分级相变储放热系统在日光温室中的应用效果.pdf

太阳能学报 Acta Energiae Solaris Sinica ISSN 0254 0096 CN 11 2082 TK 太阳能学报 网络首发论文 题目 分级相变储放热系统在日光温室中的应用效果 作者 王冬晴 庄云飞 张滴滴 程杰宇 王平智 赵淑梅 DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 收稿日期 2021 10 06 网络首发日期 2021 12 22 引用格式 王冬晴 庄云飞 张滴滴 程杰宇 王平智 赵淑梅 分级相变储放热系统 在日光温室中的应用效果 J OL 太阳能学报 https doi org 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 收稿日期 2021 10 06 基金项目 国家 十三五 重点研发计划 2019YFD1001900 国家现代农业产业技术体系 CARS 23 C02 通信作者 赵淑梅 1967 女 博士 教授 博士生导师 主要从事温室节能环境调控方面的研究 zhaoshum DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 分级相变储放热系统在日光温室中的应用效果 王冬晴 1 2 庄云飞 1 2 张滴滴 1 2 程杰宇 1 2 王平智 1 2 赵淑梅 1 2 1 中国农业大学水利与土木工程学院 北京 100083 2 农业农村部设施农业工程重点实验室 北京 100083 摘 要 针对北方日光温室夜间室内低温问题 该文以收集利用温室内白天富余太阳能为目标 在理论分析相变材料特性的基础上 开发基于管材封装方式的两级相变储放热系统 并通过对比试验 在北京地区的日光温室中开展冬季应用效果试验 结果表明 所开 发系统对冬季室内空气温度和土壤温度均有良好的增温效果 其中 空气温度方面 在试验周期内 试验温室夜间 17 00至 次日 08 00 期间 平均 室内气温比对照温室平均提高 1 0 最低气温平均提高 1 2 在晴天 多云不同天气条件下 试验温室 的 夜间平均 气 温分别提高 1 3 1 2 最低气温分别提高 1 5 1 7 在两天一夜未盖保温被的阴雪 天气 条件下 试验温室的室内气温全程高于 对 照温室 最大温差 仍有 1 9 在土壤温度方面 晴天和多云天气下 试验温室 10和 15 cm处的土壤温度平均提高 0 6 0 8 研究 表明所开发系统具有良好持续的储放热能力 能够改善日光温室的冬季热环境 关键词 温室 相变材料 热储存 温度 中图分类号 S625 文献标志码 A 0 引 言 日光温室北墙的蓄热和放热功能是其冬季维持室 内温度环境的关键 白天 温室北墙吸收并储存直接 照射于墙面的太阳辐射热能及部分转化存储于室内空 气的热能 夜间 当室内空气温度低于墙面温度时 墙体就会放热 起到室内加温的作用 在一定程度上 维持室内作物正常生长所需的热环境 1 通常 温室 北墙的蓄放热性能主要取决于墙体建筑材料的种类 墙体构造及蓄热层厚度等 2 为了使北墙获得较好的 蓄放热效果 往往需要良好的蓄热性材料和足够的墙 体厚度 但这会导致墙体建设成本和占地面积的增加 因此 将墙体的蓄放热功能分解出来 通过更加有效 的蓄放热技术确保甚至提升日光温室的蓄放热性能 对 日光温室的 科学 发展 具有重要意义 目前应用于日光温室中的储热技术形式多种多样 其中 相变材料因具有较高的储能密度 和相对稳定的 温度变化特性 3 使其成为最有发展潜力的温室热环 境节能调控技术 近年来 国内外学者 对相变材料的 筛选与制备 封装方式以及与日光温室后墙的结合方 式等进行了较为广泛的研究 在材料筛选方面 郭靖 4 研究了 CaCl2 6H2O 其融化温度在 24 29 之间 潜 热值为 138 1 J g 并有一定的过冷度 梁辰等 5 研究 了定形相变石蜡 其相变温度在 26 28 之间 相变 潜热约为 100 J g 张文杰等 6 通 过 添 加 Na2HPO4 12H2O KCl 和树脂对 Na2SO4 10H2O 进行改 性 得到熔解温度和凝固温度分别为 22 61 11 8 过冷度为 1 41 潜热值为 143 6 J g 的复合定形相变 材料 但经过 100 次循环后其潜热值降为 127 8J g 王 宏丽等 7 研究了硬脂酸正丁酯 聚苯乙烯定形材料 其 熔解温度和凝固温度分别为 16 8 20 6 潜热值分 别为 