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

為提高農業綜合生產力、穩定農業產出,以溫室大棚為代表的設施農業技術在我國得到了迅速發展[1-2]。然而,高輻照條件下的高溫問題是限制溫室夏季生產的主要不利因素。對于大多數作物而言,適宜的生長溫度范圍為20～30 ℃,最高耐受溫度為35～40 ℃[3]。夏季溫室內部熱量積蓄嚴重,溫室的透明密閉結構使熱量無法及時流失,內部溫度常超出作物耐受范圍,導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,前人發展了遮陽、通風等被動降溫措施,以及熱泵、濕簾風機等[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中的應用?？紤]到太陽輻射是溫室系統最主要的能量輸入,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覆蓋屋面。此類傳統遮陽措施使用簡單,是目前生產中最為常用的降溫方法。然而,傳統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。

為解決該傳統遮陽措施的矛盾,一些學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]則重點關注NIR反射薄膜對于溫室熱濕環境以及作物產量的影響。雖然上述研究針對NIR反射材料進行了大量細致研究,但現有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,低熱輻射發射使得材料升溫明顯,并將自身熱量通過對流向溫室內部傳遞,進一步削弱了NIR反射材料的降溫效果。近年來,天空輻射制冷技術得到了學者的廣泛關注[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,實現物體的被動降溫。借助該技術,有望改善現有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注,但將兩者相結合的降溫策略,仍鮮有涉及。

對此,本文研究了一種結合NIR反射層與透明輻射制冷層的溫室薄膜。該薄膜為多層結構,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?；跀抵的M,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合對溫室運行能耗的節約效果。

1 材料結構與表征

1.1 材料的結構設計

為了針對溫室應用場景實現對應的輻射調節,使得薄膜具有高PAR透射率、高NIR反射率、高MIR發射率,該薄膜被設計為多層結構,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十納米的金屬銀,實現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射能力[13]。為了實現上述光學屬性,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,該透明輻射調節薄膜(下文簡稱:TRC)的總厚度約為115 μm。

圖1 TRC薄膜結構

1.2 薄膜光學屬性表征

薄膜材料在可見光-近紅外波段的光學屬性采用紫外/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屬性由傅里葉紅外光譜儀(Nicolet 6700)測定,結合該儀器配備的鍍金漫反射積分球,測定薄膜在2.5～25 μm范圍內的半球光學屬性,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屬性如圖2所示。由圖2可知,常規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射率高達94%,顯著高于現有的NIR反射材料[14]。

圖2 薄膜的光學屬性對比

2 溫室數學模型及參數設置

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,使用數學模型對溫室內部環境及作物生長進行模擬。

2.1 溫室環境模型

使用H. F. De Zwart[15]發展的溫室動態環境模型KASPRO對溫室內部環境進行模擬計算。該模型基于溫室內的能量守恒與質量守恒,描述溫室內的熱質傳遞過程。出于簡化計算的目的,該模型中將溫室內部空氣視為一個整體,忽略內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、溫室與外部環境的顯熱換熱、溫室內部空氣與土壤、作物冠層等內部元素間的顯熱換熱決定。同時,土壤蒸發、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,影響溫室環境。計算模型的具體數學公式可參考文獻[15]。

為了探究TRC薄膜對于主動控溫溫室的節能效果,模擬中假定使用熱泵系統對溫室進行主動降溫,向室內空氣提供冷量Qcooling(W)。在溫室高溫高濕環境下,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空氣溫差為10 ℃,降溫過程中潛熱占比可由經驗公式[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為室內空氣相對濕度,%。

因此,熱泵系統向溫室空氣提供的顯熱換熱量為Qcooling(1-Flatent)。熱泵降溫系統內的啟?；谑覂葴囟瓤刂?當室內溫度高于30 ℃時,啟動熱泵降溫;當室內溫度降至27 ℃時,關閉熱泵。此外,為了降低溫室運行能耗,對于覆蓋常規薄膜材料的溫室,使用可移動外遮陽網削減進入溫室的輻射總量,遮陽網的啟用判斷與熱泵一致。參考農業常用中度遮陽措施[17],設定遮陽網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構干重及非結構干重,兩者隨時間的變化速率表示為:

(2)

