用于温室降温的透明辐射薄膜研究

王晨曦 邓芳芳 邹 豪 杨荣贵 王如竹

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240;2 华中科技大学能源与动力工程学院 武汉 430047)

为提高农业综合生产力、稳定农业产出,以温室大棚为代表的设施农业技术在我国得到了迅速发展[1-2]。然而,高辐照条件下的高温问题是限制温室夏季生产的主要不利因素。对于大多数作物而言,适宜的生长温度范围为20～30 ℃,最高耐受温度为35～40 ℃[3]。夏季温室内部热量积蓄严重,温室的透明密闭结构使热量无法及时流失,内部温度常超出作物耐受范围,导致作物生长中止甚至死亡[4]。为了缓解温室的夏季高温问题,前人发展了遮阳、通风等被动降温措施,以及热泵、湿帘风机等[5]主动降温措施。主动措施降温效果显著,但使用过程中存在大量消耗能源、水源的问题,会增加温室运行成本,因此限制了此类主动降温措施在实际生产中的应用。考虑到太阳辐射是温室系统最主要的能量输入,通过遮阳手段减小进入温室的辐射强度,是最为直接有效的温室被动降温方法之一。传统遮阳措施包括使用氧化钙、碳酸钙等白色颜料喷涂屋面,以及使用可移动遮阳网覆盖屋面。此类传统遮阳措施使用简单,是目前生产中最为常用的降温方法。然而,传统遮阳措施会减少所有波长的太阳辐射入射,其中包括了对作物光合作用十分关键的光合有效辐射(photosynthesis active radiation,PAR, 400～700 nm),在降低温室气温的同时,也会对作物光合速率带来潜在影响。

为解决该传统遮阳措施的矛盾,一些学者研究了光谱选择性透射材料,即在维持PAR正常透射的同时,选择性反射进入温室的近红外辐射(near-infrared radiation,NIR, 700～2 500 nm)。例如,在材料研制方面,A. Kavga等[6-8]分别通过在聚合物基底中添加不同的无机纳米颗粒,制备出了具有NIR波段选择性反射的薄膜材料。C. Stanghellini等[9-10]则重点关注NIR反射薄膜对于温室热湿环境以及作物产量的影响。虽然上述研究针对NIR反射材料进行了大量细致研究,但现有NIR反射材料在中波红外波段(middle-infrared radiation,MIR, 4.5～25 μm)具有较高的反射率,意味着其表面热辐射发射率较低,抑制了覆盖材料通过热辐射对外散热的能力。同时,由于NIR反射材料自身对于太阳辐照的吸收,低热辐射发射使得材料升温明显,并将自身热量通过对流向温室内部传递,进一步削弱了NIR反射材料的降温效果。近年来,天空辐射制冷技术得到了学者的广泛关注[11]。天空辐射制冷即地表物体以自身热辐射的形式将热量通过“大气窗口”传递至外太空,实现物体的被动降温。借助该技术,有望改善现有NIR反射材料的升温问题,获得更有效的温室降温效果。虽然NIR反射材料及辐射制冷材料已被广泛关注,但将两者相结合的降温策略,仍鲜有涉及。

对此,本文研究了一种结合NIR反射层与透明辐射制冷层的温室薄膜。该薄膜为多层结构,其中的NIR反射层反射夏季温室过多的NIR入射辐射,透明辐射层则起到强化天空辐射制冷的作用。基于数值模拟,研究了该薄膜的温室降温效果。此外,进一步讨论了该薄膜与热泵降温措施相结合对温室运行能耗的节约效果。

1 材料结构与表征

1.1 材料的结构设计

为了针对温室应用场景实现对应的辐射调节,使得薄膜具有高PAR透射率、高NIR反射率、高MIR发射率,该薄膜被设计为多层结构,如图1所示。其中,薄膜中间层为红外反射层,选择文献中的金属-介电材料堆叠超材料[12],在介电材料层之间穿插两层厚度仅为数十纳米的金属银,实现对入射太阳辐射中的NIR部分高度反射。上层为透明辐射制冷层,一方面对太阳辐射保持高透射,另一方面在整个大气窗口具有极高的发射能力[13]。为了实现上述光学属性,该辐射制冷层最终筛选确定为聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF),厚度为65 μm。薄膜底层为支撑基底,采用高透明度的柔性聚酯(polyethylene terephthalate,PET),厚度为50 μm。最终,该透明辐射调节薄膜(下文简称:TRC)的总厚度约为115 μm。

