Li Jianming, Sun Guotao, etc.Tecnologia de engenharia agrícola hortícola em estufa21/11/2022 17:42 Publicado em Pequim

Nos últimos anos, a indústria de estufas tem se desenvolvido vigorosamente. O desenvolvimento de estufas não só melhora a taxa de utilização da terra e a taxa de produção de produtos agrícolas, como também resolve o problema de abastecimento de frutas e verduras fora de época. No entanto, as estufas também enfrentam desafios sem precedentes. As instalações, os métodos de aquecimento e as formas estruturais originais apresentam resistência ao meio ambiente e ao desenvolvimento. Novos materiais e novos projetos são urgentemente necessários para mudar a estrutura das estufas, e novas fontes de energia são urgentemente necessárias para atingir os objetivos de conservação de energia e proteção ambiental, e aumentar a produção e a renda.

Este artigo aborda o tema “novas energias, novos materiais e novos designs para impulsionar a nova revolução das estufas”, incluindo a pesquisa e inovação em energia solar, energia de biomassa, energia geotérmica e outras novas fontes de energia em estufas, a pesquisa e aplicação de novos materiais para cobertura, isolamento térmico, paredes e outros equipamentos, bem como as perspectivas e reflexões futuras sobre o uso de novas energias, novos materiais e novos designs para auxiliar a reforma das estufas, de modo a fornecer subsídios para o setor.

O desenvolvimento da agricultura em estufas é uma exigência política e uma escolha inevitável para implementar o espírito das importantes diretrizes e das decisões do governo central. Em 2020, a área total de agricultura protegida na China atingirá 2,8 milhões de hectares, e o valor da produção ultrapassará 1 trilhão de yuans. Uma maneira importante de melhorar a capacidade de produção em estufas é aprimorar a iluminação e o isolamento térmico por meio de novas energias, novos materiais e novos projetos. A produção tradicional em estufas apresenta muitas desvantagens, como o uso de carvão, óleo combustível e outras fontes de energia para aquecimento, resultando em grande quantidade de dióxido de carbono, que polui seriamente o meio ambiente. Além disso, o uso de gás natural, energia elétrica e outras fontes de energia aumenta o custo operacional das estufas. Os materiais tradicionais para armazenamento de calor nas paredes das estufas são, em sua maioria, barro e tijolos, que consomem muitos recursos e causam sérios danos à terra. A eficiência do uso da terra em estufas solares tradicionais com paredes de terra é de apenas 40% a 50%, e as estufas comuns têm baixa capacidade de armazenamento de calor, o que as impede de sobreviver ao inverno e produzir vegetais que precisam de aquecimento no norte da China. Portanto, o cerne da promoção da mudança em estufas, ou pesquisa básica, reside no projeto de estufas, na pesquisa e desenvolvimento de novos materiais e novas fontes de energia. Este artigo se concentrará na pesquisa e inovação de novas fontes de energia em estufas, resumindo o estado da arte da pesquisa de novas fontes de energia, como energia solar, energia de biomassa, energia geotérmica, energia eólica e novos materiais de cobertura transparentes, materiais de isolamento térmico e materiais de parede em estufas, analisando a aplicação de novas energias e novos materiais na construção de novas estufas e projetando seu papel no desenvolvimento e transformação futuros das estufas.

Pesquisa e Inovação de Novas Estufas Energéticas

As novas energias verdes com maior potencial de utilização na agricultura incluem a energia solar, a energia geotérmica e a energia da biomassa, ou seja, a utilização abrangente de diversas fontes de energia renováveis, de forma a alcançar o uso eficiente da energia, aprendendo com os pontos fortes de cada uma.

energia solar/energia

A tecnologia de energia solar é um modo de fornecimento de energia de baixo carbono, eficiente e sustentável, sendo um componente importante das indústrias estratégicas emergentes da China. Ela se tornará uma escolha inevitável para a transformação e modernização da matriz energética chinesa no futuro. Do ponto de vista da utilização de energia, a própria estufa é uma estrutura que permite o aproveitamento da energia solar. Através do efeito estufa, a energia solar é captada no interior da estufa, elevando sua temperatura e fornecendo o calor necessário para o crescimento das plantas. A principal fonte de energia para a fotossíntese das plantas cultivadas em estufa é a luz solar direta, o que representa o aproveitamento direto da energia solar.

01 Geração de energia fotovoltaica para gerar calor

A geração de energia fotovoltaica é uma tecnologia que converte diretamente a energia luminosa em energia elétrica com base no efeito fotovoltaico. O elemento-chave dessa tecnologia é a célula solar. Quando a energia solar incide sobre um conjunto de painéis solares em série ou em paralelo, os componentes semicondutores convertem diretamente a energia da radiação solar em energia elétrica. A tecnologia fotovoltaica pode converter diretamente a energia luminosa em energia elétrica, armazenar eletricidade em baterias e aquecer estufas à noite, mas seu alto custo restringe seu desenvolvimento. O grupo de pesquisa desenvolveu um dispositivo de aquecimento fotovoltaico com grafeno, composto por painéis fotovoltaicos flexíveis, um controlador de inversão de polaridade integrado, uma bateria e uma haste de aquecimento de grafeno. De acordo com o comprimento da linha de plantio, a haste de aquecimento de grafeno é enterrada sob o substrato. Durante o dia, os painéis fotovoltaicos absorvem a radiação solar para gerar eletricidade e armazená-la na bateria. À noite, a eletricidade é liberada para aquecer a haste de grafeno. Nos testes práticos, o controle de temperatura foi realizado com uma faixa de 17 °C, iniciando e terminando em 19 °C. Funcionando durante a noite (das 20h às 8h do segundo dia) por 8 horas, o consumo de energia para aquecer uma única fileira de plantas é de 1,24 kW·h, e a temperatura média do substrato durante a noite é de 19,2 °C, o que representa um aumento de 3,5 a 5,3 °C em relação ao controle. Este método de aquecimento, combinado com a geração de energia fotovoltaica, resolve os problemas de alto consumo de energia e alta poluição no aquecimento de estufas no inverno.