式中:XNSDW為作物體內的非結構干重,g;XSDW為結構干重,g;fphot為作物冠層的凈光合速率,g/s;Cα為糖類物質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。式(2)第一行表示作物體內非結構干重的變化速率,等號右側分別對應光合作用累積、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結構干重的變化速率。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 模型參數設置

計算中,使用給定地點典型氣象年的氣候數據作為輸入。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,數據均為實際測量值。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],呈現出較高的透明度,因此可以假設表層附加的PVDF薄膜,不影響復合薄膜在太陽光波段的光學屬性。因此,控制TRC太陽光波段不變,將薄膜的表面發射率設置為5%[13],從而給定作為對照組的NR薄膜光學參數。3種薄膜的光學屬性如表1所示。

表1 三種薄膜的關鍵光學參數

3 模擬結果與分析

3.1 算例驗證

為了驗證溫室環境模型的可靠性,使用實際溫室內測量得到的溫度數據與模擬結果進行對比。實驗數據來自于上海市浦東新區孫橋溢佳農業生產基地一棟GP-825型溫室,覆蓋材料為PO薄膜,測量期間溫室保持密閉,內部未種植作物。圖3對比了該溫室內部測量得到的溫度數據與數值計算結果。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(R2)、平均相對誤差(mean relative error, MRE)。經計算,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測溫室內的溫度變化情況。

圖3 算例驗證

3.2 密閉被動溫室內的降溫效果

以上海地區7月份的氣象數據作為輸入,對比3種薄膜覆蓋下溫室內的溫度變化。該月份內,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日三天內的溫室氣溫及薄膜溫度變化?？梢钥吹?PO溫室由于太陽輻射透射率高,內部氣溫最高,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,抑制室內空氣通過薄膜向外界環境的散熱,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空氣熱流平衡情況

3.3 主動降溫溫室的節能效果

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節中給出,熱泵系統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換熱器表面的冷凝過程滿足,室內CO2質量濃度維持在1.08 mg/L,室內種植生菜。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,溫室當月的制冷能耗?？梢钥吹?折合至單位溫室面積,PO覆蓋溫室當月累積耗電量為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?？梢哉J為,TRC的紅外反射層與透明輻射層分別貢獻了8.5%和18.4%的節能效果。因此,本文提出的輻射強化策略,可以顯著提高現有NIR反射材料的節能效果。

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)對比了溫室內作物干物質累積曲線?？梢钥吹?雖然TRC始終會導致一定的PAR損失,但TRC覆蓋下的作物累積產量仍比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定點,隨后遮陽網打開。而綜合溫室降溫需求以及作物光合需求,遮陽網的透射率選擇為50%,因此打開遮陽網后,PO溫室內的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,因此溫室內部環境更適于作物生長,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覆蓋下的溫室增產顯著。

3.4 不同氣候條件下的應用效果

為了進一步研究TRC薄膜在不同氣候條件下的節能效果,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固定為3。

圖7對比了上述4個地點在不同季節的溫室控溫能耗,不同地點TRC的影響差異顯著。僅考慮溫室5—9月間的運行數據,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,低緯度地區的夏季節能效果優于高緯度地區,節能效果顯著。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,從而使得福州地區溫室的全年能耗由74.1 kW·h/m2降至59.2 kW·h/m2,廣州地區的全年能耗由56.3 kW·h/m2降至40.0 kW·h/m2。對于上海這類冬冷夏熱地區,TRC薄膜的夏季降溫節能效果與冬季負面效果相抵消,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薄膜不具備自行調節輻射屬性的能力,其在冬季的過度冷卻會反向增加溫室的供熱能耗。因此,當TRC薄膜應用于氣候炎熱、輻照充足地區時,可以全年使用以獲得持續的節能降溫效果。而當其應用于夏季炎熱、冬季寒冷地區時,需綜合考慮冬季采暖損失以及對作物生長的影響,結合薄膜的替換措施,從而獲得預期的節能收益。

4 結論

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發射率的薄膜材料,并通過模型分析了該薄膜的降溫、節能效果,得到如下結論:

1) 通過在NIR反射材料表面復合透明輻射層,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) 對于上海地區主動降溫溫室,應用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,節能率達26.9%。同時,與配置可移動外遮陽網的PO溫室相比,作物產量提升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及使用季節,合理設計對應的使用策略。

本文受上海市科技興農項目(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).)