为满足严寒地区对于食物原材料的需求量, 且顺应生态发展, 在严寒地区推广使用生态大棚必不可少, 大棚农膜保温效果成为影响作物产量的关键因数。

劳动集约度指标可以评价农业发展状况, 劳动力集约度的下降, 一方面体现了农户收入最大化在市场经济条件下的个体追求[1], 另一方面体现了农业机械等的投入对于劳动的有效替代。东北地区耕地利用投入要素集约度较低, 农膜集约度波动上升, 东三省2012年农膜使用量约为57kg/hm2[2]。农膜在土壤保墒使农作物增产25%~30%, 但随着覆膜技术的推广, 地膜污染也愈来愈严重[3]。提高农膜使用寿命同样是一种行之有效的减少环境污染的方式。

生态大棚温室作物在不同的生长发育阶段对环境温度的需求不同, 适宜其生长的温度条件可保证其良好生长发育、授粉等过程, 保证其产量[4]。另外, 农膜透光率通过对自然光线的阻挡, 对于作物光合作用产生影响, 从而影响作物生长发育[5]。目前, 严寒地区农村蔬菜大棚的保温主要采取围护结构保温、下挖大棚栽培床、增加临时加温设备等设计[6]。

农业大棚保温膜层为多层膜结构复合填充塑料膜, 可降低农膜传热效率, 大大提高其保温性能, 使其保温性能远远高于普通单层或者多层直接接触型膜材料。保温膜材料性能增强能够使大棚内温度更容易达到作物生长温度, 这也使得农民能够从大棚能量采集方面, 减少化石能源的燃烧来为大棚内环境提供热源, 减少一次能源的消耗和使用, 减少有害气体及二氧化碳的排放, 达到保护环境的目的。

表1中列举了我国常见的5种大棚用农膜。目前, 我国用于农业生产的薄膜主要有3种:PVC棚膜 (聚氯乙烯棚膜) 、PE棚膜 (聚乙烯棚膜) 和EVA胶膜 (EVA:Ethylene乙烯Vinyl乙烯基Acetate醋酸盐) 。PVF膜与聚碳酸酯材料成本较高, 因此在农业生产中使用量相对较少, 本产品中使用条件主要针对于严寒地区生态大棚使用设计, 考虑到其经济造价成本, 在材料选择中排除PVF与聚碳酸酯材料的选用。

PVC棚膜拥有其保温性强、透光性好、膜材料质地柔软、易造型等优点, 但其缺点是残膜不可降解和燃烧处理, 使用后不易回收, 这样对生态环境将会带来较大的影响, 重要的是, 该种膜材料耐候性差, 在低温环境下容易变硬脆化, 严寒地区冬季气温低、时间漫长, 针对该地区百富策略白菜网产品对于耐候性要求较高, 为确保满足产品质量与产品在严寒地区的适用性, 不推荐使用此类膜材料。PE棚膜其优点是质地轻、透光性好、无毒, 缺点是耐候性及保温性差, 不易粘接, 适用于作为植物育苗土地覆膜, 此类材料对于要求良好的耐候性与保温性的严寒地区亦不适用。同时, 废弃的PVC与PE材料棚膜也是白色污染, 可对土壤和地下水造成的严重破坏, 不适宜推广使用[7]。

EVA膜材料适用于严寒地区, 是严寒地区新型生态大棚棚膜的首选材料。该种膜具有弱极性, 可与多种保温剂、流滴剂、防雾剂、耐候剂混合吹制薄膜, 其膜材料间相容性好, 包容性强, 可满足新型生态大棚气囊膜生产需求。EVA胶膜不适用于高温炎热的夏天百富策略白菜网, 但EVA具有特别优异的耐低温性、保温性、耐候性及透光性[8], 参考其特点, 此类膜材料正好满足在严寒地区的百富策略白菜网的需求。因此, 严寒地区以EVA材料做为新型气囊膜原材料为最佳选择。

为提高棚膜保温效果, 设计出多种气囊膜, 如矩形气囊膜、圆柱型气囊膜、菱形气囊膜等。以矩形气囊为例, 该气囊膜中可充入气体从而改变其传热系数, 达到保温的目的。图1至图4为不同形状不同膜层数气囊膜结构示意图, 气囊为柱状, 柱顶端设有充气口, 供使用者根据需求向其中充入不同惰性气体或干燥空气, 以控制膜层厚度, 柱状气囊长度可根据需求设计出不同长度的类型。气囊膜覆盖于生态大棚骨架上后, 向其充入气体改变气囊膜层厚度, 达到使用需求。使用完毕后, 打开柱顶端充气口进行放气, 放气完毕可进行回收拆卸及储存备用。

对于不同形状及不同膜层数气囊膜, 可根据使用者对于生态大棚气囊膜保温性能限度的不同需求及经济水平等参考因素进行选择, 从而达到农业生产者的需求, 保证良好的农业生产效果。

气囊结构的优点主要有以下4点:

(1) 气囊结构便于通过充气孔向膜中充入气体, 改变气囊膜厚度, 从而改变气囊膜的传热系数, 进而改变气囊膜的保温性能, 做到对生态大棚中的温度进行调节, 使之达到农业生产需求最适宜的条件, 使农作物高产。

(2) 气囊膜通过保持气囊形状, 很好的利用了空气的热导率低的特点, 在保持气囊膜层厚度与气囊内部形状的同时, 防止气囊中空气产生热对流从而减小导热热阻, 使之具有良好的保温效果。

(3) 与原始单层农膜相比, 通过增大空气在新型膜材料中对于传热系数的影响, 从而弱化了单层膜大棚外冷风与膜以及棚内空气与膜对流换热的影响, 使保温性能大大增加。

