Gewächshaus-Gartenbau-Agrartechnik, veröffentlicht am 02.12.2022 um 17:30 Uhr in Peking

Die Entwicklung von Solargewächshäusern in unkultivierten Gebieten wie Wüsten, der Gobi und Sandböden hat den Landkonflikt zwischen Nahrungsmitteln und Gemüse effektiv gelöst. Die Temperatur ist einer der entscheidenden Umweltfaktoren für das Wachstum und die Entwicklung temperaturempfindlicher Pflanzen und bestimmt oft den Erfolg oder Misserfolg der Gewächshausproduktion. Um Solargewächshäuser in unkultivierten Gebieten zu entwickeln, muss daher zunächst das Temperaturproblem gelöst werden. Dieser Artikel fasst die in den letzten Jahren in Gewächshäusern auf unkultivierten Flächen angewandten Temperaturkontrollmethoden zusammen und analysiert die bestehenden Probleme sowie die Entwicklungsrichtungen im Bereich Temperatur- und Umweltschutz in diesen Solargewächshäusern.

China verfügt über eine große Bevölkerung und begrenzte Landressourcen. Mehr als 85 % der Landressourcen sind ungenutzte Flächen, die sich hauptsächlich im Nordwesten Chinas konzentrieren. Dokument Nr. 1 des Zentralkomitees aus dem Jahr 2022 betonte die Notwendigkeit, die Entwicklung der Gewächshauslandwirtschaft zu beschleunigen und unter Berücksichtigung des Umweltschutzes nutzbare Brachflächen und Ödland für den Bau von Gewächshäusern zu erschließen. Nordwestchina ist reich an Wüsten, der Tiefsee (Gobi), Ödland und anderen ungenutzten Flächen sowie an natürlichen Licht- und Wärmeressourcen und eignet sich daher ideal für die Entwicklung der Gewächshauslandwirtschaft. Die Entwicklung und Nutzung ungenutzter Flächen für den Bau von Gewächshäusern ist daher von großer strategischer Bedeutung für die Sicherung der nationalen Ernährungssicherheit und die Entschärfung von Landnutzungskonflikten.

Derzeit ist die Nutzung von Solargewächshäusern ohne Anbaufläche die wichtigste Form der hocheffizienten landwirtschaftlichen Nutzung auf Brachland. Im Nordwesten Chinas sind die Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht groß, und die Nachttemperaturen im Winter sind niedrig. Dies führt häufig dazu, dass die Mindesttemperatur im Gewächshaus unter dem für das normale Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen erforderlichen Wert liegt. Die Temperatur ist einer der unverzichtbaren Umweltfaktoren für das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen. Zu niedrige Temperaturen verlangsamen die physiologischen und biochemischen Reaktionen der Pflanzen und hemmen ihr Wachstum und ihre Entwicklung. Unterschreitet die Temperatur die Toleranzgrenze der Pflanzen, kann dies sogar zu Frostschäden führen. Daher ist es besonders wichtig, die für das normale Wachstum und die Entwicklung der Pflanzen erforderliche Temperatur sicherzustellen. Die Aufrechterhaltung der richtigen Temperatur im Solargewächshaus ist nicht mit einer einzigen Maßnahme zu bewältigen. Sie erfordert die Berücksichtigung verschiedener Aspekte wie Gewächshausdesign, Konstruktion, Materialauswahl, Regulierung und tägliches Management. Dieser Artikel fasst daher den Forschungsstand und die Fortschritte bei der Temperaturkontrolle von nicht kultivierten Gewächshäusern in China in den letzten Jahren aus den Perspektiven Gewächshausdesign und -konstruktion, Wärmespeicherung und Erwärmungsmaßnahmen sowie Umweltmanagement zusammen, um eine systematische Grundlage für die rationale Planung und Bewirtschaftung von nicht kultivierten Gewächshäusern zu schaffen.

Gewächshausstruktur und Materialien

Das thermische Umfeld eines Gewächshauses hängt hauptsächlich von der Transmission, Interzeption und Speicherkapazität des Gewächshauses für Sonnenstrahlung ab. Dies hängt mit einer vernünftigen Gestaltung der Gewächshausausrichtung, der Form und des Materials der lichtdurchlässigen Oberflächen, der Struktur und des Materials der Wände und des Rückdachs, der Fundamentisolierung, der Gewächshausgröße, der Art der Nachtisolierung und des Materials des Vorderdachs usw. zusammen und hängt auch davon ab, ob der Bau und der Bauprozess des Gewächshauses die effektive Umsetzung der Designanforderungen gewährleisten können.

Lichtdurchlässigkeit des Frontdachs

Die Hauptenergiequelle im Gewächshaus ist die Sonne. Eine Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit des Frontdachs trägt dazu bei, dass das Gewächshaus mehr Wärme aufnimmt und ist zudem eine wichtige Grundlage für ein stabiles Temperaturklima im Winter. Derzeit gibt es drei Hauptmethoden, um die Lichtdurchlässigkeit und die Lichtaufnahmedauer des Frontdachs zu verbessern.

01. Entwurf einer vernünftigen Gewächshausausrichtung und eines angemessenen Azimuts

Die Ausrichtung eines Gewächshauses beeinflusst dessen Lichtverhältnisse und Wärmespeicherkapazität. Um eine maximale Wärmespeicherung zu erreichen, sind nicht bewirtschaftete Gewächshäuser in Nordwestchina daher nach Süden ausgerichtet. Bei einer Ausrichtung von Süd nach Ost ist es vorteilhaft, die Sonneneinstrahlung optimal zu nutzen, wodurch die Innentemperatur morgens schnell ansteigt. Eine Ausrichtung von Süd nach West hingegen ermöglicht die Nutzung des Nachmittagslichts. Die südliche Ausrichtung stellt einen Kompromiss zwischen diesen beiden Aspekten dar. Geophysikalischen Erkenntnissen zufolge dreht sich die Erde täglich um 360°, und der Sonnenstand ändert sich etwa alle vier Minuten um 1°. Daher ändert sich die Dauer der direkten Sonneneinstrahlung um etwa vier Minuten, wenn sich der Sonnenstand des Gewächshauses um 1° ändert. Der Sonnenstand beeinflusst somit, wann das Gewächshaus morgens und abends Licht erhält.

