Tecnologia de engenharia agrícola hortícola em estufa, 02/12/2022 às 17h30, publicada em Pequim.

O desenvolvimento de estufas solares em áreas não cultivadas, como desertos, o Deserto de Gobi e terrenos arenosos, resolveu eficazmente a contradição entre a competição por terras para a produção de alimentos e vegetais. A temperatura é um dos fatores ambientais decisivos para o crescimento e desenvolvimento de culturas sensíveis ao clima, determinando frequentemente o sucesso ou o fracasso da produção em estufas. Portanto, para desenvolver estufas solares em áreas não cultivadas, é fundamental solucionar o problema do controle de temperatura. Este artigo resume os métodos de controle de temperatura utilizados em estufas em áreas não cultivadas nos últimos anos, analisando e sintetizando os problemas existentes e as perspectivas de desenvolvimento para o controle de temperatura e a proteção ambiental em estufas solares nessas áreas.

A China possui uma grande população e recursos fundiários limitados. Mais de 85% dos recursos fundiários são terras não cultivadas, concentradas principalmente no noroeste do país. O Documento nº 1 do Comitê Central, de 2022, destacou a necessidade de acelerar o desenvolvimento da agricultura em estufas e, com base na proteção do meio ambiente, explorar terras vagas e improdutivas para esse fim. O noroeste da China é rico em desertos, desertos de Gobi, áreas improdutivas e outros recursos fundiários não cultivados, além de recursos naturais de luz e calor, adequados para o desenvolvimento da agricultura em estufas. Portanto, o desenvolvimento e a utilização de terras não cultivadas para a criação de estufas são de grande importância estratégica para garantir a segurança alimentar nacional e mitigar conflitos de uso da terra.

Atualmente, a estufa solar não cultivada é a principal forma de desenvolvimento agrícola de alta eficiência em terras não cultivadas. No noroeste da China, a diferença de temperatura entre o dia e a noite é grande, e a temperatura noturna no inverno é baixa, o que frequentemente leva ao fenômeno de a temperatura mínima interna ser inferior à temperatura necessária para o crescimento e desenvolvimento normais das culturas. A temperatura é um dos fatores ambientais indispensáveis ​​para o crescimento e desenvolvimento das culturas. Temperaturas muito baixas retardam as reações fisiológicas e bioquímicas das culturas e, consequentemente, seu crescimento e desenvolvimento. Quando a temperatura é inferior ao limite que as culturas podem suportar, pode até causar danos por congelamento. Portanto, é fundamental garantir a temperatura necessária para o crescimento e desenvolvimento normais das culturas. Manter a temperatura adequada em uma estufa solar não é uma questão de uma única medida. É necessário garantir isso por meio do projeto, construção, seleção de materiais, controle e gestão diária da estufa. Portanto, este artigo resume o estado atual da pesquisa e o progresso do controle de temperatura em estufas não cultivadas na China nos últimos anos, abordando aspectos como projeto e construção de estufas, medidas de conservação e aquecimento térmico e gestão ambiental, a fim de fornecer uma referência sistemática para o projeto e gestão racionais de estufas não cultivadas.

Estrutura e materiais da estufa

O ambiente térmico de uma estufa depende principalmente da capacidade de transmissão, interceptação e armazenamento da radiação solar pela estufa, o que está relacionado ao projeto adequado da orientação da estufa, à forma e ao material da superfície de transmissão de luz, à estrutura e ao material das paredes e do telhado posterior, ao isolamento da fundação, ao tamanho da estufa, ao modo de isolamento noturno e ao material do telhado frontal, etc., e também à capacidade do processo de construção da estufa em garantir a efetiva concretização dos requisitos do projeto.

Capacidade de transmissão de luz do telhado frontal

A principal fonte de energia em uma estufa é o sol. Aumentar a capacidade de transmissão de luz da cobertura frontal é benéfico para que a estufa obtenha mais calor, sendo também fundamental para garantir um ambiente com temperatura adequada no inverno. Atualmente, existem três métodos principais para aumentar a capacidade de transmissão de luz e o tempo de incidência solar na cobertura frontal de uma estufa.

01 Projetar uma orientação e azimute razoáveis ​​para a estufa

A orientação da estufa afeta o desempenho da iluminação e a capacidade de armazenamento de calor. Portanto, para obter maior armazenamento de calor, a orientação das estufas não cultivadas no noroeste da China é voltada para o sul. Quanto ao azimute específico da estufa, a orientação sul-leste é benéfica para "captar o sol", resultando em um aumento rápido da temperatura interna pela manhã; já a orientação sul-oeste permite o aproveitamento da luz solar durante a tarde. A orientação sul representa um equilíbrio entre essas duas situações. De acordo com os conhecimentos de geofísica, a Terra gira 360° em um dia, e o azimute do sol se desloca cerca de 1° a cada 4 minutos. Assim, a cada variação de 1° no azimute da estufa, o tempo de incidência direta da luz solar varia em cerca de 4 minutos. Ou seja, o azimute da estufa influencia diretamente o período em que ela recebe luz solar pela manhã e à tarde.

