李建明、孫国濤など。温室園芸農業工学技術2022年11月21日 17:42 北京で公開

近年、温室産業は活発に発展しています。温室の発展は、土地利用率と農産物の生産量を向上させるだけでなく、閑散期の果物や野菜の供給問題を解決することにもつながりました。しかし、温室はかつてない課題にも直面しています。従来の設備、加熱方法、構造形態は、環境や開発に対する抵抗を生み出しています。温室構造を変革するための新素材と新設計が急務であり、省エネと環境保護の目的を達成し、生産量と収入を増やすためには、新たなエネルギー源の導入が急務となっています。

本稿では、「温室の新革命を助ける新エネルギー、新材料、新設計」というテーマについて論じ、温室における太陽エネルギー、バイオマスエネルギー、地熱エネルギーなどの新エネルギー源の研究と革新、被覆、断熱、壁などの設備に用いられる新材料の研究と応用、そして温室改革を助ける新エネルギー、新材料、新設計の将来展望と考え方などを含め、業界の参考となるよう努める。

施設農業の発展は、重要な指示と中央政府の意思決定の精神を貫徹するための政治的要求と必然的な選択である。2020年には、中国の保護農業総面積は280万hm2に達し、生産額は1兆元を超える。新エネルギー、新材料、新温室設計を通じて、温室の照明と断熱性能を向上させることは、温室の生産能力を向上させる重要な方法である。伝統的な温室生産には多くの欠点があり、伝統的な温室の暖房と暖房に使用される石炭、重油などのエネルギー源は大量の二酸化炭素を発生させ、環境を深刻に汚染する一方で、天然ガス、電気エネルギーなどのエネルギー源は温室の運営コストを増加させる。温室の壁に使用される伝統的な蓄熱材料は、主に粘土とレンガであり、消費量が多く、土地資源に深刻なダメージを与えます。伝統的な土壁式太陽熱温室の土地利用効率は40％～50％に過ぎず、一般的な温室は蓄熱能力が低いため、華北地域では冬を越して温かい野菜を生産することができません。そのため、温室の変革を推進する中核、つまり基礎研究は、温室の設計、新素材、新エネルギーの研究開発にあります。本稿では、温室における新エネルギー源の研究と革新に焦点を当て、太陽エネルギー、バイオマスエネルギー、地熱エネルギー、風力エネルギーなどの新エネルギー源と温室における新しい透明被覆材、断熱材、壁材の研究状況をまとめ、新エネルギーと新素材が新しい温室建設にどのように応用されているかを分析し、今後の温室の発展と変革におけるそれらの役割を期待します。

新エネルギー温室の研究と革新

農業利用の潜在力が最も大きいグリーン新エネルギーとしては、太陽エネルギー、地熱エネルギー、バイオマスエネルギーなどがあり、あるいは、さまざまな新エネルギー源を総合的に利用し、お互いの長所を学びながらエネルギーの効率的な利用を実現します。

太陽エネルギー/電力

太陽エネルギー技術は、低炭素で高効率かつ持続可能なエネルギー供給方式であり、中国の戦略的新興産業の重要な構成要素です。将来、中国のエネルギー構造の転換と高度化において、太陽エネルギーは避けられない選択肢となるでしょう。エネルギー利用の観点から見ると、温室自体が太陽エネルギー利用のための施設構造です。温室効果により、太陽エネルギーが室内に集光され、温室の温度が上昇し、作物の生育に必要な熱が供給されます。温室植物の光合成の主なエネルギー源は直射日光であり、これは太陽エネルギーの直接利用です。

