Li Jianming, Sun Guotao usw.Gewächshaus-Gartenbau-Agrartechnik21.11.2022, 17:42 Uhr, veröffentlicht in Peking

In den letzten Jahren hat sich die Gewächshausindustrie rasant entwickelt. Der Ausbau von Gewächshäusern verbessert nicht nur die Flächennutzung und die Erträge landwirtschaftlicher Produkte, sondern löst auch Versorgungsprobleme mit Obst und Gemüse außerhalb der Saison. Gleichzeitig steht die Gewächshausindustrie jedoch vor neuen Herausforderungen. Herkömmliche Anlagen, Heizmethoden und Konstruktionsformen erweisen sich als resistent gegenüber Umwelteinflüssen und weiteren Entwicklungen. Neue Materialien und Konstruktionen sind dringend erforderlich, um die Gewächshausstruktur zu verändern, und neue Energiequellen werden dringend benötigt, um Energieeinsparung und Umweltschutz zu erreichen sowie Produktion und Ertrag zu steigern.

Dieser Artikel behandelt das Thema „Neue Energien, neue Materialien, neues Design zur Unterstützung der neuen Gewächshausrevolution“ und umfasst die Forschung und Innovation von Solarenergie, Biomasseenergie, Geothermie und anderen neuen Energiequellen im Gewächshausbau, die Forschung und Anwendung neuer Materialien für Abdeckung, Wärmedämmung, Wände und andere Ausrüstungen sowie die Zukunftsperspektiven und Überlegungen zu neuen Energien, neuen Materialien und neuem Design zur Unterstützung der Gewächshausreform, um der Branche als Referenz zu dienen.

Der Ausbau der Gewächshauslandwirtschaft ist eine politische Notwendigkeit und unausweichliche Wahl zur Umsetzung der wichtigen Vorgaben und Beschlüsse der Zentralregierung. Im Jahr 2020 wird die Gesamtfläche der geschützten Landwirtschaft in China 2,8 Millionen Hektar betragen, und der Produktionswert wird 1 Billion Yuan übersteigen. Die Verbesserung der Gewächshausbeleuchtung und -wärmedämmung durch neue Energien, neue Materialien und innovative Gewächshauskonstruktionen ist ein wichtiger Weg zur Steigerung der Produktionskapazität. Die traditionelle Gewächshausproduktion weist zahlreiche Nachteile auf. So wird beispielsweise Kohle, Heizöl und andere Energieträger zum Heizen verwendet, was zu großen Mengen an Kohlendioxid führt und die Umwelt stark belastet. Gleichzeitig erhöhen Erdgas, Strom und andere Energiequellen die Betriebskosten von Gewächshäusern. Traditionelle Wärmespeichermaterialien für Gewächshauswände sind meist Lehm und Ziegel, die viel Material verbrauchen und die Bodenressourcen stark schädigen. Die Flächennutzungseffizienz herkömmlicher Solargewächshäuser mit Lehmwänden liegt nur bei 40–50 %. Da herkömmliche Gewächshäuser nur eine geringe Wärmespeicherkapazität aufweisen, können sie in Nordchina im Winter keine wärmeliebenden Gemüsesorten produzieren. Die Kernaufgabe der Förderung des Klimawandels bzw. der Grundlagenforschung im Gewächshausbau liegt daher in der Gewächshausplanung sowie in der Forschung und Entwicklung neuer Materialien und Energien. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Forschung und Innovation neuer Energiequellen im Gewächshausbau, fasst den Forschungsstand zu neuen Energiequellen wie Solarenergie, Biomasseenergie, Geothermie und Windenergie sowie zu neuen transparenten Abdeckungsmaterialien, Wärmedämmstoffen und Wandmaterialien zusammen, analysiert die Anwendung neuer Energien und Materialien im Gewächshausbau und gibt einen Ausblick auf deren Rolle für die zukünftige Entwicklung und Transformation des Gewächshauses.

Forschung und Innovation im Bereich neuer Energie-Treibhaus

Zu den grünen neuen Energien mit dem größten landwirtschaftlichen Nutzungspotenzial zählen Solarenergie, Geothermie und Biomasseenergie oder die umfassende Nutzung einer Vielzahl neuer Energiequellen, um durch gegenseitiges Lernen eine effiziente Energienutzung zu erreichen.

Solarenergie/Solarstrom

Solarenergie ist eine kohlenstoffarme, effiziente und nachhaltige Energieversorgungsmethode und ein wichtiger Bestandteil der strategischen Zukunftsbranchen Chinas. Sie wird für die Transformation und Modernisierung der chinesischen Energiestruktur künftig unverzichtbar sein. Gewächshäuser stellen selbst Anlagen zur Nutzung von Solarenergie dar. Durch den Treibhauseffekt wird die Sonnenenergie im Inneren des Gewächshauses gebündelt, die Temperatur erhöht und die für das Pflanzenwachstum benötigte Wärme bereitgestellt. Die Photosynthese der Gewächshauspflanzen basiert hauptsächlich auf direktem Sonnenlicht – eine direkte Nutzung von Solarenergie.

