王永超李海建冀志江

（1 中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；2河北工業(yè)大學材料科學與工程學院，天津 300130；）

溫室建筑相變節(jié)能系統(tǒng)的設計思路

王永超1,2李海建1冀志江1

（1 中國建筑材料科學研究總院綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；2河北工業(yè)大學材料科學與工程學院，天津 300130；）

溫室大棚作為一種特殊建筑，其超高能耗問題卻常常被忽視。本文綜述了國內(nèi)外相變材料在溫室蓄熱節(jié)能中的應用進展，指出了目前應用中存在的一些關鍵問題：相變材料的快速充能、實際應用效果以及綜合成本，同時對相關的解決方案進行了分析評價，并提出了一套風能致熱—相變儲能相結(jié)合的溫室調(diào)溫系統(tǒng)模型。

溫室大棚；建筑節(jié)能；相變材料；風能致熱

1 前 言

溫室大棚作為現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，其優(yōu)勢在于向市場提供反季節(jié)農(nóng)產(chǎn)品（蔬菜、瓜果、花卉等）。為了適應室外極端的氣候變化，現(xiàn)代化的溫室通常需要采取相應冬季加熱保溫措施和夏季降溫措施。其中，冬季燃煤采暖成本約占總生產(chǎn)成本的30%—50%[1]。長期以來，溫室大棚作為一類特殊建筑，其超高能耗問題卻常常被忽視，如何有效地解決溫室冬季采暖供熱已成為阻礙我國低碳農(nóng)業(yè)，資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵性問題。相變材料因其具有在近似恒溫條件下被動蓄/放潛熱的特性[2]，被很早提出來應用于溫室大棚[3-4]，代替冬季溫室內(nèi)燃煤采暖。

理論上，相變材料在白天蓄存大棚內(nèi)多余的太陽能，當夜間棚內(nèi)空氣溫度低于相變溫度時，釋放白天儲存的能量，以滿足溫室內(nèi)作物的生長需要。然而，在實際應用過程中，卻面臨諸多問題。例如，如何實現(xiàn)相變材料的快速熔化“充能”？如何凸顯相變材料的應用在溫室農(nóng)作物增產(chǎn)方面的作用和抗自然災害（連續(xù)的陰雨、風雪天氣）的能力？如何控制總體的成本，降低農(nóng)戶的投資負擔？為此，本文根據(jù)目前相變材料在溫室應用中出現(xiàn)的問題和我國北方氣象特點，提出了一套風力致熱—相變儲能相結(jié)合的溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)模型，并對系統(tǒng)中風力致熱的可行性與相變蓄熱部分設計原則進行了詳細的闡述。該系統(tǒng)以風能、太陽能等可再生能源為主要的能量來源，通過相變材料將熱量儲存起來，進而滿足溫室大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長需求，同時該系統(tǒng)不僅可以降低能耗，減少環(huán)境污染，同時對解決我國目前“三北”（華北、東北、西北）地區(qū)“棄風限電”[5]造成的風力資源浪費問題具有指導意義。

2 溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

對于目前大多數(shù)的日光溫室相變系統(tǒng)來說，換熱系統(tǒng)與相變蓄熱系統(tǒng)是其設計核心。所以，工作的重心大多放在高效換熱器的設計[6-8]和低熔點高焓值相變材料[9-10]的研發(fā)上，這類系統(tǒng)統(tǒng)稱為相變換熱系統(tǒng)（裝置）。相變換熱系統(tǒng)具有“熱響應”快，集成度高（節(jié)約體積），成本較低的特點，但此類系統(tǒng)由于缺乏完整的集熱（致熱）設備，在推廣應用過程中受到地域和氣象條件的嚴格限制。以北京地區(qū)為例，1月份溫室大棚在白天（晴）的室內(nèi)最高氣溫在27℃左右，并且持續(xù)時間僅在下午1：00到3：00之間。對于地處高緯度的東北地區(qū)，溫室內(nèi)最高氣溫只有25℃左右，夜間氣溫更是低至5℃左右。在這種氣溫條件下，相變材料的熔化“充能”過程會受到一定的影響，出現(xiàn)不完全熔化的現(xiàn)象，致使白天的儲熱量無法滿足夜間農(nóng)作物生長對溫度要求。

