لي جيانمينغ، صن جوتاو، إلخ.تكنولوجيا الهندسة الزراعية البستانية في البيوت الزجاجية2022-11-21 17:42 نُشر في بكين

شهدت صناعة البيوت المحمية نموًا ملحوظًا في السنوات الأخيرة. ولم يقتصر أثر هذا النمو على تحسين معدل استغلال الأراضي وزيادة إنتاج المحاصيل الزراعية فحسب، بل ساهم أيضًا في حل مشكلة توفير الفواكه والخضراوات خارج موسمها. ومع ذلك، واجهت البيوت المحمية تحديات غير مسبوقة، إذ أصبحت مرافقها وأساليب التدفئة وهياكلها التقليدية غير ملائمة للبيئة ومواكبة للتطور. لذا، ثمة حاجة ماسة إلى مواد وتصاميم جديدة لتطوير هيكل البيوت المحمية، فضلًا عن الحاجة المُلحة إلى مصادر طاقة جديدة لتحقيق أهداف ترشيد استهلاك الطاقة وحماية البيئة، وزيادة الإنتاج والدخل.

تتناول هذه المقالة موضوع "الطاقة الجديدة، والمواد الجديدة، والتصميم الجديد للمساعدة في الثورة الجديدة للبيوت الزجاجية"، بما في ذلك البحث والابتكار في مجال الطاقة الشمسية، وطاقة الكتلة الحيوية، والطاقة الحرارية الأرضية، ومصادر الطاقة الجديدة الأخرى في البيوت الزجاجية، والبحث والتطبيق للمواد الجديدة المستخدمة في التغطية، والعزل الحراري، والجدران، وغيرها من المعدات، بالإضافة إلى التوقعات المستقبلية والتفكير في الطاقة الجديدة، والمواد الجديدة، والتصميم الجديد للمساعدة في إصلاح البيوت الزجاجية، وذلك لتوفير مرجع للصناعة.

يُعدّ تطوير الزراعة المحمية ضرورة سياسية وخيارًا لا مفر منه لتنفيذ روح التوجيهات الهامة وقرارات الحكومة المركزية. في عام 2020، بلغت المساحة الإجمالية للزراعة المحمية في الصين 2.8 مليون هكتار، وتجاوزت قيمة إنتاجها تريليون يوان. ومن أهم السبل لتحسين قدرة الإنتاج في البيوت المحمية تطوير الإضاءة والعزل الحراري فيها من خلال استخدام مصادر الطاقة والمواد والتصاميم الجديدة. تعاني الزراعة التقليدية في البيوت المحمية من العديد من العيوب، مثل استخدام الفحم وزيت الوقود ومصادر الطاقة الأخرى للتدفئة، مما ينتج عنه كميات كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون، الذي يُلوث البيئة بشكل خطير، بينما تزيد مصادر الطاقة الأخرى، مثل الغاز الطبيعي والكهرباء، من تكلفة تشغيل البيوت المحمية. تُصنع جدران البيوت المحمية التقليدية في الغالب من الطين والطوب، مما يستهلك كميات كبيرة من الأراضي ويُلحق بها أضرارًا جسيمة. لا تتجاوز كفاءة استخدام الأراضي في البيوت المحمية الشمسية التقليدية ذات الجدران الطينية 40% إلى 50%، كما أن قدرة البيوت المحمية العادية على تخزين الحرارة ضعيفة، مما يجعلها غير قادرة على إنتاج خضراوات دافئة خلال فصل الشتاء في شمال الصين. لذا، يكمن جوهر تعزيز التغيير في مجال البيوت الزجاجية، أو البحث الأساسي، في تصميمها، والبحث والتطوير في المواد والطاقة الجديدة. ستركز هذه المقالة على البحث والابتكار في مصادر الطاقة الجديدة في البيوت الزجاجية، وتلخص الوضع الراهن لأبحاث مصادر الطاقة الجديدة مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الكتلة الحيوية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة الرياح، بالإضافة إلى مواد التغطية الشفافة الجديدة، ومواد العزل الحراري، ومواد الجدران في البيوت الزجاجية، وتحلل تطبيقات الطاقة والمواد الجديدة في بناء البيوت الزجاجية الحديثة، وتستشرف دورها في التطوير والتحول المستقبلي للبيوت الزجاجية.

البحث والابتكار في مجال الطاقة الجديدة في البيوت الزجاجية

تشمل الطاقة الخضراء الجديدة ذات أكبر إمكانات الاستخدام الزراعي الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية وطاقة الكتلة الحيوية، أو الاستخدام الشامل لمجموعة متنوعة من مصادر الطاقة الجديدة، وذلك لتحقيق الاستخدام الفعال للطاقة من خلال التعلم من نقاط القوة لدى كل منها.

الطاقة الشمسية

تُعدّ تقنية الطاقة الشمسية نمطًا منخفض الكربون، وفعّالًا، ومستدامًا لتوفير الطاقة، وهي عنصرٌ هامٌ في الصناعات الاستراتيجية الناشئة في الصين. وستصبح خيارًا لا غنى عنه لتحويل وتطوير هيكل الطاقة في الصين مستقبلًا. من منظور استغلال الطاقة، تُعتبر البيوت الزجاجية نفسها بنيةً مُخصصةً لاستغلال الطاقة الشمسية. فمن خلال ظاهرة الاحتباس الحراري، تُجمع الطاقة الشمسية داخل البيوت الزجاجية، وترتفع درجة حرارتها، مما يُوفر الحرارة اللازمة لنمو المحاصيل. ويُعدّ ضوء الشمس المباشر المصدر الرئيسي للطاقة اللازمة لعملية التمثيل الضوئي في نباتات البيوت الزجاجية، وهو ما يُمثل الاستخدام الأمثل للطاقة الشمسية.

1- توليد الطاقة الكهروضوئية لتوليد الحرارة

توليد الطاقة الكهروضوئية تقنيةٌ تُحوّل الطاقة الضوئية مباشرةً إلى طاقة كهربائية بالاعتماد على التأثير الكهروضوئي. العنصر الأساسي في هذه التقنية هو الخلايا الشمسية. فعندما تسطع الطاقة الشمسية على مجموعة من الألواح الشمسية الموصولة على التوالي أو التوازي، تقوم مكونات أشباه الموصلات بتحويل طاقة الإشعاع الشمسي مباشرةً إلى طاقة كهربائية. تُتيح تقنية الخلايا الكهروضوئية تحويل الطاقة الضوئية مباشرةً إلى طاقة كهربائية، وتخزين الكهرباء في البطاريات، وتدفئة البيوت الزجاجية ليلاً، إلا أن تكلفتها العالية تُعيق تطويرها. وقد طوّر فريق البحث جهاز تسخين كهروضوئي من الجرافين، يتكون من ألواح كهروضوئية مرنة، وجهاز تحكم عكسي متكامل، وبطارية تخزين، وقضيب تسخين من الجرافين. يُدفن قضيب التسخين تحت كيس الركيزة وفقًا لطول خط الزراعة. خلال النهار، تمتص الألواح الكهروضوئية الإشعاع الشمسي لتوليد الكهرباء وتخزينها في بطارية التخزين، ثم تُطلق الكهرباء ليلاً لتسخين قضيب التسخين. في القياسات العملية، تم اعتماد نمط التحكم في درجة الحرارة بحيث يبدأ التشغيل عند 17 درجة مئوية وينتهي عند 19 درجة مئوية. عند تشغيل النظام ليلاً (من الساعة 8 مساءً حتى 8 صباحًا في اليوم الثاني) لمدة 8 ساعات، يبلغ استهلاك الطاقة لتدفئة صف واحد من النباتات 1.24 كيلوواط ساعة، ويبلغ متوسط ​​درجة حرارة كيس التربة ليلاً 19.2 درجة مئوية، أي أعلى بمقدار 3.5 إلى 5.3 درجة مئوية من درجة حرارة المجموعة الضابطة. يساهم هذا الأسلوب في التدفئة، بالاشتراك مع توليد الطاقة الكهروضوئية، في حل مشكلتي ارتفاع استهلاك الطاقة والتلوث الناتجين عن تدفئة البيوت الزجاجية في فصل الشتاء.

