第37卷 第7期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 37 No 7 218 2021年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 新型相變材料蓄放熱性能及在溫室內(nèi)的應(yīng)用 張 勇 許英杰 陳 瑜 張柯新 倪欣宇 西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院 楊凌 712100 摘 要 日光溫室現(xiàn)行的溫度調(diào)控方法對(duì)太陽(yáng)能無(wú)法進(jìn)行有效利用 造成大量浪費(fèi) 在極端天氣條件下不能取得良好效 果 無(wú)法持續(xù)為植物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境 為解決上述問(wèn)題 更好地改善溫室墻體性能 該研究以復(fù)合無(wú)機(jī)相變材料 為主體 再配以水泥 鋸末等原料 制備成相變材料模塊 并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn) 測(cè)試相變材料水泥模塊的蓄放熱性能 而后將其固定于日光溫室后墻骨架上 采集溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù) 來(lái)研究其在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的蓄放熱效果 結(jié)果表明一 塊F1 F2 F3相變材料水泥模塊溫度由8 3升到32 分別吸收2 575 2 3 041 5 3 286 8 kJ熱量 單位體積蓄熱量分 別為74 5 88 0 95 1 MJ m3 一塊F1 F2 F3相變材料水泥模塊溫度由32降到7 8 分別放出熱量2 067 0 2 344 6 2 910 2 kJ 單位體積放熱量分別為59 8 67 8 84 2 MJ m3 在夏季不同天氣條件下 三種相變材料都可吸收大量熱量 降低溫室溫度峰值 在冬天夜間又可釋放大量熱量 提高溫室最低溫度 使植物始終處于環(huán)境相對(duì)適宜 溫度變化較 為平緩的生長(zhǎng)環(huán)境中 關(guān)鍵詞 溫室 相變材料 溫度調(diào)控 后墻 蓄放熱 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 027 中圖分類號(hào) S625 1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2021 07 0218 09 張勇 許英杰 陳瑜 等 新型相變材料蓄放熱性能及日光溫室應(yīng)用效果研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2021 37 7 218 226 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 027 http www tcsae org Zhang Yong Xu Yingjie Chen Yu et al Heat storage and release performance of new phase change material and its application in greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 7 218 226 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 027 http www tcsae org 0 引 言 日光溫室是具備中國(guó)特色的高效節(jié)能型園藝設(shè)施 具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 在中國(guó)設(shè)施園藝的發(fā)展過(guò)程 中發(fā)揮著重要的作用 在提高城鄉(xiāng)居民的生活質(zhì)量 穩(wěn) 定社會(huì)方面做出了重大貢獻(xiàn) 1 3 但日光溫室在生產(chǎn)實(shí)踐 中存在能量不平衡的問(wèn)題 白天室內(nèi)吸收太陽(yáng)能導(dǎo)致內(nèi) 部溫度過(guò)高因而不得不采取通風(fēng)換氣措施 而夜晚又由 于內(nèi)部氣溫太低出現(xiàn)低溫冷害 這些問(wèn)題限制了日光溫 室的周年生產(chǎn)和高效應(yīng)用 日光溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是后 墻 是日間吸收和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的重要載體 具有較好的 蓄放熱能力 4 7 在白天吸收溫室中多余的熱量 然后在 夜間把白天吸收的大量熱量釋放出去 從而提高溫室夜 間氣溫 8 11 墻體白天吸收的熱量越多 相對(duì)應(yīng)晚上釋放 出的熱量則越多 12 13 因此提高日光溫室墻體蓄放熱能 力成為溫室發(fā)展的重中之重 相變材料是一種功能材料 利用其蓄放熱特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)熱能地點(diǎn) 時(shí)間的轉(zhuǎn)移 14 其貯熱方式是相變潛熱儲(chǔ)熱 