用于溫室降溫的透明輻射薄膜研究

王晨曦 鄧芳芳 鄒 豪 楊榮貴 王如竹

(1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240;2 華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430047)

為提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力、穩(wěn)定農(nóng)業(yè)產(chǎn)出,以溫室大棚為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)在我國得到了迅速發(fā)展[1-2]。然而,高輻照條件下的高溫問題是限制溫室夏季生產(chǎn)的主要不利因素。對于大多數(shù)作物而言,適宜的生長溫度范圍為20～30 ℃,最高耐受溫度為35～40 ℃[3]。夏季溫室內(nèi)部熱量積蓄嚴(yán)重,溫室的透明密閉結(jié)構(gòu)使熱量無法及時流失,內(nèi)部溫度常超出作物耐受范圍,導(dǎo)致作物生長中止甚至死亡[4]。為了緩解溫室的夏季高溫問題,前人發(fā)展了遮陽、通風(fēng)等被動降溫措施,以及熱泵、濕簾風(fēng)機等[5]主動降溫措施。主動措施降溫效果顯著,但使用過程中存在大量消耗能源、水源的問題,會增加溫室運行成本,因此限制了此類主動降溫措施在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。考慮到太陽輻射是溫室系統(tǒng)最主要的能量輸入,通過遮陽手段減小進入溫室的輻射強度,是最為直接有效的溫室被動降溫方法之一。傳統(tǒng)遮陽措施包括使用氧化鈣、碳酸鈣等白色顏料噴涂屋面,以及使用可移動遮陽網(wǎng)覆蓋屋面。此類傳統(tǒng)遮陽措施使用簡單,是目前生產(chǎn)中最為常用的降溫方法。然而,傳統(tǒng)遮陽措施會減少所有波長的太陽輻射入射,其中包括了對作物光合作用十分關(guān)鍵的光合有效輻射(photosynthesis active radiation,PAR, 400～700 nm),在降低溫室氣溫的同時,也會對作物光合速率帶來潛在影響。

為解決該傳統(tǒng)遮陽措施的矛盾,一些學(xué)者研究了光譜選擇性透射材料,即在維持PAR正常透射的同時,選擇性反射進入溫室的近紅外輻射(near-infrared radiation,NIR, 700～2 500 nm)。例如,在材料研制方面,A. Kavga等[6-8]分別通過在聚合物基底中添加不同的無機納米顆粒,制備出了具有NIR波段選擇性反射的薄膜材料。C. Stanghellini等[9-10]則重點關(guān)注NIR反射薄膜對于溫室熱濕環(huán)境以及作物產(chǎn)量的影響。雖然上述研究針對NIR反射材料進行了大量細(xì)致研究,但現(xiàn)有NIR反射材料在中波紅外波段(middle-infrared radiation,MIR, 4.5～25 μm)具有較高的反射率,意味著其表面熱輻射發(fā)射率較低,抑制了覆蓋材料通過熱輻射對外散熱的能力。同時,由于NIR反射材料自身對于太陽輻照的吸收,低熱輻射發(fā)射使得材料升溫明顯,并將自身熱量通過對流向溫室內(nèi)部傳遞,進一步削弱了NIR反射材料的降溫效果。近年來,天空輻射制冷技術(shù)得到了學(xué)者的廣泛關(guān)注[11]。天空輻射制冷即地表物體以自身熱輻射的形式將熱量通過“大氣窗口”傳遞至外太空,實現(xiàn)物體的被動降溫。借助該技術(shù),有望改善現(xiàn)有NIR反射材料的升溫問題,獲得更有效的溫室降溫效果。雖然NIR反射材料及輻射制冷材料已被廣泛關(guān)注,但將兩者相結(jié)合的降溫策略,仍鮮有涉及。

對此,本文研究了一種結(jié)合NIR反射層與透明輻射制冷層的溫室薄膜。該薄膜為多層結(jié)構(gòu),其中的NIR反射層反射夏季溫室過多的NIR入射輻射,透明輻射層則起到強化天空輻射制冷的作用。基于數(shù)值模擬,研究了該薄膜的溫室降溫效果。此外,進一步討論了該薄膜與熱泵降溫措施相結(jié)合對溫室運行能耗的節(jié)約效果。