72 3 72 9 J g 在封装方式方面 相关研究主要 采用了以下 4 种方式 将相变材料涂抹在温室北墙 制成相变蓄热墙板 8 9 将相变材料浸入或混合到建 筑材料中 制成相变储热砂浆 10 12 将相变材料直 接制成砌块或密封相变材料后装置在空心砌块中制成 相变蓄热砌块 13 14 利用铝箔袋 塑料袋 塑料瓶 等封装相变材料 悬挂或放置在温室内 15 18 前人研究为相变材料在日光温室的应用提供了很 好的基础 也取得了相应的效果 但总体而言 在相 变材料筛选方面 还存在诸如熔解温度偏高 不匹配 日光温室温度特征 相变 潜热较低 储放热能力不足 以及有过冷或长时间使用热性能不稳定等问题 在封 装方式方面 相变板材 砂浆及砌块存在墙体深处的 相变材料难以发生相变 因相变材料泄露或稀释而导 致储能密度降低 减弱温室后墙承重能力的问题 19 其他现有封装 方式 则 大多 存在 施工工艺较为复杂 成本较高等问题 因 此 不论是 相变材料 还是 封装 相 变材料的方式 都还 需要 进一步优化 本文尝试筛选 出 2 种相变温度不同的相变材料 采用构造及 施工 简 网络首发时间 2021 12 22 13 27 20 网络首发地址 单的管材封装 方式 构建分级相变储放热系统 通过 装备 化的设计 意在为新 旧温室提供简易 有效 低碳 经济的热环境调控技术 缓解日光温室夜间低 温的问题 改善日光温室冬季的生产环境 1 材料与方法 1 1 分级相变储放热系统 1 1 1 相变材料 应用于日光温室加温的相变材料需同时满足以下 原则 相变温度 相变材料的相变温度要与温室温 度环境特征相匹配 而且相变材料发生相变时应与温 室气温有一定温差 若将温室夜间温度维持在 10 15 并设维持相变材料必要储放热强度的最小 温差为 5 则可初步估计相变材料的相变温度为 15 20 相变潜热 相变过程中 材料吸热与放 热过程稳定 最好只有一个吸热和放热阶段 相变潜 热以达到 150 kJ kg以上为优 相变材料的化学物理 特性稳定 相变温度和相变潜热不随时间的变化而变 化 经济性 日光温室作为低能耗 低成本的农业 建筑 选用的相变材料价格不应太高 否则难以应用 推广 安全性 考虑食品安全和工作人员的安全 相变材料需无毒无害无刺激性气味 基于以上原则 又考虑到无调控条件下 傍晚保温被覆盖后至次日 保 温被揭开 温室内温度 下降幅度 会 很大 而单 一 相变 材料 不利于 稳定夜间温度环境 故系统拟选用 2 种相 变温度不同的材料进行分级放热 即高温相变材料优 先放热 减缓夜间前期温度下降的趋势 低温相变材 料后期放热 改善温室后半夜温度环境 使得温室整 个夜间温度相对平稳 经反复筛选 本研究最终选择 十二醇和蜡油 蜡油为多种甲酯混合物 这 2 种相变 材料作为试验对象 为进一步确认所选用相变材料的热性能 利用 DSC TG 测试平台 美国 TA 公司 温度准确度 0 1 加热速率 0 01 200 min 对 2种相变材料的相变温 度和相变 潜热进行测试 其测试参数设置 测温范围 为 0 40 升降温速率为 1 min 氮气气氛 采用 Origin 2018 软件绘制样品的 DSC 曲线 结果如图 1所 示 热流密度为正值时 相变材料处于放热过程 反 之处于吸热过程 由图 1a 可知 十二醇熔化时的起始 温度与峰值温度分别为 22 2 23 1 凝固时的起始 温度与峰值温度分别为 21 2 20 3 十二醇熔化与 凝固过程中的相变潜热分别为 190 9 和 166 9 J g 同 样 由图 1b可知 相变材料蜡油熔化时的起始温度与 峰值温度分别为 15 4 17 7 凝固时的起始温度与 峰值温度分别为在 11 0 10 5 蜡油熔化与凝固过 程中的相变潜热分别为 165 4J g 和 168 1J g 满足前述 分级放热的设计需求 a 十二醇 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2 1 0 1 2 热流 W g 1 温度 b 蜡油 图 1 相变材料的 DSC 曲线 Fig 1 DSC test curve of phase change materials 1 1 2 相变材料封装管材 所选 2种相变材料均为固 液相变材料 为防止相 变材料的泄露和挥发 需选用适宜的封装方式 所谓 适宜 一是要确保相变材料封装后能够形成装备 便 于安装 二是能匹配于日光温室北墙面的形状 满足 满布墙面及获得 最多太阳辐射 的安装需求 三是在 