與顯熱式貯熱相比 潛熱 收稿日期 2020 12 09 修訂日期 2021 03 05 基金項(xiàng)目 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2018TSCXL NY 05 05 寧夏回族自 治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大項(xiàng)目 2016BZ0901 節(jié)能日光溫室結(jié)構(gòu)優(yōu)化與配套 技術(shù)開發(fā)研究 2017ZDXM NY 057 設(shè)施農(nóng)業(yè)采光蓄熱技術(shù)提升研究與示 范 2016KTCL02 02 作者簡(jiǎn)介 張勇 副教授 博士 主要從事溫室建筑結(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑 園藝研究 Email Landscape 中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員 張勇 E041200715S 式貯熱可以儲(chǔ)存更多的熱量 且相變過(guò)程近似等溫 將 相變材料用于溫室 不但能夠幫助溫室高效利用潔凈可 再生的太陽(yáng)能資源 節(jié)約不可再生能源 減少環(huán)境污染 而且可以減小溫室內(nèi)部溫度變化幅度 有利于維持溫室 內(nèi)部溫度穩(wěn)定 15 有效提高溫室蓄熱能力和保溫性能 增加室內(nèi)溫度的自調(diào)節(jié)功能 有利于給作物提供一個(gè)舒 適的生長(zhǎng)環(huán)境 提高經(jīng)濟(jì)效益 對(duì)促進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的 發(fā)展具有重要意義 16 相變材料在溫室中應(yīng)用廣泛 許紅軍等 17 研究了 Na2HPO4 12H2O儲(chǔ)放熱特性 結(jié)果得出Na2HPO4 12H2O 相變溫度為47 26 與36 2 潛熱分別為11 78與109 J g 但該相變溫度偏高 無(wú)法直接用于溫室生產(chǎn) 需減低熔 點(diǎn) 消除過(guò)冷現(xiàn)象 張巨松等 18 在試驗(yàn)中將相變材料應(yīng) 用于日光溫室中 結(jié)果表明相變材料起到削峰填谷 的 作用 管勇等 19 20 提出了日光溫室三重結(jié)構(gòu)相變蓄熱墻 體構(gòu)筑方法 陳超等 21 研究了不同構(gòu)筑方式的相變材料 蓄熱性能 楊小龍等 22 制備了加入Na2HPO4 12H2O的相 變蓄熱墻板 后墻結(jié)構(gòu)為相變蓄熱墻板 方鋼和菱鎂聚 苯保溫板的日光溫室 降低了溫室氣溫波動(dòng) 提高了土 地利用率 郭靖等 23 25 設(shè)計(jì)了多種應(yīng)用于日光溫室的太 陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng) 將相變材料制備成空心砌塊 研究 了內(nèi)滲型及外掛型2種不同封裝方式的相變材料的蓄熱 效果 Benli 等 26 利用相變材料制作的太陽(yáng)能集熱器代替 化石燃料對(duì)溫室供暖 并試驗(yàn)分析了潛熱儲(chǔ)能系統(tǒng)的性 能 Berroug 等 27 將相變材料應(yīng)用于溫室內(nèi) 發(fā)現(xiàn)冬季夜 間室內(nèi)植物本身和空氣的溫度周期性波動(dòng)較小 夜間室 第7期 張 勇等 新型相變材料蓄放熱性能及在溫室內(nèi)的應(yīng)用 219 內(nèi)平均相對(duì)濕度較對(duì)照溫室低10 15 Kumari等 28 利用相變材料制成墻板并安裝于溫室的北墻處 研究相 變材料墻板對(duì)植物及室內(nèi)空氣溫度的影響 相變儲(chǔ)能材料是相變儲(chǔ)熱技術(shù)的核心物質(zhì) 其性價(jià) 比關(guān)系該技術(shù)的應(yīng)用前景 物性參數(shù)對(duì)其應(yīng)用起到至關(guān) 重要的作用 盡管目前性能參數(shù)的測(cè)定研究較多 但相 關(guān)參數(shù)不夠精確且不夠全面 其信息缺乏完整性和系統(tǒng) 性 以及適合作物生長(zhǎng)溫度的相變儲(chǔ)能材料及其復(fù)合制 備方法較少 因此 本文在前人試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)相變儲(chǔ) 能材料進(jìn)行篩選 選擇多種相變儲(chǔ)能材料 將它們應(yīng)用 于裝配式溫室后墻 以提高后墻蓄放熱能力 1 材料與方法 1 1 供試材料 1 1 1 試驗(yàn)溫室 本試驗(yàn)溫室采用的是張勇等 4 29 30 設(shè)計(jì)的一種新型結(jié) 構(gòu)的裝配式溫室 供試日光溫室位于陜西省楊凌示范區(qū) 揉谷鎮(zhèn)與學(xué)院合作的生產(chǎn)性垂直農(nóng)場(chǎng)基地 北緯 N34 17 21 33 東經(jīng)E108 05 27 44 坐北朝南東西延長(zhǎng) 長(zhǎng)度30 m 跨度12 m 脊高5 2 m 透明覆蓋材料為PO 膜 溫室結(jié)構(gòu)如圖1所示 楊凌示范區(qū)位于關(guān)中地區(qū) 年平均氣溫12 9 夏季平均氣溫在25 1 以上 年 