無機水合鹽相變儲能材料在溫室大棚中的應用方式研究進展

鄢冬茂++蔡文蓉

摘要 相變儲能技術應用于溫室大棚，在溫室節能和優化作物生長環境等方面可發揮重要的作用。本文綜述了相變材料在溫室大棚中的應用方式，重點對基于無機水合鹽相變儲能材料的相變墻體和相變蓄熱裝置2種應用方式進行了評述。指出未來的研究重點是優化相變蓄熱裝置效率以及開發更高效的應用形式。

關鍵詞 無機水合鹽相變材料；溫室大棚；潛熱

中圖分類號 TB34 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）07-0187-02

Progress on Inorganic Salt Hydrate as Phase Change Material and Its Application in Greenhouses

YAN Dong-mao 1，2 CAI Wen-rong 1

（1 Shenyang Research Institute of Chemical Industry，Shenyang Liaoning 110021； 2 State Key Laboratory of Fine Chemicals，

Dalian University of Technology）

Abstract The application of phase change energy storage technology in greenhouse can play an important role in greenhouse energy conservation and optimization of crop growth environment.The applications of inorganic salt hydrate phase change materials in greenhouses were reviewed. In addition， two application modes of phase change wall and phase change thermal storage device were evaluated. This paper pointed out that the current essential problems in its application were the design of phase change thermal storage device and development of more efficient forms of application.

Key words inorganic salt hydrate phase change material；greenhouse；latent heat

溫室大棚可將溫度和濕度控制在適宜農作物生長的范圍內，用于反季節種植栽培農產品，使農業生產擺脫自然氣候的制約，提高農業生產率。為適應嚴冬的夜晚和酷暑的白天等氣候條件，溫室大棚內往往配備升溫和降溫系統，存在高能耗和高運行成本等問題，成為影響設施農業生產效益的瓶頸問題。

相變材料在發生相變時能吸收或釋放大量的熱，與顯熱儲能和化學反應儲能材料相比，具有儲放熱過程近似等溫、儲能密度大、易于控制等優點，可解決熱能供需在時間和空間上的分配矛盾問題，廣泛用于提高太陽能、工業余熱和谷電等能源的利用率。相變材料用于溫室大棚，不僅能夠節約常規能源，減少環境污染，而且可提高溫室蓄熱和保溫性能，增加室內溫度的自調節功能，有利于優化作物生長環境，提高經濟效益，對促進我國現代農業的發展具有重要意義。

從20世紀80年代開始，國內外研究用于農業溫室中的相變材料主要有無機水合鹽類、石蠟類、聚乙二醇（PEG）、有機酸類等[1]。其中，無機水合鹽的相變溫度為8～117 ℃，相變焓值為100～400 kJ/kg，具有相變溫度可調、儲熱密度大、導熱系數大、毒性小和價格便宜等優點，是應用于溫室大棚的優選相變材料。在此基礎上，進行相變儲熱系統的設計和應用研究，對充分發揮材料性能優勢和溫室熱環境的優化非常重要。國外巴斯夫等公司在相變儲能溫室建筑環境工程設計研究方面起步較早，技術逐漸成熟。國內研究則處于剛起步階段，主要發展了相變墻體和相變蓄熱裝置2種應用方式。本文重點綜述了近年來國內外相變材料在溫室大棚中的應用形式及存在的問題，并展望了未來發展方向和應用前景。

1 相變墻體

溫室北墻的作用是保溫蓄熱，將相變材料用于北墻構成相變墻體，形成相變墻體蓄熱系統，可以減少墻體厚度，提高土地利用率。相變材料在溫室北墻的應用方式主要有以下幾種：①將相變儲能材料浸入到多孔的混凝土中，制成相變混凝土；②將相變蓄能墻體材料涂抹于溫室大棚北墻內表面；③將相變材料制成相變砌塊，建筑相變保溫墻體。

