一種新疆常用保溫被的性能測試與分析

姜魯艷+張彩虹+吐爾遜娜依·熱依木江+馬艷+于秀針+馬彩雯

【摘要】針對新疆市場上現有保溫被在日光溫室生產中保溫效果欠佳的實際問題，本文試驗選用標準化日光溫室安裝的一種保溫被，材料由外到內為土工膜膠氈+毛氈+土工膜膠氈，重量2.1 kg/m2。按照保溫被使用年限對選取保溫被進行保溫性能測試，采用溫室覆蓋材料保溫性能測試臺進行保溫被整體傳熱系數測試；對保溫被整體、內表層及外表層材料進行了導熱系數測試；為了研究保溫被的動態性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，進行拉伸效果比對；評價保溫被在新疆地區使用過程中存在的問題，為適于新疆不同生態區保溫被的選型與改進提供理論依據。

距今，新疆設施農業經歷了20多年的發展，截至2015年底全疆設施農業面積達到91萬畝（6 萬hm2），相關設施裝備也有較快的發展。對于日光溫室，在其外圍護表面中，前屋面是主要的散熱面，其傳熱系數最大，散失的熱量約占溫室熱量總損失的70%～80%[1]。因此，在冬季日光溫室整體保溫性能中，前屋面覆蓋材料的保溫能力對溫室的保溫性能有著很大的影響。國外，Garzoli、Blackwell建立了溫室單層、雙層塑料薄膜覆蓋在夜間的熱量損失模型[2-3]，Nijiskens等建立了考慮半透明覆蓋材料對于遠紅外輻射透過特性的溫室覆蓋材料傳熱模型[4]。國內，凌堅、李樹海等分別建立了溫室多層覆蓋的傳熱模型[5-6]。近年來，已經研究開發了各種類型的保溫被，并得到大量的生產和應用[7-11]。對于已有的保溫被產品，其保溫性能可在保溫被使用中的溫室現場直接測定[12-14]，或在實驗室中進行測定[12，15-17]。新疆地區用于保溫被的材料也是各種各樣，鮮少有一個較為規范的標準。有些保溫被覆蓋材料在初始性能測試時表現很差，達不到保溫效果；有些保溫被初始性能較好，但在使用過程中，在天氣、外力等作用下，保溫被保溫性能快速下降，使得溫室更新保溫被的頻率過快，造成大量經濟損失。由于這種種因素，制約著日光溫室保溫性能的發揮。所以，針對現有生產中遇到的實際問題，本試驗選用在新疆標準化日光溫室上安裝，應用面積較大的一種保溫被，針對這種保溫被的使用年限進行跟蹤測試，根據NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性能測定方法》的規定，采用溫室覆蓋材料保溫性能測試臺[18-20]對保溫被的傳熱系數進行測試；對保溫被整體材料、外表層材料及內表層材料分別進行了單獨導熱系數測試；為了研究保溫被的動態性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，進行拉伸效果比對；評價保溫被在新疆地區使用過程中存在的問題，為適于新疆不同生態區保溫被的選型與改進提供理論依據。

試驗材料與方法

試驗材料

◎ 試驗保溫覆蓋材料

試驗所選用的保溫覆蓋材料由外到內為土工膜膠氈+毛氈+土工膜膠氈，重量2.1 kg/m2（圖1）。

◎ 試驗溫室

測試溫室地點為西山農牧場項目示范區，距離烏魯木齊市18 km，地處北緯43°31'30"，屬中溫帶干旱氣候區，日照充足、氣候干燥、風沙大，每年8級以上大風日數在28天以上。

測試的標準化節能日光溫室（圖2）由新疆農業科學院農業機械化研究所設計建造，針對烏魯木齊縣的氣候特點設計。配備JLL-1.5型電動卷簾機、5LDRF-2型燃煤熱風爐以及采用齒輪齒條式開窗等溫室專用設備。

