一种新疆常用保温被的性能测试与分析

姜鲁艳+张彩虹+吐尔逊娜依·热依木江+马艳+于秀针+马彩雯

【摘要】针对新疆市场上现有保温被在日光温室生产中保温效果欠佳的实际问题，本文试验选用标准化日光温室安装的一种保温被，材料由外到内为土工膜胶毡+毛毡+土工膜胶毡，重量2.1 kg/m2。按照保温被使用年限对选取保温被进行保温性能测试，采用温室覆盖材料保温性能测试台进行保温被整体传热系数测试；对保温被整体、内表层及外表层材料进行了导热系数测试；为了研究保温被的动态性能变化，模拟保温被多次卷放过后的拉伸性能，进行拉伸效果比对；评价保温被在新疆地区使用过程中存在的问题，为适于新疆不同生态区保温被的选型与改进提供理论依据。

距今，新疆设施农业经历了20多年的发展，截至2015年底全疆设施农业面积达到91万亩（6 万hm2），相关设施装备也有较快的发展。对于日光温室，在其外围护表面中，前屋面是主要的散热面，其传热系数最大，散失的热量约占温室热量总损失的70%～80%[1]。因此，在冬季日光温室整体保温性能中，前屋面覆蓋材料的保温能力对温室的保温性能有着很大的影响。国外，Garzoli、Blackwell建立了温室单层、双层塑料薄膜覆盖在夜间的热量损失模型[2-3]，Nijiskens等建立了考虑半透明覆盖材料对于远红外辐射透过特性的温室覆盖材料传热模型[4]。国内，凌坚、李树海等分别建立了温室多层覆盖的传热模型[5-6]。近年来，已经研究开发了各种类型的保温被，并得到大量的生产和应用[7-11]。对于已有的保温被产品，其保温性能可在保温被使用中的温室现场直接测定[12-14]，或在实验室中进行测定[12，15-17]。新疆地区用于保温被的材料也是各种各样，鲜少有一个较为规范的标准。有些保温被覆盖材料在初始性能测试时表现很差，达不到保温效果；有些保温被初始性能较好，但在使用过程中，在天气、外力等作用下，保温被保温性能快速下降，使得温室更新保温被的频率过快，造成大量经济损失。由于这种种因素，制约着日光温室保温性能的发挥。所以，针对现有生产中遇到的实际问题，本试验选用在新疆标准化日光温室上安装，应用面积较大的一种保温被，针对这种保温被的使用年限进行跟踪测试，根据NY/T 1831-2009《温室覆盖材料保温性能测定方法》的规定，采用温室覆盖材料保温性能测试台[18-20]对保温被的传热系数进行测试；对保温被整体材料、外表层材料及内表层材料分别进行了单独导热系数测试；为了研究保温被的动态性能变化，模拟保温被多次卷放过后的拉伸性能，进行拉伸效果比对；评价保温被在新疆地区使用过程中存在的问题，为适于新疆不同生态区保温被的选型与改进提供理论依据。

试验材料与方法

试验材料

◎ 试验保温覆盖材料

试验所选用的保温覆盖材料由外到内为土工膜胶毡+毛毡+土工膜胶毡，重量2.1 kg/m2（图1）。

◎ 试验温室

测试温室地点为西山农牧场项目示范区，距离乌鲁木齐市18 km，地处北纬43°31'30"，属中温带干旱气候区，日照充足、气候干燥、风沙大，每年8级以上大风日数在28天以上。

测试的标准化节能日光温室（图2）由新疆农业科学院农业机械化研究所设计建造，针对乌鲁木齐县的气候特点设计。配备JLL-1.5型电动卷帘机、5LDRF-2型燃煤热风炉以及采用齿轮齿条式开窗等温室专用设备。

测试温室结构的骨架为圆拱形拉花焊接式骨架结构，采用无立柱轻型后屋面结构，测试温室内种植品种为番茄。该温室的基本参数如表1。

试验方法

针对已选择的保温被，从2013年新被的初始状态开始，在标准化日光温室使用过程中第1年（2014年）和第2年（2015年）后，各截取同一个温室使用中1 m2的保温被进行跟踪测试。

试验结果与分析

室内外温度分析

数据采集仪器为JZH-P06-12无线多路温度传感器，间隔10 min对室内外温度采集1次数据，本次分析采用2015年冬至日当天及以后的两个整天数据，经过整理分析结果如图3。

测试结果表明：2015年12月22日～12月24日的标准化节能日光温室内，假设日光温室内使用的热风炉出风口温度恒定，三天温度平均值在0：00时室外温度为-12.03℃室内温度为11.5℃；在6：00时室外温度为-11.89℃室内温度为9.26℃，在14：00时室外温度为-7.61℃室内温度为24.06℃；在22：00时室外温度为-10.79℃室内温度为13.03℃，室内外温差均在20℃以上，说明使用中的保温被可以起到一定的保温效果。

保温被试验台

试验选用在标准化日光温室上安装，且在新疆大面积应用的一种保温被，进行保温被整体传热性能测试，测试方法按照NY/T 1831-2009《温室覆盖材料保温性测定方法》的规定进行。传热系数是反映这一复合过程中传热性能的综合性指标，它综合反映了覆盖材料自身物理特性以及与周围环境的相互作用，直接表示热量传递能力的大小。测试分析如表2。

测试结果表明：初始状态下的传热系数值最小，根据使用年限传热系数逐年上升，初始性能的热节省率为82.74%，使用1年后下降变化较小，使用2年后下降至78.20%，使用1年后比初始状态下多消耗热能0.09%，使用2年后比使用1年后多消耗热能4.45%。保温性能减弱。

