温室覆盖系统在能源效率与太阳辐射调控中的评估：一项技术综述

本研究针对温室覆盖系统在优化隔热、微气候控制及太阳辐射过滤中的关键作用，系统评估了七种覆盖材料（包括未涂层玻璃、Low-E涂层玻璃、UV阻隔玻璃、聚乙烯、聚碳酸酯等）的光学与热学性能。通过WINDOW、OPTICS和EnergyPlus等多尺度模拟，发现Low-E涂层系统在U因子（3.65 W·m?2·K?1）和总能耗降低（平均15.9%）方面表现最优，同时维持了良好的红光波段透射质量（R:B=2.1）。研究为不同气候区温室覆盖材料的选择提供了数据支撑，对实现农业可持续发展具有重要意义。

　　

在现代农业体系中，温室作为全年作物生产的核心设施，其覆盖系统的选择直接关系到内部微气候调控、能源消耗与作物生长效率。理想的覆盖材料需平衡隔热性能、光线透射特性与耐久性，而当前市场上从传统玻璃到功能性聚合物涂层等多种材料并存，其性能差异及适用场景缺乏系统评估。尤其随着全球能源成本攀升与可持续农业需求增长，如何通过材料创新实现能耗降低与光合效率提升已成为关键课题。

在此背景下，宾夕法尼亚州立大学建筑工程系的Enhe Zhang、Mohammad Elmi、Anwar Jahid、Qiuhua Duan和Julian Wang团队在《Green Technologies and Sustainability》发表了一项针对七类温室覆盖系统的综合性能研究。该工作不仅量化了材料的光学与热学参数，还通过多气候区模拟揭示了其在真实环境中的能耗表现与光质调控潜力。

研究团队首先通过光谱仪、发射率测量仪和热导分析系统对七类覆盖样本（包括未涂层透明玻璃、Low-E涂层玻璃、UV阻隔玻璃、聚乙烯（PE）、聚碳酸酯（PC）、抗凝结聚乙烯（PEAC）及红外反射+抗凝结聚乙烯（IRAC））进行了系统表征。关键实验技术包括：使用Cary 5000 UV-Vis-NIR光谱仪测量250–1000 nm波段的光谱透射与反射率；利用AE-AD1发射率仪量化材料表面发射率；采用Hot Disk TPS 3500系统测量热导率；通过X射线光电子能谱（XPS）分析涂层元素组成；并利用接触角测量仪评估材料表面润湿性。所有光学与热学参数进一步通过LBNL Optics及Window软件计算得出U因子、太阳得热系数（SHGC）及光合有效辐射（PAR）透射率等指标。

在建模与仿真方面，研究基于美国能源部原型仓库模型构建了全玻璃温室结构，并在EnergyPlus环境中模拟了七种气候区（从热带Honolulu到寒带International Falls）的全年能耗。温室内部设置光照自动化系统，以光补偿点19,440 lux为阈值控制LED补光，采暖与制冷设定点分别为16°C与28°C，以模拟典型作物生长环境。

3.1 光谱特性分析

通过光谱数据发现，聚合物材料（如PE、PC）在全光谱范围内具有较高的太阳透射率（T_sol≈0.9），而Clear Glass在PAR波段（400–700 nm）透射率最高（T_par=0.902）。UV涂层因吸收大量红外辐射导致整体透射率最低，但表现出显著的红光波段选择性。

3.2 SHGC与U因子比较

Low-E涂层凭借其低发射率特性实现了最低的U因子（3.65 W·m^?2·K^?1），较其他材料平均降低37.9%。但其冷凝U因子较高，表明在高湿环境中性能可能衰减。SHGC值与太阳透射率呈正相关，UV涂层因低透射率导致SHGC最低（0.384），PE则最高（0.856）。

3.3 透射光质与光量评估

在光质方面，UV涂层展现出极高的R:B（4.76）与R:FR（3.19）比值，利于红光相关光形态建成；而Clear Glass的R:B比（2.1）最接近植物光合理想值。通过PPFD（光合光子通量密度）与DLI（日累积光积分）量化光量发现，Clear Glass的PPFD达411.5 μmol·m^?2·s^?1，显著高于UV涂层的189.8 μmol·m^?2·s^?1。

3.4 能源性能分析

模拟结果显示，Low-E涂层在寒冷气候（如Zone 7）中节能效果最显著，总能耗降低26.2%，但其冷凝敏感性与补光需求（+5.9%）仍需关注。UV涂层在高纬度多云地区（如Seattle）因自然光不足导致补光能耗增加13.6%。总体而言，采暖能耗占比从热带地区的0%升至寒带的67%，而照明能耗在中等气候区成为主导因素。

研究结论强调，温室覆盖系统的选择需结合气候特征与作物光需求综合决策：Low-E涂层适用于寒冷地区以降低采暖能耗，但其抗冷凝性能需通过表面处理（如PEAC）增强；UV涂层虽能优化光质，但适用于低纬度强光照地区以避免补光能耗攀升；而PC等高U因子材料可能更适合临时性或低成本生产场景。

讨论部分进一步指出，未来研究应关注纳米材料（如ZnO、SnO₂等红外反射添加剂）在提升PST（PAR-太阳透射比）值与耐久性方面的潜力。同时，长期冷凝效应、材料老化及成本效益分析仍是现有研究的空白，需通过实际监测与多季节试验验证。

该工作首次将光学性能指标（如PST、R:B）与能源参数（U因子、SHGC）在多气候模拟中耦合评估，为温室覆盖材料的标准化选择与设计提供了理论依据与实践指南，对推动绿色农业与能源可持续管理具有重要意义。