan berbeda sekitar 4 menit, yaitu, azimut rumah kaca memengaruhi waktu rumah kaca menerima cahaya di pagi dan sore hari.

Ketika durasi siang dan sore hari sama, dan arah timur atau barat berada pada sudut yang sama, rumah kaca akan mendapatkan durasi siang yang sama. Namun, untuk daerah di utara garis lintang 37° utara, suhu rendah di pagi hari, dan waktu membuka selimut isolasi terlambat, sementara suhu relatif tinggi di siang dan malam hari, sehingga waktu menutup selimut isolasi termal dapat ditunda. Oleh karena itu, daerah-daerah ini sebaiknya memilih arah selatan-barat dan memanfaatkan sepenuhnya cahaya siang hari. Untuk daerah dengan garis lintang 30°~35° utara, karena kondisi pencahayaan yang lebih baik di pagi hari, waktu pengawetan panas dan pembukaan selimut isolasi juga dapat dimajukan. Oleh karena itu, daerah-daerah ini sebaiknya memilih arah selatan-timur untuk mendapatkan lebih banyak radiasi matahari pagi untuk rumah kaca. Namun, di daerah dengan garis lintang 35°~37° utara, terdapat sedikit perbedaan radiasi matahari di pagi dan sore hari, sehingga lebih baik memilih arah selatan. Baik itu arah tenggara maupun barat daya, sudut deviasi umumnya berkisar antara 5° hingga 8°, dan maksimum tidak boleh melebihi 10°. Tiongkok Barat Laut terletak pada rentang garis lintang 37° hingga 50° utara, sehingga sudut azimut rumah kaca umumnya dari selatan ke barat. Dengan mempertimbangkan hal ini, rumah kaca sinar matahari yang dirancang oleh Zhang Jingshe dkk. di daerah Taiyuan telah memilih orientasi 5° ke barat dari selatan, rumah kaca sinar matahari yang dibangun oleh Chang Meimei dkk. di daerah Gobi di Koridor Hexi telah mengadopsi orientasi 5° hingga 10° ke barat dari selatan, dan rumah kaca sinar matahari yang dibangun oleh Ma Zhigui dkk. di Xinjiang utara telah mengadopsi orientasi 8° ke barat dari selatan.

02. Desain bentuk atap depan dan sudut kemiringan yang wajar.

Bentuk dan kemiringan atap depan menentukan sudut datang sinar matahari. Semakin kecil sudut datang, semakin besar transmisinya. Sun Juren percaya bahwa bentuk atap depan terutama ditentukan oleh rasio panjang permukaan penerangan utama dan kemiringan belakang. Kemiringan depan yang panjang dan kemiringan belakang yang pendek bermanfaat untuk penerangan dan pengawetan panas atap depan. Chen Wei-Qian dan lainnya berpendapat bahwa atap penerangan utama rumah kaca surya yang digunakan di daerah Gobi mengadopsi busur lingkaran dengan radius 4,5 m, yang dapat secara efektif menahan dingin. Zhang Jingshe, dkk. berpendapat bahwa lebih tepat menggunakan lengkungan setengah lingkaran pada atap depan rumah kaca di daerah pegunungan dan lintang tinggi. Adapun sudut kemiringan atap depan, menurut karakteristik transmisi cahaya film plastik, ketika sudut datang 0 ~ 40°, reflektivitas atap depan terhadap sinar matahari kecil, dan ketika melebihi 40°, reflektivitas meningkat secara signifikan. Oleh karena itu, 40° diambil sebagai sudut datang maksimum untuk menghitung sudut kemiringan atap depan, sehingga bahkan pada titik balik matahari musim dingin, radiasi matahari dapat masuk ke rumah kaca secara maksimal. Oleh karena itu, ketika merancang rumah kaca tenaga surya yang cocok untuk daerah non-pertanian di Wuhai, Mongolia Dalam, He Bin dan lainnya menghitung sudut kemiringan atap depan dengan sudut datang 40°, dan berpendapat bahwa selama lebih besar dari 30°, hal itu dapat memenuhi persyaratan pencahayaan dan pengawetan panas rumah kaca. Zhang Caihong dan lainnya berpendapat bahwa ketika membangun rumah kaca di daerah non-pertanian Xinjiang, sudut kemiringan atap depan rumah kaca di Xinjiang selatan adalah 31°, sedangkan di Xinjiang utara adalah 32°~33,5°.

03 Pilih bahan penutup transparan yang sesuai.

Selain pengaruh kondisi radiasi matahari di luar ruangan, karakteristik material dan transmisi cahaya dari film rumah kaca juga merupakan faktor penting yang memengaruhi lingkungan cahaya dan panas di dalam rumah kaca. Saat ini, transmisi cahaya film plastik seperti PE, PVC, EVA, dan PO berbeda karena perbedaan material dan ketebalan film. Secara umum, transmisi cahaya film yang telah digunakan selama 1-3 tahun dapat dijamin di atas 88% secara keseluruhan, yang harus dipilih sesuai dengan kebutuhan tanaman akan cahaya dan suhu. Selain itu, selain transmisi cahaya di dalam rumah kaca, distribusi lingkungan cahaya di dalam rumah kaca juga merupakan faktor yang semakin diperhatikan. Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, material penutup transmisi cahaya dengan peningkatan hamburan cahaya telah sangat diakui oleh industri, terutama di daerah dengan radiasi matahari yang kuat di barat laut Cina. Penerapan film dengan peningkatan hamburan cahaya telah mengurangi efek bayangan di bagian atas dan bawah kanopi tanaman, meningkatkan cahaya di bagian tengah dan bawah kanopi tanaman, meningkatkan karakteristik fotosintesis seluruh tanaman, dan menunjukkan efek yang baik dalam mendorong pertumbuhan dan meningkatkan produksi.

