氣泡混合薄膜結構的保溫性能研究

[摘要]利用太陽能集熱器將太陽輻射能收集起來，通過與物質的相互作用轉換成熱能加以利用是人類對太陽能最常用的熱利用。本文以由聚烯烴（PO）膜與柱狀氣泡膜、圓形氣泡膜及普通等效厚度的單層薄膜為研究對象，對上述結構進行保溫性能分析。結果顯示，用3種材料制備的同體積（2.5dm3）密閉空腔，隨之時間的延長，氣柱泡泡薄膜在同時段棚內溫度明顯高于其他兩種薄膜，保溫效果顯著。本文的研究成果將為寒冷坡地的大棚蔬菜種植等需要利用太陽能作為熱源的保溫領域提供借鑒與參考。

[關鍵詞]聚烯烴（PO）氣泡膜;保溫;溫度演化

中圖分類號：TU551

文獻標識碼：A

DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20181230

隨著城鄉居民生活水平的提高，社會對超時令蔬菜的需求量日益增加，而低溫是限制農作物生長發育和獲得高產穩產的重要原因之一，因此，農膜成為當今農業生產不可缺少的生產資料，在農業增產增收中發揮著不可替代的作用，現有常用大棚保溫模式見圖1。目前大部分地區主要采用單層塑料薄膜覆蓋或者雙層塑料薄膜覆蓋，而單層塑料薄膜大棚的棚架跨度小，熱熔量低、緩沖能力差、夜間保溫性能差等缺點十分突出，即使雙層大棚解決了上述問題，但光的透射率卻遠遠下降，使大棚內獲得光照減少[1-6]。

1 中國中南地區現狀及研究地區概況

我國巾南地區坡地較多，溫度在0℃以下的時間很少，蔬菜種植戶缺少大棚保溫防寒意識和技術指導。雖然在實際生產中采取了許多加強保溫的措施，如北方日光溫室普遍采用草苫和復合保溫棉被保溫或多層薄膜覆蓋加強保溫，但是冬天覆蓋棉被需要成本高，在坡地容易滑落且白天需要人工來打開，加上我國大部分農田為山地，草苫和棉被用于坡地大棚保溫效果不理想，并且近年來極端氣候頻發，特別是我國中南地區數度遭遇“冷冬”，使冬季種植受到嚴重的低溫凍害威脅[7-9]。因此，探索適合中南區域氣候坡地大棚種植的保溫方式刻不容緩。

本文以位居中國中部的海拔1500m左右的湖北省宜昌地區長陽縣2013-2017年冬季11月到次年3的月平均氣溫作為參考，分析近幾年來的冬季氣溫情況。2013-2017年冬季長陽縣鎮月平均氣溫與極端最低氣溫見圖2。據圖2可知，每年1-2月的極端氣溫最低和月平均氣溫均處于較低溫度狀態，2016年1月和2017年2月極端最低氣溫甚至達到了零下15℃左右，此時單層薄膜內作物極易容易被凍壞lol。同時，圖中表明極端氣溫大約分布在-5℃～-10℃，由于極端氣溫的出現加之平均氣溫大都在0℃左右，即在冬季時月平均氣溫在0℃左右也會嚴重影響蔬菜的存活甚至導致蔬菜無法生長，因此保溫良好的大棚具有重要意義。

為了解決低溫凍害對農作物生長造成的危害，本文以氣泡混合薄膜結構的塑料大棚模型為研究對象，進行模型內外溫度的測定，以期實現具有價格便宜，應用推廣價值高的大棚保溫模式。

2 材料與方法設計

2.1 材料設計

考慮薄膜需要更高的透光度，以便更多陽光能透射入溫室，因此，需要薄膜具有較低的霧度，以便提高早晨光線的透過率，降低散射率，使其可以迅速升溫。本文選用以乙烯（PE）及丙烯（PP）為主要材料的PO膜（聚烯烴膜）作為薄膜材料，由于PO膜是采用高級烯烴的原材料及其他助劑，這種膜相比于PE膜等還具有更好的拉伸強度及抗撕裂強度。