Quando a quantidade de luz solar pela manhã e à tarde for igual, e o ângulo entre leste e oeste for o mesmo, a estufa receberá a mesma quantidade de luz. No entanto, para áreas ao norte do paralelo 37° N, a temperatura é baixa pela manhã, e o horário de abertura da cobertura é tardio, enquanto a temperatura é relativamente alta à tarde e à noite, sendo apropriado atrasar o horário de fechamento da cobertura de isolamento térmico. Portanto, nessas áreas, deve-se optar pela orientação sul-oeste para aproveitar ao máximo a luz da tarde. Para áreas entre os paralelos 30° e 35° N, devido às melhores condições de luminosidade pela manhã, o horário de fechamento da cobertura e de abertura da mesma também pode ser antecipado. Portanto, nessas áreas, deve-se optar pela orientação sul-leste para maximizar a incidência de radiação solar pela manhã na estufa. Já na área entre os paralelos 35° e 37° N, a diferença na incidência de radiação solar entre a manhã e a tarde é pequena, sendo preferível optar pela orientação sul. Seja sudeste ou sudoeste, o ângulo de desvio geralmente varia de 5° a 8°, e o máximo não deve exceder 10°. O noroeste da China situa-se entre 37° e 50° de latitude norte, portanto, o ângulo azimutal da estufa é geralmente de sul para oeste. Nesse sentido, a estufa projetada por Zhang Jingshe e outros na região de Taiyuan adotou uma orientação de 5° a oeste do sul; a estufa construída por Chang Meimei e outros na região do Deserto de Gobi, no Corredor de Hexi, adotou uma orientação de 5° a 10° a oeste do sul; e a estufa construída por Ma Zhigui e outros no norte de Xinjiang adotou uma orientação de 8° a oeste do sul.

02 Projetar um formato e ângulo de inclinação razoáveis ​​para o telhado frontal.

O formato e a inclinação da cobertura frontal determinam o ângulo de incidência dos raios solares. Quanto menor o ângulo de incidência, maior a transmitância. Sun Juren acredita que o formato da cobertura frontal é determinado principalmente pela proporção entre o comprimento da superfície principal de iluminação e a inclinação traseira. Uma inclinação frontal longa e uma inclinação traseira curta são benéficas para a iluminação e o isolamento térmico da cobertura frontal. Chen Wei-Qian e outros consideram que a cobertura principal de iluminação das estufas solares utilizadas na região do Deserto de Gobi adota um arco circular com raio de 4,5 m, o que proporciona uma resistência eficaz ao frio. Zhang Jingshe e outros defendem que é mais apropriado utilizar um arco semicircular na cobertura frontal das estufas em áreas alpinas e de altas latitudes. Quanto ao ângulo de inclinação da cobertura frontal, de acordo com as características de transmissão de luz do filme plástico, quando o ângulo de incidência é de 0° a 40°, a refletividade da cobertura frontal à luz solar é baixa, e quando ultrapassa 40°, a refletividade aumenta significativamente. Portanto, 40° é considerado o ângulo de incidência máximo para calcular o ângulo de inclinação da cobertura frontal, de modo que, mesmo no solstício de inverno, a radiação solar possa entrar na estufa em sua extensão máxima. Assim, ao projetar uma estufa solar adequada para áreas não cultivadas em Wuhai, Mongólia Interior, He Bin e outros calcularam o ângulo de inclinação da cobertura frontal com um ângulo de incidência de 40° e concluíram que, desde que fosse superior a 30°, atenderia aos requisitos de iluminação e conservação de calor da estufa. Zhang Caihong e outros consideram que, ao construir estufas em áreas não cultivadas de Xinjiang, o ângulo de inclinação da cobertura frontal das estufas no sul de Xinjiang é de 31°, enquanto no norte de Xinjiang varia de 32° a 33,5°.

03 Escolha materiais de cobertura transparentes adequados.

Além da influência da radiação solar externa, as características do material e da transmissão de luz do filme para estufa também são fatores importantes que afetam o ambiente luminoso e térmico dentro da estufa. Atualmente, a transmitância luminosa de filmes plásticos como PE, PVC, EVA e PO varia devido aos diferentes materiais e espessuras. De modo geral, a transmitância luminosa de filmes utilizados por 1 a 3 anos pode ser garantida acima de 88%, devendo a seleção ser feita de acordo com a demanda de luz e temperatura das culturas. Além da transmissão de luz, a distribuição da luz dentro da estufa também é um fator que tem recebido cada vez mais atenção. Portanto, nos últimos anos, materiais de cobertura com alta capacidade de dispersão luminosa têm sido amplamente utilizados, especialmente em regiões com forte radiação solar no noroeste da China. A aplicação de uma película de dispersão de luz aprimorada reduziu o efeito de sombreamento na parte superior e inferior da copa da cultura, aumentou a luminosidade nas partes média e inferior da copa, melhorou as características fotossintéticas de toda a cultura e demonstrou um bom efeito na promoção do crescimento e aumento da produção.

