CN104175651B - 一种雾培桶隔热层及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雾培桶隔热层及其设计方法，旨在克服现有的小型雾培桶存在植物根系温度环境缓冲性差的问题，所述的雾培桶隔热层由隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶组成。隔热层外桶与隔热层内桶均为带底的敞开口的圆桶形结构件，隔热层填充物为圆环体形的结构件，隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶依次套装在一起为固定连接，确切地说，隔热层内桶装入隔热层外桶之中，隔热层内桶与隔热层外桶的回转轴线共线，隔热层外桶的桶底内侧面与隔热层内桶的桶底的底面接触连接即没有隔热层填充物，隔热层填充物位于隔热层内桶与隔热层外桶之间，隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶的顶端面共面。本发明还提供了一种雾培桶隔热层的设计方法。

Description

一种雾培桶隔热层及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种属于植物栽培技术领域的栽培蔬菜作物的雾培装置，更确切地说，本发明涉及一种雾培桶隔热层及其设计方法。

背景技术

气雾栽培(简称雾培)是让植物的根系离开基质和水，完全置于黑暗、较封闭的气雾环境下进行生长发育的一种新型无土栽培模式。它通过雾化的营养液满足植物根系对水和矿物质的需求，使其根系具有充足的氧气与自由伸张的空间，可在毫无阻力的情况下生长，与其他无土栽培方法相比，气雾栽培技术具有节水节肥、调节根系水气平衡等特点，在现代农业技术中被广泛使用。

随着科学技术的不断发展，近三十年来，科学仪器小型化发展迅速，并被看作是新时期必然的发展潮流。随着雾培方式在实验室研究中及家庭种植中的逐渐推广，小型装置也不断出现并占有一定的市场比例。小型装置从生产到应用的整个生命周期内，与大型装置相比，具有用料更节省、耗能更低、排污量更小、操作管理更方便的优势。面对世界能源日益紧缺的现状，小型仪器、装置的开发和使用也是节能增效的重要手段。但目前的小型雾培装置存在设计简单、根系环境缓冲能力差等缺点，在炎热的夏天、特别是夏季温室作业中无法正常使用，其推广应用存在一定局限性。

温度变化是影响植物生理过程的重要环境因素之一，特别是根系温度变化，对植物生长发育的影响更为明显。营养液的比热大于土壤，导致液体温度升高后降温缓慢，在炎热的夏天，受到环境高温及强烈的太阳辐射作用，营养液温度迅速升高并持续保持高于室温的状态，导致富含营养离子的溶液处于高温状态，引起营养液特性变化，甚至超过植物根系耐受限。同时，较封闭的根系环境在受到桶外高温环境及强烈的太阳辐射作用影响下，根系空气温度迅速升高并超过植物根系生长发育的室温阈值，严重时可导致植物永久性萎蔫直至死亡。因此，雾培植物根系环境，特别是温度环境缓冲性对植物正常生长发育具有重要作用。

针对现有小型雾培装置，提出一种低成本、高效率、切实可行的隔热层设计方法，提高小型雾培装置种植根系温度环境缓冲性，同时保留装置的小型化、操作的简单化等优势，无论对于科学试验研究，还是居民家用推广，都具有重要的实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有小型雾培桶存在植物根系温度环境缓冲性差的问题，提供了一种雾培桶隔热层及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的雾培桶隔热层由隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶组成。

隔热层外桶与隔热层内桶均为带底的敞开口的圆桶状结构件，隔热层填充物为圆环体形结构件，隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶依次套装在一起为固定连接，确切的说，隔热层内桶装入隔热层外桶之中，隔热层内桶与隔热层外桶的回转轴线共线，隔热层外桶的桶底内侧面与隔热层内桶的桶底面接触连接，隔热层填充物位于隔热层内桶与隔热层外桶之间，隔热层外桶、隔热层填充物与隔热层内桶的顶端面共面。

