หลี่ เจี้ยนหมิง, ซุน กัวเทา ฯลฯเทคโนโลยีวิศวกรรมการเกษตรด้านพืชสวนในเรือนกระจก2022-11-21 17:42 เผยแพร่ในปักกิ่ง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเรือนกระจกมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว การพัฒนาเรือนกระจกไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มอัตราการใช้ที่ดินและอัตราผลผลิตทางการเกษตรเท่านั้น แต่ยังช่วยแก้ปัญหาการขาดแคลนผลไม้และผักนอกฤดูกาลอีกด้วย อย่างไรก็ตาม เรือนกระจกก็เผชิญกับความท้าทายที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนเช่นกัน สิ่งอำนวยความสะดวก วิธีการให้ความร้อน และโครงสร้างแบบเดิมนั้นต่อต้านสภาพแวดล้อมและการพัฒนา วัสดุใหม่และการออกแบบใหม่จึงมีความจำเป็นอย่างเร่งด่วนเพื่อเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเรือนกระจก และแหล่งพลังงานใหม่ก็มีความจำเป็นอย่างเร่งด่วนเพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านการประหยัดพลังงานและการรักษาสิ่งแวดล้อม ตลอดจนเพิ่มผลผลิตและรายได้

บทความนี้กล่าวถึงหัวข้อ “พลังงานใหม่ วัสดุใหม่ การออกแบบใหม่ เพื่อช่วยการปฏิวัติวงการเรือนกระจก” ซึ่งรวมถึงการวิจัยและนวัตกรรมด้านพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล พลังงานความร้อนใต้พิภพ และแหล่งพลังงานใหม่ๆ อื่นๆ ในเรือนกระจก การวิจัยและการประยุกต์ใช้วัสดุใหม่สำหรับการคลุม การฉนวนกันความร้อน ผนัง และอุปกรณ์อื่นๆ ตลอดจนแนวโน้มและความคิดในอนาคตเกี่ยวกับพลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบใหม่ที่จะช่วยปฏิรูปเรือนกระจก เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับอุตสาหกรรม

การพัฒนาการเกษตรในโรงเรือนเป็นข้อกำหนดทางการเมืองและทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการดำเนินการตามเจตนารมณ์ของคำสั่งสำคัญและการตัดสินใจของรัฐบาลกลาง ในปี 2020 พื้นที่การเกษตรในโรงเรือนทั้งหมดของจีนจะอยู่ที่ 2.8 ล้านเฮกตาร์ และมูลค่าผลผลิตจะเกิน 1 ล้านล้านหยวน วิธีสำคัญในการเพิ่มกำลังการผลิตในโรงเรือนคือการปรับปรุงประสิทธิภาพแสงสว่างและฉนวนกันความร้อนของโรงเรือนผ่านพลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบโรงเรือนใหม่ การผลิตในโรงเรือนแบบดั้งเดิมมีข้อเสียหลายประการ เช่น การใช้ถ่านหิน น้ำมันเชื้อเพลิง และแหล่งพลังงานอื่นๆ ในการให้ความร้อนในโรงเรือนแบบดั้งเดิม ส่งผลให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จำนวนมาก ซึ่งเป็นมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรง ในขณะที่ก๊าซธรรมชาติ พลังงานไฟฟ้า และแหล่งพลังงานอื่นๆ เพิ่มต้นทุนการดำเนินงานของโรงเรือน วัสดุเก็บความร้อนแบบดั้งเดิมสำหรับผนังโรงเรือนส่วนใหญ่เป็นดินเหนียวและอิฐ ซึ่งใช้ทรัพยากรมากและก่อให้เกิดความเสียหายอย่างร้ายแรงต่อทรัพยากรที่ดิน ประสิทธิภาพการใช้ที่ดินของโรงเรือนพลังงานแสงอาทิตย์แบบดั้งเดิมที่มีผนังดินอยู่ที่เพียง 40% - 50% และโรงเรือนทั่วไปมีประสิทธิภาพการเก็บความร้อนต่ำ จึงไม่สามารถผลิตผักอุ่นๆ ในฤดูหนาวของภาคเหนือของจีนได้ ดังนั้น หัวใจสำคัญของการส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงเรือนกระจก หรือการวิจัยพื้นฐาน จึงอยู่ที่การออกแบบเรือนกระจก การวิจัยและพัฒนาวัสดุใหม่และพลังงานใหม่ บทความนี้จะเน้นไปที่การวิจัยและนวัตกรรมแหล่งพลังงานใหม่ในเรือนกระจก สรุปสถานะการวิจัยแหล่งพลังงานใหม่ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล พลังงานความร้อนใต้พิภพ พลังงานลม และวัสดุคลุมโปร่งใสใหม่ วัสดุฉนวนกันความร้อน และวัสดุผนังใหม่ในเรือนกระจก วิเคราะห์การประยุกต์ใช้พลังงานใหม่และวัสดุใหม่ในการก่อสร้างเรือนกระจกใหม่ และมองไปข้างหน้าถึงบทบาทของสิ่งเหล่านี้ในการพัฒนาและการเปลี่ยนแปลงเรือนกระจกในอนาคต

การวิจัยและนวัตกรรมเรือนกระจกพลังงานใหม่

พลังงานสีเขียวใหม่ที่มีศักยภาพในการนำไปใช้ประโยชน์ทางการเกษตรสูงสุด ได้แก่ พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานความร้อนใต้พิภพ และพลังงานชีวมวล หรือการใช้ประโยชน์อย่างครบวงจรจากแหล่งพลังงานใหม่หลากหลายชนิด เพื่อให้เกิดการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพโดยการเรียนรู้จากจุดแข็งของกันและกัน

พลังงานแสงอาทิตย์/กำลังไฟฟ้า

เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์เป็นรูปแบบการจัดหาพลังงานที่มีคาร์บอนต่ำ มีประสิทธิภาพ และยั่งยืน และเป็นองค์ประกอบสำคัญของอุตสาหกรรมเกิดใหม่เชิงกลยุทธ์ของจีน และจะเป็นทางเลือกที่หลีกเลี่ยงไม่ได้สำหรับการเปลี่ยนแปลงและยกระดับโครงสร้างพลังงานของจีนในอนาคต จากมุมมองของการใช้พลังงาน เรือนกระจกเองก็เป็นโครงสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ โดยอาศัยปรากฏการณ์เรือนกระจก พลังงานแสงอาทิตย์จะถูกรวบรวมไว้ภายในอาคาร ทำให้อุณหภูมิภายในเรือนกระจกสูงขึ้น และให้ความร้อนที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช แหล่งพลังงานหลักของการสังเคราะห์แสงของพืชในเรือนกระจกคือแสงแดดโดยตรง ซึ่งเป็นการใช้พลังงานแสงอาทิตย์โดยตรง

01 การผลิตพลังงานไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อสร้างความร้อน

การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็นเทคโนโลยีที่แปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงโดยอาศัยปรากฏการณ์โฟโตโวลตาอิก องค์ประกอบสำคัญของเทคโนโลยีนี้คือเซลล์แสงอาทิตย์ เมื่อพลังงานแสงอาทิตย์ส่องกระทบแผงโซลาร์เซลล์ที่ต่อกันแบบอนุกรมหรือขนาน ส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์จะแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิกสามารถแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า เก็บไฟฟ้าไว้ในแบตเตอรี่ และให้ความร้อนแก่เรือนกระจกในเวลากลางคืนได้ แต่ต้นทุนที่สูงเป็นข้อจำกัดในการพัฒนาต่อไป กลุ่มวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยกราฟีนแบบโฟโตโวลตาอิก ซึ่งประกอบด้วยแผงโซลาร์เซลล์แบบยืดหยุ่น เครื่องควบคุมแบบย้อนกลับแบบครบวงจร แบตเตอรี่ และแท่งความร้อนกราฟีน โดยจะฝังแท่งความร้อนกราฟีนไว้ใต้ถุงวัสดุปลูกตามความยาวของแนวปลูก ในเวลากลางวัน แผงโซลาร์เซลล์จะดูดซับแสงอาทิตย์เพื่อผลิตไฟฟ้าและเก็บไว้ในแบตเตอรี่ จากนั้นจึงปล่อยไฟฟ้าออกมาในเวลากลางคืนเพื่อใช้กับแท่งความร้อนกราฟีน ในการวัดจริง ใช้โหมดควบคุมอุณหภูมิโดยเริ่มที่ 17℃ และปิดที่ 19℃ การเปิดระบบทำความร้อนในเวลากลางคืน (20:00-08:00 ของวันที่สอง) เป็นเวลา 8 ชั่วโมง จะใช้พลังงาน 1.24 กิโลวัตต์ชั่วโมงในการทำความร้อนให้กับพืชหนึ่งแถว และอุณหภูมิเฉลี่ยของถุงวัสดุปลูกในเวลากลางคืนอยู่ที่ 19.2 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่ากลุ่มควบคุม 3.5 ~ 5.3 องศาเซลเซียส วิธีการทำความร้อนนี้เมื่อรวมกับการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ จะช่วยแก้ปัญหาการใช้พลังงานสูงและมลพิษสูงในการทำความร้อนเรือนกระจกในช่วงฤดูหนาวได้