02 Conversão e utilização fototérmica

A conversão fototérmica solar refere-se ao uso de uma superfície especial de coleta de luz solar, feita de materiais de conversão fototérmica, para coletar e absorver o máximo possível de energia solar irradiada sobre ela e convertê-la em energia térmica. Comparada às aplicações fotovoltaicas solares, a conversão fototérmica solar aumenta a absorção na faixa do infravermelho próximo, resultando em maior eficiência de utilização da energia solar, menor custo e tecnologia consolidada, sendo, portanto, a forma mais difundida de aproveitamento da energia solar.

A tecnologia mais consolidada de conversão e utilização fototérmica na China é o coletor solar, cujo componente principal é uma placa absorvedora de calor com revestimento seletivo, capaz de converter a energia da radiação solar que atravessa a placa em energia térmica e transmiti-la ao fluido de trabalho absorvente de calor. Os coletores solares podem ser divididos em duas categorias, de acordo com a presença ou não de espaço a vácuo em seu interior: coletores solares planos e coletores solares de tubo a vácuo; coletores solares concentradores e não concentradores, de acordo com a direção da radiação solar na entrada; e coletores solares líquidos e coletores solares a ar, de acordo com o tipo de fluido de trabalho para transferência de calor.

A utilização da energia solar em estufas é realizada principalmente por meio de diversos tipos de coletores solares. A Universidade Ibn Zor, no Marrocos, desenvolveu um sistema ativo de aquecimento por energia solar (ASHS) para aquecimento de estufas, capaz de aumentar a produção total de tomates em 55% no inverno. A Universidade Agrícola da China projetou e desenvolveu um sistema de coleta e descarga de calor com ventilador e resfriador de superfície, com capacidade de coleta de calor de 390,6 a 693,0 MJ, e propôs a ideia de separar o processo de coleta do processo de armazenamento de calor por meio de bomba de calor. A Universidade de Bari, na Itália, desenvolveu um sistema de aquecimento poligeracional para estufas, composto por um sistema de energia solar e uma bomba de calor ar-água, capaz de aumentar a temperatura do ar em 3,6% e a temperatura do solo em 92%. O grupo de pesquisa desenvolveu um equipamento ativo de coleta de calor solar com ângulo de inclinação variável para estufas solares e um dispositivo auxiliar de armazenamento de calor para o corpo d'água da estufa, independentemente das condições climáticas. A tecnologia de coleta ativa de calor solar com inclinação variável supera as limitações dos equipamentos tradicionais de coleta de calor para estufas, como capacidade limitada de coleta, sombreamento e ocupação de área cultivada. Ao utilizar a estrutura especial da estufa solar, o espaço não cultivado é totalmente aproveitado, o que melhora significativamente a eficiência energética. Em condições típicas de sol pleno, o sistema de coleta ativa de calor solar com inclinação variável atinge 1,9 MJ/(m²h), com eficiência de utilização de energia de 85,1% e taxa de economia de energia de 77%. Na tecnologia de armazenamento de calor para estufas, a estrutura de armazenamento de calor com mudança de fase é implementada, aumentando a capacidade de armazenamento e permitindo a liberação lenta do calor, possibilitando o uso eficiente do calor coletado pelo equipamento de coleta solar.

energia de biomassa

Uma nova estrutura de instalação é construída combinando o dispositivo de produção de calor por biomassa com a estufa, e as matérias-primas de biomassa, como esterco de porco, resíduos de cogumelos e palha, são compostadas para gerar calor, e a energia térmica gerada é fornecida diretamente à estufa [5]. Comparada com a estufa sem tanque de aquecimento para fermentação de biomassa, a estufa com aquecimento pode aumentar efetivamente a temperatura do solo na estufa e manter a temperatura adequada das raízes das culturas cultivadas no solo em clima normal no inverno. Tomando como exemplo uma estufa de isolamento térmico assimétrico de camada única com um vão de 17 m e um comprimento de 30 m, a adição de 8 m³ de resíduos agrícolas (mistura de palha de tomate e esterco de porco) no tanque de fermentação interno para fermentação natural sem revirar a pilha pode aumentar a temperatura média diária da estufa em 4,2 °C no inverno, e a temperatura mínima média diária pode atingir 4,6 °C.