图1 TRC薄膜结构

1.2 薄膜光学属性表征

薄膜材料在可见光-近红外波段的光学属性采用紫外/可见光/近红外分光光度计(Lambda 950)测定,测试范围为300～2 500 nm,测试分辨率为5 nm。薄膜在红外波段的光学属性由傅里叶红外光谱仪(Nicolet 6700)测定,结合该仪器配备的镀金漫反射积分球,测定薄膜在2.5～25 μm范围内的半球光学属性,测试分辨率为10 nm。

除TRC膜外,选取目前温室常用的聚烯烃薄膜(polyolefin,PO)作为对照。两者在太阳波段和中红外波段的光学属性如图2所示。由图2可知,常规PO薄膜对太阳光波段的透射率约为90%,虽然可以有效透过作物光合所需的PAR,但其对NIR的高透射率会使得夏季温室温度过高,进而影响作物的正常生长。而TRC薄膜在PAR范围的平均透射率约为66%,在NIR波段的平均反射率约为80%,表现出明显的NIR选择性反射。而在中红外波段,由于TRC表面透明PVDF层的强辐射能力,TRC在整个大气窗口的平均发射率高达94%,显著高于现有的NIR反射材料[14]。

图2 薄膜的光学属性对比

2 温室数学模型及参数设置

为了研究TRC薄膜对于夏季温室的降温效果以及作物生长影响,使用数学模型对温室内部环境及作物生长进行模拟。

2.1 温室环境模型

使用H. F. De Zwart[15]发展的温室动态环境模型KASPRO对温室内部环境进行模拟计算。该模型基于温室内的能量守恒与质量守恒,描述温室内的热质传递过程。出于简化计算的目的,该模型中将温室内部空气视为一个整体,忽略内部空气的不均匀分布,空气的温度变化由进入温室的太阳辐照、温室与外部环境的显热换热、温室内部空气与土壤、作物冠层等内部元素间的显热换热决定。同时,土壤蒸发、作物蒸腾以及覆盖材料表面冷凝等相变过程,会引入额外的潜热热流,影响温室环境。计算模型的具体数学公式可参考文献[15]。

为了探究TRC薄膜对于主动控温温室的节能效果,模拟中假定使用热泵系统对温室进行主动降温,向室内空气提供冷量Qcooling(W)。在温室高温高湿环境下,热湿空气在热泵换热器表面冷凝会消耗部分冷量。固定换热器表面与室内空气温差为10 ℃,降温过程中潜热占比可由经验公式[16]确定为:

Flatent=8.0×10-3φRH-0.36

(1)

式中:Flatent为潜热消耗占总制冷量的比值,%;φRH为室内空气相对湿度,%。

因此,热泵系统向温室空气提供的显热换热量为Qcooling(1-Flatent)。热泵降温系统内的启停基于室内温度控制:当室内温度高于30 ℃时,启动热泵降温;当室内温度降至27 ℃时,关闭热泵。此外,为了降低温室运行能耗,对于覆盖常规薄膜材料的温室,使用可移动外遮阳网削减进入温室的辐射总量,遮阳网的启用判断与热泵一致。参考农业常用中度遮阳措施[17],设定遮阳网在任意波段的透射率均为50%。

2.2 作物生长模型

使用E. J. Van Henten[18]给出的生菜生长模型对不同薄膜覆盖下的作物生长进行模拟。对于生菜,其植株总干重可以分为结构干重及非结构干重,两者随时间的变化速率表示为:

(2)

式中:XNSDW为作物体内的非结构干重,g;XSDW为结构干重,g;fphot为作物冠层的净光合速率,g/s;Cα为糖类物质CH2O与CO2的分子量比值;rgr为作物相对生长速率;fresp为维持呼吸强度,g/s;Cβ为生长过程中合成及呼吸损失系数。式(2)第一行表示作物体内非结构干重的变化速率,等号右侧分别对应光合作用累积、生长消耗、呼吸消耗、生长及呼吸损失;式(2)第二行表示作物体内结构干重的变化速率。式(2)中具体每一项的确定参考文献[18]。该模型可以综合反映光照及温度对作物生长的影响。

2.3 模型参数设置

计算中,使用给定地点典型气象年的气候数据作为输入。模拟对象为大型连栋温室,占地面积为2 500 m2,覆盖材料表面积为2 750 m2,温室总体积为 7 000 m3。模拟中共涉及3种不同的覆盖材料。前两种分别为图2中给出的TRC薄膜与PO薄膜,数据均为实际测量值。第3种材料(下文简称:NR)则用于对比表面透明辐射层对TRC降温效果的影响。由于PVDF薄膜在太阳光谱的可见光及近红外波段吸收十分微弱,其平均太阳光谱吸收率仅为3%[13],呈现出较高的透明度,因此可以假设表层附加的PVDF薄膜,不影响复合薄膜在太阳光波段的光学属性。因此,控制TRC太阳光波段不变,将薄膜的表面发射率设置为5%[13],从而给定作为对照组的NR薄膜光学参数。3种薄膜的光学属性如表1所示。