Dimensionamento adequado da estufa

O comprimento da estufa, seja muito longo ou muito curto, afetará o controle da temperatura interna. Quando o comprimento da estufa é muito curto, antes do nascer e do pôr do sol, a área sombreada pelas empenas leste e oeste é grande, o que não favorece o aquecimento da estufa e, devido ao seu pequeno volume, afetará a absorção e liberação de calor pelo solo e pelas paredes internas. Quando o comprimento é muito grande, é difícil controlar a temperatura interna e isso afetará a firmeza da estrutura da estufa e a configuração do mecanismo de enrolamento do isolamento térmico. A altura e o vão da estufa afetam diretamente a iluminação natural da cobertura frontal, o tamanho do espaço da estufa e a taxa de isolamento. Quando o vão e o comprimento da estufa são fixos, aumentar a altura da estufa pode aumentar o ângulo de incidência da luz na cobertura frontal, do ponto de vista da luminosidade, o que favorece a transmissão de luz; do ponto de vista térmico, o aumento da altura da parede aumenta a área de armazenamento de calor da parede posterior, o que é benéfico para o armazenamento e a liberação de calor nessa região. Além disso, o espaço é amplo, a capacidade térmica também é alta e o ambiente térmico da estufa é mais estável. Naturalmente, o aumento da altura da estufa aumentará o custo, o que exige uma análise abrangente. Portanto, ao projetar uma estufa, devemos escolher um comprimento, vão e altura adequados às condições locais. Por exemplo, Zhang Caihong e outros autores consideram que, no norte de Xinjiang, o comprimento ideal da estufa é de 50 a 80 metros, o vão é de 7 metros e a altura é de 3,9 metros, enquanto no sul de Xinjiang, o comprimento ideal é de 50 a 80 metros, o vão é de 8 metros e a altura é de 3,6 a 4,0 metros. Também consideram que o vão da estufa não deve ser inferior a 7 metros, sendo que 8 metros proporcionam o melhor efeito de conservação de calor. Além disso, Chen Weiqian e outros acreditam que o comprimento, a largura e a altura da estufa solar devem ser de 80 m, 8 a 10 m e 3,8 a 4,2 m, respectivamente, quando construída na área de Gobi, em Jiuquan, Gansu.

Melhorar a capacidade de armazenamento de calor e isolamento da parede.

Durante o dia, a parede acumula calor absorvendo a radiação solar e o calor do ar interior. À noite, quando a temperatura interna é inferior à temperatura da parede, esta libera calor passivamente, aquecendo a estufa. Como principal elemento de armazenamento de calor da estufa, a parede pode melhorar significativamente a temperatura interna noturna, aumentando sua capacidade de armazenamento térmico. Ao mesmo tempo, a função de isolamento térmico da parede é fundamental para a estabilidade do ambiente térmico da estufa. Atualmente, existem diversos métodos para melhorar a capacidade de armazenamento e isolamento térmico das paredes.

01 projeto de estrutura de parede razoável

A função principal da parede inclui o armazenamento e a conservação de calor, e, ao mesmo tempo, a maioria das paredes de estufas também serve como elemento estrutural para suportar a treliça do telhado. Do ponto de vista da obtenção de um bom ambiente térmico, uma estrutura de parede adequada deve ter capacidade suficiente de armazenamento de calor na parte interna e capacidade suficiente de conservação de calor na parte externa, reduzindo, ao mesmo tempo, pontes térmicas desnecessárias. Na pesquisa sobre armazenamento de calor e isolamento em paredes, Bao Encai e outros projetaram uma parede passiva de armazenamento de calor com areia solidificada na área desértica de Wuhai, Mongólia Interior. Tijolos porosos foram usados ​​como camada isolante externa e areia solidificada como camada de armazenamento de calor interna. Os testes mostraram que a temperatura interna podia atingir 13,7 °C em dias ensolarados. Ma Yuehong e outros projetaram uma parede composta de blocos de argamassa de casca de trigo no norte de Xinjiang, na qual cal viva é usada para preencher os blocos de argamassa como camada de armazenamento de calor e sacos de escória são empilhados ao ar livre como camada isolante. A parede de blocos vazados projetada por Zhao Peng e outros na região do Deserto de Gobi, na província de Gansu, utiliza placas de benzeno de 100 mm de espessura como camada isolante externa e areia e blocos vazados como camada de armazenamento de calor interna. Os testes mostram que a temperatura média noturna no inverno ultrapassa os 10 °C. Chai Regeneration e outros também utilizam areia e cascalho como camada isolante e de armazenamento de calor em paredes na região do Deserto de Gobi, em Gansu. Visando reduzir as pontes térmicas, Yan Junyue e outros projetaram uma parede traseira leve e simplificada, que não só melhorou a resistência térmica da parede, como também a vedação, através da aplicação de placas de poliestireno na parte externa. Wu Letian e outros instalaram uma viga anelar de concreto armado acima da fundação da parede da estufa e utilizaram blocos trapezoidais estampados logo acima da viga anelar para sustentar o telhado traseiro. Essa solução resolveu o problema de rachaduras e subsidência da fundação em estufas em Hotian, Xinjiang, que afetavam o isolamento térmico das mesmas.