A utilização energética da fermentação controlada de biomassa é um método de fermentação que utiliza instrumentos e equipamentos para controlar o processo fermentativo, visando obter e utilizar de forma rápida e eficiente a energia térmica da biomassa e o gás CO2 como fertilizante. A ventilação e a umidade são fatores-chave para regular a produção de calor e gás durante a fermentação da biomassa. Em condições ventiladas, os microrganismos aeróbicos na pilha de fermentação utilizam oxigênio para suas atividades vitais. Parte da energia gerada é utilizada para essas atividades, enquanto outra parte é liberada para o ambiente na forma de calor, o que contribui para o aumento da temperatura ambiente. A água participa de todo o processo de fermentação, fornecendo os nutrientes solúveis necessários para a atividade microbiana e, ao mesmo tempo, liberando o calor da pilha na forma de vapor, reduzindo assim a temperatura da pilha, prolongando a vida dos microrganismos e aumentando a temperatura interna. A instalação de um dispositivo de lixiviação de palha no tanque de fermentação pode aumentar a temperatura interna em 3 a 5 °C no inverno, intensificar a fotossíntese das plantas e aumentar a produtividade do tomate em 29,6%.

Energia geotérmica

A China é rica em recursos geotérmicos. Atualmente, a forma mais comum de utilização da energia geotérmica em instalações agrícolas é por meio de bombas de calor geotérmicas, que convertem energia térmica de baixa temperatura em energia térmica de alta temperatura com a entrada de uma pequena quantidade de energia de alta temperatura (como energia elétrica). Diferentemente dos métodos tradicionais de aquecimento de estufas, o aquecimento por bomba de calor geotérmica não só proporciona um aquecimento significativo, como também permite o resfriamento e a redução da umidade no interior da estufa. A pesquisa sobre a aplicação de bombas de calor geotérmicas na construção civil é consolidada. O principal fator que influencia a capacidade de aquecimento e resfriamento de uma bomba de calor geotérmica é o módulo de troca de calor subterrâneo, que inclui principalmente tubulações enterradas, poços subterrâneos, etc. O projeto de um sistema de troca de calor subterrâneo com custo e eficiência equilibrados tem sido o foco de pesquisa nessa área. Além disso, a variação da temperatura da camada subterrânea do solo na aplicação da bomba de calor geotérmica também afeta o desempenho do sistema. Utilizar a bomba de calor geotérmica para resfriar a estufa no verão e armazenar a energia térmica na camada profunda do solo pode atenuar a queda de temperatura dessa camada e melhorar a eficiência da bomba de calor geotérmica no inverno.

Atualmente, na pesquisa sobre o desempenho e a eficiência de bombas de calor geotérmicas, através de dados experimentais reais, um modelo numérico é estabelecido com softwares como TOUGH2 e TRNSYS, e conclui-se que o desempenho de aquecimento e o coeficiente de desempenho (COP) da bomba de calor geotérmica podem atingir 3,0 a 4,5, apresentando um bom efeito de aquecimento e resfriamento. Na pesquisa sobre a estratégia de operação do sistema de bomba de calor, Fu Yunzhun e outros descobriram que, em comparação com o fluxo do lado da carga, o fluxo do lado da fonte geotérmica tem um impacto maior no desempenho da unidade e no desempenho da transferência de calor da tubulação enterrada. Sob a condição de ajuste de fluxo, o valor máximo do COP da unidade pode atingir 4,17 adotando o esquema de operação de 2 horas de funcionamento e 2 horas de parada; Shi Huixian et al. adotaram um modo de operação intermitente do sistema de resfriamento com armazenamento de água. No verão, quando a temperatura está alta, o COP de todo o sistema de fornecimento de energia pode atingir 3,80.

Tecnologia de armazenamento de calor em solo profundo em estufas

O armazenamento de calor em solo profundo em estufas também é chamado de "banco de calor". Os danos causados ​​pelo frio no inverno e as altas temperaturas no verão são os principais obstáculos à produção em estufas. Com base na grande capacidade de armazenamento de calor do solo profundo, o grupo de pesquisa projetou um dispositivo subterrâneo de armazenamento de calor para estufas. O dispositivo consiste em um tubo de transferência de calor paralelo de camada dupla enterrado a uma profundidade de 1,5 a 2,5 m no interior da estufa, com uma entrada de ar no topo e uma saída de ar no solo. Quando a temperatura na estufa está alta, o ar interno é bombeado à força para o solo por um ventilador para realizar o armazenamento de calor e a redução da temperatura. Quando a temperatura da estufa está baixa, o calor é extraído do solo para aquecer a estufa. Os resultados de produção e aplicação mostram que o dispositivo pode aumentar a temperatura da estufa em 2,3 °C durante a noite de inverno, reduzir a temperatura interna em 2,6 °C durante o dia de verão e aumentar a produção de tomate em 1500 kg em 667 m².²O dispositivo aproveita ao máximo as características de "aquecimento no inverno e frescor no verão" e "temperatura constante" do solo profundo, fornece um "banco de acesso à energia" para a estufa e realiza continuamente as funções auxiliares de aquecimento e resfriamento da estufa.