01 Photovoltaische Stromerzeugung zur Wärmeerzeugung

Die photovoltaische Stromerzeugung ist eine Technologie, die Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandelt, basierend auf dem photovoltaischen Effekt. Das Schlüsselelement dieser Technologie ist die Solarzelle. Wenn Sonnenenergie auf eine Reihe von in Reihe oder parallel geschalteten Solarmodulen trifft, wandeln Halbleiterbauelemente die Sonnenstrahlung direkt in elektrische Energie um. Die Photovoltaik-Technologie kann Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln, diese in Batterien speichern und nachts das Gewächshaus beheizen. Ihre hohen Kosten schränken jedoch ihre Weiterentwicklung ein. Die Forschungsgruppe entwickelte ein photovoltaisches Graphen-Heizgerät, bestehend aus flexiblen Photovoltaikmodulen, einer integrierten Umkehrsteuerung, einem Akku und einem Graphen-Heizstab. Je nach Länge der Pflanzreihe wird der Graphen-Heizstab unter dem Substratbeutel vergraben. Tagsüber absorbieren die Photovoltaikmodule Sonnenstrahlung, um Strom zu erzeugen und in der Batterie zu speichern. Nachts wird der Strom dann an den Graphen-Heizstab abgegeben. In den praktischen Messungen wurde ein Temperaturregelungsmodus mit einem Startwert von 17 °C und einem Endwert von 19 °C angewendet. Bei einem nächtlichen Betrieb (20:00–08:00 Uhr am zweiten Tag) über 8 Stunden beträgt der Energieverbrauch für die Beheizung einer einzelnen Pflanzenreihe 1,24 kWh, und die durchschnittliche Temperatur des Substratbeutels liegt nachts bei 19,2 °C, was 3,5–5,3 °C höher ist als in der Kontrollgruppe. Diese Heizmethode in Kombination mit Photovoltaik-Stromerzeugung löst die Probleme des hohen Energieverbrauchs und der hohen Umweltbelastung bei der Gewächshausbeheizung im Winter.

02 Photothermische Umwandlung und Nutzung

Die solare photothermische Umwandlung nutzt spezielle Oberflächen aus photothermischen Materialien, um möglichst viel einfallende Sonnenenergie zu sammeln, zu absorbieren und in Wärmeenergie umzuwandeln. Im Vergleich zu Photovoltaik-Anwendungen erhöht die solare photothermische Umwandlung die Absorption im Nahinfrarotbereich. Dadurch bietet sie eine höhere Energieausbeute, geringere Kosten und eine ausgereifte Technologie und ist die am weitesten verbreitete Methode der Solarenergienutzung.

Die ausgereifteste Technologie zur photothermischen Umwandlung und Nutzung in China ist der Solarkollektor. Dessen Kernstück ist der wärmeabsorbierende Plattenkern mit selektiver Absorptionsbeschichtung. Dieser wandelt die durch die Deckplatte hindurchtretende Sonnenstrahlung in Wärmeenergie um und leitet sie an das wärmeabsorbierende Arbeitsmedium weiter. Solarkollektoren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Flachkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren (mit oder ohne Vakuum), konzentrierende und nicht-konzentrierende Solarkollektoren (je nachdem, ob sich die Sonnenstrahlung am Austrittspunkt ändert) sowie Flüssigkeits- und Luftkollektoren (je nach Art des Wärmeträgermediums).

Die Nutzung von Solarenergie in Gewächshäusern erfolgt hauptsächlich über verschiedene Arten von Solarkollektoren. Die Ibn-Zor-Universität in Marokko hat ein aktives Solarenergie-Heizsystem (ASHS) zur Gewächshausbeheizung entwickelt, das die Tomatenproduktion im Winter um 55 % steigern kann. Die Chinesische Landwirtschaftsuniversität hat ein System zur Wärmegewinnung und -abfuhr mit Oberflächenkühler und Ventilator entwickelt, dessen Wärmekapazität zwischen 390,6 und 693,0 MJ liegt. Sie schlug außerdem vor, die Wärmegewinnung und -speicherung mittels Wärmepumpe zu trennen. Die Universität Bari in Italien hat ein Gewächshaus-Polygenerationsheizsystem entwickelt, das aus einer Solaranlage und einer Luft-Wasser-Wärmepumpe besteht und die Lufttemperatur um 3,6 % und die Bodentemperatur um 92 % erhöhen kann. Eine Forschungsgruppe hat zudem eine aktive Solarwärmekollektoranlage mit variablem Neigungswinkel für Solargewächshäuser sowie einen Wärmespeicher für das Wasser im Gewächshaus entwickelt, der unabhängig von den Witterungsbedingungen funktioniert. Aktive Solarwärmenutzung mit variabler Neigung überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Gewächshaus-Wärmenutzungsanlagen, wie z. B. begrenzte Wärmekapazität, Verschattung und Flächenverbrauch. Durch die spezielle Gewächshausstruktur wird die nicht bepflanzte Fläche optimal genutzt, was die Flächennutzungseffizienz deutlich steigert. Unter typischen sonnigen Bedingungen erreicht das aktive Solarwärmenutzungssystem mit variabler Neigung 1,9 MJ/(m²h), einen Wirkungsgrad von 85,1 % und eine Energieeinsparung von 77 %. Die Wärmespeichertechnologie im Gewächshaus nutzt eine Mehrphasenwechsel-Struktur, erhöht die Speicherkapazität und ermöglicht die langsame Wärmeabgabe. Dadurch wird die von der Solarwärmenutzungsanlage gesammelte Wärme effizient genutzt.

Biomasseenergie

Durch die Kombination einer Biomasse-Wärmeerzeugungsanlage mit einem Gewächshaus entsteht eine neue Anlagenstruktur. Biomasse-Rohstoffe wie Schweinemist, Pilzreste und Stroh werden kompostiert, um Wärme zu erzeugen. Die erzeugte Wärmeenergie wird direkt dem Gewächshaus zugeführt [5]. Im Vergleich zu einem Gewächshaus ohne Biomasse-Fermentationsheiztank kann das beheizte Gewächshaus die Bodentemperatur effektiv erhöhen und die optimale Wurzeltemperatur der angebauten Pflanzen im Winter unter normalen klimatischen Bedingungen aufrechterhalten. Am Beispiel eines einwandigen, asymmetrischen, wärmegedämmten Gewächshauses mit einer Spannweite von 17 m und einer Länge von 30 m lässt sich dies verdeutlichen: Die Zugabe von 8 m³ landwirtschaftlicher Abfälle (eine Mischung aus Tomatenstroh und Schweinemist) in den Fermentationstank zur natürlichen Fermentation ohne Umsetzen des Komposts erhöht die durchschnittliche Tagestemperatur im Gewächshaus im Winter um 4,2 °C, und die durchschnittliche tägliche Mindesttemperatur erreicht 4,6 °C.