1 材料結(jié)構(gòu)與表征

1.1 材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了針對溫室應(yīng)用場景實現(xiàn)對應(yīng)的輻射調(diào)節(jié),使得薄膜具有高PAR透射率、高NIR反射率、高MIR發(fā)射率,該薄膜被設(shè)計為多層結(jié)構(gòu),如圖1所示。其中,薄膜中間層為紅外反射層,選擇文獻中的金屬-介電材料堆疊超材料[12],在介電材料層之間穿插兩層厚度僅為數(shù)十納米的金屬銀,實現(xiàn)對入射太陽輻射中的NIR部分高度反射。上層為透明輻射制冷層,一方面對太陽輻射保持高透射,另一方面在整個大氣窗口具有極高的發(fā)射能力[13]。為了實現(xiàn)上述光學(xué)屬性,該輻射制冷層最終篩選確定為聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF),厚度為65 μm。薄膜底層為支撐基底,采用高透明度的柔性聚酯(polyethylene terephthalate,PET),厚度為50 μm。最終,該透明輻射調(diào)節(jié)薄膜(下文簡稱:TRC)的總厚度約為115 μm。

圖1 TRC薄膜結(jié)構(gòu)

1.2 薄膜光學(xué)屬性表征

薄膜材料在可見光-近紅外波段的光學(xué)屬性采用紫外/可見光/近紅外分光光度計(Lambda 950)測定,測試范圍為300～2 500 nm,測試分辨率為5 nm。薄膜在紅外波段的光學(xué)屬性由傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 6700)測定,結(jié)合該儀器配備的鍍金漫反射積分球,測定薄膜在2.5～25 μm范圍內(nèi)的半球光學(xué)屬性,測試分辨率為10 nm。

除TRC膜外,選取目前溫室常用的聚烯烴薄膜(polyolefin,PO)作為對照。兩者在太陽波段和中紅外波段的光學(xué)屬性如圖2所示。由圖2可知,常規(guī)PO薄膜對太陽光波段的透射率約為90%,雖然可以有效透過作物光合所需的PAR,但其對NIR的高透射率會使得夏季溫室溫度過高,進而影響作物的正常生長。而TRC薄膜在PAR范圍的平均透射率約為66%,在NIR波段的平均反射率約為80%,表現(xiàn)出明顯的NIR選擇性反射。而在中紅外波段,由于TRC表面透明PVDF層的強輻射能力,TRC在整個大氣窗口的平均發(fā)射率高達94%,顯著高于現(xiàn)有的NIR反射材料[14]。

圖2 薄膜的光學(xué)屬性對比

2 溫室數(shù)學(xué)模型及參數(shù)設(shè)置

為了研究TRC薄膜對于夏季溫室的降溫效果以及作物生長影響,使用數(shù)學(xué)模型對溫室內(nèi)部環(huán)境及作物生長進行模擬。

2.1 溫室環(huán)境模型

使用H. F. De Zwart[15]發(fā)展的溫室動態(tài)環(huán)境模型KASPRO對溫室內(nèi)部環(huán)境進行模擬計算。該模型基于溫室內(nèi)的能量守恒與質(zhì)量守恒,描述溫室內(nèi)的熱質(zhì)傳遞過程。出于簡化計算的目的,該模型中將溫室內(nèi)部空氣視為一個整體,忽略內(nèi)部空氣的不均勻分布,空氣的溫度變化由進入溫室的太陽輻照、溫室與外部環(huán)境的顯熱換熱、溫室內(nèi)部空氣與土壤、作物冠層等內(nèi)部元素間的顯熱換熱決定。同時,土壤蒸發(fā)、作物蒸騰以及覆蓋材料表面冷凝等相變過程,會引入額外的潛熱熱流,影響溫室環(huán)境。計算模型的具體數(shù)學(xué)公式可參考文獻[15]。

為了探究TRC薄膜對于主動控溫溫室的節(jié)能效果,模擬中假定使用熱泵系統(tǒng)對溫室進行主動降溫,向室內(nèi)空氣提供冷量Qcooling(W)。在溫室高溫高濕環(huán)境下,熱濕空氣在熱泵換熱器表面冷凝會消耗部分冷量。固定換熱器表面與室內(nèi)空氣溫差為10 ℃,降溫過程中潛熱占比可由經(jīng)驗公式[16]確定為:

Flatent=8.0×10-3φRH-0.36

(1)