01 熱を生み出す太陽光発電

太陽光発電は、光起電力効果に基づいて光エネルギーを電気エネルギーに直接変換する技術です。この技術の核となるのは太陽電池です。直列または並列に接続された太陽電池パネルに太陽エネルギーが照射されると、半導体素子が太陽光エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。太陽光発電技術は光エネルギーを直接電気エネルギーに変換し、バッテリーに蓄電することで夜間に温室を暖めることができますが、高コストがさらなる発展を阻んでいます。研究グループは、フレキシブルな太陽光発電パネル、一体型逆位相制御装置、蓄電池、グラフェン加熱棒で構成される太陽光発電グラフェン加熱装置を開発しました。栽培ラインの長さに合わせて、グラフェン加熱棒を基質バッグの下に埋め込みます。日中は太陽光発電パネルが太陽光を吸収して発電し、蓄電池に蓄電します。そして、その電気を夜間にグラフェン加熱棒に放出します。実際の測定では、17℃で開始し、19℃で終了する温度制御モードを採用しました。夜間（2日目の20:00～8:00）に8時間運転した場合、植物1列あたりの加熱エネルギー消費量は1.24kW・hで、夜間の培地バッグの平均温度は19.2℃となり、対照群より3.5～5.3℃高くなりました。この加熱方法は、太陽光発電と組み合わせることで、冬季の温室加熱における高エネルギー消費と高汚染の問題を解決します。

02 光熱変換と利用

太陽光光熱変換とは、光熱変換材料で作られた特殊な太陽光集光面を用いて、照射された太陽エネルギーを可能な限り多く集光・吸収し、熱エネルギーに変換することを指します。太陽光発電用途と比較して、太陽光光熱変換は近赤外線帯域の吸収を増加させるため、太陽光エネルギーの利用効率が高く、コストが低く、技術が成熟していることから、太陽エネルギーの利用方法として最も広く利用されています。

中国における光熱変換利用技術の中で最も成熟しているのは太陽熱集熱器であり、その中核部品は選択吸収コーティングを施した熱吸収板コアで、カバープレートを通過する太陽放射エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱吸収作業媒体に伝達します。太陽熱集熱器は、集熱器内部に真空空間があるかどうかで平板型太陽熱集熱器と真空管型太陽熱集熱器の2種類に分けられます。採光口における太陽放射の方向転換の有無で集光型太陽熱集熱器と非集光型太陽熱集熱器の2種類に分けられます。また、熱伝達作業媒体の種類で液体型太陽熱集熱器と空気型太陽熱集熱器の2種類に分けられます。

温室における太陽エネルギーの利用は、主に各種の太陽熱集熱器によって行われています。モロッコのイブン・ゾール大学は、温室の加温にアクティブ太陽熱暖房システム（ASHS）を開発し、冬季のトマトの総生産量を55％増加させることができました。中国農業大学は、集熱能力が390.6～693.0 MJの表面冷却ファン集排システムを設計開発し、ヒートポンプによる集熱プロセスと蓄熱プロセスを分離するアイデアを提案しました。イタリアのバーリ大学は、太陽エネルギーシステムと気水ヒートポンプを組み合わせた温室ポリジェネレーション暖房システムを開発し、気温を3.6％、地温を92％上昇させることができました。研究グループは、太陽熱温室用の傾斜角が可変のアクティブ太陽熱集熱装置と、天候に左右されない温室水体の補助蓄熱装置を開発しました。可変傾斜アクティブ太陽熱集熱技術は、集熱容量の限界、日陰、耕作地の占有など、従来の温室集熱設備の限界を突破しました。太陽熱温室の特殊な温室構造を採用することで、温室の非栽培スペースを十分に活用し、温室空間の利用効率を大幅に向上させました。一般的な晴天作業条件下では、可変傾斜アクティブ太陽熱集熱システムは1.9 MJ/(m2h)に達し、エネルギー利用効率は85.1%、省エネ率は77%に達します。温室蓄熱技術では、多相変化蓄熱構造を設け、蓄熱装置の蓄熱容量を増加させ、装置からの放熱を緩やかにすることで、温室太陽熱集熱設備で集熱した熱の効率的な利用を実現しています。

バイオマスエネルギー

バイオマス発熱装置と温室を組み合わせた新しい施設構造を構築し、豚糞、キノコ残渣、わらなどのバイオマス原料を堆肥化して発熱させ、発生した熱エネルギーを直接温室に供給します[5]。バイオマス発酵加熱タンクのない温室と比較して、加熱温室は温室内の地温を効果的に上昇させ、冬の通常の気候で土壌で栽培された作物の根の適切な温度を維持できます。スパン17m、長さ30mの単層非対称断熱温室を例にとると、8mの農業廃棄物（トマトのわらと豚糞の混合物）を屋内発酵タンクに追加し、山をひっくり返さずに自然発酵させると、冬に温室の平均日気温が4.2℃上昇し、平均日最低気温は4.6℃に達することができます。