測試溫室結構的骨架為圓拱形拉花焊接式骨架結構，采用無立柱輕型后屋面結構，測試溫室內種植品種為番茄。該溫室的基本參數如表1。

試驗方法

針對已選擇的保溫被，從2013年新被的初始狀態開始，在標準化日光溫室使用過程中第1年（2014年）和第2年（2015年）后，各截取同一個溫室使用中1 m2的保溫被進行跟蹤測試。

試驗結果與分析

室內外溫度分析

數據采集儀器為JZH-P06-12無線多路溫度傳感器，間隔10 min對室內外溫度采集1次數據，本次分析采用2015年冬至日當天及以后的兩個整天數據，經過整理分析結果如圖3。

測試結果表明：2015年12月22日～12月24日的標準化節能日光溫室內，假設日光溫室內使用的熱風爐出風口溫度恒定，三天溫度平均值在0：00時室外溫度為-12.03℃室內溫度為11.5℃；在6：00時室外溫度為-11.89℃室內溫度為9.26℃，在14：00時室外溫度為-7.61℃室內溫度為24.06℃；在22：00時室外溫度為-10.79℃室內溫度為13.03℃，室內外溫差均在20℃以上，說明使用中的保溫被可以起到一定的保溫效果。

保溫被試驗臺

試驗選用在標準化日光溫室上安裝，且在新疆大面積應用的一種保溫被，進行保溫被整體傳熱性能測試，測試方法按照NY/T 1831-2009《溫室覆蓋材料保溫性測定方法》的規定進行。傳熱系數是反映這一復合過程中傳熱性能的綜合性指標，它綜合反映了覆蓋材料自身物理特性以及與周圍環境的相互作用，直接表示熱量傳遞能力的大小。測試分析如表2。

測試結果表明：初始狀態下的傳熱系數值最小，根據使用年限傳熱系數逐年上升，初始性能的熱節省率為82.74%，使用1年后下降變化較小，使用2年后下降至78.20%，使用1年后比初始狀態下多消耗熱能0.09%，使用2年后比使用1年后多消耗熱能4.45%。保溫性能減弱。

保溫被導熱系數測試

按照保溫被使用年限對選取保溫被進行測試，對保溫被整體材料、表層材料及里層材料分別進行了單獨導熱系數測試，測試結果如表3。

對保溫被各層材料性能進行單獨測試，表明里層材料的導熱系數變化較小，整體保溫被導熱性能由初始的0.094 W/（m·K）到使用2年后的0.144 W/（m·K），保溫導熱性能下降較明顯，但并不影響對其動態性能的分析。

保溫被拉伸性能測試

保溫被的使用環境要求保溫被的外層材料要具備較強的抗拉性能，在風速快，風力強的冬季夜晚，保護保溫被不被撕裂。為了研究保溫被的動態性能變化，模擬保溫被多次卷放過后的拉伸性能，實驗對測試樣被卷放200、400、600次之后的拉伸強度，并進行數據分析。

測試結果：整體保溫被在多次卷放后，斷裂強力變化較小，僅減少10.7 N，變化最為明顯的是斷裂

生長率，由初始的237.72%下降至106.05%，原因在于保溫被在使用過程中，由于保溫被縫合處進水導致里層性能變化及太陽輻射等原因，原本的柔性材料變脆變硬，在外力作用下容易撕裂。日光溫室保溫被的使用壽命與保溫被的整體傳熱性能，抗拉伸性能有關。

討論

① 新疆地區用于標準化日光溫室的保溫被的保溫性能與保溫被自身縫合方式及連接方式有關。由于雨雪從縫合處或粘貼處進入保溫被里層，使得里層浸濕、腐爛，從而導致保溫被失去保溫效果，要提高保溫被的保溫效果，要提高保溫被的縫合或粘貼處的密封設計。② 里層材料要保持較為穩定的蓬松度，且保溫傳熱性能較好，這與抗拉伸性能有關。保溫體強度與里層材料密不可分，但在使用過程中，由于卷放次數的增多，內層材料失去蓬松性變薄或分散開。所以保溫體設計：在一定厚度和重量情況下，蓬松且使用過程中變形少，能最大限度富含靜止空氣的材料較為適用。③ 銷售保溫被的生產廠家，要根據已發布的新疆地方標準《日光溫室保溫被質量評價》的要求，規范保溫被的寬度、厚度和單位面積質量等生產標準，如有需要可建立行業協會，防止低價惡性競爭，并在保溫被產品上標明各種參數，如傳熱系數、抗拉性能等。

參考文獻

[1] 陳端生，鄭海山，劉步洲.日光溫室氣象環境綜合研究（一）——

墻體、覆蓋物熱效應研究初報[J].農業工程學報，1990，6（2）：

77-81.