式中:Flatent為潛熱消耗占總制冷量的比值,%;φRH為室內(nèi)空氣相對濕度,%。

因此,熱泵系統(tǒng)向溫室空氣提供的顯熱換熱量為Qcooling(1-Flatent)。熱泵降溫系統(tǒng)內(nèi)的啟停基于室內(nèi)溫度控制:當(dāng)室內(nèi)溫度高于30 ℃時,啟動熱泵降溫;當(dāng)室內(nèi)溫度降至27 ℃時,關(guān)閉熱泵。此外,為了降低溫室運行能耗,對于覆蓋常規(guī)薄膜材料的溫室,使用可移動外遮陽網(wǎng)削減進入溫室的輻射總量,遮陽網(wǎng)的啟用判斷與熱泵一致。參考農(nóng)業(yè)常用中度遮陽措施[17],設(shè)定遮陽網(wǎng)在任意波段的透射率均為50%。

2.2 作物生長模型

使用E. J. Van Henten[18]給出的生菜生長模型對不同薄膜覆蓋下的作物生長進行模擬。對于生菜,其植株總干重可以分為結(jié)構(gòu)干重及非結(jié)構(gòu)干重,兩者隨時間的變化速率表示為:

(2)

式中:XNSDW為作物體內(nèi)的非結(jié)構(gòu)干重,g;XSDW為結(jié)構(gòu)干重,g;fphot為作物冠層的凈光合速率,g/s;Cα為糖類物質(zhì)CH2O與CO2的分子量比值;rgr為作物相對生長速率;fresp為維持呼吸強度,g/s;Cβ為生長過程中合成及呼吸損失系數(shù)。式(2)第一行表示作物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)干重的變化速率,等號右側(cè)分別對應(yīng)光合作用累積、生長消耗、呼吸消耗、生長及呼吸損失;式(2)第二行表示作物體內(nèi)結(jié)構(gòu)干重的變化速率。式(2)中具體每一項的確定參考文獻[18]。該模型可以綜合反映光照及溫度對作物生長的影響。

2.3 模型參數(shù)設(shè)置

計算中,使用給定地點典型氣象年的氣候數(shù)據(jù)作為輸入。模擬對象為大型連棟溫室,占地面積為2 500 m2,覆蓋材料表面積為2 750 m2,溫室總體積為 7 000 m3。模擬中共涉及3種不同的覆蓋材料。前兩種分別為圖2中給出的TRC薄膜與PO薄膜,數(shù)據(jù)均為實際測量值。第3種材料(下文簡稱:NR)則用于對比表面透明輻射層對TRC降溫效果的影響。由于PVDF薄膜在太陽光譜的可見光及近紅外波段吸收十分微弱,其平均太陽光譜吸收率僅為3%[13],呈現(xiàn)出較高的透明度,因此可以假設(shè)表層附加的PVDF薄膜,不影響復(fù)合薄膜在太陽光波段的光學(xué)屬性。因此,控制TRC太陽光波段不變,將薄膜的表面發(fā)射率設(shè)置為5%[13],從而給定作為對照組的NR薄膜光學(xué)參數(shù)。3種薄膜的光學(xué)屬性如表1所示。

表1 三種薄膜的關(guān)鍵光學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 算例驗證

為了驗證溫室環(huán)境模型的可靠性,使用實際溫室內(nèi)測量得到的溫度數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比。實驗數(shù)據(jù)來自于上海市浦東新區(qū)孫橋溢佳農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地一棟GP-825型溫室,覆蓋材料為PO薄膜,測量期間溫室保持密閉,內(nèi)部未種植作物。圖3對比了該溫室內(nèi)部測量得到的溫度數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果。由圖3可知,除初始階段,模擬值與測量值吻合良好。為了量化評價模型的精度,采用文獻[19]提供的計算公式,計算模擬值和實測值之間的均方根誤差(root mean square error, RMSE)、決定系數(shù)(R2)、平均相對誤差(mean relative error, MRE)。經(jīng)計算,圖3中模擬值與實測值的RMSE為1.77 ℃,R2為0.96,MRE為3.34%,表明計算模型能夠較好地預(yù)測溫室內(nèi)的溫度變化情況。

