太陽能加相變儲能材料在北方日光溫室大棚中應用的增溫效果的研究

王建川,馮海洋,李廣義,賈思睿

(遼寧工程技術大學土木工程學院 遼寧,阜新 123000)

引言

目前溫室大棚技術是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要舉措方向和基本路線,溫室大棚的增溫與保溫仍是發(fā)展過程中的一個主要問題,實現(xiàn)合理利用自然能源對溫室大棚進行增溫可減少常規(guī)能源如煤、電的消耗,對節(jié)能減排有重大意義。

國內(nèi)外不少學者對相變材料在溫室大棚中的應用進行了研究。王傳濤[1]等在25℃的石蠟中加入質(zhì)量分數(shù)5%的碳纖維制備復合相變材料,得出結論:采用25℃的石蠟,測得相變溫度區(qū)間為22.2℃～30.0℃,與植物生長所需環(huán)境溫度區(qū)間相適應。使用相變材料的溫室環(huán)境溫度波動小,相變材料的蓄熱與放熱過程對于溫室環(huán)境溫度起到“削峰填谷”的作用,減少輔熱或制冷設備產(chǎn)生附加能耗,可起到節(jié)能減排的作用;史巍[2]通過實驗得出加入相變復合材料的溫室模型室內(nèi)溫度波幅小,蓄放熱效果優(yōu)于對比溫室。?ztürk H H等[3]以石蠟作為PCM研究了一個180 m2溫室的季節(jié)性儲能性能。該溫室內(nèi)一共使用了6000 kg石蠟。采用能量和火用分析方法評估了整個溫室的蓄放熱效率,并討論了蓄放熱過程中,進出口溫差對于系統(tǒng)火用的影響。Tyagi V V等[4]使用六水氯化鈣作為相變材料,研究了相變儲能系統(tǒng)的傳熱性能及進行了經(jīng)濟性評價。通過對系統(tǒng)進行蓄冷以及三種熱負荷(1 kW、2 kW 和3 kW)釋冷實驗,發(fā)現(xiàn)在1 kW時經(jīng)濟性最高,在3 kW加熱負荷時最低。李鵬等[5]將以石蠟為主的固/液復合相變材料噴涂到日光溫室梯形北墻體內(nèi)表面,結果表明:晴天和陰天,相變涂層溫室墻體的日間蓄熱量和夜間放熱量均顯著高于普通溫室墻體。Zhu X Q等[6]指出六水氯化鈣是一種重要的無機相變材料,并對實驗結果進行了分析和討論,預測了其在工業(yè)應用中作為熱能儲存的前景。

目前學者們主要致力于對單純的相變材料在溫室大棚中應用效果的研究,鮮有人對太陽能和相變材料相結合在大棚中的應用進行研究。基于此,本文選擇高低溫兩種相變材料,采用模擬實驗的方法,利用Agilent 34972A型號溫度記錄儀的和10個熱敏溫度探頭,通過實驗平臺得到大量數(shù)據(jù),分析對比不同性質(zhì)的相變材料在是否有太陽能集熱器加持的情況下對溫室大棚保溫性能的改善效果。得出:在相變材料的一個吸放熱周期內(nèi),相變裝置能大幅改善溫室大棚夜間的保溫效果,減少煤、電等資源的使用且高溫相變材料的改善效果顯著優(yōu)于低溫相變材料的結論。

