溫室建筑相變節能系統的設計思路

王永超李海建冀志江

（1 中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；2河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300130；）

溫室建筑相變節能系統的設計思路

王永超1,2李海建1冀志江1

（1 中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；2河北工業大學材料科學與工程學院，天津 300130；）

溫室大棚作為一種特殊建筑，其超高能耗問題卻常常被忽視。本文綜述了國內外相變材料在溫室蓄熱節能中的應用進展，指出了目前應用中存在的一些關鍵問題：相變材料的快速充能、實際應用效果以及綜合成本，同時對相關的解決方案進行了分析評價，并提出了一套風能致熱—相變儲能相結合的溫室調溫系統模型。

溫室大棚；建筑節能；相變材料；風能致熱

1 前 言

溫室大棚作為現代設施農業的重要組成部分，其優勢在于向市場提供反季節農產品（蔬菜、瓜果、花卉等）。為了適應室外極端的氣候變化，現代化的溫室通常需要采取相應冬季加熱保溫措施和夏季降溫措施。其中，冬季燃煤采暖成本約占總生產成本的30%—50%[1]。長期以來，溫室大棚作為一類特殊建筑，其超高能耗問題卻常常被忽視，如何有效地解決溫室冬季采暖供熱已成為阻礙我國低碳農業，資源節約型農業發展的關鍵性問題。相變材料因其具有在近似恒溫條件下被動蓄/放潛熱的特性[2]，被很早提出來應用于溫室大棚[3-4]，代替冬季溫室內燃煤采暖。

理論上，相變材料在白天蓄存大棚內多余的太陽能，當夜間棚內空氣溫度低于相變溫度時，釋放白天儲存的能量，以滿足溫室內作物的生長需要。然而，在實際應用過程中，卻面臨諸多問題。例如，如何實現相變材料的快速熔化“充能”？如何凸顯相變材料的應用在溫室農作物增產方面的作用和抗自然災害（連續的陰雨、風雪天氣）的能力？如何控制總體的成本，降低農戶的投資負擔？為此，本文根據目前相變材料在溫室應用中出現的問題和我國北方氣象特點，提出了一套風力致熱—相變儲能相結合的溫室相變調溫系統模型，并對系統中風力致熱的可行性與相變蓄熱部分設計原則進行了詳細的闡述。該系統以風能、太陽能等可再生能源為主要的能量來源，通過相變材料將熱量儲存起來，進而滿足溫室大棚內農作物的生長需求，同時該系統不僅可以降低能耗，減少環境污染，同時對解決我國目前“三北”（華北、東北、西北）地區“棄風限電”[5]造成的風力資源浪費問題具有指導意義。

2 溫室相變調溫系統的研究現狀

對于目前大多數的日光溫室相變系統來說，換熱系統與相變蓄熱系統是其設計核心。所以，工作的重心大多放在高效換熱器的設計[6-8]和低熔點高焓值相變材料[9-10]的研發上，這類系統統稱為相變換熱系統（裝置）。相變換熱系統具有“熱響應”快，集成度高（節約體積），成本較低的特點，但此類系統由于缺乏完整的集熱（致熱）設備，在推廣應用過程中受到地域和氣象條件的嚴格限制。以北京地區為例，1月份溫室大棚在白天（晴）的室內最高氣溫在27℃左右，并且持續時間僅在下午1：00到3：00之間。對于地處高緯度的東北地區，溫室內最高氣溫只有25℃左右，夜間氣溫更是低至5℃左右。在這種氣溫條件下，相變材料的熔化“充能”過程會受到一定的影響，出現不完全熔化的現象，致使白天的儲熱量無法滿足夜間農作物生長對溫度要求。