圖3 算例驗證

3.2 密閉被動溫室內(nèi)的降溫效果

以上海地區(qū)7月份的氣象數(shù)據(jù)作為輸入,對比3種薄膜覆蓋下溫室內(nèi)的溫度變化。該月份內(nèi),上海平均氣溫可達29.3 ℃,悶熱潮濕,輻照充足。模擬過程中,溫室始終保持密閉,溫室未引入其他降溫措施。圖4所示為7月8—11日三天內(nèi)的溫室氣溫及薄膜溫度變化。可以看到,PO溫室由于太陽輻射透射率高,內(nèi)部氣溫最高,日間溫度峰值可達57.9 ℃。而NR與TRC薄膜覆蓋下,由于薄膜對太陽光譜中的NIR輻射反射高達56.7%,顯著削減了進入溫室的輻射總量,因此溫室氣溫明顯低于PO溫室,兩者溫度峰值分別為51.2 ℃ 及46.5 ℃。由此可知,TRC薄膜通過其透明輻射表層,可以實現(xiàn)比NR膜更好的降溫效果,NIR選擇反射層與透明輻射層的降溫貢獻分別為6.8 ℃與4.6 ℃。

圖4 不同覆蓋材料下的溫室溫度對比

導(dǎo)致TRC與NR降溫效果差異的原因,正是NR較低的表面輻射換熱能力,弱化了NR薄膜與天空的輻射換熱,從而使NR薄膜自身溫度較高,抑制室內(nèi)空氣通過薄膜向外界環(huán)境的散熱,如圖4(b)所示。通過引入表面輻射制冷層,可將NR薄膜的峰值溫度由49.2 ℃降至42.4 ℃,降溫幅度達6.8 ℃。圖5進一步對比了不同覆蓋材料下室內(nèi)空氣的熱流平衡情況。由圖5可知,NR和TRC薄膜均能夠顯著削減進入溫室的太陽輻射熱流,減小溫室得熱。但進一步對比NR和TRC覆蓋下溫室與覆蓋材料的換熱熱流可知,得益于TRC薄膜更低的溫度,室內(nèi)空氣能夠通過與TRC的對流換熱,散失更多的熱量,從而帶來更顯著的降溫效果,正如圖4中觀察到的溫度變化趨勢。

圖5 不同覆蓋材料下的室內(nèi)空氣熱流平衡情況

3.3 主動降溫溫室的節(jié)能效果

進一步討論3種不同薄膜對于主動降溫溫室的降溫能耗影響。溫室的降溫措施在第2.1節(jié)中給出,熱泵系統(tǒng)提供的單位溫室面積制冷功率為200 W。模擬過程中,溫室始終保持密閉,除濕需求由熱泵系統(tǒng)換熱器表面的冷凝過程滿足,室內(nèi)CO2質(zhì)量濃度維持在1.08 mg/L,室內(nèi)種植生菜。同樣針對上海7月份的氣候條件進行模擬。

圖6(a)對比了3種覆蓋材料下,溫室當(dāng)月的制冷能耗。可以看到,折合至單位溫室面積,PO覆蓋溫室當(dāng)月累積耗電量為12.8 kW·h/m2,而NR覆蓋溫室和TRC覆蓋溫室的耗電量分別為11.7 kW·h/m2和9.4 kW·h/m2。由此可知,NR的NIR反射屬性可使溫室夏季降溫能耗降低1.1 kW·h/m2,而引入透明輻射制冷層,可使制冷能耗進一步降低2.3 kW·h/m2。可以認(rèn)為,TRC的紅外反射層與透明輻射層分別貢獻了8.5%和18.4%的節(jié)能效果。因此,本文提出的輻射強化策略,可以顯著提高現(xiàn)有NIR反射材料的節(jié)能效果。

圖6 不同覆蓋材料下主動降溫溫室的運行情況

為了分析不同措施對于作物生長的影響,圖6(b)對比了溫室內(nèi)作物干物質(zhì)累積曲線。可以看到,雖然TRC始終會導(dǎo)致一定的PAR損失,但TRC覆蓋下的作物累積產(chǎn)量仍比PO溫室高50.1%。這是由于在夏季強輻照條件下,PO溫室日間氣溫迅速上升至設(shè)定點,隨后遮陽網(wǎng)打開。而綜合溫室降溫需求以及作物光合需求,遮陽網(wǎng)的透射率選擇為50%,因此打開遮陽網(wǎng)后,PO溫室內(nèi)的PAR輻照量反而低于TRC溫室。此外,由于TRC有效減緩了溫室的升溫速率,因此溫室內(nèi)部環(huán)境更適于作物生長,高溫對于光合作用的影響時間更短。上述兩個因素的共同作用,使得TRC覆蓋下的溫室增產(chǎn)顯著。

