相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果

第 27 卷    第 5 期                         农  业  工  程  学  报                               Vol.27  No.5 2011年     5月                         Transactions of the CSAE                            May. 2011     253   相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果王宏丽1,2，李晓野2，邹志荣2（ 1. 西北农林科技大学机电学院，杨凌  712100； 2. 西北农林科技大学园艺学院，杨凌  712100）  摘   要： 日光温室墙体的保温蓄热性能直接影响温室内气温和作物的生长。该文选用石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比为5 5 制成复合相变材料，以稻壳为载体采用自然吸附法进行吸附得到相变骨料。相变骨料与建筑材料混合制成相变蓄热砌块，并以其为墙体建造相变蓄热温室。采用差示扫描量热法测试复合相变材料和稻壳骨料 DSC（热流 -温度）曲线，相变温区为 15 45；复合相变材料的熔解潜热为 116.2 kJ/kg，凝固潜热为 118.5 kJ/kg，相变稻壳的凝固潜热值为 70.63 kJ/kg，熔解潜热值为 58.14 kJ/kg。用多点温度计测量相变温室和普通温室室内外气温和墙体内外表面温度，相变温室室内气温波动幅度比对照温室小 4.1，最低气温比对照高 1.7，而最高气温则比对照低 2.4。通过在温室内栽培金鹏一号番茄试验，表明相变温室中番茄的生长状况明显优于普通温室。因此，该文采用的相变蓄热砌块墙体建成的日光温室比普通温室具有更好的蓄热保温性能，更有利于冬季作物生长。  关键词： 温室，室内气温， DSC，相变砌块，番茄生长  doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.05.045 中图分类号： S625.5+1           文献标志码： A           文章编号： 1002-6819(2011)-05-0253-05 王宏丽，李晓野，邹志荣. 相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果J. 农业工程学报，2011，27(5)：253257.  Wang Hongli, Li Xiaoye, Zou Zhirong. Application of brick wall with phase change rice husk in solar greenhousesJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(5): 253 257. (in Chinese with English abstract) 0  引  言日光温室的墙体兼有承重、保温和蓄热三重功效。作为主要的蓄热体和放热体，墙体对于保持温室冬季和夜间室内气温的稳定起着关键的作用。因此，日光温室墙体的蓄热性能研究一直是学者关注的重要方面。陈端生、亢树华等通过对实际使用中温室的墙体进行测试，获得了拟定材料和构造方式下，日光温室墙体的保温蓄热性能参数1-2,为温室墙体材料的选择和蓄热保温性能的研究提供了参考。郭慧卿、李小芳、陈青云等采用反应系数法3-4，佟国红、王铁良、白义奎等采用频率响应法5分别对日光温室墙体传热做了计算， 并分析了日光温室墙体的保温蓄热性能。这些研究在日光温室墙体保温蓄热性能的计算分析方法方面作了有益的探索。 马承伟6根据工程传热的理论，建立了日光温室墙体保温蓄热性能的评价指标体系，并将其编制为软件，实现了评价的自动化和快捷化。  迄今，墙体保温蓄热性能的研究大多是针对普通墙体材料的。本研究拟从新墙体材料的角度来探索提高日光温室保温蓄热性能的方法。  收稿日期： 2010-11-19    修订日期： 2011-05-18 基金项目：国家科技支撑计划（ 2006BAD28B07-5）；陕西省自然科学基金（ 2009JM7001）  作者简介：王宏丽（ 1966） ，女，陕西澄城人，副教授，主要从事温室节能研究。杨凌   西北农林科技大学园艺学院， 712100。  