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第37卷 第7期 农 业 工 程 学 报 Vol 37 No 7 218 2021年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 新型相变材料蓄放热性能及在温室内的应用 张 勇 许英杰 陈 瑜 张柯新 倪欣宇 西北农林科技大学风景园林艺术学院 杨凌 712100 摘 要 日光温室现行的温度调控方法对太阳能无法进行有效利用 造成大量浪费 在极端天气条件下不能取得良好效 果 无法持续为植物提供适宜的生长环境 为解决上述问题 更好地改善温室墙体性能 该研究以复合无机相变材料 为主体 再配以水泥 锯末等原料 制备成相变材料模块 并进行相关试验 测试相变材料水泥模块的蓄放热性能 而后将其固定于日光温室后墙骨架上 采集温室内温度数据 来研究其在实际生产环境中的蓄放热效果 结果表明一 块F1 F2 F3相变材料水泥模块温度由8 3升到32 分别吸收2 575 2 3 041 5 3 286 8 kJ热量 单位体积蓄热量分 别为74 5 88 0 95 1 MJ m3 一块F1 F2 F3相变材料水泥模块温度由32降到7 8 分别放出热量2 067 0 2 344 6 2 910 2 kJ 单位体积放热量分别为59 8 67 8 84 2 MJ m3 在夏季不同天气条件下 三种相变材料都可吸收大量热量 降低温室温度峰值 在冬天夜间又可释放大量热量 提高温室最低温度 使植物始终处于环境相对适宜 温度变化较 为平缓的生长环境中 关键词 温室 相变材料 温度调控 后墙 蓄放热 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 027 中图分类号 S625 1 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2021 07 0218 09 张勇 许英杰 陈瑜 等 新型相变材料蓄放热性能及日光温室应用效果研究 J 农业工程学报 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 0 引 言 日光温室是具备中国特色的高效节能型园艺设施 具有完全的自主知识产权 在中国设施园艺的发展过程 中发挥着重要的作用 在提高城乡居民的生活质量 稳 定社会方面做出了重大贡献 1 3 但日光温室在生产实践 中存在能量不平衡的问题 白天室内吸收太阳能导致内 部温度过高因而不得不采取通风换气措施 而夜晚又由 于内部气温太低出现低温冷害 这些问题限制了日光温 室的周年生产和高效应用 日光温室围护结构特别是后 墙 是日间吸收和储存太阳能的重要载体 具有较好的 蓄放热能力 4 7 在白天吸收温室中多余的热量 然后在 夜间把白天吸收的大量热量释放出去 从而提高温室夜 间气温 8 11 墙体白天吸收的热量越多 相对应晚上释放 出的热量则越多 12 13 因此提高日光温室墙体蓄放热能 力成为温室发展的重中之重 相变材料是一种功能材料 利用其蓄放热特点可实现太阳热能地点 时间的转移 14 其贮热方式是相变潜热储热 与显热式贮热相比 潜热 收稿日期 2020 12 09 修订日期 2021 03 05 基金项目 陕西省重点研发计划项目 2018TSCXL NY 05 05 宁夏回族自 治区重点研发计划重大项目 2016BZ0901 节能日光温室结构优化与配套 技术开发研究 2017ZDXM NY 057 设施农业采光蓄热技术提升研究与示 范 2016KTCL02 02 作者简介 张勇 副教授 博士 主要从事温室建筑结构及光热环境和建筑 园艺研究 Email Landscape 中国农业工程学会高级会员 张勇 E041200715S 式贮热可以储存更多的热量 且相变过程近似等温 将 相变材料用于温室 不但能够帮助温室高效利用洁净可 再生的太阳能资源 节约不可再生能源 减少环境污染 而且可以减小温室内部温度变化幅度 有利于维持温室 内部温度稳定 15 有效提高温室蓄热能力和保温性能 增加室内温度的自调节功能 有利于给作物提供一个舒 适的生长环境 提高经济效益 对促进中国现代农业的 发展具有重要意义 16 相变材料在温室中应用广泛 许红军等 17 研究了 Na2HPO4 12H2O储放热特性 结果得出Na2HPO4 12H2O 相变温度为47 26 与36 2 潜热分别为11 78与109 J g 但该相变温度偏高 无法直接用于温室生产 需减低熔 点 消除过冷现象 张巨松等 18 在试验中将相变材料应 用于日光温室中 结果表明相变材料起到削峰填谷 的 作用 管勇等 19 20 