溫室園藝 2018 11 12 日光溫室保溫被材料及保溫性能評價 馬承偉 王平智 趙淑梅 程杰宇 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院 農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室 北京 100083 中 國日光溫室具有優(yōu)良的 保溫節(jié)能特性 其中在 前屋面采用的外保溫覆蓋起 了非常重要的作用 日光溫 室外保溫覆蓋通常是采用夜 間展開保溫 白天卷起 不 影響溫室透光的活動式覆蓋 方式 因此日光溫室屋面外 保溫覆蓋基本采用不透光 厚而蓬松 保溫性能優(yōu)良的 材料制作 中國日光溫室的傳統(tǒng)外 保溫覆蓋 多使用稻草秸稈 編制而成的草苫 草簾 以及蒲草 蘆葦和其他山草 等編制的席簾狀材料 草苫 利用農業(yè)廢棄物資源 價格 較為便宜 也有較好的保溫 性 但較為笨重 卷放作業(yè) 勞動強度大 使用中易污染 損壞薄膜 防水性差 遇雨 雪容易浸水 腐爛 使保溫 性顯著降低 使用壽命縮短 一般僅能使用3年左右 20世紀90年代 隨著日 光溫室的快速發(fā)展 保溫被作 為替代草苫 蒲席的日光溫室 專用外保溫覆蓋材料 開始開 發(fā)并逐漸普及 圖1 同為非織造材料 采用回收的 廢舊棉 毛 人造纖維制品或 工業(yè)下腳料 紡織企業(yè)的布頭 和紗線頭 利用開松機 將其 破碎松解 生產出絨狀的再生 纖維 再通過針刺機進行加工 圖1 使用中的日光溫室保溫被 圖2 無紡布 圖3 再生纖維針刺氈 保溫被產品通常為多層復 合構造 主要包括保溫主芯材 防水層 面層等 其中主芯材 多為保溫性良好的纖維或多孔 性蓬松材料 目前市場上銷售 的保溫被 其主芯材主要有以 下幾種 無紡布 無紡布 圖2 即非織造 材料 又稱不織布 包括針刺 水刺 熱壓 紡粘 化學粘合 等工藝制成的產品 目前在設 施園藝工程中使用的非織造材 料主要有兩大類 一類是使用 熱壓或化學粘合制造的無紡布 這類材料主要是采用聚丙烯纖 維 聚酯纖維 粘膠纖維等短 纖維或者長絲 進行定向或隨 機排列 形成纖網結構 然后 采用熱粘或化學等方法加固而 成 另一類是使用各種纖維材 料采用針刺工藝制作的針刺氈 這類材料在日光溫室保溫被中 采用較多 可用作保溫芯材或 面層 再生纖維針刺氈 再生纖維針刺氈 圖3 保溫被保溫主芯材的種類 本期策劃 Special Planning DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2018 31 001 溫室園藝 2018 11 13 生產出的氈狀物 這些廢棄物 原料的利用 不僅有利于環(huán)保 節(jié)省資源 同時其保溫性良好 成本也很低廉 因此 在保溫 被中應用最多 再生纖維針刺氈通常用作 保溫被的保溫主芯材 也有一 些針刺氈采用纖維強度較高且 耐水 耐久性較好的原料 通 過適當提高針刺密度等工藝制 成 具有較為密實 抗拉強度 較高和耐久性較好的特性 可 兼用作保溫被的面料 聚乙烯微孔泡沫塑料 聚乙烯 PE 微孔泡沫 塑料 圖4 是以聚乙烯樹脂 為主體 加化學發(fā)泡劑 交聯(lián) 劑和其他助劑制成 其化學性 能穩(wěn)定 不易受腐蝕 密度小 26 50 kg m 3 閉孔的聚乙 烯泡沫塑料吸水性小 根據發(fā) 泡倍率不同 導熱系數一般為 0 04 0 095 W m K 用作保 溫芯材 具有良好的保溫性與 