復合相變儲能保溫砂漿在日光溫室中的應用效果

周 瑩，王雙喜

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復合相變儲能保溫砂漿在日光溫室中的應用效果

周 瑩1,2，王雙喜1※

（1. 山西農業大學工學院，太谷 030801； 2. 菏澤學院城市建設學院，菏澤 274000）

為改善日光溫室內作物生長的熱環境，該文研制了一種適用于日光溫室的石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復合相變儲能保溫砂漿，其相變溫度為25.6 ℃，相變潛熱為89.8 kJ/kg。并將50 mm的復合相變保溫砂漿用于磚墻日光溫室的后墻作為試驗溫室，與無相變材料的原磚墻溫室（即對照溫室）進行對比試驗。在試驗周期內，試驗溫室的室內日最低溫度比對照溫室平均高出1.5 ℃，最高可達2.4 ℃；其中，陰天試驗溫室的室內溫度比對照溫室平均高1.6 ℃；晴天試驗溫室的室內最高溫度比對照溫室低1.7 ℃，室內最大溫差比對照溫室低3.1 ℃，夜間（17:00－次日8:00）試驗溫室室溫比對照溫室平均高2.7 ℃；多云期間，試驗溫室的室內最高溫比對照溫室低1.4 ℃，最大溫差比對照溫室低3.5 ℃，夜間試驗溫室室溫比對照溫室平均高2.3 ℃；在相同栽培管理條件下，生長旺盛期和坐果期，試驗溫室的黃瓜植株高度比對照溫室分別平均高出17.1和24.6 cm，試驗溫室內黃瓜的單果質量和單株結果數分別為對照溫室的1.4倍和1.3倍，單株產量為對照溫室的1.8倍。試驗結果表明，復合相變儲能保溫砂漿具有良好的保溫和蓄、放熱效果，對日光溫室內的熱環境具有明顯的改善效果，使其更適于黃瓜的生長。

相變材料；溫度；保溫；保溫砂漿；日光溫室；熱環境

0 引 言

日光溫室墻體作為溫室吸收和儲存太陽能并為溫室增溫的載體，對提高室內作物生長熱環境控制能力至關重要[1]，其白天蓄集太陽能的能力越強，夜間提供給溫室內的熱量也越多[2-3]，整個墻體的隔熱保溫及蓄熱能力的強弱決定著室內作物能否安全越過北方寒冷的冬季[4]，如果溫室墻體的保溫蓄熱性能差，則會導致室內氣溫較低，使作物遭受凍害，影響產量[5-6]。隨著相變蓄熱技術與材料的發展和進步，相變蓄熱儲能材料逐漸應用于日光溫室墻體中。將相變材料應用在溫室中，可以在白天溫度高的時候吸收溫室多余的熱量，而在夜間溫度低的時候將其釋放出來，對室內溫度起到“削峰填谷”的作用[7]。陳超等[8-18]對中國日光溫室應用相變材料做了深入研究，將所研制的相變材料用于溫室后墻，提高了墻體的蓄熱能力，溫室生產取得了明顯的效果。在眾多中、低溫相變材料中，石蠟因具有相變潛熱較高、幾乎沒有過冷相象、沒有相分離和腐蝕性等優點而成為常用蓄熱材料[19]。石蠟在使用過程中，由于固—液相變作用，易出現滲漏、溢出現象，為了克服石蠟易滲漏等缺點，通常將石蠟與其他材料復合制備復合相變儲能材料。李啟金等[20]研究表明，多孔膨脹珍珠巖對石蠟良好的吸附性，膨脹珍珠巖的毛細作用和表面張力能有效解決石蠟在儲熱應用時的液態流動問題，提高石蠟的穩定性。Bascetincelik等[21]將相變儲能石蠟應用于溫室生產，取得了一定的加溫效果。王蕊等[22]利用石蠟為相變材料，制備了玻化微珠相變蓄熱材料，并進行日光溫室模擬試驗，達到了節能和環保雙重目標。王朋等[23]研制出了石蠟、硬脂酸正丁酯復合相變材料應用于溫室中，蓄放熱效果明顯。周瑋[24]以石蠟、石墨、高密度聚乙烯等為主要成分制備了復合定形相變材料，并制成了復合相變蓄熱墻體材料，應用于日光溫室后墻，提高了溫室內空氣溫度和太陽能利用率。

