孫信成,王秀峰*,馬承偉,魏 珉,3,楊鳳娟

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271018 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 3.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,山東 泰安 271018

保溫覆蓋材料保溫及機(jī)械性能的室內(nèi)檢測(cè)

孫信成1,王秀峰1*,馬承偉2,魏 珉1,3,楊鳳娟1

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝科學(xué)與工程學(xué)院,山東 泰安 271018 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 3.農(nóng)業(yè)部黃淮海設(shè)施農(nóng)業(yè)工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站,山東 泰安 271018

為了篩選適宜用作保溫被的被面、被芯材料及其組合，利用室內(nèi)傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái)和電子拉力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試分析了目前市場(chǎng)上17種常見保溫覆蓋材料的保溫性、機(jī)械強(qiáng)度及其組合成的41種保溫被的保溫性能。結(jié)果表明：涂銀迷彩布防水材料、鍍鋁或涂銀材料機(jī)械強(qiáng)度大，保溫性好，適于作保溫被表層材料；涂銀迷彩布防水材料作保溫被外表層、鍍鋁或涂銀材料作內(nèi)表層且鍍鋁或涂銀面朝棚膜為佳。保溫被芯材以毛氈、太空棉保溫性最好，花色氈、黑色無(wú)紡布、白色無(wú)紡布和珍珠棉次之，噴膠棉最差。研究結(jié)果可為保溫被的工廠化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

保溫材料;保溫;機(jī)械性能;室內(nèi)檢測(cè)

日光溫室冬季保溫主要依靠外墻結(jié)構(gòu)和保溫材料夜間覆蓋的相互結(jié)合，而在北方冬季夜間，通過(guò)日光溫室透明覆蓋材料的傳熱損失一般占總熱量損失的60%～95%[1]，故保溫材料的夜間覆蓋顯得尤為重要[2]。

國(guó)外對(duì)保溫被材料和組合材料的保溫性能研究不多[3-6]。國(guó)內(nèi)馬承偉、張俊芳等[7-10]主要針對(duì)保溫被傳熱過(guò)程進(jìn)行理論分析與驗(yàn)證以及測(cè)試方法的研究。姜魯艷[11]和胡瑤玫[12]采用溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái)對(duì)本地現(xiàn)有幾種類型保溫被的保溫性進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)利用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)的溫室覆蓋材料傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái)和山東五州專用設(shè)備廠生產(chǎn)的LDS-10B-3型微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試了17種常見保溫覆蓋材料的保溫性、機(jī)械強(qiáng)度及其組合成的41種保溫被的保溫性等參數(shù)，以期為保溫被制作材料的選擇提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料是17種從市場(chǎng)上收集到的可作保溫被表面防水材料和內(nèi)芯材料，以及由其部分組合而成的保溫被，草苫作對(duì)照。

1.2 測(cè)試儀器與方法

1.2.1 傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái) 室內(nèi)試驗(yàn)的保溫性能測(cè)試是通過(guò)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院、農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的傳熱系數(shù)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行的，本測(cè)試臺(tái)技術(shù)要求以及采用的測(cè)試方法，滿足農(nóng)業(yè)部的農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《溫室覆蓋材料保溫性能測(cè)定方法》（NY/T 1831-2009）的規(guī)定[13-15]。測(cè)試臺(tái)通過(guò)冷板（模擬外界天空溫度、輻射）、冷箱（模擬室外環(huán)境）和冷箱中的風(fēng)機(jī)（產(chǎn)生氣流模擬室外風(fēng)速）等作為室外測(cè)試條件，熱箱（有加溫裝置）模擬室內(nèi)條件，調(diào)控冷板和冷箱溫度、風(fēng)機(jī)風(fēng)速、熱箱溫度，穩(wěn)定地模擬溫室覆蓋材料工作時(shí)的內(nèi)外環(huán)境，通過(guò)測(cè)定熱箱內(nèi)加溫的熱量，扣除通過(guò)熱箱四個(gè)側(cè)壁和底面?zhèn)鞒龅臒崃浚捎?jì)算出通過(guò)覆蓋材料試件的熱量，然后根據(jù)冷箱和熱箱內(nèi)的空氣溫度差以及覆蓋材料面積，即可計(jì)算出傳熱系數(shù)值[14-16]。覆蓋材料的熱節(jié)省率[17]，其物理意義為增加附加保溫覆蓋層后，溫室覆蓋熱量損失降低值與原主覆蓋層（無(wú)附加保溫覆蓋層）的熱量損失值之比。其大小可以由傳熱系數(shù)計(jì)算得到，即等于覆蓋材料、試供薄膜的傳熱系數(shù)差值與試供薄膜的傳熱系數(shù)之比。

