山東壽光代表性保溫被保溫性能測試分析

劉晨霞 馬承偉 張錫玉

摘要：為了解市場上常用的日光溫室保溫被的保溫性能，收集了山東壽光地區(qū)有代表性的保溫被，對保溫被的厚度、質量、傳熱系數等指標進行測試，并針對保溫被的生產標準化及防水等問題進行了討論。測試結果顯示：山東地區(qū)代表性保溫被的厚度為2.0—3.5 cm，單位面積質量為1.2—4.5 kg/m2，傳熱系數為0. 55-1. 27 W/（m2.℃），所測試的保溫被的保溫性能優(yōu)于草苫;相同厚度情況下，以珍珠棉及珍珠棉與棉氈混合材料作為保溫芯材的保溫被，其保溫性能優(yōu)于與棉氈保溫被，且重量較輕;相同厚度的保溫被，其表觀密度越小時，保溫性能越好;相同材料保溫被的厚度越大，其質量越大，保溫性能越好。目前山東保溫被的保溫性能已較好，但其生產仍未標準化、防水的問題也仍需進一步研究。

關鍵詞：日光溫室;保溫被;保溫性;傳熱系數;測試

中圖分類號：S625.3

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2019） 24-0232-04

1 引言

在我國北方地區(qū)日光溫室種，前屋面熱量損失占整個溫室熱損失的60%以上[1，2]，是溫室熱量損失的主要部分，因此，最大限度地減少前屋面的熱量損失，是室內維持一定夜間氣溫的必要措施。溫室前屋面覆蓋具有一定厚度的保溫材料可以有效地減少前屋面的熱量散失，達到節(jié)能效果。因此，在冬季，我國北方地區(qū)日光溫室前屋面夜間均覆蓋保溫性能良好的保溫材料，以維持溫室內作物的正常生長。

草苫子是一種傳統的日光溫室保溫覆蓋，其傳熱系數小，保溫性能優(yōu)[3-5]，但也存在太笨重，不防水，被雨雪浸濕，使得本身的重量加重、保溫性能不穩(wěn)定等缺點。近年來，隨著土地耕作方面機械化作業(yè)水平不斷提高、秸稈還田力度也不斷加大，可用于保溫覆蓋加工的材料供應越來越少，因此，草苫的成本越來越高。而不斷增長的園藝設施面積，使得對保溫覆蓋材料的需求量不斷增多，因此，保溫性能優(yōu)良、且具有防水功能保溫被的研發(fā)迫在眉睫。自20世紀80年代，一些研究者不斷地嘗試用不同材料開發(fā)保溫被，并制作出多種不同材料組成及不同結構的保溫被[6-12]。與此同時，全國各地保溫被加工廠層出不窮。蔬菜之鄉(xiāng)——山東壽光地區(qū)就成立了幾十家保溫被加工廠，這些保溫被加工廠生產的保溫被，多以再生棉、珍珠棉及噴膠棉等為材料，防水材料多為鍍鋁珍珠棉。但是由于行業(yè)內沒有一定保溫被制作標準，全憑經驗，保溫被的厚度及保溫性等性能也不盡相同。

保溫被的傳熱系數（K）可直接反映保溫被熱量傳遞能力，是評價保溫性能優(yōu)劣的指標，同時也是熱環(huán)境和環(huán)境調控設計中的重要參數口]。其表達式見式（1）。

式（1）中：φ為單位時間通過覆蓋材料的熱流量，W;A為覆蓋材料傳熱面積，m2;△t為覆蓋材料兩側的空氣溫度差，℃。

從理論上考慮，保溫被傳熱系數的確定有兩種方式：①現場測試[13，14];②使用專門的測試設備[15 -17]，在實驗室測試18.19]。但從實際操作上來講，由于現場測試各氣候條件不能達到穩(wěn)定性，因此，現場測試得到的結果不能對材料的性能進行準確評價，而實驗室保溫被傳熱系數測試，可以在較準確控制氣候條件下，傳熱達到穩(wěn)定，測試的并保溫被的傳熱系數才能較準確。

針對山東壽光地區(qū)生產的保溫被保溫性能的研究，本文在壽光市10余家生產廠收集樣品，基本代表了壽光市保溫被生產廠家的加工水平。通過對收集的保溫被的物理性質及指標，分析保溫被的保溫性能，進一步總結規(guī)律，以期為保溫被的開發(fā)提供指導。