02 การแปลงและการใช้ประโยชน์ความร้อนจากแสง

การแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อน หมายถึงการใช้พื้นผิวรับแสงอาทิตย์แบบพิเศษที่ทำจากวัสดุแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อน เพื่อรวบรวมและดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ส่องลงมาให้ได้มากที่สุด และแปลงเป็นพลังงานความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์แบบเซลล์แสงอาทิตย์ การใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์เป็นความร้อนจะเพิ่มการดูดซับในช่วงคลื่นอินฟราเรดใกล้ ทำให้มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานจากแสงอาทิตย์สูงกว่า ต้นทุนต่ำกว่า และเทคโนโลยีมีความพร้อมมากกว่า จึงเป็นวิธีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด

เทคโนโลยีการแปลงและใช้ประโยชน์จากพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่พัฒนามากที่สุดในประเทศจีนคือ แผงรับแสงอาทิตย์ ซึ่งส่วนประกอบหลักคือแผ่นดูดซับความร้อนที่มีการเคลือบสารดูดซับแบบเลือกได้ ซึ่งสามารถแปลงพลังงานรังสีแสงอาทิตย์ที่ผ่านแผ่นปิดให้เป็นพลังงานความร้อนและถ่ายเทไปยังตัวกลางดูดซับความร้อน แผงรับแสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทตามว่ามีช่องว่างสุญญากาศในแผงรับแสงหรือไม่ ได้แก่ แผงรับแสงอาทิตย์แบบแบนและแผงรับแสงอาทิตย์แบบท่อสุญญากาศ แผงรับแสงอาทิตย์แบบรวมแสงและแผงรับแสงอาทิตย์แบบไม่รวมแสงตามทิศทางการเปลี่ยนแปลงของรังสีแสงอาทิตย์ที่ช่องรับแสง และแผงรับแสงอาทิตย์แบบของเหลวและแผงรับแสงอาทิตย์แบบอากาศตามชนิดของตัวกลางถ่ายเทความร้อน

การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในเรือนกระจกส่วนใหญ่ดำเนินการผ่านแผงรับแสงอาทิตย์ประเภทต่างๆ มหาวิทยาลัยอิบนูซอร์ในโมร็อกโกได้พัฒนา ระบบทำความร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟ (ASHS) สำหรับให้ความอบอุ่นแก่เรือนกระจก ซึ่งสามารถเพิ่มผลผลิตมะเขือเทศโดยรวมได้ถึง 55% ในฤดูหนาว มหาวิทยาลัยเกษตรแห่งประเทศจีนได้ออกแบบและพัฒนาระบบระบายความร้อนพื้นผิวแบบใช้พัดลมพร้อมระบบเก็บและระบายความร้อน โดยมีกำลังการเก็บความร้อน 390.6～693.0 เมกะจูล และเสนอแนวคิดในการแยกกระบวนการเก็บความร้อนออกจากกระบวนการกักเก็บความร้อนโดยใช้ปั๊มความร้อน มหาวิทยาลัยบารีในอิตาลีได้พัฒนา ระบบทำความร้อนแบบหลายแหล่งกำเนิดสำหรับเรือนกระจก ซึ่งประกอบด้วยระบบพลังงานแสงอาทิตย์และปั๊มความร้อนแบบอากาศ-น้ำ และสามารถเพิ่มอุณหภูมิอากาศได้ 3.6% และอุณหภูมิดินได้ 92% กลุ่มวิจัยได้พัฒนาอุปกรณ์เก็บความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟที่มีมุมเอียงแปรผันได้สำหรับเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ และอุปกรณ์กักเก็บความร้อนเสริมสำหรับแหล่งน้ำในเรือนกระจกเพื่อรับมือกับสภาพอากาศ เทคโนโลยีการเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟที่สามารถปรับความเอียงได้นั้น ช่วยเอาชนะข้อจำกัดของอุปกรณ์เก็บความร้อนในเรือนกระจกแบบดั้งเดิม เช่น ความสามารถในการเก็บความร้อนที่จำกัด การเกิดเงา และการใช้พื้นที่เพาะปลูก โดยการใช้โครงสร้างเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์แบบพิเศษ ทำให้พื้นที่ที่ไม่ได้ปลูกพืชในเรือนกระจกถูกใช้ประโยชน์อย่างเต็มที่ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พื้นที่เรือนกระจกได้อย่างมาก ภายใต้สภาพการทำงานที่มีแสงแดดจัด ระบบเก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์แบบแอคทีฟที่สามารถปรับความเอียงได้นั้น สามารถเก็บความร้อนได้ถึง 1.9 MJ/(m²h) ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงถึง 85.1% และอัตราการประหยัดพลังงานอยู่ที่ 77% ในเทคโนโลยีการเก็บความร้อนในเรือนกระจกนั้น ได้มีการติดตั้งโครงสร้างการเก็บความร้อนแบบเปลี่ยนสถานะหลายเฟส เพิ่มความจุในการเก็บความร้อนของอุปกรณ์เก็บความร้อน และทำให้มีการปล่อยความร้อนจากอุปกรณ์อย่างช้าๆ เพื่อให้สามารถใช้ความร้อนที่เก็บได้จากอุปกรณ์เก็บความร้อนจากแสงอาทิตย์ในเรือนกระจกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

พลังงานชีวมวล

โครงสร้างโรงงานใหม่ถูกสร้างขึ้นโดยการรวมอุปกรณ์ผลิตความร้อนจากชีวมวลเข้ากับเรือนกระจก และวัตถุดิบชีวมวล เช่น มูลสุกร เศษเห็ด และฟาง จะถูกหมักเพื่อสร้างความร้อน และพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจะถูกส่งไปยังเรือนกระจกโดยตรง [5] เมื่อเปรียบเทียบกับเรือนกระจกที่ไม่มีถังหมักชีวมวลเพื่อสร้างความร้อน เรือนกระจกที่มีระบบทำความร้อนสามารถเพิ่มอุณหภูมิพื้นดินในเรือนกระจกได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมของรากพืชที่ปลูกในดินในสภาพอากาศปกติในฤดูหนาว ยกตัวอย่างเช่น เรือนกระจกฉนวนกันความร้อนแบบไม่สมมาตรชั้นเดียวที่มีความกว้าง 17 เมตร และความยาว 30 เมตร การเพิ่มของเสียทางการเกษตร 8 ลูกบาศก์เมตร (ฟางมะเขือเทศและมูลสุกรผสมกัน) ลงในถังหมักภายในอาคารเพื่อการหมักตามธรรมชาติโดยไม่ต้องพลิกกอง สามารถเพิ่มอุณหภูมิเฉลี่ยรายวันของเรือนกระจกได้ 4.2℃ ในฤดูหนาว และอุณหภูมิต่ำสุดเฉลี่ยรายวันสามารถสูงถึง 4.6℃