バイオマス制御発酵のエネルギー利用は、機器や設備を用いて発酵プロセスを制御し、バイオマスの熱エネルギーとCO2ガス肥料を迅速に取得して効率的に利用する発酵方法であり、その中で換気と湿度はバイオマスの発酵熱とガス発生を調節する重要な要因です。換気条件下では、発酵堆積物中の好気性微生物が酸素を生命活動に利用し、発生したエネルギーの一部は微生物自身の生命活動に使用され、一部は熱エネルギーとして環境に放出され、環境の温度上昇に有益です。水は発酵プロセス全体に関与し、微生物活動に必要な可溶性栄養素を提供すると同時に、堆積物の熱を水を介して蒸気の形で放出し、堆積物の温度を下げ、微生物の寿命を延ばし、堆積物の嵩温度を上昇させます。発酵タンクにわら浸出装置を設置すると、冬季に室内温度が3〜5℃上昇し、植物の光合成が強化され、トマトの収穫量が29.6％増加します。

地熱エネルギー

中国は豊富な地熱資源を有しています。現在、農業施設における地熱エネルギー利用の最も一般的な方法は、地中熱ヒートポンプの利用です。地中熱ヒートポンプは、少量の高品位エネルギー（例えば電気エネルギー）を投入することで、低品位熱エネルギーを高品位熱エネルギーに変換できます。従来の温室暖房とは異なり、地中熱ヒートポンプ暖房は、大きな暖房効果が得られるだけでなく、温室を冷却し、温室内の湿度を下げる効果もあります。住宅建設分野における地中熱ヒートポンプの応用研究は成熟しています。地中熱ヒートポンプの暖房・冷房能力に影響を与える核心部分は、主に埋設管や地下井戸などを含む地中熱交換モジュールです。コストと効果のバランスが取れた地中熱交換システムをどのように設計するかは、常にこの分野の研究焦点となっています。同時に、地中熱ヒートポンプの適用における地中土壌層温度の変化も、ヒートポンプシステムの利用効果に影響を与えます。夏季に地中熱ヒートポンプを使用して温室を冷却し、熱エネルギーを深層土壌に蓄えることで、地下土壌層の温度低下を緩和し、冬季に地中熱ヒートポンプの熱生産効率を向上させることができます。

現在、地中熱ヒートポンプの性能と効率の研究では、実際の実験データを経て、TOUGH2やTRNSYSなどのソフトウェアで数値モデルを構築し、地中熱ヒートポンプの加熱性能と成績係数（COP）は3.0〜4.5に達し、良好な冷暖房効果を発揮すると結論付けています。 ヒートポンプシステムの運転戦略の研究では、傅雲俊らは負荷側流量と比較して、地中熱側流量がユニットの性能と埋設管の伝熱性能により大きな影響を与えることを発見しました。流量設定の条件下では、2時間運転、2時間停止の運転方式を採用することで、ユニットの最大COP値は4.17に達します。石輝賢らは貯水冷却システムの間欠運転モードを採用しました。夏場の気温が高い場合、エネルギー供給システム全体のCOPは3.80に達します。

温室における深層土壌蓄熱技術

温室深層土壌蓄熱は、温室における「蓄熱バンク」とも呼ばれています。冬の冷害と夏の高温は、温室生産の主な障害となっています。研究グループは、深層土壌の強力な蓄熱能力に基づき、温室地下深層蓄熱装置を設計しました。この装置は、温室内の地下1.5～2.5mの深さに埋設された二重層並列伝熱管で、温室上部に吸気口、地上に排気口を備えています。温室内温度が高いときは、ファンで室内空気を強制的に地中に送り込み、蓄熱と温度低下を実現します。温室温度が低いときは、土壌から熱を抽出して温室を暖めます。製作と応用の結果、この装置は冬の夜間に温室温度を2.3℃上昇させ、夏の日中に室内温度を2.6℃低下させ、667立方メートルのトマト収穫量を1500kg増加させることができました。²この装置は、地下深部の土壌の「冬暖かく、夏涼しい」と「温度一定」の特性を最大限に活用し、温室に「エネルギーアクセスバンク」を提供し、温室の冷暖房の補助機能を継続的に完成させます。