覆蓋材料的面密度是指單位面積上的質(zhì)量，本試驗(yàn)是按供試材料大小（1.07 m×1.07 m）的重量來(lái)計(jì)算的；保溫被厚度測(cè)量方法是將試樣放在平板上，用質(zhì)量10 kg±0.1 kg、底平面為150 mm×150 mm的方箱壓在保溫被上，測(cè)量保溫被壓實(shí)后的厚度，長(zhǎng)度方向均勻測(cè)3處，取平均值。

1.2.2 保溫覆蓋材料機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試所采用的儀器是LDS-10B-3型微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)（山東五州專用設(shè)備廠生產(chǎn)），由機(jī)體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)與夾具組成。

按經(jīng)緯線制成長(zhǎng)30 cm、寬5 cm的試樣裝好之后，接通電源試驗(yàn)機(jī)各部分進(jìn)入試驗(yàn)準(zhǔn)備狀態(tài)，按＜下降＞鍵后電機(jī)通過(guò)減速器帶動(dòng)傳動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使移動(dòng)橫梁移動(dòng)通過(guò)夾具給試樣施力，此時(shí)測(cè)力傳感器和光電編碼器將電信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后由顯示窗或顯示屏隨機(jī)顯示出來(lái)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)曲線和試驗(yàn)結(jié)果被記憶，最后可通過(guò)微型打印機(jī)或彩色打印機(jī)打印出試驗(yàn)結(jié)果。

機(jī)械強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)保溫被的重要指標(biāo)之一，機(jī)械強(qiáng)度指材料受外力作用時(shí)，其單位面積上所能承受的最大負(fù)荷，一般用拉力峰值、斷裂強(qiáng)度等來(lái)表示（參照GB/T 3923.1-1997）[18,19]。拉力峰值指試樣在拉伸過(guò)程中，在拉斷時(shí)所承受的最大力值，單位為N；斷裂強(qiáng)度指材料發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力與斷裂橫截面積的比值，單位為N/cm。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010整理，數(shù)據(jù)分析采用PASW Statistics 18.0統(tǒng)計(jì)軟件，方差分析采用LSD方法（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 保溫被單層材料的保溫性比較

表1 保溫被表面材料保溫性比較Table 1 Comparison of heat preservation properties of surface insulation materials

黑色淋膜氈、鍍鋁編織布、涂銀迷彩布、三防布、刀刮布、南韓布、迷彩布、有機(jī)硅布、彩條布、棉帆布均是防水材料，一般可用作保溫被外層防水層。由表1可以看出，防水材料中，黑色淋膜氈的傳熱系數(shù)最低，熱節(jié)省率最高，即保溫性最好，鍍鋁編織布、涂銀迷彩布次之，棉帆布保溫性最差。其中，黑色淋膜氈和鍍鋁編織布的傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率差異均不顯著。

太空棉、珍珠棉、噴膠棉、無(wú)紡布材料結(jié)構(gòu)較疏松，含空隙多，一般用作保溫被中間芯材，主要起隔熱保溫作用。從表2中可以看出，毛氈的傳熱系數(shù)最低，熱節(jié)省率最高，即保溫性最好，太空棉次之，花色氈、無(wú)紡布、珍珠棉較好，噴膠棉保溫性最差。

表2 保溫被芯材的保溫性比較Table 2 Comparison of heat preservation properties of insulating core materials

2.2 保溫被單層材料機(jī)械強(qiáng)度的比較

從表3中可以看出，用作保溫被外層防水材料的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度顯著高于用作保溫被中間芯材隔熱保溫材料；用作保溫被外層防水材料中，刀刮布的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度最大，黑色淋膜氈的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度最?。挥米鞅乇恢虚g隔熱保溫材料中，白色無(wú)紡布的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度最大，珍珠棉的較??；由于太空棉和噴膠棉的材質(zhì)很蓬松，不易斷裂，拉力峰值難以穩(wěn)定。用作保溫被外表面材料的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度都高于芯材，保溫被復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度主要還是取決于內(nèi)外表層材料的機(jī)械強(qiáng)度。

表3 保溫被材料機(jī)械強(qiáng)度的比較Table 3 Comparison of mechanical strength of heat preservation quilts

2.3 不同組合保溫被及草苫保溫性能的比較

以11種外層防水材料和毛氈組合了11種保溫被，同時(shí)選擇涂銀迷彩布和鍍鋁編織布分別作外層防水材料和內(nèi)層反射材料，以噴膠棉、珍珠棉、太空棉、花色氈作內(nèi)芯材料，組合了30種保溫被。41種組合保溫被及草苫的面密度、厚度、傳熱系數(shù)和熱節(jié)省率見表4。

