[日光温室保温被的发展现状分析与进展] 日光温室保温被

　　日光温室保温被行业具有巨大的市场潜力，但发展水平明显滞后于现代农业。通过对西北、东北地区一系列的调研，本文总结了日光温室保温被材料的开发现状、行业内产品评价指标和行业标准等，分析了日光温室保温被的发展趋势，认为可以利用建筑保温原理设计芯材。同时行业内必须制定合理的测试方法和标准，明确产品等级和使用寿命，规范市场，引导用户选用。
　　Heat insulating covering for greenhouse has a big market margin, but is lag behind the modern agriculture. Through several investigations in northwest and northeast of China, the development status, product evaluating indicator and industry standard were summed up. The development tendency of heat insulating covering for greenhouse was also analyzed in detail. Furthermore, the author pointed that it was essential to frame some reasonable test methods and standards to support the industry’s healthy development.
　　
　　1我国日光温室产业背景
　　
　　我国的节能型日光温室是以日光为主要能量来源的温室，一般由透光前坡、外保温帘（被）、后屋面、后墙、山墙和操作间组成。基本朝向为坐北朝南、东西向延伸。日光温室的保温材料由保温围护结构和活动保温材料两部分组成，适合于冬季寒冷、但光照充足的地区反季节种植蔬菜、花卉和瓜果时使用。它是我国独有的农业设施，具有鲜明的中国特色，其特点是充分利用太阳光能、保温好、土地利用率高、投资少、节约能源甚至不浪费不可再生能源，国外如以色列、日本、俄罗斯等国还专门组织相关领域的研究人员到我国进行调研。目前，这种结构简单、无需加热、投资低的节能型日光温室已成为国际上温室产业发展的方向，同时其应用领域也由传统的花卉、果蔬等温室产业向畜牧业、渔业等行业延伸。
　　随着设施农业技术的日臻成熟，我国的日光温室面积也从1981年的 0.004 7 万公顷迅速发展到了2009年的 100 万公顷，占世界温室总面积的 43%。我国的日光温室数量持续增加，其规模远超国外任何一个国家，是名副其实的温室产业大国。随着农业等下游产业的迅速发展，活动保温材料即保温帘（被）需求量激增，市场潜力非常巨大。
　　
　　2日光温室保温被材料开发的现状
　　
　　前坡面的保温材料（一般都是保温被或草帘子）日出后收起，日落时放下，是日光温室夜间保温、节能的重要设施。大部分日光温室（塑料大棚）即使在正常天气下，所能进行的环境调控手段也仅限于通风和避风。日光温室在遇到寒流或连阴（雪）天，光照不足而失去热源和光源时，室内的光照和温、湿度都会出现不适合植物生长的逆境，轻则减产，重则绝收，造成不同程度的经济损失。因此，在这种情况下，保温设施显得尤为重要。
　　在走访了我国西北和东北大部分地区后发现，现阶段，大多数农户还都以草帘子作为主要保暖体。近 20 年来，不断有科研人员研究各种保温被，继而出现了针刺棉（俗称毛毡）、发泡塑料、皮革等为保温体的保温被。目前，我国有100 多家生产保温被的企业，注册品牌约 20 个，但研制出来的保温被总是难以形成真正意义上的产业化而进行大量推广。