提出了日光温室三重结构相变蓄热墙 体构筑方法 陈超等 21 研究了不同构筑方式的相变材料 蓄热性能 杨小龙等 22 制备了加入Na2HPO4 12H2O的相 变蓄热墙板 后墙结构为相变蓄热墙板 方钢和菱镁聚 苯保温板的日光温室 降低了温室气温波动 提高了土 地利用率 郭靖等 23 25 设计了多种应用于日光温室的太 阳能相变蓄热系统 将相变材料制备成空心砌块 研究 了内渗型及外挂型2种不同封装方式的相变材料的蓄热 效果 Benli 等 26 利用相变材料制作的太阳能集热器代替 化石燃料对温室供暖 并试验分析了潜热储能系统的性 能 Berroug 等 27 将相变材料应用于温室内 发现冬季夜 间室内植物本身和空气的温度周期性波动较小 夜间室 第7期 张 勇等 新型相变材料蓄放热性能及在温室内的应用 219 内平均相对湿度较对照温室低10 15 Kumari等 28 利用相变材料制成墙板并安装于温室的北墙处 研究相 变材料墙板对植物及室内空气温度的影响 相变储能材料是相变储热技术的核心物质 其性价 比关系该技术的应用前景 物性参数对其应用起到至关 重要的作用 尽管目前性能参数的测定研究较多 但相 关参数不够精确且不够全面 其信息缺乏完整性和系统 性 以及适合作物生长温度的相变储能材料及其复合制 备方法较少 因此 本文在前人试验的基础上对相变储 能材料进行筛选 选择多种相变储能材料 将它们应用 于装配式温室后墙 以提高后墙蓄放热能力 1 材料与方法 1 1 供试材料 1 1 1 试验温室 本试验温室采用的是张勇等 4 29 30 设计的一种新型结 构的装配式温室 供试日光温室位于陕西省杨凌示范区 揉谷镇与学院合作的生产性垂直农场基地 北纬 N34 17 21 33 东经E108 05 27 44 坐北朝南东西延长 长度30 m 跨度12 m 脊高5 2 m 透明覆盖材料为PO 膜 温室结构如图1所示 杨凌示范区位于关中地区 年平均气温12 9 夏季平均气温在25 1 以上 年 极端最低气温 13 4 极端最高气温38 5 2020全 年日均温如图2所示 年平均日照时数2 163 8 h 太阳 能年辐射量在4 190 5 016 MJ m2 注 1 2 3为温室跨度1 4与温室长度四等分点交点距地面1 0 m温度测 点 4 5 6为温室温室跨度1 2与温室长度四等分点交点距地面1 0 m温 度测点 7 8 9分别为温室温室跨度3 4与温室长度四等分点交点距地面 1 0 m温度测点 10 11 12分别为温室北部距地面1 0 m温度测点 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 图1 温室结构及温度测点图 Fig 1 Greenhouse structure and temperature measurement points 1 1 2 试验材料 磷酸氢二钠 Na2HPO4 工业 25 kg 袋 质量分 数为98 0 西陇化工有限公司 硫酸钠 Na2SO4 工业 50 kg 袋 质量分数为98 0 宁夏兴昊永盛盐业科 技有限公司 氯化钾 KCl 工业 50 kg 袋 质量分数 为98 青海香江盐湖开发有限公司 四硼酸钠 硼砂 工业 25 kg 袋 质量分数为99 5 天津永大化学试剂有 限公司 羧甲基纤维素钠 CMC 工业 25 kg 袋 山 西运城市风陵渡开发区天旗建材厂 注 数据来源于中国气象网 Note Data comes from China Meteorological Network 图2 杨凌2020年日均温图 Fig 2 Daily average temperature of Yangling in 2020 1 2 试验方法 1 2 1 温室相变材料后墙的建造 相变材料使用模块化安装方法 将事先选择好的相 变材料配置完成 然后将其封装到17个相同规格的PET 塑料瓶中 一个PET塑料瓶体积为550 mL 然后浇筑成 相变材料水泥模块 相变材料水泥模块长度为120 cm 厚度为8 cm 高度为30 cm 其在温室中的位置如下图3 所示 其面积为温室后墙面积的一半 a 相变材料水泥模块布置图 a Layout drawing of phase change material cement module b 实物图 b Real picture 注 1 室外空气 2 保温被 3 后墙骨架 4 相变模块 5 室内空气 6 前屋 面骨架 Note 1 Outdoor air 2 Insulation quilt 3 Back wall skeleton 4 PCM module 5 Indoor air 6 Front roof skeleton 图3 相变材料水泥模块 Fig 3 