Coordenação multienergética

A utilização de dois ou mais tipos de energia para aquecer a estufa pode compensar eficazmente as desvantagens de um único tipo de energia e explorar o efeito de superposição de “um mais um é maior que dois”. A cooperação complementar entre a energia geotérmica e a energia solar é um tema de pesquisa de destaque na utilização de novas energias na produção agrícola nos últimos anos. Emmi et al. estudaram um sistema de energia multissource (Figura 1), equipado com um coletor solar híbrido fotovoltaico-térmico. Comparado com o sistema comum de bomba de calor ar-água, a eficiência energética do sistema multissource é melhorada em 16% a 25%. Zheng et al. desenvolveram um novo tipo de sistema acoplado de armazenamento de calor, combinando energia solar e bomba de calor geotérmica. O sistema de coletor solar permite o armazenamento sazonal de calor de alta qualidade, ou seja, aquecimento de alta qualidade no inverno e resfriamento de alta qualidade no verão. O trocador de calor de tubos enterrados e o tanque de armazenamento de calor intermitente funcionam bem no sistema, e o valor do COP (Coeficiente de Desempenho) do sistema pode atingir 6,96.

Combinando energia solar, o objetivo é reduzir o consumo de energia da rede elétrica e aumentar a estabilidade do fornecimento de energia solar em estufas. Wan Ya et al. propuseram um novo esquema de tecnologia de controle inteligente que combina a geração de energia solar com a energia da rede elétrica para aquecimento de estufas, permitindo o uso da energia fotovoltaica quando há luz e a conversão em energia da rede elétrica quando não há, reduzindo significativamente a taxa de falta de energia e os custos operacionais sem a necessidade de baterias.

A energia solar, a energia da biomassa e a energia elétrica podem aquecer estufas em conjunto, alcançando alta eficiência de aquecimento. Zhang Liangrui e outros combinaram a coleta de calor por tubos de vácuo solares com um tanque de armazenamento de água térmica para geração de energia elétrica. O sistema de aquecimento da estufa apresenta bom conforto térmico, com uma eficiência média de 68,70%. O tanque de armazenamento de água térmica para geração de energia elétrica é um dispositivo que utiliza biomassa para aquecimento. A temperatura mínima da água na entrada do sistema de aquecimento é definida, e a estratégia de operação é determinada de acordo com a temperatura da água armazenada na parte de coleta de calor solar e na parte de armazenamento de calor da biomassa, de forma a alcançar uma temperatura de aquecimento estável e economizar ao máximo energia elétrica e biomassa.

Pesquisa inovadora e aplicação de novos materiais para estufas

Com a expansão da área de estufas, as desvantagens de aplicação de materiais tradicionais, como tijolos e solo, tornam-se cada vez mais evidentes. Portanto, para melhorar ainda mais o desempenho térmico das estufas e atender às necessidades de desenvolvimento das estufas modernas, muitas pesquisas e aplicações de novos materiais de cobertura transparentes, materiais de isolamento térmico e materiais de parede têm sido realizadas.

Pesquisa e aplicação de novos materiais de cobertura transparentes

Os principais tipos de materiais de cobertura transparente para estufas incluem filme plástico, vidro, painel solar e painel fotovoltaico, sendo o filme plástico o que possui a maior área de aplicação. O filme de PE tradicional para estufas apresenta desvantagens como vida útil curta, não se degrada e possui função única. Atualmente, diversos novos filmes funcionais têm sido desenvolvidos pela adição de reagentes ou revestimentos funcionais.

Película de conversão de luz:O filme de conversão de luz altera as propriedades ópticas do filme utilizando agentes de conversão de luz, como terras raras e nanomateriais, e pode converter a região da luz ultravioleta em luz vermelho-alaranjada e azul-violeta, necessárias para a fotossíntese das plantas. Dessa forma, aumenta-se a produtividade agrícola e reduzem-se os danos causados ​​pela luz ultravioleta às culturas e aos filmes de estufa em estufas plásticas. Por exemplo, o filme de estufa de banda larga, com conversão de luz roxa para vermelha e com o agente de conversão de luz VTR-660, pode melhorar significativamente a transmitância infravermelha quando aplicado em estufas. Comparado com a estufa de controle, o rendimento de tomate por hectare, o teor de vitamina C e o teor de licopeno aumentaram significativamente em 25,71%, 11,11% e 33,04%, respectivamente. No entanto, atualmente, a vida útil, a degradabilidade e o custo do novo filme de conversão de luz ainda precisam ser estudados.

Vidro espalhadoO vidro dispersivo em estufas possui um padrão especial e tecnologia antirreflexo na superfície, que maximiza a entrada da luz solar na estufa, transformando-a em luz dispersa e melhorando a eficiência da fotossíntese das culturas e aumentando a produtividade. O vidro dispersivo transforma a luz que entra na estufa em luz dispersa através de padrões especiais, permitindo que essa luz seja irradiada de forma mais uniforme, eliminando o sombreamento da estrutura da estufa. Comparado ao vidro comum e ao vidro float ultrabranco, o vidro dispersivo apresenta uma transmitância luminosa de 91,5%, enquanto o vidro comum apresenta 88%. Para cada aumento de 1% na transmitância luminosa dentro da estufa, a produtividade pode aumentar em cerca de 3%, além de elevar o teor de açúcares solúveis e vitamina C em frutas e vegetais. O vidro dispersivo para estufas recebe um revestimento e, em seguida, é temperado, apresentando uma taxa de auto-explosão superior ao padrão nacional, atingindo 2‰.