為了彌補上述相變換熱系統的集熱不足，一些研究者們利用太陽能集熱器[11-12]或地源熱泵系統[13-14]來強化熱量收集。太陽能集熱器及換熱片分別經管路及安裝在該管路上的PLC控制器與儲熱水箱相連形成循環回路，相變材料通過換熱片與水箱中的高溫熱源進行熱交換，這類系統統稱為太陽能光熱相變換熱系統。由于增加了較為完善的集熱系統，太陽能光熱相變換熱系統基本上可以較好的解決因緯度、地域因素造成的相變材料無法完全充能熔化問題。但是，在面對農戶最關心的連續低溫陰雨、風雪災害等惡劣天氣時，這種僅依靠太陽能輻射來儲存能量的相變系統只能處于“待機”狀態。近年來，地源熱泵技術的快速發展受到了廣泛的關注，尤其是在與相變蓄熱系統有機地結合以后，展現出傳統被動式溫室相變調溫系統所不具備的技術優勢和巨大的市場潛力[15-16]。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，即可實現能量從低溫熱源向高溫熱源的轉移，同時可以適應各種極端氣候條件，并且在智能化監控方面占有絕對優勢。雖然地源熱泵的運行費用大概為傳統供熱方式（燃煤）的30%左右，但其初期安裝成本非常高。以2006年中國農業大學在上莊實驗站設計的地下水源熱泵系統為例，初期總投資高達73萬[17]。2012年北京市農林科學院蔬菜研究中心在北京地區一棟玻璃連棟溫室(756m2)中采用地下水式地源熱泵(ground source hear pump，簡稱GSHP)技術進行了冬季供暖試驗，所使用的熱泵機組型號為HE450型，單機價格約為40萬元(包括安裝費用)，連棟玻璃溫室(750m2)中空調末端投資大概8～10萬元，抽水井和回水井的費用共約20萬元，初期總投資也在70萬左右[18]。隨著近年來地源熱泵技術的不斷發展，設計成本也在不斷降低，但就目前市場行情來看，可用于溫室大棚的地源熱泵依然高達幾十萬，而一般的蔬菜大棚每畝造價不會超過1.5萬。地源熱泵如此高的初期投入費用，對于以生產農產品為主的溫室大棚產業來說，應用和推廣還存在著極大的困難。

3 風力致熱—相變儲能聯合溫室相變調溫系統的設計

一套優秀的溫室相變調溫系統應滿足以下三點基本要求：首先，必須保證系統整體運行中不存在嚴重的技術問題；其次，能讓溫室大棚的經營者（農戶）可以切實感受到相變材料的應用所帶來的收益以及較強的適應極端天氣條件的能力；最后，系統每部分的設計必須考慮實際成本投入，讓溫室大棚的經營者（農戶）承擔的起。

3.1 風能致熱系統的可行性分析

集熱（致熱）系統是整個相變調溫系統最基本的能量輸入途徑，對后續相變蓄熱系統參數（相變材料的種類、相變溫度、用量）的設計起到決定性的作用。相比太陽能集熱，風能致熱對惡劣天氣具有更強的適應能力，更長的能量收集時間，尤其是夜間的優秀的致熱能力是太陽能集熱系統所不具備的。風能致熱的能量轉化率一般在40%左右，對風的質量要求較低，對風況變化適應性較強[19]。在廣大的北方地區，冬季的太陽能輻射較弱，但風力資源十分豐富（“三北”地區以及東南沿海都是優良的天然風場）。風能致熱與相變儲熱系統的結合在風能充足地區可以實現晝夜“不間斷”致熱——換熱——儲熱。

風能致熱系統的可行性分析：“三北”地區（東北、華北、西北）是我國溫室大棚的主要分布地區，這些地區終年處于高空西風帶控制之下，冬季更是西伯利亞寒流侵入的必經之地，年有效風能密度≥200W/m2，風速≥3m/s的年小時數大于5000h，因此“三北”地區同時也是我國風能資源最為豐富的地區[20]。以山西太原[21]為例，由于地處太行山脈，冬季山谷風盛行，1月份風力在6級以上的就有20天左右。與之類似的還有天津、大連、新疆等地。另外，溫室大棚通常選址在地勢平坦的郊區農田，這里建筑阻礙少，風速快，加上由于大棚內外巨大溫差所形成的“微熱島”熱力環流，溫室大棚周圍擁有建造風力致熱系統的資源條件。我國自1985年召開風能致熱研討會以來，一些高校和科研院所開展了大量的風能致熱的相關研究，2012年寇鵬等[22]進行了自然風條件下的攪拌型風能致熱系統試驗研究，在4m/s的風速下啟動致熱，40min可使5kg水升溫15℃。2015年桂霆等[23]設計了以平直葉片和圓柱葉片作為攪拌致熱葉片的致熱器，當葉片轉速達到450r/min時，致熱器內5kg水在1h內分別達到55.623℃和54.979℃。在如此高的熱源溫度下，相變溫度在35℃左右的相變材料基本上都可以實現快速的熔化“充能”。

3.2 相變蓄熱系統的設計

相變蓄熱系統的設計是溫室相變調溫系統整體設計中最重要的一環。蓄熱性能直接決定了系統的調溫能力，大棚內農作物的生長情況以及大棚整體適應突發性惡劣天氣的能力。相變材料的設計是相變蓄熱系統設計的核心部分。如何實現用最廉價的相變材料、最少的材料用量滿足溫室大棚對能量補償的需求是相變材料設計的主要任務。相變材料的設計主要包括以下幾個方面：1）相變材料的種類確定；2）相變溫度點的調節；3）相變材料的用量確定；4）封裝材料的選擇；5）相變材料放置位置的設計。