極端最低氣溫 13 4 極端最高氣溫38 5 2020全 年日均溫如圖2所示 年平均日照時(shí)數(shù)2 163 8 h 太陽(yáng) 能年輻射量在4 190 5 016 MJ m2 注 1 2 3為溫室跨度1 4與溫室長(zhǎng)度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面1 0 m溫度測(cè) 點(diǎn) 4 5 6為溫室溫室跨度1 2與溫室長(zhǎng)度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面1 0 m溫 度測(cè)點(diǎn) 7 8 9分別為溫室溫室跨度3 4與溫室長(zhǎng)度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面 1 0 m溫度測(cè)點(diǎn) 10 11 12分別為溫室北部距地面1 0 m溫度測(cè)點(diǎn) Note 1 2 3 are the temperature measurement points at the intersection of the greenhouse span 1 4 and the quarter of the greenhouse length 1 0 m away from the ground 4 5 6 are the intersection of the greenhouse span 1 2 and the quarter of the greenhouse length 1 0 m from the ground m temperature measuring points 7 8 9 are the temperature measuring points of 1 0 m from the ground at the intersection of the 3 4 of the greenhouse span and the length of the greenhouse respectively 10 11 and 12 are the temperature measuring points of the northern part of the greenhouse from the ground 1 0 m 圖1 溫室結(jié)構(gòu)及溫度測(cè)點(diǎn)圖 Fig 1 Greenhouse structure and temperature measurement points 1 1 2 試驗(yàn)材料 磷酸氫二鈉 Na2HPO4 工業(yè) 25 kg 袋 質(zhì)量分 數(shù)為98 0 西隴化工有限公司 硫酸鈉 Na2SO4 工業(yè) 50 kg 袋 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98 0 寧夏興昊永盛鹽業(yè)科 技有限公司 氯化鉀 KCl 工業(yè) 50 kg 袋 質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為98 青海香江鹽湖開發(fā)有限公司 四硼酸鈉 硼砂 工業(yè) 25 kg 袋 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99 5 天津永大化學(xué)試劑有 限公司 羧甲基纖維素鈉 CMC 工業(yè) 25 kg 袋 山 西運(yùn)城市風(fēng)陵渡開發(fā)區(qū)天旗建材廠 注 數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象網(wǎng) Note Data comes from China Meteorological Network 圖2 楊凌2020年日均溫圖 Fig 2 Daily average temperature of Yangling in 2020 1 2 試驗(yàn)方法 1 2 1 溫室相變材料后墻的建造 相變材料使用模塊化安裝方法 將事先選擇好的相 變材料配置完成 然后將其封裝到17個(gè)相同規(guī)格的PET 塑料瓶中 一個(gè)PET塑料瓶體積為550 mL 然后澆筑成 相變材料水泥模塊 相變材料水泥模塊長(zhǎng)度為120 cm 厚度為8 cm 高度為30 cm 其在溫室中的位置如下圖3 所示 其面積為溫室后墻面積的一半 a 相變材料水泥模塊布置圖 a Layout drawing of phase change material cement module b 實(shí)物圖 b Real picture 注 1 室外空氣 2 保溫被 3 后墻骨架 4 相變模塊 5 室內(nèi)空氣 6 前屋 面骨架 Note 1 Outdoor air 2 Insulation quilt 3 Back wall skeleton 4 PCM module 5 Indoor air 6 Front roof skeleton 圖3 相變材料水泥模塊 Fig 3 Phase change material cement module 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 220 課題組前人已研究多種相變材料的DSC曲線 以F3 復(fù)合相變材料配方DSC曲線圖為例進(jìn)行說(shuō)明 如圖4所 示 該配方從2 18 開始大量放熱 熱流峰值出現(xiàn)在 