Phase change material cement module 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 220 课题组前人已研究多种相变材料的DSC曲线 以F3 复合相变材料配方DSC曲线图为例进行说明 如图4所 示 该配方从2 18 开始大量放热 热流峰值出现在 2 07 整个放热过程释放的热量为92 52 J g吸热过程 开始于14 11 分别于15 76和25 32 达到高峰 在 整个吸热过程中吸收的热量为112 42 J g 由于DSC样品 量少 降温速度快 不能反应宏观状态特性 课题组成 员补充了T history试验 可以更好地反映相变体系在温 室中的应用特性 如图5所示 不同配方的相变温度及 放热量存在一定差异 在升温相变过程中 材料会吸收 一部分热量 使环境温度下降 在降温相变过程中则会 向环境中释放热量使得环境温度上升 不同相变材料体 系相变吸热温度基本位于20到30 之间 可以在温度 过高时及时吸收热量 避免高温对温室内作物的伤害 注 数值为温度和潜热量 Note Values in figure are temperature and latent heat 图4 F3复合相变材料体系DSC曲线 Fig 4 DSC curve of 3P1K4S composite phase change material system a 二盐混合体系步冷曲线 a Step cooling curve of different di salt mixed systems b 三盐混合体系步冷曲线 b Step cooling curve of three salt mixed system 图5 不同相变材料步冷曲线图 Fig 5 Step cooling curves of different phase change materials 在降温过程中 多数材料放热温度点位于10 至20 之间 个别体系放热温度小于10 可以在温室温度降 低时适时补充热量 防止冻害和冷害的发生 本试验根据课题组前人的研究 针对温室生产实际 情况 选取F1 F2和F3三种较适宜温室生产的复合相 变材料来进行进一步的试验 F1 相变材料由Na2HPO4 12H2O和KCl以1 3的比例 再混以水 CMC和硼砂制 备而成 F1在升温过程中温度达到21 时升温速率减 缓 降温过程中温度为9 时温度回升 F2相变材料由 Na2HPO4 12H2O和KCl以1 1的比例 再混以水 CMC 和硼砂制备而成 F2在升温过程中温度达到21 时升 温速率减缓 降温过程中温度为12 时温度回升 F3 相变材料由Na2HPO4 12H2O KCl和Na2SO4以3 1 4的 比例 再混以水 CMC和硼砂制备而成 F3在升温过程 中温度达到23 时升温速率减缓 降温过程中温度为 19 8 时温度回升 1 2 2 不同材料墙水泥模块热流量测点 测点分布在相变材料水泥模块长度方向1 2 和相变 材料水泥模块高度1 2 交点处的模块前后表面 每隔 1 min记录一次数据 1 2 3 不同材料水泥模块温度测定 在每块模板高的1 2截面与长的1 2截面的交线处做 为温度探头插入点 在模块厚度的1 2 的处放入温度测 点 每隔1 min记录一次实时温度数据 1 2 4 温室环境测定 在试验温室内 温度测点位于温室长度方向四等分 点和温室跨度方向四等分点的交点处 高度分别为距地 面0 5 1 0 1 5 m 光照和湿度测点位于温室长度方向 二等分点和温室跨度方向三等分点交点处 高度为距地 面0 5 m处 1 2 5 试验仪器 称量精度为0 01 g的电子天平 型号ES 1000HA 苏州博泰伟业电子科技有限公司制造 测温度使用T型热电偶温度传感器 精度 0 2 连接到34970A数据自动采集仪 美国Agilent公司生产 测试墙板及相变材料内部温度采用T型热电偶温度 传感器 精度 0 2 连接到34970A数据自动采集 仪 美国Agilent公司生产 测温度 第7期 张 勇等 新型相变材料蓄放热性能及在温室内的应用 221 热流测试使用JTR01温度热流测试仪 北京世纪建 通环境技术有限公司制造 1 2 6 数据处理 本文试验数据采用Origin以及Excel进行数据分析及 二维图表的制作 2 结果与分析 2 1 不同材料水泥模块热流量分析 2 1 1 蓄热能力 试验所使用的水泥模块材料配比都一致 物理参数 接近 为测试相变材料水泥模块性能 我们分别选取了 F1 F2 F3三种相变材料水泥模块各一块 在实验室 进行了升降温试验 重复多次 采集温度和热流数据对 相变材料水泥模块的蓄放热性能进行分析 从图中我们可以看出 