將相變儲能材料用于溫室生產，可大大提高溫室室內氣溫和地溫，同時可減薄溫室墻體，提高土地利用率，基于以上原因本文依據建筑儲能保溫砂漿的原理[25]，以石蠟為相變材料，選取價格低廉、性質穩定的輕質多孔膨脹珍珠巖為其載體材料，以成份穩定、低容重、低收縮的建筑脫硫石膏為膠凝材料，研制了一種適用于溫室生產的新型石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復合相變儲能保溫砂漿，并用其作為砌塊墻日光溫室后墻的內保溫砂漿，以期改善日光溫室內的熱環境和作物生長環境，為日光溫室更好的越冬生產提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗原材料

25#相變石蠟，河南南陽石蠟精細化工廠，熔點24.9 ℃，相變潛熱186 kJ/kg；多孔膨脹珍珠巖，河南范縣光正保溫材料有限公司，粒徑0.5～1.5 mm；建筑脫硫石膏，山東泰安宏利石膏加工有限公司；可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維、外加劑等。

1.1.2 試驗材料的制備

25#相變石蠟與多孔介質膨脹珍珠巖按質量比6∶4進行真空吸附，制備得到石蠟/膨脹珍珠巖復合定形相變顆粒。將復合定形相變顆粒與脫硫石膏、可再分散乳膠粉、外加劑等材料按比例配制石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復合相變儲能干粉砂漿，按照水灰比=0.8加水混合攪拌后直接用于墻體施工。復合相變儲能保溫砂漿基本配比如表1所示，生產工藝流程見圖1。

表1 復合相變儲能保溫砂漿配方

圖1 復合相變儲能保溫砂漿制備流程

1.2 試驗溫室

試驗溫室位于山東省菏澤市阡陌農耕現代農業園（35°14′N，115°22′E），溫室長20 m，跨度8 m，脊高3.5 m，后墻高2.5 m，后墻為500 mm厚（120 mm磚+140 mm空氣間層+240 mm磚）磚墻，東西山墻為240 mm厚磚墻，室內下挖500 mm；溫室前屋面為全鋼桁架結構，后屋面由聚苯板和防水材料組成，前屋面采用雙層PC板為透明覆蓋材料，卷簾機—保溫被機構進行外保溫。為便于試驗，將溫室沿長度方向從中間位置隔開，分成2個溫室區域，其中西側溫室區域后墻不變（對照溫室），東側溫室區域內依據ANSYS有限元分析軟件模擬，以復合相變儲能保溫砂漿厚度為50 mm對后墻內側進行涂抹處理（試驗溫室），溫室平面圖及試驗溫室剖面圖如圖2所示。

a. 溫室平面圖及測點布置

a. Plan of greenhouse and layout of measuring points

b. 試驗溫室剖面圖及測點布置

1.3 試驗儀器設備

DYB-2000型電液式壓力試驗機，獻縣亞星公路建筑儀器廠；STA 449 F3同步TG-DSC熱分析儀，德國耐馳公司；PDR導熱系數測定儀，濟南賽文特儀器設備有限公司；NL-5小型農業氣象站，溫度范圍：?40～120 ℃（精度±0.4 ℃，分辨率0.1 ℃），濕度范圍：0～100% RH（精度±3% RH，分辨率0.1% RH），光照強度范圍：0～200 000 lx（分辨率1 lx），風速范圍：0～45 m/s（精度±（0.3+0.015）m/s），浙江托普儀器有限公司；多通道溫濕度測試儀，溫度范圍：?50～150 ℃（精度±0.5 ℃，分辨率0.1 ℃），濕度范圍：0～100% RH（精度±3% RH，分辨率0.1% RH），杭州聯測自動化技術有限公司；精密電子天平、燒杯、卷尺、游標卡尺等。