Desain ukuran rumah kaca yang wajar

Panjang rumah kaca yang terlalu panjang atau terlalu pendek akan memengaruhi pengendalian suhu di dalam ruangan. Jika panjang rumah kaca terlalu pendek, sebelum matahari terbit dan terbenam, area yang dinaungi oleh atap pelana timur dan barat akan besar, yang tidak kondusif untuk penghangatan rumah kaca, dan karena volumenya yang kecil, akan memengaruhi penyerapan dan pelepasan panas oleh tanah dan dinding di dalam ruangan. Jika panjangnya terlalu besar, akan sulit untuk mengontrol suhu di dalam ruangan, dan akan memengaruhi kekokohan struktur rumah kaca dan konfigurasi mekanisme penggulungan selimut penahan panas. Tinggi dan bentang rumah kaca secara langsung memengaruhi pencahayaan alami atap depan, ukuran ruang rumah kaca, dan rasio insulasi. Ketika bentang dan panjang rumah kaca tetap, peningkatan tinggi rumah kaca dapat meningkatkan sudut pencahayaan atap depan dari perspektif lingkungan cahaya, yang kondusif untuk transmisi cahaya; Dari sudut pandang lingkungan termal, peningkatan tinggi dinding akan meningkatkan area penyimpanan panas dinding belakang, yang bermanfaat untuk penyimpanan dan pelepasan panas dinding belakang. Selain itu, karena luasnya ruangan, kapasitas panasnya juga besar, dan lingkungan termal rumah kaca lebih stabil. Tentu saja, meningkatkan tinggi rumah kaca akan meningkatkan biaya rumah kaca, yang perlu dipertimbangkan secara komprehensif. Oleh karena itu, saat mendesain rumah kaca, kita harus memilih panjang, bentang, dan tinggi yang wajar sesuai dengan kondisi setempat. Misalnya, Zhang Caihong dan lainnya berpendapat bahwa di Xinjiang utara, panjang rumah kaca adalah 50~80m, bentangnya 7m, dan tingginya 3,9m, sedangkan di Xinjiang selatan, panjang rumah kaca adalah 50~80m, bentangnya 8m, dan tingginya 3,6~4,0m; juga dianggap bahwa bentang rumah kaca tidak boleh kurang dari 7m, dan ketika bentangnya 8m, efek pengawetan panasnya paling baik. Selain itu, Chen Weiqian dan yang lainnya berpendapat bahwa panjang, bentang, dan tinggi rumah kaca tenaga surya seharusnya masing-masing 80m, 8~10m, dan 3,8~4,2m ketika dibangun di daerah Gobi, Jiuquan, Gansu.

Meningkatkan kapasitas penyimpanan panas dan insulasi dinding.

Pada siang hari, dinding mengakumulasi panas dengan menyerap radiasi matahari dan panas dari udara dalam ruangan. Pada malam hari, ketika suhu dalam ruangan lebih rendah daripada suhu dinding, dinding akan secara pasif melepaskan panas untuk menghangatkan rumah kaca. Sebagai badan penyimpanan panas utama rumah kaca, dinding dapat secara signifikan meningkatkan lingkungan suhu malam hari di dalam ruangan dengan meningkatkan kapasitas penyimpanan panasnya. Pada saat yang sama, fungsi insulasi termal dinding merupakan dasar bagi stabilitas lingkungan termal rumah kaca. Saat ini, terdapat beberapa metode untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan panas dan insulasi dinding.

01 merancang struktur dinding yang masuk akal

Fungsi dinding terutama meliputi penyimpanan panas dan pengawetan panas, dan pada saat yang sama, sebagian besar dinding rumah kaca juga berfungsi sebagai elemen penahan beban untuk menopang rangka atap. Dari sudut pandang memperoleh lingkungan termal yang baik, struktur dinding yang wajar harus memiliki kapasitas penyimpanan panas yang cukup di sisi dalam dan kapasitas pengawetan panas yang cukup di sisi luar, sambil mengurangi jembatan dingin yang tidak perlu. Dalam penelitian penyimpanan panas dan insulasi dinding, Bao Encai dkk. merancang dinding penyimpanan panas pasif pasir padat di daerah gurun Wuhai, Mongolia Dalam. Batu bata berpori digunakan sebagai lapisan insulasi di bagian luar dan pasir padat digunakan sebagai lapisan penyimpanan panas di bagian dalam. Pengujian menunjukkan bahwa suhu dalam ruangan dapat mencapai 13,7℃ pada hari-hari cerah. Ma Yuehong dkk. merancang dinding komposit blok mortar kulit gandum di Xinjiang utara, di mana kapur tohor diisi ke dalam blok mortar sebagai lapisan penyimpanan panas dan karung terak ditumpuk di luar ruangan sebagai lapisan insulasi. Dinding blok berongga yang dirancang oleh Zhao Peng, dkk. di daerah Gobi, provinsi Gansu, menggunakan papan benzena setebal 100 mm sebagai lapisan isolasi di bagian luar dan pasir serta bata blok berongga sebagai lapisan penyimpanan panas di bagian dalam. Pengujian menunjukkan bahwa suhu rata-rata di musim dingin di atas 10℃ pada malam hari, dan Chai Regeneration, dkk. juga menggunakan pasir dan kerikil sebagai lapisan isolasi dan lapisan penyimpanan panas dinding di daerah Gobi, provinsi Gansu. Dalam hal mengurangi jembatan dingin, Yan Junyue dkk. merancang dinding belakang rakitan yang ringan dan sederhana, yang tidak hanya meningkatkan resistansi termal dinding, tetapi juga meningkatkan sifat penyegelan dinding dengan menempelkan papan polistirena di bagian luar dinding belakang; Wu Letian dkk. memasang balok cincin beton bertulang di atas fondasi dinding rumah kaca, dan menggunakan cetakan bata trapesium tepat di atas balok cincin untuk menopang atap belakang, yang memecahkan masalah mudahnya terjadi retakan dan penurunan fondasi di rumah kaca di Hotian, Xinjiang, sehingga memengaruhi isolasi termal rumah kaca.