保 证 充分相变 的条件下 保证足够的相变材料用量 基于 这样的理念 该研究设计了管材封装的方式 形成排 管式分级相变储放热系统 目前市场上常用且经济性 较好的管材有 PVC 管材和 PE 管材 在同一管径和同 等长度下 PVC 管具有管壁薄 容量大 传热较快 易粘结 价廉等优点 而 PE 管则具有稳定性好 强度 高 耐低温 使用寿命长等优 点 为了考察这两种封 装管材的应用效果 这里同时选择 PVC 管和 PE 管 2 种管材组合进行试验 1 1 3 相变材料用量 白天 分级相变储放热系统吸收并储存直接照射 于墙面的太阳辐射热能和通过对流作用从周围高温空 气获得的热能 夜间通过自然对流及辐射作用将热量 释放到温室内 马承伟等 20 采用理论解析和日光温室 热环境模型与计算软件等方法 分析评估了白天日光 温室内太阳富余热能 夜间日光温室热量补充以及短 期储存装备蓄热介质的大概用量 借鉴此方法 以占 地面积为 200 m2的试验日光温室为例 以夜间室内气 温提升 2 3 为目 标 并兼顾考虑 2 3个连阴天的蓄 热需求 对 温室 夜间所需加热量进行分析 1 夜间不同时刻试验日光温室所需补充热量 aQ a a i1 dd1000Q R t 1 式中 aR 加温效应系数 一般 aR 取 2 3 8 W m2 it 室内气温 时间 s 每提高 1 单位室内地面面积夜间室内所需热 量 aQ 为 60 100kJ m2 d 2 夜间所需加温热量 aQ a a f11000Q Q A 2 式中 fA 试验日光温室占地面积 m2 要提高夜间室内温度 2 3 占地面积为 200 m2 的温室需要补充热量 24 60 MJ 3 相变材料质量 m aa p 1000KQm u 3 式中 pu 相变材料的潜热 kJ kg 此时取 2个相 变材料潜热值的平均值 aK 满足连阴 2 3 天室内 补温需求时的加温热量增大系数 取 aK 2 5 由此 根据试验温室的大小 可估算出相变材料 的用量为 337 842 kg 这里取 830 kg 1 1 4 系统构建 分级相变储放热系统是由 2 种相变材料 十二醇 和蜡油 和 2种封装管材 PVC 管 PE管 组装而成 为提升系统储放热的均匀性 2 种相变材料独立封装 间隔排列 装置共 19 组管架 每组 20 根 PE 管 280 根 140根盛放相变材料十二醇 140 根盛放相变材料 蜡油 PVC 管 100 根 50 根盛放相变材料十二醇 50 根相变材料蜡油 十 二醇总用量约 400 kg 蜡油总 用量约 430 kg 管架与后墙及相邻管壁之间 为减少 不必要的传热 通过隔热材料进行了隔热处理 PE 管 下端热熔封堵 上端堵头扣紧 PVC 管下端胶连 上 端堵头扣紧 温室装置如图 2 所示 1 管头 2 相变材料管 3 十二醇 4 蜡油 5 保温隔热层 6 固定架 7 温室北墙 保温 1 2 3 4 6 5 7 6 图 2 系统示意图 Fig 2 System diagram 1 1 5 系统工作原理 相变材料储热和放热过程是发生显热和潜热转化 的复杂过程 未达到相变温度之前 2种固态形式的相 变材料持续吸热 温度升高 发生显热蓄热过程 而 后蜡油先达到相变温度 开始由固态转变为液态 直 到蜡油全部转变为液态 潜热蓄热过程完成 之后 当环境温度高于蜡油潜热吸热终止温度时 蜡油继续 吸收热量 又发生显热蓄热过程 在此期间 后达到 相变温度的十二醇同蜡油蓄热过程一样 与蓄热过程 相反 十二醇较蜡油提前潜热放热 2种不同相变温度 材料的组合使用 可在 一 定程度上实现 分级吸热 分级放热 改善 温室午间高温 夜间低温现象的目 的 1 2 试验方案 1 2 1 温室概况 温室位于北京市通州区中农富通科技园 39 9 N 116 8 E 温室为东西走向 长 50 m 跨度 8 m 脊高 3 8 m 后墙 2 6 m 方位角为南偏东 26 温室北墙 后屋面及东西两侧山墙均采用保温性能强的聚苯板进 行装配 内外两侧表面 涂抹一层防裂砂浆 前屋面采 用厚 0 1 mm 的聚乙烯塑料薄膜作为覆盖材料 为研究 分级相变储放 热系统在日光温室内的加温效果 沿长 度方向将温室中央用 PC 板等分成西侧和东侧两个区 域 西侧温室后墙内表面装有 分级 相变 储放热 系统 作为试验温室 东侧温室后墙 不作处理 作为对照温 室 08 00左右开启温室保温被 16 30 17 00 关闭保 温被 试验温室 与对照温室通风及种植管理一致 种 植作物为番茄 土壤栽培 1 2 