3.4 不同氣候條件下的應(yīng)用效果

為了進一步研究TRC薄膜在不同氣候條件下的節(jié)能效果,選取了4個不同城市(北京、上海、福州、廣州)進行研究,分別計算4個城市全年的控溫能耗。對于冬季,當(dāng)溫室氣溫低于15 ℃時,啟用熱泵進行主動加溫,為單位溫室面積提供加熱功率100 W,直至氣溫回升至18 ℃。冬季夜間使用反射率為90%的綴鋁保溫簾,減小溫室的輻射熱損。計算中僅對比了PO與TRC兩種薄膜。同時,為了簡化計算,不考慮作物的動態(tài)生長,而是考察中等植株大小條件下的溫室運行情況[18],因此將作物葉面積指數(shù)固定為3。

圖7對比了上述4個地點在不同季節(jié)的溫室控溫能耗,不同地點TRC的影響差異顯著。僅考慮溫室5—9月間的運行數(shù)據(jù),TRC薄膜可使溫室制冷能耗分別降低12.3、9.6、16.6、15.1 kW·h/m2,低緯度地區(qū)的夏季節(jié)能效果優(yōu)于高緯度地區(qū),節(jié)能效果顯著。對于福州以及廣州而言,全年氣候溫和,光照充足,因此使用TRC薄膜可以在夏季獲得可觀的節(jié)能效果,同時僅略有增加冬季的供熱能耗,從而使得福州地區(qū)溫室的全年能耗由74.1 kW·h/m2降至59.2 kW·h/m2,廣州地區(qū)的全年能耗由56.3 kW·h/m2降至40.0 kW·h/m2。對于上海這類冬冷夏熱地區(qū),TRC薄膜的夏季降溫節(jié)能效果與冬季負(fù)面效果相抵消,因此全年能耗基本不變。而對于北京而言,全年耗電量受冬季供熱需求的影響更為顯著,因此全年使用TRC薄膜導(dǎo)致冬季供熱能耗上升顯著,進而使TRC溫室的全年能耗增長至129.6 kW·h/m2,而PO溫室全年能耗為115.9 kW·h/m2。因此,雖然TRC薄膜可以使北京地區(qū)夏季降溫能耗減小,但冬季的過度降溫使全年能耗反而增加了11.8%。

圖7 不同地區(qū)溫室能耗對比

綜上所述,TRC薄膜可顯著降低溫室夏季的降溫能耗。但由于TRC薄膜不具備自行調(diào)節(jié)輻射屬性的能力,其在冬季的過度冷卻會反向增加溫室的供熱能耗。因此,當(dāng)TRC薄膜應(yīng)用于氣候炎熱、輻照充足地區(qū)時,可以全年使用以獲得持續(xù)的節(jié)能降溫效果。而當(dāng)其應(yīng)用于夏季炎熱、冬季寒冷地區(qū)時,需綜合考慮冬季采暖損失以及對作物生長的影響,結(jié)合薄膜的替換措施,從而獲得預(yù)期的節(jié)能收益。

4 結(jié)論

本文針對夏季溫室的降溫需求,提出了一種同時具備高PAR透射率、高NIR反射率以及高MIR發(fā)射率的薄膜材料,并通過模型分析了該薄膜的降溫、節(jié)能效果,得到如下結(jié)論:

1) 通過在NIR反射材料表面復(fù)合透明輻射層,可增強材料的天空輻射制冷能力。TRC薄膜在PAR波段透射率為65.9%,NIR波段透射率為20.9%,MIR波段透射率為88.1%。

2) 對于上海地區(qū)密閉溫室,采用PO薄膜的溫室溫度峰值為57.9 ℃,TRC薄膜可使溫度峰值降至46.5 ℃,NIR選擇反射層與透明輻射層的降溫貢獻分別為6.8 ℃與4.6 ℃。

3) 對于上海地區(qū)主動降溫溫室,應(yīng)用TRC薄膜可將夏季單月制冷能耗由12.8 kW·h/m2降至9.4 kW·h/m2,節(jié)能率達26.9%。同時,與配置可移動外遮陽網(wǎng)的PO溫室相比,作物產(chǎn)量提升50.1%。

4) RC薄膜可顯著降低溫室夏季的降溫能耗,但會增加冬季供熱能耗。因此在實際使用中,需針對不同氣候地區(qū)及使用季節(jié),合理設(shè)計對應(yīng)的使用策略。

本文受上海市科技興農(nóng)項目(2019-02-08-00-08-F01124)資助。(The projected was supported by Shanghai Agriculture Applied Technology Development Program, China (No. 2019-02-08-00-08- F01124).)