王 蕊等[2]采用?；⒅橄嘧儽厣皾{和?；⒅楸厣皾{作為蓄熱層和保溫隔熱層，與木工板相結合構成溫室的復合圍護墻板，可大幅減小墻體厚度，可滿足冬暖型溫室大棚對室內溫度的要求。楊小龍等[3]制備了十二水磷酸氫二鈉相變蓄熱墻板，建造了后墻結構為“80 mm相變蓄熱板+40 mm×60 mm×2.5 mm方鋼+80 mm菱鎂聚苯保溫板”日光溫室。結果表明：典型晴天時，相變蓄熱板溫室的氣溫波動幅度比對照小4.2 ℃，典型陰天時，相變蓄熱板溫室的平均氣溫比對照高1.6 ℃。相變蓄熱板墻體造價比對照低22元/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%。陳 超等[4]將研制的新型復合相變蓄能墻體材料應用于溫室大棚北墻內表面，構成相變溫室大棚。較普通溫室大棚，相變溫室大棚白天棚內最高空氣溫度約低2 ℃，夜間棚內空氣溫度可高出6 ℃，大大減小了棚內空氣溫度波動。

在此溫室的基礎上，凌浩恕等[5]提出一種帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體構筑體系。多曲面槽式空氣集熱器吸收太陽能，利用熱風加熱的方式將熱能引入到墻體內部。通過主動與被動相結合的蓄熱方式，提高日光溫室后墻體的太陽能熱利用率以及厚重墻體內部層溫度和蓄熱能力。此溫室的蓄熱能力為普通建筑材料的15.5倍。張 勇等[6]利用聚乙烯塑料薄膜將研制的復合相變材料封裝后，添加到空心砌塊中制備了相變砌塊。將相變砌塊應用到溫室北墻上，室內溫度白天可降低5.7 ℃，夜晚可提高5.8 ℃。馬江偉[7]將六水氯化鈣/陶粒定形相變材料與傳統的混凝土建筑材料按照一定的比例混合，制備無機相變砌塊，適合應用于日光溫室中。

將相變材料直接應用于相變墻體中存在以下幾個問題：一是相變材料的泄露；二是降低建筑材料本身的結構強度；三是降低相變材料的儲能密度。因此，選擇與相變材料具有良好相容性的基體材料以及采用合適的制備工藝制作相變儲能墻體，仍是需要研究的重點問題。

2 相變蓄熱裝置

相變蓄熱裝置將儲熱器和熱交換器結成一體，因而在儲熱或取熱的同時也進行著熱交換。在溫室大棚中，相變蓄熱裝置的設計一般有2種：一是在溫室外設太陽能收集裝置，通過熱能傳輸裝置將溫室外的熱能輸送到溫室內，儲存在相變材料儲存裝置中，根據溫室的需熱量為溫室補充熱量；二是在溫室內設相變蓄熱裝置，將白天溫室內多余的能量以潛熱的形式儲存起來，夜間溫室氣溫降低時再將其釋放，為溫室加溫。

閆彥濤設計了一種太陽能蓄熱系統。白天，太陽能集熱板收集太陽能，以熱能的形式儲存到相變材料內；夜間，蓄熱器儲存的熱量加熱氣溫較低的空氣，通過空氣循環，使白天蓄積的熱量輸送到溫室內，從而維持溫室內相對較高的溫度。Jaffrin等[8]將CaCl2·6H2O材料應用于玻璃溫室，設計了一種地下儲熱系統。相變儲熱罐放于混凝土管道內，管道上部安裝熱交換板，將管道埋在溫室地面以下。白天，太陽照射時，室內熱空氣通過通風道傳給地下相變儲熱系統；晚上，通過循環空氣將相變儲熱系統內的熱量引入室內。這種儲熱形式具有效率高、不占室內有效空間等優點。黎少輝等[9]設計了一種新型相變儲能換熱器，主要有三大模塊構成，即相變材料儲存器、集氣器、排氣模塊。白天棚內溫度過高時，高溫氣體加熱相變材料進行熱能存儲。當大棚溫度降低到設定溫度時，相變材料釋放熱量加熱空心管內的空氣，熱空氣通過內排管排進大棚，從而實現大棚內溫度調節。Kern等[10]設計相變儲熱裝置包括室內和室外2部分。各部分內置裝有CaCl2·6H2O的氣溶膠罐，室外配集熱器。白天2個儲存系統分別吸收儲存室內外熱量，晚上則將熱量釋放入溫室內。結果表明，室外系統可釋放出80%～90%所吸收的熱量，室內系統釋放出60%～80%。這種方式儲熱量大，調節能力強，但結構較復雜。