所述的隔热层内桶与隔热层外桶的壁厚分别为δ₁和δ₂，且δ₁＝δ₂，隔热层内桶和隔热层外桶的底厚与壁厚相等，隔热层外桶高度为H₁，隔热层内径为d，隔热层填充物的厚度为δ_p；隔热层内径d等于雾培桶外径D₀，即d＝D₀；隔热层内桶高度h等于雾培桶高H₀加一个底厚即一个壁厚δ₁，即h＝H₀+δ₁；隔热层外桶高度H₁等于雾培桶高H₀加两个底厚即两个壁厚2δ₁，即H₁＝H₀+2δ₁，隔热层内桶与隔热层外桶之间的距离等于隔热层填充物的厚度δ_p，即 ${\mathrm{\δ}}_p=(R_{0\·\min }-\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_{x-p}}{{\mathrm{\λ}}_{x-p}}){\mathrm{\λ}}_p...\left(3\right)$

式中：δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃。

技术方案中所述的隔热层内桶与隔热层外桶皆选择聚丙烯塑料，导热系数λ为0.2-0.22W/m·℃。所述的隔热层内桶与隔热层外桶之间的隔热层填充物选择聚氨酯发泡胶，其导热系数λ为0.042W/m·℃。

技术方案中所述的隔热层外桶的桶壁外侧无缝粘贴一层耐高温的铝箔胶带，铝箔胶带厚度为0.05～0.08mm，宽度为5～8cm。

一种雾培桶隔热层的设计方法，其步骤如下：

1.确定隔热层结构参数：

隔热层内径d等于雾培桶外径D₀，即d＝D₀；

隔热层内桶高度h等于雾培桶高H₀加一个底厚即一个壁厚δ₁，即h＝H₀+δ₁；

隔热层外桶高度H₁等于雾培桶高H₀加两个底厚即两个壁厚2δ₁，即H₁＝H₀+2δ₁，隔热层内桶与隔热层外桶之间的距离等于隔热层填充物的厚度δ_p，即 ${\mathrm{\δ}}_p=(R_{0\·\min }-\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_{x-p}}{{\mathrm{\λ}}_{x-p}}){\mathrm{\λ}}_p\mathrm{...}\left(3\right)$

式中：δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃。

2.隔热层内外桶及隔热层填充物材料的选择：

(1)所述的隔热层内桶与隔热层外桶皆选择聚丙烯塑料，导热系数λ为0.2-0.22W/m·℃；

(2)所述的隔热层内桶与隔热层外桶之间的隔热层填充物选择聚氨酯发泡胶，其导热系数λ为0.042W/m·℃；

(3)在隔热层外部粘贴铝箔胶带；

3.隔热层填充物的厚度计算

(1)隔热层填充物最小总热阻值R_0·min的计算：

$R_{0\·\min }=\frac{(t_i-t_0)n}{\mathrm{\Δ}t}{R}_i\mathrm{...}\left(1\right)$

式中：t₀为雾培桶桶外可能出现的室内最高温度；t_i为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度；n是修正系数；Δt为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度与隔热层内桶(8)的内壁表面温度之差；R_i为雾培桶内表面换热阻；

(2)隔热层填充物的厚度计算：

a.雾培桶隔热层设计中材料层的最小总热阻值R_0·min可以由公式(2)计算：

$R_{0\·\min }=\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x}\mathrm{...}\left(2\right)$

其中，δ_x为雾培桶隔热层设计中材料层厚度，单位.m；λ_x为雾培桶隔热层设计中材料层导热系数，单位.W/m·℃；

b.根据公式若隔热层填充物为p层，其厚度

${\mathrm{\δ}}_p=(R_{0\·\min }-\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_{x-p}}{{\mathrm{\λ}}_{x-p}}){\mathrm{\λ}}_p\mathrm{...}\left(3\right)$

式中，δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.现有雾培桶均无隔热功能，在高温作业时，隔热效果不佳，植物根系温度过高，经常造成植物萎蔫甚至死亡，在室温不超过30℃时较为适用。

2.本发明所述的雾培桶隔热层设计方法，具有计算简单、实用性强、设计成本低等优点，便于在植物栽培技术领域应用和推广。

3.本发明所述的雾培桶隔热层设计方法，提出并设计了雾培桶隔热层的双桶型结构，保证了良好的保温和隔热性能的同时，确保了原雾培桶的照常使用。既解决了桶内根域温度(根系空气温度、营养液温度)过高引起植物生长异常甚至死亡的问题，又遵循了安全、环保的基本原则。

4.本发明所述的雾培桶隔热层设计方法，确定了隔热层材料的选取原则。所选材料价格低廉且易得；质量轻，方便提拉、更换营养液；使用寿命长、保温隔热性能佳，适合植物生长环境下长期使用。