2 试验设计 试验测定内容与现场布置情况如图 3 所示 气 温 包括室外气温 试验温室与对照温室室内气温 室内温度测点布置在试验 对照 温室长度的三等分 点 跨度的 3 m和 6 m处 高度分别为 距 离 地面 0 7 m 和 1 5 m位置处 试验温室和对照温室各 8个测点 室内土壤温度 试验温室与对照温室土壤温度均布置 在各 温室中央 分别距地面 0 1 m和 0 15 m深度 处 所用测试仪器设备 温度传感器采用的是 T 型热电偶 南浦仪表厂 上海 数据采集与存储选用的是 34972A 数据采集仪 20 通道 34901A 数据采集板 是 徳科技有限公司 美国 数据采集时间间隔设置为 5min 测试时间为 2018年 12月至 2019年 2月 0 1 0 1 5 相变系统 防裂砂浆 聚苯板 防裂砂浆 0 71 5 3 6 空气温度测点 土壤温度测点 a 温室剖面图 单位 m 25 50 8 相变 储热 系统 试 验 温 室 对 照 温 室 b 温室俯视图 单位 m 8 5 8 8 5 图 3 温室测点分布图 Fig 3 Greenhouse measuring point distribution map 2 结果与分析 2 1 温室内外气温变化 2 1 1 试验期间内 温室 夜间 气温 变化 为了分析分级相变储放热系统对温室温度环境的 影响 图 4 给出了 2019 01 25 至 2019 02 24 试验期间 内日光温室夜间 17 00 至次日 08 00 平均室内气温 和最低气温 试验周期内 试验温室夜间平均室内气 温和最低气温均高于对照温室 其中 2月 5日 6日 连续两天是雾霾天 2 月 12 日 14 日为小雪转阴 2 月 6 日 12日 14日试验温室夜间平均室内气温比对 照温室分别高 0 9 0 9 0 8 最低气温也分别提高 1 0 1 5 0 8 说明分级相变储放热系统对短期不 利天气下 的温室热环境有改善作用 具有较好的储热 性能 2 月 14 日 为防止保温被上的积雪难以清理以 及增大日光温室前屋面骨架上的负载 白天 管理人 员正常打开保温被 雪与日光温室薄膜直接接触变成 水或者结冰 且室内太阳辐射被大大削减 所以 日 光温室在几乎无外来热源的情况下还被带走大量热量 试验温室夜间平均室内气温降低到 2 8 但还是比对 照温室高 0 8 说明该系统具有良好的放热性能 试 验温室夜间平均气温最低为 7 8 最低气温最低为 5 4 比对照温室分别提高了 1 2 0 5 试验温室 的夜间平均室内气温平均为 11 0 试验温室的最低 气温平均为 8 8 比对照温室平均提高 1 0 1 2 试验温室夜间平均气温和最低气温的提高 有利于作 物的生长发育 01 25 01 31 02 06 02 12 02 18 02 24 0 0 4 0 8 0 12 0 16 0 温度 日期 试验温室 对照温室 a 夜间平均气温 0 1 2 4 0 1 3 0 0 2 0 5 0 2 1 1 0 2 1 8 0 2 2 4 4 0 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 b 夜间最低气温 温度 时间 试验温室 对照温室 图 4 温室内气温变化 Fig 4 Change of temperature inside of greenhouse 2 1 2 典型晴天天气下温室内外气温变化 图 5给出了 2019年 2 月 7日 08 00 至 10日 08 00 连续三天的室内外气温 其中 2月 7日和 8 日为晴天 天气 2 月 9 日为多云天气 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 温度 时间 试验温室气温 对照温室气温 室外环境温度 十二醇 相变温度 蜡油 相变温度 图 5 晴天天气下温室内外气温 Fig 5 Temperature inside and outside greenhouse on sunny day 晴天以 2 月 8 日为例 08 00 刚打开保温被时 2 个温室的室内气温较低 在 10 以下 低于 2种相变 材料的凝固温度 而此时 试验温室的室内气温 比对照 温室高 1 5 可见 2种相变材料正在进行放热 08 00 10 00期间 室内空气温度随着太阳辐射增强和室外 温度的增加而升高 分级相变储放热系统也开始由放 热过程转变成集热过程 为确保作物正常生产 温室 通常会在 11 00 14 