2- التحويل والاستخدام الكهروضوئي

يشير التحويل الكهروضوئي الشمسي إلى استخدام سطح خاص لتجميع ضوء الشمس مصنوع من مواد التحويل الكهروضوئي، وذلك لتجميع وامتصاص أكبر قدر ممكن من الطاقة الشمسية المشعة عليه وتحويلها إلى طاقة حرارية. وبالمقارنة مع تطبيقات الخلايا الكهروضوئية الشمسية، فإن تطبيقات التحويل الكهروضوئي الشمسي تزيد من امتصاص نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، مما يجعلها ذات كفاءة أعلى في استغلال طاقة ضوء الشمس، وتكلفة أقل، وتقنية ناضجة، وهي الطريقة الأكثر شيوعًا لاستخدام الطاقة الشمسية.

تُعدّ تقنية المُجمّع الشمسي من أكثر تقنيات تحويل الطاقة الكهروضوئية واستخدامها نضجًا في الصين، ويتكوّن أساسها من لوحة امتصاص حراري مزوّدة بطبقة امتصاص انتقائية، قادرة على تحويل طاقة الإشعاع الشمسي المارّة عبر اللوحة إلى طاقة حرارية ونقلها إلى وسط الامتصاص الحراري. ويمكن تقسيم المُجمّعات الشمسية إلى فئتين رئيسيتين: المُجمّعات الشمسية المسطحة والمُجمّعات الشمسية الأنبوبية المفرغة من الهواء؛ والمُجمّعات الشمسية المركّزة والمُجمّعات الشمسية غير المركّزة؛ والمُجمّعات الشمسية السائلة والمُجمّعات الشمسية الهوائية؛ وذلك بحسب نوع وسط نقل الحرارة المستخدم.

يتم استغلال الطاقة الشمسية في البيوت المحمية بشكل رئيسي من خلال أنواع مختلفة من المجمعات الشمسية. وقد طورت جامعة ابن زور في المغرب نظام تدفئة نشطًا بالطاقة الشمسية لتدفئة البيوت المحمية، مما يزيد من إجمالي إنتاج الطماطم بنسبة 55% في فصل الشتاء. كما صممت جامعة الصين الزراعية وطورت نظامًا لتجميع وتصريف الحرارة مزودًا بمروحة تبريد سطحية، بسعة تجميع حرارة تتراوح بين 390.6 و693.0 ميجا جول، واقترحت فكرة فصل عملية تجميع الحرارة عن عملية تخزينها باستخدام مضخة حرارية. أما جامعة باري في إيطاليا، فقد طورت نظام تدفئة متعدد التوليد للبيوت المحمية، يتكون من نظام طاقة شمسية ومضخة حرارية هوائية مائية، ويرفع درجة حرارة الهواء بنسبة 3.6% ودرجة حرارة التربة بنسبة 92%. وقد طور فريق البحث نوعًا من معدات تجميع الحرارة الشمسية النشطة ذات زاوية ميل متغيرة للبيوت المحمية الشمسية، وجهازًا داعمًا لتخزين الحرارة في مياه البيوت المحمية في مختلف الظروف الجوية. تتغلب تقنية تجميع الحرارة الشمسية النشطة ذات الميل المتغير على قيود معدات تجميع الحرارة التقليدية في البيوت الزجاجية، مثل محدودية سعة تجميع الحرارة، والتظليل، واستغلال الأراضي الزراعية. وبفضل الهيكل الخاص للبيوت الزجاجية الشمسية، يتم استغلال المساحة غير المزروعة بالكامل، مما يُحسّن كفاءة استخدام المساحة بشكل كبير. في ظل ظروف العمل المشمسة المعتادة، يصل نظام تجميع الحرارة الشمسية النشط ذو الميل المتغير إلى 1.9 ميجا جول/(م²س)، وتصل كفاءة استخدام الطاقة إلى 85.1%، ومعدل توفير الطاقة إلى 77%. أما في تقنية تخزين الحرارة في البيوت الزجاجية، فقد تم اعتماد هيكل تخزين حراري متعدد المراحل، مما زاد من سعة تخزين الحرارة، وحقق إطلاقًا بطيئًا للحرارة من الجهاز، وبالتالي الاستخدام الأمثل للحرارة التي تجمعها معدات تجميع الحرارة الشمسية في البيوت الزجاجية.

طاقة الكتلة الحيوية

تم إنشاء هيكل منشأة جديد بدمج جهاز توليد الحرارة من الكتلة الحيوية مع الدفيئة، حيث تُحوّل المواد الخام للكتلة الحيوية، مثل روث الخنازير ومخلفات الفطر والقش، إلى سماد عضوي لتوليد الحرارة، وتُزوّد ​​الدفيئة مباشرةً بالطاقة الحرارية الناتجة [5]. بالمقارنة مع الدفيئة التي لا تحتوي على خزان تسخين بالتخمير الحيوي، فإن الدفيئة المُدفأة قادرة على رفع درجة حرارة التربة داخلها بكفاءة، والحفاظ على درجة الحرارة المناسبة لجذور المحاصيل المزروعة في التربة خلال فصل الشتاء في المناخ المعتدل. على سبيل المثال، في دفيئة عازلة حراريًا غير متماثلة ذات طبقة واحدة، يبلغ عرضها 17 مترًا وطولها 30 مترًا، يمكن أن يؤدي إضافة 8 أمتار مكعبة من المخلفات الزراعية (خليط من قش الطماطم وروث الخنازير) إلى خزان التخمير الداخلي للتخمير الطبيعي دون تقليب الكومة، إلى زيادة متوسط ​​درجة الحرارة اليومية للدفيئة بمقدار 4.2 درجة مئوية في الشتاء، وخفض متوسط ​​درجة الحرارة الدنيا اليومية إلى 4.6 درجة مئوية.

