太陽能學(xué)報(bào) Acta Energiae Solaris Sinica ISSN 0254 0096 CN 11 2082 TK 太陽能學(xué)報(bào) 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文 題目 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)在日光溫室中的應(yīng)用效果 作者 王冬晴 莊云飛 張滴滴 程杰宇 王平智 趙淑梅 DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 收稿日期 2021 10 06 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)日期 2021 12 22 引用格式 王冬晴 莊云飛 張滴滴 程杰宇 王平智 趙淑梅 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 在日光溫室中的應(yīng)用效果 J OL 太陽能學(xué)報(bào) https doi org 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 網(wǎng)絡(luò)首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經(jīng)歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內(nèi)容已經(jīng)確定 且通過同行評(píng)議 主編終審?fù)饪玫母寮?排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)稿件內(nèi)容必須符合 出 版管理?xiàng)l例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關(guān)規(guī)定 學(xué)術(shù)研究成果具有創(chuàng)新性 科學(xué)性和先進(jìn)性 符合編 輯部對(duì)刊文的錄用要求 不存在學(xué)術(shù)不端行為及其他侵權(quán)行為 稿件內(nèi)容應(yīng)基本符合國家有關(guān)書刊編輯 出版的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號(hào) 數(shù)字 外文字母 法定計(jì)量單位及地圖標(biāo)注等 為確保錄用定稿網(wǎng)絡(luò)首發(fā)的嚴(yán)肅性 錄用定稿一經(jīng)發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機(jī)構(gòu)名稱和學(xué)術(shù)內(nèi)容 只可基于編輯規(guī)范進(jìn)行少量文字的修改 出版確認(rèn) 紙質(zhì)期刊編輯部通過與 中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 出版?zhèn)鞑テ脚_(tái)上創(chuàng)辦與紙質(zhì)期刊內(nèi)容一致的網(wǎng)絡(luò)版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因?yàn)?中國學(xué)術(shù)期刊 網(wǎng)絡(luò)版 是國家新聞出 版廣電總局批準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網(wǎng)絡(luò)版上網(wǎng)絡(luò)首 發(fā)論文視為正式出版 收稿日期 2021 10 06 基金項(xiàng)目 國家 十三五 重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 2019YFD1001900 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系 CARS 23 C02 通信作者 趙淑梅 1967 女 博士 教授 博士生導(dǎo)師 主要從事溫室節(jié)能環(huán)境調(diào)控方面的研究 zhaoshum DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)在日光溫室中的應(yīng)用效果 王冬晴 1 2 莊云飛 1 2 張滴滴 1 2 程杰宇 1 2 王平智 1 2 趙淑梅 1 2 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 北京 100083 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083 摘 要 針對(duì)北方日光溫室夜間室內(nèi)低溫問題 該文以收集利用溫室內(nèi)白天富余太陽能為目標(biāo) 在理論分析相變材料特性的基礎(chǔ)上 開發(fā)基于管材封裝方式的兩級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 并通過對(duì)比試驗(yàn) 在北京地區(qū)的日光溫室中開展冬季應(yīng)用效果試驗(yàn) 結(jié)果表明 所開 發(fā)系統(tǒng)對(duì)冬季室內(nèi)空氣溫度和土壤溫度均有良好的增溫效果 其中 空氣溫度方面 在試驗(yàn)周期內(nèi) 試驗(yàn)溫室夜間 17 00至 次日 08 00 期間 平均 室內(nèi)氣溫比對(duì)照溫室平均提高 1 0 最低氣溫平均提高 1 2 在晴天 多云不同天氣條件下 試驗(yàn)溫室 的 夜間平均 氣 溫分別提高 1 3 1 2 最低氣溫分別提高 1 5 1 7 在兩天一夜未蓋保溫被的陰雪 天氣 條件下 