2 07 整個(gè)放熱過(guò)程釋放的熱量為92 52 J g吸熱過(guò)程 開始于14 11 分別于15 76和25 32 達(dá)到高峰 在 整個(gè)吸熱過(guò)程中吸收的熱量為112 42 J g 由于DSC樣品 量少 降溫速度快 不能反應(yīng)宏觀狀態(tài)特性 課題組成 員補(bǔ)充了T history試驗(yàn) 可以更好地反映相變體系在溫 室中的應(yīng)用特性 如圖5所示 不同配方的相變溫度及 放熱量存在一定差異 在升溫相變過(guò)程中 材料會(huì)吸收 一部分熱量 使環(huán)境溫度下降 在降溫相變過(guò)程中則會(huì) 向環(huán)境中釋放熱量使得環(huán)境溫度上升 不同相變材料體 系相變吸熱溫度基本位于20到30 之間 可以在溫度 過(guò)高時(shí)及時(shí)吸收熱量 避免高溫對(duì)溫室內(nèi)作物的傷害 注 數(shù)值為溫度和潛熱量 Note Values in figure are temperature and latent heat 圖4 F3復(fù)合相變材料體系DSC曲線 Fig 4 DSC curve of 3P1K4S composite phase change material system a 二鹽混合體系步冷曲線 a Step cooling curve of different di salt mixed systems b 三鹽混合體系步冷曲線 b Step cooling curve of three salt mixed system 圖5 不同相變材料步冷曲線圖 Fig 5 Step cooling curves of different phase change materials 在降溫過(guò)程中 多數(shù)材料放熱溫度點(diǎn)位于10 至20 之間 個(gè)別體系放熱溫度小于10 可以在溫室溫度降 低時(shí)適時(shí)補(bǔ)充熱量 防止凍害和冷害的發(fā)生 本試驗(yàn)根據(jù)課題組前人的研究 針對(duì)溫室生產(chǎn)實(shí)際 情況 選取F1 F2和F3三種較適宜溫室生產(chǎn)的復(fù)合相 變材料來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn) F1 相變材料由Na2HPO4 12H2O和KCl以1 3的比例 再混以水 CMC和硼砂制 備而成 F1在升溫過(guò)程中溫度達(dá)到21 時(shí)升溫速率減 緩 降溫過(guò)程中溫度為9 時(shí)溫度回升 F2相變材料由 Na2HPO4 12H2O和KCl以1 1的比例 再混以水 CMC 和硼砂制備而成 F2在升溫過(guò)程中溫度達(dá)到21 時(shí)升 溫速率減緩 降溫過(guò)程中溫度為12 時(shí)溫度回升 F3 相變材料由Na2HPO4 12H2O KCl和Na2SO4以3 1 4的 比例 再混以水 CMC和硼砂制備而成 F3在升溫過(guò)程 中溫度達(dá)到23 時(shí)升溫速率減緩 降溫過(guò)程中溫度為 19 8 時(shí)溫度回升 1 2 2 不同材料墻水泥模塊熱流量測(cè)點(diǎn) 測(cè)點(diǎn)分布在相變材料水泥模塊長(zhǎng)度方向1 2 和相變 材料水泥模塊高度1 2 交點(diǎn)處的模塊前后表面 每隔 1 min記錄一次數(shù)據(jù) 1 2 3 不同材料水泥模塊溫度測(cè)定 在每塊模板高的1 2截面與長(zhǎng)的1 2截面的交線處做 為溫度探頭插入點(diǎn) 在模塊厚度的1 2 的處放入溫度測(cè) 點(diǎn) 每隔1 min記錄一次實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù) 1 2 4 溫室環(huán)境測(cè)定 在試驗(yàn)溫室內(nèi) 溫度測(cè)點(diǎn)位于溫室長(zhǎng)度方向四等分 點(diǎn)和溫室跨度方向四等分點(diǎn)的交點(diǎn)處 高度分別為距地 面0 5 1 0 1 5 m 光照和濕度測(cè)點(diǎn)位于溫室長(zhǎng)度方向 二等分點(diǎn)和溫室跨度方向三等分點(diǎn)交點(diǎn)處 高度為距地 面0 5 m處 1 2 5 試驗(yàn)儀器 稱量精度為0 01 g的電子天平 型號(hào)ES 1000HA 蘇州博泰偉業(yè)電子科技有限公司制造 測(cè)溫度使用T型熱電偶溫度傳感器 精度 0 2 連接到34970A數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀 美國(guó)Agilent公司生產(chǎn) 測(cè)試墻板及相變材料內(nèi)部溫度采用T型熱電偶溫度 傳感器 精度 0 2 連接到34970A數(shù)據(jù)自動(dòng)采集 儀 美國(guó)Agilent公司生產(chǎn) 測(cè)溫度 第7期 張 勇等 新型相變材料蓄放熱性能及在溫室內(nèi)的應(yīng)用 221 熱流測(cè)試使用JTR01溫度熱流測(cè)試儀 北京世紀(jì)建 通環(huán)境技術(shù)有限公司制造 1 2 6 數(shù)據(jù)處理 本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin以及Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及 