يُعدّ استخدام الطاقة في التخمير المُتحكّم به للكتلة الحيوية طريقةً للتخمير تستخدم أجهزةً ومعداتٍ للتحكم في عملية التخمير بهدف الحصول على طاقة حرارية من الكتلة الحيوية وغاز ثاني أكسيد الكربون واستخدامها بكفاءة وسرعة. ومن بين العوامل الرئيسية لتنظيم حرارة التخمير وإنتاج الغازات من الكتلة الحيوية، التهوية والرطوبة. في ظل ظروف التهوية، تستخدم الكائنات الحية الدقيقة الهوائية في كومة التخمير الأكسجين للقيام بأنشطتها الحيوية، ويُستخدم جزء من الطاقة المُولّدة في أنشطتها الحيوية، بينما يُطلق جزء آخر في البيئة على شكل طاقة حرارية، مما يُساهم في رفع درجة حرارة البيئة. يُشارك الماء في عملية التخمير بأكملها، حيث يُوفّر العناصر الغذائية الذائبة اللازمة للنشاط الميكروبي، وفي الوقت نفسه يُطلق حرارة الكومة على شكل بخار عبر الماء، مما يُخفّض درجة حرارة الكومة، ويُطيل عمر الكائنات الحية الدقيقة، ويرفع درجة حرارة الكومة. يمكن أن يؤدي تركيب جهاز ترشيح القش في خزان التخمير إلى زيادة درجة الحرارة الداخلية بمقدار 3 إلى 5 درجات مئوية في فصل الشتاء، وتعزيز عملية التمثيل الضوئي للنباتات وزيادة إنتاج الطماطم بنسبة 29.6٪.

الطاقة الحرارية الأرضية

تزخر الصين بموارد الطاقة الحرارية الأرضية. حاليًا، يُعد استخدام المضخات الحرارية الأرضية الطريقة الأكثر شيوعًا في المنشآت الزراعية للاستفادة من هذه الطاقة، حيث تقوم بتحويل الطاقة الحرارية منخفضة الجودة إلى طاقة حرارية عالية الجودة عن طريق إدخال كمية صغيرة من الطاقة عالية الجودة (مثل الطاقة الكهربائية). وبخلاف طرق التدفئة التقليدية في البيوت الزجاجية، لا تقتصر فوائد التدفئة بالمضخات الحرارية الأرضية على تحقيق تأثير تدفئة كبير فحسب، بل تشمل أيضًا تبريد البيوت الزجاجية وخفض نسبة الرطوبة فيها. وقد وصلت الأبحاث التطبيقية للمضخات الحرارية الأرضية في مجال البناء السكني إلى مرحلة النضج. ويُعدّ نظام التبادل الحراري تحت الأرض، الذي يتكون أساسًا من الأنابيب المدفونة والآبار الجوفية، العنصر الأساسي المؤثر على قدرة المضخة الحرارية الأرضية على التدفئة والتبريد. وقد ظل تصميم نظام تبادل حراري تحت الأرض يحقق توازنًا بين التكلفة والفعالية محورًا رئيسيًا للبحث في هذا المجال. وفي الوقت نفسه، يؤثر تغير درجة حرارة طبقة التربة الجوفية عند استخدام المضخات الحرارية الأرضية على كفاءة النظام. إن استخدام مضخة الحرارة الأرضية لتبريد الدفيئة في الصيف وتخزين الطاقة الحرارية في طبقة التربة العميقة يمكن أن يخفف من انخفاض درجة حرارة طبقة التربة تحت الأرض ويحسن كفاءة إنتاج الحرارة لمضخة الحرارة الأرضية في الشتاء.

في الوقت الراهن، وفي إطار البحث عن أداء وكفاءة المضخات الحرارية الأرضية، تم إنشاء نموذج عددي باستخدام برامج مثل TOUGH2 وTRNSYS، وذلك من خلال بيانات تجريبية فعلية. وقد خلصت الدراسة إلى أن أداء التدفئة ومعامل الأداء (COP) للمضخات الحرارية الأرضية يمكن أن يصل إلى 3.0-4.5، مما يدل على فعالية جيدة في التبريد والتدفئة. وفي دراسة استراتيجية تشغيل نظام المضخة الحرارية، وجد فو يون تشون وآخرون أن تدفق جانب المصدر الأرضي، مقارنةً بتدفق جانب الحمل، له تأثير أكبر على أداء الوحدة وأداء نقل الحرارة للأنبوب المدفون. وفي ظل ظروف محددة للتدفق، يمكن أن تصل قيمة COP القصوى للوحدة إلى 4.17 من خلال اعتماد خطة تشغيل لمدة ساعتين وتوقف لمدة ساعتين. كما اعتمد شي هوي شيان وآخرون نمط تشغيل متقطع لنظام تبريد تخزين المياه. وفي فصل الصيف، عندما تكون درجة الحرارة مرتفعة، يمكن أن يصل معامل الأداء لنظام إمداد الطاقة بأكمله إلى 3.80.

تقنية تخزين الحرارة في التربة العميقة في البيوت الزجاجية

يُطلق على تخزين الحرارة في التربة العميقة داخل البيوت المحمية اسم "بنك تخزين الحرارة". ويُعدّ تلف التربة بسبب البرد في الشتاء وارتفاع درجات الحرارة في الصيف من أهمّ عوائق الإنتاج في البيوت المحمية. وانطلاقًا من قدرة التربة العميقة العالية على تخزين الحرارة، صمّم فريق البحث جهازًا لتخزين الحرارة تحت الأرض داخل البيوت المحمية. يتكوّن هذا الجهاز من أنبوبين متوازيين لنقل الحرارة، مدفونين على عمق يتراوح بين 1.5 و2.5 متر تحت الأرض داخل البيت المحمي، مع مدخل هواء في أعلى البيت المحمي ومخرج هواء على سطح الأرض. عندما ترتفع درجة الحرارة داخل البيت المحمي، يُضخّ الهواء الداخلي قسرًا إلى التربة بواسطة مروحة لتحقيق تخزين الحرارة وخفض درجة الحرارة. وعندما تنخفض درجة الحرارة، تُستخلص الحرارة من التربة لتدفئة البيت المحمي. تُظهر نتائج الإنتاج والتطبيق أن الجهاز قادر على رفع درجة حرارة البيت المحمي بمقدار 2.3 درجة مئوية في ليالي الشتاء، وخفض درجة الحرارة الداخلية بمقدار 2.6 درجة مئوية في أيام الصيف، وزيادة إنتاج الطماطم بمقدار 1500 كيلوغرام في مساحة 667 مترًا مربعًا.²يستفيد الجهاز بشكل كامل من خصائص "الدفء في الشتاء والبرودة في الصيف" و"درجة الحرارة الثابتة" للتربة العميقة تحت الأرض، ويوفر "بنك طاقة" للدفيئة، ويكمل باستمرار الوظائف المساعدة لتبريد وتدفئة الدفيئة.