Die energetische Nutzung von Biomasse durch kontrollierte Fermentation ist ein Fermentationsverfahren, bei dem Instrumente und Anlagen zur Steuerung des Fermentationsprozesses eingesetzt werden, um schnell und effizient Biomasse-Wärmeenergie und CO₂-Gas als Dünger zu gewinnen und zu nutzen. Belüftung und Feuchtigkeit sind dabei Schlüsselfaktoren für die Regulierung der Wärme- und Gasproduktion der Biomasse. Unter belüfteten Bedingungen nutzen aerobe Mikroorganismen im Fermentationshaufen Sauerstoff für ihre Lebensprozesse. Ein Teil der erzeugten Energie wird für ihre eigenen Lebensprozesse verwendet, der andere Teil wird als Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben, was zu einem Temperaturanstieg beiträgt. Wasser ist am gesamten Fermentationsprozess beteiligt, indem es notwendige lösliche Nährstoffe für die mikrobiellen Aktivitäten liefert und gleichzeitig die Wärme des Haufens in Form von Wasserdampf abführt. Dadurch wird die Temperatur im Haufen gesenkt, die Lebensdauer der Mikroorganismen verlängert und die Gesamttemperatur des Haufens erhöht. Der Einbau einer Strohauslaugungsvorrichtung in den Fermentationsbehälter kann die Innentemperatur im Winter um 3–5 °C erhöhen, die Photosynthese der Pflanzen fördern und den Tomatenertrag um 29,6 % steigern.

Geothermie

China verfügt über reiche geothermische Ressourcen. Derzeit wird geothermische Energie in landwirtschaftlichen Betrieben am häufigsten mittels Erdwärmepumpen genutzt. Diese wandeln Niedertemperaturwärme durch die Zufuhr geringer Mengen hochwertiger Energie (z. B. elektrischer Energie) in Hochtemperaturwärme um. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gewächshausheizverfahren erzielen Erdwärmepumpen nicht nur eine signifikante Heizleistung, sondern können das Gewächshaus auch kühlen und die Luftfeuchtigkeit reduzieren. Die Anwendung von Erdwärmepumpen im Wohnungsbau ist bereits weit fortgeschritten. Die Kernkomponente, die die Heiz- und Kühlleistung von Erdwärmepumpen beeinflusst, ist das unterirdische Wärmetauschersystem, bestehend aus verlegten Rohren, Brunnen usw. Die Entwicklung eines kosten- und wirkungsoptimierten unterirdischen Wärmetauschersystems ist daher seit jeher ein Forschungsschwerpunkt. Gleichzeitig beeinflusst die Temperaturänderung der Bodenschicht im Anwendungsbereich der Erdwärmepumpe deren Effizienz. Durch den Einsatz der Erdwärmepumpe zur Kühlung des Gewächshauses im Sommer und zur Speicherung der Wärmeenergie in der tiefen Bodenschicht kann der Temperaturabfall der unterirdischen Bodenschicht verringert und die Wärmeproduktionseffizienz der Erdwärmepumpe im Winter verbessert werden.

Aktuell wird im Rahmen der Forschung zur Leistung und Effizienz von Erdwärmepumpen anhand realer experimenteller Daten ein numerisches Modell mit Software wie TOUGH2 und TRNSYS erstellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Heizleistung und der Leistungsbeiwert (COP) von Erdwärmepumpen Werte zwischen 3,0 und 4,5 erreichen können, was auf eine gute Kühl- und Heizwirkung hindeutet. Fu Yunzhun et al. fanden in ihrer Untersuchung der Betriebsstrategie von Wärmepumpensystemen heraus, dass der Durchfluss auf der Erdwärmeseite im Vergleich zum Durchfluss auf der Lastseite einen größeren Einfluss auf die Leistung des Geräts und die Wärmeübertragungsleistung der verlegten Rohrleitungen hat. Unter den gegebenen Durchflussbedingungen kann der maximale COP-Wert des Geräts durch einen zweistündigen Betrieb gefolgt von einer zweistündigen Pause 4,17 erreichen. Shi Huixian et al. verwendeten einen intermittierenden Betriebsmodus für ein Wasserspeicherkühlsystem. Im Sommer, bei hohen Temperaturen, kann der COP des gesamten Energieversorgungssystems 3,80 erreichen.

Tiefenwärmespeichertechnologie im Gewächshaus

Die Tiefenspeicherung von Erdwärme in Gewächshäusern wird auch als „Wärmespeicherbank“ bezeichnet. Kälteschäden im Winter und hohe Temperaturen im Sommer stellen die größten Herausforderungen für die Gewächshausproduktion dar. Basierend auf der hohen Wärmespeicherkapazität tiefer Erdschichten entwickelte die Forschungsgruppe ein unterirdisches Tiefenspeichersystem für Gewächshäuser. Dieses System besteht aus einer doppelwandigen, parallel verlaufenden Wärmeleitung, die in einer Tiefe von 1,5 bis 2,5 m im Gewächshaus verlegt ist. Der Lufteinlass befindet sich oben im Gewächshaus, der Luftauslass am Boden. Bei hohen Temperaturen im Gewächshaus wird die Raumluft mittels eines Ventilators in den Boden gepumpt, um Wärme zu speichern und die Temperatur zu senken. Bei niedrigen Temperaturen wird dem Boden Wärme entzogen, um das Gewächshaus zu erwärmen. Die Ergebnisse aus Produktion und Anwendung zeigen, dass das System die Gewächshaustemperatur in Winternächten um 2,3 °C erhöhen, die Innentemperatur an Sommertagen um 2,6 °C senken und den Tomatenertrag auf 667 m² um 1500 kg steigern kann.²Das Gerät nutzt die Eigenschaften des tiefen Untergrunds – „warm im Winter und kühl im Sommer“ sowie „konstante Temperatur“ – voll aus, stellt eine „Energiereserve“ für das Gewächshaus bereit und übernimmt kontinuierlich die Hilfsfunktionen der Gewächshauskühlung und -heizung.