00期间进行适当通风 抑制高温 但在此期间 试验温室气温一直低于对照温室 体感 明显 说明系统在室内高温时期蓄热降温效果显著 14 00左右 试验温室和对照温室出现最大差值为 5 分级相变储放热系统抑制高温效果明显 16 30 关闭保 温被 试验温室的室内气温为 14 9 比十二醇的凝 固温度低 5 左右 比蜡油的凝固温度高 5 左右 故此时十二醇处于潜热 放热状态 蜡油处于显热放热 状态 开始延缓试验温室内气温下降的趋势 18 00至 次日 08 00 由于储放热系统的持续放热作用 试验温 室与对照温室相比 室内气温最高提高 1 7 平均提 高 1 3 而 室内最低气温 提升 1 5 能够 保持在 7 9 以上 总体而言 08 00 至次日 08 00 试验温室 和对照温室的室内空气温度范围分别在 7 9 33 6 4 36 之间 试验温室室内气温的最大温差比对照 温室低 4 6 分级相变储放热系统缩小室内峰谷温差 效果显著 2 1 3 连续多云 状况下温室内外气温 变化 图 6 显示了 2019 年 1 月 29 日 08 00 到 2 月 1 日 08 00 连续三天多云状况下的室内外气温 其中 30 日 的云量最多 图 6 多云天气下温室内外气温 Fig 6 Temperatures inside and outside greenhouse on cloudy day 以 30日为例 08 00 10 30 期间 试验温室的室 内气温从比对照温室高 0 2 1 3 10 30 17 00期间 试验温室的室内气温均低于对照温室 二者温差最高 为 3 4 平均为 0 8 17 00至次日 08 00 期间 试验温室的室内气温比对照温室高 0 2 1 7 平均高 1 2 试验温室的室内最低气温为 8 3 比对照温 室的最低温度高 1 7 表明只依靠太阳热源的分级相 变储放热系统的加温效果较好 08 00至次日 08 00期 间 试验温室室内气温的最大温差为 22 8 比 对照 温室低 4 9 再次表明了分级相变储放热系统能够起 到 午间降温 夜间升温 的效果 2 2 不同工况下温室内外气温变化 2 2 1 连续未盖保温被时温室内外气温变化 图 7显示了 2019年 2月 13日 08 00到 16日 08 00 连续三天的室内外气温 其中 13 日和 15日为晴天天 气 14 日为阴雪天气 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 温度 时间 试验温室气温 对照温室气温 室外环境温度 十二醇相变温度 蜡油相变温度 图 7 连续未盖保温被时的温室内外气温 Fig 7 Temperature inside and outside the greenhouse on snowy day 由图 7知 2 月 13 日与典型晴天 2月 8 日 18 30 至次日 08 00 的气温变化规律大致相同 试验温室夜 间室内气温全程比对照温室高 最高达 1 7 试验温 室的最低气温为 10 3 比对照温室的最低温度高 1 5 2 月 14 日由于保温被被雪水冻结 夜间未能正 常关闭保温被 致使该日保温被整 夜 处于打开状态 因此 14 日 08 00至 15日 08 00 温室内气温较低 甚 至出现零下状态 试验温室与对照温室的最低温度分 别降为 1 2 1 9 其中 对照温室在 1 的时间 持续较长 达 3 6 h 温室内作物发生严重冻害 最终 导致该季种植提前结束 而试验温室由于分级相变储 放热系统和土壤的加温作用 气温全程比对照温室高 0 1 1 6 且室内气温在 1 的时长仅为对照温室 1 4 左右 作物冻害较轻 生产几乎未受影响 此外 2 月 13日 20 00 的室内温度为 13 1 十二醇处于潜热 放热状态 2 月 14 日 20 00 试验温室的室内气温为 6 0 蜡油处于潜热放热状态 由此说明系统的分级 放热作用对抵御阴雪天的不利影响起到了明显的效果 2 2 2 保温被连续关闭条件下温室内外气温变化 图 8 给出了 2019 年 2 月 1 日 08 00 到 4 日 08 00 连续三天的室内外气温 其中 2月 1日和 2 月 3 日为 晴转多云 2 月 2 日为阴天 从 2月 1日 17 00 到 2 月 3 日 08 00 期间 保温被连续处于关闭状态 温室无太 阳辐射 图 8 连续未揭保温被时的温室内外气温 Fig 8 Temperature inside and outside