Email: daisy.h.wanggmail.com 通信作者：邹志荣（ 1956） ，男，陕西延安人，教授，博士，博士生导师，主要从事设施农业研究。杨凌   西北农林科技大学园艺学院， 712100。Email: zjzppublic.xa.sn.cn 相变材料（ phase change materials，简记 PCMs）是一种新型的储热材料，目前国内外研究应用的较多7-9。相变储热与显热储热、化学反应能储热相比，具有稳定、高效、价格低廉等优点，是集聚并充分利用太阳热能的一种高效方法。固液相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。在加热至熔化温度时，会发生从固态到液态的相变，在熔化过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；反之在相变材料冷却过程中，储存的热量要释放出来，同时完成从液态到固态的逆相变，且在相变和逆相变过程中保持温度的稳定10。固液相变材料是目前研究最多也是价格比较适中的材料。但因其在熔解状态下是以液态存在的，相变材料的封装就成为应用中的关键问题，而定型相变材料是应对这一难题的有效方法11-12。  为满足植物生长的要求，用于建造日光温室墙体的相变材料，应满足以下条件13： 1）相变材料的相变温度应为植物适宜生长温度； 2）相变材料相变潜热大，体积膨胀率小； 3）不产生对植物生长有害的物质； 4）导热系数大，密度大，比热容大； 5）价格低廉，来源丰富。  通过试验筛选比较，本研究小组选取适合日光温室生产温度的、相变温区在 15 45的、硬脂酸正丁酯和石蜡质量比为 5 5 复合材料作为相变材料（熔解潜热为116.2 kJ/kg，凝固潜热为 118.5 kJ/kg），并选取农作物废弃物稻壳作为载体制备定型相变材料。在前期复合材料试验14的基础上，制作相变蓄热砌块，并建相变温室和对照（砖苯夹心墙体）温室。在两个温室内种植金鹏一号西红柿，在相同的栽培管理下，测量温室室内气温、墙体内外表面温度及番茄生长状况指标，对比分析并检农业生物环境与能源工程农业工程学报                                           2011年    254 验相变蓄热墙体在日光温室中的应用效果，为建造相变蓄热砌块墙体日光温室提供参考。  1  仪器材料与实验方法 1.1  仪器与材料 1.1.1  仪器 差示扫描量热仪，美国 TA 仪器公司生产 Q100 型差示扫描量热仪（ DSC），温度精度（标准金属） 0.05以内，量热精度（基于标准金属） 1%以内。  电子天平，德国 Sartorius 公司生产， CP225D 精密电子天平，测量范围 40/80/20 mg 变量程，测量精度为 0.01 mg。  多路温度测试仪。杭州威博科技有限公司生产，体积规格 260 mm 215 mm 90 mm（长宽高），精度 (0.05%+0.02%FS)。  1.1.2  材料 硬脂酸正丁酯（ Butyl stearate），分子式 C22H44O2,结构式 CH3(CH2)16COOC4H9， 分子量 340.57， 凝固点 1620，酯含量 98.5%。  石蜡（ Paraffin） 52#，主要由 C16以上的正构（直链）烷烃组成，也含有少量异构烷烃和带长侧链环烷烃。呈白色至淡黄色，常温下为固态。平均分子量为 300 500，沸点范围为 300 550，加热时在一定温度范围内逐渐熔化，熔点 52 54。  稻壳（ Rice Husk，简记 RH），长度在 3 6 mm，密度为 98 kg/m3，导热系数在 0.11 0.12 W/(mK)之间。  32.5#矿渣硅酸盐水泥，三秦牌，陕西耀州水泥股份有限公司生产，粉煤灰、陶粒、石子，砂子等普通建筑材料。  1.2  试验用材的制备 1.2.1  稻壳定形相变材料的制备 硬脂酸正丁酯与石蜡 /稻壳定形相变材料利用自然浸泡吸附法制备。首先将准备好的复合相变材料硬脂酸正丁酯与石蜡熔解在玻璃容器中，然后将稻壳颗粒 7.35 g放置于玻璃烧瓶内密封。浸泡 2 h，稻壳将相变材料吸附饱满，石蜡 /硬脂酸正丁酯 /稻壳定形相变材料制备完毕，称质量 14.17 g。  1.2.2  相变保温砌块的制作 通过前期实验，将制备好的定形相变材料和水泥、石子、砂子、陶粒等建筑材料和水按一定比例混合，在陕西磊鑫环保建筑材料有限公司经砌块成型机制作成标准空心蓄热保温砌块，如图 1 所示。测定砌块性能为：抗压强度 4.6 MPa，体积质量 975 kg/m3，导热系数 0.792 W/(mK)，蓄热系数 21.34 kJ/kg。  