在升温过程中 F1温度在达 到26 左右时 升温速率开始减缓 热流量呈现出较为 稳定的下降状态 F2在温度达到21 左右 升温速率有 了明显的减缓 但吸收的热流并没有明显减小 说明相 变材料此时在发生相变 吸收大量的热量 F3温度上升 速率在21 左右有了明显的下降 且热流量还稳持稳定 根据数据计算每个相变材料水泥模块升温过程中的吸热 量 相变材料水泥模块吸放热量计算方程为 Q蓄 放 热 q1 q2 qn S t 1 式中Q蓄 放 热为相变材料水泥模块总蓄 放 热量 J q为仪器在某一时刻测试的瞬间热流量 W m2 S为相 变材料水泥模块前表面面积 m2 t为数据记录时间间 隔 s 经计算 厚度为0 08 m的一块F1 F2 F3相变材 料水泥模块温度由8 3 升到32 分别吸收2 575 2 3 041 5 3 286 8 kJ热量 单位面积蓄热量分别为5 961 1 7 040 5 7 608 3 kJ m2 2 1 2 放热能力 放热过程中 F1在8 3 发生相变 温度有了明显 的上升 热流量也有所增大 F2变化虽没F1明显 但在 10 左右温度下降速率也有了明显减缓 热流量也比较 平稳 稳定放热 F3在13 9 开始相变 温度明显上升 热流量稳定 根据数据计算每个相变材料水泥模块降温 过程中的放热量 经计算 厚度为0 08 m的一块F1 F2 F3相变材料水 泥模块温度由32降到7 8 分别放出热量2 067 0 2 344 6 2 910 2 kJ 单位面积放热量分别为4 784 7 5 427 3 6 736 6 kJ m2 单块水泥模块吸放热量具体如图6所示 图6 单块F1 F2 F3水泥模块吸放热量 Fig 6 Heat absorption and release diagram of single F1 F2 and F3 cement modules 图7 F1 F2 F3温度和热流变化 Fig 7 F1 F2 F3 temperature and heat flow change 2 2 温室夏季典型天气条件温度对比分析 经热流试验初步研究表明 三种相变材料配方相变 模块虽然蓄放热能力有一定差异 但整体蓄放热性能较 为良好 为了更好地了解其对于为温室气温的调控作用 在试验温室中进行了进一步的试验和数据采集与分析 2 2 1 典型晴天 选取夏季典型晴天8月31日 图8a 南部与温室北 部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析 该天外界最 高气温是29 8 最低气温为15 9 从图中可以看出在0 00到8 00这个时间段内 温室 南部 温室北部和墙体三者的温度都在小幅度波动 整 体处于下降趋势 在早晨8 00左右 三者到达最低温度 温室南部 温室北部和墙体的最低温度分别是19 7 19 7 和20 9 从8 00到14 00 温室气温整体处于持续上 升阶段 在14 00时达到最高温度40 2 墙体温度 上升较为缓慢 且有一定的延后性 在17 00才达到最大 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 222 值 F1 F2和F3温度最大值分别为31 8 34 5 31 5 在晴天条件下 相变材料墙体日间吸收了温室内部 大量多余的热量 根据试验数据进行计算 一块F1相变 材料水泥模块温度由20 1升到31 8 吸收989 3 kJ热 量 共吸收热量35 614 8 kJ 一块F2相变材料水泥模块 温度由21 1升到34 5 吸收2 021 9 kJ热量 共吸收热 量72 788 4 kJ 一块F3相变材料水泥模块温度由20 6升 到31 5 吸收1 905 1 kJ热量 共吸收热量57 153 6 kJ 三者一共吸收了热量165 556 8 kJ F1和F3墙体温度低 是因为F1和F3所在的位置进行自然通风措施 散失了 部分热量 导致墙体温度较F2低 墙体日间吸收的热量 在夜间释放出来 可以减小温室温度变化幅度 根据试 验数据进行计算 一块F1相变材料水泥模块温度由31 5 降到22 2 放出644 9 kJ热量 共放出热量23 216 4 kJ 一块F2相变材料水泥模块温度由34 5 降到21 6 放出 811 4 kJ热量 共放出热量29 210 4 kJ 一块F3相变材 料水泥模块温度由31 5降到22 2 放出676 4 kJ热量 在日光温室中共有30块 共放出热量20 292 0 kJ 三者 表现中 F3最优 F2次之 F1最差 因为相变材料墙 体吸收了大量的热量 再辅以自然通风 温室在夏季典 型晴天内部最高气温只有40 5 这说明相变材料墙 体降低温室温度峰值 达到了夏季降温的目的 2 2 2 