02 Pilih bahan penyimpanan panas dan isolasi yang sesuai.

Efek penyimpanan panas dan isolasi dinding bergantung pertama-tama pada pemilihan material. Di gurun barat laut, Gobi, tanah berpasir, dan daerah lain, sesuai dengan kondisi lokasi, para peneliti menggunakan material lokal dan melakukan upaya berani untuk mendesain berbagai jenis dinding belakang rumah kaca tenaga surya. Misalnya, ketika Zhang Guosen dan lainnya membangun rumah kaca di lahan pasir dan kerikil di Gansu, pasir dan kerikil digunakan sebagai lapisan penyimpanan panas dan isolasi dinding; Sesuai dengan karakteristik Gobi dan gurun di barat laut Tiongkok, Zhao Peng mendesain jenis dinding blok berongga dengan batu pasir dan blok berongga sebagai material. Pengujian menunjukkan bahwa suhu rata-rata malam hari di dalam ruangan lebih dari 10℃. Mengingat kelangkaan bahan bangunan seperti batu bata dan tanah liat di wilayah Gobi di barat laut Tiongkok, Zhou Changji dan lainnya menemukan bahwa rumah kaca lokal biasanya menggunakan kerikil sebagai material dinding ketika meneliti rumah kaca tenaga surya di wilayah Gobi, Kizilsu Kirgiz, Xinjiang. Mengingat kinerja termal dan kekuatan mekanik kerikil, rumah kaca yang dibangun dengan kerikil memiliki kinerja yang baik dalam hal pengawetan panas, penyimpanan panas, dan daya dukung beban. Demikian pula, Zhang Yong, dkk. juga menggunakan kerikil sebagai bahan utama dinding, dan merancang dinding belakang kerikil penyimpanan panas independen di Shanxi dan tempat lain. Pengujian menunjukkan bahwa efek penyimpanan panasnya baik. Zhang dkk. merancang sejenis dinding batu pasir sesuai dengan karakteristik daerah Gobi barat laut, yang dapat meningkatkan suhu dalam ruangan hingga 2,5℃. Selain itu, Ma Yuehong dkk. menguji kapasitas penyimpanan panas dinding pasir berisi blok, dinding blok, dan dinding bata di Hotian, Xinjiang. Hasilnya menunjukkan bahwa dinding pasir berisi blok memiliki kapasitas penyimpanan panas terbesar. Selain itu, untuk meningkatkan kinerja penyimpanan panas dinding, para peneliti secara aktif mengembangkan bahan dan teknologi penyimpanan panas baru. Misalnya, Bao Encai mengusulkan bahan agen pengeras perubahan fasa, yang dapat digunakan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan panas dinding belakang rumah kaca surya di daerah non-pertanian barat laut. Sebagai eksplorasi bahan lokal, tumpukan jerami, terak, papan benzena, dan jerami juga digunakan sebagai bahan dinding, tetapi bahan-bahan ini biasanya hanya memiliki fungsi pengawetan panas dan tidak memiliki kapasitas penyimpanan panas. Secara umum, dinding yang diisi dengan kerikil dan blok memiliki kapasitas penyimpanan panas dan insulasi yang baik.

03 Tingkatkan ketebalan dinding secara tepat

Biasanya, resistansi termal merupakan indeks penting untuk mengukur kinerja insulasi termal dinding, dan faktor yang memengaruhi resistansi termal adalah ketebalan lapisan material selain konduktivitas termal material. Oleh karena itu, berdasarkan pemilihan material insulasi termal yang tepat, peningkatan ketebalan dinding secara tepat dapat meningkatkan resistansi termal keseluruhan dinding dan mengurangi kehilangan panas melalui dinding, sehingga meningkatkan insulasi termal dan kapasitas penyimpanan panas dinding dan seluruh rumah kaca. Misalnya, di Gansu dan daerah lain, ketebalan rata-rata dinding karung pasir di Kota Zhangye adalah 2,6 m, sedangkan dinding bata mortar di Kota Jiuquan adalah 3,7 m. Semakin tebal dinding, semakin besar insulasi termal dan kapasitas penyimpanan panasnya. Namun, dinding yang terlalu tebal akan meningkatkan penggunaan lahan dan biaya konstruksi rumah kaca. Oleh karena itu, dari perspektif peningkatan kapasitas insulasi termal, kita juga harus memprioritaskan pemilihan material insulasi termal tinggi dengan konduktivitas termal rendah, seperti polistirena, poliuretan, dan material lainnya, dan kemudian meningkatkan ketebalannya secara tepat.