　　在对保温被使用季节、使用环境，草帘子使用过程中存在的问题以及目前市场上使用的保温被情况进行调查分析后发现以下两方面的问题。
　　（1）草帘子使用大量蒲草和稻草编织而成，由于这两种材料膨松且传热系数较低，因此保温效果较好，缺点是寿命较短，基本上使用 1 ～ 2 年后需要部分更新，遇到雨雪霜冻天气时保温效果下降明显且保温被收卷难。另外，近 3 年来草帘子的价格上涨了近 2 倍，且市场供应量未增长，满足不了温室产业发展的需求。
　　（2）蒲草帘子的制作需要大量蒲草。按照每栋大棚宽约 50 ～ 60 m、斜向长约 10 m计算，这些地区所需温室保温材料超过 25 亿m2。但蒲草是北方地区的重要植被，过度砍伐会导致地方环境急剧恶化。目前内蒙古、宁夏等地区已开始制定限制砍伐的措施，因此每年草帘子、蒲草帘子的产量无法满足日光温室对保温材料的需求量。但不论草帘子还是蒲草帘子，其克重都在 2 kg/m2以上，被雨雪浸湿后其重量将大幅增加，人工无法顺利卷曲，且用卷帘机械会使设备磨损，效率大大降低，不仅影响日光温室白天采光的时间，而且超重的草帘子覆盖在大棚上会对棚体造成超负载，甚至会压塌大棚。据了解，2009年12月左右山东寿光地区的积雪量达 40 cm时，在 4 万个大棚中有近 4 000 座被压塌，直接经济损失达 1.6 亿元。因此，研发重量轻、保温效果更好的温室保温被，以取代传统草帘子，是我国日光温室发展的必然需求。
　　毛毡是采用废弃纺织废料加工成厚实针刺布，把针刺布层层叠加后用绗缝机缝合而成的。材料又厚又重，保温效果不稳定。这种保温被盖在大棚上类似人们睡觉时盖上一层棉被，能够达到保暖的效果，但是由于户外使用时情况复杂，经常遭遇雨雪或霜冻天气，保温被会吸潮结冰，其保暖性就会大大降低，目前以针刺棉为保暖体的不防水保温被，整个冬季下来其棚温比使用草帘子的要低 2 ～ 3 ℃。且其吸湿后重量大幅增加，人工无法顺利卷曲，一旦结冰卷帘机也无法卷起，影响温室大棚的采光时间。
　　发泡塑料保温被和海绵类保温被都是采用化工塑料产品，传热系数低，空气不流通，保温性良好，重量轻。但是使用过程中若遇大风，大面积的轻质材料会被风吹走；而且保温被每日需要卷曲，这类材料弹性较差，反复卷曲后会压扁断裂或拉断，这样保温效果将大大降低。另外像发泡塑料、海绵以及皮革等产品价格较高，使用寿命短，经济效益差。
　　以北京怀柔县2009年12月 ― 2010年3月气候为例，平均气温约 －9 ℃，测量了不同保暖体的棚内温度差异，对比不同保暖体的保温性，以及使用过程中出现的问题，结果如表 1 所示。
　　
　　由表 1 可以看出，在使用过程中现有的保温被在保温效果上不如草帘子，且价格高昂，不能适应市场需求。另一个是保温被的环境适应性。保温被使用的环境是北方地区，纬度高，冬季雨雪天气多、气温低、风沙大，夏季日光辐照强，紫外线强度大。草帘子和毛毡不防水，气温低时，保温性能就会下降；发泡塑料等产品容易在风沙天气被吹走；皮革类材料经过雨雪浸泡和日光照射后会断裂脱落。各种产品总是存在以下 3 种缺陷中的某几条。
　　（1）采用了一些相对先进的保温材料，如保温塑料、金属膜等，但因这些材料成本太高，农民承受不起，且使用效果也并不理想。
　　（2）为了增加保暖性，一些保温被的设计只是不断简单地考虑用厚实的材料来增加保温体的厚度，如多层的针刺布叠加，而没有采用膨松的保温材料来取代这些厚实的纺织废料作为主要保暖体，这不仅违背了保温原理，同时也使制作出来的保温被太重，不但成本增加，且使用过程中极不方便，总体保温效果也不如草帘子。
