江蘇地區設施園藝保溫材料的選型及應用

虞利俊　徐磊　柳軍　蔣希芝　夏禮如

摘要：江蘇省作為東部沿海經濟發達省份，人們生活水平有了較大提高，對農產品的需求越來越高，也帶動了全省高效農業的發展。然而，復雜的氣候特征導致江蘇省設施園藝種植類型的多樣化，加上江蘇地區冬季經常出現長時間低溫寡照、連續陰雨的天氣，因此，設施的保溫性能在冬季設施種植過程中起非常重要的作用。綜述目前國內外使用較成熟的幾種保溫材料，結合江蘇地區的設施結構特點進行分析，以期為今后江蘇地區設施種植保溫材料的選型與應用提供參考性建議。

關鍵詞：江蘇地區；設施園藝；保溫材料；選型

中圖分類號： S625 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0251-02

收稿日期：2016-12-08

基金項目：省部共建國家重點實驗室培育基地——江蘇省食品質量安全重點實驗室建設項目（編號：028064911406）。

作者簡介：虞利?。?973—），男，江蘇丹陽人，副研究員，主要從事設施種植結構及材料的應用研究。E-mail： 251512339@qq.com。

通信作者：夏禮如，江蘇泰州人，研究員，主要從事農業設施結構、材料及裝備研究。E-mail： xlrjaas@126.com。 設施園藝是一種發達的農業生產模式，不僅集成了傳統的農業種植技術，更增加了工程裝備、生物環境、功能材料等現代工業技術，使其具有技術密集、集約化及商品化程度高的特點，可有效提高資源利用率、單位面積的土地產出率及勞動生產率，綜合提高了農產品的質量、效益及競爭力，從而推動農業產業結構的優化調整[1]。設施園藝的快速發展有力地保障了我國居民農產品的安全供給、提高了資源利用率、促進了農民增收、加快了現代農業產業的發展[2]。設施園藝在我國各地的發展并不平衡，在部分地區取得了令人矚目的成績，如山東省已成為滿足北京市等大城市蔬菜供給的重要生產基地，山東省壽光市更是成為我國最大的蔬菜集散地，壽光模式不斷地在其他急須發展設施園藝的區域快速擴張。江蘇省作為東部沿海經濟發達省份，人們生活水平有了較大提高，對農產品的需求越來越高，也帶動了全省高效農業的發展，目前江蘇省高效農業已經占到全省農業的30%以上。設施農業，尤其是設施園藝產業作為高效農業的重要組成部分，在江蘇省得到各級政府的重視，為江蘇省“菜籃子工程”提供了堅實保障，也為提高農民收入提供了新的途徑[3-4]。然而，由于江蘇省地處中緯度的海陸過渡帶和氣候過渡帶，兼受西風帶、副熱帶和低緯東風帶天氣系統的影響，一般以淮河、蘇北灌溉總渠一線為界，以北地區屬暖溫帶濕潤、半濕潤季風氣候，以南地區屬亞熱帶濕潤季風氣候。復雜的氣候特征導致江蘇設施園藝種植類型的多樣化，淮河以北地區常見的種植類型有日光溫室、連棟大棚以及傳統的鋼架大棚，淮河以南地區以連棟大棚及鋼架大棚較常見。設施類型的多樣化，加上江蘇地區冬季經常出現長時間低溫寡照、連續陰雨的天氣，因此，設施的保溫性能在越冬的設施種植過程中起非常重要的作用。本研究綜述了目前國內使用較成熟的幾種設施保溫材料，結合江蘇地區的設施結構特點進行分析，為今后江蘇地區設施種植保溫材料的選型與應用提供一些參考性建議。

1 設施保溫材料的類型

設施農業是一項耗能產業。長期以來，溫室的保溫節能問題一直是各國設施農業專家普遍關注和研究的重點。溫室的圍護結構性能影響內部環境，熱阻較小的保溫材料占圍護結構很大比重，是溫室熱量進出的主要通道，很大程度上影響室內的光溫環境。溫室的保溫材料傳熱系數或熱節省率的確定，原則上和最基本的方法是在實驗室或在使用中的溫室現場進行試驗直接測定的，傳熱系數是最直觀的判斷標準。試件傳熱系數越低則傳熱阻及熱節省率越高，其保溫材料的保溫性能越好。在溫室覆蓋材料的傳熱特性研究方面，邱建軍等利用穩態傳熱理論設計出絕熱模型箱，在無風和不受凈輻射影響條件下，測定出一系列保溫材料的傳熱系數[5]。陳青云等在PO和PVC薄膜溫室的光、溫、環境及其與薄膜流滴性能的關系方面也作了大量研究，在PO膜的基礎上開發出防霧功能膜，其開發的防霧滴劑具有兩親性的分子結構，在薄膜表面發生取向，親水基向外，疏水基向內，可起到降低水的表面張力、促使凝聚在膜表面的水滴鋪展而后順膜流下的作用[6]。防霧滴劑的作用過程實際上是其在膜中自遷移的動態過程，其分子中的親水基團在膜表面不斷與水結合而逐漸流失，隨著防霧滴劑流失量的增加，其降低水表面張力的能力減弱，一段時間后薄膜會因此而喪失效能，薄膜增加防霧效果的同時，覆膜的保溫隔熱效果會有所降低[7]。因此，在設施園藝生產中合理選擇覆膜及外保溫材料尤為重要。