Pesquisa e aplicação de novos materiais de isolamento térmico

Os materiais tradicionais de isolamento térmico em estufas incluem principalmente esteiras de palha, colchas de papel, mantas isolantes de feltro agulhado, etc., que são usados ​​principalmente para isolamento térmico interno e externo de telhados, isolamento de paredes e isolamento térmico de alguns dispositivos de armazenamento e coleta de calor. A maioria deles apresenta a desvantagem de perder o desempenho de isolamento térmico devido à umidade interna após uso prolongado. Portanto, existem muitas aplicações para novos materiais de alto isolamento térmico, entre os quais as novas mantas isolantes e os dispositivos de armazenamento e coleta de calor são o foco da pesquisa.

Os novos materiais de isolamento térmico são geralmente fabricados processando e combinando materiais impermeáveis ​​e resistentes ao envelhecimento, como filmes de tecido e feltro revestido, com materiais de isolamento térmico macios, como algodão revestido por pulverização, cashmere e algodão perolado. Um edredom de isolamento térmico de algodão revestido por pulverização e feito de filme de tecido foi testado no nordeste da China. Constatou-se que a adição de 500 g de algodão revestido por pulverização equivalia ao desempenho de isolamento térmico de um edredom de feltro preto de 4500 g disponível no mercado. Sob as mesmas condições, o desempenho de isolamento térmico de um edredom com 700 g de algodão revestido por pulverização apresentou uma melhoria de 1 a 2 °C em comparação com o de um edredom com 500 g de algodão revestido por pulverização. Ao mesmo tempo, outros estudos também constataram que, em comparação com os edredons de isolamento térmico comumente utilizados no mercado, o efeito de isolamento térmico dos edredons de algodão revestido por pulverização e de cashmere é superior, com taxas de isolamento térmico de 84,0% e 83,3%, respectivamente. Quando a temperatura externa mais baixa é de -24,4 °C, a temperatura interna pode atingir 5,4 °C e 4,2 °C, respectivamente. Comparada com a manta isolante de palha simples, a nova manta isolante composta apresenta as vantagens de leveza, alta taxa de isolamento, forte resistência à água e ao envelhecimento, podendo ser utilizada como um novo tipo de material isolante de alta eficiência para estufas solares.

Ao mesmo tempo, de acordo com pesquisas sobre materiais de isolamento térmico para dispositivos de coleta e armazenamento de calor em estufas, constatou-se que, para a mesma espessura, materiais de isolamento térmico compostos multicamadas apresentam melhor desempenho de isolamento térmico do que materiais simples. A equipe do Professor Li Jianming, da Universidade Agrícola e Florestal do Noroeste, projetou e selecionou 22 tipos de materiais de isolamento térmico para dispositivos de armazenamento de água em estufas, como placas de vácuo, aerogel e algodão de borracha, e mediu suas propriedades térmicas. Os resultados mostraram que o material de isolamento composto por revestimento de isolamento térmico de 80 mm + aerogel + algodão de borracha-plástico reduziu a dissipação de calor em 0,367 MJ por unidade de tempo em comparação com o algodão de borracha-plástico de 80 mm, e seu coeficiente de transferência de calor foi de 0,283 W/(m²·K) quando a espessura da combinação de isolamento era de 100 mm.

O material de mudança de fase é um dos principais focos de pesquisa em materiais para estufas. A Universidade Northwest A&F desenvolveu dois tipos de dispositivos de armazenamento de material de mudança de fase: um deles é uma caixa de armazenamento feita de polietileno preto, com dimensões de 50 cm × 30 cm × 14 cm (comprimento × altura × espessura), preenchida com o material de mudança de fase, permitindo armazenar e liberar calor; o segundo tipo é uma nova placa de parede de mudança de fase. Essa placa é composta pelo material de mudança de fase, placa de alumínio, placa de alumínio-plástico e liga de alumínio. O material de mudança de fase é posicionado no centro da placa, que mede 200 mm × 200 mm × 50 mm. Ele se apresenta como um sólido pulverulento antes e depois da mudança de fase, sem derreter ou escorrer. As quatro paredes da placa de parede são compostas por placas de alumínio e alumínio-plástico, respectivamente. Este dispositivo permite armazenar calor principalmente durante o dia e liberá-lo principalmente à noite.

Portanto, a aplicação de um único material de isolamento térmico apresenta alguns problemas, como baixa eficiência de isolamento, grande perda de calor e curto tempo de armazenamento de calor. Assim, o uso de material de isolamento térmico composto como camada isolante e camada de cobertura isolante térmica interna e externa do dispositivo de armazenamento de calor pode melhorar efetivamente o desempenho de isolamento térmico da estufa, reduzir a perda de calor e, consequentemente, alcançar o efeito de economia de energia.

Pesquisa e aplicação de novas paredes

Como uma espécie de estrutura de fechamento, a parede é uma barreira importante para a proteção contra o frio e a conservação do calor em estufas. De acordo com os materiais e estruturas das paredes, o desenvolvimento da parede norte da estufa pode ser dividido em três tipos: a parede de camada única feita de terra, tijolos, etc., e a parede norte em camadas feita de tijolos de barro, blocos de concreto, placas de poliestireno, etc., com armazenamento de calor interno e isolamento térmico externo. A maioria dessas paredes exige muito tempo e mão de obra para sua construção. Portanto, nos últimos anos, muitos novos tipos de paredes surgiram, que são fáceis de construir e adequados para montagem rápida.