5.本发明所述的雾培桶隔热层设计方法，提供了内外桶间层填充物厚度的计算方法。通过对《民用建筑热工设计规范》的查询，确定相关参数的值，计算出围护结构最小总热阻值R_0·min，最终推导出内外桶间层填充物的厚度值。整个过程计算简便，可操作性强。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是本发明所述的雾培桶隔热层设计方法的流程框图；

图2-a是本发明所述的雾培桶隔热层设计方法所针对的雾培桶及桶身结构参数的轴测投影图；

图2-b是本发明所述的雾培桶隔热层设计方法所针对的雾培桶及桶身结构参数的分解式轴测投影图；

图3是本发明所述的雾培桶隔热层设计方法所针对的双桶型隔热层结构参数示意图；

图4是采用本发明所述的雾培桶隔热层设计方法所设计的隔热层应用于实际雾培桶的桶内营养液温度环境控制效果图；

图5是采用本发明所述的雾培桶隔热层设计方法所设计的隔热层应用于实际雾培桶的桶内气温环境控制效果图；

图中：1.雾培桶桶盖，2.定植孔，3.桶身，4.雾化喷头，5.营养液输液管，6.隔热层外桶，7.隔热层填充物，8.隔热层内桶，

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

一.传统雾培桶

参阅图2-a与图2-b，图中是目前气雾栽培中采用的雾培桶装置，传统的小型雾培桶常为单层黑色聚丙烯(PP)桶身，壁厚在2mm左右，底厚与壁厚相等。

所述的雾培桶桶盖1可以掀开，方便进行移苗、定植及更换营养液的操作，桶盖上设置有定植孔2，雾培的植物育苗后按照雾培桶桶盖1上的定植孔2的数量和位置进行移栽，利用海绵或定植块对幼苗进行固定，幼苗根系则位于桶身3的内部。所述的桶身3呈圆柱筒形，为保证根系生长的黑暗环境，桶身3表面多为黑色的聚丙烯(PP)塑料制成，桶身3的桶壁厚度为δ₀，通常不会超过4mm，即δ₀≤4mm，桶身3的高度为H₀，桶身3的外径为D₀，雾培桶内装有雾培需要的营养液，营养液液面高度不可超过雾培桶内雾化喷头4所在位置的高度。工作时雾培桶内营养液在水泵的作用下进入营养液输液管5，并在雾化喷头的作用下雾化成细小的雾滴，直接喷向植物的根系，为植物的生长发育提供必要的水分和养料。

栽培过程中，主要是夏季，若外界温度较高、太阳辐射强烈，黑色表面吸收热量，并通过表面换热及栽培桶表面辐射换热，将热量源源不断向桶内传递，最终提高桶内植物根域气温，即植物根系空气温度及营养液温度。

本发明所要解决的技术问题是提供了一种综合考虑雾培桶表面换热及辐射换热引起桶内根域温度环境变化的隔热层设计方法。该方法的设计理念主要来源于温室外围护结构保温设计原理，方法不仅能有效降低桶内根域温度环境的最大变化幅度，使根域温度最大限度的保持在蔬菜根系适温范围内，而且成本低廉、可与原有雾培桶自由拆卸并维持原有装置质轻、占地面积小、操作简便的特征。

二.隔热层

温室外围护结构保温隔热层主要起到降低外界气温对温室内环境温度的影响作用，效果良好的保温层同时兼有保温和隔热的功能。一般北方温室设计时主要考虑冬季室外低温的影响，以保温为目的，多简称保温层；而南方温室则主要考虑夏季室外高温的影响，以隔热为目的，多简称隔热层；二者的设计及厚度的计算方法是一致的。

本发明涉及的隔热层与民用建筑、农用建筑(温室)等的保温层类似。通常保温层的设计是基于冬季室外温度较低的情况，为保证室内的适宜温度，在建筑物主体结构之外增加的保温结构，主要起到隔绝室内热量向室外传递的作用。通常冬季保温效果较好的保温层，在夏季也会起到隔绝室外热量向室内传递的作用，因此，保温层也叫隔热层或保温隔热层。本发明主要从减少夏季外界环境热量向雾培桶桶身内部传递的角度出发，以隔热为基本目的，因此称为“隔热层”。