二維圖表的制作 2 結(jié)果與分析 2 1 不同材料水泥模塊熱流量分析 2 1 1 蓄熱能力 試驗(yàn)所使用的水泥模塊材料配比都一致 物理參數(shù) 接近 為測(cè)試相變材料水泥模塊性能 我們分別選取了 F1 F2 F3三種相變材料水泥模塊各一塊 在實(shí)驗(yàn)室 進(jìn)行了升降溫試驗(yàn) 重復(fù)多次 采集溫度和熱流數(shù)據(jù)對(duì) 相變材料水泥模塊的蓄放熱性能進(jìn)行分析 從圖中我們可以看出 在升溫過(guò)程中 F1溫度在達(dá) 到26 左右時(shí) 升溫速率開始減緩 熱流量呈現(xiàn)出較為 穩(wěn)定的下降狀態(tài) F2在溫度達(dá)到21 左右 升溫速率有 了明顯的減緩 但吸收的熱流并沒(méi)有明顯減小 說(shuō)明相 變材料此時(shí)在發(fā)生相變 吸收大量的熱量 F3溫度上升 速率在21 左右有了明顯的下降 且熱流量還穩(wěn)持穩(wěn)定 根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)相變材料水泥模塊升溫過(guò)程中的吸熱 量 相變材料水泥模塊吸放熱量計(jì)算方程為 Q蓄 放 熱 q1 q2 qn S t 1 式中Q蓄 放 熱為相變材料水泥模塊總蓄 放 熱量 J q為儀器在某一時(shí)刻測(cè)試的瞬間熱流量 W m2 S為相 變材料水泥模塊前表面面積 m2 t為數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間 隔 s 經(jīng)計(jì)算 厚度為0 08 m的一塊F1 F2 F3相變材 料水泥模塊溫度由8 3 升到32 分別吸收2 575 2 3 041 5 3 286 8 kJ熱量 單位面積蓄熱量分別為5 961 1 7 040 5 7 608 3 kJ m2 2 1 2 放熱能力 放熱過(guò)程中 F1在8 3 發(fā)生相變 溫度有了明顯 的上升 熱流量也有所增大 F2變化雖沒(méi)F1明顯 但在 10 左右溫度下降速率也有了明顯減緩 熱流量也比較 平穩(wěn) 穩(wěn)定放熱 F3在13 9 開始相變 溫度明顯上升 熱流量穩(wěn)定 根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)相變材料水泥模塊降溫 過(guò)程中的放熱量 經(jīng)計(jì)算 厚度為0 08 m的一塊F1 F2 F3相變材料水 泥模塊溫度由32降到7 8 分別放出熱量2 067 0 2 344 6 2 910 2 kJ 單位面積放熱量分別為4 784 7 5 427 3 6 736 6 kJ m2 單塊水泥模塊吸放熱量具體如圖6所示 圖6 單塊F1 F2 F3水泥模塊吸放熱量 Fig 6 Heat absorption and release diagram of single F1 F2 and F3 cement modules 圖7 F1 F2 F3溫度和熱流變化 Fig 7 F1 F2 F3 temperature and heat flow change 2 2 溫室夏季典型天氣條件溫度對(duì)比分析 經(jīng)熱流試驗(yàn)初步研究表明 三種相變材料配方相變 模塊雖然蓄放熱能力有一定差異 但整體蓄放熱性能較 為良好 為了更好地了解其對(duì)于為溫室氣溫的調(diào)控作用 在試驗(yàn)溫室中進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集與分析 2 2 1 典型晴天 選取夏季典型晴天8月31日 圖8a 南部與溫室北 部高度為1 m的溫度和墻體溫度進(jìn)行分析 該天外界最 高氣溫是29 8 最低氣溫為15 9 從圖中可以看出在0 00到8 00這個(gè)時(shí)間段內(nèi) 溫室 南部 溫室北部和墻體三者的溫度都在小幅度波動(dòng) 整 體處于下降趨勢(shì) 在早晨8 00左右 三者到達(dá)最低溫度 溫室南部 溫室北部和墻體的最低溫度分別是19 7 19 7 和20 9 從8 00到14 00 溫室氣溫整體處于持續(xù)上 升階段 在14 00時(shí)達(dá)到最高溫度40 2 墻體溫度 上升較為緩慢 且有一定的延后性 在17 00才達(dá)到最大 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 222 值 F1 F2和F3溫度最大值分別為31 8 34 5 31 5 在晴天條件下 相變材料墻體日間吸收了溫室內(nèi)部 大量多余的熱量 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 一塊F1相變 材料水泥模塊溫度由20 1升到31 8 吸收989 3 kJ熱 量 共吸收熱量35 614 8 kJ 一塊F2相變材料水泥模塊 溫度由21 1升到34 5 吸收2 021 9 kJ熱量 共吸收熱 量72 788 4 kJ 一塊F3相變材料水泥模塊溫度由20 6升 到31 5 吸收1 905 1 kJ熱量 共吸收熱量57 153 6 kJ 三者一共吸收了熱量165 556 8 kJ F1和F3墻體溫度低 是因?yàn)镕1和F3所在的位置進(jìn)行自然通風(fēng)措施 散失了 部分熱量 導(dǎo)致墻體溫度較F2低 墻體日間吸收的熱量 在夜間釋放出來(lái) 可以減小溫室溫度變化幅度 根據(jù)試 驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 一塊F1相變材料水泥模塊溫度由31 5 降到22 2 放出644 9 kJ熱量 共放出熱量23 216 4 kJ 一塊F2相變材料水泥模塊溫度由34 5 降到21 6 放出 811 4 kJ熱量 共放出熱量29 210 4 kJ 一塊F3相變材 料水泥模塊溫度由31 5降到22 2 放出676 4 kJ熱量 在日光溫室中共有30塊 共放出熱量20 292 0 kJ 三者 表現(xiàn)中 F3最優(yōu) F2次之 F1最差 因?yàn)橄嘧儾牧蠅?