02 Escolha materiais adequados para armazenamento de calor e isolamento.

O efeito de armazenamento de calor e isolamento da parede depende, em primeiro lugar, da escolha dos materiais. No deserto do noroeste, no Deserto de Gobi, em terrenos arenosos e outras áreas, de acordo com as condições do local, os pesquisadores utilizaram materiais locais e fizeram tentativas ousadas para projetar diversos tipos de paredes traseiras para estufas solares. Por exemplo, quando Zhang Guosen e outros construíram estufas em campos de areia e cascalho em Gansu, areia e cascalho foram usados ​​como camadas de armazenamento de calor e isolamento das paredes; considerando as características do Deserto de Gobi e do deserto no noroeste da China, Zhao Peng projetou um tipo de parede de bloco vazado com arenito e blocos vazados como materiais. Os testes mostraram que a temperatura média noturna interna é superior a 10°C. Diante da escassez de materiais de construção, como tijolos e argila, na região do Deserto de Gobi, no noroeste da China, Zhou Changji e outros descobriram que as estufas locais geralmente utilizam seixos como material de parede ao investigarem estufas solares na região do Deserto de Gobi, em Kizilsu, Quirguistão, Xinjiang. Considerando o desempenho térmico e a resistência mecânica dos seixos, a estufa construída com esse material apresenta bom desempenho em termos de conservação e armazenamento de calor, além de suportar cargas. De forma semelhante, Zhang Yong e outros também utilizam seixos como material principal das paredes e projetaram uma parede posterior de seixos com armazenamento térmico independente em Shanxi e outras regiões. Os testes demonstraram um bom efeito de armazenamento de calor. Zhang e outros projetaram um tipo de parede de arenito, adaptada às características da região noroeste do Deserto de Gobi, capaz de elevar a temperatura interna em 2,5 °C. Além disso, Ma Yuehong e outros testaram a capacidade de armazenamento de calor de paredes de areia preenchidas com blocos, paredes de blocos e paredes de tijolos em Hotian, Xinjiang. Os resultados mostraram que a parede de areia preenchida com blocos apresentou a maior capacidade de armazenamento de calor. Ademais, visando aprimorar o desempenho de armazenamento de calor das paredes, pesquisadores têm desenvolvido ativamente novos materiais e tecnologias para esse fim. Por exemplo, Bao Encai propôs um material com agente de cura por mudança de fase, que pode ser utilizado para melhorar a capacidade de armazenamento de calor da parede posterior de estufas solares em áreas não cultivadas do noroeste. Na exploração de materiais locais, feno, escória, placas de benzeno e palha também são usados ​​como materiais de parede, mas esses materiais geralmente têm apenas a função de isolamento térmico, sem capacidade de armazenamento de calor. De modo geral, as paredes preenchidas com cascalho e blocos têm boa capacidade de armazenamento e isolamento térmico.

03 Aumentar adequadamente a espessura da parede

Geralmente, a resistência térmica é um índice importante para medir o desempenho do isolamento térmico da parede, e o fator que a afeta é a espessura da camada de material, além da condutividade térmica do material. Portanto, com base na seleção de materiais de isolamento térmico adequados, o aumento apropriado da espessura da parede pode aumentar a resistência térmica geral da parede e reduzir a perda de calor através dela, aumentando assim o isolamento térmico e a capacidade de armazenamento de calor da parede e de toda a estufa. Por exemplo, em Gansu e outras áreas, a espessura média da parede de sacos de areia na cidade de Zhangye é de 2,6 m, enquanto a da parede de alvenaria de argamassa na cidade de Jiuquan é de 3,7 m. Quanto mais espessa a parede, maior seu isolamento térmico e capacidade de armazenamento de calor. No entanto, paredes muito espessas aumentam a área ocupada e o custo de construção da estufa. Portanto, do ponto de vista da melhoria da capacidade de isolamento térmico, também devemos priorizar a seleção de materiais com alto isolamento térmico e baixa condutividade térmica, como poliestireno, poliuretano e outros materiais, e então aumentar a espessura adequadamente.

Design razoável do teto traseiro

Para o projeto da cobertura traseira, a principal consideração é evitar o sombreamento e melhorar a capacidade de isolamento térmico. Para reduzir o sombreamento na cobertura traseira, a definição do seu ângulo de inclinação baseia-se principalmente no fato de que ela recebe luz solar direta durante o dia, período em que as culturas são plantadas e cultivadas. Portanto, o ângulo de inclinação da cobertura traseira é geralmente escolhido para ser superior ao ângulo de altitude solar local no solstício de inverno, que varia entre 7° e 8°. Por exemplo, Zhang Caihong e outros autores consideram que, ao construir estufas solares em áreas de deserto de Gobi e solos salino-alcalinos em Xinjiang, com um comprimento projetado de 1,6 m para a cobertura traseira, o ângulo de inclinação deve ser de 40° no sul de Xinjiang e 45° no norte. Chen Wei-Qian e outros autores defendem que a cobertura traseira da estufa solar na área de Jiuquan, no deserto de Gobi, deve ter uma inclinação de 40°. Para o isolamento térmico da parte traseira do telhado, a capacidade de isolamento térmico deve ser garantida principalmente pela seleção dos materiais isolantes, pelo dimensionamento da espessura necessária e pela sobreposição adequada dos materiais isolantes durante a construção.

Reduzir a perda de calor do solo

Durante as noites de inverno, como a temperatura do solo interno é mais alta do que a do solo externo, o calor do solo interno é transferido para o exterior por condução térmica, causando a perda de calor da estufa. Existem diversas maneiras de reduzir a perda de calor do solo.

01 isolamento do solo

O solo é escavado adequadamente, evitando a camada de solo congelado e utilizando-o para a conservação do calor. Por exemplo, a estufa solar “1448 três materiais-um corpo”, desenvolvida pela Chai Regeneration em outras terras não cultivadas no Corredor de Hexi, foi construída com uma escavação de 1 m, evitando efetivamente a camada de solo congelado. Considerando que a profundidade do solo congelado na área de Turpan é de 0,8 m, Wang Huamin e outros sugeriram escavar 0,8 m para melhorar a capacidade de isolamento térmico da estufa. Quando Zhang Guosen e outros construíram a parede posterior da estufa solar escavada com dupla estrutura em arco e dupla película em terras não aráveis, a profundidade de escavação foi de 1 m. O experimento mostrou que a temperatura mínima à noite aumentou de 2 a 3 °C em comparação com a estufa solar tradicional de segunda geração.