為了彌補上述相變換熱系統(tǒng)的集熱不足，一些研究者們利用太陽能集熱器[11-12]或地源熱泵系統(tǒng)[13-14]來強化熱量收集。太陽能集熱器及換熱片分別經(jīng)管路及安裝在該管路上的PLC控制器與儲熱水箱相連形成循環(huán)回路，相變材料通過換熱片與水箱中的高溫熱源進行熱交換，這類系統(tǒng)統(tǒng)稱為太陽能光熱相變換熱系統(tǒng)。由于增加了較為完善的集熱系統(tǒng)，太陽能光熱相變換熱系統(tǒng)基本上可以較好的解決因緯度、地域因素造成的相變材料無法完全充能熔化問題。但是，在面對農(nóng)戶最關心的連續(xù)低溫陰雨、風雪災害等惡劣天氣時，這種僅依靠太陽能輻射來儲存能量的相變系統(tǒng)只能處于“待機”狀態(tài)。近年來，地源熱泵技術的快速發(fā)展受到了廣泛的關注，尤其是在與相變蓄熱系統(tǒng)有機地結(jié)合以后，展現(xiàn)出傳統(tǒng)被動式溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)所不具備的技術優(yōu)勢和巨大的市場潛力[15-16]。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源，即可實現(xiàn)能量從低溫熱源向高溫熱源的轉(zhuǎn)移，同時可以適應各種極端氣候條件，并且在智能化監(jiān)控方面占有絕對優(yōu)勢。雖然地源熱泵的運行費用大概為傳統(tǒng)供熱方式（燃煤）的30%左右，但其初期安裝成本非常高。以2006年中國農(nóng)業(yè)大學在上莊實驗站設計的地下水源熱泵系統(tǒng)為例，初期總投資高達73萬[17]。2012年北京市農(nóng)林科學院蔬菜研究中心在北京地區(qū)一棟玻璃連棟溫室(756m2)中采用地下水式地源熱泵(ground source hear pump，簡稱GSHP)技術進行了冬季供暖試驗，所使用的熱泵機組型號為HE450型，單機價格約為40萬元(包括安裝費用)，連棟玻璃溫室(750m2)中空調(diào)末端投資大概8～10萬元，抽水井和回水井的費用共約20萬元，初期總投資也在70萬左右[18]。隨著近年來地源熱泵技術的不斷發(fā)展，設計成本也在不斷降低，但就目前市場行情來看，可用于溫室大棚的地源熱泵依然高達幾十萬，而一般的蔬菜大棚每畝造價不會超過1.5萬。地源熱泵如此高的初期投入費用，對于以生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品為主的溫室大棚產(chǎn)業(yè)來說，應用和推廣還存在著極大的困難。

3 風力致熱—相變儲能聯(lián)合溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)的設計

一套優(yōu)秀的溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)應滿足以下三點基本要求：首先，必須保證系統(tǒng)整體運行中不存在嚴重的技術問題；其次，能讓溫室大棚的經(jīng)營者（農(nóng)戶）可以切實感受到相變材料的應用所帶來的收益以及較強的適應極端天氣條件的能力；最后，系統(tǒng)每部分的設計必須考慮實際成本投入，讓溫室大棚的經(jīng)營者（農(nóng)戶）承擔的起。

3.1 風能致熱系統(tǒng)的可行性分析

集熱（致熱）系統(tǒng)是整個相變調(diào)溫系統(tǒng)最基本的能量輸入途徑，對后續(xù)相變蓄熱系統(tǒng)參數(shù)（相變材料的種類、相變溫度、用量）的設計起到?jīng)Q定性的作用。相比太陽能集熱，風能致熱對惡劣天氣具有更強的適應能力，更長的能量收集時間，尤其是夜間的優(yōu)秀的致熱能力是太陽能集熱系統(tǒng)所不具備的。風能致熱的能量轉(zhuǎn)化率一般在40%左右，對風的質(zhì)量要求較低，對風況變化適應性較強[19]。在廣大的北方地區(qū)，冬季的太陽能輻射較弱，但風力資源十分豐富（“三北”地區(qū)以及東南沿海都是優(yōu)良的天然風場）。風能致熱與相變儲熱系統(tǒng)的結(jié)合在風能充足地區(qū)可以實現(xiàn)晝夜“不間斷”致熱——換熱——儲熱。