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫全程高于 對(duì) 照溫室 最大溫差 仍有 1 9 在土壤溫度方面 晴天和多云天氣下 試驗(yàn)溫室 10和 15 cm處的土壤溫度平均提高 0 6 0 8 研究 表明所開發(fā)系統(tǒng)具有良好持續(xù)的儲(chǔ)放熱能力 能夠改善日光溫室的冬季熱環(huán)境 關(guān)鍵詞 溫室 相變材料 熱儲(chǔ)存 溫度 中圖分類號(hào) S625 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 0 引 言 日光溫室北墻的蓄熱和放熱功能是其冬季維持室 內(nèi)溫度環(huán)境的關(guān)鍵 白天 溫室北墻吸收并儲(chǔ)存直接 照射于墻面的太陽輻射熱能及部分轉(zhuǎn)化存儲(chǔ)于室內(nèi)空 氣的熱能 夜間 當(dāng)室內(nèi)空氣溫度低于墻面溫度時(shí) 墻體就會(huì)放熱 起到室內(nèi)加溫的作用 在一定程度上 維持室內(nèi)作物正常生長所需的熱環(huán)境 1 通常 溫室 北墻的蓄放熱性能主要取決于墻體建筑材料的種類 墻體構(gòu)造及蓄熱層厚度等 2 為了使北墻獲得較好的 蓄放熱效果 往往需要良好的蓄熱性材料和足夠的墻 體厚度 但這會(huì)導(dǎo)致墻體建設(shè)成本和占地面積的增加 因此 將墻體的蓄放熱功能分解出來 通過更加有效 的蓄放熱技術(shù)確保甚至提升日光溫室的蓄放熱性能 對(duì) 日光溫室的 科學(xué) 發(fā)展 具有重要意義 目前應(yīng)用于日光溫室中的儲(chǔ)熱技術(shù)形式多種多樣 其中 相變材料因具有較高的儲(chǔ)能密度 和相對(duì)穩(wěn)定的 溫度變化特性 3 使其成為最有發(fā)展?jié)摿Φ臏厥覠岘h(huán) 境節(jié)能調(diào)控技術(shù) 近年來 國內(nèi)外學(xué)者 對(duì)相變材料的 篩選與制備 封裝方式以及與日光溫室后墻的結(jié)合方 式等進(jìn)行了較為廣泛的研究 在材料篩選方面 郭靖 4 研究了 CaCl2 6H2O 其融化溫度在 24 29 之間 潛 熱值為 138 1 J g 并有一定的過冷度 梁辰等 5 研究 了定形相變石蠟 其相變溫度在 26 28 之間 相變 潛熱約為 100 J g 張文杰等 6 通 過 添 加 Na2HPO4 12H2O KCl 和樹脂對(duì) Na2SO4 10H2O 進(jìn)行改 性 得到熔解溫度和凝固溫度分別為 22 61 11 8 過冷度為 1 41 潛熱值為 143 6 J g 的復(fù)合定形相變 材料 但經(jīng)過 100 次循環(huán)后其潛熱值降為 127 8J g 王 宏麗等 7 研究了硬脂酸正丁酯 聚苯乙烯定形材料 其 熔解溫度和凝固溫度分別為 16 8 20 6 潛熱值分 別為 72 3 72 9 J g 在封裝方式方面 相關(guān)研究主要 采用了以下 4 種方式 將相變材料涂抹在溫室北墻 制成相變蓄熱墻板 8 9 將相變材料浸入或混合到建 筑材料中 制成相變儲(chǔ)熱砂漿 10 12 將相變材料直 接制成砌塊或密封相變材料后裝置在空心砌塊中制成 相變蓄熱砌塊 13 14 利用鋁箔袋 塑料袋 塑料瓶 等封裝相變材料 懸掛或放置在溫室內(nèi) 15 18 前人研究為相變材料在日光溫室的應(yīng)用提供了很 好的基礎(chǔ) 也取得了相應(yīng)的效果 但總體而言 在相 變材料篩選方面 還存在諸如熔解溫度偏高 不匹配 日光溫室溫度特征 相變 潛熱較低 儲(chǔ)放熱能力不足 以及有過冷或長時(shí)間使用熱性能不穩(wěn)定等問題 在封 裝方式方面 相變板材 砂漿及砌塊存在墻體深處的 相變材料難以發(fā)生相變 因相變材料泄露或稀釋而導(dǎo) 致儲(chǔ)能密度降低 減弱溫室后墻承重能力的問題 19 其他現(xiàn)有封裝 方式 則 大多 存在 施工工藝較為復(fù)雜 成本較高等問題 因 此 不論是 相變材料 還是 封裝 相 變材料的方式 都還 需要 進(jìn)一步優(yōu)化 本文嘗試篩選 出 2 種相變溫度不同的相變材料 采用構(gòu)造及 施工 簡 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2021 12 22 13 27 20 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 單的管材封裝 方式 構(gòu)建分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 通過 裝備 化的設(shè)計(jì) 意在為新 舊溫室提供簡易 有效 低碳 經(jīng)濟(jì)的熱環(huán)境調(diào)控技術(shù) 緩解日光溫室夜間低 溫的問題 改善日光溫室冬季的生產(chǎn)環(huán)境 1 材料與方法 1 1 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 1 1 1 相變材料 應(yīng)用于日光溫室加溫的相變材料需同時(shí)滿足以下 原則 相變溫度 相變材料的相變溫度要與溫室溫 度環(huán)境特征相匹配 而且相變材料發(fā)生相變時(shí)應(yīng)與溫 室氣溫有一定溫差 若將溫室夜間溫度維持在 10 15 并設(shè)維持相變材料必要儲(chǔ)放熱強(qiáng)度的最小 溫差為 5 則可初步估計(jì)相變材料的相變溫度為 15 20 相變潛熱 相變過程中 材料吸熱與放 熱過程穩(wěn)定 最好只有一個(gè)吸熱和放熱階段 相變潛 熱以達(dá)到 150 kJ kg以上為優(yōu) 相變材料的化學(xué)物理 特性穩(wěn)定 相變溫度和相變潛熱不隨時(shí)間的變化而變 化 經(jīng)濟(jì)性 日光溫室作為低能耗 