图 1  相变保温蓄热砌块  Fig.1  Phase change storage bricks 1.2.3  试验温室和对照温室的建造 按同尺寸建造相变砌块日光温室和普通对照日光温室各一栋。温室长 10 m，跨度 5 m，后墙高 1.5 m，脊高2.2 m。相变温室和对照温室均采用镀锌钢管骨架和 PE膜覆盖，夜间加盖保温被。温室的剖面如图 2 所示。  图 2  试验温室剖面  Fig.2  Section of the experimental greenhouses 相变砌块温室位于西侧，温室墙体的构造由外到内分别为： 120 mm 相变蓄热砌块 +100 mm 聚苯板 +240 mm相变蓄热保温砌块，如图 3a 所示。对照温室位于东侧，温室墙体的构造由外到内分别为： 120 mm 红砖砌体 +100 mm 聚苯板 +240 mm 红砖砌体，如图 3b 所示。两温室除后墙外，其他结构参数均相同。  图 3  试验温室墙体剖面  Fig.3  Sectional view of the greenhouses wall 1.3  试验方法 1.3.1  DSC（热流-温度）测试 DSC测试使用美国 TA 仪器公司生产的 Q100 型差示扫描量热仪。制备 DSC 样品所用坩锅为进口铝质坩锅，为使分子合金与坩锅之间传热效果良好，样品质量控制在 2 4 mg 之间。  试样升降温参数：试样升温过程从 0升至 60，其升温速率为 2 /min；降温过程从 60降至 0，其降温速率为 2 /min。  1.3.2  温室温度效果测试 用多路温度测试仪测量温室内空气温度和墙体表面温度，每温室布置一台多路温度测试仪。相变实验温室和对照温室分别布置了 4 个测点， 分别为温室室内外各 1个，北墙内外墙面各 1 个。多路温度测试仪自动记录数第 5 期                      王宏丽等：相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果  255 据，记录数据的时间间隔为 240 s。  1.3.3  作物生长状况指标 2009 年 12 月份，在两温室中定植了金鹏一号番茄。每天两个温室同时打开和关闭覆盖的保温被，晴天时上午 9： 30 10： 00 am 打开，下午日落前 4： 30 5： 00 pm关闭。阴天和下雪天保温覆盖被不打开，但进行人工补光。相变温室和对照温室中栽植生长状况相同的番茄幼苗，生长一段时间后测定番茄的形态指标，包括株高、茎粗、干鲜质量等。  2  结果与分析 2.1  相变稻壳的热特性 用美国 TA 仪器公司生产的 Q100 型差示扫描量热仪（ DSC）测试制备好的相变稻壳 DSC 曲线，结果如图 4所示。根据初步测试的相变材料的相变温区确定测试的温度范围为 0 60，其升温速率和降温速率均为 2/min。在开始升温一段时间后，相变稻壳从 15.19开始逐步熔解， 20.16时放热热流密度达到峰值- 0.511 W/g；随后热流密度逐步降低， 28.61达到谷值- 0.321 W/g；其后，放热热流密度再逐步增加， 37.49放热热流密度达到另一个峰值- 0.417 W/g，随后热流密度逐渐变小，直至整个熔解过程结束，熔解潜热值为 58.14 kJ/kg。 60开始降温过程，相变材料逐步凝固， 44.27其吸热热流密度为 0.281 W/g，热流密度增加的速度加快，至 41.52温度达到第一个峰值 0.469 W/g，然后吸热热流密度又开始降低，至 24.78达到热流密度谷值 0.336 W/g，随之热流密度又开始加大， 16.32到峰值 0.497 W/g，直至整个凝固过程结束，凝固潜热值为 70.63 kJ/kg。  图 4  相变稻壳的 DSC 曲线  Fig.4  DSC of rice husk with phase change materials 从图 4 可以看出相变温区主要集中在 15 45，相变稻壳的熔解过程吸热热流密度和凝固过程的放热热流密度均有两个明显的峰区。相接的区域是互相融合的部分，说明石蜡和硬脂酸正丁酯在融合过程中并未发生化学反应。温度低的峰区是由硬脂酸正丁酯引起的，而温度高的峰区是由石蜡形成的，中间区域则是两种物质共同形成的。  2.2  相变温室的蓄热、保温效果 2.2.1  温室内气温日变化 图 5 是测试的 2010-01-28（晴）相变温室和对照温室室内气温日变化曲线图。