Desain atap belakang yang masuk akal

Untuk desain atap belakang, pertimbangan utama adalah untuk tidak menimbulkan pengaruh bayangan dan meningkatkan kapasitas insulasi termal. Untuk mengurangi pengaruh bayangan pada atap belakang, pengaturan sudut kemiringannya terutama didasarkan pada fakta bahwa atap belakang dapat menerima sinar matahari langsung pada siang hari ketika tanaman ditanam dan diproduksi. Oleh karena itu, sudut elevasi atap belakang umumnya dipilih lebih baik daripada sudut ketinggian matahari lokal pada titik balik matahari musim dingin yaitu 7°~8°. Misalnya, Zhang Caihong dan lainnya berpendapat bahwa ketika membangun rumah kaca surya di daerah Gobi dan tanah salin-alkali di Xinjiang, panjang proyeksi atap belakang adalah 1,6 m, sehingga sudut kemiringan atap belakang adalah 40° di Xinjiang selatan dan 45° di Xinjiang utara. Chen Wei-Qian dan lainnya berpendapat bahwa atap belakang rumah kaca surya di daerah Jiuquan Gobi harus dimiringkan pada sudut 40°. Untuk insulasi termal atap belakang, kapasitas insulasi termal harus dipastikan terutama dalam pemilihan bahan insulasi termal, desain ketebalan yang diperlukan, dan sambungan tumpang tindih yang wajar dari bahan insulasi termal selama konstruksi.

Mengurangi kehilangan panas tanah

Pada malam hari di musim dingin, karena suhu tanah di dalam ruangan lebih tinggi daripada suhu tanah di luar ruangan, panas dari tanah di dalam ruangan akan berpindah ke luar ruangan melalui konduksi panas, menyebabkan hilangnya panas rumah kaca. Ada beberapa cara untuk mengurangi kehilangan panas tanah.

01 isolasi tanah

Tanah digali dengan benar, menghindari lapisan tanah beku, dan menggunakan tanah untuk pengawetan panas. Misalnya, rumah kaca surya “1448 tiga material satu badan” yang dikembangkan oleh Chai Regeneration dan lahan non-pertanian lainnya di Koridor Hexi dibangun dengan menggali sedalam 1m, secara efektif menghindari lapisan tanah beku; Berdasarkan fakta bahwa kedalaman tanah beku di daerah Turpan adalah 0,8m, Wang Huamin dan lainnya menyarankan penggalian sedalam 0,8m untuk meningkatkan kapasitas insulasi termal rumah kaca. Ketika Zhang Guosen, dkk. membangun dinding belakang rumah kaca surya penggalian lengkung ganda film ganda di lahan non-pertanian, kedalaman penggaliannya adalah 1m. Percobaan menunjukkan bahwa suhu terendah di malam hari meningkat 2~3℃ dibandingkan dengan rumah kaca surya generasi kedua tradisional.

02 alas pelindung dingin

Metode utamanya adalah dengan menggali parit tahan dingin di sepanjang bagian pondasi atap depan, mengisinya dengan bahan isolasi termal, atau mengubur bahan isolasi termal secara terus menerus di bawah tanah di sepanjang bagian dinding pondasi, yang semuanya bertujuan untuk mengurangi kehilangan panas yang disebabkan oleh perpindahan panas melalui tanah di bagian batas rumah kaca. Bahan isolasi termal yang digunakan terutama didasarkan pada kondisi lokal di barat laut Tiongkok, dan dapat diperoleh secara lokal, seperti jerami, terak, wol batu, papan polistiren, jerami jagung, kotoran kuda, daun gugur, rumput patah, serbuk gergaji, gulma, jerami, dll.

03 film mulsa

Dengan menutupi tanah menggunakan plastik, sinar matahari dapat menembus plastik tersebut pada siang hari, dan tanah menyerap panas matahari sehingga memanas. Selain itu, plastik dapat menghalangi radiasi gelombang panjang yang dipantulkan oleh tanah, sehingga mengurangi kehilangan radiasi tanah dan meningkatkan penyimpanan panas tanah. Pada malam hari, plastik dapat menghambat pertukaran panas konvektif antara tanah dan udara dalam ruangan, sehingga mengurangi kehilangan panas tanah. Pada saat yang sama, plastik juga dapat mengurangi kehilangan panas laten yang disebabkan oleh penguapan air tanah. Wei Wenxiang menutupi rumah kaca dengan plastik di Dataran Tinggi Qinghai, dan percobaan menunjukkan bahwa suhu tanah dapat dinaikkan sekitar 1℃.

Meningkatkan kinerja insulasi termal atap depan.

Atap depan rumah kaca merupakan permukaan utama yang melepaskan panas, dan panas yang hilang mencapai lebih dari 75% dari total kehilangan panas di rumah kaca. Oleh karena itu, memperkuat kapasitas insulasi panas atap depan rumah kaca dapat secara efektif mengurangi kehilangan panas melalui atap depan dan meningkatkan lingkungan suhu musim dingin di rumah kaca. Saat ini, ada tiga langkah utama untuk meningkatkan kapasitas insulasi termal atap depan.