從本質上講，相變材料種類的選擇是性能與成本之間權衡，以石蠟、硬質酸為代表的有機類[24]相變材料具有性能穩定可控、易于復合定性的特點，但是在原料來源和購買成本方面，芒硝、CaCl2·6H2O等無機水合鹽材料占有絕對優勢。溫室相變調溫系統的初期建造費用對農戶來說是一筆不小的經濟負擔，首批材料采用低成本的無機相變材料可以很大程度上減少農戶的初期投入資本，在后續的維護方面可以根據具體需要以“耗材”的形式更換成有機材料。

長期以來，溫室用相變材料的選擇都存在一定的誤區。一般來說，（相變材料）相變溫度確定的出發點是溫室內農作物的適宜生長溫度：25-30℃，但在實際選材時迫于沒有集熱（致熱）器提供高溫熱源，只能選擇熔點更低（20-27℃）的相變材料。無機水合鹽類低熔點相變材料一般通過多組分復合的方法來獲得，這種制備方式的最大弊端在于體系的相變焓減少，穩定性較純組分下降。西北農林科技大學徐紅軍等[25]以Na2HPO4·12H2O為原材料，通過加入KCl降低熔點，制備熔化溫度在21.7℃的復合相變材料，DSC測試顯示的潛熱密度為166.9J/g，相比其純組分ΔH=265-280J/g儲熱能力下降了40%左右。蓄熱能力的下降必然導致用量成本的增加。更重要的是，采用相變溫度在室溫附近的相變材料很難實現將溫室內氣溫長時間維持于農作物的適宜生長溫度：25-30℃。但是，相變換熱系統在有了風能致熱所提供的高溫熱源之后，實現熔點在35℃以下相變材料的快速“熔化”充能就基本不存在技術上的問題。下面以幾種最常見的溫室大棚蔬菜[26-27]為例介紹一下相變蓄熱系統設計的具體思路。

表1 幾種主要溫室蔬菜的生長適溫（℃）

當溫室內氣溫超出適溫范圍時，會引起各種生長障礙（如番茄的落花、黃瓜果實彎曲、授粉困難等），從而影響產量和質量。除了基本的適宜溫度之外，農作物在一天內對熱的需求也是不斷變化的。通常，植物光合作用主要在早上進行，此時要求室內有較高的溫度[31]，但一天之內大棚內溫度最低點恰恰出現在清晨（光合作用剛剛開始），而這一點卻是經常被忽略的地方。下午光合作用減弱，要求溫度稍低，但大棚內溫度最高的時間段主要集中在下午。一般認為，夜間是需要大量補溫的時段。其實，根據植物的生長習性[32-33]，前半夜是白天光合作用的同化物從葉間向生長點、根、果實轉運關鍵時段，這一轉運速度與溫度密切相關。以黃瓜為例，在夜間氣溫20℃時，完成該過程需要2個小時，而在16℃時卻需要4個小時。營養物質的轉運是植物生長的重要過程，直接影響成熟時的產量，所以前半夜是需要較高的溫度補償的時段。而到了后半夜，植物進入呼吸作用階段，呼吸作用直接消耗前半夜轉運的同化物，并且呼吸消耗量與溫度正相關。例如黃瓜在20℃的環境條件下，12小時的呼吸消耗量等同于白天光合作用同化物的全部轉運量，但在10℃下，呼吸消耗量則減少50%以上。因此，后半夜應盡量降低室內溫度，抑制作物的呼吸作用。另外，地溫對根系的生長和對肥料、水分的吸收具有直接的影響，在降低后半夜氣溫的同時，應當維持適宜的地溫，這也對相變材料的放置位置提出了要求。

根據上述規律，溫室相變材料應選擇不同相變溫度的材料。為了獲得更快的“熱響應”，更高的相變潛熱，更低的原料成本，在風能致熱器功率允許的條件下可以選擇相變溫度更高的單組份無機相變材料作為主要的調溫材料，例如芒硝（32℃，241kJ/kg）、Na2CO3·10H20（32℃，267kJ/kg）、Na2HPO4·12H2O（35℃，266kJ/kg）等材料[35]。對于地溫調節材料可以選擇正十七烷（22℃，215kJ/kg），這里沒有選擇CaCl2·6H2O，不僅是因為其相變溫度較高（29℃），更重要的是地溫調節材料需要封裝后埋于地下或近地面，因此需要所選材料性能穩定，壽命長，即使發生泄漏對土壤產生的危害小。而對于溫室圍護結構所用到的相變材料可以選擇CaCl2·6H2O、石蠟，與其它材料（玻化微珠、多孔膨脹珍珠巖或金屬—有機框架化合物）復合后做成相變磚或相變板，提高溫室大棚整體的“熱惰性”。這種采用“階梯型（相變溫度）”相變材料的做法可以實現對溫室大棚每個溫度“缺口”的定位補償，使熱量分配更加合理化、科學化。

