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论文信息：
Mohammad Elmi, Enhe Zhang, Anwar Jahid, Julian Wang. Operational Energy Saving in Greenhouses by Retrofitting Covering Plastics with Photothermal Antimony Tin Oxide Nanocoating. Journal of Cleaner Production, 2024.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144242
研究背景
由于人类对食物的需求，反季节种植是必要的，这加快了温室的发展，作物可以在温室可控环境内种植，促进更快的生长和更好的产量。作物生长取决于室内小气候，特别是温室的温度，然而在冬季种植作物时，需要高能耗。广泛的能源使用意味着巨大的能源支出，加热和冷却系统是温室的主要运营费用之一，在某些情况下，总能源消耗可能占温室运营总成本的50%。因此，节能温室的运作是至关重要的，并且迫切需要在温室中转向更环保和更绿色的技术。在温室中采用节能系统和可持续能源解决方案可以使温室更加环保，降低能耗和能源成本。考虑到传统涂层在温室覆盖材料上的局限性，为了在不牺牲光合作用和作物生长所需的光的情况下减少温室每年的总能耗，需要对创新涂层材料进行新的研究。此外，涂料应与普通温室覆盖物兼容，易于涂覆和使用。本研究提出了一种基于光热能量转换等离子体纳米粒子特性的新型温室覆盖涂层材料。通过利用光热原理，这些涂层具有实现最佳能源利用的潜力，同时最大限度地减少传统涂层的缺点和复杂性。对8个不同气候带进行了全面的年度、月度和每日温室能源分析。研究了对PAR和作物生长的影响，将开发的温室覆盖物的能源性能与传统温室覆盖物的能源性能进行比较，具有良好的性能与应用前景。
相关成果以“Operational Energy Saving in Greenhouses by Retrofitting Covering Plastics with Photothermal Antimony Tin Oxide Nanocoating”为题发表在期刊《Journal of Cleaner Production》（IF=9.7，JCR一区，中科院一区TOP）上。文章第一作者为宾夕法尼亚州立大学建筑工程系Mohammad Elmi，通讯作者为宾夕法尼亚州立大学建筑工程系教授Wang Julian。
研究内容
光热转换是光能通过吸光材料转化为热能的过程，高性能光热材料具有很强的光吸收能力，并能有效地将光转化为热。等离子体纳米粒子的光热机制是等离子体局部加热。当入射光的频率与等离子体纳米粒子电子的固有频率一致时，局部表面等离子体共振（LSPR）就会发生，从而引起自由电子的振荡。由于热电子的产生和弛豫，产生热量，然后将热量传递给周围介质。同时，等离子体纳米粒子具有光谱选择性，因此能够通过调整涂层的吸收光谱，以传输光合作用所需的光谱并吸收近红外光。等离子体纳米粒子对光的响应取决于它们的形态、形状、大小、形状和周围介质，因此，等离子体纳米粒子的吸收光谱可以通过其形状和大小等特性进行微调。光热材料不是反射近红外光，而是吸收近红外光。这意味着除了阻止近红外光穿过覆盖物外，光热涂层不会像其他涂层那样减少覆盖物的可见光透过率。
本研究采用聚乙烯（PE）作为温室覆盖材料。由于其耐久性和在极端天气条件下的耐受性，PE通常被用作温室的覆盖材料。为了全面研究所开发的ATo涂层PE塑料对温室能源消耗的影响和潜在的节能效果，对三种不同的温室覆盖物进行了建模，分别为单层PE膜、双层PE膜、单层PE膜及ATO涂层PE膜，其中第三种对照在设置过程中考虑季节性变化需变换涂层PE膜位置。在夏季，为了减少太阳热量的增加，涂层被放置在外部（表面2；面向室外的外表面通常定义为表面1），使吸收的太阳红外向外消散。相反，在冬季，该层安装在内部（表面），以最大限度地向内保温，这种季节性开关设计如图1所示。
图1. ATO涂覆PE薄膜的季节性设置示意图
光学特性在本研究中至关重要，因为该研究旨在选择性地过滤太阳辐射，同时最大限度地减少所需光合作用光的损失。因此，应深入研究UV-Vis-Nir光谱和PAR透过率结果。此外，表面发射率对加热和冷却能源性能有重要影响，因为它们对覆盖材料的整体隔热能力有直接影响。样品（PE和PE- ATO4）的光谱如图2所示。裸PE在380-2000 nm的PAR和NIR区域几乎完全透明，PE样品在PAR区和近红外区几乎没有发生吸收。然而，PE-ATO4的吸光度从PAR区末端（~860 nm）开始增加，从960 nm处迅速增加0.7以上，并在近红外光谱中保持这个高值。在PAR范围内PE的透明度并没有因为ATO涂层而发生很大的变化。单层PE和PE- ATO4的总PAR透过率分别为0.890和0.746。结果表明，虽然在近红外区，ATO涂层大大增加了PE的吸收率，但在PAR区，PE的透明度总共下降了0.144。这是等离子体纳米粒子的独特特性，等离子体纳米粒子通过ATO涂层应用于PE样品。NIR光被ATO纳米粒子吸收并通过PE-ATO4样品过滤，而光合作用所需的PAR光则被透射。