تنسيق الطاقة المتعددة

يُمكن استخدام نوعين أو أكثر من مصادر الطاقة لتدفئة البيوت الزجاجية أن يُعوض بفعالية عن عيوب استخدام نوع واحد من الطاقة، ويُفعّل مبدأ "واحد زائد واحد أكبر من اثنين". ويُعدّ التعاون التكاملي بين الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الشمسية محورًا رئيسيًا للبحث في مجال استخدام الطاقة الجديدة في الإنتاج الزراعي خلال السنوات الأخيرة. درس إيمي وزملاؤه نظام طاقة متعدد المصادر (الشكل 1)، مُجهزًا بمُجمّع شمسي هجين كهروضوئي حراري. وبالمقارنة مع نظام المضخة الحرارية الهوائية المائية التقليدي، تحسّنت كفاءة الطاقة في نظام الطاقة متعدد المصادر بنسبة تتراوح بين 16% و25%. طوّر تشنغ وزملاؤه نوعًا جديدًا من أنظمة تخزين الحرارة المُقترنة بالطاقة الشمسية والمضخة الحرارية الأرضية. يُمكن لنظام المُجمّع الشمسي تحقيق تخزين موسمي عالي الجودة للتدفئة، أي تدفئة عالية الجودة في الشتاء وتبريد عالي الجودة في الصيف. يعمل كل من المُبادل الحراري الأنبوبي المدفون وخزان تخزين الحرارة المتقطع بكفاءة عالية في النظام، وتصل قيمة معامل الأداء (COP) للنظام إلى 6.96.

يهدف هذا النظام، بالاشتراك مع الطاقة الشمسية، إلى تقليل استهلاك الطاقة التجارية وتعزيز استقرار إمدادات الطاقة الشمسية في البيوت الزجاجية. وقد طرح وان يا وزملاؤه مخططًا جديدًا لتقنية التحكم الذكي يجمع بين توليد الطاقة الشمسية والطاقة التجارية لتدفئة البيوت الزجاجية، حيث يمكن الاستفادة من الطاقة الكهروضوئية عند وجود ضوء، وتحويلها إلى طاقة تجارية عند غياب الضوء، مما يقلل بشكل كبير من معدل انقطاع التيار الكهربائي، ويخفض التكلفة الاقتصادية دون الحاجة إلى استخدام البطاريات.

يمكن استخدام الطاقة الشمسية وطاقة الكتلة الحيوية والطاقة الكهربائية معًا لتدفئة البيوت الزجاجية، مما يحقق كفاءة تدفئة عالية. قام تشانغ ليانغروي وزملاؤه بدمج نظام تجميع الحرارة باستخدام أنابيب مفرغة من الهواء تعمل بالطاقة الشمسية مع خزان مياه لتخزين الحرارة الكهربائية. يتميز نظام تدفئة البيوت الزجاجية براحة حرارية جيدة، حيث بلغ متوسط ​​كفاءة التدفئة 68.70%. خزان المياه لتخزين الحرارة الكهربائية هو جهاز لتخزين المياه يعمل بالتدفئة الكهربائية مع تسخين الكتلة الحيوية. يتم ضبط أدنى درجة حرارة لمدخل الماء عند نقطة التسخين، وتُحدد استراتيجية تشغيل النظام بناءً على درجة حرارة تخزين المياه في كل من جزء تجميع الحرارة الشمسية وجزء تخزين حرارة الكتلة الحيوية، وذلك لتحقيق استقرار درجة حرارة التدفئة عند نقطة التسخين وتوفير الطاقة الكهربائية ومواد طاقة الكتلة الحيوية إلى أقصى حد.

البحث والتطبيق المبتكر لمواد الدفيئة الجديدة

مع توسع مساحات البيوت الزجاجية، تتضح عيوب استخدام مواد البناء التقليدية كالقرميد والتربة. لذا، ولتحسين الأداء الحراري للبيوت الزجاجية وتلبية متطلبات تطويرها الحديثة، تُجرى العديد من الأبحاث وتُطبّق مواد تغطية شفافة جديدة، ومواد عازلة حرارياً، ومواد بناء للجدران.

البحث والتطبيق في مواد التغطية الشفافة الجديدة

تشمل أنواع مواد التغطية الشفافة للبيوت الزجاجية بشكل رئيسي الأغشية البلاستيكية والزجاج والألواح الشمسية والألواح الكهروضوئية، وتُعد الأغشية البلاستيكية الأكثر استخدامًا. وتعاني أغشية البولي إيثيلين التقليدية المستخدمة في البيوت الزجاجية من عيوبٍ تتمثل في قصر عمرها الافتراضي وعدم قابليتها للتحلل واقتصار وظيفتها على وظيفة واحدة. وفي الوقت الحاضر، تم تطوير مجموعة متنوعة من الأغشية الوظيفية الجديدة بإضافة مواد وظيفية أو طلاءات.

فيلم تحويل الضوء:يُغيّر غشاء تحويل الضوء الخصائص البصرية للغشاء باستخدام عوامل تحويل الضوء مثل العناصر الأرضية النادرة والمواد النانوية، حيث يُحوّل نطاق الأشعة فوق البنفسجية إلى ضوء أحمر برتقالي وأزرق بنفسجي، وهي ألوان ضرورية لعملية التمثيل الضوئي في النباتات، مما يزيد من إنتاجية المحاصيل ويُقلل من أضرار الأشعة فوق البنفسجية على المحاصيل وأغشية البيوت البلاستيكية. على سبيل المثال، يُحسّن غشاء البيوت البلاستيكية واسع النطاق، الذي يُحوّل الضوء من البنفسجي إلى الأحمر، والمُزوّد ​​بعامل تحويل الضوء VTR-660، نفاذية الأشعة تحت الحمراء بشكل ملحوظ عند استخدامه في البيوت البلاستيكية. وبالمقارنة مع البيوت البلاستيكية غير المُستخدمة، زادت إنتاجية الطماطم للهكتار الواحد، ومحتوى فيتامين C، والليكوبين بنسبة 25.71%، و11.11%، و33.04% على التوالي. مع ذلك، لا تزال هناك حاجة لدراسة عمر الخدمة، وقابلية التحلل، وتكلفة غشاء تحويل الضوء الجديد.

زجاج متناثرالزجاج المشتت في البيوت الزجاجية عبارة عن نمط خاص وتقنية مضادة للانعكاس على سطح الزجاج، تعمل على زيادة تركيز ضوء الشمس وتحويله إلى ضوء مشتت يدخل إلى البيت الزجاجي، مما يحسن كفاءة عملية التمثيل الضوئي للمحاصيل ويزيد من إنتاجيتها. يحوّل الزجاج المشتت الضوء الداخل إلى البيت الزجاجي إلى ضوء مشتت من خلال أنماط خاصة، مما يسمح بتوزيع الضوء المشتت بشكل أكثر تجانسًا داخل البيت الزجاجي، ويزيل تأثير الظلال الناتجة عن الهيكل. بالمقارنة مع الزجاج المصقول العادي والزجاج المصقول فائق البياض، تبلغ نسبة نفاذية الضوء في الزجاج المشتت 91.5%، بينما تبلغ في الزجاج المصقول العادي 88%. مقابل كل زيادة بنسبة 1% في نفاذية الضوء داخل البيت الزجاجي، يمكن زيادة المحصول بنحو 3%، كما تزداد نسبة السكريات الذائبة وفيتامين C في الفواكه والخضراوات. يُطلى الزجاج المشتت في البيوت الزجاجية أولاً ثم يُقسّى، ويتجاوز معدل انفجاره الذاتي المعيار الوطني، ليصل إلى 2 بالألف.

