張書峰，董浩遠，王祥兵，李彥榮，許紅軍，2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學園藝學院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學園藝學博士后流動站，新疆 烏魯木齊830052)

0 引言

烏魯木齊市太陽能資源十分豐富，但是季節(jié)溫度變化較大，夏季炎熱，冬季寒冷，且晝夜溫差較大[1]。上述氣候特點造成該地區(qū)日光溫室內(nèi)部氣溫變化劇烈，溫室內(nèi)空氣溫度晝夜溫差達30 ℃以上，因此夜間氣溫較低時，常采用煤爐、熱風機等加溫措施進行加溫，保障溫室生產(chǎn)。隨著近年來對環(huán)境污染的嚴格管控，烏魯木齊周邊地區(qū)溫室加溫已不允許采用燃煤設施，對溫室生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的影響，亟待探索高效環(huán)保的蓄熱儲能材料在溫室中的利用[2]。

此前研究已表明，相變儲能材料在日光溫室中大有可為，可以有效降低能源消耗、減少環(huán)境污染[3-14]。李彥榮等[15]測試了六水氯化鈣(CaCl2·6H2O)等4種無機相變材料在不同溫度條件下的放熱特性，發(fā)現(xiàn)CaCl2·6H2O能夠適用于日光溫室。馬江偉等[16]以CaCl2·6H2O晶體為主體，通過熔解冷卻試驗，依據(jù)溫室溫度變化及作物生長規(guī)律，篩選出適宜溫室應用的相變蓄熱體系。郭靖[17]將CaCl2·6H2O外掛在磚墻溫室的后墻內(nèi)表，通過對溫室內(nèi)空氣溫度測試，發(fā)現(xiàn)能有效縮小日光溫室內(nèi)的溫差。大量研究表明，使用相變儲熱裝置，在白天儲存系統(tǒng)吸收儲存室內(nèi)外的熱量，在夜晚則將熱能釋放進溫室中，可實現(xiàn)溫室夜間溫度提高，進而節(jié)約溫室加溫成本[18-20]。

上述研究多為測試CaCl2·6H2O對溫室熱環(huán)境改善的效果，但對于CaCl2·6H2O在溫室中的使用量、儲放熱特性等未進行探討。因此，本研究以溫室磚墻墻體蓄放熱特性為對照，通過測試不同厚度相變墻板在溫室內(nèi)的蓄放熱時間、蓄放熱量并進行分析，以期獲取相變材料在溫室中應用的合理方式與尺寸，從而提高相變儲能材料的使用效率。

1 材料與方法

1.1 材料制備

采用自制的相變儲能材料，其中主儲能劑為CaCl2·6H2O，成核劑為30%添加量的MgCl2·6H2O和1%添加量的SrCl2·6H2O，并通過飽和溶液法制備而成，以上試劑均為分析純，由天津市致遠化學試劑有限公司生產(chǎn)。

相變墻板主要是由相變材料、封裝管材、支撐框架和保溫板4個部分組成。相變材料用料為CaCl2·6H2O復合相變材料。封裝管材為透明亞克力方管，選取4種口徑規(guī)格(2、3、4和5 cm)，長度均為50 cm，管壁厚也均為0.5 cm?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由角鋼焊制成的。保溫板為10 cm厚聚苯乙烯板。將復合相變材料完全熔融后分別裝入不同口徑的亞克力管密封，將亞克力管并排固定、制成100 cm×50 cm(長×寬)且厚度分別為2、3、4和5 cm的相變墻板，然后利用角鋼框架固定，保溫板通過自攻絲固定于支撐框架背部，如圖1所示。

圖1 相變墻板實物Fig.1 Phase change wall panel

1.2 測試方法

該試驗于2019年11月16—23日在新疆農(nóng)業(yè)大學三坪農(nóng)場實習基地(43.93°N，87.34°E)中的日光溫室進行，溫室結(jié)構(gòu)如圖2所示。將相變墻板安裝至溫室后墻中間位置，高度1.5 m處。采用北京世紀建通有限公司生產(chǎn)的JTR01型溫度熱流測試儀測試溫室墻體的熱流量動態(tài)變化，溫室太陽輻射由PDE-KI型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀(哈爾濱物格電子技術有限公司生產(chǎn)，測量范圍0～2 000 W/m2，準確度±3%，分辨率1 W/m2)采集，數(shù)據(jù)采集時間間隔均為10 min。