greenhouse when insulation was not opened 2 月 1日 17 00 关闭保温被时 试验温室和对照温 室的室内气温大致相等 但后期对照温室温度下降较 快 致使到 2 月 3 日 08 00 试验温室的室内气温仍比 对照温室高 1 2 在此期间 试验温室的室内气温全 程高于对照温室 0 1 1 9 试验温室的最低室内气温 为 8 7 比对照温室高 1 0 分级相变储放热系统 持续放热长达 39 h 表明在无外来热源的情况下 系 统依靠前一天蓄积的热量能够实现持续放热 抑制连 阴天的影响 2 3 不同天气下温室地温变化 土壤温度对作物的生长发育起决定性作用 所以 土壤温度也是评价温室热环境的重要指标 图 9 显示 了 2018 年 12 月 31 日 典型多云 和 2019 年 1 月 1 日 典型晴天 2 个温室在 10cm 和 15cm 深度处的土 壤温度 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 温度 时间 试验温室 10 cm 对照温室 10cm 试验温室 15 cm 对照温室 15cm 图 9 不同天气下两个温室不同深度处的地温变化 Fig 9 Change of soil temperature under different depth in two solar greenhouse under different weather conditions 晴天天气下 2018 12 31 08 00 至次日 08 00 试 验温室与对照温室 10 cm 深度处的土壤温度在 09 30 前后分别达到最小值 12 8和 12 0 在 16 00 前后分 别达到最大值 15 6和 14 9 最大值和最小值都比对 照温 室提高 0 8 由于系统良好的蓄放热能力 试验 温室 10 cm深度处夜间 15 00 至次日 08 00 土壤温 度比对照温室提高 0 4 0 9 平均提高 0 6 同样 试验温室 15 cm 深度处的夜间土壤温度比对照温室提 高 0 3 1 0 平均提高 0 6 多云天气下 试验温 室 10 15 cm 深度处的夜间土壤温度比对照温室提高 0 5 1 0 0 5 0 9 平均提高 0 8 0 7 2 个温室在 10和 15 cm处的土壤温度随时间增加 呈周期性变化 且随深度的增加温度变化波动减小 晴天时 试验温室在 09 00 左右达到最小值 在 17 00 左右达到最大值 对照温室在延迟 1 2 h后达到最小 大值 多云与晴天情况下的规律变化相似 但会提前 一些达到最小 大值 受分级相变储放热系统的影响 试验温室不同深度的土壤温度全天均高于对照温室相 应深度的土壤温度 为作物的根系生长提供了重要的 温度环境 2 4 墙面和地表温度 图 10为 12月 8日早上 07 00试验区与对照区墙体 的红外热成像图 从图中看出 对照温室墙面温度与 作物叶面温度相差无几 但试验温室墙面温度明显高 于作物叶面温度 温差达 3 4 表明分级相变储放 热系统内部储存大量热量 并且直到早晨 07 00 仍在持 续放热 a 试验温室 b 对照温室 图 10 试验温室与对照温室墙体红外热成像图 Fig 10 Infrared thermal imaging of walls of experimental greenhouse and controlled greenhouse 图 11为 12月 8日早上 07 00试验区与对照区栽培 行间地表的红外热成像图 从图中看出 试验区地表 温约高于对照区地表温度 1 地温的高低也反映了 分级相变储放热系统对温室热环境的影响 a 试验温室 b 对照温室图 图 11 试验温室与对照温室地表红外成像图 Fig 11 Infrared image of soil surface of experimental greenhouse and controlled greenhouse 3 讨论与结论 3 1 讨 论 分级相变储放热系统虽在日光温室中表现出了良 好的加温效果 但与理论增温效果有一定的偏差 分 析其原因主要有三点 一是温室保温被的保温效果差 温室建成之后保温被未曾更换 有破损和遮盖不严的 地方 且冬季保温被结霜严重 导致温室前屋面热量 损失较大 二是试验温室区域靠近工作间和出入口 且试验温室与对照温室之间的隔门密闭性较差 白天 频繁观光采摘活动及工作人员的进出对温室热环境产 生较大影响 夜间 试验温室温度高 