(4) 在达到相同保温性能前提下, 气囊结构大大减少膜材料的使用量, 即减少了资源的消耗从而保护了环境。

EVA胶膜由乙烯、乙烯基和醋酸盐三层材料粘合而成, 根据考察, 严寒地区多采用厚度为12s即0.12mm的棚膜材料, 可求得12s厚度的EVA膜材料导热热阻:

式中:REVA—EVA膜材料导热热阻[ (m2·K) /W];

δδEδδ、δδEVARR==EE、++VVVEVA++AAA—分别为聚乙烯、聚乙烯基, 聚醋酸EEVVAA盐三λδλ层EEEλVVλAAAE膜λ材δVV料λ的δ==E++V++AA厚度 (m) ;

RREEVVAAλEE、λVV、λAA—分别为聚乙烯、聚乙烯基, 聚醋酸盐三层δ膜E材料δV的导δA热系δ数[δW/ (mδ=+·K) ]。R=+R+EVR+AδEδVδ=++A

EVA将λδδAE=E0λEE.4δVδ8WEλV/VVV (δAmδ·λKE) , λV=0Eλ.V8AA5Wλ/ (Em·λKV) , λA=0.1RR=++AAA4W/ (m·EEVEKVAVAA=++) , λλEEE=λλVVV=λλAAA=0.04mm代入, 求得EVA膜材料导热热阻REVA为4.16×10-4 (m2·K) /W, 导热系数为0.29W/ (m·K) 。

膜传热设定为第三类边界条件, 假设传热过程为单向流传热, 可知膜层传热系数, 分析不同数量结构层膜层, 以膜层中气囊厚度为1cm为例, 计算膜层导热热阻:

式中:RM1—=2R膜EV层A+导λ热热阻[ (m2·K) /W];a

δ+aa—膜层厚度δ (m) ;+

EVA RλMa a—2=3R空EV气A+热2导λ率[W/ (m·K) ]。δa

δRR-41=2R+aMEVAM将3Ra2=EVA=+42.δλλ16×10 (m2R·K) /W, a=a=aM1=2REVA+0.01m, 0.024W/ (m·K) 代入, 可求得单层腔λ室a膜层的导δRa Mδ2=3REVA+2热热阻为0.417 (m2·K) /W, 双RaλM层2=腔3R室EV膜A+层2的导热热阻a为0.835 (m2λ·K) /W, 分别约为单层EVA膜a材料导热热阻的1000倍与2000倍。导热热阻可作为评估材料保温性能的指标, 导热热阻越大, 说明膜层越不容易与外界发生热交换, 膜层保温性能越好。同时, 根据计算结果可以明显看出, 气囊膜很好地利用了空气热导率低的优势, 使其对膜层保温性能达到良好的促进作用。

由计算可以看出, 气囊膜的传热系数主要由膜腔中空气层厚度决定, 空气层越厚, 导热热阻越大, 其保温性能越好。在生产过程中, 控制好空气层厚度即可很好的控制导热热阻, 即控制保温性能, 使之达到作物生长需求。

考虑材料性能及材料价格, 根据需求可选取最适膜层材料。各材料规格及价格信息如表2所示。由表2中价格对比显示可知, EVA、PE、PVC价格均较为便宜, 且价格差值较小, 可优先考虑作为大棚膜层材料。根据上文气囊膜材料的选择中对于材料优缺点分析, 综合材料特性与材料价格两方面考虑, EVA材料耐候性较好, 且价格相对便宜, 可作为严寒地区生态大棚膜首选材料。

以EVA膜作为生态大棚膜为例, 计算矩形气囊膜用量。以半径为2.5m、长度为20m的生态大棚近似简化计算, 忽略内外层膜的截面程度微小差值, 内外层膜间腔室分隔膜材料取长度0.5倍, 将内外层膜截面长度近似等于生态大棚半周长, 求得所需EVA材料面积:

式中:S=—1 (+材.1料5n) 面×积πr (⋅lm2) ;

r—大棚膜截面半径 (m) ;

l—生态大棚长度 (m) ;

n—膜层腔室层数量。

将r=2.5m, l=20m, n分别等于1、2代入计算, 可求得单层腔室所需材料面积约为392.67m2, 膜材料总价为587.34元;双层腔室所需材料面积约为549.78m2, 膜材料总成本为1099.56元, 适合在严寒地区普遍推广。

膜层层数越厚, 其保温性能越好, 但其造价越高。单层EVA棚膜其透光性可达95%~98%, 增加膜层层数必定需要增加膜数量, 但其透光率高, 在此对膜层透光率影响较小, 故在此可忽略膜层对透光率的影响。

以膜层材料价格与导热热阻为参数, 分析膜层性价比:

ηRηR式中:—=M性价比;=MC

C—价格。

可得不同气囊腔室数量膜层性价比与材料成本及保温性能的关系如表3所示。由表3可知双层腔室性价比更高。此外, 批量生产加工成本费并不高, 投资成本较小, 而因其保温性能可以从为大棚内提供热量的化石能源中节省出相应的成本。

(1) 严寒地区生态大棚棚膜材料选用EVA材料较为合适, 其材料耐候性、保温性、流滴效果好, 且价格便宜。在付出相同经济代价与相同环境情况下, 使用该种棚膜, 可使作物更增产。同时, 棚膜耐久度高可减少白色污染, 即减少对于生态环境的破坏。

(2) 文中创新性提出矩形多种形状气囊膜, 可提高膜层导热热阻, 提升保温效果, 在严寒地区冬季气温较低的情况下, 提高大棚内温度, 减少大棚内利用化石能源加热对于资源的消耗以及污染物的排放。对资源节约型与环境友好型社会的建设与经济的发展均有一定的良好作用与意义。