01. Menggunakan lapisan penutup transparan multi-lapisan.

Secara struktural, penggunaan film dua lapis atau tiga lapis sebagai permukaan tembus cahaya rumah kaca dapat secara efektif meningkatkan kinerja insulasi termal rumah kaca. Misalnya, Zhang Guosen dan lainnya merancang rumah kaca surya tipe penggalian lengkung ganda dan film ganda di daerah Gobi, Kota Jiuquan. Bagian luar atap depan rumah kaca terbuat dari film EVA, dan bagian dalam rumah kaca terbuat dari film anti-penuaan PVC anti-tetes. Percobaan menunjukkan bahwa dibandingkan dengan rumah kaca surya generasi kedua tradisional, efek insulasi termalnya luar biasa, dan suhu terendah di malam hari naik rata-rata 2~3℃. Demikian pula, Zhang Jingshe, dkk. juga merancang rumah kaca surya dengan penutup film ganda untuk karakteristik iklim lintang tinggi dan daerah dingin yang ekstrem, yang secara signifikan meningkatkan insulasi termal rumah kaca. Dibandingkan dengan rumah kaca kontrol, suhu malam hari meningkat sebesar 3℃. Selain itu, Wu Letian dan lainnya mencoba menggunakan tiga lapis film EVA setebal 0,1 mm pada atap depan rumah kaca surya yang dirancang di daerah gurun Hetian, Xinjiang. Film multi-lapisan dapat secara efektif mengurangi kehilangan panas pada atap depan, tetapi karena transmisi cahaya film satu lapis pada dasarnya sekitar 90%, film multi-lapisan secara alami akan menyebabkan penurunan transmisi cahaya. Oleh karena itu, ketika memilih penutup transmisi cahaya multi-lapisan, perlu mempertimbangkan kondisi pencahayaan dan persyaratan pencahayaan rumah kaca.

02 Perkuat insulasi malam hari pada atap depan

Film plastik digunakan pada atap depan untuk meningkatkan transmisi cahaya di siang hari, dan menjadi titik terlemah di seluruh rumah kaca pada malam hari. Oleh karena itu, menutupi permukaan luar atap depan dengan selimut isolasi termal komposit tebal merupakan tindakan isolasi termal yang diperlukan untuk rumah kaca tenaga surya. Misalnya, di wilayah pegunungan Qinghai, Liu Yanjie dan lainnya menggunakan tirai jerami dan kertas kraft sebagai selimut isolasi termal untuk percobaan. Hasil uji menunjukkan bahwa suhu dalam ruangan terendah di rumah kaca pada malam hari dapat mencapai di atas 7,7℃. Lebih lanjut, Wei Wenxiang percaya bahwa kehilangan panas rumah kaca dapat dikurangi lebih dari 90% dengan menggunakan tirai jerami ganda atau kertas kraft di luar tirai jerami untuk isolasi termal di daerah ini. Selain itu, Zou Ping, dkk. menggunakan selimut isolasi termal dari serat daur ulang di rumah kaca tenaga surya di wilayah Gobi Xinjiang, dan Chang Meimei, dkk. menggunakan selimut isolasi termal katun berlapis di rumah kaca tenaga surya di wilayah Gobi Koridor Hexi. Saat ini, terdapat banyak jenis selimut insulasi termal yang digunakan di rumah kaca tenaga surya, tetapi sebagian besar terbuat dari kain felt yang dijahit, kapas yang disemprot lem, kapas mutiara, dll., dengan lapisan permukaan tahan air atau anti penuaan di kedua sisinya. Menurut mekanisme insulasi termal selimut insulasi termal, untuk meningkatkan kinerja insulasi termalnya, kita harus mulai dengan meningkatkan resistansi termalnya dan mengurangi koefisien perpindahan panasnya, dan langkah-langkah utamanya adalah mengurangi konduktivitas termal material, meningkatkan ketebalan lapisan material atau meningkatkan jumlah lapisan material, dll. Oleh karena itu, saat ini, material inti selimut insulasi termal dengan kinerja insulasi termal tinggi sering dibuat dari material komposit multi-lapisan. Menurut pengujian, koefisien perpindahan panas selimut insulasi termal dengan kinerja insulasi termal tinggi saat ini dapat mencapai 0,5W/(m2℃), yang memberikan jaminan yang lebih baik untuk insulasi termal rumah kaca di daerah dingin pada musim dingin. Tentu saja, daerah barat laut berangin dan berdebu, dan radiasi ultravioletnya kuat, sehingga lapisan permukaan insulasi termal harus memiliki kinerja anti penuaan yang baik.

03 Tambahkan tirai insulasi termal internal.

Meskipun atap depan rumah kaca sinar matahari ditutupi dengan selimut insulasi termal eksternal pada malam hari, jika dibandingkan dengan struktur keseluruhan rumah kaca lainnya, atap depan masih merupakan titik lemah bagi seluruh rumah kaca pada malam hari. Oleh karena itu, tim proyek “Teknologi Struktur dan Konstruksi Rumah Kaca di Lahan Non-Pertanian Barat Laut” merancang sistem gulungan insulasi termal internal sederhana (Gambar 1), yang strukturnya terdiri dari tirai insulasi termal internal tetap di bagian kaki depan dan tirai insulasi termal internal yang dapat digerakkan di ruang atas. Tirai insulasi termal yang dapat digerakkan di bagian atas dibuka dan dilipat di dinding belakang rumah kaca pada siang hari, sehingga tidak memengaruhi pencahayaan rumah kaca; Selimut insulasi termal tetap di bagian bawah berperan sebagai penyegel pada malam hari. Desain insulasi internal ini rapi dan mudah dioperasikan, serta dapat berperan sebagai peneduh dan pendingin di musim panas.

Teknologi pemanasan aktif

Karena suhu rendah di musim dingin di barat laut Tiongkok, jika kita hanya mengandalkan pengawetan panas dan penyimpanan panas di rumah kaca, kita masih belum dapat memenuhi persyaratan produksi tanaman untuk bertahan hidup di musim dingin dalam beberapa cuaca dingin, sehingga beberapa tindakan pemanasan aktif juga perlu dipertimbangkan.

Sistem penyimpanan energi surya dan pelepasan panas.