體吸收了大量的熱量 再輔以自然通風(fēng) 溫室在夏季典 型晴天內(nèi)部最高氣溫只有40 5 這說(shuō)明相變材料墻 體降低溫室溫度峰值 達(dá)到了夏季降溫的目的 2 2 2 典型陰天 選取夏季典型陰天9月13日 圖8b 溫室南部與溫 室北部高度為1 m的溫度和墻體溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 該 天外界最高氣溫是26 8 最低氣溫為18 6 0 00至8 00 溫室南部 溫室北部和墻體三者的溫 度呈現(xiàn)小幅度波動(dòng) 溫度差距較小 溫室和墻體最低溫 度分別是20 5和23 5 8 00到15 00 溫室氣溫不斷 升高 但溫室北部升溫速率較快 最高溫度為31 2 F1 F2和F3墻體溫度最大值分別為27 9 27 8 27 3 陰天條件的溫度變化幅度小于晴天條件 墻體所吸 收的熱量也相應(yīng)減少 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算 一塊 F1 相變材料水泥模塊溫度由23 9 升到27 9 吸收 349 7 kJ熱量 共吸收熱量12 589 2 kJ 一塊F2相變 材料水泥模塊溫度由23 4升到27 8 吸收675 3 kJ熱 量 共吸收熱量24 310 8 kJ 一塊F3相變材料水泥模 塊溫度由23 5升到27 3 吸收744 6 kJ熱量 共吸收 熱量22 338 0 kJ 三者一共吸收熱量59 238 kJ 白天 吸收的熱量在夜間被釋放出來(lái) 一塊F1相變材料水泥 模塊溫度由27 9降到22 9 放出331 0 kJ熱量 共可 放出熱量11 916 0 kJ 一塊F2相變材料水泥模塊溫度 由27 8 降到22 7 釋放熱量426 0 kJ 共釋放熱量 15 336 0 kJ 一塊F3相變材料水泥模塊溫度由27 3下 降到 22 6 放出 351 9 kJ 熱量 共釋放熱量 10 557 0 kJ 三者表現(xiàn)中 F3最優(yōu) F2次之 F1最差 三者吸收的熱量雖遠(yuǎn)不如晴天 但也有效的降低溫室內(nèi) 部溫度 溫室最高溫度為31 2 2 2 3 典型雨天 選取夏季典型雨天9月21日 圖8c 溫室南部與溫 室北部高度為1 m的溫度和墻體這三處溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析 該天外界最高氣溫是15 6 最低氣溫為13 6 a 晴 2020 08 31 2020 09 01 a Sunny day 2020 08 31 to 2020 09 01 b 陰 2020 09 13 2020 09 14 b Cloudy day 2020 09 13 to 2020 09 14 c 雨 2020 09 21 2020 09 22 c Rainy day 2020 09 21 to 2020 09 22 圖8 夏季晴天 陰天 雨天墻體和溫室不同位置對(duì)比 Fig 8 Comparison of different locations of walls and greenhouses on a sunny cloudy and rainy day in summer 與晴天和陰天相比 雨天的溫度變化范圍更窄 從 圖中我們可以看出 墻體溫度和溫室氣溫變化幅度都很 小 F1和F2墻體溫度與溫室氣溫差距較小 并沒(méi)有發(fā)揮 明顯作用 但F3墻體溫度一直處于下降趨勢(shì) 持續(xù)的向 溫室內(nèi)部釋放一定的熱量 這也是F3溫室北部氣溫高于 溫室南部氣溫的主要原因 在雨天條件下 F3配方表現(xiàn)最好 而F1和F2配方 表現(xiàn)相近 都不如F3配方 2 3 溫室冬季典型天氣條件溫度對(duì)比分析 2 3 1 典型晴天 選取冬季典型晴天1月1日 圖9a 溫室南部與溫 第7期 張 勇等 新型相變材料蓄放熱性能及在溫室內(nèi)的應(yīng)用 223 室北部高度為1 m的溫度和墻體溫度進(jìn)行分析 該天外 界最高氣溫為6 9 最低氣溫為 9 9 在0 00至10 00這個(gè)時(shí)間段 溫室氣溫和墻體溫度 都在緩慢的下降 變化幅度較小 溫室最低氣溫為7 2 墻體溫度最低為8 5 10 00打開保溫被之后 溫室溫 度進(jìn)入持續(xù)上升階段 在14 00 溫室氣溫達(dá)到最大值 為40 5 墻體溫度在16 00達(dá)到最大值 為25 6 夜間溫室氣溫急速下降 而墻體溫度下降較為緩慢 在 同一時(shí)刻 墻體溫度與溫室氣溫最大溫差為7 2 在 18 00以后 墻體溫度始終高于溫室氣溫 可以持續(xù)不斷 的將白天蓄積的熱量釋放到溫室中 提高溫室氣溫 防 止溫室內(nèi)部溫度過(guò)低 a 晴 2021 01 01 2021 01 02 a Sunny day 2021 01 01 to 2021 01 02 b 陰 2022 01 05 