参照图3，以温室外围护结构保温层设计理论为基础，设计了雾培桶隔热层为双桶型结构。按照该方法设计的隔热层可从传统雾培桶上自由拆卸，保证原雾培桶照常使用、无需废弃，且不影响小型装置质轻、体积小、操作简便的优势。同时，整体设计遵循环保、安全、高效及低成本的基本原则。

参照图3，本发明所述的隔热层为双桶型隔热层，即本发明所述的隔热层由隔热层外桶6、隔热层填充物7与隔热层内桶8组成，隔热层外桶6与隔热层内桶8均为带底的敞开口的圆桶状结构件，隔热层填充物7为圆环体形结构件，隔热层外桶6、隔热层填充物7与隔热层内桶8依次套装在一起为固定连接，确切的说，隔热层内桶8装入隔热层外桶6之中，隔热层内桶8与隔热层外桶6的回转轴线共线，隔热层外桶6的桶底内侧面与隔热层内桶8的桶底面接触连接，隔热层填充物7位于隔热层内桶8与隔热层外桶6之间，隔热层外桶6、隔热层填充物7与隔热层内桶8的顶端面共面。

三.所述的雾培桶隔热层设计方法的步骤如下：

1.确定隔热层结构参数

隔热层内桶8、隔热层外桶6的壁厚分别为δ₁和δ₂，且δ₁＝δ₂，隔热层内桶8、隔热层外桶6的底厚与壁厚对应相等，隔热层外桶高度为H₁，隔热层内径为d，隔热层内桶8与隔热层外桶6桶壁间的隔热层填充物7的厚度为δ_p。为防止隔热层内桶8、隔热层外桶6变形及降低白色材料透光作用，要求隔热层内桶8与隔热层外桶6的桶壁材料具有一定的厚度，同时考虑保持隔热层质轻的优势，取δ₁和δ₂为2-3mm。

双桶型隔热层结构参数应满足：隔热层内径d等于雾培桶外径D₀，即d＝D₀；隔热层内桶高度h等于雾培桶高H₀加一个底厚即一个壁厚δ₁，即h＝H₀+δ₁；隔热层外桶高度H₁等于雾培桶高H₀加两个底厚即两个壁厚2δ₁，即H₁＝H₀+2δ₁，就是说隔热层底部的隔热层内桶8与隔热层外桶6间不填充隔热层填充物7；隔热层内桶8与隔热层外桶6桶壁间的隔热层填充物7的厚度δ_p按照下面“隔热层填充物的厚度计算”的方法计算得到。

2.隔热层内外桶及隔热层填充物材料的选择

1)隔热层内桶8与隔热层外桶6皆选择聚丙烯(PP)塑料，导热系数λ为0.2-0.22W/m·℃。该材料作为内外桶材料，具有质量轻(比重为0.9g/cm³)，环保、无毒、低刚性、抗冲击度强、使用寿命长等优点，适合植物生长环境下长期使用。

2)隔热层内桶8与隔热层外桶6桶壁间的间层填充物选择聚氨酯发泡胶，作为间层填充物即保温材料，其导热系数λ很低，仅为0.042W/m·℃。该材料固化后，具有密封、粘结、隔热、吸音、质量轻(比重为25kg/m³)等多种效果，材料易得且价格低廉。

3)为降低强太阳辐射造成的辐射换热影响，在隔热层外部即隔热层外桶6的桶壁外侧粘贴铝箔胶带，降低辐设传热量。该材料在设施农业中应用广泛，材料易得，其主要特点是质量轻、太阳辐射吸收系数小(仅为0.07)、遮光性能好、具有很好的光洁度和热反射性、可塑性好、使用方便、价格低廉。选择耐高温的铝箔胶带，即耐受温度≤316℃，厚度0.05～0.08mm为宜；宽度以易取得且方便粘贴操作、不易出褶皱为原则，以5～8cm为宜，一般不应超过10cm；无缝粘贴一层即可。实施例选择宽度为5cm的耐高温铝箔胶带。

3.隔热层填充物的厚度计算

1)温室外围护结构保温隔热原理

双桶隔热层填充物厚度的计算主要借助温室外围护结构保温隔热原理。

当温室外围护结构两侧存在温度差时，热量会从温室外围护结构高温一侧向低温一侧传递，为使农作物可以在寒冷的冬季和炎热的夏季仍然可以正常生长，采取有效的温室外围护结构的保温隔热措施，对降低采暖或通风产生的经济成本具有重要意义。温室外围护结构的热量传递主要经过表面换热和辐射换热两个过程。