2 材料與方法

2.1保溫被材料組成

在山東壽光地區(qū)收集的保溫被樣品共12件，其材料組成如表1+所示。

從表1中12件保溫被的結構組成可以看出，保溫芯材主要為針刺棉氈，珍珠棉、棉氈與珍珠棉組合。針刺棉氈是采用回收的廢舊碎線（布）等材料，處理后，經針刺、粘壓制成的，其成本低，透氣性好，保溫性能好，但該類保溫被不具有防水性;珍珠棉（聚乙烯發(fā)泡棉，又稱EPE珍珠棉）它由低密度聚乙烯脂通過加化學發(fā)泡劑產生獨立氣泡構成，是非交聯閉孑L結構，具有隔水、防潮、保溫等優(yōu)點。由保溫被的組成可知：1號、3號和12號保溫被具有防水性能，其中1號保溫被由于保溫芯材——珍珠棉具有隔水功能，為內防水;3號保溫被和12號保溫被分別因外側覆鍍鋁珍珠棉、淋膜無紡布（無紡布上淋有黑色聚乙烯膜），為外防水性。

2.2 測試方法

2.2.1 厚度測試

目前關于保溫被厚度方面的測量，還未有統一的、標準的方法，由于材料處于不同的條件下，其厚度不同，尤其在保溫被正常使用情況下與不加重平放狀態(tài)下，有較大的不同。因此，對于同一保溫被，其狀態(tài)不同及天氣條件等均影響保溫被厚度的測試結果。因此，本研究借鑒了2010北京市農業(yè)局發(fā)布實施的《DGII/T13 -2010農業(yè)機械推廣鑒定大綱：保溫被》的測試方法，將保溫被放在平板上，并將底平面為150 mm×150 mm、質量為（5±0.1） kg的方箱放置于保溫被上，測量壓實后保溫被的厚度，取4次測試值的平均值作為厚度值。由于該測試方法中，保溫被被施加了較大的壓力，因此，保溫被的厚度具有較穩(wěn)定的測試值，測試結果具有可重復性。需要明確的是，該測試方法測得的保溫被厚度，并非在實際工作環(huán)境中保溫被的實際尺寸。

2.2.2 保溫被質量的測試

由于保溫被具有一定的規(guī)格，為了使其能夠滿足保溫被測試臺測試要求，對其進行一定的剪裁，用（150±0. 01） kg電子稱稱質量，計算其單位面積質量。

2.2.3 傳熱系數的測試

保溫被傳熱系數的測試方法依據《NY/T1831 -2009溫室覆蓋材料保溫性測定方法》農業(yè)行業(yè)標準[14]，采用農業(yè)部設施農業(yè)工程重點實驗室研制的溫室覆蓋材料保溫性能測試臺，進行測試。該測試臺采用靜態(tài)熱箱法原理，測定試件的傳熱系數，并計算傳熱阻與熱節(jié)省率，根據這些熱工參數，可以對所測試件進行保溫性能的評價。測試臺使用等相關說明見參考文獻[17-18]，各保溫被試件測試時下襯國產的0.1 mm PE膜，模擬保溫被使用過程中溫室薄膜覆蓋。

3 結果與分析

本研究對收集山東地區(qū)的12件保溫被采用2.2節(jié)中的測試方法，分別對保溫被試件的厚度、重量、傳熱系數進行測試，其結果見表2。

由表2可知，測試保溫被的厚度一般為2.0×l0_2～3.5×10-z m;保溫被單位面積質量范圍為：1.3～4.5kg/m2;保溫被的傳熱系數范圍為0. 55～1.27 W/（ m2.℃），與草苫的傳熱系數o.70～1.90 W/（ m2.℃）[5，16]相比，保溫被的保溫性能優(yōu)于一般草苫。由此可見，所收集的山東具有代表性的保溫被的保溫性較好。

由于不同地理位置、不同時期，各地區(qū)夜間最低溫度差異較大。在我國冬季北方地區(qū)，由于室外的氣溫較低，溫室前屋面覆蓋保溫被，才能在溫室不加溫的情況下，保證作物不被凍死;當保溫被的保溫性能較好時，也能滿足喜溫蔬菜越冬生產。日光溫室能夠進行喜溫蔬菜的越冬生產，對應不同的夜間最低氣溫，保溫覆蓋的傳熱系數的要求見表3[19]。

表3顯示2號、7號保溫被是12個試件中厚度最大，保溫性能最好的，其傳熱系數約為0. 55 W/（m2.℃），能夠在室外夜間最低溫度為-20℃地區(qū)，滿足喜溫作物的溫室生產;1號、3號、5號、8號、12號保溫被相對于2號、7號保溫被，其保溫性能降低了近1倍，傳熱系數在1.O W/（m2.℃）左右，可用于室外最低溫度為-15℃地區(qū)的溫室喜溫作物生產;4號、6號、9號、10號、11號保溫被的傳熱系數約1.2 W/（m2.℃），其保溫性能是此次收集保溫被中相對較差的，能夠在室外最低溫度為-10℃地區(qū)使喜溫作物在溫室中正常越冬生產。