風能致熱系統(tǒng)的可行性分析：“三北”地區(qū)（東北、華北、西北）是我國溫室大棚的主要分布地區(qū)，這些地區(qū)終年處于高空西風帶控制之下，冬季更是西伯利亞寒流侵入的必經(jīng)之地，年有效風能密度≥200W/m2，風速≥3m/s的年小時數(shù)大于5000h，因此“三北”地區(qū)同時也是我國風能資源最為豐富的地區(qū)[20]。以山西太原[21]為例，由于地處太行山脈，冬季山谷風盛行，1月份風力在6級以上的就有20天左右。與之類似的還有天津、大連、新疆等地。另外，溫室大棚通常選址在地勢平坦的郊區(qū)農(nóng)田，這里建筑阻礙少，風速快，加上由于大棚內(nèi)外巨大溫差所形成的“微熱島”熱力環(huán)流，溫室大棚周圍擁有建造風力致熱系統(tǒng)的資源條件。我國自1985年召開風能致熱研討會以來，一些高校和科研院所開展了大量的風能致熱的相關研究，2012年寇鵬等[22]進行了自然風條件下的攪拌型風能致熱系統(tǒng)試驗研究，在4m/s的風速下啟動致熱，40min可使5kg水升溫15℃。2015年桂霆等[23]設計了以平直葉片和圓柱葉片作為攪拌致熱葉片的致熱器，當葉片轉(zhuǎn)速達到450r/min時，致熱器內(nèi)5kg水在1h內(nèi)分別達到55.623℃和54.979℃。在如此高的熱源溫度下，相變溫度在35℃左右的相變材料基本上都可以實現(xiàn)快速的熔化“充能”。

3.2 相變蓄熱系統(tǒng)的設計

相變蓄熱系統(tǒng)的設計是溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)整體設計中最重要的一環(huán)。蓄熱性能直接決定了系統(tǒng)的調(diào)溫能力，大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長情況以及大棚整體適應突發(fā)性惡劣天氣的能力。相變材料的設計是相變蓄熱系統(tǒng)設計的核心部分。如何實現(xiàn)用最廉價的相變材料、最少的材料用量滿足溫室大棚對能量補償?shù)男枨笫窍嘧儾牧显O計的主要任務。相變材料的設計主要包括以下幾個方面：1）相變材料的種類確定；2）相變溫度點的調(diào)節(jié)；3）相變材料的用量確定；4）封裝材料的選擇；5）相變材料放置位置的設計。

從本質(zhì)上講，相變材料種類的選擇是性能與成本之間權(quán)衡，以石蠟、硬質(zhì)酸為代表的有機類[24]相變材料具有性能穩(wěn)定可控、易于復合定性的特點，但是在原料來源和購買成本方面，芒硝、CaCl2·6H2O等無機水合鹽材料占有絕對優(yōu)勢。溫室相變調(diào)溫系統(tǒng)的初期建造費用對農(nóng)戶來說是一筆不小的經(jīng)濟負擔，首批材料采用低成本的無機相變材料可以很大程度上減少農(nóng)戶的初期投入資本，在后續(xù)的維護方面可以根據(jù)具體需要以“耗材”的形式更換成有機材料。

長期以來，溫室用相變材料的選擇都存在一定的誤區(qū)。一般來說，（相變材料）相變溫度確定的出發(fā)點是溫室內(nèi)農(nóng)作物的適宜生長溫度：25-30℃，但在實際選材時迫于沒有集熱（致熱）器提供高溫熱源，只能選擇熔點更低（20-27℃）的相變材料。無機水合鹽類低熔點相變材料一般通過多組分復合的方法來獲得，這種制備方式的最大弊端在于體系的相變焓減少，穩(wěn)定性較純組分下降。西北農(nóng)林科技大學徐紅軍等[25]以Na2HPO4·12H2O為原材料，通過加入KCl降低熔點，制備熔化溫度在21.7℃的復合相變材料，DSC測試顯示的潛熱密度為166.9J/g，相比其純組分ΔH=265-280J/g儲熱能力下降了40%左右。蓄熱能力的下降必然導致用量成本的增加。更重要的是，采用相變溫度在室溫附近的相變材料很難實現(xiàn)將溫室內(nèi)氣溫長時間維持于農(nóng)作物的適宜生長溫度：25-30℃。但是，相變換熱系統(tǒng)在有了風能致熱所提供的高溫熱源之后，實現(xiàn)熔點在35℃以下相變材料的快速“熔化”充能就基本不存在技術上的問題。下面以幾種最常見的溫室大棚蔬菜[26-27]為例介紹一下相變蓄熱系統(tǒng)設計的具體思路。