(1)表面换热

根据导热学原理，导热系数λ表示均匀材料层的导热能力，就是指当材料层为1m厚,两个表面的温差值为1℃的时候，1s内通过1m²截面积的热量。传热的总热阻R_OV表示热量流经的时候所受到的阻力，也就是说在同等温度条件下，热阻越大，传热越少。

温室外围护结构所采用的保温结构方案大致有以下几种类型：

a.单设保温层——指由导热系数λ很小的材料作保温层，主要起保温作用，如砖砌体、钢筋混凝土建造的保温层等；

b.封闭空气间层保温结构——在砖、混凝土砌块之间夹空气间层，形成封闭空气间层达到保温目的；

c.保温与承重结构相结合——主要采用空心板、空心砖块、轻质实心砌块等，既能承重又能保温；

d.混合型结构——多种保温结构方案混合使用，以达到更理想的保温效果。

本发明中涉及的隔热层设计主要结合类型a和b，可以称为一种混合型结构的隔热层设计。

(2)辐射换热

辐射换热是温室热量损失或受外界高温影响的另一主要途径。通常采用在高温一侧使用反射材料实现降低辐射换热量的目的。一般应用铝箔胶带粘贴于装置的外壁，使用方便，价格低廉，可反射93％以上的太阳辐射，太阳辐射吸收系数0.07。

2)隔热层填充物的厚度计算

(1)隔热层填充物最小总热阻值R_0·min的计算

计算由《民用建筑热工设计规范》可知，在设置采暖的建筑物的温室外围护结构中，其总热阻R_OV必须不低于其最小总热阻值R_0·min，最小总热阻值由计算公式(1)获得：

$R_{0\·\min }=\frac{(t_i-t_0)n}{\mathrm{\Δ}t}{R}_i\mathrm{...}\left(1\right)$

式中：t₀为室外计算温度；t_i为室内计算温度；n是修正系数；Δt为室内气温和外壁内表面间的允许误差；R_i为内表面换热阻。

具体来说，

《民用建筑热工设计规范》中，t₀是指室外冬季可能出现的最低温度或夏季可能出现的最高气温，针对北方越冬温室设计时，该值指冬季可能出现的最低温度；若针对以隔热为主的建筑设计时，该值指夏季可能出现的最高温度。雾培桶隔热层设计中，t₀为雾培桶桶外可能出现的室内最高温度。

《民用建筑热工设计规范》中，t_i是指温室内要求达到的理想温度，该温度与室内种植植物对温度环境的要求及耐受阈值密切相关。雾培桶隔热层设计中，t_i为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度。

《民用建筑热工设计规范》中，n的取值参考表1，按照实际情况选取对应值：

表1温度修正系数n值(引自《民用建筑热工设计规范》)

雾培桶隔热层设计中，n仍为修正系数。针对雾培桶内表面(即包括桶身内表面及桶盖内表面)所处情况与“外墙，平屋顶及一面外露的楼板等”一致，n值应取1。

《民用建筑热工设计规范》中，Δt的选取则是由建筑使用性质决定，对于保温隔热要求或者使用质量要求较高的房间，可选取较小的Δt值。在室外环境条件相同的情况下，Δt越小，最小总热阻值越大。Δt的选取具体可参考表2：

表2允许误差Δt值(℃)(引自《民用建筑热工设计规范》)

注：RH为空气相对湿度；t_i和t_d分别代表室内空气温度和露点温度(本发明未涉及，在此不加赘述)。

雾培桶隔热层设计中，Δt为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度与隔热层内桶8的内壁表面温度之差。雾培桶对隔热要求严格时，即种植植物的根系对温度变化敏感时，一般取4℃；要求不严格时，也可选取其他温度值。

《民用建筑热工设计规范》中，R_i的确定可参考表3：

表3内表面换热系数与换热阻值(引自《民用建筑热工设计规范》)

雾培桶隔热层设计中，R_i为雾培桶内表面(即包括桶身内表面及桶盖内表面)换热阻，由于雾培桶内表面特性与“墙、地面、表面平整的顶棚、屋盖或楼板，以及带肋的顶棚，当肋高/肋间净距≤0.3时”情况一致，R_i应取0.11m²·℃/W。