1 研究方法

1.1 實驗原理闡述

對傳統(tǒng)大棚而言,日間通過吸收太陽輻射使自身溫度升高,夜間沒有了太陽光的照射且室外溫度較之大棚內(nèi)溫度更低,大棚內(nèi)空氣與環(huán)境之間存在一個對流換熱過程,如果大棚內(nèi)沒有熱量補充,導致大棚內(nèi)溫度下降。如果在大棚內(nèi)部安裝相變儲能材料管,當室外溫度較低引起大棚室溫降低時,相變材料開始冷卻,儲存的熱量在一定范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境中去,進行液態(tài)到固態(tài)的逆相變。物理狀態(tài)發(fā)生變化時,材料自身溫度在相變完成前幾乎維持不變,形成一個寬的溫度平臺,雖然溫度不變,但到處的潛熱卻相當大[7]。實現(xiàn)對大棚的熱量補充,達到減緩大棚降溫速度,增強大棚保溫性能的目的。基于此特性,本文利用家用“小太陽”取暖器模擬太陽光照實現(xiàn)對相變材料的加熱融化和太陽能集熱器的運行。當太陽能集熱器開始運行時,只要保證集熱器的高度低于大棚模型,保持一定的高度差加之管中水受熱形成的密度差,熱水便能通過連接的管道實現(xiàn)自循環(huán);流經(jīng)相變材料套管,對其進行加熱融化,實現(xiàn)太陽能時間和空間的轉(zhuǎn)移。

1.2 模型設計與制作

本實驗采用xps擠塑板阻燃保溫泡沫板模擬大棚的保溫蓄熱墻體,軟性保溫棉模擬大棚夜間保溫用的毛氈覆蓋層,PO塑料透明薄膜進行空氣隔斷,小竹條作為塑料薄膜支撐結構,按照需求將xps擠塑板阻燃保溫泡沫板切割制成如圖1所示的。利用不同直徑的鋁管制成如圖1所示的偏心相變材料套管。

圖1 偏心相變材料套管

圖2 大棚模型主體

1.3 實驗設計

用如圖1所示由大棚模型主體,壁掛偏心相變儲能材料套管,PVC透明熱水管,熱水集水箱,循環(huán)水泵連接而成的模擬實驗圖進行甲、乙、丙三組實驗。控制三組實驗環(huán)境溫度一致。

三組實驗的不同之處在于:

甲組:壁掛相變儲能材料套管中為高溫相變材料且相變材料融化的熱量來源為通入管中的循環(huán)熱水。

乙組:壁掛相變儲能材料套管中為低溫相變材料且相變材料依靠水浴融化后在掛進大棚模型中。

丙組:無壁掛相變儲能材料套管。

三組實驗環(huán)境平均溫度均為7℃。

利用Agilent 34972A型號溫度記錄儀和10個熱敏溫度探頭記錄實驗室數(shù)據(jù)。相變材料充分融化并完成壁掛后,用“小太陽”電取暖器模擬太陽光照,將大棚模型內(nèi)的空氣溫度升到39℃,然后移走“小太陽”,記錄時間節(jié)點,開始記錄相變材料管和大棚模型內(nèi)空氣的降溫過程。得出結果后對各組數(shù)據(jù)進行處理、比較和分析。

2 實驗結果分析

2.1 不同增溫方式下大棚保溫效果分析

(1)對甲組實驗,在安裝好的模擬實驗裝置基礎上,先敞開PO塑料膜,采用循環(huán)水泵通63℃熱水對高溫相變材料進行加熱融化,通過緊密貼合安裝在偏心相變儲能材料套管外殼上的熱電偶(203、207、209、211、213通道)采集高溫相變材料吸熱融化的升溫過程,隨后覆膜,打開“小太陽”保持一定高度和角度對大棚模型進行模擬太陽照射過程,直至大棚內(nèi)平均室溫(201、215、217、219、220通道)達到38℃左右,撤走小太陽,覆蓋軟性保溫棉,開始記錄甲組實驗大棚的降溫過程,溫度記錄間隔為5s。分析得出高溫相變裝置與大棚室溫平均值的變化趨勢對比如圖3。

圖3 高溫相變裝置與大棚室溫平均值的變化趨勢對比

(2)對乙組實驗,相變材料管水浴融化后,迅速將其懸掛在大棚模型后壁,隨后覆膜,打開“小太陽”保持一定高度和角度對大棚模型進行模擬太陽照射過程,直至大棚內(nèi)平均室溫(201、215、217、219、220通道)達到38℃左右,撤走小太陽,覆蓋軟性保溫棉,開始記錄乙組實驗大棚的降溫過程,溫度記錄間隔5 s。分析得出低溫相變裝置與大棚室溫平均值變化趨勢對比如圖4。