マルチエネルギー調整

2種類以上のエネルギーを使用して温室を加熱すると、単一エネルギーの欠点を効果的に補い、「1＋1は2より大きい」という重ね合わせ効果を発揮できます。地熱エネルギーと太陽エネルギーの相補的協力は、近年、農業生産における新エネルギー利用の研究ホットスポットです。Emmiらは、光電熱ハイブリッド太陽熱集熱器を備えたマルチソースエネルギーシステム（図1）を研究しました。一般的な空気水熱ポンプシステムと比較して、マルチソースエネルギーシステムのエネルギー効率は16％～25％向上しました。Zhengらは、太陽エネルギーと地中熱ヒートポンプの新しいタイプの結合蓄熱システムを開発しました。この太陽熱集熱器システムは、冬には高品質の暖房、夏には高品質の冷房という高品質の季節蓄熱を実現できます。このシステムでは、埋設管熱交換器と間欠蓄熱槽がすべて正常に動作し、システムのCOP値は6.96に達します。

太陽エネルギーと組み合わせることで、商用電力の消費量を削減し、温室における太陽光発電の供給安定性を高めることを目指しています。万亜氏らは、温室暖房において太陽光発電と商用電力を組み合わせる新たなインテリジェント制御技術案を提案しました。この技術案は、明るい時には太陽光発電の電力を活用し、暗い時には商用電力に変換することで、負荷電力の不足率を大幅に低減し、バッテリーを必要とせずに経済コストを削減します。

太陽エネルギー、バイオマスエネルギー、電気エネルギーは共同で温室を加熱することができ、高い加熱効率も達成できます。張良瑞らは、太陽熱真空管集熱と谷電蓄熱水槽を組み合わせました。温室加熱システムは温熱快適性が良好で、システムの平均加熱効率は68.70％です。電気蓄熱水槽は、電気加熱を備えたバイオマス加熱貯水装置です。加熱端の入水最低温度を設定し、太陽熱集熱部とバイオマス蓄熱部の貯水温度に応じてシステムの運転戦略を決定し、加熱端の加熱温度を安定させ、電気エネルギーとバイオマスエネルギー材料を最大限に節約します。

新しい温室資材の革新的研究と応用

温室面積の拡大に伴い、レンガや土といった伝統的な温室資材の適用上の欠点がますます明らかになっています。そのため、温室の断熱性能をさらに向上させ、現代の温室の発展ニーズを満たすために、新しい透明被覆材、断熱材、壁材の研究と応用が数多く行われています。

新しい透明カバー材料の研究と応用

温室用透明被覆材の種類には、主にプラスチックフィルム、ガラス、ソーラーパネル、太陽光発電パネルなどがあり、中でもプラスチックフィルムの応用範囲が最も広い。従来の温室用PEフィルムは、耐用年数が短い、劣化しない、機能が単一であるといった欠点があった。現在、機能性試薬やコーティング剤を添加することで、様々な新しい機能性フィルムが開発されている。

光変換フィルム：光変換フィルムは、希土類元素やナノ材料などの光変換剤を用いることでフィルムの光学特性を変化させ、紫外線領域を植物の光合成に必要な赤橙色光と青紫色光に変換することで、ビニール温室における農作物の収量増加と紫外線による農作物や温室フィルムへのダメージ軽減に貢献する。例えば、VTR-660光変換剤を用いた広帯域紫赤色温室フィルムは、温室に施工した場合、赤外線透過率を大幅に向上させ、対照温室と比較して、トマトの1ヘクタール当たり収量、ビタミンC、リコピン含有量がそれぞれ25.71%、11.11%、33.04%と大幅に増加した。しかし、現時点では、新型光変換フィルムの耐用年数、分解性、コストなどについてはまだ検討する必要がある。

散乱したガラス：温室の散乱ガラスは、ガラスの表面に特殊なパターンと反射防止技術を施したもので、太陽光を最大限に散乱光に変えて温室に入射させ、作物の光合成効率を高め、収穫量を増加させます。散乱ガラスは、特殊なパターンを通して温室に入る光を散乱光に変え、散乱光を温室に均一に照射し、温室の骨組みが影になる影響を排除します。通常のフロートガラスと超白フロートガラスと比較して、散乱ガラスの光透過率の基準は91.5％、通常のフロートガラスは88％です。温室内の光透過率が1％増加するごとに、収穫量は約3％増加し、果物や野菜に含まれる可溶性糖とビタミンCが増加します。温室の散乱ガラスは、まずコーティングしてから強化ガラスを使用しており、自己爆発率は国家基準よりも高く、2‰に達します。

