新型农用保温被结构设计与保温性能研究*

陈海珍 张放军 楼 杰 (.浙江纺织服装职业技术学院，宁波，5;.纺织工业科学技术发展中心，北京，0074; .宁波中直农业科技有限公司，宁波，500)

新型农用保温被结构设计与保温性能研究*

陈海珍1张放军2楼 杰3(1.浙江纺织服装职业技术学院，宁波，315122;2.纺织工业科学技术发展中心，北京，100742; 3.宁波中直农业科技有限公司，宁波，315100)

根据建筑保温原理设计新型保温被结构，采用NY/T 1831—2009温室覆盖材料保温性能测定方法测试保温性能，以北京温室基地使用各种保温被实测棚温的平均值做对比，讨论了新型保温材料结构设计的合理性和上述行业标准评价的可行性。结果表明新型保温被结构双面防水、芯材采用热熔絮棉，保温性能优于其他同等面密度的保温被和草帘子，且700 g/m2左右芯材的新型保温被能够在冬季最低温度－15℃以上地区使用。上述行业标准对保温材料保温性能评价存在一定缺陷，即对吸湿性材料户外使用中受雨雪影响的因素未有考虑。

温室保温被，保温性，双面防水，热熔絮棉，传热系数，温室

我国温室大棚的覆盖材料目前使用最多的是稻草或蒲草编织的草帘子，其保温效果较好，缺点是寿命较短，遇雨雪霜冻天保温效果下降明显且收卷难［1]。蒲草是北方地区重要植被，过度砍伐会导致地方环境急剧恶化，当地政府已经开始实施限制砍伐措施。近几年来草帘子的价格上涨了2倍多，市场供应量未增长，所以每年草帘子都无法满足温室大棚保温材料的需求。据了解2009年仅山东寿光地区的12月左右积雪量达到40 cm时，在4万个大棚中有近4 000座覆盖草帘子的大棚被压塌，直接经济损失1.6亿元。所以，研发质轻、保温效果更好的保温被取代传统草帘子是我国温室发展的迫切需求。

上世纪80年代以来保温被行业的科技人员开展了大量的研发工作，应用了大量的纺织品，开发出了各种不同结构、不同保温材料的保温被，但到目前为止，保温被行业规模小，技术含量低，大部分产品保温性能不如草帘子，且没有自己的行业标准［2]。保温性能是保温被的主要性能，一般采用纺织行业的GB/T 11048—1989纺织品保温性能试验方法测试，采用的平板式恒定温差散热法是测试布面两侧表面温差为1℃时通过单位面积的热流量，评价结果受试样厚度影响很大，与户外实际使用效果差异很大［3]。农业的行业标准NY/T 1831—2009温室覆盖材料保温性能测定方法2009年3月制定，2009年12月推广实施。

本文根据建筑保温原理设计新型保温被结构，并采用NY/T 1831—2009温室覆盖材料保温性能测定方法［4]测试保温性能，以北京温室基地2010年1～3月使用各种保温被实测棚温的平均值做对比，讨论新型保温被结构设计的合理性和上述行业标准评价的可行性。

1 保温材料结构设计原理

将保温被作为一种类似日光温室建筑的围护结构，根据建筑保温原理设计新型保温被结构，采用保温建筑材料及建筑热工设计中常用性能指标传热系数评价其保温性［5-6]。传热系数与纺织品保温系数完全不同。

围护结构的传热系数是指在材料两侧单位空气温差的情况下，在单位时间内通过材料单位面积的传热量。它反映保温材料两侧冷热流体间温度相差1℃(或1 K)时，单位时间内通过每平方米面积可传递的热量(W)［5-6]。保温被的传热系数值与保温被两侧气流体的性质、气体流动情况、保温被材料、面积及形状等许多因素有关，所以数值变化范围很大，通常采用静态方法测试。

保温被结构设计中需要重点考虑影响其传热系数的如下因素。

(1)容重:即体积质量。一般情况下，静止空气的传热系数是最小的，在保温被结构中能含有足够多的静止空气，保温层的传热系数也就较小。对于膨松状的保温被而言，在户外温室大棚上使用中经常被卷拉，其密度变化幅度较大，传热系数就会变大，保温性能降低。因此，在保温被的结构设计中，必须采用膨松的、有弹性的芯材制作保温被的保温层，同时需研究确定其最佳的密度值，以达到最好的保温性。

(2)湿度:当材料空隙中的部分空气被水分所代替时，由于水的导热系数［0.58 W/(m·K)]约比空气大20倍，同时水分的存在增加了材料相互间的接触，其传热系数显著增大;特别是在潮湿低温状态下，材料的传热系数会增加更大，因为冰的导热系数比水的导热系数约大4倍。而在我国东北、华北的冬季雨雪天气较多，低温低至零下数十度，每日早晚霜冻、大雾等气候对保温被传热系数的负面影响非常大。因此，设计制作的保温被必须有一定的防水性，以减少水分子进入保温层。