Wenn die Sonnenstunden am Morgen und Nachmittag gleich lang sind und Ost oder West im gleichen Winkel stehen, erhält das Gewächshaus die gleiche Lichtmenge. Nördlich des 37. Breitengrades sind die Temperaturen morgens jedoch niedrig, und der Zeitpunkt für das Entfernen der Abdeckung ist spät, während die Temperaturen nachmittags und abends relativ hoch sind. Daher ist es ratsam, das Schließen der Wärmedämmung später vorzunehmen. In diesen Gebieten sollte daher eine Ausrichtung nach Süden bis Westen gewählt werden, um das Nachmittagslicht optimal zu nutzen. In Gebieten zwischen dem 30. und 35. Breitengrad Nord kann aufgrund der besseren Lichtverhältnisse am Morgen der Zeitpunkt für die Wärmespeicherung und das Entfernen der Abdeckung ebenfalls vorverlegt werden. Daher sollten diese Gebiete eine Ausrichtung nach Südosten wählen, um möglichst viel morgendliche Sonneneinstrahlung für das Gewächshaus zu erhalten. Im Gebiet zwischen dem 35. und 37. Breitengrad Nord gibt es hingegen kaum Unterschiede in der Sonneneinstrahlung am Morgen und Nachmittag, sodass hier eine Ausrichtung nach Süden vorzuziehen ist. Unabhängig von der Ausrichtung (Südost oder Südwest) beträgt der Abweichungswinkel in der Regel 5° bis 8°, maximal jedoch 10°. Nordwestchina liegt zwischen 37° und 50° nördlicher Breite, daher verläuft der Azimutwinkel von Gewächshäusern üblicherweise von Süden nach Westen. Aus diesem Grund wurde für das von Zhang Jingshe et al. in Taiyuan entworfene Gewächshaus eine Ausrichtung von 5° westlich von Süden gewählt, für das von Chang Meimei et al. im Gobi-Gebiet des Hexi-Korridors errichtete Gewächshaus eine Ausrichtung von 5° bis 10° westlich von Süden und für das von Ma Zhigui et al. in Nord-Xinjiang errichtete Gewächshaus eine Ausrichtung von 8° westlich von Süden.

02. Angemessene Dachform und Neigungswinkel der Frontseite entwerfen

Die Form und Neigung des Frontdachs bestimmen den Einfallswinkel der Sonnenstrahlen. Je kleiner der Einfallswinkel, desto höher die Lichtdurchlässigkeit. Sun Juren ist der Ansicht, dass die Form des Frontdachs hauptsächlich durch das Verhältnis der Länge der Hauptbeleuchtungsfläche zur rückwärtigen Neigung bestimmt wird. Eine lange vorderwärtige und eine kurze rückwärtige Neigung verbessern die Beleuchtung und Wärmedämmung des Frontdachs. Chen Wei-Qian und andere vertreten die Ansicht, dass das Hauptbeleuchtungsdach von Solargewächshäusern in der Gobi-Region einen Kreisbogen mit einem Radius von 4,5 m aufweist, der effektiv vor Kälte schützt. Zhang Jingshe et al. halten hingegen einen Halbkreisbogen für das Frontdach von Gewächshäusern in alpinen und hochgelegenen Gebieten für geeigneter. Bezüglich des Neigungswinkels des Frontdachs gilt gemäß den Lichtdurchlässigkeitseigenschaften von Kunststofffolie: Bei einem Einfallswinkel von 0° bis 40° ist die Reflexion des Frontdachs für Sonnenlicht gering, steigt jedoch bei Winkeln über 40° deutlich an. Daher wird ein maximaler Einfallswinkel von 40° zur Berechnung des Neigungswinkels des Vorderdachs angenommen, um sicherzustellen, dass auch zur Wintersonnenwende die Sonneneinstrahlung maximal in das Gewächshaus eindringen kann. He Bin et al. berechneten daher bei der Planung eines für unkultivierte Gebiete in Wuhai (Innere Mongolei) geeigneten Solargewächshauses den Neigungswinkel des Vorderdachs mit einem Einfallswinkel von 40° und kamen zu dem Schluss, dass ein Wert von über 30° die Anforderungen an Beleuchtung und Wärmedämmung des Gewächshauses erfüllt. Zhang Caihong et al. stellten fest, dass beim Bau von Gewächshäusern in unkultivierten Gebieten Xinjiangs der Neigungswinkel des Vorderdachs in Süd-Xinjiang 31° beträgt, während er in Nord-Xinjiang zwischen 32° und 33,5° liegt.

03 Geeignete transparente Abdeckmaterialien auswählen.

Neben dem Einfluss der Sonneneinstrahlung im Freien sind auch das Material und die Lichtdurchlässigkeitseigenschaften von Gewächshausfolien wichtige Faktoren für das Licht- und Wärmeklima im Gewächshaus. Derzeit variiert die Lichtdurchlässigkeit von Kunststofffolien wie PE, PVC, EVA und PO aufgrund unterschiedlicher Materialien und Foliendicken. Im Allgemeinen liegt die Lichtdurchlässigkeit von Folien, die 1–3 Jahre im Einsatz sind, im Durchschnitt bei über 88 %. Die Auswahl der Folie sollte sich nach den Licht- und Temperaturanforderungen der angebauten Pflanzen richten. Neben der Lichtdurchlässigkeit gewinnt auch die Lichtverteilung im Gewächshaus zunehmend an Bedeutung. Daher erfreuen sich lichtdurchlässige Abdeckmaterialien mit verbesserter Lichtstreuung in der Branche, insbesondere in den sonnenreichen Gebieten Nordwestchinas, in den letzten Jahren großer Beliebtheit. Durch die Anwendung von Folien mit verbesserter Lichtstreuung wurde die Abschattung der oberen und unteren Bereiche des Pflanzenbestands verringert, die Lichtmenge in den mittleren und unteren Bereichen des Pflanzenbestands erhöht, die photosynthetischen Eigenschaften der gesamten Kulturpflanze verbessert und ein guter Effekt auf die Förderung des Wachstums und die Steigerung der Produktion erzielt.