新しい断熱材の研究と応用

温室における伝統的な断熱材は、主に藁、紙キルト、ニードルフェルト断熱キルトなどであり、屋根の内外断熱、壁断熱、一部の蓄熱・集熱装置の断熱などに使用されています。しかし、これらの多くは、長期使用により内部の湿気によって断熱性能が低下するという欠点があります。そのため、新しい高断熱材の応用分野は多岐にわたり、中でも新しい断熱キルト、蓄熱・集熱装置が研究の焦点となっています。

新型断熱材は通常、織フィルムやコーティングフェルトなどの表面防水・耐老化性材料と、スプレーコーティング綿、雑カシミヤ、パールコットンなどのふわふわした断熱材を​​加工・複合して作られています。中国東北部で織フィルムスプレーコーティング綿断熱キルトをテストしたところ、スプレーコーティング綿500gを加えると、市販の4500g黒フェルト断熱キルトと同等の断熱性能が得られることがわかりました。同じ条件下で、スプレーコーティング綿700gの断熱性能は、スプレーコーティング綿500gの断熱キルトに比べて1～2℃向上しました。同時に、他の研究でも、市販の一般的な断熱キルトと比較して、スプレーコーティング綿と雑カシミヤ断熱キルトの断熱効果が優れており、断熱率はそれぞれ84.0%と83.3%であることがわかっています。屋外の最低気温が-24.4℃の時、室内温度はそれぞれ5.4℃と4.2℃に達することがあります。単層わら毛布断熱キルトと比較して、この新しい複合断熱キルトは軽量、高い断熱率、強力な防水性と耐老化性などの利点があり、太陽熱温室用の新しいタイプの高効率断熱材として使用できます。

同時に、温室集熱蓄熱装置の断熱材の研究によると、厚さが同じ場合、多層複合断熱材は単一材料よりも断熱性能が優れていることも判明しました。西北農芸大学の李建明教授チームは、真空ボード、エアロゲル、ゴム綿など22種類の温室蓄熱装置の断熱材を設計・選別し、その熱特性を測定しました。その結果、80mm断熱コーティング＋エアロゲル＋ゴムプラスチック断熱綿複合断熱材は、80mmゴムプラスチック綿と比較して、単位時間あたりの放熱量を0.367MJ削減でき、断熱材の組み合わせの厚さが100mmの時の熱伝達率は0.283W/(m2·k)であることが示されました。

相変化材料は、温室材料研究のホットスポットの一つです。西北農芸大学は、2種類の相変化材料貯蔵装置を開発しました。一つは、黒色ポリエチレン製の貯蔵箱で、大きさは50cm×30cm×14cm（長さ×高さ×厚さ）で、内部に相変化材料を充填し、蓄熱・放熱を行います。もう一つは、新型相変化壁板を開発しました。この相変化壁板は、相変化材料、アルミニウム板、アルミニウムプラスチック板、アルミニウム合金で構成されています。相変化材料は壁板の最も中心に位置し、その寸法は200mm×200mm×50mmです。相変化前後とも粉末状の固体で、溶融や流動現象はありません。相変化材料の4つの壁は、それぞれアルミニウム板とアルミニウムプラスチック板です。この装置は、昼間は主に蓄熱し、夜間は主に放熱するという機能を実現できます。

そのため、単独の断熱材の適用には、断熱効率が低い、熱損失が大きい、蓄熱時間が短いなどの問題があります。そのため、複合断熱材を蓄熱装置の断熱層と室内外の断熱被覆層として使用すると、温室の断熱性能を効果的に向上させ、温室の熱損失を減らし、省エネ効果を実現できます。

新しい壁の研究と応用

壁は一種の囲い構造として、温室の防寒・保温にとって重要な障壁となっています。壁の材質と構造によって、温室の北壁の発展は、土やレンガなどを用いた単層壁と、粘土レンガ、ブロックレンガ、ポリスチレンボードなどを用いた内部蓄熱・外部断熱の多層北壁の3種類に分けられます。これらの壁の多くは、施工に時間と労力がかかります。そのため、近年では、施工が容易で、迅速な組み立てに適した新しいタイプの壁が数多く登場しています。