2021 01 06 b Cloudy day 2021 01 05 to 2021 01 06 圖9 冬季晴天和陰天墻體和溫室不同位置對(duì)比圖 Fig 9 Comparison of different locations of walls and greenhouses on a sunny and cloudy day in winter 晴天條件下 墻體溫度變化幅度較大吸收熱量較多 一塊0 08 m厚的F1相變材料水泥模塊溫度由10 1 升高 到27 2 可吸收熱量1 929 6 kJ 單位面積蓄熱量為 4 69 0 kJ m2 在夜間 一塊0 08m厚的F1相變材料水泥 模塊溫度由27 2降低到12 4 可釋放熱量1 012 3 kJ 單位面積放熱量為2 343 2 kJ m2 一塊0 08 m厚的F2相 變材料水泥模塊溫度由8 6 升高到25 1 可吸收熱量 1 974 6 kJ 單位面積蓄熱量為4 571 0 kJ m2 在夜間一塊 0 08 m厚的F2 相變材料水泥模塊溫度由25 2 降低到 12 2 可釋放熱量1 388 7 kJ 單位面積放熱量為 3 214 6 kJ m2 一塊0 08 m厚的F3相變材料水泥模塊溫 度由8 5升高到25 6 可吸收熱量2 086 9 kJ 單位面積 蓄熱量為4 830 7 kJ m2 夜間一塊0 08 m厚的F3相變材 料水泥模塊溫度由25 6 降低到13 3 可釋放熱量 1 711 1 kJ 單位面積放熱量為3 960 9 kJ m2 在夜間 F1 F2和F3相變材料墻體溫度均高于溫室 氣溫 都可以向溫室釋放大量的熱量 三者共可釋放熱 量76 272 kJ 在外界溫度較低的情況下 使溫室最低氣 溫只有8 達(dá)到為溫室升溫的目的 2 3 2 典型陰天 選取冬季典型陰天1月5日 圖9b 溫室南部與溫 室北部高度為1 m的溫度和墻體溫度進(jìn)行分析 該天外 界最高氣溫是6 1 最低氣溫為 3 0 和晴天條件下一樣 在卷起保溫被前即0 00至10 00 這個(gè)時(shí)間段 溫室氣溫和墻體溫度都在緩慢的下降 變 化幅度較小 溫室最低氣溫為8 6 墻體溫度最低為 9 2 10 00打開保溫被之后 溫室溫度進(jìn)入上升階段 在14 00 溫室氣溫達(dá)到最大值 為36 墻體溫度在 16 00達(dá)到最大值 為20 7 夜間溫室氣溫急速下降 而墻體降溫速率低于溫室氣溫 在同一時(shí)刻 墻體溫度 與溫室氣溫最大溫差為5 1 陰天溫度變化幅度較小 一塊0 08 m厚的F1相變材 料水泥模塊溫度由10 9 升高到19 6 可吸收熱量 1 171 3 kJ 一塊0 08 m厚的F2相變材料水泥模塊溫度 由10 升高到20 2 可吸收熱量1 137 7 kJ 一塊0 08 m 厚的F3相變材料水泥模塊溫度由10升高到20 7 可吸 收熱量1 131 5 kJ 夜間墻體將白天蓄積的一部分熱量釋 放出來(lái) 一塊0 08 m厚的F1相變材料水泥模塊溫度由 19 6降低到12 7 可釋放熱量473 2 kJ 單位面積放熱 量為1 095 4 kJ m2 一塊0 08 m厚的F2相變材料水泥模 塊溫度由20 2 降低到11 3 可釋放熱量1 035 0 kJ 單位 面積放熱量為2 395 8 kJ m2 一塊0 08 m厚的F3相變材 料水泥模塊溫度由20 7 降低到11 9 可釋放熱量 1 651 4 kJ 單位面積放熱量為3 822 7 kJ m2 陰天條件下 三種相變材料放出的熱量雖不如晴天 多 但也可避免溫室氣溫過(guò)低 三者共釋放熱量 39 626 4 kJ 使溫室氣溫保持在9 以上 2 4 墻體熱場(chǎng)分布及分析 圖10為墻體熱象圖 表現(xiàn)了墻體的熱場(chǎng)分布情況 從圖中明顯可以看出 相變材料墻體內(nèi)部蓄積了大量的 熱量 且墻體溫度明顯高于溫室環(huán)境溫度 可以持續(xù)不 斷的向溫室釋放熱量 圖10 墻體熱場(chǎng)分布 Fig 10 Wall thermal field distribution 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2021年 224 3 討 論 選取冬季晴天數(shù)據(jù) 與冬季晴天條件下溫室其他材 料墻體蓄放熱性能進(jìn)行比較 具體如下圖11所示 史宇亮等 31 研究了0 6 m厚的土墻蓄放熱性能 計(jì)算 了2014年12月20日0 00到2015年1月18日多天的蓄 放熱量 選取2015年1月17日的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較說(shuō)明 當(dāng)天外界太陽(yáng)輻射照度最大值為505 9 W m2 試驗(yàn)得出 晴天土墻單位體積蓄熱量為5 489 3 kJ m3 單位體積放熱 量為1 873 kJ m3 本試驗(yàn)晴天為2021年1月1日 該天 外界太陽(yáng)輻射照度最大值為445 6 W m2 是505 9 W m2 的88 1 試驗(yàn)得出F1 F2和F3墻體單位體積蓄熱量 分別為55 862 5 57 137 5 60 383 75 kJ m3 單位體積放 熱量為29 290 40 182 5 49 511 25 kJ m3 F1 F2 F3 相變材料水泥模塊單位體積蓄熱量分別是土墻的10 2 倍 10 4倍和11倍 單位體積放熱量分別是土墻的15 6 倍 21 5倍和26 4倍 三者均表現(xiàn)出遠(yuǎn)優(yōu)于0 6m土墻的 蓄放熱性能 張瀟丹等 