1.4 試驗方法

1.4.1 試驗材料性能的測定

復合相變儲能保溫砂漿抗壓強度的測試采用電液式壓力試驗機，依據《JGJ/T 70-2009 建筑砂漿基本性能試驗方法標準》[26]進行。

復合相變儲能保溫砂漿相變溫度和相變潛熱的測試采用TG-DSC熱分析儀進行，并根據試驗數據繪制DSC曲線圖，吸熱峰值為相變溫度，曲線圍合面積積分得到相變潛熱[27]。

復合相變儲能保溫砂漿導熱系數的測定采用導熱系數測定儀，按照《GB/T 10294-2008絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定》[28]進行。

1.4.2 溫室內外溫度環境及黃瓜生長狀況監測

NL-5小型農業氣象站用于監測溫室外環境，設置測定時間間隔為10 min。

多通道溫濕度測試儀用于監測溫室內熱環境，試驗溫室和對照溫室室內分別設置6個溫濕度測試點，其中1列3個測點分別距地面1.0、1.5、2.0 m，距后墻6.0、4.0、2.0 m，距溫室東（西）墻3.0 m布置，另1列3個測點距地面1.0、1.5、2.0 m，距后墻6.0、4.0、2.0 m，距溫室隔墻3.0 m布置，設置測定時間間隔為10 min，測點布置如圖2a、2b所示。

兩溫室內定植相同齡期的“魯蔬21號”黃瓜幼苗（耐低溫，耐弱光），高畦栽培，每溫室5行，每行10株。定植后，在兩溫室中各選取栽培位置相同、長勢一致的10株植株（每行取2株）作為測定對象，根據植株不同生育期進行跟蹤形態指標測定。用精度為1 mm的卷尺測量各溫室中10株黃瓜的株高（地面至生長點），取平均值；用精度為0.1 mm的游標卡尺，測量各溫室中10株黃瓜子葉基部平行于子葉方向的植株直徑為莖粗[29]，取平均值；統計各溫室內10株黃瓜的總產量，并求平均單株產量。

試驗周期內，試驗溫室與對照溫室的水肥、通風、補光、遮蓋保溫被等栽培管理方式完全一致。

2 結果與分析

2.1 復合相變儲能保溫砂漿的性能

利用TG-DSC熱分析儀測得復合相變儲能保溫砂漿的DSC曲線如圖3所示，得到復合相變儲能保溫砂漿的相變溫度為25.6 ℃；相變潛熱為89.8 kJ/kg，符合王宏麗等[30]提出的相變儲能材料在滿足相應的蓄放熱性能外，還應滿足植物生長所需條件，經測定復合相變儲能砂漿的基本性能參數如表2所示。

圖3 復合相變儲能保溫砂漿DSC曲線

表2 復合相變儲能保溫砂漿的性能參數

2.2 溫室內外熱環境及黃瓜生長狀況

黃瓜幼苗于2015年11月20日定植，2016年2月20日對測試株成熟黃瓜進行采收，測定果實產量。對整個測試其內試驗溫室和對照溫室的室內日最低溫度變化情況進行對比分析，根據實測氣象數據，選取2016年1月31日08:00－2月1日08:00（陰）、2016年2月2日08:00－2月3日08:00（晴）和2016年2月3日08:00－2月4日08:00（多云）所測得的對比數據進行熱環境分析研究。

2.2.1 冬季溫室室內日最低氣溫變化

試驗周期（2015年12月10日－2016年02月18日）內，試驗溫室和對照溫室的室內日最低溫度變化情況如圖4所示。

圖4 2015-12-10—2016-02-18室內日最低氣溫

由圖4可知，在試驗周期內，對照溫室室內日最低溫度中出現低于5 ℃的情況，其中最低為3.5 ℃，平均日最低溫度為7.8 ℃；試驗溫室室內日最低溫度均大于5 ℃，其中最低為5.2 ℃，平均日最低溫度為9.3 ℃；試驗溫室室內的日最低溫度比對照溫室的平均高1.5 ℃，最高可達2.4 ℃。試驗溫室和對照溫室室內的日最低溫度的變化趨勢基本一致，且試驗溫室室內的日最低溫度均高于對照溫室的日最低溫度，說明試驗溫室應用的相變儲能保溫砂漿具有良好的相變蓄熱、放熱性能，溫室內最低溫度的提高，將有效防止作物受到短時冷害、凍害的影響，有利于作物的生長發育。