自防水性能 用作保溫被PE閉孔發(fā)泡材 料的厚度為10 15 mm的單層 整體材料 由于自身強度較低 在制成保溫被時 必須在上 下表面粘貼抗拉強度與耐久性 較好的材料 例如滌綸布等作 為面層 橡塑保溫材料 橡塑保溫材料 圖5 是采用丁腈橡膠與聚氯乙烯 NBR PVC 為主體材料 經復雜工藝發(fā)泡而成的軟質保 溫節(jié)能材料 在工業(yè)與民用方 面多用于各類冷熱介質管道 容器的保溫 近年也有些保溫 被將橡塑保溫材料用作主保溫 芯材 橡塑保溫材料為黑色海綿 狀 密度較小 40 60 kg m 3 因其為密閉式發(fā)泡結構 導熱 系數小 一般為0 035 W m K 左右 具有良好的保溫絕熱 性能 且密閉式發(fā)泡結構及 致密的表皮使水汽不易透過 吸水率低 橡塑保溫材料富 有柔軟性 用作保溫被材料 卷放容易 此外 橡塑保溫 材料防火阻燃性好 適用溫 度范圍廣 40 120 耐候性良好 耐酸抗堿 有 防止霉菌生長的特性 但其 價格較高一些 聚乙烯發(fā)泡棉 EPE 珍珠棉 聚乙烯發(fā)泡棉 圖6 是 由低密度聚乙烯脂經物理發(fā) 泡產生無數的獨立氣泡構成 化學性能穩(wěn)定 密度小 約 30 kg m 3 吸水性小 不同 發(fā)泡倍率珍珠棉的導熱系數 一般為0 04 0 095 W m K 因此 聚乙烯發(fā)泡棉具有良好 的保溫性與自防水性能 聚乙烯發(fā)泡棉材料通常為 厚度1 5 mm的片狀 可以與 其他保溫材料組合 也可數片 疊放一起 構成保溫被的保溫 芯材 與其他保溫材料組合使 用時 通常放在保溫被芯材的 上 下部位 可兼具保溫與防 水 隔氣的作用 噴膠棉 太空棉 或無膠棉 噴膠棉 圖7 是由天然 棉纖維 人造纖維或合成纖維 經拉松 梳理 噴膠 焙烘 固化而成 噴膠棉結構形成的 方法是將黏合劑噴灑在蓬松纖 維中 再經過烘燥 固化 使 纖維間的交接點被粘接 形成 蓬松的三維網狀結構 圖4 聚乙烯微孔泡沫塑料 圖5 橡塑保溫材料 圖6 聚乙烯發(fā)泡棉 EPE珍珠棉 圖7 噴膠棉 溫室園藝 2018 11 14 無膠棉又稱為熱熔絮棉 是采用低熔點纖維 通過在熱 熔態(tài)交接點處的粘連 同樣形 成類似噴膠棉的蓬松三維網狀 結構 噴膠棉與無膠棉具有多孔 性 高壓縮回彈性和高蓬松性 質輕 保溫性良好 適于用作 保溫芯材 同時由于其透氣性 高 抗拉強度與抗變形能力低 因此用作保溫被材料時 表面 必須結合具有較高抗拉強度與 一定隔氣作用的面層 保溫被面層材料 作為保溫被的面層材料 需具有較高抗拉強度 一定的 隔氣和防水性能 以及良好的 耐久性 前述無紡布 包括再 生纖維針刺氈等非織造材料 除用作保溫芯材以外 其抗拉 強度和耐久性較好者 也較多 用作保溫被的面層材料 此外 還有各種材料的牛津布 編織 簾材料 PE薄膜以及淋膜面 層等 圖8 被用作保溫被 面層材料 牛津布多用滌綸絲編織 具有較高抗拉強度與耐久性 編織簾材料一般為通過抗 老化處理的聚乙烯 HDPE 聚丙烯 PP 等各種塑料 經 熱熔擠出 拉伸成扁絲 再經 織造 編制而成 牛津布與編織簾均有一定 透氣性與透水性 因此為了使 面層具有隔氣 防水作用 需 采用涂覆或粘接等工藝 形成 隔氣 防水層 例如涂覆丙烯 酸油 或采用熱熔工藝粘貼PE 膜等方法 生產中也多采用流延工 藝 形成與面層材料緊密結合 的淋膜層的方法 這種淋膜工 藝也可直接用于一些保溫芯材 表面 例如針刺氈或無紡布表 面 使保溫主材與隔氣防水面 層結合為一體 在保溫被表面使用含鋁的 塑料薄膜 