典型阴天 选取夏季典型阴天9月13日 图8b 温室南部与温 室北部高度为1 m的温度和墙体温度数据进行分析 该 天外界最高气温是26 8 最低气温为18 6 0 00至8 00 温室南部 温室北部和墙体三者的温 度呈现小幅度波动 温度差距较小 温室和墙体最低温 度分别是20 5和23 5 8 00到15 00 温室气温不断 升高 但温室北部升温速率较快 最高温度为31 2 F1 F2和F3墙体温度最大值分别为27 9 27 8 27 3 阴天条件的温度变化幅度小于晴天条件 墙体所吸 收的热量也相应减少 根据试验数据进行计算 一块 F1 相变材料水泥模块温度由23 9 升到27 9 吸收 349 7 kJ热量 共吸收热量12 589 2 kJ 一块F2相变 材料水泥模块温度由23 4升到27 8 吸收675 3 kJ热 量 共吸收热量24 310 8 kJ 一块F3相变材料水泥模 块温度由23 5升到27 3 吸收744 6 kJ热量 共吸收 热量22 338 0 kJ 三者一共吸收热量59 238 kJ 白天 吸收的热量在夜间被释放出来 一块F1相变材料水泥 模块温度由27 9降到22 9 放出331 0 kJ热量 共可 放出热量11 916 0 kJ 一块F2相变材料水泥模块温度 由27 8 降到22 7 释放热量426 0 kJ 共释放热量 15 336 0 kJ 一块F3相变材料水泥模块温度由27 3下 降到 22 6 放出 351 9 kJ 热量 共释放热量 10 557 0 kJ 三者表现中 F3最优 F2次之 F1最差 三者吸收的热量虽远不如晴天 但也有效的降低温室内 部温度 温室最高温度为31 2 2 2 3 典型雨天 选取夏季典型雨天9月21日 图8c 温室南部与温 室北部高度为1 m的温度和墙体这三处温度数据进行分 析 该天外界最高气温是15 6 最低气温为13 6 a 晴 2020 08 31 2020 09 01 a Sunny day 2020 08 31 to 2020 09 01 b 阴 2020 09 13 2020 09 14 b Cloudy day 2020 09 13 to 2020 09 14 c 雨 2020 09 21 2020 09 22 c Rainy day 2020 09 21 to 2020 09 22 图8 夏季晴天 阴天 雨天墙体和温室不同位置对比 Fig 8 Comparison of different locations of walls and greenhouses on a sunny cloudy and rainy day in summer 与晴天和阴天相比 雨天的温度变化范围更窄 从 图中我们可以看出 墙体温度和温室气温变化幅度都很 小 F1和F2墙体温度与温室气温差距较小 并没有发挥 明显作用 但F3墙体温度一直处于下降趋势 持续的向 温室内部释放一定的热量 这也是F3温室北部气温高于 温室南部气温的主要原因 在雨天条件下 F3配方表现最好 而F1和F2配方 表现相近 都不如F3配方 2 3 温室冬季典型天气条件温度对比分析 2 3 1 典型晴天 选取冬季典型晴天1月1日 图9a 温室南部与温 第7期 张 勇等 新型相变材料蓄放热性能及在温室内的应用 223 室北部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析 该天外 界最高气温为6 9 最低气温为 9 9 在0 00至10 00这个时间段 温室气温和墙体温度 都在缓慢的下降 变化幅度较小 温室最低气温为7 2 墙体温度最低为8 5 10 00打开保温被之后 温室温 度进入持续上升阶段 在14 00 温室气温达到最大值 为40 5 墙体温度在16 00达到最大值 为25 6 夜间温室气温急速下降 而墙体温度下降较为缓慢 在 同一时刻 墙体温度与温室气温最大温差为7 2 在 18 00以后 墙体温度始终高于温室气温 可以持续不断 的将白天蓄积的热量释放到温室中 提高温室气温 防 止温室内部温度过低 a 晴 2021 01 01 2021 01 02 a Sunny day 2021 01 01 to 2021 01 02 b 阴 2022 01 05 2021 01 06 b Cloudy day 2021 01 05 to 2021 01 06 图9 冬季晴天和阴天墙体和温室不同位置对比图 Fig 9 Comparison of different locations of walls and greenhouses on a sunny and cloudy day in winter 晴天条件下 墙体温度变化幅度较大吸收热量较多 一块0 08 