表1 幾種主要溫室蔬菜的生長適溫（℃）

當溫室內(nèi)氣溫超出適溫范圍時，會引起各種生長障礙（如番茄的落花、黃瓜果實彎曲、授粉困難等），從而影響產(chǎn)量和質(zhì)量。除了基本的適宜溫度之外，農(nóng)作物在一天內(nèi)對熱的需求也是不斷變化的。通常，植物光合作用主要在早上進行，此時要求室內(nèi)有較高的溫度[31]，但一天之內(nèi)大棚內(nèi)溫度最低點恰恰出現(xiàn)在清晨（光合作用剛剛開始），而這一點卻是經(jīng)常被忽略的地方。下午光合作用減弱，要求溫度稍低，但大棚內(nèi)溫度最高的時間段主要集中在下午。一般認為，夜間是需要大量補溫的時段。其實，根據(jù)植物的生長習性[32-33]，前半夜是白天光合作用的同化物從葉間向生長點、根、果實轉(zhuǎn)運關鍵時段，這一轉(zhuǎn)運速度與溫度密切相關。以黃瓜為例，在夜間氣溫20℃時，完成該過程需要2個小時，而在16℃時卻需要4個小時。營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運是植物生長的重要過程，直接影響成熟時的產(chǎn)量，所以前半夜是需要較高的溫度補償?shù)臅r段。而到了后半夜，植物進入呼吸作用階段，呼吸作用直接消耗前半夜轉(zhuǎn)運的同化物，并且呼吸消耗量與溫度正相關。例如黃瓜在20℃的環(huán)境條件下，12小時的呼吸消耗量等同于白天光合作用同化物的全部轉(zhuǎn)運量，但在10℃下，呼吸消耗量則減少50%以上。因此，后半夜應盡量降低室內(nèi)溫度，抑制作物的呼吸作用。另外，地溫對根系的生長和對肥料、水分的吸收具有直接的影響，在降低后半夜氣溫的同時，應當維持適宜的地溫，這也對相變材料的放置位置提出了要求。

根據(jù)上述規(guī)律，溫室相變材料應選擇不同相變溫度的材料。為了獲得更快的“熱響應”，更高的相變潛熱，更低的原料成本，在風能致熱器功率允許的條件下可以選擇相變溫度更高的單組份無機相變材料作為主要的調(diào)溫材料，例如芒硝（32℃，241kJ/kg）、Na2CO3·10H20（32℃，267kJ/kg）、Na2HPO4·12H2O（35℃，266kJ/kg）等材料[35]。對于地溫調(diào)節(jié)材料可以選擇正十七烷（22℃，215kJ/kg），這里沒有選擇CaCl2·6H2O，不僅是因為其相變溫度較高（29℃），更重要的是地溫調(diào)節(jié)材料需要封裝后埋于地下或近地面，因此需要所選材料性能穩(wěn)定，壽命長，即使發(fā)生泄漏對土壤產(chǎn)生的危害小。而對于溫室圍護結(jié)構(gòu)所用到的相變材料可以選擇CaCl2·6H2O、石蠟，與其它材料（?；⒅椤⒍嗫着蛎浾渲閹r或金屬—有機框架化合物）復合后做成相變磚或相變板，提高溫室大棚整體的“熱惰性”。這種采用“階梯型（相變溫度）”相變材料的做法可以實現(xiàn)對溫室大棚每個溫度“缺口”的定位補償，使熱量分配更加合理化、科學化。

相變材料用量的確定需要充分考慮以下因素：溫室所處的地域、當?shù)氐臍夂驐l件（包括突發(fā)性惡劣天氣）、“空白”大棚的實際能量“缺口”、農(nóng)作物的種類（是否為喜溫植物，如辣椒）、大棚的結(jié)構(gòu)尺寸及其保溫性能等。對溫室大棚的“變溫”管理是實現(xiàn)“精準”補熱，減少材料用量，降低成本的技術創(chuàng)新。使用高相變溫度、高潛熱的相變材料也是降低材料用量的重要手段。相變材料用量的減少也會帶動換熱成本、封裝成本、保溫成本的降低，從技術層面上減輕農(nóng)戶在初期建設投資的經(jīng)濟負擔。