البحث والتطبيق في مجال مواد العزل الحراري الجديدة

تشمل مواد العزل الحراري التقليدية في البيوت الزجاجية بشكل رئيسي حصائر القش، واللحاف الورقي، ولحاف العزل الحراري المصنوع من اللباد المُخيط، وغيرها، والتي تُستخدم أساسًا للعزل الحراري الداخلي والخارجي للأسقف، وعزل الجدران، وعزل بعض أجهزة تخزين وجمع الحرارة. إلا أن معظم هذه المواد تعاني من انخفاض كفاءة العزل الحراري نتيجة الرطوبة الداخلية بعد الاستخدام المطول. لذا، تبرز الحاجة إلى مواد جديدة ذات كفاءة عزل حراري عالية، ومن أبرزها لحاف العزل الحراري الجديد، وأجهزة تخزين وجمع الحرارة.

تُصنع مواد العزل الحراري الجديدة عادةً من خلال معالجة ودمج مواد سطحية مقاومة للماء والتقادم، مثل الأغشية المنسوجة واللباد المطلي، مع مواد عزل حراري ناعمة، مثل القطن المطلي بالرش، وأنواع مختلفة من الكشمير، والقطن اللؤلؤي. وقد أُجري اختبار على لحاف عازل حراري مصنوع من غشاء منسوج وقطن مطلي بالرش في شمال شرق الصين. وتبين أن إضافة 500 غرام من القطن المطلي بالرش تعادل أداء العزل الحراري للحاف عازل حراري مصنوع من 4500 غرام من اللباد الأسود المتوفر في السوق. وفي ظل الظروف نفسها، تحسن أداء العزل الحراري للحاف المصنوع من 700 غرام من القطن المطلي بالرش بمقدار 1-2 درجة مئوية مقارنةً بالحاف المصنوع من 500 غرام من القطن المطلي بالرش. وفي الوقت نفسه، وجدت دراسات أخرى أن تأثير العزل الحراري للحاف المصنوع من القطن المطلي بالرش والكشمير المتنوع أفضل من أغطية العزل الحراري الشائعة الاستخدام في السوق، حيث بلغت معدلات العزل الحراري 84.0% و83.3% على التوالي. عندما تصل أدنى درجة حرارة خارجية إلى -24.4 درجة مئوية، يمكن أن تصل درجة الحرارة الداخلية إلى 5.4 و4.2 درجة مئوية على التوالي. بالمقارنة مع لحاف العزل المصنوع من القش الأحادي، يتميز لحاف العزل المركب الجديد بخفة وزنه، وكفاءته العالية في العزل، ومقاومته القوية للماء والتقادم، ويمكن استخدامه كنوع جديد من مواد العزل عالية الكفاءة للبيوت الزجاجية الشمسية.

في الوقت نفسه، أظهرت الأبحاث المتعلقة بمواد العزل الحراري لأجهزة تجميع وتخزين الحرارة في البيوت الزجاجية أن مواد العزل الحراري المركبة متعددة الطبقات، عند تساوي السماكة، تتمتع بأداء عزل حراري أفضل من المواد المفردة. قام فريق البروفيسور لي جيانمينغ من جامعة نورث ويست للزراعة والغابات بتصميم وفحص 22 نوعًا من مواد العزل الحراري لأجهزة تخزين المياه في البيوت الزجاجية، مثل الألواح المفرغة من الهواء، والهلام الهوائي، والقطن المطاطي، وقاموا بقياس خصائصها الحرارية. وأظهرت النتائج أن مادة العزل المركبة المكونة من طبقة عازلة حرارية بسماكة 80 مم، بالإضافة إلى الهلام الهوائي والقطن المطاطي البلاستيكي، قادرة على تقليل فقد الحرارة بمقدار 0.367 ميجا جول لكل وحدة زمنية مقارنةً بالقطن المطاطي البلاستيكي بسماكة 80 مم، وكان معامل انتقال الحرارة فيها 0.283 واط/(م²·ك) عندما كانت سماكة طبقة العزل 100 مم.

تُعدّ مواد تغيير الطور من أبرز المواضيع في أبحاث مواد البيوت الزجاجية. وقد طوّرت جامعة نورث ويست للزراعة والغابات نوعين من أجهزة تخزين مواد تغيير الطور: الأول عبارة عن صندوق تخزين مصنوع من البولي إيثيلين الأسود، بأبعاد 50 سم × 30 سم × 14 سم (طول × ارتفاع × سُمك)، مملوء بمواد تغيير الطور، مما يسمح له بتخزين الحرارة وإطلاقها. أما النوع الثاني، فهو عبارة عن لوح جداري جديد مُصمّم بتقنية تغيير الطور. يتكون هذا اللوح من مادة تغيير الطور، ولوح ألومنيوم، ولوح ألومنيوم-بلاستيك، وسبائك ألومنيوم. تقع مادة تغيير الطور في مركز اللوح، بأبعاد 200 مم × 200 مم × 50 مم. وهي عبارة عن مسحوق صلب قبل وبعد تغيير الطور، دون أي انصهار أو سيولة. أما الجدران الأربعة لمادة تغيير الطور فهي مصنوعة من لوح ألومنيوم ولوح ألومنيوم-بلاستيك. يُمكّن هذا الجهاز من تخزين الحرارة بشكل أساسي خلال النهار وإطلاقها بشكل أساسي في الليل.

لذلك، توجد بعض المشاكل في استخدام مواد العزل الحراري المفردة، مثل انخفاض كفاءة العزل الحراري، وفقدان الحرارة الكبير، وقصر مدة تخزين الحرارة، وما إلى ذلك. لذلك، فإن استخدام مواد العزل الحراري المركبة كطبقة عازلة حرارية وطبقة تغطية عازلة حرارية داخلية وخارجية لجهاز تخزين الحرارة يمكن أن يحسن بشكل فعال أداء العزل الحراري للدفيئة، ويقلل من فقدان الحرارة فيها، وبالتالي يحقق تأثير توفير الطاقة.

البحث والتطبيق في مجال الجدران الجديدة

يُعد الجدار، بوصفه نوعًا من الهياكل المغلقة، حاجزًا هامًا لحماية البيوت الزجاجية من البرد والحفاظ على حرارتها. وبحسب مواد الجدران وبنيتها، يمكن تقسيم تطوير الجدار الشمالي للبيوت الزجاجية إلى ثلاثة أنواع: الجدار أحادي الطبقة المصنوع من التربة أو الطوب، والجدار الشمالي متعدد الطبقات المصنوع من الطوب الطيني أو الطوب الكتلي أو ألواح البوليسترين، مع تخزين حراري داخلي وعزل حراري خارجي. معظم هذه الجدران تستغرق وقتًا وجهدًا كبيرين في بنائها؛ لذا، ظهرت في السنوات الأخيرة أنواع جديدة من الجدران سهلة البناء وسريعة التركيب.