การใช้พลังงานจากกระบวนการหมักชีวมวลแบบควบคุม เป็นวิธีการหมักที่ใช้เครื่องมือและอุปกรณ์ในการควบคุมกระบวนการหมัก เพื่อให้ได้พลังงานความร้อนจากชีวมวลและปุ๋ยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ โดยการระบายอากาศและความชื้นเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมความร้อนและการผลิตก๊าซจากการหมักชีวมวล ภายใต้สภาวะที่มีการระบายอากาศ จุลินทรีย์แอโรบิกในกองหมักจะใช้ออกซิเจนในการดำรงชีวิต และพลังงานที่เกิดขึ้นบางส่วนจะถูกนำไปใช้ในการดำรงชีวิตของพวกมันเอง และบางส่วนจะถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อมในรูปของพลังงานความร้อน ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการเพิ่มอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม น้ำมีส่วนร่วมในกระบวนการหมักทั้งหมด โดยให้สารอาหารที่ละลายน้ำได้ที่จำเป็นสำหรับกิจกรรมของจุลินทรีย์ และในขณะเดียวกันก็ระบายความร้อนของกองหมักในรูปของไอน้ำผ่านทางน้ำ เพื่อลดอุณหภูมิของกองหมัก ยืดอายุของจุลินทรีย์ และเพิ่มอุณหภูมิโดยรวมของกองหมัก การติดตั้งอุปกรณ์ชะล้างฟางในถังหมักสามารถเพิ่มอุณหภูมิภายในถังได้ 3-5 องศาเซลเซียสในช่วงฤดูหนาว ช่วยเสริมสร้างกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช และเพิ่มผลผลิตมะเขือเทศได้ถึง 29.6%

พลังงานความร้อนใต้พิภพ

ประเทศจีนอุดมไปด้วยทรัพยากรพลังงานความร้อนใต้พิภพ ปัจจุบัน วิธีที่นิยมใช้ในสิ่งอำนวยความสะดวกทางการเกษตรในการใช้พลังงานความร้อนใต้พิภพคือ การใช้ปั๊มความร้อนจากใต้ดิน ซึ่งสามารถถ่ายโอนพลังงานความร้อนระดับต่ำไปเป็นพลังงานความร้อนระดับสูงได้โดยการป้อนพลังงานระดับสูง (เช่น พลังงานไฟฟ้า) ในปริมาณเล็กน้อย แตกต่างจากวิธีการทำความร้อนในเรือนกระจกแบบดั้งเดิม การทำความร้อนด้วยปั๊มความร้อนจากใต้ดินไม่เพียงแต่ให้ผลการทำความร้อนที่ดีเท่านั้น แต่ยังสามารถทำความเย็นและลดความชื้นในเรือนกระจกได้อีกด้วย การวิจัยประยุกต์ใช้ปั๊มความร้อนจากใต้ดินในด้านการก่อสร้างที่อยู่อาศัยนั้นมีความก้าวหน้ามาก ส่วนสำคัญที่ส่งผลต่อความสามารถในการทำความร้อนและทำความเย็นของปั๊มความร้อนจากใต้ดินคือ โมดูลแลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดิน ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยท่อฝังดิน บ่อใต้ดิน เป็นต้น วิธีการออกแบบระบบแลกเปลี่ยนความร้อนใต้ดินที่มีความสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพจึงเป็นประเด็นสำคัญในการวิจัยในส่วนนี้มาโดยตลอด ในขณะเดียวกัน การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของชั้นดินใต้ดินในการใช้งานปั๊มความร้อนจากใต้ดินก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพการใช้งานของระบบปั๊มความร้อนด้วย การใช้ปั๊มความร้อนจากใต้ดินเพื่อทำความเย็นให้เรือนกระจกในฤดูร้อนและกักเก็บพลังงานความร้อนไว้ในชั้นดินลึก สามารถช่วยลดการลดลงของอุณหภูมิในชั้นดินใต้ดินและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตความร้อนของปั๊มความร้อนจากใต้ดินในฤดูหนาวได้

ปัจจุบัน ในการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพและประสิทธิผลของปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดิน โดยใช้ข้อมูลการทดลองจริง ได้มีการสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขด้วยซอฟต์แวร์ เช่น TOUGH2 และ TRNSYS และสรุปได้ว่า ประสิทธิภาพการทำความร้อนและค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) ของปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดินสามารถสูงถึง 3.0 ~ 4.5 ซึ่งมีผลดีทั้งในด้านการทำความเย็นและการทำความร้อน ในการวิจัยเกี่ยวกับกลยุทธ์การทำงานของระบบปั๊มความร้อน ฟู่ หยุนจุน และคณะ พบว่า เมื่อเปรียบเทียบกับการไหลด้านโหลด การไหลด้านแหล่งใต้ดินมีผลกระทบต่อประสิทธิภาพของหน่วยและประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนของท่อฝังใต้ดินมากกว่า ภายใต้เงื่อนไขการตั้งค่าการไหล ค่า COP สูงสุดของหน่วยสามารถสูงถึง 4.17 โดยใช้รูปแบบการทำงานแบบทำงาน 2 ชั่วโมงและหยุด 2 ชั่วโมง ส่วนฉี ฮุ่ยเซียน และคณะ ได้ใช้โหมดการทำงานแบบไม่ต่อเนื่องของระบบทำความเย็นแบบเก็บน้ำ ในช่วงฤดูร้อน เมื่ออุณหภูมิสูง ค่า COP ของระบบจ่ายพลังงานทั้งหมดสามารถสูงถึง 3.80

เทคโนโลยีการกักเก็บความร้อนในดินลึกสำหรับเรือนกระจก

การกักเก็บความร้อนในดินลึกภายในเรือนกระจกเรียกอีกอย่างว่า “ธนาคารความร้อน” ในเรือนกระจก ความเสียหายจากความหนาวเย็นในฤดูหนาวและอุณหภูมิสูงในฤดูร้อนเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการผลิตในเรือนกระจก จากคุณสมบัติการกักเก็บความร้อนสูงของดินลึก กลุ่มวิจัยจึงได้ออกแบบอุปกรณ์กักเก็บความร้อนใต้ดินสำหรับเรือนกระจก อุปกรณ์นี้เป็นท่อส่งความร้อนแบบขนานสองชั้นฝังอยู่ใต้ดินลึก 1.5-2.5 เมตรในเรือนกระจก โดยมีช่องอากาศเข้าที่ด้านบนของเรือนกระจกและช่องอากาศออกที่พื้นดิน เมื่ออุณหภูมิในเรือนกระจกสูง อากาศภายในจะถูกสูบฉีดลงไปในดินด้วยพัดลมเพื่อกักเก็บความร้อนและลดอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิในเรือนกระจกต่ำ ความร้อนจะถูกดึงออกมาจากดินเพื่อทำให้เรือนกระจกอุ่นขึ้น ผลการผลิตและการใช้งานแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์นี้สามารถเพิ่มอุณหภูมิในเรือนกระจกได้ 2.3℃ ในคืนฤดูหนาว ลดอุณหภูมิภายในได้ 2.6℃ ในเวลากลางวันของฤดูร้อน และเพิ่มผลผลิตมะเขือเทศได้ 1500 กิโลกรัมในพื้นที่ 667 ตารางเมตร²อุปกรณ์นี้ใช้ประโยชน์จากคุณลักษณะ "อบอุ่นในฤดูหนาวและเย็นในฤดูร้อน" และ "อุณหภูมิคงที่" ของดินชั้นลึกอย่างเต็มที่ ทำหน้าที่เป็น "แหล่งเก็บพลังงาน" สำหรับเรือนกระจก และทำหน้าที่เสริมในการทำความเย็นและทำความร้อนเรือนกระจกอย่างต่อเนื่อง