Multi-Energie-Koordination

Die Nutzung von zwei oder mehr Energiearten zur Beheizung von Gewächshäusern kann die Nachteile einer einzelnen Energieart effektiv ausgleichen und den Superpositionseffekt „eins plus eins ist mehr als zwei“ nutzen. Die komplementäre Zusammenarbeit von Geothermie und Solarenergie ist in den letzten Jahren ein Forschungsschwerpunkt im Bereich der neuen Energienutzung in der Landwirtschaft geworden. Emmi et al. untersuchten ein Multiquellen-Energiesystem (Abbildung 1), das mit einem photovoltaisch-thermischen Hybrid-Solarkollektor ausgestattet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Luft-Wasser-Wärmepumpensystemen konnte die Energieeffizienz dieses Systems um 16–25 % gesteigert werden. Zheng et al. entwickelten ein neuartiges gekoppeltes Wärmespeichersystem aus Solarenergie und Erdwärmepumpe. Das Solarkollektorsystem ermöglicht eine hochwertige saisonale Wärmespeicherung, d. h. hochwertige Heizung im Winter und hochwertige Kühlung im Sommer. Der erdverlegte Rohrwärmetauscher und der intermittierende Wärmespeicher arbeiten in diesem System optimal zusammen, und der COP-Wert des Systems erreicht 6,96.

In Kombination mit Solarenergie zielt das Verfahren darauf ab, den Verbrauch von Netzstrom zu reduzieren und die Stabilität der Solarstromversorgung im Gewächshaus zu verbessern. Wan Ya et al. haben ein neues intelligentes Steuerungssystem entwickelt, das Solarstromerzeugung und Netzstrom für die Gewächshausheizung kombiniert. Dieses System nutzt Photovoltaikstrom bei Lichteinfall und wandelt ihn bei Dunkelheit in Netzstrom um. Dadurch werden Stromausfälle deutlich reduziert und die Betriebskosten durch den Verzicht auf Batterien gesenkt.

Solarenergie, Biomasseenergie und elektrische Energie können gemeinsam zur Beheizung von Gewächshäusern genutzt werden und erzielen dabei einen hohen Wirkungsgrad. Zhang Liangrui und andere kombinierten die solare Vakuumröhren-Wärmekollektoren mit einem elektrischen Wärmespeicher. Das Gewächshausheizsystem bietet einen hohen thermischen Komfort und erreicht einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 68,70 %. Der elektrische Wärmespeicher dient als Biomasse-Wärmespeicher mit elektrischer Beheizung. Die niedrigste Wassereintrittstemperatur am Heizende ist festgelegt, und die Betriebsstrategie des Systems wird anhand der Wassertemperaturen im Solarkollektor und im Biomasse-Wärmespeicher bestimmt, um eine stabile Heiztemperatur am Heizende zu gewährleisten und den Verbrauch von elektrischer Energie und Biomasse zu maximieren.

Innovative Forschung und Anwendung neuer Gewächshausmaterialien

Mit der Ausweitung der Gewächshausflächen treten die Anwendungsnachteile traditioneller Gewächshausmaterialien wie Ziegel und Erde immer deutlicher zutage. Um die Wärmeleistung von Gewächshäusern weiter zu verbessern und den Entwicklungsanforderungen moderner Gewächshäuser gerecht zu werden, werden daher zahlreiche neue transparente Abdeckungsmaterialien, Wärmedämmstoffe und Wandmaterialien erforscht und angewendet.

Forschung und Anwendung neuer transparenter Abdeckmaterialien

Zu den transparenten Abdeckungsmaterialien für Gewächshäuser zählen hauptsächlich Kunststofffolien, Glas, Solarpaneele und Photovoltaikpaneele, wobei Kunststofffolien das größte Anwendungsgebiet haben. Herkömmliche PE-Folien für Gewächshäuser weisen jedoch Nachteile wie kurze Lebensdauer, mangelnde Abbaubarkeit und eingeschränkte Funktionalität auf. Inzwischen werden durch die Zugabe von funktionellen Reagenzien oder Beschichtungen zahlreiche neue Funktionsfolien entwickelt.

Lichtumwandlungsfolie:Die Lichtumwandlungsfolie verändert die optischen Eigenschaften der Folie mithilfe von Lichtumwandlungsmitteln wie Seltenerdmetallen und Nanomaterialien. Sie wandelt ultraviolettes Licht in rot-oranges und blau-violettes Licht um, das für die Photosynthese von Pflanzen notwendig ist. Dadurch werden Ernteerträge gesteigert und UV-Schäden an Pflanzen und Gewächshausfolien in Kunststoffgewächshäusern reduziert. Beispielsweise kann die breitbandige violett-rote Gewächshausfolie mit dem Lichtumwandlungsmittel VTR-660 die Infrarotdurchlässigkeit im Gewächshaus deutlich verbessern. Im Vergleich zum Kontrollgewächshaus steigen der Tomatenertrag pro Hektar sowie der Vitamin-C- und Lycopingehalt signifikant um 25,71 %, 11,11 % bzw. 33,04 %. Allerdings müssen derzeit noch die Lebensdauer, die Abbaubarkeit und die Kosten der neuen Lichtumwandlungsfolie untersucht werden.

verstreutes GlasStreuglas in Gewächshäusern zeichnet sich durch eine spezielle Oberflächenstruktur und Antireflexionsbeschichtung aus. Dadurch wird das einfallende Sonnenlicht in Streulicht umgewandelt, das ins Gewächshaus gelangt, die Photosynthese der Pflanzen verbessert und der Ertrag gesteigert. Das Streuglas wandelt das einfallende Licht durch spezielle Strukturen in Streulicht um, das gleichmäßiger im Gewächshaus verteilt wird und den Schattenwurf des Gerüsts minimiert. Im Vergleich zu normalem Floatglas und hochweißem Floatglas beträgt die Lichtdurchlässigkeit von Streuglas 91,5 %, während sie bei normalem Floatglas 88 % beträgt. Jede Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit im Gewächshaus um 1 % führt zu einer Ertragssteigerung von etwa 3 % und einem höheren Gehalt an löslichem Zucker und Vitamin C in Obst und Gemüse. Das Streuglas wird zunächst beschichtet und anschließend gehärtet. Die Selbstzerstörungsrate liegt mit 2 ‰ über dem nationalen Standard.