(2)隔热层填充物的厚度计算

a.由多层材料构成的温室外围护结构，其最小总热阻值R_0·min可以由公式(2)计算：

$R_{0\·\min }=\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_x}\mathrm{...}\left(2\right)$

其中，《民用建筑热工设计规范》中，δ_x为温室外围护结构各材料层厚度，单位.m；λ_x为温室外围护结构各材料层的导热系数，单位.W/m·℃；雾培桶隔热层设计中，材料层包括雾培桶壁、隔热层外桶6的桶壁、隔热层内桶8的桶壁及隔热层填充物7。

b.根据公式(2)，若保温隔热层为p层，其厚度

${\mathrm{\δ}}_p=(R_{0\·\min }-\Σ\frac{{\mathrm{\δ}}_{x-p}}{{\mathrm{\λ}}_{x-p}}){\mathrm{\λ}}_p\mathrm{...}\left(3\right)$

式中，《民用建筑热工设计规范》中，δ_p为保温隔热层厚度，单位.m；λ_p为保温隔热层导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为温室外围护结构最小总热阻值，单位m²·℃/W；δ_x-p为除保温隔热层外的其他围护结构材料层厚度，单位m；λ_x-p为除保温隔热层外的其他围护结构材料层导热系数，单位W/m·℃。

雾培桶隔热层设计中，隔热层填充物为p层，δ_p为隔热层填充物厚度，需计算确定；λ_p为隔热层填充物导热系数，与选择的填充材料有关；R_0·min为材料层最小总热阻值，可通过公式(1)计算得到；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶6的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶8的桶壁厚度δ₁；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶6的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶8的桶壁材料导热系数λ₁。

实施例

采用本发明所述的雾培桶隔热层设计方法针对传统小型雾培桶设计其隔热层，步骤如下：

1.已知条件：

现有雾培桶高度H₀＝40cm；外径D₀＝20cm；桶壁厚度δ₀＝0.2cm；桶壁导热系数λ₀＝0.21W/m·℃。

2.双桶型隔热层结构设计：

为保证隔热层与雾培桶的紧密贴合，双桶型隔热层的内径为20cm，即d＝20cm；选择采用PP材料的隔热层外桶6与隔热层内桶8的桶壁厚度为δ₁＝δ₂＝0.3cm、导热系数λ₁＝λ₂＝0.21W/m·℃；隔热层外桶6与隔热层内桶8间的填充物(聚氨酯泡沫胶)的导热系数λ_p＝0.045W/m·℃；隔热层内桶8的高度h＝H₀+δ₁＝40.3cm；隔热层外桶6的高度H₁＝H₀+2δ₁＝40.6cm；隔热层外桶6与隔热层内桶8之间的隔热层填充物的厚度δ_p待求。

隔热层外桶6的外壁面上粘贴铝箔胶带。

3.隔热层填充物的厚度δ_p的计算：

1)隔热层最小总热阻值的计算

首先应用公式计算满足雾培桶隔热要求的雾培桶材料层的最小总热阻值R_0·min。基于公式主要从温室冬季保温角度进行设计，所以必然存在t_i>t₀，而本设计以夏季隔热为主，则必然存在t_i<t₀，为保证R_0·min为正值，故将公式变形为

$R_{0\&CenterDot;\min }=\frac{|t_i-t_0|n}{\mathrm{\&Delta;}t}{R}_i---\left(4\right)$

公式中各项参数的选取及依据如下：

a.t₀＝40℃，温室夏季极易出现40℃高温，在气温炎热的7、8月份，甚至可以多天达到接近50℃。但是对于绝大多数植物来讲，高于40℃的温度会造成对植物的永久性伤害，所以一般当温室内温度超过40℃时，一定要采取有效的降温措施进行降温。因此，本发明将雾培桶外最高温度确定为40℃。