02 proteção contra frio da fundação

O principal método consiste em cavar uma vala à prova de frio ao longo da fundação da cobertura frontal, preenchê-la com materiais de isolamento térmico ou enterrá-los continuamente no subsolo ao longo da parede da fundação. Tudo isso visa reduzir a perda de calor causada pela transferência térmica através do solo na área limítrofe da estufa. Os materiais de isolamento térmico utilizados são baseados principalmente nas condições locais do noroeste da China e podem ser obtidos na região, como feno, escória, lã de rocha, placas de poliestireno, palha de milho, esterco de cavalo, folhas caídas, capim quebrado, serragem, ervas daninhas, palha, etc.

03 filme de cobertura morta

Ao cobrir a estufa com filme plástico, a luz solar consegue atingir o solo durante o dia, absorvendo o calor e aquecendo-o. Além disso, o filme plástico bloqueia a radiação de ondas longas refletida pelo solo, reduzindo a perda de calor por radiação e aumentando sua capacidade de armazenamento de calor. À noite, o filme plástico impede a troca de calor por convecção entre o solo e o ar interno, reduzindo a perda de calor do solo. Ao mesmo tempo, o filme plástico também reduz a perda de calor latente causada pela evaporação da água do solo. Wei Wenxiang cobriu uma estufa com filme plástico no Planalto de Qinghai e o experimento mostrou que a temperatura do solo aumentou em cerca de 1°C.

Reforçar o desempenho do isolamento térmico da cobertura frontal.

A cobertura frontal da estufa é a principal superfície de dissipação de calor, e a perda de calor por essa área representa mais de 75% da perda total de calor na estufa. Portanto, reforçar a capacidade de isolamento térmico da cobertura frontal da estufa pode reduzir efetivamente a perda de calor por essa via e melhorar o ambiente térmico da estufa no inverno. Atualmente, existem três medidas principais para melhorar a capacidade de isolamento térmico da cobertura frontal.

01 Adota-se um revestimento transparente multicamadas.

Estruturalmente, o uso de filme de dupla ou tripla camada como superfície de transmissão de luz em estufas pode melhorar efetivamente o desempenho de isolamento térmico. Por exemplo, Zhang Guosen e outros projetaram uma estufa solar escavada com dupla camada de filme e estrutura em arco duplo na região de Gobi, na cidade de Jiuquan. A parte externa da cobertura frontal da estufa é feita de filme EVA, e a parte interna, de filme de PVC resistente ao gotejamento e ao envelhecimento. Os experimentos mostraram que, em comparação com as estufas solares tradicionais de segunda geração, o efeito de isolamento térmico é excepcional, com um aumento médio de 2 a 3 °C na temperatura mínima noturna. De forma semelhante, Zhang Jingshe e outros também projetaram uma estufa solar com cobertura de filme duplo para as características climáticas de altas latitudes e áreas de frio intenso, o que melhorou significativamente o isolamento térmico da estufa. Em comparação com a estufa de controle, a temperatura noturna aumentou em 3 °C. Além disso, Wu Letian e outros testaram o uso de três camadas de filme EVA de 0,1 mm de espessura na cobertura frontal de uma estufa solar projetada na região desértica de Hetian, em Xinjiang. Filmes multicamadas podem reduzir eficazmente a perda de calor da cobertura frontal, mas como a transmitância luminosa de filmes de camada única é de cerca de 90%, o uso de filmes multicamadas naturalmente leva à atenuação dessa transmitância. Portanto, ao selecionar coberturas multicamadas com alta transmitância luminosa, é necessário levar em consideração as condições e os requisitos de iluminação das estufas.

02 Reforçar o isolamento noturno do telhado frontal

A película plástica utilizada na cobertura frontal aumenta a transmissão de luz durante o dia, mas torna-se o ponto mais vulnerável da estufa à noite. Portanto, cobrir a superfície externa da cobertura frontal com uma espessa manta isolante térmica composta é uma medida essencial para o isolamento térmico de estufas solares. Por exemplo, na região alpina de Qinghai, Liu Yanjie e outros pesquisadores utilizaram cortinas de palha e papel kraft como mantas isolantes térmicas em experimentos. Os resultados mostraram que a temperatura interna mínima na estufa durante a noite atingiu valores acima de 7,7 °C. Além disso, Wei Wenxiang acredita que a perda de calor em estufas pode ser reduzida em mais de 90% com o uso de cortinas duplas de palha ou papel kraft sobre as cortinas de palha para isolamento térmico nessa região. Ademais, Zou Ping e outros pesquisadores utilizaram mantas isolantes térmicas de feltro agulhado de fibra reciclada em estufas solares na região do Deserto de Gobi, em Xinjiang, e Chang Meimei e outros pesquisadores utilizaram mantas isolantes térmicas de algodão em sanduíche em estufas solares na região do Deserto de Gobi, no Corredor de Hexi. Atualmente, existem muitos tipos de mantas de isolamento térmico utilizadas em estufas solares, mas a maioria é feita de feltro agulhado, algodão colado, algodão perolado, etc., com camadas superficiais impermeáveis ​​ou antienvelhecimento em ambos os lados. De acordo com o mecanismo de isolamento térmico da manta, para melhorar seu desempenho, devemos começar aumentando sua resistência térmica e reduzindo seu coeficiente de transferência de calor. As principais medidas são reduzir a condutividade térmica dos materiais, aumentar a espessura das camadas de material ou aumentar o número de camadas, etc. Portanto, atualmente, o material do núcleo da manta de isolamento térmico com alto desempenho de isolamento térmico é frequentemente feito de materiais compósitos multicamadas. De acordo com os testes, o coeficiente de transferência de calor da manta de isolamento térmico com alto desempenho de isolamento térmico pode atingir 0,5 W/(m²°C), o que oferece uma melhor garantia para o isolamento térmico de estufas em áreas frias durante o inverno. É claro que, na região noroeste, onde há ventos fortes e poeira, e a radiação ultravioleta é intensa, a camada superficial do isolamento térmico deve ter um bom desempenho antienvelhecimento.