Angemessene Gestaltung der Gewächshausgröße

Die Länge eines Gewächshauses ist weder zu lang noch zu kurz, was die Temperaturregulierung im Inneren beeinträchtigt. Ist das Gewächshaus zu kurz, ist die von den Ost- und Westgiebeln beschattete Fläche vor Sonnenaufgang und Sonnenuntergang groß, was die Erwärmung des Gewächshauses behindert. Aufgrund des geringen Volumens wird zudem die Wärmeaufnahme und -abgabe von Boden und Wänden beeinträchtigt. Ist das Gewächshaus hingegen zu lang, lässt sich die Temperatur im Inneren nur schwer regulieren. Außerdem kann die Stabilität der Gewächshauskonstruktion und die Funktion des Rollmechanismus der Wärmedämmmatten beeinträchtigt werden. Höhe und Spannweite des Gewächshauses beeinflussen direkt die Tageslichtnutzung durch das Vorderdach, die Größe des Gewächshausraums und den Dämmgrad. Bei gleichbleibender Spannweite und Länge kann eine Erhöhung der Gewächshaushöhe den Einfallswinkel des Vorderdachs verbessern und somit die Lichtdurchlässigkeit erhöhen. Aus thermischer Sicht führt eine größere Wandhöhe zu einer größeren Wärmespeicherfläche an der Rückwand, was die Wärmespeicherung und -abgabe verbessert. Darüber hinaus bietet ein Gewächshaus viel Platz, eine hohe Wärmekapazität und ein stabileres thermisches Klima. Allerdings steigen mit zunehmender Höhe auch die Kosten, was sorgfältig abgewogen werden muss. Daher sollten bei der Planung eines Gewächshauses Länge, Spannweite und Höhe an die lokalen Gegebenheiten angepasst werden. Zhang Caihong et al. beispielsweise gehen davon aus, dass in Nord-Xinjiang die Länge von Gewächshäusern 50–80 m, die Spannweite 7 m und die Höhe 3,9 m beträgt, während in Süd-Xinjiang die Werte 50–80 m, die Spannweite 8 m und die Höhe 3,6–4,0 m sind. Die Spannweite sollte mindestens 7 m betragen, wobei bei 8 m die beste Wärmedämmung erreicht wird. Darüber hinaus sind Chen Weiqian und andere der Ansicht, dass die Länge, Spannweite und Höhe des Solargewächshauses 80 m, 8–10 m bzw. 3,8–4,2 m betragen sollten, wenn es in der Gobi-Region von Jiuquan, Gansu, gebaut wird.

Verbesserung der Wärmespeicher- und Dämmleistung der Wand

Tagsüber speichert die Wand Wärme durch Absorption der Sonnenstrahlung und der Raumluft. Nachts, wenn die Innentemperatur unter der Wandtemperatur liegt, gibt die Wand passiv Wärme ab und heizt so das Gewächshaus. Als Hauptwärmespeicher des Gewächshauses kann die Wand durch ihre erhöhte Wärmespeicherkapazität das nächtliche Raumklima deutlich verbessern. Gleichzeitig bildet die Wärmedämmung der Wand die Grundlage für ein stabiles thermisches Klima im Gewächshaus. Derzeit existieren verschiedene Methoden zur Verbesserung der Wärmespeicher- und Dämmkapazität von Wänden.

01. Entwurf einer vernünftigen Wandkonstruktion

Die Hauptfunktion der Wände besteht in der Wärmespeicherung und -erhaltung. Gleichzeitig dienen die meisten Gewächshauswände auch als tragende Elemente zur Unterstützung des Dachstuhls. Um ein optimales Raumklima zu erzielen, sollte eine sinnvolle Wandkonstruktion innen über ausreichend Wärmespeicherkapazität und außen über ausreichend Wärmeerhaltungskapazität verfügen und gleichzeitig unnötige Wärmebrücken minimieren. Im Rahmen der Forschung zur Wärmespeicherung und -dämmung von Wänden entwarfen Bao Encai et al. in der Wüstenregion Wuhai in der Inneren Mongolei eine passive Wärmespeicherwand aus verfestigtem Sand. Als Dämmschicht außen diente poröser Ziegelstein, als Wärmespeicherschicht innen verfestigter Sand. Tests ergaben, dass die Innentemperatur an sonnigen Tagen 13,7 °C erreichen konnte. Ma Yuehong et al. entwarfen in Nord-Xinjiang eine Verbundwand aus Weizenkleie-Mörtelblöcken. Hierbei wurden die Mörtelblöcke mit Branntkalk als Wärmespeicherschicht gefüllt, während außen Schlackensäcke als Dämmschicht geschichtet wurden. Die von Zhao Peng et al. in der Gobi-Region der Provinz Gansu entworfene Hohlblocksteinwand verwendet außen 100 mm dicke Benzolplatten als Dämmschicht und innen Sand und Hohlblocksteine ​​als Wärmespeicherschicht. Tests zeigen, dass die durchschnittliche Temperatur im Winter nachts über 10 °C liegt. Auch Chai Regeneration et al. verwenden in der Gobi-Region der Provinz Gansu Sand und Kies als Dämm- und Wärmespeicherschicht für ihre Wände. Um Wärmebrücken zu reduzieren, entwarfen Yan Junyue et al. eine leichte und einfach konstruierte Rückwand. Diese verbessert nicht nur den Wärmedurchgangswiderstand, sondern auch die Dichtigkeit der Wand durch das Aufbringen von Polystyrolplatten an der Außenseite. Wu Letian et al. setzten über dem Fundament der Gewächshauswand einen Stahlbetonringbalken und verwendeten direkt darüber trapezförmige Ziegel als Dachstütze. Dadurch wurde das Problem von Rissen und Fundamentabsenkungen gelöst, die in Gewächshäusern in Hotian, Xinjiang, häufig auftreten und die Wärmedämmung beeinträchtigen.