圖4 低溫相變裝置與大棚室溫平均值的變化趨勢對比

(3)對丙組實驗,為空白對照組,大棚內(nèi)部不增加相變材料,僅覆膜后,打開“小太陽”保持一定高度和角度對大棚模型進行模擬太陽照射過程,直至大棚內(nèi)平均室溫(201、215、217、219、220通道)達到38℃左右,撤走小太陽,覆蓋軟性保溫棉,開始記錄丙組實驗大棚的降溫過程,溫度記錄間隔為30 s。分析得出大棚平均溫度變化趨勢如圖5。

圖5 大棚平均溫度變化趨勢

2.1.1 分析結果

甲組在實驗開始后30 min左右相變材料和大棚室溫開始趨于穩(wěn)定,分別維持在32℃、25℃左右近3個小時。乙組在實驗開始后20 min左右相變材料和大棚室溫開始趨于穩(wěn)定,分別維持在30℃、22℃左右1個小時。而空白組在開始降溫后的14 min內(nèi)就降至與室溫溫差5℃左右。實驗結果表明,相變材料在大棚保溫中的應用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)大棚。使用相變材料的大棚保暖效果優(yōu)于傳統(tǒng)大棚,且維持的平臺溫度的高低與相變材料的相變溫度呈正相關。

2.2 溫度空間分布分析

對相變材料組(甲,乙兩組)實驗特征溫度點(如圖6)的分析:

圖6 變相材料組實驗特征溫度點

試驗過程中發(fā)現(xiàn),位于最底部的測點(220通道)其溫度在整個實驗過程中總是處于較低的水平,如圖所示,符合熱空氣向上流動的原理。位于進深方向同一平面相同高度的三個測點:215,217,201通道,位置關系如圖(J)所示,溫度呈現(xiàn)為T215>T217>T201。位于同一平面上不同高度的三個測點:219,217,220通道位置關系如圖(J)所示,溫度呈現(xiàn)T219>T217>T220。

圖7 大棚模型內(nèi)同一平面高度方向上溫度變化趨勢

圖8 大棚模型內(nèi)進深方向上溫度變化趨勢

對乙、丙兩組相對應分析,呈現(xiàn)與上述一致結論。

3 結論

對兩組相變材料組的實驗結果均表明:

(1)增加相變材料后,由于相變材料的熱工特性,與空白組相比,大棚內(nèi)的平均空氣溫度能較長時間的維持在相對高的適合植物生長的平臺溫度,如圖3和圖4所示,甲組在實驗開始后30 min左右相變材料和大棚室溫開始趨于穩(wěn)定,分別維持在32℃、25℃左右近3個小時。乙組在實驗開始后20 min左右相變材料和大棚室溫開始趨于穩(wěn)定,分別維持在30℃、22℃左右近1個小時。而空白組在開始降溫后的14 min內(nèi)就降至與室溫溫差5℃左右。

(2)相變裝置對大棚的增溫效果好壞與其中充填的相變材料的性質(zhì)(平臺溫度的高低)呈正相關。

(3)相比于空白對照組(丙組),相變溫室組(甲、乙組)中溫度的空間分布呈現(xiàn)上高下低,靠近相變裝置高遠離相變裝置低的趨勢。

綜上,太陽能加相變材料在大棚保暖中的應用,使大棚的保暖效果顯著提高,且維持的平臺溫度的高低與相變材料的相變溫度呈正相關。同時相變材料的使用也減少了能源的消耗,達到了經(jīng)濟和環(huán)保的雙重效果。因此,在大棚種植業(yè)的發(fā)展中,應積極推廣相變材料的應用,提高大棚保暖效果和經(jīng)濟效益。