03 Adicione uma cortina de isolamento térmico interna.

Embora a cobertura frontal da estufa seja coberta com um isolamento térmico externo à noite, considerando as demais estruturas da estufa, essa parte ainda representa um ponto frágil durante a noite. Portanto, a equipe do projeto “Estrutura e Tecnologia de Construção de Estufas em Terras Não Aráveis ​​do Noroeste” desenvolveu um sistema simples de isolamento térmico interno retrátil (Figura 1), cuja estrutura consiste em uma cortina de isolamento térmico interna fixa na base frontal e uma cortina de isolamento térmico interna móvel na parte superior. A cortina de isolamento térmico móvel superior é aberta e recolhida na parede posterior da estufa durante o dia, não interferindo na iluminação. A cortina de isolamento térmico fixa na base funciona como vedação à noite. O projeto de isolamento interno é organizado, fácil de operar e também proporciona sombreamento e resfriamento no verão.

Tecnologia de aquecimento ativo

Devido às baixas temperaturas no inverno no noroeste da China, se dependermos apenas da conservação e armazenamento de calor em estufas, ainda não conseguiremos atender às necessidades de produção de culturas durante o inverno em algumas regiões de clima frio, sendo assim, algumas medidas ativas de aquecimento também são consideradas.

Sistema de armazenamento de energia solar e liberação de calor

Um fator importante é que a parede desempenha funções de conservação, armazenamento e suporte de calor, o que resulta em alto custo de construção e baixa taxa de utilização do solo em estufas solares. Portanto, a simplificação e a otimização da montagem de estufas solares representam uma importante direção de desenvolvimento para o futuro. Entre as estratégias, simplificar a função da parede significa liberar sua função de armazenamento e liberação de calor, de modo que a parede posterior passe a desempenhar apenas a função de conservação de calor, uma maneira eficaz de simplificar o projeto. Por exemplo, o sistema ativo de armazenamento e liberação de calor de Fang Hui (Figura 2) é amplamente utilizado em áreas não cultivadas, como Gansu, Ningxia e Xinjiang. Seu dispositivo de coleta de calor é instalado na parede norte. Durante o dia, o calor coletado pelo dispositivo é armazenado no reservatório térmico por meio da circulação do fluido de armazenamento. À noite, o calor é liberado e aquecido pela circulação do fluido de armazenamento, realizando assim a transferência de calor no tempo e no espaço. Experimentos demonstram que a temperatura mínima na estufa pode ser elevada em 3 a 5 °C com o uso desse dispositivo. Wang Zhiwei e outros propuseram um sistema de aquecimento por cortina d'água para estufa solar na área desértica do sul de Xinjiang, que pode aumentar a temperatura da estufa em 2,1°C durante a noite.

Além disso, Bao Encai e outros projetaram um sistema ativo de circulação de armazenamento de calor para a parede norte. Durante o dia, através da circulação de ventiladores axiais, o ar quente interno flui através do duto de transferência de calor embutido na parede norte, e o duto troca calor com a camada de armazenamento de calor dentro da parede, o que melhora significativamente a capacidade de armazenamento de calor da parede. Adicionalmente, o sistema de armazenamento de calor por mudança de fase solar projetado por Yan Yantao e outros armazena calor em materiais de mudança de fase através de coletores solares durante o dia e, em seguida, dissipa o calor no ar interno através da circulação de ar à noite, o que pode aumentar a temperatura média em 2,0 °C à noite. As tecnologias e equipamentos de utilização de energia solar acima mencionados apresentam características de economia, baixo consumo de energia e baixa emissão de carbono. Após otimização e aprimoramento, eles devem ter um bom potencial de aplicação em áreas com abundantes recursos de energia solar no noroeste da China.

Outras tecnologias auxiliares de aquecimento

01 aquecimento por energia de biomassa

A cama, a palha, o esterco de vaca, de ovelha e de aves são misturados com bactérias biológicas e enterrados no solo da estufa. Durante o processo de fermentação, é gerado muito calor, além de diversas cepas benéficas, matéria orgânica e CO2. As cepas benéficas podem inibir e eliminar uma variedade de germes, reduzindo a incidência de doenças e pragas na estufa; a matéria orgânica serve como fertilizante para as plantações; e o CO2 produzido aumenta a fotossíntese das culturas. Por exemplo, Wei Wenxiang enterrou fertilizantes orgânicos quentes, como esterco de cavalo, de vaca e de ovelha, no solo interno de uma estufa solar no Planalto de Qinghai, elevando efetivamente a temperatura do solo. Em uma estufa solar na região desértica de Gansu, Zhou Zhilong utilizou palha e fertilizantes orgânicos para fermentação entre as culturas. Os testes mostraram que a temperatura da estufa pôde ser aumentada em 2 a 3 °C.