新型の組壁の出現は、組壁温室の急速な発展を促進し、その中には、新疆の吹付接着綿の柔軟組壁のように、フェルト、パール綿、宇宙綿、ガラス綿、再生綿などの材料を断熱層として用いた新型複合壁が含まれる。また、他の研究でも、新疆のレンガ充填麦殻モルタルブロックのような蓄熱層を備えた組壁温室の北側壁が報告されている。同じ外部環境下で、最低外気温が-20.8℃のとき、麦殻モルタルブロック複合壁の太陽熱温室の温度は7.5℃であるのに対し、レンガコンクリート壁の太陽熱温室の温度は3.2℃である。レンガ温室のトマトの収穫時期は16日早まり、温室単体の収穫量は18.4％増加する。

西北農芸大学の施設チームは、照明と壁面設計の簡素化の観点から、わら、土、水、石、相変化材料を断熱蓄熱モジュールにするという設計アイデアを提案し、モジュール式組立壁の応用研究を推進しました。例えば、一般的なレンガ壁温室と比較して、典型的な晴れた日の温室内の平均気温は4.0℃高くなります。相変化材料（PCM）とセメントで作られた3種類の無機相変化セメントモジュールの蓄熱量は、それぞれ74.5、88.0、95.1 MJ/mです。³、59.8、67.8、84.2 MJ/mの熱を放出した。³それぞれ、昼間のピークカット、夜間の谷埋め、夏場の吸熱、冬場の放熱といった機能を持っています。

これらの新型壁は現場で組み立てられ、工期が短く、耐用年数が長いため、軽量で簡素、迅速に組み立てられるプレハブ温室の建設に条件を提供し、温室の構造改革を大きく促進することができます。しかし、この種の壁体にはいくつかの欠点があります。例えば、吹付綿断熱キルト壁は断熱性能は優れていますが、蓄熱能力が不足しており、相変化建材は使用コストが高いという問題があります。今後、組立式壁体の応用研究を強化する必要があります。

新しいエネルギー、新しい材料、新しいデザインは、温室の構造の変化に役立ちます。

新エネルギーと新素材の研究開発は、温室の設計革新の基盤となっています。省エネソーラー温室とアーチ型温室は、中国の農業生産における最大の温室構造であり、農業生産において重要な役割を果たしています。しかし、中国の社会経済の発展に伴い、これら2種類の施設構造の欠点がますます顕著になっています。第一に、施設構造のスペースが狭く、機械化の程度が低いことです。第二に、省エネソーラー温室は断熱性に優れていますが、土地利用率が低く、温室エネルギーを土地に置き換えるのと同じです。一般的なアーチ型温室は、スペースが狭いだけでなく、断熱性も低いです。多スパン温室は、スペースは広いですが、断熱性が低く、エネルギー消費量が多いです。そのため、中国の現在の社会経済レベルに適した温室構造の研究開発が不可欠であり、新エネルギーと新素材の研究開発は、温室構造の変化を促し、様々な革新的な温室モデルや構造を生み出すでしょう。

大スパン非対称水制御醸造温室の革新的研究

大スパン非対称水制御醸造温室（特許番号：ZL 201220391214.2）は、太陽光温室の原理に基づき、一般的なビニールハウスの対称構造を改変し、南側のスパンを長くすることで南側屋根の採光面積を増やし、北側のスパンを短くすることで放熱面積を減らしました。スパンは18～24m、棟高は6～7mです。設計革新により、空間構造が大幅に向上しました。同時に、冬季の温室の保温不足や一般的な断熱材の断熱性不良といった問題を、バイオマス醸造熱と断熱材の新技術を用いて解決しました。生産研究の結果、大スパン非対称水制御醸造温室は、晴れの日の平均気温が11.7℃、曇りの日の平均気温が10.8℃で、冬の農作物の成長需要を満たすことができ、温室の建設コストはポリスチレンレンガ壁温室に比べて39.6％削減され、土地利用率は30％以上向上し、中国の黄淮河流域でのさらなる普及と応用に適していることがわかりました。