02 Geeignete Wärmespeicher- und Dämmstoffe auswählen.

Die Wärmespeicher- und Dämmwirkung der Wände hängt in erster Linie von der Materialwahl ab. In der nordwestchinesischen Wüste Gobi, in Sandgebieten und anderen Regionen nutzten Forscher je nach Standortbedingungen lokale Materialien und entwickelten mutige Konstruktionen für verschiedene Rückwände von Solargewächshäusern. So verwendeten Zhang Guosen et al. beispielsweise Sand und Kies als Wärmespeicher- und Dämmschicht in den Wänden, als sie Gewächshäuser in Sand- und Kiesgebieten in Gansu errichteten. Entsprechend den Gegebenheiten der Gobi und der Wüste in Nordwestchina entwarf Zhao Peng eine Hohlblockwand aus Sandstein und Hohlblocksteinen. Tests ergaben eine durchschnittliche Nachttemperatur im Inneren von über 10 °C. Angesichts der Knappheit an Baumaterialien wie Ziegeln und Lehm in der Gobi-Region Nordwestchinas stellten Zhou Changji et al. bei der Untersuchung von Solargewächshäusern in der Gobi-Region von Kizilsu Kirgisistan (Xinjiang) fest, dass dort üblicherweise Kieselsteine ​​als Wandmaterial verwendet werden. Aufgrund der thermischen Eigenschaften und der mechanischen Festigkeit von Kieselsteinen weisen Gewächshäuser aus Kieselsteinen eine gute Wärmedämmung, Wärmespeicherung und Tragfähigkeit auf. Auch Zhang Yong et al. verwenden Kieselsteine ​​als Hauptmaterial für die Wände und haben in Shanxi und anderen Regionen eine unabhängige, wärmespeichernde Kieselstein-Rückwand entwickelt. Tests belegen eine gute Wärmespeicherwirkung. Zhang et al. entwarfen zudem eine Sandsteinwand, die speziell auf die Gegebenheiten der nordwestlichen Gobi-Region zugeschnitten ist und die Innentemperatur um 2,5 °C erhöhen kann. Ma Yuehong et al. untersuchten in Hotian, Xinjiang, die Wärmespeicherkapazität von mit Blöcken gefüllten Sandwänden, Blockwänden und Ziegelwänden. Die Ergebnisse zeigten, dass die mit Blöcken gefüllte Sandwand die größte Wärmespeicherkapazität aufwies. Um die Wärmespeicherleistung von Wänden weiter zu verbessern, entwickeln Forscher aktiv neue Wärmespeichermaterialien und -technologien. So schlug Bao Encai beispielsweise ein Phasenwechsel-Härtungsmittel vor, das die Wärmespeicherkapazität der Rückwand von Solargewächshäusern in unkultivierten Gebieten Nordwestchinas verbessern kann. Bei der Erforschung lokaler Materialien werden auch Heuhaufen, Schlacke, Benzolplatten und Stroh als Wandbaustoffe verwendet. Diese Materialien dienen jedoch meist nur der Wärmedämmung und haben keine Wärmespeicherkapazität. Im Allgemeinen weisen mit Kies und Ziegeln gefüllte Wände eine gute Wärmespeicherung und -dämmung auf.

03 Die Wandstärke entsprechend erhöhen.

Üblicherweise ist der Wärmedurchgangswiderstand ein wichtiger Indikator für die Wärmedämmleistung einer Wand. Neben der Wärmeleitfähigkeit des Materials beeinflusst auch die Dicke der Materialschicht den Wärmedurchgangswiderstand. Durch die Auswahl geeigneter Wärmedämmstoffe und eine angemessene Erhöhung der Wanddicke lässt sich der Wärmedurchgangswiderstand der Wand erhöhen und der Wärmeverlust reduzieren. Dies steigert die Wärmedämmung und Wärmespeicherkapazität der Wand und des gesamten Gewächshauses. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Dicke von Sandsackwänden in Zhangye, Gansu, und von Mörtelmauerwerk in Jiuquan 2,6 m. Je dicker die Wand, desto höher ihre Wärmedämmung und Wärmespeicherkapazität. Zu dicke Wände erhöhen jedoch den Flächenbedarf und die Baukosten des Gewächshauses. Daher sollte zur Verbesserung der Wärmedämmleistung vorrangig auf hochwärmedämmende Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie Polystyrol, Polyurethan und ähnliche, gesetzt und die Wanddicke entsprechend angepasst werden.

Vernünftige Gestaltung des hinteren Daches

Bei der Gestaltung des hinteren Daches liegt der Fokus darauf, Verschattungen zu vermeiden und die Wärmedämmung zu verbessern. Um die Verschattung des hinteren Daches zu minimieren, orientiert sich dessen Neigungswinkel hauptsächlich daran, dass es tagsüber, während der Anpflanzungs- und Erntezeit, direktes Sonnenlicht erhält. Daher wird der Neigungswinkel des hinteren Daches in der Regel so gewählt, dass er besser als der lokale Sonnenstand zur Wintersonnenwende von 7° bis 8° ist. Zhang Caihong et al. beispielsweise gehen davon aus, dass beim Bau von Solargewächshäusern in der Gobi und in salzhaltigen Gebieten Xinjiangs die geplante Länge des hinteren Daches 1,6 m beträgt. Daraus ergibt sich ein Neigungswinkel von 40° in Süd-Xinjiang und 45° in Nord-Xinjiang. Chen Wei-Qian et al. empfehlen für das hintere Dach des Solargewächshauses in Jiuquan (Gobi) einen Neigungswinkel von 40°. Bei der Wärmedämmung des hinteren Dachbereichs sollte die Wärmedämmleistung vor allem durch die Auswahl der Wärmedämmstoffe, die Auslegung der erforderlichen Dicke und die angemessene Überlappung der Wärmedämmstoffe während der Bauphase sichergestellt werden.

Reduzierung des Wärmeverlusts im Boden

In Winternächten ist die Temperatur des Bodens im Gewächshaus höher als im Freien. Dadurch wird die Wärme des Bodens durch Wärmeleitung nach draußen abgegeben, was zu Wärmeverlusten führt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Wärmeverluste zu reduzieren.

01 Bodenisolierung

Der Boden senkt sich fachgerecht ab, um die gefrorene Bodenschicht zu umgehen und den Boden zur Wärmespeicherung zu nutzen. Beispielsweise wurde das von Chai Regeneration und anderen nicht ackerbaulich genutzten Unternehmen im Hexi-Korridor entwickelte Solargewächshaus „1448 Drei-Materialien-Ein-Körper“ durch Ausheben eines 1 m tiefen Grabens errichtet, wodurch die gefrorene Bodenschicht effektiv umgangen wurde. Da die Tiefe des gefrorenen Bodens in der Region Turpan 0,8 m beträgt, schlugen Wang Huamin et al. vor, ebenfalls 0,8 m tief auszuheben, um die Wärmedämmung des Gewächshauses zu verbessern. Auch Zhang Guosen et al. errichteten die Rückwand ihres Doppelbogen-Doppelfolien-Solargewächshauses auf nicht ackerbaulich nutzbarem Land in einem Meter Tiefe. Die Versuche zeigten, dass die niedrigste Nachttemperatur im Vergleich zu herkömmlichen Solargewächshäusern der zweiten Generation um 2–3 °C anstieg.