可以看出，两温室温度变化的趋势相同， 但相变温室室内气温的变化幅度小， 从 7:06 am时刻的 10.2，到 12:42 pm 时刻的 21，温度波动幅度10.8；而对照温室从 6:54 am 时刻的 8.5到 12:54 pm时刻的 23.4，温度波动幅度 14.9。相变温室室内气温波动幅度比对照温室小 4.1，其最低气温比对照温室要高出 1.7，而最高气温则比对照温室低 2.4。相变砌块温室和普通对照日光温室温度最低值均发生在凌晨7:00 am 左右，在 13:00 pm 左右达到最高值。  图 5  相变温室与对照温室室内气温变化  Fig.5  Curve of indoor temperature of phase change greenhouse and comparative greenhouse 相变墙体限制温室内的温度变化幅度。其最低温度比普通对照温室高出 1.7，这对于低温环境下的作物来说， 是至关重要的； 其最高温度比普通对照温室低 2.4，这对温度较高的天气则是有利的。  2.2.2  温室墙体内外表面温差日变化 图 6 是实测的 2009-01-28 相变温室墙体和普通对照温室墙体的内外表面温度差的曲线图。可以看出，普通  图 6  相变温室与普通温室内外墙面温度差日变化  Fig.6  Temperature differences between outside and inside wall surface of phase change greenhouse compare with ordinary greenhouse 农业工程学报                                           2011年    256 温室墙体内外表面温差整体大于相变墙体温室。温室墙体内外表面温度差波动范围为：相变墙体温室 6.711.3，普通温室 6.8 15.1。另外，相变墙体外表面温度一直略高于普通温室。白天相变墙体的内表面温度低于普通温室墙体，夜间相变墙体的内表面温度又高于普通温室墙体。试验表明，当白天太阳光照充足、室内气温较高时，相变温室墙体能有效的吸收并储存多余的热量，而在夜间没有太阳照射、温度较低时将白天储存的热量释放出来，有良好的蓄热保温效果。  2.2.3  温室内平均气温变化 图 7 表示相变温室与对照温室 2009-12-04 2010-02-23 室内平均气温变化情况。可以看出，两温室中平均气温变化趋势大致相同，但相变温室内平均气温高于对照温室内平均气温，最高时相变温室室内平均气温高出对照温室 5.34。这说明相变保温墙体具有较强的蓄热能力，在冬季能有效提高温室室内气温。  图 7  相变温室与对照温室 2009-12 2010-02 室内温度变化  Fig.7  Curve of indoor temperature of phase change greenhouse and comparative greenhouses from 2009-12 to 2010-02 2.4  相变温室与对照温室番茄生长状况 试验选用的番茄品种为金鹏一号，采用穴盘播种育苗。 2009-12-15 选取生长健壮一致的幼苗定植到直径 30 cm，高 32 cm 的花盆中，盆中定植土为园田土加适量有机肥，将定植好的番茄幼苗分别置于两个温室中，每温  表 1  相变温室和普通温室番茄生长状况对比  Table 1  Growth status of tomato in the phase change greenhouse and comparative greenhouses 项目  相变温室  对照温室  差值  株高 /cm 79.1 51.6 27.4*根长 /cm 24.0 19.0 5.0*茎粗 /mm 8.2 7.3 0.9*单株叶数  16.0 12.0 4.0*单株花序数  4.4 2.7 1.7*单株结果数  3.5 0.0 3.5*植株总质量 /g 132.3 48.0 84.3*植株总干质量 /g 17.1 6.3 10.8*注：用 T 检验法进行分析，试验组与对照组相比， *表示处理之间差异极显著； *表示处理之间差异显著。  室 72 盆，并进行相同的日常水肥管理。于 2010-03-13 从两个温室中分别随机取十株番茄测其形态指标，求各指标的平均值，结果见表 1。  从表 1 可以看出，相变温室内的番茄的株高、茎粗、干鲜质量等指标均高于对照温室，这表明相变温室内番茄生长状况明显优于普通温室番茄。  3  讨 论 1）将相变材料用稻壳吸附后与建筑材料混合制成砌块，用于日光温室墙体的建造可有效提高温室的蓄保温能力。