組み立て式日光温室

組み立て式太陽光温室は、柱と屋根の骨組みを耐荷重構造とし、壁材は断熱エンクロージャを主とし、ベアリングやパッ​​シブ蓄放熱は採用していません。 主な特徴：（1）コーティングフィルムやカラー鋼板、わらブロック、フレキシブル断熱キルト、モルタルブロックなど、様々な材料を組み合わせて新型組み立て壁を形成します。（2）プレハブセメント板-ポリスチレンボード-セメント板で作られた複合壁板。（3）プラスチック角バケツ蓄熱、パイプライン蓄熱など、アクティブ蓄放熱システムと除湿システムを備えた軽量・簡単組み立て式断熱材。伝統的な土壁の代わりに、様々な新型断熱材や蓄熱材を使用して太陽光温室を建設することで、空間が広く、土木工事も少なくて済みます。実験結果によると、冬の夜間の温室温度は、伝統的なレンガ壁温室より4.5℃高く、後壁の厚さは166mmです。厚さ600mmのレンガ壁温室と比較して、壁の占有面積は72%削減され、1平方メートルあたりのコストは334.5元で、レンガ壁温室より157.2元安く、建設コストが大幅に低下しました。そのため、組み立て式温室は耕作地の破壊が少なく、土地を節約でき、建設速度が速く、耐用年数が長いなどの利点があり、現在および将来の太陽熱温室の革新と発展の重要な方向性となっています。

スライド式太陽光温室

瀋陽農業大学が開発したスケートボード組み立て式省エネ太陽熱温室は、太陽熱温室の背面壁を利用して水循環壁蓄熱システムを形成し、熱を蓄えて温度を上げ、主にプール（32m）で構成されています。³）、集光板（360m²）、送水ポンプ、送水管、コントローラーで構成されています。フレキシブル断熱キルトは、上部に新しい軽量ロックウールカラー鋼板材料に置き換えられました。研究によると、この設計は、切妻による光の遮蔽問題を効果的に解決し、温室の入光面積を増加させました。温室の採光角度は41.5°で、対照温室よりも約16°高く、採光率が向上しました。室内の温度分布は均一で、植物はきれいに成長します。この温室は、土地利用効率の向上、温室サイズの柔軟な設計、建設期間の短縮などの利点があり、耕作地資源と環境の保護に大きな意義があります。

太陽光発電温室

農業用温室は、太陽光発電、知能温度制御、現代のハイテク栽培を一体化した温室です。鋼鉄製の骨組みを採用し、太陽光発電モジュールで覆われているため、太陽光発電モジュールの照明要件と温室全体の照明要件が確保されます。太陽エネルギーによって生成された直流電流は、農業用温室の光を直接補充し、温室設備の正常な動作を直接サポートし、水資源の灌漑を促進し、温室の温度を上昇させ、作物の急速な成長を促進します。このようにして、太陽光発電モジュールは温室屋根の照明効率に影響を与え、温室野菜の正常な成長に影響を与えます。したがって、温室屋根への太陽光発電パネルの合理的な配置が、適用の重要なポイントになります。農業用温室は、観光農業と施設園芸の有機的な組み合わせの産物であり、太陽光発電、農業観光、農作物、農業技術、景観、文化の発展を一体化した革新的な農業産業です。

異なるタイプの温室間のエネルギー相互作用を備えた温室群の革新的な設計

北京市農林科学院研究員の郭文中氏は、温室間のエネルギー移動による加熱方法を用いて、1つまたは複数の温室の残留熱エネルギーを集め、別の1つまたは複数の温室を加熱する。 この加熱方法は、温室エネルギーの時間と空間の移動を実現し、温室の残留熱エネルギーのエネルギー利用効率を高め、総加熱エネルギー消費量を削減する。 2種類の温室は、レタスとトマトの温室など、さまざまな作物を栽培するための異なる温室タイプまたは同じ温室タイプであることができる。 熱収集方法は、主に室内の空気熱を抽出することと、入射放射を直接遮断することを含む。 太陽エネルギー収集、熱交換器による強制対流、ヒートポンプによる強制抽出を通じて、高エネルギー温室の余剰熱を抽出して温室を加熱した。