2 保温芯材筛选

根据保温被结构设计原理和常用材料的导热系数(见表1)，我们必须选用导热系数小、吸湿度小的保温材料，同时尽量避免水蒸气对材料的影响，必须要有防水膜。表1材料中导热系数最小的就是空气和涤纶。

表1 常用保温材料的导热系数［6]

首先进行保温被芯材的对比与选择。以聚乙烯膜做表层，分别与喷胶棉、针刺废毛毡、聚苯乙烯发泡材料、针刺废棉毡和热熔絮棉［7]一起制作保温被芯材，另外还准备了铝箔、草帘子，共制作了7种结构的保温芯材。7种结构的保温芯材结构特征和卷曲试验后的变形情况(面密度和厚度为10次测试的平均值)见表2。

表2 不同结构的保温芯材的结构特征和卷曲试验后的变化

喷胶棉主要由线密度为6.6～7.7 dtex的纯涤纶和废棉絮纤维组成，废棉絮成分复杂，多数是纺织下脚料和回收的破旧混纺或交织布。热熔絮棉以线密度为3.3～6.6 dtex、长度为51～64 mm 的低熔点纤维，混合一部分纺织下脚料和废棉，还在其中添加了10%～20%质量分数的线密度为19.8 dtex、长度约64 mm的涤纶中空纤维。

卷曲试验方法:1 m2试样平铺在平板上，将其包卷在直径为0.03 m的纸筒上手工卷曲100次，然后放置半小时后进行测试。

从表2中可以看出泡沫芯材由于变形能力较小，弹性差，在卷曲100次后出现断裂，不适合作为户外日光温室长期使用;以针刺工艺制作的保温芯材不容易变形，但太厚太硬;喷胶棉保温被变形较大，厚度减少至原厚度的约89.22%;热熔絮棉的保型效果最好。

以热熔絮棉为芯材，我们设计了芯材面密度为800、700、600 和450 g/m2的保温被。

3 双面防水新型保温被加工工艺

经过多次筛选，我们利用热熔絮棉芯材和涤纶牛津布面料(面密度为76 g/m2)研制成双面防水新型保温被，采用了防水层复合工艺在布与絮棉间形成了0.4～1.5 mm 的防水、阻热、粘结的膜(防水涂层材质)，耐静水压达到14.7 kPa以上。与PU涂层防水工艺相比，该工艺加工的材料克服了低温脆化的缺点，防水性能稳定，且能有效地阻隔热量的散失和雨雪、水汽的渗入;材料成本低廉，加工工艺简单，一次成型，产业化优势突出;在工艺上，有效地解决了表层与芯层连接的问题，不用绗缝固定，新型保温被表面无针洞，平整光滑，具有较好的防水性能。与其他表层塑料或泡沫防水技术相比，双面防水新型保温被的覆膜防水层在涤纶布内侧，柔软有弹性，涤纶布很好地保护了防水层不受外界破坏，增强了防水效果，并延长了防水寿命。

双面防水新型保温被的产品编号为D×××，其中D表示双面防水的功能，×××表示芯材面密度。

4 双面防水新型保温被性能测试结果比较

保温被的保温性按NY/T 1831—2009温室覆盖材料保温性能测定方法测试，评价参数是传热系数。采用静态热箱法测定，在测试设备中覆盖材料试件的一侧空间加热、另一侧空间冷却，两侧分别建立起稳定的温度、气流和热辐射条件，在试件接近一维稳态传热的状态下，测定流经试件的热流量和两侧空气温度，据此确定试件的传热系数和传热阻。

试样准备:选择干燥、完好无破损、表面平整的保温被做试样，试样面积大于95 cm×95 cm;对可能吸潮的试件，测定前调节到气干状态。

测试环境接近真实户外环境。测试设备主体包括热箱和冷箱两部分，控制冷箱内空气温度为－4.0～0.0℃，热箱空气温度为 22.0 ～26.0℃。试件表面空气温度应分布均匀，在试件计量面范围内，垂直于试件表面沿着气流方向的空气温度梯度不得超过2℃/m;平行于试件表面气流的横向空气温度差不得超过冷箱与热箱内空气温度差的2.0%;试件表面平均气流速度:(4.0 ±0.2)m/s;试件表面各测点气流速度:(4.0±0.8)m/s;冷辐射板表面平均温度:－22.0 ～18.0℃。

测试热箱内空气温度、冷箱内空气温度和加热装置的加热功率，以不小于30 min的时间间隔连续测定两次。两次测试所得的传热系数值与平均值相比允许相差±1.0%，否则应继续增加测定次数，直至最后两次测定结果满足上述要求［1]。

我们选择了 D450、D600、D700、D800型双面防水新型保温被和针刺废棉毡保温被(芯材面密度800 g/m2)与草帘子(面密度1 500 g/m2)进行了保温性能测试比较，测试结果(2次测试的平均值，允许相差±1%)如表3。