低成本的農(nóng)業(yè) 建筑 選用的相變材料價(jià)格不應(yīng)太高 否則難以應(yīng)用 推廣 安全性 考慮食品安全和工作人員的安全 相變材料需無毒無害無刺激性氣味 基于以上原則 又考慮到無調(diào)控條件下 傍晚保溫被覆蓋后至次日 保 溫被揭開 溫室內(nèi)溫度 下降幅度 會(huì) 很大 而單 一 相變 材料 不利于 穩(wěn)定夜間溫度環(huán)境 故系統(tǒng)擬選用 2 種相 變溫度不同的材料進(jìn)行分級(jí)放熱 即高溫相變材料優(yōu) 先放熱 減緩夜間前期溫度下降的趨勢 低溫相變材 料后期放熱 改善溫室后半夜溫度環(huán)境 使得溫室整 個(gè)夜間溫度相對(duì)平穩(wěn) 經(jīng)反復(fù)篩選 本研究最終選擇 十二醇和蠟油 蠟油為多種甲酯混合物 這 2 種相變 材料作為試驗(yàn)對(duì)象 為進(jìn)一步確認(rèn)所選用相變材料的熱性能 利用 DSC TG 測試平臺(tái) 美國 TA 公司 溫度準(zhǔn)確度 0 1 加熱速率 0 01 200 min 對(duì) 2種相變材料的相變溫 度和相變 潛熱進(jìn)行測試 其測試參數(shù)設(shè)置 測溫范圍 為 0 40 升降溫速率為 1 min 氮?dú)鈿夥?采用 Origin 2018 軟件繪制樣品的 DSC 曲線 結(jié)果如圖 1所 示 熱流密度為正值時(shí) 相變材料處于放熱過程 反 之處于吸熱過程 由圖 1a 可知 十二醇熔化時(shí)的起始 溫度與峰值溫度分別為 22 2 23 1 凝固時(shí)的起始 溫度與峰值溫度分別為 21 2 20 3 十二醇熔化與 凝固過程中的相變潛熱分別為 190 9 和 166 9 J g 同 樣 由圖 1b可知 相變材料蠟油熔化時(shí)的起始溫度與 峰值溫度分別為 15 4 17 7 凝固時(shí)的起始溫度與 峰值溫度分別為在 11 0 10 5 蠟油熔化與凝固過 程中的相變潛熱分別為 165 4J g 和 168 1J g 滿足前述 分級(jí)放熱的設(shè)計(jì)需求 a 十二醇 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2 1 0 1 2 熱流 W g 1 溫度 b 蠟油 圖 1 相變材料的 DSC 曲線 Fig 1 DSC test curve of phase change materials 1 1 2 相變材料封裝管材 所選 2種相變材料均為固 液相變材料 為防止相 變材料的泄露和揮發(fā) 需選用適宜的封裝方式 所謂 適宜 一是要確保相變材料封裝后能夠形成裝備 便 于安裝 二是能匹配于日光溫室北墻面的形狀 滿足 滿布?jí)γ婕矮@得 最多太陽輻射 的安裝需求 三是在 保 證 充分相變 的條件下 保證足夠的相變材料用量 基于 這樣的理念 該研究設(shè)計(jì)了管材封裝的方式 形成排 管式分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 目前市場上常用且經(jīng)濟(jì)性 較好的管材有 PVC 管材和 PE 管材 在同一管徑和同 等長度下 PVC 管具有管壁薄 容量大 傳熱較快 易粘結(jié) 價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn) 而 PE 管則具有穩(wěn)定性好 強(qiáng)度 高 耐低溫 使用壽命長等優(yōu) 點(diǎn) 為了考察這兩種封 裝管材的應(yīng)用效果 這里同時(shí)選擇 PVC 管和 PE 管 2 種管材組合進(jìn)行試驗(yàn) 1 1 3 相變材料用量 白天 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)吸收并儲(chǔ)存直接照射 于墻面的太陽輻射熱能和通過對(duì)流作用從周圍高溫空 氣獲得的熱能 夜間通過自然對(duì)流及輻射作用將熱量 釋放到溫室內(nèi) 馬承偉等 20 采用理論解析和日光溫室 熱環(huán)境模型與計(jì)算軟件等方法 分析評(píng)估了白天日光 溫室內(nèi)太陽富余熱能 夜間日光溫室熱量補(bǔ)充以及短 期儲(chǔ)存裝備蓄熱介質(zhì)的大概用量 借鑒此方法 以占 地面積為 200 m2的試驗(yàn)日光溫室為例 以夜間室內(nèi)氣 溫提升 2 3 為目 標(biāo) 并兼顧考慮 2 3個(gè)連陰天的蓄 熱需求 對(duì) 溫室 夜間所需加熱量進(jìn)行分析 1 夜間不同時(shí)刻試驗(yàn)日光溫室所需補(bǔ)充熱量 aQ a a i1 dd1000Q R t 1 式中 aR 加溫效應(yīng)系數(shù) 一般 aR 取 2 3 8 W m2 it 室內(nèi)氣溫 時(shí)間 s 每提高 1 單位室內(nèi)地面面積夜間室內(nèi)所需熱 量 aQ 為 60 100kJ m2 d 2 夜間所需加溫?zé)崃?aQ a a f11000Q Q A 2 式中 fA 試驗(yàn)日光溫室占地面積 m2 要提高夜間室內(nèi)溫度 2 3 占地面積為 200 m2 的溫室需要補(bǔ)充熱量 24 60 MJ 3 相變材料質(zhì)量 m aa p 1000KQm u 3 式中 pu 相變材料的潛熱 kJ kg 此時(shí)取 2個(gè)相 變材料潛熱值的平均值 aK 滿足連陰 2 3 天室內(nèi) 補(bǔ)溫需求時(shí)的加溫?zé)崃吭龃笙禂?shù) 取 aK 2 5 由此 根據(jù)試驗(yàn)溫室的大小 可估算出相變材料 的用量為 337 842 kg 這里取 830 kg 1 1 4 系統(tǒng)構(gòu)建 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)是由 2 種相變材料 十二醇 和蠟油 和 2種封裝管材 PVC 