การประสานงานพลังงานหลายด้าน

การใช้พลังงานสองประเภทขึ้นไปในการให้ความร้อนแก่เรือนกระจกสามารถชดเชยข้อเสียของการใช้พลังงานประเภทเดียวได้อย่างมีประสิทธิภาพ และใช้ประโยชน์จากผลของการซ้อนทับกันของ “หนึ่งบวกหนึ่งมากกว่าสอง” ความร่วมมือที่เสริมกันระหว่างพลังงานความร้อนใต้พิภพและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นประเด็นวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในด้านการใช้พลังงานรูปแบบใหม่ในการผลิตทางการเกษตรในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Emmi และคณะได้ศึกษาเกี่ยวกับระบบพลังงานหลายแหล่ง (รูปที่ 1) ซึ่งติดตั้งตัวเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์แบบไฮบริดโฟโตโวลตาอิก-ความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับระบบปั๊มความร้อนแบบอากาศ-น้ำทั่วไป ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบพลังงานหลายแหล่งได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น 16%~25% Zheng และคณะได้พัฒนาระบบกักเก็บความร้อนแบบใหม่ที่เชื่อมโยงพลังงานแสงอาทิตย์และปั๊มความร้อนจากแหล่งใต้ดิน ระบบเก็บรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์สามารถกักเก็บความร้อนตามฤดูกาลที่มีคุณภาพสูงได้ กล่าวคือ ให้ความร้อนที่มีคุณภาพสูงในฤดูหนาวและให้ความเย็นที่มีคุณภาพสูงในฤดูร้อน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อฝังและถังเก็บความร้อนแบบไม่ต่อเนื่องสามารถทำงานได้ดีในระบบ และค่า COP ของระบบสามารถสูงถึง 6.96

เมื่อผนวกรวมกับพลังงานแสงอาทิตย์แล้ว มีเป้าหมายเพื่อลดการใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานภายนอก และเพิ่มความเสถียรของการจ่ายพลังงานแสงอาทิตย์ในเรือนกระจก Wan Ya และคณะ ได้เสนอแผนเทคโนโลยีควบคุมอัจฉริยะแบบใหม่ที่ผสมผสานการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์กับพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานภายนอกสำหรับการให้ความร้อนในเรือนกระจก ซึ่งสามารถใช้พลังงานจากเซลล์แสงอาทิตย์เมื่อมีแสง และเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานภายนอกเมื่อไม่มีแสง ช่วยลดอัตราการขาดแคลนพลังงาน และลดต้นทุนทางเศรษฐกิจโดยไม่ต้องใช้แบตเตอรี่

พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล และพลังงานไฟฟ้า สามารถใช้ร่วมกันในการให้ความร้อนแก่เรือนกระจก ซึ่งยังสามารถให้ประสิทธิภาพการให้ความร้อนสูงอีกด้วย จาง เหลียงรุ่ย และคณะ ได้ผสมผสานระบบเก็บความร้อนด้วยท่อสุญญากาศจากพลังงานแสงอาทิตย์เข้ากับถังเก็บความร้อนด้วยไฟฟ้าแบบรางน้ำ ระบบให้ความร้อนแก่เรือนกระจกนี้ให้ความสบายทางความร้อนที่ดี และประสิทธิภาพการให้ความร้อนเฉลี่ยของระบบอยู่ที่ 68.70% ถังเก็บความร้อนด้วยไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์เก็บน้ำร้อนจากชีวมวลที่ใช้ระบบทำความร้อนด้วยไฟฟ้า โดยกำหนดอุณหภูมิต่ำสุดของน้ำที่ไหลเข้าด้านทำความร้อน และกำหนดกลยุทธ์การทำงานของระบบตามอุณหภูมิของน้ำที่เก็บไว้ในส่วนเก็บความร้อนจากพลังงานแสงอาทิตย์และส่วนเก็บความร้อนจากชีวมวล เพื่อให้ได้อุณหภูมิความร้อนที่คงที่ด้านทำความร้อน และประหยัดพลังงานไฟฟ้าและวัสดุพลังงานชีวมวลให้ได้มากที่สุด

การวิจัยและการประยุกต์ใช้นวัตกรรมวัสดุเรือนกระจกใหม่

ด้วยการขยายพื้นที่เรือนกระจก ข้อเสียของการใช้งานวัสดุเรือนกระจกแบบดั้งเดิม เช่น อิฐและดิน จึงปรากฏชัดเจนมากขึ้น ดังนั้น เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพทางความร้อนของเรือนกระจกให้ดียิ่งขึ้นและตอบสนองความต้องการในการพัฒนาเรือนกระจกสมัยใหม่ จึงมีการวิจัยและประยุกต์ใช้วัสดุปิดคลุมโปร่งใส วัสดุฉนวนกันความร้อน และวัสดุผนังแบบใหม่ๆ มากมาย

การวิจัยและการประยุกต์ใช้วัสดุปิดคลุมโปร่งใสชนิดใหม่

วัสดุโปร่งใสที่ใช้คลุมเรือนกระจกส่วนใหญ่ได้แก่ ฟิล์มพลาสติก กระจก แผงโซลาร์เซลล์ และแผงโฟโตโวลตาอิก ซึ่งฟิล์มพลาสติกมีการใช้งานมากที่สุด ฟิล์ม PE สำหรับเรือนกระจกแบบดั้งเดิมมีข้อเสียคืออายุการใช้งานสั้น ย่อยสลายไม่ได้ และมีฟังก์ชันเดียว ปัจจุบันมีการพัฒนาฟิล์มฟังก์ชันใหม่ๆ หลากหลายชนิดโดยการเติมสารเคมีหรือสารเคลือบที่มีคุณสมบัติเฉพาะ

ฟิล์มแปลงแสง:ฟิล์มแปลงแสงจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงของฟิล์มโดยใช้สารแปลงแสง เช่น ธาตุหายากและวัสดุนาโน และสามารถแปลงแสงอัลตราไวโอเลตให้เป็นแสงสีแดงส้มและแสงสีน้ำเงินม่วงที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์แสงของพืช ซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิตพืชและลดความเสียหายจากแสงอัลตราไวโอเลตต่อพืชและฟิล์มเรือนกระจกในเรือนกระจกพลาสติก ตัวอย่างเช่น ฟิล์มเรือนกระจกสีม่วงถึงแดงแบบแถบกว้างที่มีสารแปลงแสง VTR-660 สามารถปรับปรุงการส่งผ่านแสงอินฟราเรดได้อย่างมีนัยสำคัญเมื่อใช้ในเรือนกระจก และเมื่อเปรียบเทียบกับเรือนกระจกควบคุม ผลผลิตมะเขือเทศต่อเฮกตาร์ วิตามินซี และไลโคปีนเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญถึง 25.71%, 11.11% และ 33.04% ตามลำดับ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน อายุการใช้งาน ความสามารถในการย่อยสลาย และต้นทุนของฟิล์มแปลงแสงชนิดใหม่นี้ยังคงต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติม

เศษแก้วกระจัดกระจายกระจกกระจายแสงในเรือนกระจกเป็นเทคโนโลยีพิเศษที่มีลวดลายและสารกันสะท้อนบนพื้นผิวกระจก ซึ่งสามารถเพิ่มแสงแดดให้เป็นแสงกระจายและเข้าสู่เรือนกระจกได้สูงสุด ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงของพืชและเพิ่มผลผลิต กระจกกระจายแสงจะเปลี่ยนแสงที่เข้าสู่เรือนกระจกให้เป็นแสงกระจายผ่านลวดลายพิเศษ และแสงกระจายจะส่องสว่างเข้าไปในเรือนกระจกได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้น ช่วยลดเงาที่เกิดจากโครงสร้างกระจก เมื่อเทียบกับกระจกธรรมดาและกระจกใสพิเศษ มาตรฐานการส่งผ่านแสงของกระจกกระจายแสงอยู่ที่ 91.5% ในขณะที่กระจกธรรมดาอยู่ที่ 88% ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 1% ของการส่งผ่านแสงภายในเรือนกระจกสามารถเพิ่มผลผลิตได้ประมาณ 3% และปริมาณน้ำตาลที่ละลายได้และวิตามินซีในผักและผลไม้ก็เพิ่มขึ้นด้วย กระจกกระจายแสงในเรือนกระจกจะเคลือบผิวแล้วจึงอบชุบ และอัตราการแตกร้าวเองสูงกว่ามาตรฐานแห่งชาติถึง 2‰