图2. PE和PE-ATO4的紫外-可见-近红外光谱
光合光子通量密度（PPFD）是代表在给定时间范围内到达特定区域的光合作用活跃光子数量的关键度量。PPFD的测量单位为微摩尔每平方米每秒（µmol/m²/s）。这一指标为了解光合作用的光强度提供了有价值的见解，光合作用是植物将光能转化为化学能以促进其生长和发育的过程。对植物来说，光是影响光合作用、光形态发生和光周期等多种生理过程的重要因素。最佳的PPFD可确保植物获得足够的光能来有效地进行这一关键过程。研究表明，PPFD的增加与植物生长的促进呈正相关。为了将太阳光谱与PPFD对齐，使用了Bird简单光谱模型，提供了不同的PPFD计算方法。从太阳能量光谱到PPFD的5个日光的近似转换因子，有助于精确测量光合作用的光强度，根据计算，图3展示了单层、双层和PE-ATO4温室覆盖物的光合光子通量。
图3. 不同温室覆盖物的光合光子通量
温室的供暖、制冷、照明和总能耗（包括供暖、制冷、照明和风扇运行）是通过在8个温室上应用不同的覆盖物来计算的，这些温室适用于美国8个气候区，从非常炎热的天气条件（1区）到亚北极区（8区）。根据之前的工作，每个气候区分别定义了夏季和冬季 。计算了每个气候带在夏季和冬季条件下的月能耗，然后，根据能源消耗结果，确定每种气候下覆盖物的最佳月份。非常炎热和炎热的气候条件下（1区和2区），夏季包括一年中的所有月份，这意味着涂层应始终放置在外部。然而，在较冷的气候，如7区和8区，一年的夏季只有几个月，大部分时间都应该在内部进行涂层。采用PE-A TO4覆盖物可以减少供暖能源，而供暖能源的使用构成了冬季主要的能源消耗。PE-ATO4对全年总能耗的影响在各气候带均不相同。在所有其他气候条件下，使用PE-A TO4可以全年节省能源，而且天气越冷，节省的能源越多，7区全年节能率最高，为48.3%。这意味着在非常寒冷的气候条件下使用PE-ATO4覆盖物可以将温室的年总能耗降低近一半。这一比例在混合气候带接近20%，在寒冷和亚北极气候区超过40%。图4为7区12月19日凌晨1点至12点连续72小时的每小时采暖能耗，显示了ATO涂层在温室中每天的采暖节能。
图4. 每小时采暖能耗（12月19日凌晨1点至12点）12月21日（第7区）
在温室的覆盖层上应用A TO涂层可以大大降低冬季的能源消耗，但在夏季，与单层PE相比，它会产生负面影响，这意味着优化温室的能源消耗。在夏季开始时（基于本研究中每个气候区的夏季定义），应从现有温室结构中去除ATO涂层PE层，在夏季仅使用单层PE。冬季开始时，在覆盖层上加涂覆PE层，涂覆内层（冬季模式）。总的来说，在结合单层PE和PE-ATO4的应用模式下，除了非常炎热和炎热的气候（1和2）外，ATO涂层在所有气候区都有助于全年节能。唯一的例外是在5区，夏季和冬季PE-ATO4应用的性能都优于组合模式。图5为冬季采用最优组合方式（PE-ATO4），夏季采用单层PE（第5区除外）与单层PE（基线）的节能百分比对比图。
图5. 在不同气候带采用最佳季节配置的PE-ATO4和双层PE相对于单层PE的节能百分比
在非常炎热和炎热的气候（1区和2区），最佳选择是单层PE覆盖，即使使用双层PE也会对节能产生不利影响。在温暖的气候区（即3区），PE- ATO4全年节能效果较小，为3.32%，但双层PE仍有负面影响。在混合气候下，第4区，PE-ATO4可节省近20%的能源，在凉爽(5)，寒冷(6)，极冷(7)和亚北极(8)气候下，使用ATO涂层可分别节省约29%，42%，49%和46%的能源。虽然8区节能最多，能耗减少了7.2 TJ，但与单层聚乙烯相比，7区节能比例最高，节能49%。此外，与双层PE相比，PE- ATO4覆盖在所有气候区都更有效，节能效果更好。基于上述分析结果，可以利用气候带图实现PE-ATO4覆盖物的季节优化策略。
结论与展望
本文介绍了一种基于光热等离子体纳米粒子的温室覆盖涂层，并对其在温室中的节能潜力进行了研究。将氧化锑锡（A TO）纳米粒子涂覆在PE薄膜上，并通过各种表征方法验证了其均匀沉积。测试了ATO包覆PE薄膜的光学性能和热性能。建立了温室能量模型，并对美国8个不同气候带进行了能量模拟。膜层的光合有效辐射（PAR）透过率为0.746，对太阳透过率（PST）提高约75%，并与单层聚乙烯覆盖层和双层聚乙烯覆盖层温室的能源性能进行了比较。结果表明ATO涂层增加了温室照明和冷却能耗。因此，在温暖、混合、凉爽、寒冷、极冷和亚北极气候（研究的17个气候带中有6个）中应用ATO涂层是有效的，而在非常炎热的气候中由于照明和制冷能源消耗增加而无效。该研究表明，光热等离子体纳米粒子在不影响植物生长的情况下，有很大的潜力作为涂层材料来控制温室覆盖层的光学和热性能，从而控制温室的传热，降低温室的能源消耗。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.144242