يُسهم ظهور أنواع جديدة من الجدران المُجمّعة في تسريع نمو البيوت الزجاجية المُجمّعة، بما في ذلك الجدران المركبة الحديثة ذات الأسطح الخارجية المقاومة للماء والتقادم، والتي تُستخدم فيها مواد مثل اللباد، والقطن اللؤلؤي، والقطن الفضائي، والقطن الزجاجي، أو القطن المُعاد تدويره كطبقات عازلة للحرارة، كما هو الحال في الجدران المُجمّعة المرنة المصنوعة من القطن المُلصق بالرش في شينجيانغ. إضافةً إلى ذلك، أشارت دراسات أخرى إلى استخدام الجدار الشمالي للبيوت الزجاجية المُجمّعة مع طبقة لتخزين الحرارة، كما هو الحال في البيوت الزجاجية المملوءة بقوالب قشور القمح في شينجيانغ. في ظل نفس الظروف البيئية الخارجية، وعندما تكون أدنى درجة حرارة خارجية -20.8 درجة مئوية، تكون درجة الحرارة في البيت الزجاجي الشمسي ذي الجدار المركب من قوالب قشور القمح 7.5 درجة مئوية، بينما تكون درجة الحرارة في البيت الزجاجي الشمسي ذي الجدار الخرساني المبني من الطوب 3.2 درجة مئوية. يُمكن تقديم موعد حصاد الطماطم في البيت الزجاجي المبني من الطوب بمقدار 16 يومًا، وزيادة إنتاجية البيت الزجاجي الواحد بنسبة 18.4%.

قدّم فريق المرافق بجامعة نورث ويست للزراعة والغابات فكرة تصميمية مبتكرة لتحويل القش والتربة والماء والحجر ومواد تغيير الطور إلى وحدات عزل حراري وتخزين حراري، مع مراعاة الإضاءة وتبسيط تصميم الجدران، مما ساهم في تعزيز البحث التطبيقي للجدران المعيارية المُجمّعة. فعلى سبيل المثال، بالمقارنة مع البيوت الزجاجية ذات الجدران الطوبية التقليدية، يرتفع متوسط ​​درجة الحرارة داخل البيت الزجاجي بمقدار 4.0 درجة مئوية في يوم مشمس عادي. وقد حققت ثلاثة أنواع من وحدات الأسمنت غير العضوي لتغيير الطور، المصنوعة من مواد تغيير الطور والأسمنت، كميات حرارية متراكمة بلغت 74.5 و88.0 و95.1 ميجا جول/م² على التوالي.³، وانطلقت منها حرارة مقدارها 59.8 و 67.8 و 84.2 ميغا جول/متر مكعب³على التوالي. ولها وظائف "تقليل ذروة الحرارة" خلال النهار، و"ملء الفجوات" ليلاً، وامتصاص الحرارة في الصيف وإطلاقها في الشتاء.

تُجمّع هذه الجدران الجديدة في الموقع، مما يُسرّع عملية البناء ويُطيل عمرها الافتراضي، وهو ما يُهيئ الظروف لبناء بيوت زجاجية خفيفة الوزن، مُبسّطة، وسريعة التجميع، ويُساهم بشكل كبير في تطوير البنية التحتية للبيوت الزجاجية. مع ذلك، تُعاني هذه الجدران من بعض العيوب، فمثلاً، يتميز جدار العزل الحراري القطني المُلصق بالرش بأداء عزل حراري ممتاز، ولكنه يفتقر إلى قدرة تخزين الحرارة، كما أن مواد البناء المُتغيرة الطور تُعاني من ارتفاع تكلفة الاستخدام. لذا، ينبغي تعزيز البحث التطبيقي للجدران المُجمّعة في المستقبل.

تساهم الطاقة الجديدة والمواد الجديدة والتصاميم الجديدة في تغيير هيكل البيوت الزجاجية.

يُشكّل البحث والابتكار في مجال الطاقة الجديدة والمواد الجديدة أساسًا لتطوير تصميم البيوت الزجاجية. وتُعدّ البيوت الزجاجية الشمسية الموفرة للطاقة والبيوت المقوسة من أكبر هياكل البيوت الزجاجية في الإنتاج الزراعي الصيني، وتلعب دورًا هامًا في هذا القطاع. مع ذلك، ومع تطور الاقتصاد الاجتماعي في الصين، تتزايد أوجه القصور في هذين النوعين من الهياكل. أولًا، مساحة هذه الهياكل صغيرة ومستوى الميكنة فيها منخفض؛ ثانيًا، تتميز البيوت الزجاجية الشمسية الموفرة للطاقة بعزل حراري جيد، لكنها تستهلك مساحة أرضية قليلة، ما يعني استبدال طاقة البيت الزجاجي بأرض. أما البيوت المقوسة التقليدية، فلا تقتصر مشكلتها على صغر المساحة، بل تعاني أيضًا من ضعف العزل الحراري. وعلى الرغم من اتساع مساحة البيوت الزجاجية متعددة الأقواس، إلا أنها تعاني من ضعف العزل الحراري وارتفاع استهلاك الطاقة. لذا، بات من الضروري البحث والتطوير في مجال هياكل البيوت الزجاجية الملائمة للمستوى الاجتماعي والاقتصادي الحالي في الصين، وسيساهم البحث والتطوير في مجال الطاقة الجديدة والمواد الجديدة في تطوير هياكل البيوت الزجاجية وإنتاج نماذج وهياكل مبتكرة ومتنوعة.

بحث مبتكر حول دفيئة تخمير غير متماثلة واسعة النطاق يتم التحكم فيها بالماء

تعتمد الدفيئة غير المتناظرة واسعة المساحة والمُتحكَّم بها بالماء (رقم براءة الاختراع: ZL 201220391214.2) على مبدأ الدفيئة الشمسية، مُغيِّرةً بذلك البنية المتناظرة للدفيئات البلاستيكية التقليدية، حيث زادت مساحتها الجنوبية، مما زاد من مساحة الإضاءة في السقف الجنوبي، بينما قللت مساحتها الشمالية، مما قلل من مساحة تبديد الحرارة، لتبلغ مساحتها من 18 إلى 24 مترًا وارتفاع سقفها من 6 إلى 7 أمتار. وبفضل الابتكار في التصميم، تم تحسين البنية المكانية بشكل ملحوظ. وفي الوقت نفسه، تم حل مشكلتي عدم كفاية التدفئة في الدفيئة شتاءً وضعف العزل الحراري لمواد العزل الحراري الشائعة، وذلك باستخدام تقنية جديدة تعتمد على حرارة التخمير من الكتلة الحيوية ومواد العزل الحراري. تُظهر نتائج الإنتاج والبحث أن الدفيئة غير المتماثلة ذات المساحة الكبيرة التي يتم التحكم فيها بالماء، والتي يبلغ متوسط ​​درجة حرارتها 11.7 درجة مئوية في الأيام المشمسة و10.8 درجة مئوية في الأيام الغائمة، يمكنها تلبية متطلبات نمو المحاصيل في فصل الشتاء، كما تم تخفيض تكلفة بناء الدفيئة بنسبة 39.6% وزيادة معدل استخدام الأراضي بأكثر من 30% مقارنة بالدفيئة ذات الجدران المبنية من الطوب البوليسترين، مما يجعلها مناسبة لمزيد من الانتشار والتطبيق في حوض نهر هواي الأصفر في الصين.