m厚的F1相变材料水泥模块温度由10 1 升高 到27 2 可吸收热量1 929 6 kJ 单位面积蓄热量为 4 69 0 kJ m2 在夜间 一块0 08m厚的F1相变材料水泥 模块温度由27 2降低到12 4 可释放热量1 012 3 kJ 单位面积放热量为2 343 2 kJ m2 一块0 08 m厚的F2相 变材料水泥模块温度由8 6 升高到25 1 可吸收热量 1 974 6 kJ 单位面积蓄热量为4 571 0 kJ m2 在夜间一块 0 08 m厚的F2 相变材料水泥模块温度由25 2 降低到 12 2 可释放热量1 388 7 kJ 单位面积放热量为 3 214 6 kJ m2 一块0 08 m厚的F3相变材料水泥模块温 度由8 5升高到25 6 可吸收热量2 086 9 kJ 单位面积 蓄热量为4 830 7 kJ m2 夜间一块0 08 m厚的F3相变材 料水泥模块温度由25 6 降低到13 3 可释放热量 1 711 1 kJ 单位面积放热量为3 960 9 kJ m2 在夜间 F1 F2和F3相变材料墙体温度均高于温室 气温 都可以向温室释放大量的热量 三者共可释放热 量76 272 kJ 在外界温度较低的情况下 使温室最低气 温只有8 达到为温室升温的目的 2 3 2 典型阴天 选取冬季典型阴天1月5日 图9b 温室南部与温 室北部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析 该天外 界最高气温是6 1 最低气温为 3 0 和晴天条件下一样 在卷起保温被前即0 00至10 00 这个时间段 温室气温和墙体温度都在缓慢的下降 变 化幅度较小 温室最低气温为8 6 墙体温度最低为 9 2 10 00打开保温被之后 温室温度进入上升阶段 在14 00 温室气温达到最大值 为36 墙体温度在 16 00达到最大值 为20 7 夜间温室气温急速下降 而墙体降温速率低于温室气温 在同一时刻 墙体温度 与温室气温最大温差为5 1 阴天温度变化幅度较小 一块0 08 m厚的F1相变材 料水泥模块温度由10 9 升高到19 6 可吸收热量 1 171 3 kJ 一块0 08 m厚的F2相变材料水泥模块温度 由10 升高到20 2 可吸收热量1 137 7 kJ 一块0 08 m 厚的F3相变材料水泥模块温度由10升高到20 7 可吸 收热量1 131 5 kJ 夜间墙体将白天蓄积的一部分热量释 放出来 一块0 08 m厚的F1相变材料水泥模块温度由 19 6降低到12 7 可释放热量473 2 kJ 单位面积放热 量为1 095 4 kJ m2 一块0 08 m厚的F2相变材料水泥模 块温度由20 2 降低到11 3 可释放热量1 035 0 kJ 单位 面积放热量为2 395 8 kJ m2 一块0 08 m厚的F3相变材 料水泥模块温度由20 7 降低到11 9 可释放热量 1 651 4 kJ 单位面积放热量为3 822 7 kJ m2 阴天条件下 三种相变材料放出的热量虽不如晴天 多 但也可避免温室气温过低 三者共释放热量 39 626 4 kJ 使温室气温保持在9 以上 2 4 墙体热场分布及分析 图10为墙体热象图 表现了墙体的热场分布情况 从图中明显可以看出 相变材料墙体内部蓄积了大量的 热量 且墙体温度明显高于温室环境温度 可以持续不 断的向温室释放热量 图10 墙体热场分布 Fig 10 Wall thermal field distribution 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 224 3 讨 论 选取冬季晴天数据 与冬季晴天条件下温室其他材 料墙体蓄放热性能进行比较 具体如下图11所示 史宇亮等 31 研究了0 6 m厚的土墙蓄放热性能 计算 了2014年12月20日0 00到2015年1月18日多天的蓄 放热量 选取2015年1月17日的数据进行比较说明 当天外界太阳辐射照度最大值为505 9 W m2 试验得出 晴天土墙单位体积蓄热量为5 489 3 kJ m3 单位体积放热 量为1 873 kJ m3 本试验晴天为2021年1月1日 该天 外界太阳辐射照度最大值为445 6 W m2 是505 9 W m2 的88 1 试验得出F1 F2和F3墙体单位体积蓄热量 分别为55 862 5 57 137 5 60 383 75 kJ m3 单位体积放 热量为29 290 40 182 5 49 511 25 kJ m3 F1 F2 F3 相变材料水泥模块单位体积蓄热量分别是土墙的10 2 倍 10 4倍和11倍 单位体积放热量分别是土墙的15 6 倍 21 5倍和26 4倍 三者均表现出远优于0 