2.2.2 陰天溫室內外熱環境變化

2016年1月31日陰天，保溫被全天處于遮閉狀態，溫室內外溫度變化如圖5所示。

圖5 陰天室內外溫度

由于陰天室外溫度較低，保溫被處于遮閉狀態，受室外環境影響，兩溫室室內溫度均較低。對照溫室的室內最低溫度為3.5 ℃，試驗溫室的室內最低溫度為5.3 ℃，比對照溫室的高1.8 ℃；對照溫室和試驗溫室室內最高溫分別為10.7和12.1 ℃；試驗溫室全天的室內溫度始終高于對照溫室，平均高1.6 ℃，說明在沒有外來熱源的情況下，試驗溫室的保溫效果優于對照溫室，相變儲能保溫砂漿的保溫效果明顯。

2.2.3 晴天溫室內外熱環境變化

2016年2月2日晴天，08:30開啟保溫被，17:00遮閉保溫被，室內外溫度變化如圖6所示。

圖6 晴天室內外溫度

晴天，上午08:30保溫被開啟后，受室外太陽輻射和圍護結構的影響，溫室內溫度快速上升，期間，為確保植物正常生產，進行了同步適當通風。08:00－13:00期間，試驗溫室的室內溫度比對照溫室高0.5～1.8 ℃；在室內外溫度相對較高的13:00－15:00期間，試驗溫室比對照溫室室溫低0.6～1.8 ℃，平均低1.3 ℃，且在14:00左右出現一天中的最高室溫時，試驗溫室最高室溫為28.9 ℃，比對照溫室的最高室溫30.6 ℃低1.7 ℃，相變材料的蓄熱降溫效果明顯；15:00以后，隨著太陽輻射和室外氣溫的下降，兩溫室室內溫度均下降，試驗溫室的降溫速率低于對照溫室，相變儲能砂漿的保溫效果凸顯，至17:00保溫被遮閉時，對照溫室和試驗溫室的室內溫度分別為20.3和24.2 ℃；17:00至次日08:00保溫被關閉期間，試驗溫室內最低氣溫為10.0 ℃，對照溫室內最低氣溫為7.7 ℃，試驗溫室的室內溫度始終高于對照溫室，平均高2.7 ℃，相變材料的放熱保溫效果明顯；全天，試驗溫室室內最大溫差為21.3 ℃，對照溫室室內最大溫差為24.4 ℃，相變儲能保溫砂漿明顯縮小了室內峰谷溫差。

2.2.4 多云溫室內外熱環境變化

2016年2月3日多云，早08:30開啟保溫被，17:00遮閉保溫被，溫室內外溫度變化如圖7所示。

由于多云，全天沒有進行溫室通風。08:00－12:00期間，試驗溫室室內溫度比對照溫室高1.0～2.5 ℃，平均高2.1 ℃；12:00－15:00期間，試驗溫室室內最高溫度為30.2 ℃，對照溫室室內最高溫度為31.6 ℃，試驗溫室室內溫度比對照溫室低0.4～1.8 ℃，平均低1.2 ℃，說明當溫室內溫度高于復合相變砂漿的相變溫度時，復合相變儲能砂漿處于吸熱蓄熱狀態，促使試驗內溫室升溫變緩，相當于一定的通風降溫效果；15:00－17:00期間，試驗溫室室內溫度比對照溫室高1.4～2.5 ℃，平均高1.9 ℃；17:00至次日08:00保溫被關閉期間，試驗溫室的最低室溫為11.5 ℃，對照溫室的最低室溫為9.1 ℃，試驗溫室的室內溫度比對照溫室平均高2.3 ℃，相變儲能砂漿的放熱效果明顯；試驗溫室室內最大溫差為20.4 ℃，對照溫室室內最大溫差為23.9 ℃，復合相變儲能保溫砂漿的應用明顯縮小了室內峰谷溫差。