本研究所收集的12件保溫被中，1號和9號保溫被，3號、4號和11號保溫被，5號和12號保溫被具有相同的厚度，通過其表觀密度和傳熱系數可看出（表2），當厚度相同時，表觀密度越小，保溫被的傳熱系數越小，其保溫性能越好。

1號保溫被和9號保溫被的厚度雖然相同，均為2.O cm（表2），但由于1號保溫被的保溫芯材為4層4 mm珍珠棉，9號保溫被為針刺棉氈（表1），二者單位面積質量相差較大，1號保溫被約為9號保溫被的二分之一，同時1號保溫被的保溫性能比9號保溫被提高近20%，說明在厚度相同的情況下，質量較小的（即蓬松程度較大的）材料制作的保溫被的保溫性能較好。類似情況可以從2號與7號保溫被保溫性能對比結果看出，2號保溫被的保溫芯材為棉氈和4層4 mm厚珍珠棉，7號保溫被的保溫芯材為棉氈，二者的厚度相同，均為3.5 cm，2號保溫被的質量（2. 88 kg/m2）遠小于7號保溫被（4. 41 kg/m2），但二者的傳熱系數相近。

綜合以上分析可得：1）以珍珠棉為芯材的保溫被與相同厚度的棉氈作為芯材的保溫被相比，其單位面積的質量較小，保溫性能較好;2）保溫被用材料用量（單位面積質量）及材料的蓬松程度對保溫被性能的影響：對于同種材料的保溫被，保溫材料的蓬松度一定.單位面積質量越大的保溫被，其保溫性也就越好;當保溫被芯材厚度相同時，由于較蓬松材料含有更多靜止空氣小隔層，因此，蓬松材料的保溫性能一般情況下要優(yōu)于密實度較大的材料。

4 結論及建議

由收集的山東典型保溫被的結構組成可知，目前的保溫被做外防水的較少，保溫芯材主要為發(fā)泡聚乙烯、棉氈。以本文采用厚度、質量、傳熱系數的測試方法下，對收集的保溫被進行測試，并得到以下結論：

（1）山東壽光地區(qū)的保溫被厚度為0.02～0.035m，質量為1.3～4.5 kg/m2;傳熱系數為0. 55～1. 27W/（m2.℃）。與相同厚度的草苫相比，山東地區(qū)的保溫被的保溫性能較優(yōu);

（2）以珍珠棉作為芯材的保溫被與相同厚度的棉氈芯材保溫被相比，其單位面積的質量小，保溫性能好;

（3）厚度相同的保溫被，表觀密度較小時（即蓬松度大），其保溫性能較好;

針對保溫被生產現狀，對保溫被的生產、研究進行以下討論并提出意見：

（1）對于保溫芯材相同的保溫被，其保溫性能隨著厚度的增大而增強，但是保溫被太厚，不僅成本增高，且對于溫室的骨架的安全性也會有影響;如果保溫被的厚度太小，其保溫性能就較差，有可能達不到保溫的預期效果。隨著科技不斷發(fā)展，生產節(jié)奏的加快，溫室生產企業(yè)或農民需要的保溫措施也將更科學。對于保溫被的應用而言，不再是盲目性追隨，而是合理覆蓋一定厚度的保溫被。這就要求保溫被生產企業(yè)能夠給出產品材料、厚度等參數及與其對應的保溫性能。如此，就需要有一定的標準，規(guī)范保溫被厚度、長度等指標的測量，以使參數的測量值具有可重復性，從而使保溫被的生產、研發(fā)及應用更合理化、規(guī)范化;

（2）保溫被在應用過程中，有可能遇到陰雨、雪天，這就需要保溫被要有外防水。而外防水層如果是縫合的方式，雨水有可能透過縫隙進入保溫芯材，這不僅造成保溫被質量的加重，影響溫室的骨架的安全性及卷簾設備的正常運行，而且降低了保溫被的保溫效果，最終有可能影響溫室的正常生產。因此，怎樣解決保溫被使用中的防水問題，仍值得研究探索。

（3）如果保溫被的相關標準不能盡快的出臺，各地區(qū)可由政府部門或科研機構牽頭，建立保溫被生產行業(yè)協會。協會可通過制定一些規(guī)章制度，來規(guī)范保溫被生產、制作及銷售價格，防止惡性競爭。

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收稿日期：2019-10-24

作者簡介：劉晨霞（1983-），女，工程師，博士，研究方向為設施園藝工程研究。