การวิจัยและการประยุกต์ใช้วัสดุฉนวนกันความร้อนชนิดใหม่

วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบดั้งเดิมในเรือนกระจกส่วนใหญ่ ได้แก่ เสื่อฟาง กระดาษบุผนัง และแผ่นฉนวนกันความร้อนแบบใยสังเคราะห์ เป็นต้น ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับฉนวนกันความร้อนภายในและภายนอกของหลังคา ฉนวนผนัง และฉนวนกันความร้อนของอุปกรณ์กักเก็บและรวบรวมความร้อนบางชนิด วัสดุเหล่านี้ส่วนใหญ่มีข้อเสียคือประสิทธิภาพการเป็นฉนวนกันความร้อนลดลงเนื่องจากความชื้นภายในหลังจากใช้งานเป็นเวลานาน ดังนั้นจึงมีความต้องการวัสดุฉนวนกันความร้อนประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่มากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งแผ่นฉนวนกันความร้อน อุปกรณ์กักเก็บและรวบรวมความร้อน ซึ่งเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญ

วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบใหม่มักทำขึ้นโดยการแปรรูปและผสมวัสดุที่มีคุณสมบัติกันน้ำและทนต่อการเสื่อมสภาพบนพื้นผิว เช่น ฟิล์มทอและผ้าสักหลาดเคลือบ กับวัสดุฉนวนกันความร้อนที่มีลักษณะฟู เช่น ผ้าฝ้ายเคลือบสี ขนแคชเมียร์ และใยฝ้ายมุก มีการทดสอบผ้าห่มฉนวนกันความร้อนที่ทำจากฟิล์มทอและผ้าฝ้ายเคลือบสีในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของจีน พบว่าการเพิ่มผ้าฝ้ายเคลือบสี 500 กรัม มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนเทียบเท่ากับผ้าห่มฉนวนกันความร้อนที่ทำจากผ้าสักหลาดสีดำ 4500 กรัมในท้องตลาด ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนของผ้าฝ้ายเคลือบสี 700 กรัม ดีขึ้น 1-2℃ เมื่อเทียบกับผ้าห่มฉนวนกันความร้อนที่ทำจากผ้าฝ้ายเคลือบสี 500 กรัม ในขณะเดียวกัน การศึกษาอื่นๆ ก็พบว่า เมื่อเทียบกับผ้าห่มฉนวนกันความร้อนที่ใช้กันทั่วไปในท้องตลาด ผ้าห่มฉนวนกันความร้อนที่ทำจากผ้าฝ้ายเคลือบสีและขนแคชเมียร์มีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนดีกว่า โดยมีอัตราการเป็นฉนวนกันความร้อน 84.0% และ 83.3% ตามลำดับ เมื่ออุณหภูมิภายนอกที่หนาวที่สุดอยู่ที่ -24.4℃ อุณหภูมิภายในสามารถลดลงเหลือ 5.4 และ 4.2℃ ตามลำดับ เมื่อเปรียบเทียบกับผ้าห่มฉนวนฟางแบบชั้นเดียว ผ้าห่มฉนวนคอมโพสิตแบบใหม่นี้มีข้อดีคือ น้ำหนักเบา อัตราการเป็นฉนวนสูง กันน้ำได้ดี และทนทานต่อการเสื่อมสภาพ จึงสามารถใช้เป็นวัสดุฉนวนประสิทธิภาพสูงชนิดใหม่สำหรับเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ได้

ในขณะเดียวกัน จากการวิจัยวัสดุฉนวนกันความร้อนสำหรับอุปกรณ์เก็บและกักเก็บความร้อนในเรือนกระจก พบว่าเมื่อความหนาเท่ากัน วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบหลายชั้นจะมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีกว่าวัสดุชั้นเดียว ทีมของศาสตราจารย์หลี่ เจียนหมิง จากมหาวิทยาลัยเกษตรและป่าไม้ตะวันตกเฉียงเหนือ ได้ออกแบบและคัดเลือกวัสดุฉนวนกันความร้อน 22 ชนิดสำหรับอุปกรณ์กักเก็บน้ำในเรือนกระจก เช่น แผ่นสุญญากาศ แอโรเจล และใยสังเคราะห์ยาง และวัดคุณสมบัติทางความร้อน ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบผสม 80 มม. ที่ประกอบด้วยชั้นเคลือบฉนวนกันความร้อน + แอโรเจล + ใยสังเคราะห์ยาง สามารถลดการสูญเสียความร้อนได้ 0.367 เมกะจูลต่อหน่วยเวลา เมื่อเทียบกับใยสังเคราะห์ยาง 80 มม. และมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน 0.283 วัตต์/(ตร.ม.·เคลวิน) เมื่อความหนาของวัสดุฉนวนผสมอยู่ที่ 100 มม.

วัสดุเปลี่ยนสถานะเป็นหนึ่งในหัวข้อที่ได้รับความสนใจอย่างมากในการวิจัยวัสดุสำหรับเรือนกระจก มหาวิทยาลัย Northwest A&F ได้พัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บวัสดุเปลี่ยนสถานะสองชนิด: ชนิดแรกคือกล่องเก็บของที่ทำจากโพลีเอทิลีนสีดำ ขนาด 50 ซม. × 30 ซม. × 14 ซม. (ยาว × สูง × หนา) บรรจุด้วยวัสดุเปลี่ยนสถานะ เพื่อให้สามารถกักเก็บความร้อนและปล่อยความร้อนได้ ชนิดที่สองคือแผ่นผนังเปลี่ยนสถานะแบบใหม่ แผ่นผนังเปลี่ยนสถานะนี้ประกอบด้วยวัสดุเปลี่ยนสถานะ แผ่นอลูมิเนียม แผ่นอลูมิเนียม-พลาสติก และโลหะผสมอลูมิเนียม โดยวัสดุเปลี่ยนสถานะจะอยู่ตรงกลางของแผ่นผนัง มีขนาด 200 มม. × 200 มม. × 50 มม. วัสดุเปลี่ยนสถานะเป็นผงแข็งทั้งก่อนและหลังการเปลี่ยนสถานะ และไม่มีปรากฏการณ์การหลอมเหลวหรือการไหล ผนังทั้งสี่ด้านของวัสดุเปลี่ยนสถานะเป็นแผ่นอลูมิเนียมและแผ่นอลูมิเนียม-พลาสติกตามลำดับ อุปกรณ์นี้สามารถทำหน้าที่หลักในการกักเก็บความร้อนในเวลากลางวันและปล่อยความร้อนในเวลากลางคืนได้

ดังนั้น การใช้ฉนวนกันความร้อนชนิดเดียวจึงมีปัญหาอยู่หลายประการ เช่น ประสิทธิภาพการเป็นฉนวนกันความร้อนต่ำ การสูญเสียความร้อนมาก ระยะเวลาการเก็บความร้อนสั้น เป็นต้น ด้วยเหตุนี้ การใช้ฉนวนกันความร้อนแบบผสมเป็นชั้นฉนวนกันความร้อน และเป็นชั้นหุ้มฉนวนกันความร้อนทั้งภายในและภายนอกของอุปกรณ์เก็บความร้อน จึงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการเป็นฉนวนกันความร้อนของเรือนกระจก ลดการสูญเสียความร้อนของเรือนกระจก และส่งผลให้ประหยัดพลังงานได้

การวิจัยและการประยุกต์ใช้กำแพงใหม่

ผนังเป็นโครงสร้างปิดชนิดหนึ่ง เป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันความหนาวเย็นและรักษาความร้อนภายในเรือนกระจก โดยพิจารณาจากวัสดุและโครงสร้างของผนัง ผนังด้านเหนือของเรือนกระจกสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท คือ ผนังชั้นเดียวที่ทำจากดิน อิฐ ฯลฯ และผนังหลายชั้นที่ทำจากอิฐดินเหนียว อิฐบล็อก แผ่นโฟม ฯลฯ ซึ่งมีการเก็บความร้อนภายในและฉนวนกันความร้อนภายนอก ผนังเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้เวลาและแรงงานมากในการสร้าง ดังนั้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจึงมีผนังประเภทใหม่ๆ เกิดขึ้นมากมาย ซึ่งสร้างง่ายและเหมาะสำหรับการประกอบอย่างรวดเร็ว