Forschung und Anwendung neuer Wärmedämmstoffe

Die traditionellen Wärmedämmstoffe in Gewächshäusern umfassen hauptsächlich Strohmatten, Papiervlies und Nadelfilz-Wärmedämmmatten. Diese werden vorwiegend zur Innen- und Außendämmung von Dächern, Wänden sowie zur Wärmedämmung von Wärmespeichern und Wärmesammelvorrichtungen eingesetzt. Die meisten dieser Materialien weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie aufgrund von innerer Feuchtigkeit nach längerer Nutzung an Dämmleistung verlieren. Daher gibt es zahlreiche Anwendungsgebiete für neue, hochwärmedämmende Materialien, wobei neuartige Wärmedämmmatten sowie Wärmespeicher und Wärmesammelvorrichtungen im Fokus der Forschung stehen.

Neue Wärmedämmstoffe werden üblicherweise durch die Verarbeitung und Kombination von oberflächenwasserdichten und alterungsbeständigen Materialien wie Gewebefolie und beschichtetem Filz mit flauschigen Wärmedämmstoffen wie sprühbeschichteter Baumwolle, Kaschmir und Perlbaumwolle hergestellt. Eine mit sprühbeschichteter Baumwolle verstärkte Wärmedämmdecke wurde in Nordostchina getestet. Dabei zeigte sich, dass die Zugabe von 500 g sprühbeschichteter Baumwolle der Wärmedämmleistung einer handelsüblichen, 4500 g schweren schwarzen Filz-Wärmedämmdecke entsprach. Unter gleichen Bedingungen verbesserte sich die Wärmedämmleistung von 700 g sprühbeschichteter Baumwolle im Vergleich zu 500 g um 1–2 °C. Andere Studien kamen ebenfalls zu dem Ergebnis, dass sprühbeschichtete Baumwoll- und Kaschmir-Wärmedämmdecken im Vergleich zu herkömmlichen Decken eine bessere Wärmedämmwirkung aufweisen (84,0 % bzw. 83,3 %). Bei einer Außentemperatur von -24,4 °C können Innentemperaturen von 5,4 °C bzw. 4,2 °C erreicht werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Isolierdecken aus Stroh zeichnet sich die neue Verbundisolierung durch geringes Gewicht, hohe Isolierfähigkeit, starke Wasserdichtigkeit und Alterungsbeständigkeit aus und eignet sich als neuartiges, hocheffizientes Isoliermaterial für Solargewächshäuser.

Gleichzeitig ergab die Forschung an Wärmedämmstoffen für Gewächshaus-Wärmespeicheranlagen, dass mehrlagige Verbunddämmstoffe bei gleicher Dicke eine bessere Wärmedämmleistung aufweisen als Einzelmaterialien. Das Team um Professor Li Jianming von der Northwest A&F University entwickelte und testete 22 verschiedene Wärmedämmstoffe für Gewächshaus-Wasserspeicher, darunter Vakuumplatten, Aerogel und Gummiwatte, und maß deren thermische Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigten, dass ein Verbunddämmstoff aus 80 mm Wärmedämmschicht, Aerogel und Gummiwatte die Wärmeabgabe im Vergleich zu 80 mm Gummiwatte um 0,367 MJ pro Zeiteinheit reduzieren konnte. Der Wärmedurchgangskoeffizient betrug 0,283 W/(m²·K) bei einer Dicke der Dämmkombination von 100 mm.

Phasenwechselmaterialien gehören zu den wichtigsten Forschungsgebieten im Bereich der Gewächshausmaterialien. Die Northwest A&F University hat zwei Arten von Speichersystemen für Phasenwechselmaterialien entwickelt: Zum einen eine Speicherbox aus schwarzem Polyethylen mit den Maßen 50 cm × 30 cm × 14 cm (Länge × Höhe × Dicke), die mit Phasenwechselmaterial gefüllt ist und Wärme speichert und abgibt. Zum anderen wurde eine neuartige Phasenwechsel-Wandplatte entwickelt. Diese besteht aus Phasenwechselmaterial, Aluminiumplatten, Aluminium-Kunststoffplatten und einer Aluminiumlegierung. Das Phasenwechselmaterial befindet sich im Zentrum der Wandplatte und hat die Abmessungen 200 mm × 200 mm × 50 mm. Es ist sowohl vor als auch nach dem Phasenwechsel ein pulverförmiger Feststoff und schmilzt oder fließt nicht. Die vier Wände bestehen jeweils aus Aluminium- und Aluminium-Kunststoffplatten. Dieses System ermöglicht die Speicherung von Wärme tagsüber und die Wärmeabgabe nachts.

Daher ergeben sich bei der Anwendung einzelner Wärmedämmstoffe einige Probleme, wie z. B. geringe Wärmedämmleistung, hohe Wärmeverluste und kurze Wärmespeicherzeit. Durch den Einsatz von Verbundwärmedämmstoffen als Wärmedämmschicht sowie als Wärmedämmschicht für die Innen- und Außenfläche von Wärmespeichern lässt sich die Wärmedämmleistung von Gewächshäusern effektiv verbessern, die Wärmeverluste reduzieren und somit Energie einsparen.

Forschung und Anwendung der neuen Wand

Als eine Art Umhüllungsstruktur bildet die Wand eine wichtige Barriere für den Kälteschutz und die Wärmespeicherung im Gewächshaus. Je nach Wandmaterial und -konstruktion lassen sich drei Arten von Gewächshausnordwänden unterscheiden: einschichtige Wände aus Lehm, Ziegeln usw., mehrschichtige Nordwände aus Tonziegeln, Blockziegeln, Polystyrolplatten usw. mit innerer Wärmespeicherung und äußerer Wärmedämmung. Der Bau dieser Wände ist meist zeit- und arbeitsaufwändig. Daher sind in den letzten Jahren viele neue Wandtypen entwickelt worden, die sich durch einfache Montage und schnelle Aufbauweise auszeichnen.