Salah satu alasan penting mengapa dinding memiliki fungsi pengawetan panas, penyimpanan panas, dan penahan beban adalah karena biaya konstruksi yang tinggi dan tingkat pemanfaatan lahan yang rendah pada rumah kaca tenaga surya. Oleh karena itu, penyederhanaan dan perakitan rumah kaca tenaga surya pasti akan menjadi arah pengembangan penting di masa depan. Di antaranya, menyederhanakan fungsi dinding berarti melepaskan fungsi penyimpanan dan pelepasan panas dinding, sehingga dinding belakang hanya memiliki fungsi pengawetan panas, yang merupakan cara efektif untuk menyederhanakan pengembangan. Misalnya, sistem penyimpanan dan pelepasan panas aktif Fang Hui (Gambar 2) banyak digunakan di daerah non-pertanian seperti Gansu, Ningxia, dan Xinjiang. Perangkat pengumpul panasnya digantung di dinding utara. Pada siang hari, panas yang dikumpulkan oleh perangkat pengumpul panas disimpan dalam badan penyimpanan panas melalui sirkulasi media penyimpanan panas, dan pada malam hari, panas dilepaskan dan dipanaskan oleh sirkulasi media penyimpanan panas, sehingga mewujudkan perpindahan panas dalam ruang dan waktu. Percobaan menunjukkan bahwa suhu minimum di rumah kaca dapat dinaikkan sebesar 3~5℃ dengan menggunakan perangkat ini. Wang Zhiwei dkk. mengusulkan sistem pemanas tirai air untuk rumah kaca tenaga surya di daerah gurun Xinjiang selatan, yang dapat meningkatkan suhu rumah kaca sebesar 2,1℃ di malam hari.

Selain itu, Bao Encai dkk. merancang sistem sirkulasi penyimpanan panas aktif untuk dinding utara. Pada siang hari, melalui sirkulasi kipas aksial, udara panas dalam ruangan mengalir melalui saluran transfer panas yang tertanam di dinding utara, dan saluran transfer panas tersebut bertukar panas dengan lapisan penyimpanan panas di dalam dinding, yang secara signifikan meningkatkan kapasitas penyimpanan panas dinding. Selain itu, sistem penyimpanan panas perubahan fasa surya yang dirancang oleh Yan Yantao dkk. menyimpan panas dalam material perubahan fasa melalui kolektor surya pada siang hari, dan kemudian melepaskan panas ke udara dalam ruangan melalui sirkulasi udara pada malam hari, yang dapat meningkatkan suhu rata-rata sebesar 2,0℃ pada malam hari. Teknologi dan peralatan pemanfaatan energi surya di atas memiliki karakteristik ekonomis, hemat energi, dan rendah karbon. Setelah dioptimalkan dan ditingkatkan, teknologi dan peralatan tersebut seharusnya memiliki prospek aplikasi yang baik di daerah-daerah dengan sumber daya energi surya yang melimpah di barat laut Tiongkok.

Teknologi pemanas tambahan lainnya

01 pemanasan energi biomassa

Serbuk alas tidur, jerami, kotoran sapi, kotoran domba, dan kotoran unggas dicampur dengan bakteri biologis dan dikubur di dalam tanah di rumah kaca. Banyak panas dihasilkan selama proses fermentasi, dan banyak strain bermanfaat, bahan organik, dan CO2 dihasilkan selama proses fermentasi. Strain bermanfaat dapat menghambat dan membunuh berbagai kuman, dan dapat mengurangi kemunculan penyakit dan hama di rumah kaca; Bahan organik dapat menjadi pupuk untuk tanaman; CO2 yang dihasilkan dapat meningkatkan fotosintesis tanaman. Misalnya, Wei Wenxiang mengubur pupuk organik panas seperti kotoran kuda, kotoran sapi, dan kotoran domba di dalam tanah di rumah kaca surya di Dataran Tinggi Qinghai, yang secara efektif meningkatkan suhu tanah. Di rumah kaca surya di daerah gurun Gansu, Zhou Zhilong menggunakan jerami dan pupuk organik untuk difermentasi di antara tanaman. Uji coba menunjukkan bahwa suhu rumah kaca dapat meningkat sebesar 2~3℃.

02 pemanas batubara

Terdapat kompor buatan, pemanas air hemat energi, dan pemanas ruangan. Misalnya, setelah melakukan investigasi di Dataran Tinggi Qinghai, Wei Wenxiang menemukan bahwa pemanasan tungku buatan terutama digunakan di daerah tersebut. Metode pemanasan ini memiliki keunggulan pemanasan yang lebih cepat dan efek pemanasan yang jelas. Namun, gas berbahaya seperti SO2, CO, dan H2S akan dihasilkan dalam proses pembakaran batu bara, sehingga perlu dilakukan pembuangan gas berbahaya dengan baik.

03 pemanas listrik

Gunakan kawat pemanas listrik untuk memanaskan atap depan rumah kaca, atau gunakan pemanas listrik. Efek pemanasannya luar biasa, penggunaannya aman, tidak menghasilkan polutan di dalam rumah kaca, dan peralatan pemanas mudah dikendalikan. Chen Weiqian dan lainnya berpendapat bahwa masalah kerusakan akibat pembekuan di musim dingin di daerah Jiuquan menghambat perkembangan pertanian Gobi setempat, dan elemen pemanas listrik dapat digunakan untuk memanaskan rumah kaca. Namun, karena penggunaan sumber energi listrik berkualitas tinggi, konsumsi energinya tinggi dan biayanya juga tinggi. Disarankan agar alat ini digunakan sebagai sarana pemanasan darurat sementara dalam cuaca dingin ekstrem.