[2] Garzoli K V，Blackwell J.An analysis of the nocturnal

heat loss from a single skin plastic greenhouse[J].

Journal of Agricultural Engineering Research 1981，

26（3）： 203-204.

[3] Garzoli K V， Blackwell J. An analysis of the nocturnal heat

loss from a double skin plastic greenhouse[J].Journal of

Agricultural Engineering Research 1987， 36（2）： 75-85.

[4] Nijskens J，Deltour J，Coutisse S，et al.Heat transfer

through covering materials of greenhouse[J].Agricultural

and Forest Meteorology， 1984， 33（2/3）： 193-214.

[5] 凌堅，馬承偉，林聰，等.溫室綴鋁膜保溫幕節能性能的實驗

研究初報[J].農業工程學報，2002，18（1）：89-92.

[6] 李樹海，馬承偉，張俊芳，等.多層覆蓋連棟溫室熱環境模型構

建[J]. 農業工程學報，2004，20（3）：217-221.

[7] 徐剛毅，董天峰.日光溫室保溫被發展近況[J].蔬菜，1998（5）：14.

[8] 張放軍，陳海珍.日光溫室保溫被的發展現狀分析與進展[J].

紡織導報，2011（1）：73-76.

[9] 劉瓔瑛，丁為民，張劍鋒.日光溫室保溫簾揭蓋時間的確定[J].

農業工程學報，2004，20（04）：230-233.

[10] 鐘巖，羅新蘭，李炳海，等.沈陽地區日光溫室揭蓋時間的模

擬[J].江蘇農業科學，2009（3）：403-405.

[11] 佟國紅，Christopher D M.，李天來，等.日光溫室保溫被卷

放位置對溫度環境的影響[J].農業工程學報，2010，26（10）：

253-258.

[12] 陳端生，邱建軍，王剛，等.幾種日光溫室外保溫覆蓋材料的

保溫性能[J]. 農業工程學報，1996，12（增刊）：108-115.

[13] 周長吉，周新群，桂金光.幾種日光溫室復合保溫被保溫性能

分析[J].農業工程學報，1999，15（2）：168-171.

[14] 柴立龍，馬承偉，王明磊，等.日光溫室外覆蓋復合材料保溫

性能的實驗研究[C].中國農業工程學會學術年會論文集.2007.

[15] 周新群.蜂窩結構材料保溫性能及其應用研究[D].北京：中

國農業大學，1998.

[16] 覃密道.覆蓋材料傳熱系數測試技術和設備的研究[D].北京：

中國農業大學，2004.

[17] 張俊芳.溫室覆蓋層傳熱及傳熱系數的理論解析與驗證[D].

北京：中國農業大學，2005.

[18] Geoola F， Kashti Y， Levi A， et al. A study of the overall

heat transfer coefficient of greenhouse cladding

materials with thermal screen using the hot box

method[J]. Polymer Testing， 2009， 28（5）： 470-474.

[19] 張俊芳，馬承偉，覃密道，等.溫室覆蓋材料傳熱系數測試臺

的研究開發[J].農業工程學報，2005，21（11）：141-145.

項目支持：新疆維吾爾自治區科技計劃（201130104），

新疆設施農業技術裝備重點實驗室（xjnkkl-2013-002）。

作者簡介：姜魯艷（1982-），女，山東人，助理研究員，研究方向：設施農業工程。

通信作者：馬彩雯（1965-），女，天津人，研究員，研究方向：設施農業。