表4 不同材料組合保溫被及草苫保溫性能Table 4 Heat preservation of different combinations of the insulation material and straws mats

從表4中可以看出，保溫被內(nèi)芯都是毛氈時(shí)，外層防水材料為黑色淋膜氈與鍍鋁編織布的保溫被傳熱系數(shù)最低，熱節(jié)省率最高，即保溫性最好，外層防水材料為鍍鋁編織布和涂銀迷彩布的保溫被次之，與表1外層保溫覆蓋材料的測(cè)試值基本一致。保溫被外表層防水材料是涂銀迷彩布，內(nèi)表層為鍍鋁編織布時(shí)，由于其內(nèi)芯材料種類及組合方式的不同，30種保溫被的傳熱系數(shù)及熱節(jié)省率均存在差異。其他保溫材料組合成的保溫被的傳熱系數(shù)及熱節(jié)省率均優(yōu)于草苫。

3 結(jié)論

作為保溫被表面材料的黑色淋膜氈、鍍鋁編織布和涂銀迷彩布3種材料的傳熱系數(shù)較小，熱節(jié)省率均在50%以上，是良質(zhì)的保溫被內(nèi)外表層材料；根據(jù)材料機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)試，鍍鋁編織布和涂銀迷彩布的拉力峰值和斷裂強(qiáng)度顯著優(yōu)于黑色淋膜氈，還具一定的防水作用，故選擇保溫被表面材料以前兩者為最佳。保溫被內(nèi)芯材料中，毛氈和太空棉的傳熱系數(shù)較小，熱節(jié)省率在70%以上，是優(yōu)質(zhì)的保溫被內(nèi)芯材料；而噴膠棉和珍珠棉的傳熱系數(shù)較大，熱節(jié)省率自然就較小，不適合作保溫被內(nèi)芯材料，其他幾種保溫被內(nèi)芯材料可視具體情況進(jìn)行選擇。在室內(nèi)測(cè)試中，將鍍鋁編織布的鍍鋁層朝向熱箱（實(shí)際覆蓋時(shí)鍍鋁層朝向棚膜）測(cè)得的傳熱系數(shù)為3.455W·(m2℃)-1，鍍鋁層朝向冷箱（實(shí)際覆蓋時(shí)鍍鋁層朝向空中）測(cè)得的傳熱系數(shù)為4.098W·(m2℃)-1，由此可知，鍍鋁編織布在作保溫被表層材料時(shí)，使鍍鋁層面朝向棚膜的傳熱系數(shù)低，其保溫效果好。

從保溫被表層材料及內(nèi)芯材料的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)看，表層材料的機(jī)械強(qiáng)度（拉力峰值和斷裂強(qiáng)度）顯著大于保溫被內(nèi)芯材料，特別是保溫效果好的如太空棉，以及噴膠棉，其因疏松柔軟，而難以測(cè)定其機(jī)械強(qiáng)度，可見保溫被的整體機(jī)械強(qiáng)度大小主要取決于表層材料[2]。

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Laboratory Detection on the Heat Proof and Mechanical Properties of Heat Preservation Covering Materials

SUNXin-cheng1,WANGXiu-feng1*,MACheng-wei2,WEIMin1,3,YANGFeng-juan1
1.College of Horticulture Science and Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China 2.Key Laboratory of Agricultural Bio-environment Engineering,Ministry of Agriculture/China Agricultural University, Beijing 100083,China 3.Scientific Observing and Experimental Station of Environment Controlled Agricultural Engineering in Huang-Huai-Hai Region,Ministry of Agriculture,Tai’an 271018,China

In order to select suitable materials and their combinations for heat preservation quilt,we analyzed the thermal insulation property and mechanical strength of 17 different sorts of heat preservation covering materials and 41 kinds of combinations of the thermal insulation property of heat preservation quilts.The results show that aluminized woven fabric and silvered camouflage cloth have a large mechanical strength and good thermal insulation and could be suitable as the surface of heat preservation quilt;silvered camouflage cloth as its outer surface,aluminized woven fabric as its inner surface, aluminied or silvered coated layer of material toward the films is better.The best heat preservation core materials are felts and space cotton,followed by mixed felts,black non-woven fabrics,white non-woven fabrics and EPE,the poorest one for heat saving is spewing adhesive.The research results provide a theoretical basis for heat preservation quilt factory production.

Heat preservation material;heat proof;mechanical property;laboratory test

S625.3

:A

:1000-2324(2017)03-0418-05

2015-05-21

:2015-06-09

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-25);山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助

孫信成(1988-),男,碩士研究生,主要從事設(shè)施蔬菜與無(wú)土栽培.E-mail:blue995299@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xfwang@sdau.edu.cn