新型相變材料蓄放熱性能測試及在溫室內(nèi)的應(yīng)用

張 勇，許英杰，陳 瑜，張柯新，倪欣宇

新型相變材料蓄放熱性能測試及在溫室內(nèi)的應(yīng)用

張 勇1，許英杰2，陳 瑜2，張柯新2，倪欣宇2

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院，楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100）

日光溫室現(xiàn)行的溫度調(diào)控方法對(duì)太陽能無法進(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，無法持續(xù)為植物提供適宜的生長環(huán)境。為解決上述問題，更好地改善溫室墻體性能，該研究以復(fù)合無機(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環(huán)境中。

溫室；相變材料；溫度調(diào)控；后墻；蓄放熱

0 引 言

日光溫室是具備中國特色的高效節(jié)能型園藝設(shè)施，具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在中國設(shè)施園藝的發(fā)展過程中發(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題，白天室內(nèi)吸收太陽能導(dǎo)致內(nèi)部溫度過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，潛熱式貯熱可以儲(chǔ)存更多的熱量，且相變過程近似等溫。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)舒適的生長環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)中國現(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，無法直接用于溫室生產(chǎn)，需減低熔點(diǎn)，消除過冷現(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)場基地，北緯34°17′21.33″，東經(jīng)108°05′27.44″，坐北朝南東西延長，長度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與溫室長度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面1.0 m溫度測點(diǎn)；4、5、6為溫室溫室跨度1/2與溫室長度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面1.0 m溫度測點(diǎn)；7、8、9分別為溫室溫室跨度3/4與溫室長度四等分點(diǎn)交點(diǎn)距地面1.0 m溫度測點(diǎn)；10、11、12分別為溫室北部距地面1.0 m溫度測點(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?jǐn)?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)來源于中國氣象網(wǎng)，http://data.cma.cn/。

Note: Data comes from China Meteorological Network http://data.cma.cn/.

圖2 楊凌2020年日均溫和日照時(shí)數(shù)

Fig.2 Daily average temperature and sunshine hours 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度為120 cm，厚度為8 cm，高度為30 cm，其在溫室中的位置如圖3所示，其面積為溫室后墻面積的一半。

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

1.Outdoor air 2.Insulation quilt 3.Back wall skeleton 4.PCM (Phase Change Material) 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

課題組前人已研究多種相變材料的DSC曲線，以本文復(fù)合相變材料配方DSC曲線圖為例進(jìn)行說明。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)放熱過程釋放的潛熱量為92.52 J/g。吸熱過程開始于14.11 ℃，分別于15.76和25.32 ℃達(dá)到高峰。在整個(gè)吸熱過程中吸收的潛熱量為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

在降溫過程中，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，選取三種較適宜溫室生產(chǎn)的復(fù)合相變材料來進(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在升溫過程中溫度達(dá)到21 ℃時(shí)升溫速率減緩，降溫過程中溫度為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，F(xiàn)2在升溫過程中溫度達(dá)到21 ℃時(shí)升溫速率減緩，降溫過程中溫度為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，F(xiàn)3在升溫過程中溫度達(dá)到23 ℃時(shí)升溫速率減緩，降溫過程中溫度為19.8 ℃時(shí)溫度回升。

1.2.2 不同材料墻水泥模塊熱流量測點(diǎn)

測點(diǎn)分布在相變材料水泥模塊長度方向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定

在每塊模板高的1/2截面與長的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)境測定

在試驗(yàn)溫室內(nèi)，溫度測點(diǎn)位于溫室長度方向四等分點(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，光照和濕度測點(diǎn)位于溫室長度方向二等分點(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Agilent公司生產(chǎn)）。

測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Agilent公司生產(chǎn)）測溫度；

熱流測試使用JTR01溫度熱流測試儀，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，為測試相變材料水泥模塊性能，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，在升溫過程中，F(xiàn)1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，但吸收的熱流并沒有明顯減小，說明相變材料此時(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程中的吸熱量。相變材料水泥模塊吸放熱量計(jì)算方程為

蓄(放)熱=(1+2+…+q)××（1）

式中蓄(放)熱為相變材料水泥模塊總蓄（放）熱量，J；為儀器在某一時(shí)刻測試的瞬間熱流量，W/m2；為相變材料水泥模塊前表面面積，m2；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，單位體積蓄熱量分別為74.5、88.0、95.1 MJ/m2。

2.1.2放熱能力

放熱過程中，F(xiàn)1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，單位體積放熱量分別為59.8、67.8、84.2 MJ/m2，單塊水泥模塊吸放熱量具體如圖6所示。

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)到最大值，F(xiàn)1、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，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，F(xiàn)3最優(yōu)，F(xiàn)2次之，F(xiàn)1最差。因?yàn)橄嘧儾牧蠅w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 ℃，F(xiàn)1、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。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，F(xiàn)3最優(yōu)，F(xiàn)2次之，F(xiàn)1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 ℃。