O surgimento de novos tipos de paredes pré-fabricadas impulsiona o rápido desenvolvimento de estufas pré-fabricadas, incluindo paredes compostas com materiais de superfície externa impermeáveis ​​e resistentes ao envelhecimento, e materiais como feltro, algodão perolado, algodão espacial, algodão de vidro ou algodão reciclado como camadas de isolamento térmico, como as paredes flexíveis pré-fabricadas de algodão pulverizado em Xinjiang. Além disso, outros estudos também relataram a parede norte de estufas pré-fabricadas com camada de armazenamento de calor, como o bloco de argamassa de casca de trigo preenchido com tijolos em Xinjiang. Sob as mesmas condições ambientais externas, quando a temperatura externa mínima é de -20,8 °C, a temperatura na estufa solar com parede composta de bloco de argamassa de casca de trigo é de 7,5 °C, enquanto a temperatura na estufa solar com parede de tijolo e concreto é de 3,2 °C. O tempo de colheita do tomate na estufa de tijolos pode ser antecipado em 16 dias, e a produtividade da estufa pode aumentar em 18,4%.

A equipe de instalações da Universidade Northwest A&F propôs um projeto que utiliza palha, solo, água, pedra e materiais de mudança de fase para criar módulos de isolamento térmico e armazenamento de calor, considerando a leveza e a simplificação do design das paredes. Essa ideia impulsionou a pesquisa aplicada de paredes modulares. Por exemplo, em comparação com uma estufa de parede de tijolos comum, a temperatura média em uma estufa com paredes de tijolos é 4,0 °C mais alta em um dia ensolarado típico. Três tipos de módulos de cimento inorgânico de mudança de fase, compostos por material de mudança de fase (PCM) e cimento, acumularam calor de 74,5, 88,0 e 95,1 MJ/m², respectivamente.³e liberou calor de 59,8, 67,8 e 84,2 MJ/m³.³, respectivamente. Elas têm as funções de "corte de pico" durante o dia, "preenchimento de vale" à noite, absorção de calor no verão e liberação de calor no inverno.

Essas novas paredes são montadas no local, com curto período de construção e longa vida útil, o que cria condições para a construção de estufas pré-fabricadas leves, simplificadas e de montagem rápida, podendo promover significativamente a reforma estrutural das estufas. No entanto, esse tipo de parede apresenta algumas desvantagens, como o excelente desempenho de isolamento térmico da parede de isolamento térmico de algodão pulverizado, porém com baixa capacidade de armazenamento de calor, e o alto custo de utilização do material de construção com mudança de fase. No futuro, a pesquisa sobre a aplicação de paredes pré-fabricadas deve ser intensificada.

Novas energias, novos materiais e novos designs ajudam a transformar a estrutura das estufas.

A pesquisa e a inovação em novas energias e novos materiais fornecem a base para a inovação no design de estufas. Estufas solares com economia de energia e estufas em arco são as maiores estruturas de cobertura na produção agrícola da China e desempenham um papel importante nesse setor. No entanto, com o desenvolvimento socioeconômico da China, as deficiências desses dois tipos de estruturas têm se tornado cada vez mais evidentes. Primeiro, o espaço disponível nessas estruturas é pequeno e o grau de mecanização é baixo; segundo, a estufa solar com economia de energia possui bom isolamento térmico, mas utiliza pouca terra, o que equivale a substituir a energia gerada pela estufa por terra. A estufa em arco comum não só tem espaço reduzido, como também apresenta isolamento térmico deficiente. Embora a estufa de múltiplos vãos possua grande espaço, apresenta isolamento térmico deficiente e alto consumo de energia. Portanto, é imprescindível pesquisar e desenvolver estruturas de estufa adequadas ao atual nível socioeconômico da China, e a pesquisa e o desenvolvimento em novas energias e novos materiais contribuirão para a transformação das estruturas de estufa e para a produção de uma variedade de modelos ou estruturas inovadoras.

Pesquisa inovadora em estufa de fabricação de cerveja assimétrica de grande extensão com controle de água.

A estufa de fermentação assimétrica de grande vão com controle de água (número da patente: ZL 201220391214.2) baseia-se no princípio da estufa solar, alterando a estrutura simétrica das estufas plásticas comuns. A estrutura consiste em aumentar o vão sul, ampliando a área de iluminação do telhado sul, e reduzir o vão norte, diminuindo a área de dissipação de calor. Com um vão de 18 a 24 metros e uma altura de cumeeira de 6 a 7 metros, a estufa apresenta um aumento significativo na área útil. Além disso, a nova tecnologia de aquecimento a biomassa e os materiais isolantes resolvem os problemas de aquecimento insuficiente no inverno e de isolamento térmico deficiente em estufas convencionais. Os resultados de produção e pesquisa mostram que a estufa de fermentação assimétrica de grande vão com controle de água, com temperatura média de 11,7°C em dias ensolarados e 10,8°C em dias nublados, pode atender à demanda de crescimento de culturas no inverno. Além disso, o custo de construção da estufa é reduzido em 39,6% e a taxa de utilização da terra é aumentada em mais de 30% em comparação com a estufa de parede de tijolos de poliestireno, sendo adequada para maior popularização e aplicação na Bacia do Rio Amarelo Huaihe, na China.