圖2 溫室結(jié)構(gòu)Fig.2 Greenhouse structure

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)均采用orign 2017進行整理分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏魯木齊地區(qū)日光溫室內(nèi)光熱環(huán)境分析

為分析不同厚度相變墻板在溫室內(nèi)的蓄放熱時間、蓄放熱量，對于晝夜溫差較大、太陽輻射較強的試驗條件進行了測試分析，結(jié)果如圖3所示。從整體來看，除11月21日為陰天外其余都為晴天，晴天最大太陽輻射為324 W/m2，陰天最大太陽輻射為115 W/m2；晴天的最高溫度平均為27.1 ℃，最低溫平均為3.6 ℃；陰天的最高溫度為9.1 ℃，最低溫為3.6 ℃。相變儲能材料在高溫條件下能夠吸收多余的溫度，在低溫的條件下能夠放出熱量，達到“削峰填谷”的作用，從而延長植物生長適宜溫度的時間。在11月16—23日的環(huán)境條件下測試，具有很強的代表性。

圖3 溫室內(nèi)溫度和太陽輻射照度變化Fig.3 Change of temperature and solar irradiation in greenhouse

2.2 不同厚度相變儲能材料墻板的蓄放熱對比

為了研究不同厚度相變墻板在溫室中的應用效果，進而選出適用于烏魯木齊地區(qū)的相變儲能墻板的厚度，對不同厚度的相變墻板的蓄放熱時間和蓄放熱量進行分析。11月16—23日不同厚度相變儲能墻板的熱流密度變化如圖4所示，根據(jù)圖表選出17日、18日、19日作為代表，分別測量其蓄放熱量和蓄放熱時間。2～5 cm厚度相變儲能墻板儲熱量的平均值分別為2.9、4.1、3.4和3.7 MJ/m2；放熱量的平均值分別為2.9、4.2、3.7和3.8 MJ/m2；平均放蓄熱比分別為100%、102%、108%和102%。放蓄熱比>100%的原因可能是由于相變儲能材料放熱分為潛熱和顯熱，在液態(tài)狀態(tài)下放熱到相變狀態(tài)下后繼續(xù)放熱成固態(tài)，在固態(tài)的條件下也會繼續(xù)放熱，導致放蓄熱比>100%。墻體并不存在潛熱，因此墻體的平均蓄放熱量分別為3.4、2.3 MJ/m2，放蓄熱比為68%。

圖4 不同尺寸墻板熱流密度變化Fig.4 Heat flux density of wallboard with different thickness

為分析不同厚度相變蓄熱墻板的蓄放熱情況，統(tǒng)計在溫室生產(chǎn)條件下，相變墻板的蓄熱放熱時間如表1所示。相變墻板在溫室中處于不斷放熱、蓄熱的狀態(tài)，2 cm厚相變墻板的蓄放熱時間與其他厚度相變墻板的時間相比較短一些，其他厚度相變墻板的蓄放熱時間相差不大。從放熱量來看，2 cm厚度墻板的放熱量較小，3～5 cm厚度墻板差異不大，均大于磚墻的放熱量。分析原因，超過3 cm厚度的蓄熱墻板內(nèi)材料不能完全利用，不能起到完全相變蓄熱的效果。3 cm的相變儲能墻板的性能相較其他厚度的相變墻板更為優(yōu)越，且材料也更為節(jié)省。因此，從經(jīng)濟環(huán)保方面考慮，3 cm厚的相變儲能墻板相較于其他厚度的墻板更加節(jié)省材料。

表1 蓄放熱時間對比Tab.1 Comparison of heat storage and release time 單位：h

2.3 晴天與陰天相變墻板蓄放熱量對比

研究相變儲能墻板在晴陰天的蓄放熱情況，并通過跟墻體比較從而判斷不同厚度的相變儲能墻板在晴陰天的適用狀況，結(jié)果如表2所示。在11月19日典型的晴天條件下，磚墻墻體的放熱量與蓄熱量分別為3.9、2.1 MJ/m2，放蓄熱比為54%；2～5 cm厚度相變儲能墻板放蓄熱比分別為97%、98%、100%、100%。說明晴天條件下相變蓄熱墻板較磚墻有更好的蓄熱效果，但是超過3 cm后相變墻板蓄放熱量變化不大，難以有效利用。在11月21日典型的陰天條件下，墻體放蓄熱比為233%；2～5 cm厚的相變儲能墻板的放蓄熱比分別為100%、120%、150%、150%。由于是陰天，相變墻板難以進行熱量有效蓄積，導致蓄熱量較小。在21日前都是晴天，白天溫度都比較高，墻體和相變儲能墻板有一定厚度，放熱不完全，在21日的陰天條件下，溫室內(nèi)溫度過低，將前幾日未釋放的熱量都釋放了，起到了增加溫室內(nèi)溫度的作用，墻體在陰天條件下蓄熱量明顯比相變儲能墻板要小，因此相變墻板放熱效果在陰天更為明顯。