การเกิดขึ้นของผนังสำเร็จรูปชนิดใหม่ส่งเสริมการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเรือนกระจกสำเร็จรูป รวมถึงผนังคอมโพสิตชนิดใหม่ที่มีวัสดุพื้นผิวภายนอกกันน้ำและป้องกันการเสื่อมสภาพ และวัสดุต่างๆ เช่น สักหลาด ใยฝ้ายมุก ใยฝ้ายอวกาศ ใยฝ้ายแก้ว หรือใยฝ้ายรีไซเคิลเป็นชั้นฉนวนกันความร้อน เช่น ผนังสำเร็จรูปยืดหยุ่นที่ทำจากใยฝ้ายพ่นในซินเจียง นอกจากนี้ งานวิจัยอื่นๆ ยังรายงานเกี่ยวกับผนังด้านเหนือของเรือนกระจกสำเร็จรูปที่มีชั้นเก็บความร้อน เช่น บล็อกปูนฉาบเปลือกข้าวสาลีที่บรรจุอิฐในซินเจียง ภายใต้สภาพแวดล้อมภายนอกเดียวกัน เมื่ออุณหภูมิภายนอกต่ำสุดอยู่ที่ -20.8℃ อุณหภูมิในเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีผนังคอมโพสิตปูนฉาบเปลือกข้าวสาลีอยู่ที่ 7.5℃ ในขณะที่อุณหภูมิในเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีผนังอิฐคอนกรีตอยู่ที่ 3.2℃ ทำให้สามารถเก็บเกี่ยวผลมะเขือเทศในเรือนกระจกอิฐได้เร็วขึ้น 16 วัน และผลผลิตต่อเรือนกระจกหนึ่งหลังสามารถเพิ่มขึ้นได้ 18.4%

ทีมงานด้านสิ่งอำนวยความสะดวกของมหาวิทยาลัย Northwest A&F ได้เสนอแนวคิดการออกแบบโดยการนำฟาง ดิน น้ำ หิน และวัสดุเปลี่ยนสถานะ มาทำเป็นโมดูลฉนวนกันความร้อนและเก็บความร้อน โดยคำนึงถึงแสงและการออกแบบผนังที่เรียบง่าย ซึ่งส่งเสริมการวิจัยประยุกต์ใช้ผนังประกอบแบบโมดูลาร์ ตัวอย่างเช่น เมื่อเปรียบเทียบกับเรือนกระจกที่มีผนังก่ออิฐธรรมดา อุณหภูมิเฉลี่ยในเรือนกระจกจะสูงกว่า 4.0℃ ในวันที่แดดจัด โมดูลซีเมนต์เปลี่ยนสถานะอนินทรีย์ 3 ชนิด ซึ่งทำจากวัสดุเปลี่ยนสถานะ (PCM) และซีเมนต์ สามารถสะสมความร้อนได้ 74.5, 88.0 และ 95.1 MJ/m² ตามลำดับ³และปล่อยความร้อนออกมา 59.8, 67.8 และ 84.2 MJ/m³ตามลำดับ พวกมันมีหน้าที่ "ตัดจุดสูงสุด" ในเวลากลางวัน "เติมเต็มจุดต่ำสุด" ในเวลากลางคืน ดูดซับความร้อนในฤดูร้อน และปล่อยความร้อนในฤดูหนาว

ผนังแบบใหม่เหล่านี้ประกอบขึ้นในสถานที่ก่อสร้าง มีระยะเวลาก่อสร้างสั้นและอายุการใช้งานยาวนาน ซึ่งสร้างเงื่อนไขสำหรับการก่อสร้างเรือนกระจกสำเร็จรูปที่มีน้ำหนักเบา เรียบง่าย และประกอบได้อย่างรวดเร็ว และสามารถส่งเสริมการปฏิรูปโครงสร้างของเรือนกระจกได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ผนังประเภทนี้ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ผนังฉนวนกันความร้อนแบบผ้าฝ้ายพ่นมีประสิทธิภาพในการเป็นฉนวนกันความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่ขาดความสามารถในการกักเก็บความร้อน และวัสดุก่อสร้างแบบเปลี่ยนสถานะมีปัญหาเรื่องต้นทุนการใช้งานสูง ในอนาคต ควรมีการวิจัยด้านการประยุกต์ใช้ผนังประกอบให้มากขึ้น

พลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบใหม่ ช่วยให้โครงสร้างเรือนกระจกเปลี่ยนแปลงไป

การวิจัยและนวัตกรรมด้านพลังงานใหม่และวัสดุใหม่เป็นรากฐานสำคัญสำหรับการออกแบบเรือนกระจก เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ประหยัดพลังงานและโรงเรือนแบบโค้งเป็นโครงสร้างโรงเรือนขนาดใหญ่ที่สุดในการผลิตทางการเกษตรของจีน และมีบทบาทสำคัญในการผลิตทางการเกษตร อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาทางเศรษฐกิจและสังคมของจีน ข้อเสียของโครงสร้างทั้งสองประเภทนี้จึงปรากฏให้เห็นมากขึ้นเรื่อยๆ ประการแรก พื้นที่ของโครงสร้างมีจำกัดและระดับการใช้เครื่องจักรต่ำ ประการที่สอง เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ประหยัดพลังงานมีฉนวนกันความร้อนที่ดี แต่การใช้พื้นที่ต่ำ ซึ่งเทียบเท่ากับการทดแทนพลังงานในเรือนกระจกด้วยที่ดิน โรงเรือนแบบโค้งทั่วไปไม่เพียงแต่มีพื้นที่น้อย แต่ยังมีฉนวนกันความร้อนที่ไม่ดี แม้ว่าเรือนกระจกแบบหลายช่วงจะมีพื้นที่มาก แต่ก็มีฉนวนกันความร้อนที่ไม่ดีและใช้พลังงานสูง ดังนั้น การวิจัยและพัฒนาโครงสร้างเรือนกระจกที่เหมาะสมกับระดับเศรษฐกิจและสังคมของจีนในปัจจุบันจึงเป็นสิ่งจำเป็น และการวิจัยและพัฒนาพลังงานใหม่และวัสดุใหม่จะช่วยให้โครงสร้างเรือนกระจกเปลี่ยนแปลงไปและสร้างแบบจำลองหรือโครงสร้างเรือนกระจกที่หลากหลายและสร้างสรรค์

งานวิจัยเชิงนวัตกรรมเกี่ยวกับเรือนกระจกผลิตเบียร์ขนาดใหญ่แบบไม่สมมาตรที่ควบคุมด้วยน้ำ

โรงเรือนหมักเบียร์แบบควบคุมน้ำขนาดใหญ่และไม่สมมาตร (หมายเลขสิทธิบัตร: ZL 201220391214.2) มีพื้นฐานมาจากหลักการของโรงเรือนรับแสงแดด โดยเปลี่ยนโครงสร้างสมมาตรของโรงเรือนพลาสติกทั่วไป เพิ่มความกว้างด้านทิศใต้ เพิ่มพื้นที่รับแสงของหลังคาด้านทิศใต้ ลดความกว้างด้านทิศเหนือ และลดพื้นที่ระบายความร้อน มีความกว้าง 18-24 เมตร และความสูงของสันหลังคา 6-7 เมตร ด้วยนวัตกรรมการออกแบบ ทำให้โครงสร้างเชิงพื้นที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก ในขณะเดียวกัน ปัญหาความร้อนไม่เพียงพอในโรงเรือนในช่วงฤดูหนาว และฉนวนกันความร้อนที่ไม่ดีของวัสดุฉนวนกันความร้อนทั่วไป ได้รับการแก้ไขโดยการใช้เทคโนโลยีใหม่ในการผลิตความร้อนจากชีวมวลและวัสดุฉนวนกันความร้อน ผลการผลิตและการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เรือนกระจกหมักเบียร์ทรงไม่สมมาตรขนาดใหญ่ที่ควบคุมด้วยน้ำ สามารถตอบสนองความต้องการการเจริญเติบโตของพืชในฤดูหนาวได้ โดยมีอุณหภูมิเฉลี่ย 11.7℃ ในวันที่แดดจัด และ 10.8℃ ในวันที่เมฆมาก และต้นทุนการก่อสร้างเรือนกระจกลดลง 39.6% และอัตราการใช้พื้นที่เพิ่มขึ้นมากกว่า 30% เมื่อเทียบกับเรือนกระจกผนังอิฐโพลีสไตรีน ซึ่งเหมาะสมสำหรับการเผยแพร่และการประยุกต์ใช้ในวงกว้างในลุ่มแม่น้ำห้วยเหอของประเทศจีนต่อไป

เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์แบบประกอบสำเร็จ

เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์แบบประกอบใช้เสาและโครงหลังคาเป็นโครงสร้างรับน้ำหนัก และวัสดุผนังส่วนใหญ่เป็นฉนวนกันความร้อน แทนที่จะใช้โครงสร้างรับน้ำหนักและกักเก็บและปล่อยความร้อนแบบพาสซีฟ โดยหลักๆ ได้แก่: (1) ผนังประกอบแบบใหม่ที่สร้างขึ้นโดยการผสมผสานวัสดุต่างๆ เช่น ฟิล์มเคลือบหรือแผ่นเหล็กสี บล็อกฟาง ผ้าห่มฉนวนกันความร้อนแบบยืดหยุ่น บล็อกปูน เป็นต้น (2) แผ่นผนังคอมโพสิตที่ทำจากแผ่นซีเมนต์สำเร็จรูป-แผ่นโพลีสไตรีน-แผ่นซีเมนต์ (3) วัสดุฉนวนกันความร้อนแบบประกอบที่เบาและเรียบง่าย พร้อมระบบกักเก็บและปล่อยความร้อนแบบแอคทีฟและระบบลดความชื้น เช่น ถังเก็บความร้อนพลาสติกทรงสี่เหลี่ยมและท่อเก็บความร้อน การใช้วัสดุฉนวนกันความร้อนและวัสดุเก็บความร้อนแบบใหม่ที่แตกต่างกันแทนผนังดินแบบดั้งเดิมในการสร้างเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์นั้นมีพื้นที่กว้างขวางและงานโยธาขนาดเล็ก ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของเรือนกระจกในเวลากลางคืนในฤดูหนาวสูงกว่าเรือนกระจกผนังก่ออิฐแบบดั้งเดิมถึง 4.5℃ และความหนาของผนังด้านหลังอยู่ที่ 166 มม. เมื่อเปรียบเทียบกับเรือนกระจกผนังก่ออิฐหนา 600 มิลลิเมตร พื้นที่ที่ใช้ของผนังลดลง 72% และต้นทุนต่อตารางเมตรอยู่ที่ 334.5 หยวน ซึ่งต่ำกว่าเรือนกระจกผนังก่ออิฐถึง 157.2 หยวน และต้นทุนการก่อสร้างลดลงอย่างมาก ดังนั้น เรือนกระจกแบบประกอบจึงมีข้อดีคือ การทำลายพื้นที่เพาะปลูกน้อยลง ประหยัดพื้นที่ ก่อสร้างได้รวดเร็ว และมีอายุการใช้งานยาวนาน จึงเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนานวัตกรรมเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ในปัจจุบันและอนาคต

เรือนกระจกแบบเลื่อนรับแสงแดด

เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์ประหยัดพลังงานที่ประกอบขึ้นจากสเก็ตบอร์ด ซึ่งพัฒนาโดยมหาวิทยาลัยเกษตรเสิ่นหยาง ใช้ผนังด้านหลังของเรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อสร้างระบบกักเก็บความร้อนแบบหมุนเวียนน้ำเพื่อกักเก็บความร้อนและเพิ่มอุณหภูมิ โดยส่วนประกอบหลักคือสระน้ำ (32 ตร.ม.)³) แผ่นรวบรวมแสง (360 ม.)²ประกอบด้วยปั๊มน้ำ ท่อน้ำ และตัวควบคุม ฉนวนกันความร้อนแบบยืดหยุ่นถูกแทนที่ด้วยแผ่นเหล็กเคลือบสีที่มีน้ำหนักเบาคล้ายใยหินที่ด้านบน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการออกแบบนี้ช่วยแก้ปัญหาการบังแสงของหลังคาได้อย่างมีประสิทธิภาพ และเพิ่มพื้นที่รับแสงของเรือนกระจก มุมรับแสงของเรือนกระจกอยู่ที่ 41.5° ซึ่งสูงกว่าเรือนกระจกควบคุมเกือบ 16° จึงช่วยปรับปรุงอัตราการรับแสง การกระจายอุณหภูมิภายในสม่ำเสมอ และพืชเจริญเติบโตอย่างเป็นระเบียบ เรือนกระจกนี้มีข้อดีคือช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ที่ดิน ออกแบบขนาดเรือนกระจกได้อย่างยืดหยุ่น และลดระยะเวลาการก่อสร้าง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปกป้องทรัพยากรที่ดินเพื่อการเพาะปลูกและสิ่งแวดล้อม

เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์

เรือนกระจกทางการเกษตรเป็นเรือนกระจกที่ผสานรวมการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ การควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะ และเทคโนโลยีการปลูกพืชที่ทันสมัย ​​โครงสร้างเป็นเหล็กและหุ้มด้วยแผงโซลาร์เซลล์ เพื่อให้แน่ใจว่าแสงสว่างเพียงพอต่อความต้องการของแผงโซลาร์เซลล์และแสงสว่างทั่วทั้งเรือนกระจก กระแสไฟฟ้าตรงที่ผลิตจากพลังงานแสงอาทิตย์จะช่วยเสริมแสงสว่างให้กับเรือนกระจกโดยตรง สนับสนุนการทำงานปกติของอุปกรณ์ในเรือนกระจก ขับเคลื่อนการชลประทาน เพิ่มอุณหภูมิในเรือนกระจก และส่งเสริมการเจริญเติบโตอย่างรวดเร็วของพืช อย่างไรก็ตาม แผงโซลาร์เซลล์จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการส่องสว่างของหลังคาเรือนกระจก และส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพืชผักในเรือนกระจก ดังนั้น การจัดวางแผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาเรือนกระจกอย่างเหมาะสมจึงเป็นจุดสำคัญในการใช้งาน เรือนกระจกทางการเกษตรเป็นผลผลิตจากการผสมผสานอย่างลงตัวระหว่างการท่องเที่ยวเชิงเกษตรและการจัดสวนแบบมีสิ่งอำนวยความสะดวก และเป็นอุตสาหกรรมการเกษตรนวัตกรรมที่ผสานรวมการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ การท่องเที่ยวเชิงเกษตร พืชผลทางการเกษตร เทคโนโลยีการเกษตร ภูมิทัศน์ และการพัฒนาทางวัฒนธรรม

การออกแบบกลุ่มเรือนกระจกที่ล้ำสมัย โดยคำนึงถึงการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างเรือนกระจกประเภทต่างๆ

กัว เหวินจง นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์การเกษตรและป่าไม้ปักกิ่ง ใช้กรรมวิธีถ่ายเทพลังงานความร้อนระหว่างเรือนกระจก โดยรวบรวมพลังงานความร้อนที่เหลืออยู่ในเรือนกระจกหนึ่งหรือหลายเรือนกระจกเพื่อนำไปให้ความร้อนแก่เรือนกระจกอื่นหรือหลายเรือนกระจก วิธีการให้ความร้อนนี้ทำให้เกิดการถ่ายเทพลังงานในเรือนกระจกทั้งในเชิงเวลาและพื้นที่ ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานความร้อนที่เหลืออยู่ในเรือนกระจก และลดการใช้พลังงานความร้อนโดยรวม เรือนกระจกทั้งสองประเภทอาจเป็นเรือนกระจกคนละประเภท หรือเรือนกระจกประเภทเดียวกันสำหรับปลูกพืชต่างชนิดกัน เช่น เรือนกระจกสำหรับผักกาดหอมและมะเขือเทศ วิธีการรวบรวมความร้อนส่วนใหญ่ได้แก่ การดึงความร้อนจากอากาศภายในอาคารและการดักจับรังสีโดยตรง โดยผ่านการรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ การพาความร้อนแบบบังคับโดยใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และการดึงความร้อนแบบบังคับโดยใช้ปั๊มความร้อน ความร้อนส่วนเกินในเรือนกระจกที่มีพลังงานสูงจะถูกดึงออกมาเพื่อใช้ในการให้ความร้อนแก่เรือนกระจก