管 PE管 組裝而成 為提升系統(tǒng)儲(chǔ)放熱的均勻性 2 種相變材料獨(dú)立封裝 間隔排列 裝置共 19 組管架 每組 20 根 PE 管 280 根 140根盛放相變材料十二醇 140 根盛放相變材料 蠟油 PVC 管 100 根 50 根盛放相變材料十二醇 50 根相變材料蠟油 十 二醇總用量約 400 kg 蠟油總 用量約 430 kg 管架與后墻及相鄰管壁之間 為減少 不必要的傳熱 通過隔熱材料進(jìn)行了隔熱處理 PE 管 下端熱熔封堵 上端堵頭扣緊 PVC 管下端膠連 上 端堵頭扣緊 溫室裝置如圖 2 所示 1 管頭 2 相變材料管 3 十二醇 4 蠟油 5 保溫隔熱層 6 固定架 7 溫室北墻 保溫 1 2 3 4 6 5 7 6 圖 2 系統(tǒng)示意圖 Fig 2 System diagram 1 1 5 系統(tǒng)工作原理 相變材料儲(chǔ)熱和放熱過程是發(fā)生顯熱和潛熱轉(zhuǎn)化 的復(fù)雜過程 未達(dá)到相變溫度之前 2種固態(tài)形式的相 變材料持續(xù)吸熱 溫度升高 發(fā)生顯熱蓄熱過程 而 后蠟油先達(dá)到相變溫度 開始由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài) 直 到蠟油全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài) 潛熱蓄熱過程完成 之后 當(dāng)環(huán)境溫度高于蠟油潛熱吸熱終止溫度時(shí) 蠟油繼續(xù) 吸收熱量 又發(fā)生顯熱蓄熱過程 在此期間 后達(dá)到 相變溫度的十二醇同蠟油蓄熱過程一樣 與蓄熱過程 相反 十二醇較蠟油提前潛熱放熱 2種不同相變溫度 材料的組合使用 可在 一 定程度上實(shí)現(xiàn) 分級(jí)吸熱 分級(jí)放熱 改善 溫室午間高溫 夜間低溫現(xiàn)象的目 的 1 2 試驗(yàn)方案 1 2 1 溫室概況 溫室位于北京市通州區(qū)中農(nóng)富通科技園 39 9 N 116 8 E 溫室為東西走向 長 50 m 跨度 8 m 脊高 3 8 m 后墻 2 6 m 方位角為南偏東 26 溫室北墻 后屋面及東西兩側(cè)山墻均采用保溫性能強(qiáng)的聚苯板進(jìn) 行裝配 內(nèi)外兩側(cè)表面 涂抹一層防裂砂漿 前屋面采 用厚 0 1 mm 的聚乙烯塑料薄膜作為覆蓋材料 為研究 分級(jí)相變儲(chǔ)放 熱系統(tǒng)在日光溫室內(nèi)的加溫效果 沿長 度方向?qū)厥抑醒胗?PC 板等分成西側(cè)和東側(cè)兩個(gè)區(qū) 域 西側(cè)溫室后墻內(nèi)表面裝有 分級(jí) 相變 儲(chǔ)放熱 系統(tǒng) 作為試驗(yàn)溫室 東側(cè)溫室后墻 不作處理 作為對(duì)照溫 室 08 00左右開啟溫室保溫被 16 30 17 00 關(guān)閉保 溫被 試驗(yàn)溫室 與對(duì)照溫室通風(fēng)及種植管理一致 種 植作物為番茄 土壤栽培 1 2 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)測定內(nèi)容與現(xiàn)場布置情況如圖 3 所示 氣 溫 包括室外氣溫 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室室內(nèi)氣溫 室內(nèi)溫度測點(diǎn)布置在試驗(yàn) 對(duì)照 溫室長度的三等分 點(diǎn) 跨度的 3 m和 6 m處 高度分別為 距 離 地面 0 7 m 和 1 5 m位置處 試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室各 8個(gè)測點(diǎn) 室內(nèi)土壤溫度 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室土壤溫度均布置 在各 溫室中央 分別距地面 0 1 m和 0 15 m深度 處 所用測試儀器設(shè)備 溫度傳感器采用的是 T 型熱電偶 南浦儀表廠 上海 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)選用的是 34972A 數(shù)據(jù)采集儀 20 通道 34901A 數(shù)據(jù)采集板 是 徳科技有限公司 美國 數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔設(shè)置為 5min 測試時(shí)間為 2018年 12月至 2019年 2月 0 1 0 1 5 相變系統(tǒng) 防裂砂漿 聚苯板 防裂砂漿 0 71 5 3 6 空氣溫度測點(diǎn) 土壤溫度測點(diǎn) a 溫室剖面圖 單位 m 25 50 8 相變 儲(chǔ)熱 系統(tǒng) 試 驗(yàn) 溫 室 對(duì) 照 溫 室 b 溫室俯視圖 單位 m 8 5 8 8 5 圖 3 溫室測點(diǎn)分布圖 Fig 3 Greenhouse measuring point distribution map 2 結(jié)果與分析 2 1 溫室內(nèi)外氣溫變化 2 1 1 試驗(yàn)期間內(nèi) 溫室 夜間 氣溫 變化 為了分析分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)對(duì)溫室溫度環(huán)境的 影響 圖 4 給出了 2019 01 25 至 2019 02 24 試驗(yàn)期間 內(nèi)日光溫室夜間 17 00 至次日 08 00 平均室內(nèi)氣溫 和最低氣溫 試驗(yàn)周期內(nèi) 試驗(yàn)溫室夜間平均室內(nèi)氣 溫和最低氣溫均高于對(duì)照溫室 其中 2月 5日 6日 連續(xù)兩天是霧霾天 2 月 