包括鋁箔膜 鍍鋁 膜或銀灰色膜 摻入了鋁粉 等 除具有防雨 隔氣的作用以外 由于這些膜表面對紅外輻射具 有較高的反射率和較低的吸收 率 發(fā)射率 因此 具有顯 著地阻止表面與環(huán)境熱輻射交 換的作用 用在保溫被表面 可增加其保溫性 保溫被的保溫性能 保溫性能評價 日光溫室屋面外保溫覆 蓋材料必須具有良好的保溫 性 防水性 機械強度以及耐 久性 其中最基本和最重要的 是保溫性 主要評價指標是傳 熱系數 是指在熱穩(wěn)定的狀態(tài) 下 覆蓋材料兩側空氣每1 K 或1 的溫差所引起的通 過覆蓋材料單位面積的熱流 量 其單位為W m 2 K 或 W m 2 滌綸牛津布面層 淋膜面層 具有鍍鋁表面的面層 針刺氈面層 圖8 各種面層的日光溫室保溫被 圖9 溫室覆蓋材料傳熱性能測試臺 溫室園藝 2018 11 15 根據NY T1831 2009 溫 室覆蓋材料保溫性測定方 法 中國農業(yè)大學農業(yè)農村 部設施農業(yè)工程重點實驗室利 用溫室覆蓋材料傳熱性能測試 臺 圖9 對多種日光溫室 保溫被的保溫性 傳熱系數 進行了測定 結果如表1所示 由表1可見 目前生產 使用的保溫被 其中保溫性較 好者 傳熱系數多在1 2 W m 2 以下 保溫性優(yōu)于傳 統(tǒng)的草苫 草簾 保溫被保溫性能的影響因素 保溫被保溫性的優(yōu)劣 主 要取決于保溫芯材自身材料的 保溫絕熱性以及材料的用量 材料相同的情況下 保溫被厚 度越大 單位面積重量越大 一 定程度上表明保溫材料用量 大 其保溫性越好 材料的保溫絕熱性 對于 以導熱形式傳熱的材料 用導 熱系數來評價 是指在穩(wěn)定傳 熱條件下 1 m厚度材料的兩 側表面每1 K 或1 的溫差 所引起的通過覆蓋材料單位面積 的熱流量 其單位為W m K 或W m 對于日光溫室保溫被 采 用的多數材料為多孔隙疏松材 料 材料中包含很多空氣 其 中的傳熱形式不僅有導熱 還 有空氣的對流以及孔隙表面間 的輻射傳熱 實際傳熱過程很 復雜 通常簡化為等效的導熱 過程 其保溫絕熱性 仍用導 熱系數來評價 而稱為表觀導 熱系數 或等效導熱系數 當 量導熱系數 表觀導熱系數 越小的材料 其保溫絕熱性越 好 幾種保溫被保溫材料的表 觀導熱系數如表2所示 噴膠棉 無膠棉以及聚乙 烯閉孔泡沫塑料 珍珠棉等材 料 均是優(yōu)良的保溫材料 其 重量較輕 有利于降低卷被的 負荷 但另一方面 卻易于被 大風掀動 造成冷風灌入 降 低了其保溫性 所以需要保溫 被分塊搭接牢固 在使用中覆 蓋時采用壓被線壓牢 再生纖維針刺氈的絕熱性 略低于上述材料 但由于其價 格低廉 如采用較多的材料 較厚的厚度 也可達到較好的 保溫性 在山東地區(qū)使用的這 類保溫被 已有厚度達到4 cm 以上 傳熱系數低于0 5 W m 2 的保溫性極好的產品 出現(xiàn) 保溫被表面使用對紅外 輻射具有較高的反射率的鋁箔 膜 鍍鋁膜或混鋁膜 銀灰色 膜 等材料作為面層時 可以 提高其保溫性 與紅外輻射較 低反射表面的保溫被相比 采 用鋁箔膜或鍍鋁膜一類較高反 表1 各種日光溫室屋面外保溫覆蓋材料的保溫性 外保溫覆蓋種類 各層材料組成 由上至下 厚度 cm 重量 kg m 2 傳熱系數 W m 2 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 二層針刺氈 四層珍珠棉 強 力針刺氈 4 5 3 03 0 42 