表1 三种薄膜的关键光学参数

3 模拟结果与分析

3.1 算例验证

为了验证温室环境模型的可靠性,使用实际温室内测量得到的温度数据与模拟结果进行对比。实验数据来自于上海市浦东新区孙桥溢佳农业生产基地一栋GP-825型温室,覆盖材料为PO薄膜,测量期间温室保持密闭,内部未种植作物。图3对比了该温室内部测量得到的温度数据与数值计算结果。由图3可知,除初始阶段,模拟值与测量值吻合良好。为了量化评价模型的精度,采用文献[19]提供的计算公式,计算模拟值和实测值之间的均方根误差(root mean square error, RMSE)、决定系数(R2)、平均相对误差(mean relative error, MRE)。经计算,图3中模拟值与实测值的RMSE为1.77 ℃,R2为0.96,MRE为3.34%,表明计算模型能够较好地预测温室内的温度变化情况。

图3 算例验证

3.2 密闭被动温室内的降温效果

以上海地区7月份的气象数据作为输入,对比3种薄膜覆盖下温室内的温度变化。该月份内,上海平均气温可达29.3 ℃,闷热潮湿,辐照充足。模拟过程中,温室始终保持密闭,温室未引入其他降温措施。图4所示为7月8—11日三天内的温室气温及薄膜温度变化。可以看到,PO温室由于太阳辐射透射率高,内部气温最高,日间温度峰值可达57.9 ℃。而NR与TRC薄膜覆盖下,由于薄膜对太阳光谱中的NIR辐射反射高达56.7%,显著削减了进入温室的辐射总量,因此温室气温明显低于PO温室,两者温度峰值分别为51.2 ℃ 及46.5 ℃。由此可知,TRC薄膜通过其透明辐射表层,可以实现比NR膜更好的降温效果,NIR选择反射层与透明辐射层的降温贡献分别为6.8 ℃与4.6 ℃。

图4 不同覆盖材料下的温室温度对比

导致TRC与NR降温效果差异的原因,正是NR较低的表面辐射换热能力,弱化了NR薄膜与天空的辐射换热,从而使NR薄膜自身温度较高,抑制室内空气通过薄膜向外界环境的散热,如图4(b)所示。通过引入表面辐射制冷层,可将NR薄膜的峰值温度由49.2 ℃降至42.4 ℃,降温幅度达6.8 ℃。图5进一步对比了不同覆盖材料下室内空气的热流平衡情况。由图5可知,NR和TRC薄膜均能够显著削减进入温室的太阳辐射热流,减小温室得热。但进一步对比NR和TRC覆盖下温室与覆盖材料的换热热流可知,得益于TRC薄膜更低的温度,室内空气能够通过与TRC的对流换热,散失更多的热量,从而带来更显著的降温效果,正如图4中观察到的温度变化趋势。

图5 不同覆盖材料下的室内空气热流平衡情况

3.3 主动降温温室的节能效果

进一步讨论3种不同薄膜对于主动降温温室的降温能耗影响。温室的降温措施在第2.1节中给出,热泵系统提供的单位温室面积制冷功率为200 W。模拟过程中,温室始终保持密闭,除湿需求由热泵系统换热器表面的冷凝过程满足,室内CO2质量浓度维持在1.08 mg/L,室内种植生菜。同样针对上海7月份的气候条件进行模拟。

图6(a)对比了3种覆盖材料下,温室当月的制冷能耗。可以看到,折合至单位温室面积,PO覆盖温室当月累积耗电量为12.8 kW·h/m2,而NR覆盖温室和TRC覆盖温室的耗电量分别为11.7 kW·h/m2和9.4 kW·h/m2。由此可知,NR的NIR反射属性可使温室夏季降温能耗降低1.1 kW·h/m2,而引入透明辐射制冷层,可使制冷能耗进一步降低2.3 kW·h/m2。可以认为,TRC的红外反射层与透明辐射层分别贡献了8.5%和18.4%的节能效果。因此,本文提出的辐射强化策略,可以显著提高现有NIR反射材料的节能效果。