Langkah-langkah pengelolaan lingkungan

Dalam proses produksi dan penggunaan rumah kaca, peralatan lengkap dan pengoperasian normal saja tidak dapat secara efektif memastikan bahwa lingkungan termalnya memenuhi persyaratan desain. Faktanya, penggunaan dan pengelolaan peralatan seringkali memainkan peran kunci dalam pembentukan dan pemeliharaan lingkungan termal, yang terpenting adalah pengelolaan harian selimut isolasi termal dan ventilasi.

Pengelolaan selimut isolasi termal

Selimut insulasi termal adalah kunci insulasi termal malam hari pada atap depan, sehingga sangat penting untuk menyempurnakan pengelolaan dan perawatannya sehari-hari, terutama masalah-masalah berikut yang perlu diperhatikan: ①Pilih waktu buka dan tutup selimut insulasi termal yang tepat. Waktu buka dan tutup selimut insulasi termal tidak hanya memengaruhi waktu pencahayaan rumah kaca, tetapi juga memengaruhi proses pemanasan di dalam rumah kaca. Membuka dan menutup selimut insulasi termal terlalu cepat atau terlalu lambat tidak kondusif untuk pengumpulan panas. Di pagi hari, jika selimut dibuka terlalu cepat, suhu dalam ruangan akan turun terlalu banyak karena suhu luar ruangan yang rendah dan cahaya yang lemah. Sebaliknya, jika waktu membuka selimut terlalu lambat, waktu penerimaan cahaya di rumah kaca akan dipersingkat, dan waktu kenaikan suhu dalam ruangan akan tertunda. Di siang hari, jika selimut insulasi termal dimatikan terlalu cepat, waktu paparan dalam ruangan akan dipersingkat, dan penyimpanan panas tanah dan dinding dalam ruangan akan berkurang. Sebaliknya, jika isolasi termal dimatikan terlalu terlambat, pelepasan panas rumah kaca akan meningkat karena suhu luar ruangan yang rendah dan cahaya yang lemah. Oleh karena itu, secara umum, ketika selimut isolasi termal dinyalakan di pagi hari, disarankan agar suhu naik setelah penurunan 1~2℃, sedangkan ketika selimut isolasi termal dimatikan, disarankan agar suhu naik setelah penurunan 1~2℃. ② Saat menutup selimut isolasi termal, perhatikan apakah selimut isolasi termal menutupi semua atap depan dengan rapat, dan sesuaikan tepat waktu jika ada celah. ③ Setelah selimut isolasi termal terpasang sepenuhnya, periksa apakah bagian bawah telah dipadatkan, untuk mencegah efek isolasi termal terangkat oleh angin di malam hari. ④ Periksa dan rawat selimut isolasi termal tepat waktu, terutama jika selimut isolasi termal rusak, perbaiki atau ganti tepat waktu. ⑤ Perhatikan kondisi cuaca tepat waktu. Saat hujan atau salju, tutupi selimut isolasi termal tepat waktu dan bersihkan salju tepat waktu.

Pengelolaan ventilasi

Tujuan ventilasi di musim dingin adalah untuk mengatur suhu udara agar terhindar dari suhu yang terlalu tinggi di sekitar tengah hari; kedua, untuk menghilangkan kelembapan di dalam ruangan, mengurangi kelembapan udara di rumah kaca, dan mengendalikan hama dan penyakit; ketiga, untuk meningkatkan konsentrasi CO2 di dalam ruangan dan mendorong pertumbuhan tanaman. Namun, ventilasi dan pengawetan panas saling bertentangan. Jika ventilasi tidak dikelola dengan baik, kemungkinan akan menyebabkan masalah suhu rendah. Oleh karena itu, kapan dan berapa lama ventilasi dibuka perlu disesuaikan secara dinamis sesuai dengan kondisi lingkungan rumah kaca setiap saat. Di daerah non-budidaya di barat laut, pengelolaan ventilasi rumah kaca terutama terbagi menjadi dua cara: pengoperasian manual dan ventilasi mekanis sederhana. Namun, waktu pembukaan dan waktu ventilasi ventilasi sebagian besar didasarkan pada penilaian subjektif manusia, sehingga mungkin terjadi ventilasi dibuka terlalu cepat atau terlalu lambat. Untuk mengatasi masalah di atas, Yin Yilei dkk. merancang perangkat ventilasi cerdas atap, yang dapat menentukan waktu pembukaan dan ukuran pembukaan dan penutupan lubang ventilasi sesuai dengan perubahan lingkungan dalam ruangan. Dengan semakin mendalamnya penelitian tentang hukum perubahan lingkungan dan permintaan tanaman, serta semakin populernya dan majunya teknologi dan peralatan seperti persepsi lingkungan, pengumpulan informasi, analisis dan pengendalian, otomatisasi manajemen ventilasi di rumah kaca tenaga surya seharusnya menjadi arah pengembangan penting di masa depan.

Langkah-langkah manajemen lainnya

Dalam proses penggunaan berbagai jenis film penutup rumah kaca, kapasitas transmisi cahayanya akan secara bertahap melemah, dan kecepatan pelemahan tersebut tidak hanya terkait dengan sifat fisik film itu sendiri, tetapi juga terkait dengan lingkungan sekitar dan pengelolaan selama penggunaan. Dalam proses penggunaan, faktor terpenting yang menyebabkan penurunan kinerja transmisi cahaya adalah polusi permukaan film. Oleh karena itu, sangat penting untuk melakukan pembersihan dan perawatan rutin bila memungkinkan. Selain itu, struktur penutup rumah kaca harus diperiksa secara berkala. Jika ada kebocoran pada dinding dan atap depan, harus segera diperbaiki untuk menghindari masuknya udara dingin ke dalam rumah kaca.