02 Foundation Kälteschutz

Die gängigste Methode besteht darin, entlang des Fundamentbereichs des vorderen Daches einen kältedichten Graben auszuheben und diesen mit Wärmedämmmaterial zu füllen oder das Dämmmaterial entlang der Fundamentwand durchgehend unterirdisch zu verlegen. Ziel all dieser Maßnahmen ist es, den Wärmeverlust durch Wärmetransport über den Boden an den Rändern des Gewächshauses zu reduzieren. Die verwendeten Wärmedämmmaterialien richten sich hauptsächlich nach den lokalen Gegebenheiten in Nordwestchina und sind vor Ort verfügbar, beispielsweise Heu, Schlacke, Steinwolle, Styroporplatten, Maisstroh, Pferdemist, Laub, Grasschnitt, Sägemehl, Unkraut, Stroh usw.

03 Mulchfolie

Durch die Abdeckung mit Plastikfolie kann tagsüber Sonnenlicht durch die Folie hindurch den Boden erreichen, der die Sonnenwärme absorbiert und sich erwärmt. Gleichzeitig blockiert die Folie die vom Boden reflektierte langwellige Strahlung, wodurch der Strahlungsverlust des Bodens reduziert und seine Wärmespeicherung erhöht wird. Nachts hemmt die Folie den konvektiven Wärmeaustausch zwischen Boden und Raumluft und verringert so den Wärmeverlust des Bodens. Darüber hinaus reduziert sie auch den durch Verdunstung von Bodenwasser verursachten latenten Wärmeverlust. Wei Wenxiang deckte das Gewächshaus auf dem Qinghai-Plateau mit Plastikfolie ab, und das Experiment zeigte, dass die Bodentemperatur um etwa 1 °C anstieg.

Die Wärmedämmleistung des vorderen Daches verbessern

Die Vorderseite des Gewächshauses ist die Hauptfläche für Wärmeverluste; über 75 % des gesamten Wärmeverlusts gehen hier verloren. Daher kann eine verbesserte Wärmedämmung der Vorderseite den Wärmeverlust effektiv reduzieren und das Winterklima im Gewächshaus verbessern. Derzeit gibt es drei Hauptmaßnahmen zur Verbesserung der Wärmedämmung der Vorderseite.

01 Es wird eine mehrschichtige transparente Abdeckung verwendet.

Strukturell lässt sich die Wärmedämmleistung von Gewächshäusern durch die Verwendung von Doppel- oder Dreischichtfolie als lichtdurchlässige Oberfläche deutlich verbessern. So entwickelten Zhang Guosen et al. beispielsweise in der Gobi-Region der Stadt Jiuquan ein doppelbogiges, doppelwandiges Solargewächshaus in Grabbauweise. Die Außenseite des vorderen Daches besteht aus EVA-Folie, die Innenseite aus tropffreier, alterungsbeständiger PVC-Folie. Experimente zeigen, dass die Wärmedämmung im Vergleich zu herkömmlichen Solargewächshäusern der zweiten Generation hervorragend ist und die Nachttemperatur im Durchschnitt um 2–3 °C steigt. Auch Zhang Jingshe et al. entwickelten ein Solargewächshaus mit Doppelfolienbespannung, das speziell für die klimatischen Bedingungen hoher Breitengrade und extremer Kälte entwickelt wurde und die Wärmedämmung signifikant verbesserte. Im Vergleich zu einem Kontrollgewächshaus stieg die Nachttemperatur um 3 °C. Wu Letian und andere Forscher erprobten zudem drei Lagen 0,1 mm dicker EVA-Folie auf dem Vorderdach eines in der Hetian-Wüste (Xinjiang) errichteten Solargewächshauses. Mehrlagige Folien können den Wärmeverlust des Vorderdachs effektiv reduzieren. Da die Lichtdurchlässigkeit einlagiger Folien jedoch bei etwa 90 % liegt, führt mehrlagige Folie naturgemäß zu einer Verringerung der Lichtdurchlässigkeit. Daher müssen bei der Auswahl einer mehrlagigen, lichtdurchlässigen Abdeckung die Lichtverhältnisse und -anforderungen des Gewächshauses sorgfältig berücksichtigt werden.

02 Die Nachtisolierung des vorderen Dachbereichs verstärken.

Um die Lichtdurchlässigkeit tagsüber zu erhöhen, wird auf der Vorderseite des Daches eine Kunststofffolie verwendet. Nachts ist diese Stelle jedoch die schwächste im gesamten Gewächshaus. Daher ist die Abdeckung der Dachaußenfläche mit einer dicken, wärmegedämmten Verbundmatte eine notwendige Wärmedämmmaßnahme für Solargewächshäuser. Beispielsweise verwendeten Liu Yanjie et al. in der alpinen Region von Qinghai Strohvorhänge und Kraftpapier als Wärmedämmmatten für ihre Experimente. Die Testergebnisse zeigten, dass die niedrigste Innentemperatur im Gewächshaus nachts über 7,7 °C erreichen konnte. Wei Wenxiang ist zudem der Ansicht, dass der Wärmeverlust von Gewächshäusern in dieser Region durch die Verwendung von doppelten Grasvorhängen oder Kraftpapier außerhalb der Grasvorhänge um mehr als 90 % reduziert werden kann. Darüber hinaus verwendeten Zou Ping et al. in einem Solargewächshaus in der Gobi-Region von Xinjiang eine Wärmedämmmatte aus recyceltem Nadelfilz, und Chang Meimei et al. setzten in einem Solargewächshaus im Hexi-Korridor der Gobi eine Wärmedämmmatte aus Sandwich-Baumwolle ein. Derzeit werden in Solargewächshäusern viele verschiedene Arten von Wärmedämmmatten eingesetzt. Die meisten bestehen aus Nadelfilz, geklebter Baumwolle, Perlwatte usw. und sind beidseitig mit wasserdichten oder alterungsbeständigen Oberflächenschichten versehen. Um die Wärmedämmleistung von Wärmedämmmatten zu verbessern, sollte man gemäß dem Wirkmechanismus zunächst den Wärmewiderstand erhöhen und den Wärmedurchgangskoeffizienten reduzieren. Dies lässt sich hauptsächlich durch die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Materialien, die Erhöhung der Dicke oder Anzahl der Materialschichten erreichen. Daher besteht das Kernmaterial von Wärmedämmmatten mit hoher Wärmedämmleistung heutzutage häufig aus mehrlagigen Verbundwerkstoffen. Tests zufolge kann der Wärmedurchgangskoeffizient solcher Matten aktuell 0,5 W/(m²°C) erreichen. Dies bietet eine bessere Gewährleistung der Wärmedämmung von Gewächshäusern in kalten Winterregionen. Da die nordwestliche Region windig und staubig ist und die UV-Strahlung hoch, muss die Oberfläche der Wärmedämmung über eine gute Alterungsbeständigkeit verfügen.