與晴天和陰天相比，雨天的溫度變化范圍更窄。從圖中可以看出，墻體溫度和溫室氣溫變化幅度都很小，F(xiàn)1和F2墻體溫度與溫室氣溫差距較小，并沒有發(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，F(xiàn)3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)部溫度過低。

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。

冬季晴天，相變材料墻體日間吸收熱量，三者共吸收熱量203 158.2kJ，在夜間，F(xiàn)1、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，F(xiàn)1墻體共釋放熱量36 442.8 kJ，F(xiàn)2墻體共釋放熱量49 993.2 kJ，F(xiàn)3墻體共釋放熱量51 333kJ，三者在夜間一共放出熱量137 769 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，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 墻體熱場分布及分析

圖10為墻體熱象圖，表現(xiàn)了墻體的熱場分布情況；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 墻體熱場分布

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)行比較說明，當(dāng)天外界太陽輻射照度最大值為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。

4 結(jié) 論

本研究應(yīng)用了三種復(fù)合相變材料蓄熱體系，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算了它們的蓄熱量和放熱量，并測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，F(xiàn)1、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，F(xiàn)3蓄放熱量最多，F(xiàn)2次之，F(xiàn)1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。

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Heat storage and release performance of new phase change material and its application in greenhouse

Zhang Yong1, Xu Yingjie2, Chen Yu2, Zhang Kexin2, Ni Xinyu2

(1.,,712100,; 2.,,712100,)

Solar greenhouse has commonly been used for crop production in China. Correspondingly, much more attention has been drawn to the heat storage and release ability of the rear wall in a solar greenhouse. A phase change material (PCM) can be widely expected to effectively improve the performance of heat storage and release in solar greenhouse walls. In this study, three types of PCM walls were investigated to determine the heat performance in a sunlight greenhouse. A single block cement module was selected to test the ability of heat accumulation in laboratory. The measuring data was achieved as follows. The results show that the temperature of a F1, F2, and F3 phase change material cement module increases from 8.3 to 32 ℃ to absorb 2 575.2, 3 041.5, and 3 286.8 kJ heat, and the heat storage per unit volume is 74.5, 88.0, 95.1 MJ/m3; The temperature of the F3 phase change material cement module dropped from 32 to 7.8 ℃ and released heat of 2 067.0, 2 344.6, and 2 910.2 kJ, respectively, and the heat output per unit volume was 59.8, 67.8, and 84.2 mJ/m3. Under sunny winter conditions, the heat storage per unit volume of F1, F2 and F3 walls are 55 862.5, 57 137.5, 60 383.75 kJ/m3, and the heat release per unit volume is 29 290, 40 182.5, 49 511.25 kJ/m3. When the wall thickness is only about 14% of that of the soil wall, the heat storage and release performance of F1, F2 and F3 are better than that of 0.6m soil wall. The heat storage per unit volume of F1, F2, F3 phase change material cement module is soil respectively. 10.2 times, 10.4 times and 11 times of the wall, the heat output per unit volume is respectively 15.6 times, 21.5 times and 26.4 times of the earth wall. Therefore, we applied the phase change material cement module to the solar greenhouse on a large scale. The total area accounts for about half of the wall area. The results show that the phase change material wall absorbs a large amount of excess heat inside the greenhouse during the day on a sunny day in summer. F1 The wall absorbs a total of 35 614.8 kJ of heat, the F2 wall absorbs a total of 72 788.4 kJ, and the F3 wall absorbs a total of 57 153.6 kJ; the three absorb a total of 165 556.8 kJ and 30 brides emit 20 292.0 kJ at night; In sunny weather in winter, PCM wall absorbs heat in the daytime, and the three absorb a total of 203 158.2 kJ, and release a large amount of heat at night. F1 wall releases a total of 36 442.8kJ, F2 wall 49 993.2kJ, and F3 wall 51 333 kJ. The three emit a total of 137 769kJ of heat at night. The application of PCMs to sunlight greenhouses, with the aid of natural ventilation measures in summer, can efficiently absorb a lot of heat to avoid the temperature peak and release a lot of heat in winter for high night temperature. This finding can provide new ideas and solutions to improve the environment and temperature in a greenhouse.

greenhouse; phase change material; temperature control; back wall; heat storage and release

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.027

S625.1

A

1002-6819(2021)-07-0218-09

2020-12-09

2021-03-05

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）

張勇，副教授，博士，研究方向?yàn)闇厥医ㄖY(jié)構(gòu)及光熱環(huán)境和建筑園藝。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn

張勇，許英杰，陳瑜，等. 新型相變材料蓄放熱性能測試及在溫室內(nèi)的應(yīng)用[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

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：張勇（E041200715S）