02 aquecimento a carvão

Existem fogões artificiais, aquecedores de água econômicos e sistemas de aquecimento. Por exemplo, após uma pesquisa no Planalto de Qinghai, Wei Wenxiang descobriu que o aquecimento por fornos artificiais era o método mais utilizado na região. Esse método de aquecimento apresenta as vantagens de aquecimento mais rápido e com efeito térmico evidente. No entanto, gases nocivos como SO2, CO e H2S são produzidos durante a queima do carvão, sendo necessário um sistema adequado de eliminação desses gases.

03 aquecimento elétrico

Utilizar fios de aquecimento elétrico para aquecer o teto frontal da estufa, ou usar aquecedores elétricos, proporciona um aquecimento notável, seguro, sem gerar poluentes dentro da estufa, e o equipamento de aquecimento é fácil de controlar. Chen Weiqian e outros especialistas acreditam que o problema dos danos causados ​​pelo congelamento no inverno na região de Jiuquan dificulta o desenvolvimento da agricultura local no Deserto de Gobi, e que elementos de aquecimento elétrico podem ser utilizados para aquecer a estufa. No entanto, devido ao uso de recursos de energia elétrica de alta qualidade, o consumo de energia é elevado e o custo também. Sugere-se que seu uso seja apenas como um meio temporário de aquecimento emergencial em condições climáticas de frio extremo.

medidas de gestão ambiental

No processo de produção e utilização de estufas, o equipamento completo e seu funcionamento normal não garantem, de forma eficaz, que o ambiente térmico atenda aos requisitos de projeto. Na verdade, o uso e a gestão do equipamento desempenham um papel fundamental na formação e manutenção do ambiente térmico, sendo o mais importante deles a gestão diária do isolamento térmico e da ventilação.

Gestão de mantas de isolamento térmico

A manta de isolamento térmico é fundamental para o isolamento térmico noturno da cobertura frontal, sendo, portanto, extremamente importante otimizar seu manejo e manutenção diários, com atenção especial aos seguintes pontos: ① Escolher o horário adequado de abertura e fechamento da manta de isolamento térmico. O horário de abertura e fechamento da manta não só afeta o tempo de iluminação da estufa, como também o processo de aquecimento. Abrir ou fechar a manta muito cedo ou muito tarde não favorece a captação de calor. Pela manhã, se a manta for descoberta muito cedo, a temperatura interna cairá muito devido à baixa temperatura externa e à pouca luz. Por outro lado, se a manta for descoberta muito tarde, o tempo de exposição à luz na estufa será reduzido e o tempo para o aquecimento interno será retardado. À tarde, se a manta for fechada muito cedo, o tempo de exposição à luz interna será reduzido e a retenção de calor no solo e nas paredes internas será diminuída. Pelo contrário, se o isolamento térmico for desligado muito tarde, a dissipação de calor da estufa aumentará devido à baixa temperatura externa e à pouca luz. Portanto, de modo geral, ao ligar o isolamento térmico pela manhã, é recomendável que a temperatura suba após uma queda de 1 a 2 °C, enquanto que, ao desligá-lo, é recomendável que a temperatura suba após uma queda de 1 a 2 °C. ② Ao fechar o isolamento térmico, observe se ele cobre completamente toda a parte frontal do telhado e ajuste-o imediatamente se houver alguma folga. ③ Após a instalação completa do isolamento térmico, verifique se a parte inferior está compactada para evitar que o efeito de isolamento térmico seja perdido com o vento durante a noite. ④ Verifique e faça a manutenção do isolamento térmico regularmente, especialmente se estiver danificado, reparando-o ou substituindo-o imediatamente. ⑤ Fique atento às condições climáticas. Em caso de chuva ou neve, cubra o edredom de isolamento térmico imediatamente e remova a neve também imediatamente.

Gestão de ventilação

O objetivo da ventilação no inverno é ajustar a temperatura do ar para evitar temperaturas excessivas ao meio-dia; o segundo é eliminar a umidade interna, reduzir a umidade relativa do ar na estufa e controlar pragas e doenças; o terceiro é aumentar a concentração de CO2 no interior e promover o crescimento das culturas. No entanto, ventilação e conservação de calor são funções contraditórias. Se a ventilação não for gerenciada adequadamente, provavelmente levará a problemas de baixa temperatura. Portanto, o momento e a duração da abertura das aberturas de ventilação precisam ser ajustados dinamicamente de acordo com as condições ambientais da estufa a qualquer momento. Nas áreas não cultivadas do noroeste, o gerenciamento das aberturas de ventilação em estufas se divide principalmente em duas formas: operação manual e ventilação mecânica simples. Contudo, o tempo de abertura e ventilação das aberturas é baseado principalmente no julgamento subjetivo das pessoas, podendo ocorrer aberturas muito cedo ou muito tarde. Para solucionar esses problemas, Yin Yilei et al. desenvolveram um dispositivo inteligente de ventilação para telhados, capaz de determinar o momento de abertura e o tamanho da abertura e fechamento das aberturas de ventilação de acordo com as mudanças no ambiente interno. Com o aprofundamento das pesquisas sobre as leis da mudança ambiental e a demanda das culturas, bem como a popularização e o progresso de tecnologias e equipamentos como a percepção ambiental, a coleta, análise e controle de informações, a automação da gestão da ventilação em estufas solares deverá ser uma importante direção de desenvolvimento no futuro.