保温被导热系数测试

按照保温被使用年限对选取保温被进行测试，对保温被整体材料、表层材料及里层材料分别进行了单独导热系数测试，测试结果如表3。

对保温被各层材料性能进行单独测试，表明里层材料的导热系数变化较小，整体保温被导热性能由初始的0.094 W/（m·K）到使用2年后的0.144 W/（m·K），保温导热性能下降较明显，但并不影响对其动态性能的分析。

保温被拉伸性能测试

保温被的使用环境要求保温被的外层材料要具备较强的抗拉性能，在风速快，风力强的冬季夜晚，保护保温被不被撕裂。为了研究保温被的动态性能变化，模拟保温被多次卷放过后的拉伸性能，实验对测试样被卷放200、400、600次之后的拉伸强度，并进行数据分析。

测试结果：整体保温被在多次卷放后，断裂强力变化较小，仅减少10.7 N，变化最为明显的是断裂

生长率，由初始的237.72%下降至106.05%，原因在于保温被在使用过程中，由于保温被缝合处进水导致里层性能变化及太阳辐射等原因，原本的柔性材料变脆变硬，在外力作用下容易撕裂。日光温室保温被的使用寿命与保温被的整体传热性能，抗拉伸性能有关。

讨论

① 新疆地区用于标准化日光温室的保温被的保温性能与保温被自身缝合方式及连接方式有关。由于雨雪从缝合处或粘贴处进入保温被里层，使得里层浸湿、腐烂，从而导致保温被失去保温效果，要提高保温被的保温效果，要提高保温被的缝合或粘贴处的密封设计。② 里层材料要保持较为稳定的蓬松度，且保温传热性能较好，这与抗拉伸性能有关。保温体强度与里层材料密不可分，但在使用过程中，由于卷放次数的增多，内层材料失去蓬松性变薄或分散开。所以保温体设计：在一定厚度和重量情况下，蓬松且使用过程中变形少，能最大限度富含静止空气的材料较为适用。③ 销售保温被的生产厂家，要根据已发布的新疆地方标准《日光温室保温被质量评价》的要求，规范保温被的宽度、厚度和单位面积质量等生产标准，如有需要可建立行业协会，防止低价恶性竞争，并在保温被产品上标明各种参数，如传热系数、抗拉性能等。

参考文献

[1] 陈端生，郑海山，刘步洲.日光温室气象环境综合研究（一）——

墙体、覆盖物热效应研究初报[J].农业工程学报，1990，6（2）：

77-81.

[2] Garzoli K V，Blackwell J.An analysis of the nocturnal

heat loss from a single skin plastic greenhouse[J].

Journal of Agricultural Engineering Research 1981，

26（3）： 203-204.

[3] Garzoli K V， Blackwell J. An analysis of the nocturnal heat

loss from a double skin plastic greenhouse[J].Journal of

Agricultural Engineering Research 1987， 36（2）： 75-85.

[4] Nijskens J，Deltour J，Coutisse S，et al.Heat transfer

through covering materials of greenhouse[J].Agricultural

and Forest Meteorology， 1984， 33（2/3）： 193-214.

[5] 凌坚，马承伟，林聪，等.温室缀铝膜保温幕节能性能的实验

研究初报[J].农业工程学报，2002，18（1）：89-92.

[6] 李树海，马承伟，张俊芳，等.多层覆盖连栋温室热环境模型构

建[J]. 农业工程学报，2004，20（3）：217-221.

[7] 徐刚毅，董天峰.日光温室保温被发展近况[J].蔬菜，1998（5）：14.

[8] 张放军，陈海珍.日光温室保温被的发展现状分析与进展[J].

纺织导报，2011（1）：73-76.

[9] 刘璎瑛，丁为民，张剑锋.日光温室保温帘揭盖时间的确定[J].

农业工程学报，2004，20（04）：230-233.

[10] 钟岩，罗新兰，李炳海，等.沈阳地区日光温室揭盖时间的模

拟[J].江苏农业科学，2009（3）：403-405.

[11] 佟国红，Christopher D M.，李天来，等.日光温室保温被卷

放位置对温度环境的影响[J].农业工程学报，2010，26（10）：

253-258.

[12] 陈端生，邱建军，王刚，等.几种日光温室外保温覆盖材料的

保温性能[J]. 农业工程学报，1996，12（增刊）：108-115.

[13] 周长吉，周新群，桂金光.几种日光温室复合保温被保温性能

分析[J].农业工程学报，1999，15（2）：168-171.

[14] 柴立龙，马承伟，王明磊，等.日光温室外覆盖复合材料保温

性能的实验研究[C].中国农业工程学会学术年会论文集.2007.

[15] 周新群.蜂窝结构材料保温性能及其应用研究[D].北京：中

国农业大学，1998.

[16] 覃密道.覆盖材料传热系数测试技术和设备的研究[D].北京：

中国农业大学，2004.

[17] 张俊芳.温室覆盖层传热及传热系数的理论解析与验证[D].

北京：中国农业大学，2005.

[18] Geoola F， Kashti Y， Levi A， et al. A study of the overall

heat transfer coefficient of greenhouse cladding

materials with thermal screen using the hot box

method[J]. Polymer Testing， 2009， 28（5）： 470-474.

[19] 张俊芳，马承伟，覃密道，等.温室覆盖材料传热系数测试台

的研究開发[J].农业工程学报，2005，21（11）：141-145.

项目支持：新疆维吾尔自治区科技计划（201130104），

新疆设施农业技术装备重点实验室（xjnkkl-2013-002）。

作者简介：姜鲁艳（1982-），女，山东人，助理研究员，研究方向：设施农业工程。

通信作者：马彩雯（1965-），女，天津人，研究员，研究方向：设施农业。