　　（3）大量保温被的表面是不防水的，有些虽采用了表层有防水功能的纺织材料，但在寒冬和高海拔的自然条件下使用时表层防水涂层易被破坏。冬季最低温度 －40 ～－10 ℃和夏季高强度太阳光辐照使得防水面料不能防水，迅速老化，寿命缩短，根本不可能像推广说明书上说的那样能使用 5 年，甚至 8 年。由于表层不防水，寒冬时就易结冰，保温效果差，且结冰后保温被不能及时被收起，影响温室的日照时间。
　　总之，现阶段保温被不能被大量推广使用的主要原因除了价格因素外，最重要的还是市场上没有一种保温被在整个冬季的保暖性能好于草帘子。
　　
　　3行业内产品评价指标和行业标准
　　
　　保温是保温被的主要功能，大多数企业提出将保温性能作为保温被的主要评价指标。在保温性的指标和测量方法选定上，最初是引用国家标准中纺织材料的保暖性测试方法测试，选择传热系数克罗值评价产品性能。但是由于纺织材料的保暖性能测试适用于薄型面料，且受测试环境影响，因此测量存在较大的系统误差，使得测试结果没有可比性。也有专家提出参照保温建筑材料及建筑热工设计中使用的传热系数来评价。目前行业内还未有一个统一的产品评价指标，行业标准也呈空白状态。而且在产品界定上存在一定的模糊度，在目前执行的农产品和农业设施目录中还未有日光温室保温被的名录。在整个日光温室产业中，覆盖保温材料虽市场巨大，却处于行业发展中的起步阶段，滞后于现行的农业现代化发展战略。
　　
　　4日光温室保温被的发展趋势
　　
　　4.1选择导热系数低的物质和传热系数低的结构
　　导热系数λ就是物体中温度降 1 K（或 1 ℃）时，单位时间内通过单位面积的导热量，其单位为W/（m・K）或W/（m・℃）。传热系数K是指在两侧单位空气温差的情况下，在单位时间内通过单位面积的传热量。它是反映传热过程强弱的指标，其单位为W/（m2・K）。
　　导热系数和传热系数是保温建筑材料及建筑热工设计中常用的几个性能指标之二，它们对温室的保温性能以及整体热稳定性影响很大。保温被作为日光温室建筑中一种类似的围护结构，在选择保温材料时应注意这两个系数对保温被保温性能的影响。导热系数的数值表达了物质导热能力的大小。工程计算所采用的各种物质的导热系数一般都是由实验测定，一些常见物质的导热系数如表 2 所示。
　　
　　从表 2 可以看出，静止空气、聚酯纤维、聚苯乙烯泡沫等都是理想的保温被选用材料。导热系数一般与材料的密度、温度、湿度及热流方向有关。
　　保温被作为一个整体在极寒环境中使用，需要有一个稳定的结构以保证材料传热性能的稳定发挥。传热系数K是评价产品结构热性能的常见指标，它的数值变化范围很大，与保温被两侧气流体的性质、流动情况，保温被材料、面积及形状等诸多因素有关。以下是几项重要的影响因素。
　　（1）容重
　　大多数建筑材料的导热系数都随着密度的增加而增大，这是因为材料的导热系数是由骨架与气孔中空气的导热系数共同决定的。一般情况下，静止空气的导热系数是最小的。保温层中含有的静止空气越多，保温层的导热系数也就越小。良好的绝热材料还应具有细小均匀的孔隙。而对于膨松状的保温层而言，由于其密度变化幅度较大，导热系数随着密度的减小而降低，当密度小到一定程度时导热系数变化趋缓。因此，对用松散状纤维制作的保温被来说存在着一个最佳的密度值。在保温被的生产与研发过程中，必须采用膨松体制作保温被的保温层，同时需研究测试获得最佳的密度值，以达到最好的保温性。
　　（2）温度