12 日 14 日為小雪轉(zhuǎn)陰 2 月 6 日 12日 14日試驗(yàn)溫室夜間平均室內(nèi)氣溫比對(duì) 照溫室分別高 0 9 0 9 0 8 最低氣溫也分別提高 1 0 1 5 0 8 說明分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)對(duì)短期不 利天氣下 的溫室熱環(huán)境有改善作用 具有較好的儲(chǔ)熱 性能 2 月 14 日 為防止保溫被上的積雪難以清理以 及增大日光溫室前屋面骨架上的負(fù)載 白天 管理人 員正常打開保溫被 雪與日光溫室薄膜直接接觸變成 水或者結(jié)冰 且室內(nèi)太陽輻射被大大削減 所以 日 光溫室在幾乎無外來熱源的情況下還被帶走大量熱量 試驗(yàn)溫室夜間平均室內(nèi)氣溫降低到 2 8 但還是比對(duì) 照溫室高 0 8 說明該系統(tǒng)具有良好的放熱性能 試 驗(yàn)溫室夜間平均氣溫最低為 7 8 最低氣溫最低為 5 4 比對(duì)照溫室分別提高了 1 2 0 5 試驗(yàn)溫室 的夜間平均室內(nèi)氣溫平均為 11 0 試驗(yàn)溫室的最低 氣溫平均為 8 8 比對(duì)照溫室平均提高 1 0 1 2 試驗(yàn)溫室夜間平均氣溫和最低氣溫的提高 有利于作 物的生長發(fā)育 01 25 01 31 02 06 02 12 02 18 02 24 0 0 4 0 8 0 12 0 16 0 溫度 日期 試驗(yàn)溫室 對(duì)照溫室 a 夜間平均氣溫 0 1 2 4 0 1 3 0 0 2 0 5 0 2 1 1 0 2 1 8 0 2 2 4 4 0 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 b 夜間最低氣溫 溫度 時(shí)間 試驗(yàn)溫室 對(duì)照溫室 圖 4 溫室內(nèi)氣溫變化 Fig 4 Change of temperature inside of greenhouse 2 1 2 典型晴天天氣下溫室內(nèi)外氣溫變化 圖 5給出了 2019年 2 月 7日 08 00 至 10日 08 00 連續(xù)三天的室內(nèi)外氣溫 其中 2月 7日和 8 日為晴天 天氣 2 月 9 日為多云天氣 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 溫度 時(shí)間 試驗(yàn)溫室氣溫 對(duì)照溫室氣溫 室外環(huán)境溫度 十二醇 相變溫度 蠟油 相變溫度 圖 5 晴天天氣下溫室內(nèi)外氣溫 Fig 5 Temperature inside and outside greenhouse on sunny day 晴天以 2 月 8 日為例 08 00 剛打開保溫被時(shí) 2 個(gè)溫室的室內(nèi)氣溫較低 在 10 以下 低于 2種相變 材料的凝固溫度 而此時(shí) 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫 比對(duì)照 溫室高 1 5 可見 2種相變材料正在進(jìn)行放熱 08 00 10 00期間 室內(nèi)空氣溫度隨著太陽輻射增強(qiáng)和室外 溫度的增加而升高 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)也開始由放 熱過程轉(zhuǎn)變成集熱過程 為確保作物正常生產(chǎn) 溫室 通常會(huì)在 11 00 14 00期間進(jìn)行適當(dāng)通風(fēng) 抑制高溫 但在此期間 試驗(yàn)溫室氣溫一直低于對(duì)照溫室 體感 明顯 說明系統(tǒng)在室內(nèi)高溫時(shí)期蓄熱降溫效果顯著 14 00左右 試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室出現(xiàn)最大差值為 5 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)抑制高溫效果明顯 16 30 關(guān)閉保 溫被 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫為 14 9 比十二醇的凝 固溫度低 5 左右 比蠟油的凝固溫度高 5 左右 故此時(shí)十二醇處于潛熱 放熱狀態(tài) 蠟油處于顯熱放熱 狀態(tài) 開始延緩試驗(yàn)溫室內(nèi)氣溫下降的趨勢 18 00至 次日 08 00 由于儲(chǔ)放熱系統(tǒng)的持續(xù)放熱作用 試驗(yàn)溫 室與對(duì)照溫室相比 室內(nèi)氣溫最高提高 1 7 平均提 高 1 3 而 室內(nèi)最低氣溫 提升 1 5 能夠 保持在 7 9 以上 總體而言 08 00 至次日 08 00 試驗(yàn)溫室 和對(duì)照溫室的室內(nèi)空氣溫度范圍分別在 7 9 33 6 4 36 之間 試驗(yàn)溫室室內(nèi)氣溫的最大溫差比對(duì)照 溫室低 4 6 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)縮小室內(nèi)峰谷溫差 效果顯著 2 1 3 連續(xù)多云 狀況下溫室內(nèi)外氣溫 變化 圖 6 顯示了 2019 年 1 月 29 日 08 00 到 2 月 1 日 08 00 連續(xù)三天多云狀況下的室內(nèi)外氣溫 其中 30 日 的云量最多 圖 6 多云天氣下溫室內(nèi)外氣溫 Fig 6 Temperatures inside and outside greenhouse on cloudy day 以 30日為例 08 00 10 30 期間 試驗(yàn)溫室的室 內(nèi)氣溫從比對(duì)照溫室高 0 2 1 3 10 30 17 00期間 