Permasalahan yang ada dan arah pengembangan

Para peneliti telah mengeksplorasi dan mempelajari teknologi pengawetan dan penyimpanan panas, teknologi manajemen, dan metode pemanasan rumah kaca di daerah non-budidaya di barat laut selama bertahun-tahun, yang pada dasarnya mewujudkan produksi sayuran selama musim dingin, sangat meningkatkan kemampuan rumah kaca untuk menahan kerusakan akibat suhu dingin yang rendah, dan pada dasarnya mewujudkan produksi sayuran selama musim dingin. Hal ini telah memberikan kontribusi bersejarah untuk mengurangi kontradiksi antara pangan dan sayuran yang bersaing memperebutkan lahan di Tiongkok. Namun, masih ada beberapa masalah berikut dalam teknologi jaminan suhu di barat laut Tiongkok.

Jenis rumah kaca yang akan ditingkatkan

Saat ini, jenis rumah kaca yang ada masih berupa jenis umum yang dibangun pada akhir abad ke-20 dan awal abad ini, dengan struktur sederhana, desain yang tidak masuk akal, kemampuan yang buruk dalam menjaga lingkungan termal rumah kaca dan menahan bencana alam, serta kurangnya standardisasi. Oleh karena itu, dalam desain rumah kaca di masa mendatang, bentuk dan kemiringan atap depan, sudut azimut rumah kaca, tinggi dinding belakang, kedalaman penurunan rumah kaca, dan lain-lain, harus distandarisasi dengan menggabungkan sepenuhnya garis lintang geografis dan karakteristik iklim setempat. Pada saat yang sama, sebisa mungkin hanya satu jenis tanaman yang dapat ditanam di dalam rumah kaca, sehingga pencocokan rumah kaca yang terstandarisasi dapat dilakukan sesuai dengan kebutuhan cahaya dan suhu tanaman yang ditanam.

Skala rumah kaca relatif kecil.

Jika skala rumah kaca terlalu kecil, hal itu akan memengaruhi stabilitas lingkungan termal rumah kaca dan perkembangan mekanisasi. Dengan meningkatnya biaya tenaga kerja secara bertahap, pengembangan mekanisasi merupakan arah penting di masa depan. Oleh karena itu, di masa mendatang, kita harus berpedoman pada tingkat perkembangan lokal, mempertimbangkan kebutuhan pengembangan mekanisasi, merancang ruang interior dan tata letak rumah kaca secara rasional, mempercepat penelitian dan pengembangan peralatan pertanian yang sesuai untuk daerah setempat, dan meningkatkan tingkat mekanisasi produksi rumah kaca. Pada saat yang sama, sesuai dengan kebutuhan tanaman dan pola budidaya, peralatan terkait harus disesuaikan dengan standar, dan penelitian dan pengembangan terpadu, inovasi, dan popularisasi peralatan ventilasi, pengurangan kelembaban, pengawetan panas, dan pemanas harus dipromosikan.

Ketebalan dinding seperti pasir dan blok berongga masih tebal.

Jika dinding terlalu tebal, meskipun efek insulasinya baik, hal itu akan mengurangi tingkat pemanfaatan tanah, meningkatkan biaya dan kesulitan konstruksi. Oleh karena itu, dalam pengembangan di masa mendatang, di satu sisi, ketebalan dinding dapat dioptimalkan secara ilmiah sesuai dengan kondisi iklim setempat; di sisi lain, kita harus mendorong pengembangan dinding belakang yang ringan dan sederhana, sehingga dinding belakang rumah kaca hanya mempertahankan fungsi pengawetan panas, menggunakan kolektor surya dan peralatan lain untuk menggantikan penyimpanan dan pelepasan panas dinding. Kolektor surya memiliki karakteristik efisiensi pengumpulan panas yang tinggi, kapasitas pengumpulan panas yang kuat, hemat energi, rendah karbon, dan sebagainya, dan sebagian besar dapat mewujudkan pengaturan dan kontrol aktif, serta dapat melakukan pemanasan eksotermik yang ditargetkan sesuai dengan persyaratan lingkungan rumah kaca di malam hari, dengan efisiensi pemanfaatan panas yang lebih tinggi.

Selimut isolasi termal khusus perlu dikembangkan.

Atap depan merupakan bagian utama pembuangan panas di rumah kaca, dan kinerja insulasi termal dari selimut insulasi termal secara langsung memengaruhi lingkungan termal di dalam ruangan. Saat ini, lingkungan suhu rumah kaca di beberapa daerah belum baik, sebagian karena selimut insulasi termal terlalu tipis, dan kinerja insulasi termal material tidak memadai. Pada saat yang sama, selimut insulasi termal masih memiliki beberapa masalah, seperti kemampuan tahan air dan anti panas yang buruk, mudahnya penuaan pada permukaan dan material inti, dll. Oleh karena itu, di masa mendatang, material insulasi termal yang tepat harus dipilih secara ilmiah sesuai dengan karakteristik dan persyaratan iklim setempat, dan produk selimut insulasi termal khusus yang sesuai untuk penggunaan dan popularisasi lokal harus dirancang dan dikembangkan.

AKHIR

Informasi yang dikutip

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, dsb. Status penelitian teknologi penjaminan suhu lingkungan rumah kaca tenaga surya di lahan tidak pertanian barat laut [J]. Teknologi Rekayasa Pertanian, 2022,42(28):12-20.