03 Bringen Sie einen innenliegenden Wärmedämmvorhang an.

Obwohl das vordere Dach des Gewächshauses nachts mit einer externen Wärmedämmmatte abgedeckt ist, stellt es im Hinblick auf die übrigen Strukturen des Gewächshauses nachts dennoch eine Schwachstelle dar. Daher entwickelte das Projektteam von „Struktur- und Konstruktionstechnik von Gewächshäusern auf nicht ackerbaulich nutzbaren Flächen im Nordwesten“ ein einfaches, innenliegendes Wärmedämmsystem (Abbildung 1). Dieses besteht aus einem festen Wärmedämmvorhang im vorderen Bereich und einem beweglichen im oberen Bereich. Der obere, bewegliche Wärmedämmvorhang wird tagsüber geöffnet und an der Rückwand des Gewächshauses zusammengefaltet, ohne die Beleuchtung zu beeinträchtigen. Die feste Wärmedämmmatte im unteren Bereich dient nachts als Abdichtung. Die Innendämmung ist übersichtlich und einfach zu bedienen und bietet im Sommer zudem Beschattung und Kühlung.

Aktive Wärmetechnologie

Wegen der niedrigen Wintertemperaturen im Nordwesten Chinas können wir, wenn wir uns nur auf die Wärmespeicherung in Gewächshäusern verlassen, den Bedarf an Überwinterungskulturen bei Kälte nicht decken, weshalb auch aktive Erwärmungsmaßnahmen in Betracht gezogen werden müssen.

Solarenergiespeicher- und Wärmeabgabesystem

Ein wichtiger Grund für die hohen Baukosten und die geringe Flächennutzung von Solargewächshäusern ist, dass die Wände sowohl der Wärmedämmung als auch der Wärmespeicherung und der Lastabtragung dienen. Daher ist die Vereinfachung und Montage von Solargewächshäusern ein wichtiger Entwicklungsschwerpunkt. Eine Möglichkeit zur Vereinfachung der Wandfunktionen besteht darin, die Wärmespeicher- und -abgabefunktion der Wand zu reduzieren, sodass die Rückwand nur noch der Wärmedämmung dient. Dies ist ein effektiver Weg zur Vereinfachung der Konstruktion. Beispielsweise findet das aktive Wärmespeicher- und -abgabesystem von Fang Hui (Abbildung 2) breite Anwendung in nicht landwirtschaftlich genutzten Gebieten wie Gansu, Ningxia und Xinjiang. Die Wärmesammelvorrichtung ist an der Nordwand angebracht. Tagsüber wird die von der Wärmesammelvorrichtung aufgenommene Wärme durch die Zirkulation des Wärmespeichermediums im Wärmespeicherkörper gespeichert. Nachts wird die Wärme durch die Zirkulation des Wärmespeichermediums abgegeben und das Gewächshaus erwärmt. So wird ein zeitlich und räumlich abgestimmter Wärmeaustausch realisiert. Experimente zeigen, dass die Mindesttemperatur im Gewächshaus durch den Einsatz dieser Vorrichtung um 3–5 °C erhöht werden kann. Wang Zhiwei et al. schlugen ein Wasservorhang-Heizsystem für Solargewächshäuser in der südlichen Wüstenregion Xinjiangs vor, das die Temperatur im Gewächshaus nachts um 2,1 °C steigern kann.

Darüber hinaus entwickelten Bao Encai et al. ein aktives Wärmespeicher-Zirkulationssystem für die Nordwand. Tagsüber strömt durch Axialventilatoren warme Raumluft durch den in die Nordwand integrierten Wärmeleitkanal. Dieser tauscht Wärme mit der Wärmespeicherschicht im Inneren der Wand aus, wodurch deren Wärmespeicherkapazität deutlich erhöht wird. Zusätzlich speichert das von Yan Yantao et al. entwickelte solare Phasenwechsel-Wärmespeichersystem tagsüber Wärme in Phasenwechselmaterialien mittels Solarkollektoren und gibt diese nachts durch die Luftzirkulation an die Raumluft ab. Dadurch kann die Durchschnittstemperatur nachts um 2,0 °C steigen. Die genannten Technologien und Anlagen zur Nutzung von Solarenergie zeichnen sich durch Wirtschaftlichkeit, Energieeinsparung und geringe CO₂-Emissionen aus. Nach Optimierung und Weiterentwicklung bieten sie vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten in sonnenreichen Gebieten Nordwestchinas.

Andere Zusatzheiztechnologien

01 Biomasse-Energieheizung

Einstreu, Stroh, Kuh-, Schaf- und Geflügelmist werden mit biologischen Bakterien vermischt und im Gewächshausboden vergraben. Während der Fermentation entsteht viel Wärme sowie eine Vielzahl nützlicher Bakterienstämme, organischer Substanz und CO₂. Die nützlichen Bakterienstämme können verschiedene Keime hemmen und abtöten und so das Auftreten von Krankheiten und Schädlingen im Gewächshaus reduzieren. Die organische Substanz dient als Dünger für die Pflanzen. Das produzierte CO₂ fördert die Photosynthese der Pflanzen. So vergrub beispielsweise Wei Wenxiang in seinem Solargewächshaus auf dem Qinghai-Plateau heiße organische Düngemittel wie Pferde-, Kuh- und Schafmist im Boden, wodurch die Bodentemperatur effektiv anstieg. In seinem Solargewächshaus in der Wüste von Gansu fermentierte Zhou Zhilong Stroh und organischen Dünger zwischen den Anbauzyklen. Tests zeigten, dass die Temperatur im Gewächshaus dadurch um 2–3 °C erhöht werden konnte.