图6 不同覆盖材料下主动降温温室的运行情况

为了分析不同措施对于作物生长的影响,图6(b)对比了温室内作物干物质累积曲线。可以看到,虽然TRC始终会导致一定的PAR损失,但TRC覆盖下的作物累积产量仍比PO温室高50.1%。这是由于在夏季强辐照条件下,PO温室日间气温迅速上升至设定点,随后遮阳网打开。而综合温室降温需求以及作物光合需求,遮阳网的透射率选择为50%,因此打开遮阳网后,PO温室内的PAR辐照量反而低于TRC温室。此外,由于TRC有效减缓了温室的升温速率,因此温室内部环境更适于作物生长,高温对于光合作用的影响时间更短。上述两个因素的共同作用,使得TRC覆盖下的温室增产显著。

3.4 不同气候条件下的应用效果

为了进一步研究TRC薄膜在不同气候条件下的节能效果,选取了4个不同城市(北京、上海、福州、广州)进行研究,分别计算4个城市全年的控温能耗。对于冬季,当温室气温低于15 ℃时,启用热泵进行主动加温,为单位温室面积提供加热功率100 W,直至气温回升至18 ℃。冬季夜间使用反射率为90%的缀铝保温帘,减小温室的辐射热损。计算中仅对比了PO与TRC两种薄膜。同时,为了简化计算,不考虑作物的动态生长,而是考察中等植株大小条件下的温室运行情况[18],因此将作物叶面积指数固定为3。

图7对比了上述4个地点在不同季节的温室控温能耗,不同地点TRC的影响差异显著。仅考虑温室5—9月间的运行数据,TRC薄膜可使温室制冷能耗分别降低12.3、9.6、16.6、15.1 kW·h/m2,低纬度地区的夏季节能效果优于高纬度地区,节能效果显著。对于福州以及广州而言,全年气候温和,光照充足,因此使用TRC薄膜可以在夏季获得可观的节能效果,同时仅略有增加冬季的供热能耗,从而使得福州地区温室的全年能耗由74.1 kW·h/m2降至59.2 kW·h/m2,广州地区的全年能耗由56.3 kW·h/m2降至40.0 kW·h/m2。对于上海这类冬冷夏热地区,TRC薄膜的夏季降温节能效果与冬季负面效果相抵消,因此全年能耗基本不变。而对于北京而言,全年耗电量受冬季供热需求的影响更为显著,因此全年使用TRC薄膜导致冬季供热能耗上升显著,进而使TRC温室的全年能耗增长至129.6 kW·h/m2,而PO温室全年能耗为115.9 kW·h/m2。因此,虽然TRC薄膜可以使北京地区夏季降温能耗减小,但冬季的过度降温使全年能耗反而增加了11.8%。

图7 不同地区温室能耗对比

综上所述,TRC薄膜可显著降低温室夏季的降温能耗。但由于TRC薄膜不具备自行调节辐射属性的能力,其在冬季的过度冷却会反向增加温室的供热能耗。因此,当TRC薄膜应用于气候炎热、辐照充足地区时,可以全年使用以获得持续的节能降温效果。而当其应用于夏季炎热、冬季寒冷地区时,需综合考虑冬季采暖损失以及对作物生长的影响,结合薄膜的替换措施,从而获得预期的节能收益。

4 结论

本文针对夏季温室的降温需求,提出了一种同时具备高PAR透射率、高NIR反射率以及高MIR发射率的薄膜材料,并通过模型分析了该薄膜的降温、节能效果,得到如下结论:

1) 通过在NIR反射材料表面复合透明辐射层,可增强材料的天空辐射制冷能力。TRC薄膜在PAR波段透射率为65.9%,NIR波段透射率为20.9%,MIR波段透射率为88.1%。

2) 对于上海地区密闭温室,采用PO薄膜的温室温度峰值为57.9 ℃,TRC薄膜可使温度峰值降至46.5 ℃,NIR选择反射层与透明辐射层的降温贡献分别为6.8 ℃与4.6 ℃。

3) 对于上海地区主动降温温室,应用TRC薄膜可将夏季单月制冷能耗由12.8 kW·h/m2降至9.4 kW·h/m2,节能率达26.9%。同时,与配置可移动外遮阳网的PO温室相比,作物产量提升50.1%。

4) RC薄膜可显著降低温室夏季的降温能耗,但会增加冬季供热能耗。因此在实际使用中,需针对不同气候地区及使用季节,合理设计对应的使用策略。

本文受上海市科技兴农项目(2019-02-08-00-08-F01124)资助。(The projected was supported by Shanghai Agriculture Applied Technology Development Program, China (No. 2019-02-08-00-08- F01124).)