要約する

これらの新型ソーラー温室は、組み立てが速く、工期が短縮され、土地利用率が向上するなどの利点がある。そのため、様々な分野における新型温室の性能をさらに検証し、新型温室の大規模な普及・応用の可能性を広げる必要がある。同時に、温室における新エネルギー・新素材の応用を継続的に強化し、温室構造改革の推進力となる必要がある。

今後の展望と考え方

伝統的な温室は、エネルギー消費量が高く、土地利用率が低く、時間と労力がかかり、性能が悪いなどの欠点があり、現代農業の生産ニーズを満たすことができず、徐々に淘汰されていく運命にあります。そのため、太陽エネルギー、バイオマスエネルギー、地熱エネルギー、風力エネルギーなどの新エネルギー源、温室の新用途材料、新設計を活用し、温室の構造変化を促進することが開発の潮流となっています。まず、新エネルギーと新材料を駆使した新型温室は、機械化作業のニーズを満たすだけでなく、エネルギー、土地、コストを節約する必要があります。次に、さまざまな分野で新型温室の性能を絶えず探求し、温室の大規模な普及のための条件を整える必要があります。今後、温室の応用に適した新エネルギーと新材料をさらに探求し、新エネルギー、新材料と温室の最適な組み合わせを見つけ出すことで、低コスト、短い工期、低エネルギー消費、優れた性能を備えた新しい温室の建設を可能にし、温室構造の変化を支援し、中国の温室の近代化発展を促進する必要があります。

温室建設における新エネルギー、新材料、新設計の採用は避けられない流れではあるが、まだ研究し克服すべき問題が数多くある。(1)建設コストが上昇する。石炭、天然ガス、石油などによる伝統的な暖房と比較すると、新エネルギーや新材料の採用は環境に優しく無公害であるが、建設コストが大幅に上昇し、生産・運営の投資回収に一定の影響を与えている。エネルギー利用と比較すると、新材料のコストが大幅に増加する。(2)熱エネルギー利用の不安定さ。新エネルギー利用の最大の利点は、運用コストが低く、二酸化炭素排出量が少ないことであるが、エネルギーと熱の供給が不安定であり、曇りの日が太陽エネルギー利用の最大の制限要因となっている。発酵によるバイオマス熱生産の過程では、発酵熱エネルギーが低い、管理と制御が難しい、原料輸送のための保管スペースが大きいなどの問題により、このエネルギーの有効利用が制限されている。(3)技術の成熟度。新エネルギーや新素材に採用されているこれらの技術は、先端的な研究成果と技術成果であるが、その応用分野と範囲は依然として非常に限られている。何度も、多くの現場で、大規模な実践検証を経ていないため、応用においてどうしても欠陥や改善が必要な技術内容がいくつか存在する。ユーザーは些細な欠陥を理由に、技術の進歩を否定することが多い。(4) 技術の普及率が低い。科学技術成果の広範な応用には、一定の知名度が必要である。現在、新エネルギー、新技術、新温室設計技術はすべて、一定の革新力を持つ大学の科学研究センターのチームに属しており、ほとんどの技術需要者や設計者はまだ知らない。同時​​に、新技術の中核設備が特許を取得しているため、新技術の普及と応用は依然として非常に限られている。(5) 新エネルギー、新素材、温室構造設計の融合をさらに強化する必要がある。エネルギー、材料、温室構造設計は3つの異なる分野に属しているため、温室設計経験のある人材は、温室関連のエネルギーや材料に関する研究が不足していることが多く、その逆もまた同様である。そのため、エネルギーと材料の研究に関わる研究者は、温室産業の発展の実際的なニーズに対する調査と理解を強化する必要があり、構造設計者も新材料と新エネルギーを研究し、3つの関係の深い融合を促進し、温室研究技術の実用化、建設コストの低減、利用効果の向上という目標を達成する必要があります。上記の問題を踏まえ、国、地方政府、科学研究センターは技術研究を強化し、共同研究を深く展開し、科学技術成果の広報を強化し、成果の普及を促進し、新エネルギーと新材料の目標を迅速に実現し、温室産業の新たな発展を支援することを提案します。

引用情報

李建明、孫国涛、李浩潔、李睿、胡一新. 新エネルギー、新素材、新設計が温室の新革命を支える [J]. 野菜, 2022,(10):1-8.