表3 不同保温材料的保温性能

2010年1～3月期间，表3中的几种保温材料(D700和D450型双面防水新型保温被、针刺棉保温被及加厚型草帘子)在北京怀柔地区温室基地实际应用，该基地在相同室外条件下使用保温材料，在52 d的时间里每天早上8∶30卷保温被之前测量温室棚内温度(棚温)和室外温度，并记录测量结果，如图1。

图1 2010年1～3月北京怀柔地区温室棚温与户外温度对照

计算得出:使用D700型双面防水新型保温被的温室平均棚温约9.90℃，使用D450型双面防水新型保温被的温室平均棚温约7.00℃，使用针刺棉保温被的温室平均棚温约6.96℃，使用草帘子的温室平均棚温约 7.81℃;室外最低温度为－12.00℃，平均气温 －7.82℃。

实际使用保温被的农户反映草帘子和针刺棉保温被表面防水效果较差，雨雪天前后棚温变化较大，雨雪天后收卷也较困难;新型保温被防水性能稳定，棚温较稳定。

北京怀柔地区温室基地的户外使用效果说明，在当地气候条件下D450型双面防水新型保温被与加厚型草帘子覆盖的温室棚温相近，都能达到大棚作物所需的生长温度7℃;使用D700型双面防水新型保温被保温的温室棚温比草帘子的高出2℃以上，实际使用效果良好。

5 结语

(1)利用建筑保温原理设计新型农用保温被芯材，选用传热系数作为实验室内评价保温被保温性的指标。具有良好保温性的保温被需保证其材料结构膨松有弹性，而且达到一定的厚度;同时必须避免水对材料导热系数的影响，做到表层防水。

(2)采用热熔絮棉工艺，制作出膨松且密度稳定的保温被芯材。在面密度一定的情况下，通过调整芯材的厚度能制得不同厚度的芯材;在一定范围内，可以通过增加芯材的面密度来增加厚度，从而达到降低传热系数的目的。采用防水层复合工艺制作而成的D700型双面防水新型保温被户外使用的效果明显好于草帘子。

(3)参照NY/T 1831—2010标准，采用气干状态下的材料测试，相同试验条件下各种材料的试验结果具有一定的可比性。但该标准仍然存在一定缺陷，就是无法模拟户外潮湿低温状态下材料保温性能的变化。

(4)与针刺棉(毛)毡相比，在相同用料的情况下，热熔絮棉芯材更加膨松，空气保有量更多，保暖性更好。相同的保温效果下，热熔絮棉芯材质轻、用料少，不仅节约了材料、降低了材料成本，而且以这种芯材制作的保温被用作温室大棚的覆盖材料可大大降低温室的承重，这将对以后温室的建筑结构产生巨大影响。

［1]葛志军，傅理.国内外温室发展现状与研究进展［J].安徽农业科学，2008，36(35):15751-15753.

［2]徐刚毅，周长吉.日光温室PE发泡自防水保温被的研制与性能测试［J].农业工程学报，2005，21(1):128-131.

［3]刘增录，刘天愚.GB/T 11048—1989纺织品保温性能试验方法［S].北京:纺织工业部标准化研究所，1989.

［4]马承伟，丁小明.NY/T 1831—2009温室覆盖材料保温性能测定方法［S].北京:中国标准出版社，2010.

［5]胡达明，赵士怀，黄夏东，等.建筑节能设计中围护结构用材料的隔热性能及其相关性探讨［J].建筑砌块与砌块建筑，2007(4):8-11.

［6]蔡龙俊，鲁雅萍.农业温室供热系统的研究与设计［J].建筑热能通风空调，2001(2):23-24，40.

［7]张玉惕.产业用纺织品［M].北京:中国纺织出版社，2009:1-35，54-78.

New structure and thermal insulation performance analysis on greenhouse covering quilt

Chen Haizhen1，Zhang Fangjun2and Lou Jie3(1.Zhejiang Textile＆ Fashion College;2.Science and Technology Developing Center for Textile Industry; 3.Ningbo Zhongzhi Agri.Co.，Ltd.)

In this article，new structure of greenhouse covering quilt was founded on principle of building insulation，and its insulation performance was analyzed by the tests of industry standard NY/T1831—2010 and the comparation tests of actual room temperature in Beijing greenhouses.Then the reasonability of new structure and the feasibility of NY/T1831—2009 standard were evaluated.The result was that new structure of greenhouse covering quilt has water-proof in both sides and heat-bonded wadding in core;its thermal insulation performance was better than other covering materials and straw curtains.D700 can be used in the area where the lowest temperature in winter is no more than －15℃.And the evalution of industry standard test ignored thermal insulation performance of hygroscopic materials outdoor in rain and snow.

greenhouse covering quilt，thermal insulation performance，water-proof in both sides，heat-bonded wadding，coefficient of heat transfer，greenhouse

TS106.64

A

1004－7093(2010)12－0012－05

*中国纺织工业协会科技指导性项目(2008116)，浙江省教育厅项目(Y201009960)

2010－11－25

陈海珍，女，1978年生，讲师。主要从事纺织服装技术开发工作。