由于溫室大棚中的作物需要時常更換，并且作物不同生長階段所需要的適宜溫度也不同，例如育苗破土前后的溫度需求差別就很大。因此，相比于相變墻體而言，相變蓄熱裝置在滿足溫室大棚這一方面的要求更具有優勢，可通過更換裝置中相變材料實現。這就要求相變蓄熱裝置的設計要求簡單，方便拆卸，對其鋪設方式也有很大的要求。相變蓄熱裝置是相變材料應用于溫室大棚中有效的儲熱方法，但其工藝和儲放熱效率等方面尚需進一步改進。

3 結論與展望

相變材料在溫室大棚中的應用形式決定了其實際工作中的效率。研究相變材料與建筑材料的相容性以及混合后材料的儲熱特性、傳熱特性，對于提高能源利用率十分重要；研究相變儲熱器的強化換熱措施，改進換熱器的結構，使相變裝置簡單化，從而提高土地利用率；增加輔助加熱裝置，在太陽能不能滿足溫室負荷的要求時保證溫室環境的穩定。

目前，相變儲能材料的規?；虡I化品種不多，在實際工程應用時仍然存在一些技術瓶頸問題。隨著我國農業生產的工業化發展，相變儲能材料在溫室大棚中的應用在提高太陽能熱利用等方面將發揮日益重要的作用。無機水合鹽相變材料應用于溫室大棚的研究已在壽光等地區建立起了應用示范基地，為大技術的規模推廣應用奠定了良好的基礎，未來仍需開發更多更有效的應用形式，加速其應用進程。

4 參考文獻

[1] 王宏麗，鄒志榮，陳紅武，等.溫室中應用相變儲熱技術研究進展[J].農業工程學報，2008，24（6）：304.

[2] 王蕊，姚軒，李珠，等.玻化微珠相變保溫蓄熱材料在日光溫室中的應用及其能耗分析[J].工程力學，2012（增刊2）：216-220.

[3] 楊小龍，王宏麗，許紅軍，等.磷酸氫二鈉相變墻板在溫室中的應用效果[J].上海交通大學學報，2014，32（4）：88-94.

[4] 陳超，果海鳳，周瑋.相變墻體材料在溫室大棚中的實驗研究[J].太陽能學報，2009，30（3）：287.

[5] 凌浩恕，陳超，陳紫光，等.日光溫室帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體體系[J].農業機械學報，2015，46（3）：336.

[6] 張勇，鄒志榮，李建明，等.日光溫室相變空心砌塊的制備及功效[J].農業工程學報，2010，26（2）：263-267.

[7] 馬江偉.日光溫室無機相變蓄熱砌塊的制備及性能研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[8] JAFFRIN A，CADIER P，VENARD M.La Baronne solar greenhouse of CREAT-CNRS[C]//FAO REUR Technical Series I-on Greenhouse Hea-ting with Solar Energy.Rome，1987：192.

[9] 黎少輝，吉智.相變儲能材料在溫室大棚保溫中的應用[J].現代農業科技，2015（5）：198.

[10] KERN M，ALDRICH R A.Phase change energy storage in a gre-enhouse solar heating system[C]//Paper presented at the summer meeti-ng of ASAE and CSAE，June 24-27.University of Manitoba，Winnipeg，1979.