Outras medidas de gestão

Durante o uso de diferentes tipos de películas para cobertura, sua capacidade de transmissão de luz diminui gradualmente, e a velocidade dessa perda está relacionada não apenas às propriedades físicas da película, mas também ao ambiente e aos cuidados durante o uso. O fator mais importante que leva à redução da transmissão de luz é a contaminação da superfície da película. Portanto, é fundamental realizar a limpeza regularmente, sempre que possível. Além disso, a estrutura da estufa deve ser verificada periodicamente. Caso haja vazamentos nas paredes ou na cobertura frontal, eles devem ser reparados imediatamente para evitar a infiltração de ar frio na estufa.

Problemas existentes e direção de desenvolvimento

Pesquisadores têm explorado e estudado a tecnologia de preservação e armazenamento de calor, a tecnologia de gestão e os métodos de aquecimento de estufas em áreas não cultivadas do noroeste da China por muitos anos, o que basicamente viabilizou a produção de hortaliças durante o inverno, melhorando significativamente a capacidade das estufas de resistir a danos causados ​​pelo frio em baixas temperaturas. Isso representou uma contribuição histórica para aliviar o conflito entre a produção de alimentos e a produção de hortaliças, que competem por terras na China. No entanto, ainda existem alguns problemas relacionados à tecnologia de garantia de temperatura no noroeste da China.

Tipos de estufas a serem modernizados

Atualmente, os tipos de estufas mais comuns são os construídos no final do século XX e início deste século, com estrutura simples, projeto inadequado, baixa capacidade de manter o ambiente térmico ideal e resistir a desastres naturais, além da falta de padronização. Portanto, no futuro, o projeto de estufas deve padronizar a forma e a inclinação do telhado frontal, o ângulo de inclinação, a altura da parede posterior e a profundidade de rebaixamento, entre outros aspectos, levando em consideração a latitude e as características climáticas locais. Ao mesmo tempo, deve-se priorizar o cultivo de apenas uma cultura por estufa, de modo a garantir a padronização e o dimensionamento de acordo com as necessidades de luz e temperatura da cultura plantada.

A escala da estufa é relativamente pequena.

Se a escala da estufa for muito pequena, isso afetará a estabilidade do ambiente térmico e o desenvolvimento da mecanização. Com o aumento gradual do custo da mão de obra, o desenvolvimento da mecanização é uma direção importante para o futuro. Portanto, no futuro, devemos nos basear no nível de desenvolvimento local, levar em consideração as necessidades de mecanização, projetar racionalmente o espaço interno e o layout das estufas, acelerar a pesquisa e o desenvolvimento de equipamentos agrícolas adequados às áreas locais e aumentar a taxa de mecanização da produção em estufa. Ao mesmo tempo, de acordo com as necessidades das culturas e os padrões de cultivo, os equipamentos relevantes devem ser compatíveis com as normas, e a pesquisa e o desenvolvimento integrados, a inovação e a popularização de equipamentos de ventilação, redução de umidade, conservação de calor e aquecimento devem ser promovidos.

A espessura das paredes, como as de areia e blocos vazados, ainda é considerável.

Se a parede for muito espessa, embora o efeito de isolamento seja bom, reduzirá a taxa de utilização do solo, aumentará o custo e a dificuldade de construção. Portanto, no desenvolvimento futuro, por um lado, a espessura da parede pode ser otimizada cientificamente de acordo com as condições climáticas locais; por outro lado, devemos promover o desenvolvimento de paredes traseiras mais leves e simplificadas, de modo que estas mantenham apenas a função de conservação de calor, utilizando coletores solares e outros equipamentos para substituir o armazenamento e a liberação de calor pelas paredes. Os coletores solares possuem características como alta eficiência de coleta de calor, grande capacidade de captação, economia de energia e baixa emissão de carbono, e a maioria deles permite regulação e controle ativos, podendo realizar aquecimento exotérmico direcionado de acordo com as necessidades ambientais da estufa durante a noite, com maior eficiência na utilização do calor.

É necessário desenvolver um edredom especial com isolamento térmico.

A cobertura frontal é o principal elemento de dissipação de calor em estufas, e o desempenho do isolamento térmico da manta isolante afeta diretamente o ambiente térmico interno. Atualmente, em algumas regiões, a temperatura das estufas não é ideal, em parte devido à espessura insuficiente da manta isolante e à inadequação do material isolante. Além disso, a manta isolante ainda apresenta alguns problemas, como baixa impermeabilidade e resistência ao deslizamento, envelhecimento precoce dos materiais da superfície e do núcleo, etc. Portanto, no futuro, materiais isolantes adequados devem ser selecionados criteriosamente, levando em consideração as características e exigências climáticas locais, e mantas isolantes especiais, adequadas ao uso e à popularização em cada região, devem ser projetadas e desenvolvidas.

FIM

Informações citadas

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi, etc. Estado da arte da tecnologia de garantia de temperatura ambiental de estufa solar em terras não cultivadas do noroeste [J]. Tecnologia de Engenharia Agrícola, 2022,42(28):12-20.