b.t_i＝25℃，一般植物根系正常生长发育温度在25℃～30℃，因此，为充分保证根系温度环境，本发明将雾培桶内最佳温度确定为25℃。

c.修正系数n参照表1，本发明与“外墙，平屋顶及一面外露的楼板等”情况符合，n取值为1。

d.Δt为室内气温和外壁内表面间的允许误差，为有效保障雾培桶内温度不受外界高温影响，参照表4，Δt选取对隔热要求较为严格时的4℃。

e.内表面换热阻R_i参照表3，本发明与“墙、地面、表面平整的顶棚、屋盖或楼板，以及带肋的顶棚，当肋高/肋间净距≤0.3时”情况符合，R_i取值为0.11。

将各参数代入公式计算得到雾培桶材料层最小总热阻值R_0·min＝0.41m²·℃/W。

2)隔热层填充物的厚度δ_p的计算

应用公式计算隔热层填充物的厚度δ_p。各参数如下：

雾培桶壁厚度δ₀＝2mm，材料导热系数λ₀＝0.21W/m·℃；隔热层外桶6与隔热层内桶8的桶壁厚度δ₁＝δ₂＝3mm，导热系数λ₁＝λ₂＝0.21W/m·℃；隔热层填充物7的导热系数λ_p＝0.045W/m·℃；经上一步计算，雾培桶材料层最小总热阻值为0.41m²·℃/W。

将以上各参数代入公式计算隔热层填充物7的厚度δ_p＝1.68cm≈2cm。

综上，针对目标雾培桶的隔热层设计完毕。

隔热层使用效果:

以上例中的雾培桶为例对设计的隔热层使用效果进行试验验证。

1)隔热层隔热效果如下：

参阅图4与图5，在北方气温最高的8月，对雾培桶隔热层效果进行验证，测试当日10.00～19.00室内温度及有无隔热层的雾培桶内部营养液温度、桶内气温情况。测试当日室内最高温度达到45℃，温度超过40℃的时间长达3个小时，最大温度变幅为20℃，对比有无隔热层雾培桶内温度数值如表4所示：

表4有无隔热层雾培桶内温度环境差异

单位：℃

可见，隔热层对雾培桶的隔热作用非常明显，显著降低了外界环境对营养液温度及桶内气温的影响，使雾培桶内温度环境更稳定，对植物根系正常生长及生理活动非常有利。

2)采用隔热层的栽培效果试验：

为了验证增加隔热层后雾培桶栽培效果，以生菜为例进行30天的种植，对收获生菜的鲜重进行称量。结果表明，无隔热层的雾培桶栽培生菜单株鲜重为49.65±7.23g；具有隔热层的雾培桶栽培生菜单株鲜重为63.74±12.41g，提高生菜鲜重28.4％。

可见，使用该方法设计的隔热层，可改善原有雾培桶的性能，维持根系温度环境稳定性，最终促进植物的生长发育，提高产量。

隔热层占地面积、体积及效益分析：

仍以上面的雾培桶为例，对增加隔热层后的占地面积、体积、质量及隔热层成本进行分析，结果如表5所示。增加隔热层后，雾培桶占地面积仍不足0.05m²，质量虽然增加了1倍，但基于隔热层可与内部雾培桶分离，需要提、拉等操作时，也可直接提、拉内部雾培桶，如更换营养液时，不会对管理操作造成额外的负担。成本方面，增加隔热层后，整套设备成本提高23％，但该部分成本为一次性投入，随着每茬种植产量的提高(超过28％)，长远来看，产生的经济效益仍然相当可观。

表5增加隔热层对雾培桶占地面积、体积及成本的影响

Claims (4)

1.一种雾培桶隔热层，其特征在于，所述的雾培桶隔热层由隔热层外桶(6)、隔热层填充物(7)与隔热层内桶(8)组成；

隔热层外桶(6)与隔热层内桶(8)均为带底的敞开口的圆桶状结构件，隔热层填充物(7)为圆环体形结构件，隔热层外桶(6)、隔热层填充物(7)与隔热层内桶(8)依次套装在一起为固定连接，确切的说，隔热层内桶(8)装入隔热层外桶(6)之中，隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)的回转轴线共线，隔热层外桶(6)的桶底内侧面与隔热层内桶(8)的桶底面接触连接，隔热层填充物(7)位于隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)之间，隔热层外桶(6)、隔热层填充物(7)与隔热层内桶(8)的顶端面共面；

所述的隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)的壁厚分别为δ₁和δ₂，且δ₁＝δ₂，隔热层内桶(8)和隔热层外桶(6)的底厚与壁厚相等，隔热层外桶高度为H₁，隔热层内径为d，隔热层填充物(7)的厚度为δ_p；