32 2014年12月7日在酒泉進(jìn)行試驗(yàn)研究 該天墻體內(nèi)表面太陽(yáng)輻射量最大為473 W m2 外界則更 高 結(jié)果得出紅磚墻晴天單位體積蓄熱量為 11 437 5 kJ m3 單位體積放熱量為4 458 3 kJ m3 F1 F2 F3相變材料水泥模塊單位體積蓄熱量分別是土墻的4 9 5 0和5 3倍 單位體積放熱量分別是土墻的6 6 9 0和 11 1倍 三種相變材料墻體在太陽(yáng)輻射量相比較小且厚度僅 為土墻13 磚墻17 的情況下 單位體積蓄放熱量顯 著高于土墻和磚墻 若在相同太陽(yáng)輻射量條件下 且適 當(dāng)增加墻體厚度 三種相變材料墻體會(huì)有更加優(yōu)異的蓄 放熱表現(xiàn) 以上試驗(yàn)結(jié)果證明了相變模塊應(yīng)用在溫室實(shí) 際生產(chǎn)中的可行性與良好性能 圖11 不同材料后墻單位體積蓄放熱量 Fig 11 Heat storage per unit volume of the back wall of different materials 4 結(jié) 論 本研究應(yīng)用了三種復(fù)合相變材料蓄熱體系 通過(guò)試 驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了它們的蓄熱量和放熱量 并測(cè)試了其在溫 室中的實(shí)際應(yīng)用效果 得到以下結(jié)論 1 一塊F1 F2 F3 相變材料水泥模塊溫度由8 3 升到32 單位體積蓄熱量分別為74 5 88 0 95 1 MJ m3 一塊F1 F2 F3相變材料水泥模塊溫度由32降到7 8 單位體積放熱量分別為59 8 67 8 84 2 MJ m3 2 在夏季晴天 F1 F2和F3墻體在日間分別可吸 收熱量35 614 8 72 788 4 57 153 6 kJ 共吸收熱量 165 556 8 kJ 有效降低溫室氣溫 減小溫度變化幅度 使溫室氣溫始終保持在40 5 以下 冬季晴天F1 F2 和F3墻體在夜間分別可釋放熱量36 442 8 49 993 2和 51 333 kJ 可以有效提高溫室夜間溫度 使溫室氣溫維持 在8 以上 3 在8 32 這一升降溫區(qū)間 F3蓄放熱量最多 F2次之 F1蓄放熱量最少 三者的單位體積蓄熱量均顯 著高于土墻和磚墻 在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中表現(xiàn)良好 參 考 文 獻(xiàn) 1 韓云全 陳超 管勇 等 復(fù)合相變蓄熱墻體材料對(duì)日光 溫室熱環(huán)境及番茄生長(zhǎng)發(fā)育的影響 J 中國(guó)蔬菜 2012 18 99 105 Han Yunquna Chen Chao Guan Yong et al Effect of composite phase change thermal storage wall materials on solar greenhouse thermal environment J China Vegetables 2012 18 99 105 in Chinese with English abstract 2 馬承偉 陸海 李睿 等 日光溫室墻體傳熱的一維差分 模型與數(shù)值模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 6 231 237 Ma Chengwei Lu Hai Li Rui et al One dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2010 26 6 231 237 in Chinese with English abstract 3 王曉冬 馬彩雯 吳樂(lè)天 等 日光溫室墻體特性及性能 優(yōu)化研究 J 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué) 2009 46 5 1016 1021 Wang Xiaodong Ma Caiwen Wu Letian et al Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall J Xinjiang Agricultural Sciences 2009 46 5 1016 1021 in Chinese with English abstract 4 張勇 鄒志榮 一種蓄熱后墻的日光溫室102630526 P 中國(guó)專利 2012 08 15 5 張勇 高文波 鄒志榮 主動(dòng)蓄熱后墻日光溫室傳熱CFD 模擬及性能試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 5 203 211 Zhang Yong Gao Wenbo Zou Zhirong et al Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back wall J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2015 31 5 203 211 in Chinese with English abstract 6 高文波 張勇 鄒志榮 等 主動(dòng)采光蓄熱型日光溫室性 能初探 J 農(nóng)機(jī)化研究 2015 37 7 181 186 Gao We