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫均低于對(duì)照溫室 二者溫差最高 為 3 4 平均為 0 8 17 00至次日 08 00 期間 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫比對(duì)照溫室高 0 2 1 7 平均高 1 2 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)最低氣溫為 8 3 比對(duì)照溫 室的最低溫度高 1 7 表明只依靠太陽熱源的分級(jí)相 變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)的加溫效果較好 08 00至次日 08 00期 間 試驗(yàn)溫室室內(nèi)氣溫的最大溫差為 22 8 比 對(duì)照 溫室低 4 9 再次表明了分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)能夠起 到 午間降溫 夜間升溫 的效果 2 2 不同工況下溫室內(nèi)外氣溫變化 2 2 1 連續(xù)未蓋保溫被時(shí)溫室內(nèi)外氣溫變化 圖 7顯示了 2019年 2月 13日 08 00到 16日 08 00 連續(xù)三天的室內(nèi)外氣溫 其中 13 日和 15日為晴天天 氣 14 日為陰雪天氣 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 溫度 時(shí)間 試驗(yàn)溫室氣溫 對(duì)照溫室氣溫 室外環(huán)境溫度 十二醇相變溫度 蠟油相變溫度 圖 7 連續(xù)未蓋保溫被時(shí)的溫室內(nèi)外氣溫 Fig 7 Temperature inside and outside the greenhouse on snowy day 由圖 7知 2 月 13 日與典型晴天 2月 8 日 18 30 至次日 08 00 的氣溫變化規(guī)律大致相同 試驗(yàn)溫室夜 間室內(nèi)氣溫全程比對(duì)照溫室高 最高達(dá) 1 7 試驗(yàn)溫 室的最低氣溫為 10 3 比對(duì)照溫室的最低溫度高 1 5 2 月 14 日由于保溫被被雪水凍結(jié) 夜間未能正 常關(guān)閉保溫被 致使該日保溫被整 夜 處于打開狀態(tài) 因此 14 日 08 00至 15日 08 00 溫室內(nèi)氣溫較低 甚 至出現(xiàn)零下狀態(tài) 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室的最低溫度分 別降為 1 2 1 9 其中 對(duì)照溫室在 1 的時(shí)間 持續(xù)較長 達(dá) 3 6 h 溫室內(nèi)作物發(fā)生嚴(yán)重凍害 最終 導(dǎo)致該季種植提前結(jié)束 而試驗(yàn)溫室由于分級(jí)相變儲(chǔ) 放熱系統(tǒng)和土壤的加溫作用 氣溫全程比對(duì)照溫室高 0 1 1 6 且室內(nèi)氣溫在 1 的時(shí)長僅為對(duì)照溫室 1 4 左右 作物凍害較輕 生產(chǎn)幾乎未受影響 此外 2 月 13日 20 00 的室內(nèi)溫度為 13 1 十二醇處于潛熱 放熱狀態(tài) 2 月 14 日 20 00 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫為 6 0 蠟油處于潛熱放熱狀態(tài) 由此說明系統(tǒng)的分級(jí) 放熱作用對(duì)抵御陰雪天的不利影響起到了明顯的效果 2 2 2 保溫被連續(xù)關(guān)閉條件下溫室內(nèi)外氣溫變化 圖 8 給出了 2019 年 2 月 1 日 08 00 到 4 日 08 00 連續(xù)三天的室內(nèi)外氣溫 其中 2月 1日和 2 月 3 日為 晴轉(zhuǎn)多云 2 月 2 日為陰天 從 2月 1日 17 00 到 2 月 3 日 08 00 期間 保溫被連續(xù)處于關(guān)閉狀態(tài) 溫室無太 陽輻射 圖 8 連續(xù)未揭保溫被時(shí)的溫室內(nèi)外氣溫 Fig 8 Temperature inside and outside greenhouse when insulation was not opened 2 月 1日 17 00 關(guān)閉保溫被時(shí) 試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫 室的室內(nèi)氣溫大致相等 但后期對(duì)照溫室溫度下降較 快 致使到 2 月 3 日 08 00 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫仍比 對(duì)照溫室高 1 2 在此期間 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫全 程高于對(duì)照溫室 0 1 1 9 試驗(yàn)溫室的最低室內(nèi)氣溫 為 8 7 比對(duì)照溫室高 1 0 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 持續(xù)放熱長達(dá) 39 h 表明在無外來熱源的情況下 系 統(tǒng)依靠前一天蓄積的熱量能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)放熱 抑制連 陰天的影響 2 3 不同天氣下溫室地溫變化 土壤溫度對(duì)作物的生長發(fā)育起決定性作用 所以 土壤溫度也是評(píng)價(jià)溫室熱環(huán)境的重要指標(biāo) 圖 9 顯示 了 2018 年 12 月 31 日 典型多云 和 2019 年 1 月 