圖7 多云室內外溫度

2.2.5 試驗溫室與對照溫室黃瓜生長狀況對比

不同生育期的黃瓜植株株高、莖粗等生長指標見表3，果實產量見表4。

表3 不同生長期黃瓜植株株高及莖粗

注：用檢驗法進行差異顯著性分析，**表示差異極顯著（<0.01），*表示差異顯著（<0.05），下同。

Note: The significant difference was analyzed by-test, ** indicated extremely significant differences (<0.01), and * indicated significant difference (<0.05), the same as below.

由表3可以看出，在不同的生長期內，試驗溫室內的黃瓜植株的株高、莖粗等主要生長形態指標均高于對照溫室內的黃瓜植株。其中，生長旺盛的開花期（2015年12月31日），試驗溫室的黃瓜植株高度比對照溫室的平均高17.1 cm，莖粗比對照溫室的平均粗1.3 mm；坐果期（2016年1月15日），兩溫室的植株高度相差24.6 cm，莖粗相差0.9 mm；2016年1月30日，試驗溫室的黃瓜植株高度比對照溫室的高27.8 cm，莖粗比對照溫室的粗0.8 mm。在相同的栽培管理條件下，由于試驗溫室較好的調溫效果，使得植株生長較對照溫室明顯加快，試驗溫室內的黃瓜生長狀況明顯優于對照溫室的黃瓜生長。

表4 兩溫室內黃瓜情況（2016-02-20）

由表4可知，試驗溫室和對照溫室內黃瓜的單果平均質量分別為217和159 g，試驗溫室內黃瓜的單果平均質量為對照溫室的1.4倍，試驗溫室和對照溫室內黃瓜的結果數分別為5.6個和4.3個，試驗溫室內黃瓜的單株結果數為對照溫室的1.3倍，試驗溫室和對照溫室內黃瓜的單株產量分別為1 215.2和683.7 g，試驗溫室內黃瓜的單株產量為對照溫室的1.8倍，說明試驗溫室內的結果情況明顯優于對照溫室，試驗溫室內的熱環境更適于黃瓜的生長。

3 結論與討論

通過對比試驗，分析了石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復合相變儲能保溫砂漿保溫性和蓄、放熱性能。結果表明：

1）復合相變儲能砂漿的保溫效果明顯。在試驗期內（2015年12月10日—2016年2月18日），保溫砂漿溫室的日最低溫度比對照溫室平均高出1.5 ℃。在多云和晴天的夜間，試驗溫室室內溫度比對照溫室室內溫度分別平均高2.3、2.7 ℃。即使在陰天，也能使砂漿溫室平均室溫高于對照溫室1.6 ℃左右；

2）復合相變儲能砂漿蓄、放熱效果較好，有效縮小晝夜溫差。在多云和晴天，復合相變儲能保溫砂漿使溫室晝夜溫差分別降低了3.5和3.1 ℃。白天，多云和晴天的砂漿溫室也將溫度分別降低了1.2和1.3 ℃。因此，新型材料有效減弱了溫室內的溫度波動，起到了“削峰填谷”的作用；

3）在相同栽培管理條件下，利用保溫砂漿加厚磚墻的日光溫室內，種植同齡期黃瓜的株高、莖粗和產量均優于未改造的溫室，表明保溫砂漿在保溫性和蓄、放熱性能方面優勢明顯，更有利于作物生長。

復合相變儲能保溫砂漿將在不同墻體日光溫室中進行應用試驗研究，以期與其他砌塊墻體日光溫室進行組合取得良好的保溫、蓄放熱效果；試驗溫室面積較小，復合相變儲能保溫砂漿將在大跨度日光溫室中使用，并監測其應用效果；對于霧霾、雨雪等惡劣天氣情況下，復合相變儲能保溫砂漿的蓄熱保溫效果將做進一步研究。

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Application effect of composite phase change energy storage thermal insulation mortar in solar greenhouse