สรุป

เรือนกระจกพลังงานแสงอาทิตย์แบบใหม่เหล่านี้มีข้อดีคือประกอบได้รวดเร็ว ระยะเวลาก่อสร้างสั้นลง และใช้ประโยชน์จากพื้นที่ได้ดีขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาประสิทธิภาพของเรือนกระจกแบบใหม่เหล่านี้ในพื้นที่ต่างๆ เพิ่มเติม และสร้างความเป็นไปได้ในการเผยแพร่และใช้งานเรือนกระจกแบบใหม่ในวงกว้าง ในขณะเดียวกันก็จำเป็นต้องเสริมสร้างการประยุกต์ใช้พลังงานใหม่และวัสดุใหม่ในเรือนกระจกอย่างต่อเนื่อง เพื่อเป็นแรงผลักดันสำหรับการปฏิรูปโครงสร้างของเรือนกระจก

แนวโน้มและความคิดในอนาคต

เรือนกระจกแบบดั้งเดิมมักมีข้อเสียหลายประการ เช่น การใช้พลังงานสูง อัตราการใช้พื้นที่ต่ำ ใช้เวลานานและสิ้นเปลืองแรงงาน ประสิทธิภาพต่ำ ฯลฯ ซึ่งไม่สามารถตอบสนองความต้องการการผลิตของเกษตรกรรมสมัยใหม่ได้อีกต่อไป และจะต้องค่อยๆ ถูกยกเลิกไป ดังนั้น แนวโน้มการพัฒนาจึงมุ่งเน้นไปที่การใช้แหล่งพลังงานใหม่ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานชีวมวล พลังงานความร้อนใต้พิภพ และพลังงานลม วัสดุใหม่สำหรับการสร้างเรือนกระจก และการออกแบบใหม่ เพื่อส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเรือนกระจก ประการแรก เรือนกระจกใหม่ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานและวัสดุใหม่ ควรไม่เพียงแต่ตอบสนองความต้องการในการทำงานแบบอัตโนมัติเท่านั้น แต่ยังต้องประหยัดพลังงาน พื้นที่ และต้นทุนด้วย ประการที่สอง จำเป็นต้องสำรวจประสิทธิภาพของเรือนกระจกใหม่ในพื้นที่ต่างๆ อย่างต่อเนื่อง เพื่อสร้างเงื่อนไขสำหรับการเผยแพร่เรือนกระจกในวงกว้าง ในอนาคต เราควรค้นคว้าหาแหล่งพลังงานใหม่และวัสดุใหม่ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในเรือนกระจกเพิ่มเติม และหาการผสมผสานที่ดีที่สุดระหว่างพลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และเรือนกระจก เพื่อให้สามารถสร้างเรือนกระจกแบบใหม่ที่มีต้นทุนต่ำ ระยะเวลาก่อสร้างสั้น การใช้พลังงานต่ำ และประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม ซึ่งจะช่วยเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเรือนกระจกและส่งเสริมการพัฒนาสู่ความทันสมัยของเรือนกระจกในประเทศจีน

แม้ว่าการประยุกต์ใช้พลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบใหม่ในการก่อสร้างเรือนกระจกจะเป็นแนวโน้มที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่ก็ยังมีปัญหาอีกมากมายที่ต้องศึกษาและแก้ไข ได้แก่ (1) ต้นทุนการก่อสร้างที่เพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับการให้ความร้อนแบบดั้งเดิมด้วยถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ หรือน้ำมัน การใช้พลังงานใหม่และวัสดุใหม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและปราศจากมลพิษ แต่ต้นทุนการก่อสร้างเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งส่งผลกระทบต่อการคืนทุนของการผลิตและการดำเนินงาน เมื่อเทียบกับการใช้พลังงาน ต้นทุนของวัสดุใหม่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก (2) การใช้พลังงานความร้อนที่ไม่เสถียร ข้อดีที่สำคัญที่สุดของการใช้พลังงานใหม่คือต้นทุนการดำเนินงานต่ำและการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ต่ำ แต่การจัดหาพลังงานและความร้อนไม่เสถียร และวันที่มีเมฆมากกลายเป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญที่สุดในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ ในกระบวนการผลิตความร้อนจากชีวมวลโดยการหมัก การใช้พลังงานนี้อย่างมีประสิทธิภาพถูกจำกัดด้วยปัญหาของพลังงานความร้อนจากการหมักต่ำ การจัดการและการควบคุมที่ยาก และพื้นที่จัดเก็บขนาดใหญ่สำหรับการขนส่งวัตถุดิบ (3) ความพร้อมของเทคโนโลยี เทคโนโลยีเหล่านี้ที่ใช้โดยพลังงานใหม่และวัสดุใหม่เป็นงานวิจัยขั้นสูงและความสำเร็จทางเทคโนโลยี แต่ขอบเขตและการใช้งานยังค่อนข้างจำกัด ยังไม่ผ่านการทดสอบภาคสนามและการตรวจสอบในวงกว้างหลายครั้ง จึงหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่จะมีข้อบกพร่องและเนื้อหาทางเทคนิคบางอย่างที่ต้องปรับปรุงในการใช้งาน ผู้ใช้มักปฏิเสธความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเนื่องจากข้อบกพร่องเล็กน้อย (4) อัตราการแพร่กระจายของเทคโนโลยีต่ำ การนำความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไปใช้ในวงกว้างต้องอาศัยความนิยมในระดับหนึ่ง ปัจจุบัน พลังงานใหม่ เทคโนโลยีใหม่ และเทคโนโลยีการออกแบบเรือนกระจกใหม่ ล้วนอยู่ในทีมวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยที่มีความสามารถในการสร้างนวัตกรรมในระดับหนึ่ง แต่ผู้ต้องการเทคโนโลยีหรือนักออกแบบส่วนใหญ่ยังไม่รู้จัก ในขณะเดียวกัน การเผยแพร่และการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่ยังค่อนข้างจำกัด เนื่องจากอุปกรณ์หลักของเทคโนโลยีใหม่ได้รับการจดสิทธิบัตรแล้ว (5) การบูรณาการพลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบโครงสร้างเรือนกระจกจำเป็นต้องได้รับการเสริมสร้างให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น เนื่องจากพลังงาน วัสดุ และการออกแบบโครงสร้างเรือนกระจกเป็นสามสาขาวิชาที่แตกต่างกัน บุคลากรที่มีประสบการณ์ด้านการออกแบบเรือนกระจกมักขาดการวิจัยเกี่ยวกับพลังงานและวัสดุที่เกี่ยวข้องกับเรือนกระจก และในทางกลับกัน ดังนั้น นักวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยด้านพลังงานและวัสดุจำเป็นต้องเสริมสร้างการสำรวจและทำความเข้าใจความต้องการที่แท้จริงของการพัฒนาอุตสาหกรรมเรือนกระจก และนักออกแบบโครงสร้างควรศึกษาวัสดุใหม่และพลังงานใหม่เพื่อส่งเสริมการบูรณาการอย่างลึกซึ้งของความสัมพันธ์ทั้งสามด้าน เพื่อบรรลุเป้าหมายของการวิจัยเทคโนโลยีเรือนกระจกที่ใช้งานได้จริง ต้นทุนการก่อสร้างต่ำ และประสิทธิภาพการใช้งานที่ดี จากปัญหาข้างต้น จึงขอเสนอแนะว่า รัฐบาลกลาง รัฐบาลท้องถิ่น และศูนย์วิจัยทางวิทยาศาสตร์ควรเร่งการวิจัยทางเทคนิค ดำเนินการวิจัยร่วมกันอย่างลึกซึ้ง เสริมสร้างการเผยแพร่ผลงานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ปรับปรุงการเผยแพร่ผลงาน และเร่งบรรลุเป้าหมายด้านพลังงานใหม่และวัสดุใหม่เพื่อช่วยการพัฒนาใหม่ของอุตสาหกรรมเรือนกระจก

ข้อมูลที่อ้างอิง

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. พลังงานใหม่ วัสดุใหม่ และการออกแบบใหม่ ช่วยให้เกิดการปฏิวัติครั้งใหม่ของเรือนกระจก [J]. ผัก, 2022,(10):1-8.