02 Kohleheizung

Es gibt künstliche Öfen, energiesparende Warmwasserbereiter und Heizsysteme. So stellte Wei Wenxiang nach Untersuchungen auf dem Qinghai-Plateau fest, dass dort hauptsächlich mit künstlichen Öfen geheizt wird. Diese Heizmethode zeichnet sich durch schnelles und deutliches Aufheizen aus. Allerdings entstehen bei der Kohleverbrennung schädliche Gase wie SO₂, CO und H₂S, weshalb eine effektive Abführung dieser Gase unerlässlich ist.

03 elektrische Heizung

Verwenden Sie elektrische Heizdrähte oder elektrische Heizgeräte, um das vordere Dach des Gewächshauses zu beheizen. Die Heizwirkung ist bemerkenswert, die Anwendung sicher, es entstehen keine Schadstoffe im Gewächshaus, und die Heizgeräte sind einfach zu steuern. Chen Weiqian und andere sind der Ansicht, dass Frostschäden im Winter in der Region Jiuquan die Entwicklung der lokalen Landwirtschaft in der Wüste Gobi behindern und dass elektrische Heizelemente zur Beheizung des Gewächshauses eingesetzt werden können. Aufgrund der Verwendung hochwertiger elektrischer Energiequellen ist der Energieverbrauch jedoch hoch und die Kosten sind entsprechend hoch. Es wird daher empfohlen, diese Heizmethode nur als temporäre Notheizung bei extremer Kälte einzusetzen.

Umweltmanagementmaßnahmen

Bei der Produktion und Nutzung von Gewächshäusern kann die vollständige Ausstattung und der normale Betrieb allein nicht gewährleisten, dass das thermische Klima den Konstruktionsvorgaben entspricht. Tatsächlich spielen die Nutzung und Wartung der Anlagen eine entscheidende Rolle für die Gestaltung und Aufrechterhaltung des thermischen Klimas, wobei die tägliche Wartung der Wärmedämmung und der Belüftung von größter Bedeutung ist.

Management von Wärmedämmmatten

Die Wärmedämmmatte ist entscheidend für die Wärmedämmung des Vordachs in der Nacht. Daher ist eine sorgfältige Handhabung und Wartung unerlässlich. Besonders wichtig sind folgende Punkte: ① Die richtige Öffnungs- und Schließzeit der Wärmedämmmatte wählen. Diese beeinflusst nicht nur die Belichtungszeit des Gewächshauses, sondern auch den Aufheizprozess. Ein zu frühes oder zu spätes Öffnen und Schließen beeinträchtigt die Wärmespeicherung. Wird die Matte morgens zu früh entfernt, sinkt die Innentemperatur aufgrund der niedrigen Außentemperatur und des schwachen Lichts zu stark. Wird sie hingegen zu spät entfernt, verkürzt sich die Belichtungszeit im Gewächshaus und der Temperaturanstieg verzögert sich. Wird die Matte nachmittags zu früh geschlossen, verkürzt sich die Belichtungszeit, und die Wärmespeicherung von Boden und Wänden wird reduziert. Im Gegenteil, wird die Wärmedämmung zu spät abgeschaltet, erhöht sich die Wärmeabgabe des Gewächshauses aufgrund der niedrigen Außentemperatur und des schwachen Lichts. Daher empfiehlt es sich, die Wärmedämmung morgens erst nach einem Temperaturabfall von 1–2 °C einzuschalten und anschließend wieder auszuschalten. 2. Achten Sie beim Schließen der Wärmedämmung darauf, dass diese alle vorderen Dachflächen dicht abdeckt und schließen Sie gegebenenfalls Lücken. 3. Prüfen Sie nach dem vollständigen Auslegen der Wärmedämmung, ob sie unten fest sitzt, um zu verhindern, dass der Wind nachts die Wärmedämmwirkung beeinträchtigt. 4. Kontrollieren und warten Sie die Wärmedämmung regelmäßig, insbesondere bei Beschädigung. Reparieren oder ersetzen Sie beschädigte Dämmplatten umgehend. 5. Beachten Sie die Wetterbedingungen. Decken Sie die Wärmedämmung bei Regen oder Schnee ab und entfernen Sie Schnee rechtzeitig.

Management von Lüftungsanlagen

Die Belüftung im Winter dient dazu, die Lufttemperatur so anzupassen, dass übermäßige Temperaturen um die Mittagszeit vermieden werden. Zweitens dient sie der Beseitigung von Feuchtigkeit im Gewächshaus, der Reduzierung der Luftfeuchtigkeit und der Bekämpfung von Schädlingen und Krankheiten. Drittens erhöht sie die CO₂-Konzentration im Gewächshaus und fördert so das Pflanzenwachstum. Belüftung und Wärmedämmung stehen jedoch im Widerspruch zueinander. Wird die Belüftung nicht ordnungsgemäß gesteuert, kann dies zu niedrigen Temperaturen führen. Daher müssen Zeitpunkt und Dauer der Belüftung dynamisch an die jeweiligen Umgebungsbedingungen im Gewächshaus angepasst werden. In den nicht landwirtschaftlich genutzten Gebieten Nordwestchinas erfolgt die Steuerung der Gewächshausbelüftung hauptsächlich manuell oder mechanisch. Da die Öffnungs- und Belüftungszeiten jedoch größtenteils auf subjektiven Einschätzungen beruhen, kann es vorkommen, dass die Belüftung zu früh oder zu spät erfolgt. Um diese Probleme zu lösen, haben Yin Yilei et al. ein intelligentes Dachbelüftungssystem entwickelt, das Öffnungszeitpunkt und Öffnungs- bzw. Schließgröße der Belüftungsöffnungen anhand der sich ändernden Raumbedingungen bestimmt. Mit der Vertiefung der Forschung über die Gesetzmäßigkeiten des Umweltwandels und den Nährstoffbedarf von Nutzpflanzen sowie der Verbreitung und Weiterentwicklung von Technologien und Geräten wie Umwelterfassung, Datenerfassung, -analyse und -steuerung dürfte die Automatisierung des Belüftungsmanagements in Solargewächshäusern künftig eine wichtige Entwicklungsrichtung darstellen.