1 日 典型晴天 2 個(gè)溫室在 10cm 和 15cm 深度處的土 壤溫度 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 溫度 時(shí)間 試驗(yàn)溫室 10 cm 對(duì)照溫室 10cm 試驗(yàn)溫室 15 cm 對(duì)照溫室 15cm 圖 9 不同天氣下兩個(gè)溫室不同深度處的地溫變化 Fig 9 Change of soil temperature under different depth in two solar greenhouse under different weather conditions 晴天天氣下 2018 12 31 08 00 至次日 08 00 試 驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室 10 cm 深度處的土壤溫度在 09 30 前后分別達(dá)到最小值 12 8和 12 0 在 16 00 前后分 別達(dá)到最大值 15 6和 14 9 最大值和最小值都比對(duì) 照溫 室提高 0 8 由于系統(tǒng)良好的蓄放熱能力 試驗(yàn) 溫室 10 cm深度處夜間 15 00 至次日 08 00 土壤溫 度比對(duì)照溫室提高 0 4 0 9 平均提高 0 6 同樣 試驗(yàn)溫室 15 cm 深度處的夜間土壤溫度比對(duì)照溫室提 高 0 3 1 0 平均提高 0 6 多云天氣下 試驗(yàn)溫 室 10 15 cm 深度處的夜間土壤溫度比對(duì)照溫室提高 0 5 1 0 0 5 0 9 平均提高 0 8 0 7 2 個(gè)溫室在 10和 15 cm處的土壤溫度隨時(shí)間增加 呈周期性變化 且隨深度的增加溫度變化波動(dòng)減小 晴天時(shí) 試驗(yàn)溫室在 09 00 左右達(dá)到最小值 在 17 00 左右達(dá)到最大值 對(duì)照溫室在延遲 1 2 h后達(dá)到最小 大值 多云與晴天情況下的規(guī)律變化相似 但會(huì)提前 一些達(dá)到最小 大值 受分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)的影響 試驗(yàn)溫室不同深度的土壤溫度全天均高于對(duì)照溫室相 應(yīng)深度的土壤溫度 為作物的根系生長提供了重要的 溫度環(huán)境 2 4 墻面和地表溫度 圖 10為 12月 8日早上 07 00試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)墻體 的紅外熱成像圖 從圖中看出 對(duì)照溫室墻面溫度與 作物葉面溫度相差無幾 但試驗(yàn)溫室墻面溫度明顯高 于作物葉面溫度 溫差達(dá) 3 4 表明分級(jí)相變儲(chǔ)放 熱系統(tǒng)內(nèi)部儲(chǔ)存大量熱量 并且直到早晨 07 00 仍在持 續(xù)放熱 a 試驗(yàn)溫室 b 對(duì)照溫室 圖 10 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室墻體紅外熱成像圖 Fig 10 Infrared thermal imaging of walls of experimental greenhouse and controlled greenhouse 圖 11為 12月 8日早上 07 00試驗(yàn)區(qū)與對(duì)照區(qū)栽培 行間地表的紅外熱成像圖 從圖中看出 試驗(yàn)區(qū)地表 溫約高于對(duì)照區(qū)地表溫度 1 地溫的高低也反映了 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)對(duì)溫室熱環(huán)境的影響 a 試驗(yàn)溫室 b 對(duì)照溫室圖 圖 11 試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室地表紅外成像圖 Fig 11 Infrared image of soil surface of experimental greenhouse and controlled greenhouse 3 討論與結(jié)論 3 1 討 論 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)雖在日光溫室中表現(xiàn)出了良 好的加溫效果 但與理論增溫效果有一定的偏差 分 析其原因主要有三點(diǎn) 一是溫室保溫被的保溫效果差 溫室建成之后保溫被未曾更換 有破損和遮蓋不嚴(yán)的 地方 且冬季保溫被結(jié)霜嚴(yán)重 導(dǎo)致溫室前屋面熱量 損失較大 二是試驗(yàn)溫室區(qū)域靠近工作間和出入口 且試驗(yàn)溫室與對(duì)照溫室之間的隔門密閉性較差 白天 頻繁觀光采摘活動(dòng)及工作人員的進(jìn)出對(duì)溫室熱環(huán)境產(chǎn) 生較大影響 夜間 試驗(yàn)溫室溫度高 部分熱量會(huì)向 溫度低的工作間和對(duì)照溫室傳遞 因此 若能提前采 取更好的保溫措施 系統(tǒng)對(duì)溫室的增溫效果會(huì)更加理 想 三是相變材料的用量偏少 限制了系統(tǒng)的集熱能 力 在晴天和多云狀況下 試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室的升 溫速率幾乎一致 說明目前系統(tǒng)的集熱能力有待提升 后續(xù)可通過優(yōu)化相變材料的用量進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的蓄 熱能力 3 2 結(jié) 論 1 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)的加溫效果明顯 