設施園藝的保溫材料就其應用范圍來講，可分為外層保溫被、相變保溫材料（phase change material，PCM）、內層隔熱材料3種類型。

1.1 外層保溫被

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

1.2 相變保溫材料

相變保溫材料是利用材料在物相變化過程中吸收或釋放大量的熱量，而自身溫度范圍變化較小的特性，進行能量的儲存或釋放[10-11]。它具有相變潛熱高、儲能密度大、相變過程溫度變化小、相變過程簡單易控等優點[12-13]，在航空航天、建筑工程、農業生產等領域有著廣闊的發展空間和應用前景[14-15]。相變材料根據其相變溫度可分為高溫相變材料、中溫相變材料、低溫相變材料，其中，低溫相變材料相變溫度范圍為0～100 ℃，為農業溫室大棚有效儲能開辟了新的途徑，受到國內外很多研究者的關注。相變材料依據其不同的相變狀態可分為固-固相變材料、固-液相變材料、液-液相變材料。為了得到相變溫度適當、性能優越的相變儲能材料，常常需要將幾種有機相變儲能材料復合以形成二元或多元相變儲能材料，有時也將有機相變儲能材料和無機相變儲能材料復合，以彌補二者的不足，得到性能更好的相變儲能材料。王宏麗等研究了硬脂酸正丁酯的相變溫度、潛熱值和穩定性，發現硬脂酸正丁酯相變溫度適合、相變潛熱大、熱穩定性能好，適合用作低溫相變儲熱材料，應用保溫效果明顯[16-17]。陳超等研究了以石墨為主體的復合相變材料的蓄放熱性能，發現溫室內溫度可明顯增加，溫室的熱環境得到改善[18-19]。章學來等分析了不同成核劑對十二水磷酸氫二鈉過冷度的影響，發現添加氧化鋁和羧甲基纖維素鈉可有效降低過冷度，穩定蓄熱體系，相變效果好[13]。Alkilani等針對玻璃溫室研究了相變蓄熱系統，提高了太陽能儲能效率，溫室溫度顯著提高[20-21]。

1.3 內層隔熱材料

內層隔熱材料是用于溫室內保溫的一種保溫隔熱材料，其針對設施大棚冬季保溫性能差、熱量損失較大的問題，在設施內部覆蓋1層保溫隔熱材料用于防御冬季極低氣溫對農作物的損害。內層隔熱材料最大的特點就是其與設施結構相結合，使用成本較低，保溫性能較好。目前普遍使用的內層隔熱材料通常以傳統的聚烯烴塑料為主，國外已有研究團隊將聚烯烴發泡膜用于設施大棚的內層隔熱材料，極大地降低膜的導熱率，從而提升了設施的保溫性能。發泡薄膜是以樹脂為基體，采用物理或化學發泡等方法，形成均勻的開孔或閉孔結構的泡沫體。泡沫塑料具有很多優點，如質量輕、緩沖性能良好、隔熱及隔音效果佳等，可廣泛應用于電子、精密設備等工業制品以及陶瓷、家電等生活用品的防震內襯，成為現代包裝工業不可或缺的緩沖包裝材料，也常用作隔熱、隔音的建筑用材。目前生產制備發泡材料的工藝手段主要有2種，即模壓發泡和注塑發泡。模壓發泡工藝由來已久，生產手段較純熟，生產成本較少，但生產效率低，附帶的廢料較多。在薄膜發泡過程中，工藝條件（溫度、壓力、時間等）對材料的性能影響很大。當溫度過低時，發泡劑無法完全分解，產生不了足夠的氣泡；交聯反應也會受到限制，達不到發泡階段所需求的黏彈性。溫度過高時，發泡劑分解過快，短時間內產生過量的氣體，交聯反應也會過度，致使熔體松弛度不規律且粘度較低，表面作用力小，泡孔也會發生破裂或合并現象。壓力對模壓過程的影響相對較小，因為高壓有利于形成過飽和熔體，這種熔體有利于泡孔的形成；低壓則有利于泡孔在熔體中的成長和定型，但如果壓力過低，分解產生的氣體會無規則地在熔體中擴散，甚至出現氣體逃逸現象，導致泡孔不夠均勻且發生破裂，發泡材料的表面龜裂不平整。常見的模壓發泡時間控制為 400～800 s，溫度為165～180 ℃，壓力為 5～10 MPa。一般情況下，發泡倍率會隨著時間的增加而增大，并逐漸趨于穩定，但發泡時間過長，不利于氣泡的定型，生產效率也會下降。因此，選擇合適的工藝及配方制備農用發泡材料用于設施內部的保溫，可有效降低設施的能耗，從而提升園藝設施的保溫性能。

2 江蘇地區設施保溫材料的選型

江蘇省淮河以北地區的設施類型中，日光溫室占比較多，可選用外層保溫被與棚內相變保溫材料相結合的手段以提高冬季設施內的極低溫度；連棟大棚及鋼架大棚可選用相變保溫材料與內層隔熱材料相結合，利用相變材料的儲能與內層隔熱材料的保溫性來提高棚內的夜間溫度。淮河以南地區的設施類型主要以單體鋼架大棚為主，可選用內層隔熱材料用于設施的保溫，減少熱量的流失，以提高設施內夜間的溫度；如果遭遇極端低溫，可適時地選用相變保溫材料，將白天的熱量儲存下來用于夜間釋放以提高夜間的極低溫。

3 結論

本研究綜述了目前國內使用較成熟的幾種設施保溫材料，結合江蘇地區的設施結構特點進行分析得知，江蘇省淮河以北地區的日光溫室主要以外層保溫被與棚內相變保溫材料相結合的手段，以提高冬季設施內的極低溫度；連棟大棚及鋼架大棚以相變保溫材料與內層隔熱材料相結合的方式?；春右阅系貐^以內層隔熱材料為主，如遇特殊極端天氣，結合相變保溫材料用于冬季的保溫增溫。

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