相變材料用量的確定需要充分考慮以下因素：溫室所處的地域、當地的氣候條件（包括突發性惡劣天氣）、“空白”大棚的實際能量“缺口”、農作物的種類（是否為喜溫植物，如辣椒）、大棚的結構尺寸及其保溫性能等。對溫室大棚的“變溫”管理是實現“精準”補熱，減少材料用量，降低成本的技術創新。使用高相變溫度、高潛熱的相變材料也是降低材料用量的重要手段。相變材料用量的減少也會帶動換熱成本、封裝成本、保溫成本的降低，從技術層面上減輕農戶在初期建設投資的經濟負擔。

相變材料的封裝主要考慮安全性、導熱性、耐蝕性以及成本。無機相變材料的封裝一般比較簡單，以物理封裝為主，封裝材料多為PVC、PE以及金屬罐體。PVC、PE耐蝕性優于金屬材料，但導熱性能較差，強度不高。目前，市場上出現了一種鋁塑復合板的材料，該材料由耐高溫聚乙烯、熱熔膠、鋁材、熱熔膠、高溫聚乙烯五層材料一次復合而成，具有高分子材料和金屬材料雙重優點，并且韌性高，可以較好應對地相變材料熔化/結晶過程中的體積膨脹。

本文所述的相變蓄熱系統主要有三種相變材料：一種是用于冬季溫室內供熱的高熔點（35℃）相變材料（后文簡稱氣溫調節系統）；另一種是用來調節地溫的低熔點（20℃）相變材料，主要用于對根系加溫（后文簡稱地溫調節系統）；還有一種是制備相變磚或相變板的室溫相變材料（28℃），主要用于加強溫室圍護結構的蓄熱能力以及夏季吸熱降溫性能。氣溫調節系統可放置在具有保溫結構的蓄熱裝置（“熱庫”）中，通過與之相連的散熱系統（散熱管）向溫室內均勻散熱。地溫調節系統可以置于地下或地面，通過地下散熱管來調節地溫。

圖1 攪拌式風力致熱相變換熱蓄熱系統原理圖

鑒于經營者的成本負擔，溫室大棚所需的低品位熱能的供應可以采用攪拌式風力致熱器，這種致熱器結構簡單、造價低廉。攪拌式風力致熱相變換熱蓄熱系統的整體設計如圖1所示。在自然風力推動下，風力機葉片帶動致熱器中的攪拌轉子旋轉，致熱液體在攪拌轉子、容器壁之間作渦流運動，不斷地撞擊、摩擦，使液體溫度不斷升高，高溫液體通過換熱器，將熱量傳遞給相變材料，相變材料以相變潛熱的形式將熱能儲存起來，根據溫室內溫度變化適時向大棚內進行溫度補償。

4 結 語

針對目前相變材料在溫室大棚應用中存在的問題和不足，提出風力致熱—相變儲能相結合的溫室調溫系統，并對其可行性與設計原則進行了闡述。該系統不僅解決了相變材料在被動式日光溫室中較難充能熔化的難題，還充分運用多種不同溫度段的相變材料對溫室大棚內氣溫、根系位置地溫、圍護結構進行不同需求的熱量補償，從根本上提高農作物的產量和品質，以及適應冬季突發性惡劣天氣的能力。相比傳統的燃煤采暖溫室，風力致熱—相變儲能技術實現了零能耗、零污染，同時減少了“棄風限電”造成的風力資源浪費，對我國未來溫室農業的發展以及可再生能源的利用具有重大意義。

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Designing considerations of energy saving system based on PCM for greenhouse buildings

As a special building，high energy consumption of greenhouse has often been overlooked for a long time．A literature investigation into applications of phase change materials (PCMs) for thermal storage and energy saving in greenhouse was carried out．This paper points out some problems existed in practical use,namely fast-charging of PCMs,practical effects and total cost respectively．Moreover, corresponding solutions for issues above have been analyzed and evaluated．In additional,a wind heating combinating with thermal energy storage system by means of PCMs for greenhouse is put forward and elaborated．

greenhouse；building energy conservation；phase change materials (PCMs)，wind heating

TU522

B

1003-8965(2017)03-0034-04

本文受國家“十二五”科技支撐課題“設施節能與綠色能源利用裝備研制與產業化示范（課題編號2014BAD08B02）”資助。