表2 溫室磚墻和不同厚度相變墻板蓄放熱量Tab.2 Heat storage and release of greenhouse brick walls and phase change wall panels of different thicknesses 單位：MJ/m2

2.4 3cm厚相變儲能墻板與墻體表面溫度變化分析

通過比較相變墻板的表面溫度變化與磚墻表面溫度變化，可以反映使用相變儲能墻板與磚墻墻體對溫室環(huán)境造成的差異。由以上研究可知，3 cm的相變儲能墻板的性能比較優(yōu)越。將3 cm相變儲能墻板的溫度變化和墻體的溫度變化進行對比，結(jié)果如圖5所示。其中墻體在晴天條件下平均最高氣溫為23.6 ℃，平均最低溫度為3.3 ℃；3 cm相變儲能墻板平均最高溫度為21.1 ℃，平均最低溫度為4.3 ℃，3 cm相變儲能墻板平均縮減了晝夜溫差3.5 ℃左右?？梢源_定，在晴天條件下3 cm的相變儲能墻板溫室比磚墻具有優(yōu)勢，能夠有效地增加夜晚室內(nèi)溫度，延長適應植物生長溫度的時間，同時減少對冬季夜晚溫室增溫的能源消耗。

圖5 墻板與墻體溫度變化對比Fig.5 Comparison of wall panel and wall temperature

3 討論

(1)目前相變材料的應用研究主要是將相變材料放置在溫室中，測試相變材料在溫室中白天降溫和夜間增溫效果，或測試含有相變材料墻體的蓄放熱效果等，但對于相變材料在溫室內(nèi)部特定環(huán)境下的熱特性變化測試較少，測試溫室環(huán)境下相變材料的熱特性對于優(yōu)化相變材料在溫室中的應用有重要意義[21-23]。

(2)肖偉等[24]以北京地區(qū)為例，比較了定形相變蓄能墻板與重質(zhì)混凝土在改善輕質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能方面的差異，并從相變溫度和相變墻板厚度兩個方面對定形相變蓄能墻板的使用效果進行了優(yōu)化。研究表明，定形相變蓄能墻板能有效改善輕質(zhì)保溫墻體的隔熱性能，而對建筑自身承重增加很小，同時也指出20 mm的相變板白天不能完全熔化，只有約58%的相變潛熱能進行有效的蓄放熱循環(huán)，因此認為相變板厚度不宜超過20 mm。也認為在一定厚度上未能充分利用，與本研究的結(jié)論基本一致。

(3)時盼盼等[25]在天津等地區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)與土墻、磚墻相比，相變儲能墻體具有更好的“削峰填谷”作用，對日光溫室的熱環(huán)境改善具有重要意義，可以很好地提高土地利用率，但是該試驗并未提到相變儲能墻板在陰天和晴天的性能比較。本試驗通過晴天與陰天對比發(fā)現(xiàn)，改性六水氯化鈣相變儲能墻板在陰天并不能很好達到“削峰填谷”的作用，且與磚墻的蓄放熱量相差不大，因此，相變儲能材料在陰天使用，還需要對溫室內(nèi)加溫作為輔助。

4 結(jié)論

通過對比不同厚度相變墻板蓄放熱時間和溫度的變化，2 cm厚度的相變儲能墻板蓄放熱快，材料利用充分，但在溫室中應用，蓄放熱時間較短；4～5 cm厚度墻板能夠滿足周天持續(xù)供熱與吸熱的需要，但是測試發(fā)現(xiàn)相變材料利用不完全；綜合考慮，3 cm相變墻板是適用于溫室應用的儲放熱墻板。與磚墻表面溫度相比，3 cm的相變儲能墻板在晴天的環(huán)境下能夠有效減小晝夜墻板表面溫差3.5 ℃左右，在溫室中使用可有效降低夜間溫室加熱的能源消耗。