دفيئة شمسية مجمعة

تعتمد البيوت الزجاجية الشمسية المُجمّعة على الأعمدة وهيكل السقف كبنية حاملة، بينما تُصنع جدرانها بشكل أساسي من مواد عازلة للحرارة، بدلاً من مواد التحميل، مع تخزين الحرارة وإطلاقها بشكل سلبي. وتشمل هذه المواد: (1) نوعًا جديدًا من الجدران المُجمّعة، يتكون من دمج مواد متنوعة مثل الأغشية المطلية أو ألواح الصلب الملونة، وكتل القش، وأغطية العزل الحراري المرنة، وكتل الملاط، وغيرها؛ (2) ألواح جدارية مركبة مصنوعة من ألواح أسمنتية مسبقة الصنع، وألواح البوليسترين، وألواح أسمنتية أخرى؛ (3) مواد عازلة للحرارة خفيفة الوزن وسهلة التركيب، مزودة بنظام تخزين حراري فعال ونظام لإزالة الرطوبة، مثل نظام تخزين حراري باستخدام دلاء بلاستيكية مربعة الشكل، ونظام تخزين حراري باستخدام الأنابيب. يُتيح استخدام مواد عزل حراري جديدة ومواد تخزين حراري، بدلاً من الجدران الطينية التقليدية، بناء بيوت زجاجية شمسية ذات مساحة كبيرة وجهد هندسي مدني محدود. وتُظهر النتائج التجريبية أن درجة حرارة البيت الزجاجي ليلاً في فصل الشتاء أعلى بمقدار 4.5 درجة مئوية من درجة حرارة البيت الزجاجي التقليدي ذي الجدران المبنية من الطوب، بسماكة جدار خلفي تبلغ 166 ملم. بالمقارنة مع البيوت الزجاجية ذات الجدران المبنية من الطوب بسماكة 600 مم، انخفضت مساحة الجدار بنسبة 72%، وبلغت تكلفة المتر المربع 334.5 يوان، أي أقل بمقدار 157.2 يوان من تكلفة البيوت الزجاجية ذات الجدران المبنية من الطوب، مما أدى إلى انخفاض تكلفة البناء بشكل ملحوظ. لذلك، تتميز البيوت الزجاجية المُجمّعة بمزايا عديدة، منها تقليل تدمير الأراضي الزراعية، وتوفير مساحة الأرض، وسرعة البناء، وطول عمرها الافتراضي، مما يجعلها اتجاهًا رئيسيًا للابتكار والتطوير في مجال البيوت الزجاجية الشمسية حاليًا ومستقبلًا.

دفيئة زجاجية منزلقة مضاءة بأشعة الشمس

تستخدم الدفيئة الشمسية الموفرة للطاقة والمُجمّعة من ألواح التزلج، والتي طورتها جامعة شنيانغ الزراعية، الجدار الخلفي للدفيئة الشمسية لتشكيل نظام تخزين حراري جداري يدور فيه الماء، وذلك لتخزين الحرارة ورفع درجة الحرارة، ويتكون هذا النظام بشكل أساسي من حوض (32 مترًا).³، ولوحة تجميع الضوء (360 مترًا)²تتضمن هذه الدفيئة مضخة مياه، وأنبوب مياه، وجهاز تحكم. تم استبدال غطاء العزل الحراري المرن بمادة جديدة خفيفة الوزن من الصوف الصخري وصفائح فولاذية ملونة في الجزء العلوي. تُظهر الأبحاث أن هذا التصميم يحل بفعالية مشكلة حجب الجملونات للضوء، ويزيد من مساحة دخول الضوء إلى الدفيئة. تبلغ زاوية الإضاءة في الدفيئة 41.5 درجة، أي أعلى بحوالي 16 درجة من زاوية الدفيئة المرجعية، مما يحسن معدل الإضاءة. توزيع درجة الحرارة داخل الدفيئة متجانس، وتنمو النباتات بشكل جيد. تتميز الدفيئة بمزايا تحسين كفاءة استخدام الأراضي، ومرونة تصميم حجمها، وتقصير مدة الإنشاء، وهو أمر بالغ الأهمية لحماية موارد الأراضي الزراعية والبيئة.

دفيئة تعمل بالطاقة الشمسية

البيوت الزراعية المحمية هي بيوت زجاجية تجمع بين توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، والتحكم الذكي في درجة الحرارة، وتقنيات الزراعة الحديثة. تعتمد هذه البيوت على هيكل فولاذي متين، وتُغطى بألواح شمسية كهروضوئية لتلبية احتياجات الإضاءة اللازمة لهذه الألواح، بالإضافة إلى احتياجات الإضاءة العامة للبيت الزجاجي. يُغذي التيار المستمر الناتج عن الطاقة الشمسية البيوت الزراعية المحمية، ويدعم التشغيل السليم لمعداتها، ويُسهم في ريها، ويرفع درجة حرارتها، مما يُعزز نمو المحاصيل. تؤثر الألواح الكهروضوئية، من خلال تركيبها، على كفاءة إضاءة سقف البيت الزجاجي، وبالتالي على نمو الخضراوات فيه. لذا، يُعدّ التوزيع الأمثل للألواح الكهروضوئية على سطح البيت الزجاجي عنصرًا أساسيًا في تصميمه. تُمثل البيوت الزراعية المحمية نتاجًا للتكامل بين الزراعة السياحية والزراعة الصناعية، وهي قطاع زراعي مبتكر يجمع بين توليد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، والزراعة السياحية، وزراعة المحاصيل، والتكنولوجيا الزراعية، وتطوير المناظر الطبيعية، والتنمية الثقافية.

تصميم مبتكر لمجموعة من البيوت الزجاجية مع تفاعل الطاقة بين أنواع مختلفة من البيوت الزجاجية

يستخدم غو وينتشونغ، الباحث في أكاديمية بكين للعلوم الزراعية والحرجية، أسلوب نقل الطاقة الحرارية بين البيوت الزجاجية لجمع الطاقة الحرارية المتبقية في بيت زجاجي واحد أو أكثر، وتسخين بيوت زجاجية أخرى. يُحقق هذا الأسلوب نقل الطاقة الحرارية بين البيوت الزجاجية زمانيًا ومكانيًا، ويُحسّن كفاءة استخدام الطاقة الحرارية المتبقية، ويُقلل من إجمالي استهلاك الطاقة الحرارية للتدفئة. يمكن أن تكون البيوت الزجاجية من نوعين مختلفين أو من النوع نفسه لزراعة محاصيل متنوعة، مثل الخس والطماطم. تشمل طرق جمع الحرارة بشكل أساسي استخلاص حرارة الهواء الداخلي واستقبال الإشعاع الشمسي مباشرةً. ومن خلال جمع الطاقة الشمسية، والتهوية القسرية بواسطة مبادل حراري، والاستخلاص القسري بواسطة مضخة حرارية، يتم استخلاص الحرارة الزائدة في البيوت الزجاجية عالية الطاقة لتسخينها.