Die Entwicklung neuartiger, vorgefertigter Wände fördert die rasante Entwicklung von Gewächshäusern. Dazu gehören neuartige Verbundwände mit wasserdichten und alterungsbeständigen Oberflächenmaterialien sowie Wärmedämmschichten aus Filz, Perlwatte, Isolierwatte, Glasfaserwatte oder Recyclingwatte, wie beispielsweise flexible, vorgefertigte Wände aus spritzgebundener Watte in Xinjiang. Weitere Studien berichten über Nordwände von Gewächshäusern mit Wärmespeicherschicht, wie etwa Ziegel-Weizenschalenmörtelblöcke in Xinjiang. Unter gleichen Umgebungsbedingungen und bei einer Außentemperatur von -20,8 °C beträgt die Temperatur im Gewächshaus mit Weizenschalenmörtelblock-Verbundwand 7,5 °C, im Gewächshaus mit Ziegel-Betonwand hingegen nur 3,2 °C. Die Tomatenernte im Ziegelgewächshaus kann um 16 Tage vorverlegt und der Ertrag um 18,4 % gesteigert werden.

Das Team der Northwest A&F University entwickelte die Idee, aus Stroh, Erde, Wasser, Steinen und Phasenwechselmaterialien Wärmedämm- und Wärmespeichermodule herzustellen. Dabei wurden Lichtverhältnisse und eine vereinfachte Wandkonstruktion berücksichtigt, was die Anwendungsforschung für modulare Wände förderte. So ist beispielsweise die Durchschnittstemperatur in dem Gewächshaus an einem typischen Sonnentag um 4,0 °C höher als in einem herkömmlichen Ziegelgewächshaus. Drei Arten von anorganischen Phasenwechsel-Zementmodulen, die aus Phasenwechselmaterial (PCM) und Zement bestehen, haben Wärmemengen von 74,5, 88,0 bzw. 95,1 MJ/m² gespeichert.³und setzten Wärmemengen von 59,8, 67,8 und 84,2 MJ/m² frei.³Sie haben jeweils die Funktion, tagsüber „Spitzen abzudecken“ und nachts „Tallücken zu füllen“, im Sommer Wärme aufzunehmen und im Winter Wärme abzugeben.

Diese neuen Wände werden vor Ort montiert und zeichnen sich durch kurze Bauzeiten und lange Lebensdauer aus. Dadurch werden die Voraussetzungen für den Bau leichter, einfacher und schnell montierbarer Fertiggewächshäuser geschaffen, was die bauliche Modernisierung von Gewächshäusern maßgeblich vorantreiben kann. Allerdings weisen diese Wände auch einige Nachteile auf: So bietet die mit Sprühwatte beschichtete Wärmedämmmatte zwar eine ausgezeichnete Wärmedämmung, speichert aber nur wenig Wärme, und der Einsatz von Phasenwechselmaterialien ist mit hohen Kosten verbunden. Zukünftig sollte die Anwendungsforschung für vorgefertigte Wände daher intensiviert werden.

Neue Energien, neue Materialien und neue Konstruktionen tragen zur Veränderung der Gewächshausstruktur bei.

Die Forschung und Entwicklung neuer Energien und Materialien bildet die Grundlage für innovative Gewächshauskonstruktionen. Energiesparende Solargewächshäuser und Bogenhallen sind die größten Gewächshausstrukturen in Chinas Landwirtschaft und spielen eine wichtige Rolle in der Produktion. Mit der Entwicklung der chinesischen Wirtschaft treten jedoch die Schwächen dieser beiden Bauarten immer deutlicher zutage. Erstens ist der Platzbedarf gering und der Mechanisierungsgrad niedrig. Zweitens bieten energiesparende Solargewächshäuser zwar eine gute Wärmedämmung, benötigen aber wenig Fläche, was einer Substitution von Energie durch Land gleichkommt. Herkömmliche Bogenhallen sind nicht nur klein, sondern weisen auch eine schlechte Wärmedämmung auf. Mehrfeldgewächshäuser bieten zwar viel Platz, haben aber eine schlechte Wärmedämmung und einen hohen Energieverbrauch. Daher ist es unerlässlich, Gewächshauskonstruktionen zu erforschen und zu entwickeln, die dem aktuellen sozioökonomischen Entwicklungsstand Chinas entsprechen. Die Forschung und Entwicklung neuer Energien und Materialien wird dazu beitragen, die Gewächshauskonstruktionen zu verändern und eine Vielzahl innovativer Modelle und Strukturen hervorzubringen.

Innovative Forschung an einem großspannigen, asymmetrischen, wassergesteuerten Braugewächshaus

Das großflächige, asymmetrische, wassergesteuerte Braugewächshaus (Patentnummer: ZL 201220391214.2) basiert auf dem Prinzip des Sonnenlichtgewächshauses. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffgewächshäusern wurde die symmetrische Struktur verändert. Die südliche Spannweite wurde vergrößert, wodurch die Lichtfläche des Süddachs erhöht und die nördliche Spannweite sowie die Wärmeverlustfläche verringert wurden. Das Gewächshaus weist eine Spannweite von 18–24 m und eine Firsthöhe von 6–7 m auf. Durch innovative Konstruktionsmaßnahmen konnte die Raumnutzung deutlich gesteigert werden. Gleichzeitig werden die Probleme unzureichender Wärme im Gewächshaus im Winter und der mangelhaften Wärmedämmung herkömmlicher Dämmstoffe durch den Einsatz neuer Technologien zur Nutzung von Biomasse-Brauwärme und spezieller Dämmstoffe gelöst. Die Produktions- und Forschungsergebnisse zeigen, dass das großflächige, asymmetrische, wasserregulierte Braugewächshaus mit einer Durchschnittstemperatur von 11,7 °C an sonnigen und 10,8 °C an bewölkten Tagen den Bedarf für das Pflanzenwachstum im Winter decken kann. Die Baukosten des Gewächshauses werden im Vergleich zu einem Gewächshaus mit Polystyrol-Ziegelwänden um 39,6 % gesenkt und die Flächennutzungsrate um mehr als 30 % erhöht. Daher eignet es sich für die weitere Verbreitung und Anwendung im Einzugsgebiet des Gelben Huaihe-Flusses in China.