Estufa de luz solar montada

A estufa solar pré-fabricada utiliza colunas e uma estrutura de cobertura como suporte de carga, e seu material de parede é principalmente de isolamento térmico, em vez de suportar peso e armazenar e liberar calor passivamente. Principalmente: (1) um novo tipo de parede pré-fabricada é formado pela combinação de diversos materiais, como filme revestido ou chapa de aço colorida, bloco de palha, manta isolante térmica flexível, bloco de argamassa, etc.; (2) placa de parede composta feita de placa de cimento-placa de poliestireno-placa de cimento pré-fabricada; (3) materiais de isolamento térmico de montagem simples e leve, com sistema ativo de armazenamento e liberação de calor e sistema de desumidificação, como armazenamento de calor em baldes quadrados de plástico e armazenamento de calor em tubulação. A utilização de diferentes novos materiais de isolamento térmico e armazenamento de calor em vez da tradicional parede de terra para construir estufas solares permite a construção de grandes espaços e com menor necessidade de obras civis. Os resultados experimentais mostram que a temperatura da estufa à noite, no inverno, é 4,5°C mais alta do que a da estufa tradicional com parede de tijolos, e a espessura da parede posterior é de 166 mm. Em comparação com uma estufa de paredes de tijolo de 600 mm de espessura, a área ocupada pela parede é reduzida em 72%, e o custo por metro quadrado é de 334,5 yuans, o que representa uma redução de 157,2 yuans em relação à estufa de paredes de tijolo, além de uma queda significativa no custo de construção. Portanto, a estufa pré-fabricada apresenta as vantagens de menor destruição de terras cultiváveis, economia de espaço, construção rápida e longa vida útil, sendo uma direção fundamental para a inovação e o desenvolvimento de estufas solares no presente e no futuro.

Estufa deslizante de luz solar

A estufa solar de baixo consumo energético, montada com estrutura de skate e desenvolvida pela Universidade Agrícola de Shenyang, utiliza a parede posterior da estufa para formar um sistema de armazenamento de calor com circulação de água, que armazena calor e eleva a temperatura. O sistema é composto principalmente por uma piscina (32m).³), uma placa coletora de luz (360m²), uma bomba de água, um cano de água e um controlador. A manta de isolamento térmico flexível foi substituída por um novo material leve de lã de rocha, revestido com chapa de aço colorida, na parte superior. A pesquisa demonstra que esse projeto resolve eficazmente o problema do bloqueio da luz pelas empenas e aumenta a área de entrada de luz na estufa. O ângulo de iluminação da estufa é de 41,5°, quase 16° maior do que o da estufa de controle, melhorando assim a taxa de iluminação. A distribuição da temperatura interna é uniforme e as plantas crescem de forma organizada. A estufa apresenta as vantagens de melhorar a eficiência do uso da terra, permitir o dimensionamento flexível da estufa e reduzir o período de construção, o que é de grande importância para a proteção dos recursos de terras cultivadas e do meio ambiente.

Estufa fotovoltaica

A estufa agrícola é uma estrutura que integra geração de energia solar fotovoltaica, controle inteligente de temperatura e técnicas modernas de cultivo. Adota uma estrutura de aço e é coberta por módulos fotovoltaicos para garantir a iluminação necessária tanto para os módulos de geração de energia quanto para toda a estufa. A corrente contínua gerada pela energia solar complementa a iluminação da estufa, alimentando o funcionamento dos equipamentos, irrigando o solo, aumentando a temperatura interna e promovendo o crescimento acelerado das culturas. Dessa forma, os módulos fotovoltaicos influenciam a eficiência da iluminação do telhado da estufa, afetando o desenvolvimento das hortaliças. Portanto, o posicionamento racional dos painéis fotovoltaicos no telhado da estufa é fundamental para sua aplicação. A estufa agrícola é o resultado da combinação orgânica entre agricultura paisagística e jardinagem em estufas, representando uma inovação no setor agrícola que integra geração de energia fotovoltaica, turismo agrícola, cultivo de plantas, tecnologia agrícola, paisagismo e desenvolvimento cultural.

Projeto inovador de conjunto de estufas com interação energética entre diferentes tipos de estufas.

Guo Wenzhong, pesquisador da Academia de Ciências Agrícolas e Florestais de Pequim, utiliza o método de transferência de energia entre estufas para coletar o calor residual de uma ou mais estufas e aproveitá-lo para aquecer outras estufas. Esse método permite a transferência de energia entre estufas no tempo e no espaço, melhora a eficiência do aproveitamento do calor residual e reduz o consumo total de energia para aquecimento. As duas estufas podem ser de tipos diferentes ou do mesmo tipo, utilizadas para o cultivo de diversas culturas, como alface e tomate. Os métodos de coleta de calor incluem principalmente a extração do calor do ar interno e a interceptação direta da radiação solar incidente. Através da coleta de energia solar, da convecção forçada por trocadores de calor e da extração forçada por bombas de calor, o calor excedente em estufas de alta energia é aproveitado para aquecimento.

resumir

Essas novas estufas solares apresentam as vantagens de montagem rápida, período de construção reduzido e melhor aproveitamento do solo. Portanto, é necessário explorar mais a fundo o desempenho dessas novas estufas em diferentes áreas, possibilitando sua popularização e aplicação em larga escala. Ao mesmo tempo, é fundamental fortalecer continuamente a aplicação de novas energias e novos materiais em estufas, de modo a impulsionar a reforma estrutural do setor.

