“接力”研究制作节能温室新材料
文章作者:   |发布时间: 2019-01-10
 


  在前不久举办的首届“能源·智慧·未来”全国大学生创新创业大赛上,水土学院大三学生葛权正和团队成员一起,与北京大学、清华大学等91所高校的参赛选手同台竞技,凭借“日光温室保温及相变蓄热研究”项目喜获一等奖。
  “这个比赛是目前全国能源领域创新创业最高级别的竞赛,有220项参赛项目入围总决赛。我们能在众多‘高手’中脱颖而出,主要得益于近年来围绕农业生产中的实际问题,专注于探索温室墙体材料保温、蓄放热装置等方面的新技术,并进行集成利用,还有了自己的专利。”指导教师范军高兴地说。
  细细算来,“日光温室保温及相变蓄热研究”成果是范军老师指导的三届本科生,通过大学生研究训练计划(SRT)项目“接力”合作完成的,目前全国、省各类创新创业比赛夺得了近十项奖励。


自制砌块节能又保温


    三年前,范军到南校区科技站园调试水蓄热示范温室,发现大多数北方地区日光温室北墙体材料由红砖或土块砌成,存在吸热慢、储存热量不多、不能充分利用太阳能的问题,而且近年来国家为保护耕地已禁止生产原料为粘土的红砖。他希望能研发出新型温室建造材料。
  也正是在这一年,2015级建环专业学生史绪航找到范军老师,想跟范老师做大学生研究训练计划项目。在史绪航组建好团队后,范军老师给了他们一个“命题”研究任务:研发一种达到山东省居住建筑75%节能率标准即山东省居住建筑节能设计标准的自保温砌块。
  接到任务后,史绪航和团队成员马不停蹄地查资料,和范军老师一起讨论后,决定设计一种“断桥式”结构的自保温砌块,也就是在砌块某个位置断开,并放上填充物,这样不但能阻断室内热量通过砌块往室外散发,还不影响砌块的承重功能。
  大方向定了,而在具体如何设计上他们又遇到了“拦路虎”:整个砌块的形状如何设计?断桥部位设置在何处?需要设计几处断桥部位?
  在短短两个月的时间里,史绪航和团队成员设想了很多形状,如数字型、字母型等。每想出一个形状,他们都要利用软件模拟砖块的保温性能和力学性能,并向《力学》课程老师请教从受力角度是否可行,再找到范军老师一起讨论。
  经过五六次反复修改,史绪航和团队成员终于设计出来了满意的“S”形结构砖块。“S”形结构上的两个拐点处由玻璃纤维增强筋和聚氨酯作为材料的聚氨酯连接块连接起来,其余部分用混凝土浇筑,这样使得连接部位强度高,隔热性好。同时,“S”形结构内的中空部分用填充物填满,使整个砌块从外观上呈方形。
  “废弃的聚苯乙烯泡沫很难降解,容易对环境造成污染。如果我们把它填充在砌块空心中,一方面有效利用废弃物,另一方面隔热效果也不错。”范军和学生们多次试验,确定了用废弃的聚苯乙烯泡沫填充“S”形砌块内的空心部分。
  范军和史绪航团队最终做出了实物,并砌出了自保温墙体。在实验室,他们用建筑围护结构传热系数检测仪测定砌块砌筑墙体的传热系数,并通过抗压、抗弯强度试验看它的承重情况。研究结果让他们欢呼雀跃,该墙体的保温性能和承重性能都达到了预期目标。这也意味着他们研发出了适合温室建造的一种新型建筑材料。
  现在这个新型自保温砌块已获得了国家专利局授予的实用新型专利,发明专利也到了公布这一环节。他们还把研究成果以论文的形式,发表在中文核心期刊《新型建筑材料》上。