部分热量会向 温度低的工作间和对照温室传递 因此 若能提前采 取更好的保温措施 系统对温室的增温效果会更加理 想 三是相变材料的用量偏少 限制了系统的集热能 力 在晴天和多云状况下 试验温室和对照温室的升 温速率几乎一致 说明目前系统的集热能力有待提升 后续可通过优化相变材料的用量进一步增强系统的蓄 热能力 3 2 结 论 1 分级相变储放热系统的加温效果明显 试验周 期 内 2019 01 25 至 2019 02 24 试验温室夜间平均 室内气温 夜间最低气温分别比对照温室平均 提高 1 0 1 2 晴天天气下 试验温室的夜间室内气温比对照 温室最高达 1 7 平均达 1 3 多云天气下 试验 温室的 夜间 室内气温比对照温室高 0 2 1 7 平均高 1 2 此外 晴天和多云天气下 试验温室在 10 和 15 cm处的夜间土壤温度比对照温室的平均高 0 7 左 右 2 分级相变储放热系统对抵御不良天气影响有良 好的效果 连续未盖保温被且处于阴雪天气的情况下 试验温室的室内气温全天比对照温室高 0 1 1 6 对 照温室在 1 的时长为 3 6 h 试验温室仅为对照温室 的 1 4 左右 在连续未揭保温被的情况下 试验温室的 室内气温比对照温室高 0 1 1 9 系统持续放热长达 39 h 这 2种特殊情况都说明系统的蓄热和放热效果良 好 3 分级相变储放热系统 明显缩小试验温室内昼夜 温差 晴天天气下 试验温室和对照温室的室内空气 温度范围分别在 7 9 33 6 4 36 之间 试验温室 室内气温的最大温差比对照温室分别低 4 6 多云天 气下 试验温室室内气温的最大温差为 22 8 比 对 照温室低 4 9 系统能够将太阳辐射有效存储利用 即抑制白天高温 改善夜间低温 实现了 削峰填谷 的效果 综上所述 该研究所开发的分级相变储放热系统 作为一次性投入的被动式蓄放热系统 在利用太阳能 进行改善温室夜间低温环境 抵御极端天气影响 减 小昼夜温度波动幅度等方面取得了较好的效果 且系 统具有易于安装与拆卸 无需调控 节能减排等优点 是一种具有应用推广前景的温室节能调控方式 但初 步开发的系统在集热能力方面还有继续提升的空间 因此后续拟在现有的研究基础上 优化材料用量与封 装方式 探索分级集放热的协同作用机理 观测系统 材料的稳定性及系统的使用寿命 为将来的技术推广 应用提供理论依据 参考文献 1 李明 宋卫堂 赵淑梅 等 设施园艺太阳能利用技术 研究进展 J 农业工程技术 2017 37 22 16 25 LI M SONG W T Zhao S M et al Advances in the use of facility horticultural solar energy J Agricultural engineering technology 2017 37 22 16 25 2 鲍恩财 曹晏飞 邹志荣 等 节能日光温室蓄热技术 研究进展 J 农业工程学报 2018 34 6 1 14 BAO E C CAO Y F ZHOU Z R et al Research progress of storage technology in energy saving solar greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 6 1 14 3 张滴滴 王平智 程杰宇 等 温室相变储热技术研究 进展 J 农业工程技术 2019 39 22 42 47 ZhANG D D WANG P Z CHENG J Y et al Advances in the research of phase change heat storage technology in greenhouses J Agricultural engineering technology 2019 39 22 42 47 4 郭靖 外挂型相变材料日光温室的蓄热效果研究 D 杨 凌 西北农林科技大学 2011 GUO J Study on performance of heat preservation of the greenhouse in which phase change materials heat was hanged on inner surface of back wall D Yangling Northwest A phase change materials heat storage temperature