Zhou Ying1,2, Wang Shuangxi1※

(1.030801,; 2.274000,)

In order to improve the thermal environment of crop growth in solar greenhouse, a kind of gypsum-based paraffin/expanded perlite composite phase change energy storage thermal insulation mortar was studied in this paper. The composite phase change energy storage thermal insulation mortar was composed of complex shaped phase change particles, desulfurization gypsum, admixture and other components, and the reasonable formula and the production process of it were determined by experiments. The composite phase change energy storage thermal insulation mortar with reasonable formula had a suitable phase transition temperature of 25.6 ℃ and a higher phase change latent heat of 89.8 kJ/kg. The 50 mm composite phase change thermal insulation mortar was used in the back wall of the brick wall solar greenhouse as the experimental greenhouse. The original brick wall solar greenhouse without phase change material was used as the comparative greenhouse. The comparison test of these 2 greenhouses showed that: From December 10, 2015 to February 18, 2016, the minimum daily temperature of the experimental greenhouse was 1.5 ℃ higher than that of the comparative greenhouse on the average, and the difference reached 2.4 ℃ at the most. On overcast day, the heat preservation quilt was closed, and the indoor temperature of the experimental greenhouse was 1.6 ℃ higher than that of the comparative greenhouse. On sunny day, the indoor maximum temperature of the experimental greenhouse and the comparative greenhouse was 28.9 and 30.6 ℃, respectively, and there was 1.7 ℃ difference between the two greehouses. The indoor maximum temperature difference of the experimental greenhouse and the comparative greenhouse was 21.3 and 24.4 ℃, respectively, and the former was 3.1 ℃ lower than the latter. During the night (from 17:00 to 08:00 in the next day), the average indoor temperature of the experimental greenhouse was 2.7 ℃ higher than that of the comparative greenhouse. On cloudy day, the indoor maximum temperature of the experimental greenhouse was 1.4 ℃ lower than that of the comparative greenhouse; the indoor maximum temperature difference of the experimental greenhouse and the comparative greenhouse was 20.4 and 23.9 ℃, respectively, and the former was 3.5 ℃ lower than the latter. During the night (from 17:00 to 8:00 in the next day), the average indoor temperature of the experimental greenhouse was 2.3 ℃ higher than that of the comparative greenhouse. Under the same cultivation and management conditions, in the vigorous growth period and fruit-bearing stage, the height of cucumber plants in the experimental greenhouse was 17.1 and 24.6 cm higher than that of the comparative greenhouse. The single-fruit quality of the cucumber in the experimental greenhouse was 1.4 times that of the comparative greenhouse, the number of fruits per plant in the experimental greenhouse was 1.3 times that of the comparative greenhouse, and the output of per plant in the experimental greenhouse was 1.8 times that of the comparative greenhouse. The test results show that, the composite phase change energy storage thermal insulation mortar has a good heat preservation and storage and release effect, and has an obvious improvement effect on the thermal environment in solar greenhouse. The thermal environment in the experimental greenhouse is more suitable for the growth of cucumber.

phase change material; temperature; heat preservation; thermal insulation mortar; solar greenhouse; thermal environment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.024

S625

A

1002-6819(2017)-20-0190-07

2017-06-27

2017-09-22

山西省煤基重點科技攻關項目（FT2014-02）；山西省科技攻關項目（20130311010-4）；菏澤學院基金項目（XY14KJ09）

周 瑩，女，山東濟寧人，助教，博士生，主要從事設施農業工程與技術的研究。Email：zhouying.yy@163.com

※通信作者：王雙喜，男，山西翼城人，教授，博士生導師，主要從事農業生物環境與能源工程的研究，Email：sxauwsx@126.com

中國農業工程學會會員：周瑩（E041500034M）

周 瑩，王雙喜. 復合相變儲能保溫砂漿在日光溫室中的應用效果[J]. 農業工程學報，2017，33(20)：190－196. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.024 http://www.tcsae.org

Zhou Ying, Wang Shuangxi. Application effect of composite phase change energy storage thermal insulation mortar in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(20): 190－196. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.20.024 http://www.tcsae.org