Zusammengebautes Sonnenlichtgewächshaus

Das vorgefertigte Solargewächshaus nutzt Säulen und ein Dachgerüst als tragende Struktur. Die Wände bestehen hauptsächlich aus einer Wärmedämmung und nicht aus tragenden, passiven Wärmespeichern und -abgabematerialien. Im Wesentlichen werden folgende Materialien verwendet: (1) Eine neuartige Wandkonstruktion aus verschiedenen Materialien wie beschichteten Folien oder farbigen Stahlblechen, Strohblöcken, flexiblen Wärmedämmmatten, Mörtelblöcken usw. (2) Verbundwandplatten aus vorgefertigten Zementplatten, Polystyrolplatten und Zementplatten. (3) Leichte und einfach zu montierende Wärmedämmmaterialien mit aktiven Wärmespeicher- und -abgabesystemen sowie Entfeuchtungssystemen, wie z. B. Wärmespeicher in Form von Kunststoffbehältern oder Rohrleitungen. Der Einsatz dieser neuen Wärmedämm- und Wärmespeichermaterialien anstelle traditioneller Lehmwände ermöglicht eine platzsparende und bautechnisch effiziente Errichtung von Solargewächshäusern. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Temperatur im Gewächshaus nachts im Winter um 4,5 °C höher liegt als in einem herkömmlichen Gewächshaus mit Ziegelwänden. Die Rückwand ist 166 mm dick. Im Vergleich zu einem Gewächshaus mit 600 mm dicken Ziegelwänden reduziert sich die benötigte Wandfläche um 72 %. Die Kosten pro Quadratmeter betragen 334,5 Yuan, was einer Senkung um 157,2 Yuan entspricht. Die Baukosten sind somit deutlich gesunken. Das vorgefertigte Gewächshaus bietet daher Vorteile wie geringeren Flächenverbrauch, Flächenersparnis, schnelle Bauzeit und lange Lebensdauer und stellt somit einen wichtigen Innovationsansatz für die Entwicklung von Solargewächshäusern dar – heute und in Zukunft.

Schiebe-Sonnenschutzgewächshaus

Das von der Landwirtschaftlichen Universität Shenyang entwickelte, aus Skateboards zusammengesetzte, energiesparende Solargewächshaus nutzt die Rückwand des Gewächshauses als wasserzirkulierendes Wärmespeichersystem zur Wärmespeicherung und Temperaturerhöhung. Es besteht hauptsächlich aus einem Becken (32 m²).³), eine Lichtsammelplatte (360 m²Das Gewächshaus besteht aus einer Wasserpumpe, einem Wasserrohr und einer Steuerung. Die flexible Wärmedämmmatte wurde oben durch ein neues, leichtes, farbiges Stahlblech aus Steinwolle ersetzt. Untersuchungen zeigen, dass diese Konstruktion das Problem der Lichtblockade durch Giebel effektiv löst und die Lichteinfallsfläche des Gewächshauses vergrößert. Der Beleuchtungswinkel des Gewächshauses beträgt 41,5° und ist damit fast 16° höher als der des Vergleichsgewächshauses, wodurch die Lichtausbeute verbessert wird. Die Temperaturverteilung im Inneren ist gleichmäßig, und die Pflanzen wachsen optimal. Das Gewächshaus bietet die Vorteile einer effizienteren Flächennutzung, flexibler Größenanpassung und kürzerer Bauzeit, was für den Schutz von Ackerland und Umwelt von großer Bedeutung ist.

Photovoltaik-Gewächshaus

Das landwirtschaftliche Gewächshaus integriert solare Photovoltaik-Stromerzeugung, intelligente Temperaturregelung und moderne Anbautechnik. Es besteht aus einer Stahlrahmenkonstruktion und ist mit Photovoltaikmodulen bestückt, um sowohl den Beleuchtungsbedarf der Module als auch den des gesamten Gewächshauses zu decken. Der durch Solarenergie erzeugte Gleichstrom ergänzt die Beleuchtung des Gewächshauses, unterstützt den Betrieb der Anlagen, treibt die Bewässerung an, erhöht die Temperatur und fördert das Pflanzenwachstum. Die Photovoltaikmodule beeinflussen jedoch die Lichtausbeute des Gewächshausdachs und somit das Wachstum der Pflanzen. Daher ist die optimale Anordnung der Photovoltaikmodule auf dem Dach entscheidend. Das landwirtschaftliche Gewächshaus ist das Ergebnis der Verbindung von touristischer Landwirtschaft und Gewächshausgärtnerei und stellt eine innovative Agrarindustrie dar, die Photovoltaik-Stromerzeugung, touristische Angebote, Pflanzenanbau, Agrartechnologie sowie Landschafts- und Kulturentwicklung vereint.

Innovatives Design einer Gewächshausgruppe mit energetischer Wechselwirkung zwischen verschiedenen Gewächshaustypen

Guo Wenzhong, Forscher an der Pekinger Akademie für Agrar- und Forstwissenschaften, nutzt die Wärmeübertragung zwischen Gewächshäusern, um die Restwärme eines oder mehrerer Gewächshäuser zu sammeln und damit andere zu beheizen. Dieses Heizverfahren ermöglicht einen zeitlichen und räumlichen Energietransfer zwischen den Gewächshäusern, verbessert die Energieeffizienz der verbleibenden Wärmeenergie und reduziert den Gesamtenergieverbrauch für die Heizung. Die beiden Gewächshaustypen können unterschiedlich oder vom gleichen Typ sein und für den Anbau verschiedener Kulturen wie Salat und Tomaten genutzt werden. Die Wärmegewinnung erfolgt hauptsächlich durch die Entnahme von Wärme aus der Innenraumluft und die direkte Nutzung der einfallenden Strahlung. Mithilfe von Solarenergie, erzwungener Konvektion durch Wärmetauscher und Wärmepumpen wird die überschüssige Wärme aus den Hochenergiegewächshäusern zur Beheizung genutzt.

zusammenfassen

Diese neuen Solargewächshäuser zeichnen sich durch schnelle Montage, verkürzte Bauzeit und verbesserte Flächennutzung aus. Daher ist es notwendig, ihre Leistungsfähigkeit in verschiedenen Bereichen weiter zu erforschen und die Möglichkeit für ihre breite Anwendung zu schaffen. Gleichzeitig muss der Einsatz neuer Energien und Materialien im Gewächshausbau kontinuierlich verstärkt werden, um die strukturelle Reform dieser Technologie voranzutreiben.