“接力”合作研发新骨架


    同样是在南校区站园的温室里,范军还发现了一个问题,也就是传统日光温室白天若光照充分,室温很快升高到作物生长需求的最高值,而多余的热量还需通过自然通风装置排放到室外,但晚上往往需要外源加热以满足作物生长需要。这样就浪费了不少能源。
  怎样实现温室里白天吸收储存太阳能,晚上释放的热量就能满足生产需求?范军把目光瞄向了温室大棚的骨架,传统的温室大棚骨架几乎都没有蓄放热功能,能否改造现有骨架架构,让它同时具备承重和蓄放热功能?
  适逢2014级学生秦立锋组建了团队,想在范军老师实验室做大学生研究训练计划项目。范军和秦立锋及团队成员交流自己的想法时,大家都很感兴趣,很快投入到项目材料查找、设计等工作中。
  考虑到温室大鹏里比较潮湿,需要耐腐蚀的材料,而不锈钢的导热性能好、耐存放、成本不高,范军和秦立锋团队打算采用一种套管式的骨架结构,也就是两个不同粗细的钢管套放在一起,两层钢壁之间的空隙处填充合适的蓄放热相变材料。
  然而,内层钢管设计成什么形状既不影响骨架承重,还较好地起到蓄放热功能?秦立锋和团队成员经过反复研究,欣喜地发现从力学理论上来说“梅花”的形状可以满足他们的要求。
  为防止盲目设计,节约制作模具花费的成本,范军要求学生先进行软件模拟计算受力、蓄放热数值模拟,在理论上觉得合适了再开始着手做实物。而秦立锋团队设计好具有蓄放热功能的骨架后,没来及用软件模拟计算受力和蓄放热数据。2016级建环专业学生葛权正组建创新团队后,接过了新型骨架设计项目继续研究的“接力棒”。
  经过不断地模拟计算,葛权正团队根据所得数据反复修正内层钢壁边角弯度、位置等,最终确定了精确的“梅花”状结构。根据软件模拟和试验结果,他们也做出了具有承重、蓄放热双重功能的骨架实物。
  “石蜡和硬脂酸正丁酯的混合材料适合在温室中使用。”范军建议秦立锋团队使用这个材料作为骨架两层不锈钢之间的填充物。他们在实验室一次次进行试验,比较不同配比相变材料的蓄放热效果,用试验数据“说话”,选出了合适的相变材料。
  他们还把混凝土填充到内层钢管里面的中空部分,以提高骨架强度。
  通过对实物的耐压性、弹性、蓄放热能力测试,范军和葛权正团队高兴地看到这些数据与软件模拟计算的数据是一致的。目前他们已向国家知识产权局申请了发明专利。


  技术创新获大奖


    从2016年到2018年,在这三年的时间里,2014级、2015级、2016级三届学生“接力”合作,通过大学生研究训练计划项目研究,不但创新性地研发了自保温砌块、具有承重和蓄放热双重功能的骨架,还和范军老师一起做了相变蓄热板,从而更好地利用太阳能资源。
  “把相变蓄热板挂在温室内北墙墙体上,隔一米挂一个。太阳光从温室大棚上面进来正好照在蓄热板上,可以吸收储存太阳能,晚上再释放进温室里。”范军说。这个蓄热板从外面看是不锈钢盒子,里面有他们配制的相变材料,还有帮助导热的钢丝网。
  范军和学生们研发的骨架和蓄热板“合作承担”了温室大棚的蓄放热功能,这样在冬天基本不用额外加热,大棚里的温度就能满足作物生长需求。
  凭着自己研发出来的新产品,范军带领学生参加全国大学生农业建筑环境与能源工程相关专业创新创业竞赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、山东省大学生科技创新大赛等各类专业竞赛,在强手如林的参赛选手中脱颖而出,受到了评委老师的青睐,获得了很多奖励。
  在首届“能源·智慧·未来”全国大学生创新创业大赛上,他们首次把这几项创新技术集成起来,应用在温室中,解决生产问题。“新型节能自保温砌块作为温室墙体材料、能起到支撑和蓄放热作用的骨架、蓄热板增强墙材的蓄放热功能、自保温砌块中还利用了废弃而难以降解的聚苯乙烯泡沫,这四个创新点让评委老师对我们的产品很感兴趣。”范军说。
  关于建筑成本,他们还和记者算了一笔经济账:以占地100平方米的日光温室为例,集成应用这些新技术的成本比普通大棚高3000多元,但和普通温室大棚相比冬天不需要外源加热,节能加热用煤或柴油近1000元,而一个大棚的使用寿命至少6年,很多甚至长达20年。
  “用我们的材料建成的温室大棚节能还省事。”谈起这些创新产品的应用,范军满怀期待,希望带领学生为农业节能减排工作中作出自己的贡献。