考虑到砌块强度和耐久性，其中稻壳的含量不能过高，这限制了相变材料的单位体积用量。若能增强稻壳的吸附能力或选用吸附能力更强的材料则可达到更好的蓄热保温效果。  2）在本次试验中，温室的保温被出现了问题，所以有段时间在光照条件较好的天气条件下，也无法打开保温被，致使番茄整体生长状态不是很好，但相变温室的番茄长势实明显好于对照温室，这也间接说明遇到不利天气状况时，相变蓄热温室可以提供更好的温度环境。  4  结  论 1）本试验结果表明，相变温室内气温波动幅度比对照温室小 4.1，最低气温比对照温室高 1.7，而最高气温则比对照温室低 2.4。相变墙体蓄热效果明显。  2）试验期间相变温室内平均气温高于普通温室，最高达 5.3。由此说明，相变材料的保温蓄热作用稳定。  3）相变温室种植的番茄超冠一号其株高、茎粗花序数等形态指标均高于对照普通温室，相变墙体温室中番茄的生长状况明显优于普通温室中番茄生长状况。表明相变蓄热温室的蓄热保温作用，有利于温室作物的生长。  参  考  文  献 1 亢树华，房思强，戴雅东，等 . 节能型日光温室墙体材料及结构的研究 J. 中国蔬菜， 1992， (6)： 1 5. 2 陈端生，郑海山，刘步洲 . 日光温室气象环境综合研究 .墙体、覆盖物热效应研究初报 J. 农业工程学报， 1990，6(2)： 77 81. 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College of Horticulture, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China) Abstract: The heat storage charatistics of solar greenhouse wall can affect the indoor temperature and crop growth envirnment. Parrafin and n-butyl stearate mixed with mass ratio 5:5 was chose as compound phase change material（ PCM） . The compound PCM was absorbed by rice husk to be stabilized PCM. Two greenhouses were built with the PCM bricks and normal bricks respectively. From differential scanning calorimetry (DSC) analysis, the transition temperature was about from 15  to 45 , while the melting and freezing latent were 58.14 and 70.63 kJ/kg.The indoor temperature and wall surface temperatures were measured. The temperature fluctuation in PCM greenhouse was 4.1  lower than that in normal greenhouse. The lowest temperature in PCM greenhouse was 1.7  higher than that in normal greenhouse, while the highest temperature in PCM greenhouse was 2.4  lower than that in normal greenhouse. The Chaoguan NO.1 tomato was cultivated in two test greenhouses. The growth status was better in PCM greenhouse. The conclusion is that the PCM wall has good effects on the indoor temperature and the crop growth. Key words: greenhouse， indoor temperature, differential scanning calorimetry (DSC), phase change material bricks, tomato growth