Perspectivas e reflexões futuras

As estufas tradicionais frequentemente apresentam algumas desvantagens, como alto consumo de energia, baixa taxa de utilização da terra, construção demorada e trabalhosa, e baixo desempenho, entre outras, que já não atendem às necessidades de produção da agricultura moderna e estão fadadas a serem gradualmente eliminadas. Portanto, uma tendência de desenvolvimento é a utilização de novas fontes de energia, como energia solar, biomassa, geotérmica e eólica, além de novos materiais e projetos para estufas, visando promover a mudança estrutural desse setor. Primeiramente, as novas estufas movidas a novas energias e materiais devem não apenas atender às necessidades de operação mecanizada, mas também economizar energia, terra e custos. Em segundo lugar, é necessário explorar constantemente o desempenho das novas estufas em diferentes regiões, a fim de criar condições para a popularização em larga escala desse tipo de cultivo. No futuro, devemos buscar novas energias e novos materiais adequados para aplicação em estufas, encontrando a melhor combinação entre eles, de modo a viabilizar a construção de novas estufas com baixo custo, curto período de construção, baixo consumo de energia e excelente desempenho, contribuindo para a mudança estrutural das estufas e promovendo o desenvolvimento da modernização do setor na China.

Embora a aplicação de novas energias, novos materiais e novos projetos na construção de estufas seja uma tendência inevitável, ainda existem muitos problemas a serem estudados e superados: (1) Aumento do custo de construção. Comparado ao aquecimento tradicional com carvão, gás natural ou petróleo, o uso de novas energias e novos materiais é ecologicamente correto e livre de poluição, mas o custo de construção aumenta significativamente, o que impacta o retorno do investimento em produção e operação. Comparado à utilização de energia convencional, o custo dos novos materiais também aumenta consideravelmente. (2) Utilização instável da energia térmica. A maior vantagem da utilização de novas energias é o baixo custo operacional e a baixa emissão de dióxido de carbono, mas o fornecimento de energia e calor é instável, e os dias nublados se tornam o maior fator limitante para a utilização da energia solar. No processo de produção de calor a partir de biomassa por fermentação, a utilização eficaz dessa energia é limitada por problemas como a baixa energia térmica da fermentação, a dificuldade de gerenciamento e controle e a necessidade de grande espaço para armazenamento e transporte da matéria-prima. (3) Maturidade tecnológica. As tecnologias utilizadas por meio de novas energias e novos materiais representam avanços em pesquisa e desenvolvimento, e sua área e escopo de aplicação ainda são bastante limitados. Eles não passaram por muitas verificações práticas em diversos locais e em larga escala, e inevitavelmente apresentam algumas deficiências e conteúdos técnicos que precisam ser aprimorados na aplicação. Os usuários frequentemente rejeitam o avanço da tecnologia devido a essas pequenas deficiências. (4) A taxa de penetração da tecnologia é baixa. A ampla aplicação de uma conquista científica e tecnológica requer certa popularidade. Atualmente, novas energias, novas tecnologias e novas tecnologias de projeto de estufas estão todas concentradas em equipes de centros de pesquisa científica em universidades com certa capacidade de inovação, e a maioria dos demandantes técnicos ou projetistas ainda não as conhecem; ao mesmo tempo, a popularização e a aplicação de novas tecnologias ainda são bastante limitadas porque os equipamentos principais das novas tecnologias são patenteados. (5) A integração de novas energias, novos materiais e projeto de estruturas de estufas precisa ser ainda mais fortalecida. Como energia, materiais e projeto de estruturas de estufas pertencem a três disciplinas diferentes, profissionais com experiência em projeto de estufas frequentemente carecem de pesquisa em energia e materiais relacionados a estufas, e vice-versa; Portanto, pesquisadores ligados à pesquisa em energia e materiais precisam intensificar a investigação e a compreensão das reais necessidades do desenvolvimento da indústria de estufas, e os projetistas estruturais também devem estudar novos materiais e novas energias para promover a integração profunda dessas três áreas, de modo a alcançar o objetivo de pesquisa em tecnologia de estufas com aplicações práticas, baixo custo de construção e boa eficiência energética. Com base nos problemas acima, sugere-se que o Estado, os governos locais e os centros de pesquisa científica intensifiquem a pesquisa técnica, realizem pesquisas conjuntas aprofundadas, fortaleçam a divulgação das conquistas científicas e tecnológicas, aprimorem a popularização dessas conquistas e alcancem rapidamente o objetivo de utilizar novas energias e novos materiais para impulsionar o desenvolvimento da indústria de estufas.

Informações citadas

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Nova energia, novos materiais e novo design ajudam a nova revolução da estufa [J]. Vegetais, 2022,(10):1-8.