隔热层内径d等于雾培桶外径D₀，即d＝D₀；隔热层内桶高度h等于雾培桶高H₀加一个底厚即一个壁厚δ₁，即h＝H₀+δ₁；隔热层外桶高度H₁等于雾培桶高H₀加两个底厚即两个壁厚2δ₁，即H₁＝H₀+2δ₁，隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)之间的距离等于隔热层填充物(7)的厚度δ_p，即

式中：δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶(6)的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶(8)的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶(6)的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶(8)的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃。

2.按照权利要求1所述的雾培桶隔热层，其特征在于，所述的隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)皆选择聚丙烯塑料，导热系数λ为0.2-0.22W/m·℃；

所述的隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)之间的隔热层填充物(7)选择聚氨酯发泡胶，其导热系数λ为0.042W/m·℃。

3.按照权利要求1所述的雾培桶隔热层，其特征在于，所述的隔热层外桶(6)的桶壁外侧无缝粘贴一层耐高温的铝箔胶带，铝箔胶带厚度为0.05～0.08mm，宽度为5～8cm。

4.一种雾培桶隔热层的设计方法，其特征在于，所述的雾培桶隔热层的设计方法的步骤如下：

1)确定隔热层结构参数：

隔热层内径d等于雾培桶外径D₀，即d＝D₀；

隔热层内桶高度h等于雾培桶高H₀加一个底厚即一个壁厚δ₁，即h＝H₀+δ₁；

隔热层外桶高度H₁等于雾培桶高H₀加两个底厚即两个壁厚2δ₁，即H₁＝H₀+2δ₁，隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)之间的距离等于隔热层填充物(7)的厚度δ_p，即 ${\mathrm{\&delta;}}_p=(R_{0\&CenterDot;\min }-\mathrm{\&Sigma;}\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{x-p}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{x-p}}){\mathrm{\&lambda;}}_p\mathrm{...}\left(3\right)$

式中：δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶(6)的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶(8)的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶(6)的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶(8)的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃；

2)隔热层内外桶及隔热层填充物材料的选择：

(1)所述的隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)皆选择聚丙烯(PP)塑料，导热系数λ为0.2-0.22W/m·℃；

(2)所述的隔热层内桶(8)与隔热层外桶(6)之间的隔热层填充物(7)选择聚氨酯发泡胶，其导热系数λ为0.042W/m·℃；

(3)在隔热层外部粘贴铝箔胶带；

3)隔热层填充物的厚度计算

(1)隔热层填充物最小总热阻值R_0·min的计算：

$R_{0\&CenterDot;\min }=\frac{(t_i-t_0)n}{\mathrm{\&Delta;}t}{R}_i\mathrm{...}\left(1\right)$

式中：t₀为雾培桶桶外可能出现的室内最高温度；t_i为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度；n是修正系数；Δt为植物栽培需要达到的雾培桶桶内空气温度与隔热层内桶(8)的内壁表面温度之差；R_i为雾培桶内表面换热阻；

(2)隔热层填充物的厚度计算：

a.雾培桶隔热层设计中材料层的最小总热阻值R_0·min可以由公式(2)计算：

$R_{0\&CenterDot;\min }=\mathrm{\&Sigma;}\frac{{\mathrm{\&delta;}}_x}{{\mathrm{\&lambda;}}_x}\mathrm{...}\left(2\right)$

其中，δ_x为雾培桶隔热层设计中材料层厚度，单位.m；λ_x为雾培桶隔热层设计中材料层导热系数，单位.W/m·℃；

b.根据公式若隔热层填充物为p层，其厚度

${\mathrm{\&delta;}}_p=(R_{0\&CenterDot;\min }-\mathrm{\&Sigma;}\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{x-p}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{x-p}}){\mathrm{\&lambda;}}_p\mathrm{...}\left(3\right)$

式中，δ_p为隔热层填充物厚度，单位.m；λ_p为隔热层填充物导热系数，单位.W/m·℃；R_0·min为材料层最小总热阻值，单位.m²·℃/W；δ_x-p包含雾培桶壁厚度δ₀、隔热层外桶(6)的桶壁厚度δ₂、隔热层内桶(8)的桶壁厚度δ₁，单位.m；λ_x-p包含雾培桶壁材料导热系数λ₀、隔热层外桶(6)的桶壁材料导热系数λ₂、隔热层内桶(8)的桶壁材料导热系数λ₁，单位.W/m·℃。