　　在一定的温度范围内，导热系数可以被认为是温度的线性函数。一般来讲，材料随着温度的升高，其分子的热运动增加，孔隙中空气的导热和孔壁的辐射热也增强，从而使导热系数增加。然而，对于晶体结构材料来说，情况则正好相反，导热系数随着温度的升高而降低。因此，只有孔隙率大的材料，其导热系数才会随温度的升高而增大。保温被实际在寒地气候下使用，而纺织材料的保暖性测试在标准温湿度下采用静态热箱测试，测试环境与实际使用环境无可比性，因此测量出的传热系数也无效。故需在研究过程中探索低温状态下材料的导热系数随温度降低的变化规律。
　　（3）湿度
　　材料的湿度是说明材料中含游离水分多少的一个指标，是影响导热系数的又一重要因素。当材料孔隙中的部分空气被水分所代替时，由于水的导热系数（0.58 W/（m・K））比空气大 20 倍，同时水分的存在增加了材料分子间的接触间隙，所以随着材料湿度的增加，其导热系数显著增大。特别是在潮湿低温（冰点以下）状态下，其导热系数会增加更大，因为冰的导热系数达 2.33 W/（m・K），比水的导热系数要大 3 倍。因此，保温被在户外使用过程中必须要防止雨雪、霜冻、大雾天气中水对材料导热系数的负面影响，制作时其表层必须有一定的防水性，以减少水分子进入保温层。
　　（4）热流方向
　　导热系数只有在各向异性材料中，即各个方向构造不同的材料中，才受到热流方向的影响。如木材，当热流垂直木纹时，导热系数就减小；当热流平行木纹时导热系数就增大。松木与云杉木垂直木纹方向的导热系数为 0.174 W/（m・K），平行木纹方向的导热系数为 0.349 W/（m・K），二者相差两倍，这是由于材料不同方向上孔隙不同的缘故。保温被的保温材料不能方向均匀，应尽量设计成各向异性材料的混合，以减小导热系数。
　　综上所述，保温被必须选择导热系数小、各向异性的材料混合，采用膨松、防水、隔气且容重稳定的结构制作。
　　4.2制定合理的评价指标和行业标准
　　传热系数作为保暖性评价指标，测量环境必须为低温，必要时引入环境模拟进行雨雪交替变化监测。
　　产品规格应根据传热系数大小设立极寒地区使用、寒地使用等级别。由于我国地域广阔，东北地区、西北地区的气候差异较大，日光辐照强度、雨雪量、全年最低温度等也差异较大，因此有必要根据气候差异将产品分类，以便当地政府引导当地温室农业选择合适的产品。
　　尤其要注意产品的使用寿命，它是评价产品经济性的重要指标。市场上保温被多数由化纤材料制成，即使深埋地下百年也不会腐烂，而市场中多数产品界定的 8 ～ 10 年使用寿命与实际使用效果并不对等。故以材料的破损、脆化、腐烂等外观现象作为衡量保温被使用寿命的方法是极不科学的。产品必须以保温性能作为衡量标准，判定其使用寿命。若保温被的保温性低于草帘子，就认为产品已损坏；如还要继续使用，则必须通过一些辅助措施来延长其使用寿命，如在保温被上再加膜或在棚内加加暖装置。使用寿命的室内评价可以增加紫外光模拟日光老化试验、耐酸碱浸泡试验。测试方法和评价等级必须与分地区实际使用效果 相似。
　　
　　5结语
　　
　　日光温室保温被行业具有巨大的市场潜力，但发展水平明显滞后于现代农业。通过一系列的调研和分析后认为可以利用建筑保温原理设计保温被的芯材。良好保温性的前提是其材料必须是导热系数小、各向异性物质的混合，兼顾膨松且容重稳定、防水、隔气的结构。同时，必须制定合理的测试方法和标准，明确产品等级和使用寿命，规范市场，引导用户选用。
　　相信今后我国保温被的发展趋势必定是以纺织材料为基本材料，同时具有防水、抗老化、防风防沙、易装配等功能，符合保温性能好、使用寿命长、性价比高等要求，以适应未来农业发展的要求。