相變材料的封裝主要考慮安全性、導熱性、耐蝕性以及成本。無機相變材料的封裝一般比較簡單，以物理封裝為主，封裝材料多為PVC、PE以及金屬罐體。PVC、PE耐蝕性優(yōu)于金屬材料，但導熱性能較差，強度不高。目前，市場上出現(xiàn)了一種鋁塑復合板的材料，該材料由耐高溫聚乙烯、熱熔膠、鋁材、熱熔膠、高溫聚乙烯五層材料一次復合而成，具有高分子材料和金屬材料雙重優(yōu)點，并且韌性高，可以較好應對地相變材料熔化/結(jié)晶過程中的體積膨脹。

本文所述的相變蓄熱系統(tǒng)主要有三種相變材料：一種是用于冬季溫室內(nèi)供熱的高熔點（35℃）相變材料（后文簡稱氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)）；另一種是用來調(diào)節(jié)地溫的低熔點（20℃）相變材料，主要用于對根系加溫（后文簡稱地溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)）；還有一種是制備相變磚或相變板的室溫相變材料（28℃），主要用于加強溫室圍護結(jié)構(gòu)的蓄熱能力以及夏季吸熱降溫性能。氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)可放置在具有保溫結(jié)構(gòu)的蓄熱裝置（“熱庫”）中，通過與之相連的散熱系統(tǒng)（散熱管）向溫室內(nèi)均勻散熱。地溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以置于地下或地面，通過地下散熱管來調(diào)節(jié)地溫。

圖1 攪拌式風力致熱相變換熱蓄熱系統(tǒng)原理圖

鑒于經(jīng)營者的成本負擔，溫室大棚所需的低品位熱能的供應可以采用攪拌式風力致熱器，這種致熱器結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉。攪拌式風力致熱相變換熱蓄熱系統(tǒng)的整體設計如圖1所示。在自然風力推動下，風力機葉片帶動致熱器中的攪拌轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，致熱液體在攪拌轉(zhuǎn)子、容器壁之間作渦流運動，不斷地撞擊、摩擦，使液體溫度不斷升高，高溫液體通過換熱器，將熱量傳遞給相變材料，相變材料以相變潛熱的形式將熱能儲存起來，根據(jù)溫室內(nèi)溫度變化適時向大棚內(nèi)進行溫度補償。

4 結(jié) 語

針對目前相變材料在溫室大棚應用中存在的問題和不足，提出風力致熱—相變儲能相結(jié)合的溫室調(diào)溫系統(tǒng)，并對其可行性與設計原則進行了闡述。該系統(tǒng)不僅解決了相變材料在被動式日光溫室中較難充能熔化的難題，還充分運用多種不同溫度段的相變材料對溫室大棚內(nèi)氣溫、根系位置地溫、圍護結(jié)構(gòu)進行不同需求的熱量補償，從根本上提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，以及適應冬季突發(fā)性惡劣天氣的能力。相比傳統(tǒng)的燃煤采暖溫室，風力致熱—相變儲能技術實現(xiàn)了零能耗、零污染，同時減少了“棄風限電”造成的風力資源浪費，對我國未來溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及可再生能源的利用具有重大意義。

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Designing considerations of energy saving system based on PCM for greenhouse buildings

As a special building，high energy consumption of greenhouse has often been overlooked for a long time．A literature investigation into applications of phase change materials (PCMs) for thermal storage and energy saving in greenhouse was carried out．This paper points out some problems existed in practical use,namely fast-charging of PCMs,practical effects and total cost respectively．Moreover, corresponding solutions for issues above have been analyzed and evaluated．In additional,a wind heating combinating with thermal energy storage system by means of PCMs for greenhouse is put forward and elaborated．

greenhouse；building energy conservation；phase change materials (PCMs)，wind heating

TU522

B

1003-8965(2017)03-0034-04

本文受國家“十二五”科技支撐課題“設施節(jié)能與綠色能源利用裝備研制與產(chǎn)業(yè)化示范（課題編號2014BAD08B02）”資助。