2.2 測試方法

本文首先設計了一個體積為2.5dm3的長方體作為單位體積，然后以3種薄膜材料覆蓋長方體做成了3個體積相同試驗用空腔，溫度計探頭位于長方體的幾何中心。測試實驗用三種結構PO薄膜及試驗盒，如圖3所示，其中1為照明光源，2為薄膜覆蓋層，3為支撐薄膜結構。首先，在恒溫恒濕箱（DHS-500）中對設計結構的薄膜進行保溫性能分析，將恒溫恒濕箱室內調節恒溫器溫度控制在-3℃以備試驗測試環境需要;其次，在待測空腔中放置溫度探測器并保證與設備連接信號正常，記錄溫度，然后將試驗空腔從高溫端環境（20℃）移至溫度控制在-3℃的恒溫恒濕箱中，記錄實時溫度隨時間的變化;最后，繪制溫度時間曲線圖，探索比較薄膜保溫性能以及降到零攝氏度時的時間演化規律。

3 結果與分析

保證箱體與覆蓋薄膜不變，分別做五組實驗，記錄溫度依次為T1、T2、T3、T4、T5，求得5次平均溫度為T=（T1+T2+T3+T4+T5）/5，溫度T隨時間演化如圖4所示。從圖巾可以看出3種曲線圖均為單調下降，普通薄膜降溫在不到200S內，溫度就迅速降低到了-3℃，氣泡薄膜400S以前，溫度降低較快，隨后，溫度降低速度顯著放緩，并在很長時間內保持溫度高于盒子外面氣溫-3℃。氣柱薄膜的降溫速度則更加緩慢，且在800S后基本保持溫度不變。在相同的時間內，當普通薄膜結構已經降溫到0℃時，氣泡薄膜室內溫度維持在5℃，而氣柱薄膜還維持在9℃左右，由此可見，氣柱薄膜結構保溫效果十分最著。

另外，還可以看出單位體積薄膜降到0℃大約為350s，1.5倍體積氣柱薄膜降到0℃大約為444s，2倍體積氣柱薄膜降到0℃時大約為548s，降溫到0℃時間相對于參考空腔延長了近60%。

4 結論

通過對氣泡嵌入式和氣柱式薄膜包裹長方體空腔的溫度隨時間變化試驗，分析了不同結構薄膜對保溫性能的影響。研究結果表明，氣泡嵌入式薄膜與氣柱泡泡薄膜均顯示出良好的保溫性能。保溫體越大，溫度下降越緩慢，當體積與普通棚膜相當的大棚選用氣柱泡泡薄膜作為保溫薄膜時，內部溫度完全可以滿足蔬菜大棚在冬季夜晚凍災預防的需要。

同時，在不大量增加成本的前提下，將現有的普通大棚更換為氣柱結構的大棚就可以使棚內溫度顯著增加，這對提高冬季大棚作物的品質，提高大棚生產的經濟效益將會起到的促進作用。本研究所得出的基本影響規律對設計寒冷地區蔬菜大棚保溫材料具有良好指導意義，同時對綠色產業的發展將起到積極作用。

參考文獻

[1]倪金衛，李保明，王春彥.日照長度對雙層塑料薄膜溫室保溫的影響[J].云南農業大學學報，2005 （2）：19-23

[2]王雪芬，陸佳平.充氣袋承載與緩沖特性的試驗研究[J]包裝工程，2013 （19）：55-58.

[3]曲繼松，張麗娟，朱倩楠，等.寧夏兩種韭菜拱棚內環境冬季日變化比較研究[J]北方園藝，2016 （13）：46-49.

[4]明星，趙燕，盧杰，等，基于靜態壓縮試驗的緩沖包裝材料性能對比分析[J]包裝工程，2006 （2）：59-61.

[5]沈劍鋒，盧立新，任冬遠，柱狀塑膜空氣墊承載與緩沖性能的試驗研究[J]包裝工程，2008 （6）：6-7.

[6]劉群生，張勇.滇中高原溫室設施的采光和保溫[J]云南師范大學學報.2001 （5）：29-31.

[7]黃錄元.武山縣大棚蔬菜高效栽培模式及效益調查[J]農業科技與信息.2017 （7）：7-8.

[8]王華，丁同華，林紅梅，等.江蘇沿海地區雙大棚多層覆蓋內外溫度間的相關回歸分析[J]蔬菜，2016 （10）：18-22.

[9]倪金衛，李保明，王慶，等.滇中地區塑料溫室光溫環境的測試分析[J].云南農業大學學報.2003 （4）：358-361.

[10]杜大勇，郭磊，李勝英，等.聚酯膜中空玻璃隔熱保溫性能研究[J]建設科技2013 （15）：33.