ملخص

تتميز هذه البيوت الزجاجية الشمسية الجديدة بسهولة تركيبها، وقصر مدة بنائها، وتحسين معدل استغلال الأراضي. لذا، من الضروري مواصلة دراسة أداء هذه البيوت الزجاجية في مختلف المناطق، وتوفير إمكانية نشرها وتطبيقها على نطاق واسع. في الوقت نفسه، من الضروري مواصلة تعزيز استخدام الطاقة والمواد الجديدة في البيوت الزجاجية، بما يدعم تطويرها الهيكلي.

التطلعات المستقبلية والتفكير

غالبًا ما تعاني البيوت المحمية التقليدية من بعض العيوب، مثل استهلاكها العالي للطاقة، وانخفاض معدل استغلال الأراضي، واستهلاكها للوقت والجهد، وضعف أدائها، مما يجعلها غير قادرة على تلبية احتياجات الإنتاج الزراعي الحديث، ومن المتوقع أن يتم التخلص منها تدريجيًا. لذا، يُعدّ استخدام مصادر الطاقة الجديدة، مثل الطاقة الشمسية، وطاقة الكتلة الحيوية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة الرياح، بالإضافة إلى مواد وتصاميم جديدة لتطبيقات البيوت المحمية، اتجاهًا تنمويًا واعدًا لتعزيز التغيير الهيكلي فيها. أولًا، يجب ألا تقتصر البيوت المحمية الجديدة، التي تعمل بالطاقة والمواد الجديدة، على تلبية متطلبات التشغيل الآلي فحسب، بل يجب أن تُسهم أيضًا في توفير الطاقة والأراضي والتكاليف. ثانيًا، من الضروري إجراء دراسات مستمرة حول أداء البيوت المحمية الجديدة في مختلف المناطق، وذلك لتهيئة الظروف اللازمة لانتشارها على نطاق واسع. في المستقبل، ينبغي علينا مواصلة البحث عن مصادر طاقة جديدة ومواد جديدة مناسبة لتطبيقات البيوت الزجاجية، وإيجاد أفضل مزيج من الطاقة الجديدة والمواد الجديدة والبيوت الزجاجية، وذلك لتمكين بناء بيوت زجاجية جديدة بتكلفة منخفضة، وفترة بناء قصيرة، واستهلاك منخفض للطاقة، وأداء ممتاز، مما يساعد على تغيير هيكل البيوت الزجاجية ويعزز تطويرها وتحديثها في الصين.

على الرغم من أن استخدام الطاقة الجديدة والمواد والتصاميم الحديثة في بناء البيوت الزجاجية يُعدّ اتجاهًا حتميًا، إلا أن هناك العديد من المشكلات التي لا تزال بحاجة إلى دراسة وحلّ: (1) ارتفاع تكلفة البناء. بالمقارنة مع التدفئة التقليدية بالفحم أو الغاز الطبيعي أو النفط، يُعدّ استخدام الطاقة الجديدة والمواد الحديثة صديقًا للبيئة وخاليًا من التلوث، إلا أن تكلفة البناء ترتفع بشكل ملحوظ، مما يؤثر سلبًا على استرداد الاستثمار في الإنتاج والتشغيل. كما أن تكلفة المواد الجديدة ستكون أعلى بكثير مقارنةً باستخدام الطاقة التقليدية. (2) عدم استقرار استخدام الطاقة الحرارية. تتمثل الميزة الأكبر لاستخدام الطاقة الجديدة في انخفاض تكلفة التشغيل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، إلا أن إمدادات الطاقة والحرارة غير مستقرة، وتُعدّ الأيام الغائمة العامل المُحدِّد الأكبر لاستخدام الطاقة الشمسية. في عملية إنتاج الحرارة من الكتلة الحيوية عن طريق التخمير، يُحدّ من الاستخدام الفعال لهذه الطاقة انخفاض طاقة حرارة التخمير، وصعوبة الإدارة والتحكم، والحاجة إلى مساحة تخزين كبيرة لنقل المواد الخام. (3) نضج التكنولوجيا. تُعدّ هذه التقنيات المستخدمة في مجال الطاقة الجديدة والمواد الجديدة إنجازات بحثية وتكنولوجية متقدمة، إلا أن نطاق تطبيقها لا يزال محدودًا. فهي لم تخضع لاختبارات عملية واسعة النطاق في مواقع متعددة، ما يُؤدي حتمًا إلى وجود بعض أوجه القصور والجوانب التقنية التي تحتاج إلى تحسين. غالبًا ما يُنكر المستخدمون التقدم التكنولوجي بسبب هذه النواقص البسيطة. (4) معدل انتشار التكنولوجيا منخفض. يتطلب التطبيق الواسع لأي إنجاز علمي وتكنولوجي انتشارًا واسعًا. في الوقت الراهن، تقتصر مجالات الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الجديدة وتصميم البيوت الزجاجية الجديدة على فرق مراكز البحث العلمي في الجامعات ذات القدرات الابتكارية المحدودة، ولا يزال معظم الباحثين التقنيين أو المصممين يجهلونها. في الوقت نفسه، لا يزال نشر وتطبيق التقنيات الجديدة محدودًا للغاية نظرًا لأن المعدات الأساسية لهذه التقنيات محمية ببراءات اختراع. (5) ثمة حاجة إلى تعزيز التكامل بين الطاقة الجديدة والمواد الجديدة وتصميم هياكل البيوت الزجاجية. ولأن الطاقة والمواد وتصميم هياكل البيوت الزجاجية تنتمي إلى ثلاثة تخصصات مختلفة، غالبًا ما يفتقر الكفاءات ذات الخبرة في تصميم البيوت الزجاجية إلى الأبحاث المتعلقة بالطاقة والمواد في هذا المجال، والعكس صحيح. لذا، يتعين على الباحثين في مجال الطاقة والمواد تعزيز البحث والفهم للاحتياجات الفعلية لتطوير صناعة البيوت المحمية، كما ينبغي على مصممي الهياكل دراسة المواد والطاقة المتجددة لتعزيز التكامل العميق بين هذه العناصر الثلاثة، وذلك لتحقيق هدف تطوير تقنيات عملية للبيوت المحمية، وخفض تكاليف الإنشاء، وتحقيق كفاءة استخدام عالية. وبناءً على ما سبق، يُقترح على الدولة والحكومات المحلية ومراكز البحث العلمي تكثيف البحوث التقنية، وإجراء بحوث مشتركة معمقة، وتعزيز نشر الإنجازات العلمية والتقنية، وتحسين تعميمها، والإسراع في تحقيق هدف الطاقة والمواد المتجددة لدعم التطور الجديد لصناعة البيوت المحمية.

المعلومات المذكورة

لي جيانمينغ، صن غوتاو، لي هاوجي، لي روي، هو ييشين. الطاقة الجديدة والمواد الجديدة والتصميم الجديد تُسهم في ثورة جديدة في مجال البيوت الزجاجية [J]. الخضراوات، 2022، (10): 1-8.