Zukunftsperspektiven und Denkweisen

Traditionelle Gewächshäuser weisen häufig Nachteile wie hohen Energieverbrauch, geringe Flächennutzung, hohen Zeit- und Arbeitsaufwand sowie geringe Leistung auf. Sie genügen daher nicht mehr den Produktionsanforderungen der modernen Landwirtschaft und werden zwangsläufig nach und nach ersetzt. Aus diesem Grund ist die Nutzung neuer Energiequellen wie Solar-, Biomasse-, Geothermie- und Windenergie sowie neuer Materialien und Konstruktionen ein Entwicklungstrend, um den Strukturwandel im Gewächshausbau voranzutreiben. Neue, auf neuen Energien und Materialien basierende Gewächshäuser sollten nicht nur mechanisiert betrieben werden können, sondern auch Energie, Fläche und Kosten sparen. Darüber hinaus ist es notwendig, die Leistungsfähigkeit neuer Gewächshäuser in verschiedenen Anwendungsbereichen kontinuierlich zu untersuchen, um die Voraussetzungen für eine breite Verbreitung zu schaffen. Zukünftig sollten wir verstärkt nach geeigneten neuen Energien und Materialien für den Gewächshausbau suchen und die optimale Kombination aus diesen finden. Ziel ist es, kostengünstige, schnell errichtete, energieeffiziente und leistungsstarke Gewächshäuser zu entwickeln, die den Strukturwandel im Gewächshausbau fördern und die Modernisierung des Gewächshausbaus in China vorantreiben.

Obwohl der Einsatz neuer Energien, Materialien und Konstruktionen im Gewächshausbau unaufhaltsam ist, müssen noch zahlreiche Herausforderungen bewältigt werden: (1) Steigende Baukosten. Im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen mit Kohle, Erdgas oder Öl ist der Einsatz neuer Energien und Materialien zwar umweltfreundlich und emissionsarm, die Baukosten steigen jedoch deutlich an, was die Amortisation der Investitionen in Produktion und Betrieb beeinträchtigt. Im Vergleich zur Energienutzung sind die Kosten für neue Materialien deutlich höher. (2) Schwankende Wärmenutzung. Der größte Vorteil neuer Energien liegt in den niedrigen Betriebskosten und dem geringen CO₂-Ausstoß. Die Energie- und Wärmeversorgung ist jedoch instabil, und Bewölkung stellt den größten limitierenden Faktor für die Nutzung von Solarenergie dar. Bei der Biomasse-Wärmeerzeugung durch Fermentation ist die effektive Nutzung dieser Energie durch die geringe Fermentationswärme, die schwierige Steuerung und Kontrolle sowie den hohen Platzbedarf für den Transport der Rohstoffe eingeschränkt. (3) Technologische Reife. Die Technologien, die für neue Energien und Materialien genutzt werden, basieren auf fortgeschrittener Forschung und Technologie, ihr Anwendungsbereich ist jedoch noch begrenzt. Sie haben noch nicht viele Versuche, umfangreiche Praxiserprobungen und Tests an verschiedenen Standorten durchlaufen, und es bestehen zwangsläufig einige Mängel und technische Inhalte, die in der Anwendung verbessert werden müssen. Anwender lehnen den technologischen Fortschritt oft aufgrund dieser kleineren Mängel ab. (4) Die Verbreitung der Technologie ist gering. Die breite Anwendung einer wissenschaftlichen und technologischen Errungenschaft erfordert eine gewisse Bekanntheit. Derzeit konzentrieren sich neue Energien, neue Technologien und neue Gewächshauskonstruktionstechnologien auf Forschungsteams an Universitäten mit entsprechender Innovationskraft, und die meisten technischen Anwender oder Planer sind damit noch nicht vertraut. Gleichzeitig ist die Verbreitung und Anwendung neuer Technologien aufgrund der Patentierung der Kernkomponenten noch recht eingeschränkt. (5) Die Integration von neuen Energien, neuen Materialien und Gewächshauskonstruktionen muss weiter gestärkt werden. Da Energie, Materialien und Gewächshauskonstruktionen drei unterschiedlichen Disziplinen angehören, fehlt es Fachkräften mit Erfahrung in der Gewächshauskonstruktion oft an Forschungskenntnissen im Bereich energie- und materialbezogener Gewächshäuser, und umgekehrt. Daher müssen Forscher im Bereich der Energie- und Materialforschung die tatsächlichen Bedürfnisse der Gewächshausindustrie eingehender untersuchen und verstehen. Auch Konstrukteure sollten neue Materialien und neue Energien erforschen, um die enge Verknüpfung dieser drei Bereiche zu fördern und so praxisorientierte Gewächshaustechnologien mit niedrigen Baukosten und hoher Nutzungseffizienz zu realisieren. Ausgehend von diesen Herausforderungen wird empfohlen, dass Staat, Kommunen und Forschungseinrichtungen die technische Forschung intensivieren, gemeinsame Forschungsprojekte vertiefen, die Bekanntmachung wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften verbessern und deren Verbreitung fördern, um die Entwicklung neuer Energien und Materialien für die Gewächshausindustrie rasch voranzutreiben.

Zitierte Informationen

Li Jianming, Sun Guotao, Li Haojie, Li Rui, Hu Yixin. Neue Energien, neue Materialien und neues Design tragen zur neuen Revolution im Gewächshausbau bei [J]. Vegetables, 2022,(10):1-8.