Sonstige Managementmaßnahmen

Bei der Verwendung verschiedener Arten von Schattierfolien nimmt deren Lichtdurchlässigkeit allmählich ab. Die Geschwindigkeit dieser Abnahme hängt nicht nur von den physikalischen Eigenschaften der Folie ab, sondern auch von der Umgebung und der Handhabung während der Nutzung. Der wichtigste Faktor für die sinkende Lichtdurchlässigkeit ist die Verschmutzung der Folienoberfläche. Daher ist eine regelmäßige Reinigung unerlässlich, sobald die Bedingungen dies zulassen. Darüber hinaus sollte die Gewächshauskonstruktion regelmäßig überprüft werden. Undichte Stellen in den Wänden und im vorderen Dach sollten umgehend repariert werden, um das Eindringen kalter Luft zu verhindern.

Bestehende Probleme und Entwicklungsrichtung

Forscher haben in den unkultivierten Gebieten Nordwestchinas über viele Jahre hinweg die Wärmespeicher- und -erhaltungstechnologien, die Bewirtschaftungsmethoden und die Heizverfahren für Gewächshäuser untersucht. Dadurch konnte die Überwinterung von Gemüse weitgehend realisiert und die Kältebeständigkeit der Gewächshäuser deutlich verbessert werden. Dies leistet einen historischen Beitrag zur Entschärfung des Konflikts zwischen Nahrungsmitteln und Gemüseanbau um Anbauflächen in China. Dennoch bestehen in Nordwestchina weiterhin folgende Herausforderungen im Bereich der Temperaturregelung.

Zu modernisierende Gewächshaustypen

Derzeit werden in Gewächshäusern noch immer die Bauarten verwendet, die Ende des 20. und Anfang dieses Jahrhunderts errichtet wurden. Diese zeichnen sich durch einfache Konstruktion, unzweckmäßiges Design, geringe Fähigkeit zur Aufrechterhaltung des thermischen Klimas und zur Widerstandsfähigkeit gegen Naturkatastrophen sowie fehlende Standardisierung aus. Daher sollten zukünftige Gewächshauskonstruktionen hinsichtlich Form und Neigung des Vorderdachs, Azimutwinkel, Höhe der Rückwand, Einsinktiefe usw. unter Berücksichtigung der lokalen geografischen und klimatischen Gegebenheiten standardisiert werden. Gleichzeitig sollte möglichst nur eine Kulturpflanze pro Gewächshaus angebaut werden, um eine standardisierte Anpassung der Gewächshäuser an die Licht- und Temperaturbedürfnisse der jeweiligen Pflanzen zu ermöglichen.

Das Gewächshaus ist relativ klein.

Ist die Gewächshausgröße zu klein, beeinträchtigt dies die Stabilität des thermischen Klimas und die Entwicklung der Mechanisierung. Angesichts steigender Lohnkosten ist die Mechanisierung ein wichtiger Zukunftstrend. Daher sollten wir uns künftig an den lokalen Gegebenheiten orientieren, den Bedarf an Mechanisierung berücksichtigen, die Innenräume und die Anordnung der Gewächshäuser rational planen, die Forschung und Entwicklung standortgerechter Agrartechnik beschleunigen und den Mechanisierungsgrad der Gewächshausproduktion erhöhen. Gleichzeitig sollten die entsprechenden Geräte den Bedürfnissen der Kulturpflanzen und Anbaumethoden entsprechen und die integrierte Forschung und Entwicklung, Innovation und Verbreitung von Belüftungs-, Feuchtigkeitsreduzierungs-, Wärmedämmungs- und Heizsystemen gefördert werden.

Die Wandstärke von Mauern wie Sand- und Hohlblocksteinen ist immer noch beträchtlich.

Ist die Wand zu dick, bietet sie zwar eine gute Wärmedämmung, verringert aber die Bodenausnutzung und erhöht die Baukosten und -schwierigkeiten. Daher sollte in zukünftigen Entwicklungen einerseits die Wandstärke wissenschaftlich an die lokalen Klimabedingungen angepasst werden. Andererseits sollte die Rückwand leichter und einfacher gestaltet werden, sodass sie im Gewächshaus nur noch der Wärmedämmung dient und die Wärmespeicherung und -abgabe durch Solarkollektoren und andere Anlagen ersetzt wird. Solarkollektoren zeichnen sich durch hohe Wärmesammelleistung, starke Wärmespeicherkapazität, Energieeinsparung und geringe CO₂-Emissionen aus. Die meisten ermöglichen eine aktive Regelung und Steuerung und können nachts gezielt exotherme Heizung entsprechend den Umweltanforderungen des Gewächshauses durchführen, was die Wärmenutzungseffizienz erhöht.

Es muss eine spezielle Wärmedämmmatte entwickelt werden.

Das vordere Dach ist der Hauptwärmeableiter im Gewächshaus, und die Wärmedämmleistung der Dämmmatten beeinflusst das Raumklima direkt. Derzeit ist das Raumklima in einigen Gewächshäusern nicht optimal, was teilweise auf zu dünne Dämmmatten und unzureichende Wärmedämmleistung zurückzuführen ist. Gleichzeitig weisen Dämmmatten noch einige Nachteile auf, wie z. B. mangelnde Wasserdichtigkeit und Gleitfähigkeit sowie eine erhöhte Alterung der Oberflächen- und Kernmaterialien. Daher sollten zukünftig geeignete Dämmstoffe wissenschaftlich fundiert nach den lokalen Klimabedingungen und Anforderungen ausgewählt und spezielle, für den lokalen Einsatz geeignete und weit verbreitete Dämmmatten entwickelt werden.

ENDE

Zitierte Informationen

Luo Ganliang, Cheng Jieyu, Wang Pingzhi u. a. Forschungsstand zur Technologie der Umgebungstemperaturgarantie in Solargewächshäusern auf unkultiviertem Land im Nordwesten [J]. Agricultural Engineering Technology, 2022, 42(28): 12–20.