試驗(yàn)周 期 內(nèi) 2019 01 25 至 2019 02 24 試驗(yàn)溫室夜間平均 室內(nèi)氣溫 夜間最低氣溫分別比對(duì)照溫室平均 提高 1 0 1 2 晴天天氣下 試驗(yàn)溫室的夜間室內(nèi)氣溫比對(duì)照 溫室最高達(dá) 1 7 平均達(dá) 1 3 多云天氣下 試驗(yàn) 溫室的 夜間 室內(nèi)氣溫比對(duì)照溫室高 0 2 1 7 平均高 1 2 此外 晴天和多云天氣下 試驗(yàn)溫室在 10 和 15 cm處的夜間土壤溫度比對(duì)照溫室的平均高 0 7 左 右 2 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng)對(duì)抵御不良天氣影響有良 好的效果 連續(xù)未蓋保溫被且處于陰雪天氣的情況下 試驗(yàn)溫室的室內(nèi)氣溫全天比對(duì)照溫室高 0 1 1 6 對(duì) 照溫室在 1 的時(shí)長為 3 6 h 試驗(yàn)溫室僅為對(duì)照溫室 的 1 4 左右 在連續(xù)未揭保溫被的情況下 試驗(yàn)溫室的 室內(nèi)氣溫比對(duì)照溫室高 0 1 1 9 系統(tǒng)持續(xù)放熱長達(dá) 39 h 這 2種特殊情況都說明系統(tǒng)的蓄熱和放熱效果良 好 3 分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 明顯縮小試驗(yàn)溫室內(nèi)晝夜 溫差 晴天天氣下 試驗(yàn)溫室和對(duì)照溫室的室內(nèi)空氣 溫度范圍分別在 7 9 33 6 4 36 之間 試驗(yàn)溫室 室內(nèi)氣溫的最大溫差比對(duì)照溫室分別低 4 6 多云天 氣下 試驗(yàn)溫室室內(nèi)氣溫的最大溫差為 22 8 比 對(duì) 照溫室低 4 9 系統(tǒng)能夠?qū)⑻栞椛溆行Т鎯?chǔ)利用 即抑制白天高溫 改善夜間低溫 實(shí)現(xiàn)了 削峰填谷 的效果 綜上所述 該研究所開發(fā)的分級(jí)相變儲(chǔ)放熱系統(tǒng) 作為一次性投入的被動(dòng)式蓄放熱系統(tǒng) 在利用太陽能 進(jìn)行改善溫室夜間低溫環(huán)境 抵御極端天氣影響 減 小晝夜溫度波動(dòng)幅度等方面取得了較好的效果 且系 統(tǒng)具有易于安裝與拆卸 無需調(diào)控 節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn) 是一種具有應(yīng)用推廣前景的溫室節(jié)能調(diào)控方式 但初 步開發(fā)的系統(tǒng)在集熱能力方面還有繼續(xù)提升的空間 因此后續(xù)擬在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上 優(yōu)化材料用量與封 裝方式 探索分級(jí)集放熱的協(xié)同作用機(jī)理 觀測系統(tǒng) 材料的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的使用壽命 為將來的技術(shù)推廣 應(yīng)用提供理論依據(jù) 參考文獻(xiàn) 1 李明 宋衛(wèi)堂 趙淑梅 等 設(shè)施園藝太陽能利用技術(shù) 研究進(jìn)展 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2017 37 22 16 25 LI M SONG W T Zhao S M et al Advances in the use of facility horticultural solar energy J Agricultural engineering technology 2017 37 22 16 25 2 鮑恩財(cái) 曹晏飛 鄒志榮 等 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù) 研究進(jìn)展 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2018 34 6 1 14 BAO E C CAO Y F ZHOU Z R et al Research progress of storage technology in energy saving solar greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 6 1 14 3 張滴滴 王平智 程杰宇 等 溫室相變儲(chǔ)熱技術(shù)研究 進(jìn)展 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2019 39 22 42 47 ZhANG D D WANG P Z CHENG J Y et al Advances in the research of phase change heat storage technology in greenhouses J Agricultural engineering technology 2019 39 22 42 47 4 郭靖 外掛型相變材料日光溫室的蓄熱效果研究 D 楊 凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 2011 GUO J Study on performance of heat preservation of the greenhouse in which phase change materials heat was hanged on inner surface of back wall D Yangling Northwest A phase change materials heat storage temperature