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 強力針刺氈 3 5 4 63 0 56 多層復合材料保溫被 淋膜針刺氈 針刺厚棉氈 強力針刺氈 2 5 2 70 0 87 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺氈 定型網 強力針 刺氈 3 0 3 28 0 91 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 無紡布 強力 針刺氈 2 5 3 23 0 98 多層復合材料保溫被 鍍鋁珍珠棉 針刺厚棉氈 珍珠棉 2 3 2 18 1 01 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 無紡布 強力 針刺氈 3 0 3 98 1 16 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 強力針刺氈 2 0 2 71 1 18 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 強力針刺氈 2 0 2 47 1 23 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 二層棉絮 強力針刺氈 2 5 2 60 1 26 多層復合材料保溫被 強力針刺氈 三層針刺棉氈 強力針刺氈 3 0 2 64 1 26 噴膠棉 或無膠棉 保 溫被 滌綸布復合涂層PE膜 噴膠棉 或無膠棉 滌綸布 2 5 0 9 1 2 噴膠棉 或無膠棉 保 溫被 滌綸布復合涂層PE膜 噴膠棉 或無膠棉 滌綸布 3 8 1 4 0 9 聚乙烯泡沫塑料保溫被 滌綸布 聚乙烯閉孔泡沫塑料 滌綸布 1 0 1 3 0 6 0 8 2 3 1 8 草苫 草簾 稻草編織 2 4 2 4 2 0 1 5 注 1 傳熱系數為保溫覆蓋自身材料之外 下部還貼附有一層固定聚乙烯薄膜時的測定值 2 因資料來源不同 各覆蓋材料產 品的厚度測定方法不一致 表中提供的厚度值僅供參考 3 本表是在實驗室中 新制成品在理想工作條件下的測定值 在實際 的工作情況下 由于雨 雪 風以及搭接處漏風 產品老化和破損等原因 實際傳熱系數將增大 50 100 表2 幾種保溫材料的保溫絕熱性 保溫材料 表觀導熱系數 W m 非織造材料 無紡布 0 05 0 06 再生纖維針刺氈 0 05 0 07 聚乙烯微孔泡沫塑料 0 04 0 095 橡塑保溫材料 0 035 聚乙烯發(fā)泡棉 EPE 珍珠棉 0 04 0 095 噴膠棉 無膠棉 0 04 0 05 溫室園藝 2018 11 16 射率表面的保溫被傳熱系數將 降低2 8 高反射率上表 面時傳熱系數降低幅度高于高 反射率下表面時 兩面都采用 高反射率表面時傳熱系數降低 幅度最大 需要說明的是 表1中所 列各種外保溫覆蓋材料的傳熱 系數是在實驗室中 對外保溫 覆蓋材料的新制成品 在理想 的工作條件下測得的數據 在 實際的工作情況下 由于雨 雪 風等影響 并考慮草苫或保溫 被安裝搭接處的漏風 以及產 品發(fā)生老化和破損等各方面因 素 實際使用中的外保溫覆蓋 材料的傳熱系數 將比表中所 列數值要增大50 100 雨 雪和冷凝水浸濕保溫 被將大大降低其保溫性 為了 防止水分進入保溫被芯材中 較多保溫被設置有各類防水作 用的面層 防水層需要保持整 個表面完好 嚴密 防止水分 從破損處進入 同時 保溫被 縫合線的針孔處 水分易于進 