6m土墙的 蓄放热性能 张潇丹等 32 2014年12月7日在酒泉进行试验研究 该天墙体内表面太阳辐射量最大为473 W m2 外界则更 高 结果得出红砖墙晴天单位体积蓄热量为 11 437 5 kJ m3 单位体积放热量为4 458 3 kJ m3 F1 F2 F3相变材料水泥模块单位体积蓄热量分别是土墙的4 9 5 0和5 3倍 单位体积放热量分别是土墙的6 6 9 0和 11 1倍 三种相变材料墙体在太阳辐射量相比较小且厚度仅 为土墙13 砖墙17 的情况下 单位体积蓄放热量显 著高于土墙和砖墙 若在相同太阳辐射量条件下 且适 当增加墙体厚度 三种相变材料墙体会有更加优异的蓄 放热表现 以上试验结果证明了相变模块应用在温室实 际生产中的可行性与良好性能 图11 不同材料后墙单位体积蓄放热量 Fig 11 Heat storage per unit volume of the back wall of different materials 4 结 论 本研究应用了三种复合相变材料蓄热体系 通过试 验数据计算了它们的蓄热量和放热量 并测试了其在温 室中的实际应用效果 得到以下结论 1 一块F1 F2 F3 相变材料水泥模块温度由8 3 升到32 单位体积蓄热量分别为74 5 88 0 95 1 MJ m3 一块F1 F2 F3相变材料水泥模块温度由32降到7 8 单位体积放热量分别为59 8 67 8 84 2 MJ m3 2 在夏季晴天 F1 F2和F3墙体在日间分别可吸 收热量35 614 8 72 788 4 57 153 6 kJ 共吸收热量 165 556 8 kJ 有效降低温室气温 减小温度变化幅度 使温室气温始终保持在40 5 以下 冬季晴天F1 F2 和F3墙体在夜间分别可释放热量36 442 8 49 993 2和 51 333 kJ 可以有效提高温室夜间温度 使温室气温维持 在8 以上 3 在8 32 这一升降温区间 F3蓄放热量最多 F2次之 F1蓄放热量最少 三者的单位体积蓄热量均显 著高于土墙和砖墙 在实际生产应用中表现良好 参 考 文 献 1 韩云全 陈超 管勇 等 复合相变蓄热墙体材料对日光 温室热环境及番茄生长发育的影响 J 中国蔬菜 2012 18 99 105 Han Yunquna Chen Chao Guan Yong et al Effect of composite phase change thermal storage wall materials on solar greenhouse thermal environment J China Vegetables 2012 18 99 105 in Chinese with English abstract 2 马承伟 陆海 李睿 等 日光温室墙体传热的一维差分 模型与数值模拟 J 农业工程学报 2010 26 6 231 237 Ma Chengwei Lu Hai Li Rui et al One dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2010 26 6 231 237 in Chinese with English abstract 3 王晓冬 马彩雯 吴乐天 等 日光温室墙体特性及性能 优化研究 J 新疆农业科学 2009 46 5 1016 1021 Wang Xiaodong Ma Caiwen Wu Letian et al Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall J Xinjiang Agricultural Sciences 2009 46 5 1016 1021 in Chinese with English abstract 4 张勇 邹志荣 一种蓄热后墙的日光温室102630526 P 中国专利 2012 08 15 5 张勇 高文波 邹志荣 主动蓄热后墙日光温室传热CFD 模拟及性能试验 J 农业工程学报 2015 31 5 203 211 Zhang Yong Gao Wenbo Zou Zhirong et al Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back wall J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2015 31 5 203 211 in Chinese with English abstract 6 高文波 张勇 邹志荣 等 主动采光蓄热型日光温室性 能初探 J 农机化研究 2015 37 7 181 186 Gao We