入 也應進行適當的處理 保 溫被的防水 隔氣是個較難于 處理完善的問題 一些具有防 水 隔氣面層的保溫被 一旦 水分進入保溫芯材中 就很難 排出 如保溫被中水分過多 將會大大降低其保溫性 同時 遇寒冷天氣 保溫被中水分凍 硬結冰 會使其卷放困難 也 難與屋面貼合嚴密 其保溫性 會進一步降低 因此 目前在 一些冬季干燥少雨雪的地區(qū) 一些保溫被采取不設置防水隔 氣層的辦法 保溫被內外具有 一定的透氣性 這樣即使有少 量水分進入其內部 也容易排 出 這種方法可在干燥少雨雪 的地區(qū)采用 在防水性能方面 具有自 防水作用的聚乙烯泡沫塑料以 及橡塑保溫材料等保溫被具有 顯著優(yōu)勢 保溫被產品一般為1 5 6 m 寬度 通過分塊搭接 連接為 覆蓋屋面的整體覆蓋面 其搭 接接縫處 如處理不當 將會 在接縫處產生嚴重的冷風灌入 將顯著削弱其保溫性 目前一 般搭接方法有扣眼 系繩連接 尼龍粘扣連接與膠帶粘接等方 法 其中尼龍粘扣連接與膠帶 粘接的接縫相對較為嚴密 但 膠帶粘接對保溫被表面有平整 度等方面要求 對于纖維一類 表面粗糙的保溫被不能適用 參考文獻 1 日本施設園蕓協(xié)會 21世紀施設園蕓研 究會 施設園蕓用被覆資材 新訂 M 東京 園蕓情報 2004 2 一般社團法人日本施設園蕓協(xié)會 施 設園蕓 植物工場 M 東京 一般社團法人農山漁村文化協(xié) 會 2015 3 李士軍 郭世榮 設施園藝學 M 北 京 中國農業(yè)出版社 2011 4 陳端生 邱建軍 王剛 等 幾種日光 溫室外保溫覆蓋材料的保溫性能 J 農業(yè)工程學報 1996 12 增 108 115 5 周長吉 周新群 桂金光 幾種日光 溫室復合保溫被保溫性能分析 J 農 業(yè)工程學報 1999 15 2 168 171 6 徐剛毅 周長吉 日光溫室PE發(fā)泡 自防水保溫被的研制與性能測試 J 農業(yè)工程學報 2005 21 1 128 131 7 任艷芳 何俊瑜 溫祥珍 溫室保溫 覆蓋材料研究現(xiàn)狀及進展 J 山西農 業(yè)大學學報 2005 25 2 183 185 8 單明景 焦曉寧 鄭智新 新型保 溫被保溫層的研究 J 產業(yè)用紡織 品 2006 11 9 11 9 馬承偉 陳青云 農業(yè)設施設計 與建造 M 北京 中國農業(yè)出版 社 2007 10 喬正衛(wèi) 鄒志榮 張立明 等 4種 日光溫室保溫被室內的試驗性能測 試 J 西北農林科技大學學報 自 然科學版 2008 36 6 153 158 11 王玉娟 王進美 陳海珍 等 農 用日光溫室紡織復合保溫材料熱阻 濕阻的測試研究 J 產品用紡織 品 2014 6 38 41 12 劉晨霞 馬承偉 王平智 等 日 光溫室保溫被保溫性能影響 因素的分析 J 農業(yè)工程學 報 2015 31 20 186 193 項目支持 十二五 農村 領域國家科技計劃 863 計 劃 課題 日光溫室構件集 熱技術與智能控制系統(tǒng) 研究 2013AA102407 現(xiàn) 代 農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金 CARS 23 C02 作者簡介 馬承偉 1952 男 重慶人 教授 研究方向 設施 園藝環(huán)境工程 引用信息 馬承偉 王平智 趙淑梅 等 日光 溫室保溫被材料及保溫性能評價 J 農業(yè)工程技 術 2018 38 31 12 16