顧金壽

（甘肅自然能源研究所，甘肅蘭州730000）

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技水平得到顯著提高，現(xiàn)代化建設(shè)正在向“科技興農(nóng)”的方向邁進(jìn)[1]。溫室大棚作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要工具，具有保溫、儲(chǔ)熱的特點(diǎn)，已經(jīng)在世界各地普及，在我國(guó)北方地區(qū)最為普遍。它利用太陽(yáng)能來(lái)提高室內(nèi)溫度，從而為農(nóng)作物生長(zhǎng)提供適宜的溫度及環(huán)境，推動(dòng)農(nóng)作物增產(chǎn)，提升生產(chǎn)質(zhì)量。但溫室大棚在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)的必需條件，也對(duì)一些不可再生資源造成了浪費(fèi)，污染了生態(tài)環(huán)境，因此需要對(duì)溫室大棚建設(shè)進(jìn)行優(yōu)化。在溫室大棚后墻應(yīng)用復(fù)合相變墻體材料可以達(dá)到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的目的。

1 相變材料在溫室大棚中的應(yīng)用

1.1 溫室大棚蓄熱相變材料

溫室大棚中使用的復(fù)合相變材料主要分為3類(lèi)，共晶化合物材料（45.3%尿素+54.7%NH4NO3、74.9%棕櫚酸+25.1%丙酰胺酸等）、無(wú)機(jī)材料（Na2HPO4·12H20、CaCl2·6H20、KF·4H20 等）和有機(jī)材料（石蠟、正十六烷、脂肪酸、聚乙二醇等）[2]。

復(fù)合相變材料具有潛熱性，與顯熱儲(chǔ)能相比，其蓄熱儲(chǔ)能密度更高，蓄放熱范圍更小，實(shí)際效果更加有效。除此之外，相變溫度范圍能夠?yàn)檗r(nóng)作物帶來(lái)良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

1.2 溫室蓄熱無(wú)機(jī)相變材料

在溫室大棚蓄熱材料中，無(wú)機(jī)相變材料熔點(diǎn)范圍較寬，因此應(yīng)用極為廣泛。目前，CaCl2·6H20、Na2SO4·10H20、CH3COONa·3H20 等無(wú)機(jī)相變材料在溫室大棚后墻建設(shè)應(yīng)用最廣，主要原因是其具備導(dǎo)熱性好、潛熱值大、相變形態(tài)變化小、相變溫度范圍符合作物生長(zhǎng)條件、廉價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，無(wú)機(jī)相變材料還可以合理控制溫室大棚內(nèi)的溫度及濕度，節(jié)約能源和費(fèi)用，對(duì)植物生長(zhǎng)大有裨益。但該材料的使用也存在一定不足，一是無(wú)機(jī)水合鹽會(huì)產(chǎn)生過(guò)冷現(xiàn)象；二是會(huì)發(fā)生相分離現(xiàn)象，嚴(yán)重影響相變過(guò)程。因此使用中應(yīng)添加防過(guò)冷劑和防相分離劑。

1.3 溫室蓄熱有機(jī)相變材料

目前，在溫室大棚中經(jīng)常使用石蠟、烷烴、脂肪酸等有機(jī)相變材料。一般情況下，同系有機(jī)物碳鏈長(zhǎng)度與相變焓值和相變溫度呈正比關(guān)系，因此有機(jī)相變材料的相變溫度范圍極廣，隨著碳鏈長(zhǎng)度的不斷增加，相變溫度的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐步減緩并趨于平穩(wěn)。該材料在固體形態(tài)時(shí)具有良好的成型性，且性能穩(wěn)定、毒性小、腐蝕性小、成本低，但在使用期間過(guò)冷、相分離等現(xiàn)象發(fā)生率較大[3]。與此同時(shí)，有機(jī)相變材料單位體積內(nèi)僅能存儲(chǔ)少量熱量，因此相變過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)明顯的體積膨脹或收縮變化，且熔點(diǎn)較低。當(dāng)處于高溫環(huán)境時(shí)，極易出現(xiàn)氧化、揮發(fā)性現(xiàn)象，甚至還會(huì)導(dǎo)致燃燒、爆炸，給農(nóng)業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。目前，在溫室大棚中通常將有機(jī)相變材料和無(wú)機(jī)相變材料組合使用，使2 種材料的缺陷能夠相互彌補(bǔ)，有效提升材料性能，從而使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

1.4 石蠟類(lèi)相變材料

石蠟是原油的重要組成物質(zhì)，屬于混合物，主要代表成分為直鏈烷烴（通式：CnH2n+2）。烷烴鏈條長(zhǎng)度直接決定了石蠟的熔點(diǎn)和熔解熱，兩者呈正比關(guān)系，但當(dāng)碳鏈長(zhǎng)度超過(guò)一定范圍時(shí)，其熔點(diǎn)和熔解熱變化會(huì)逐漸趨于定值[4]。在同樣的環(huán)境條件下，石蠟類(lèi)相變材料的熔點(diǎn)和熔解熱比無(wú)機(jī)相變材料更為理想化。為了得到合適的相變溫度，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況挑選含有不同數(shù)量碳原子的石蠟類(lèi)物質(zhì)。一般情況下，石蠟的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，當(dāng)其與酸堿性物質(zhì)相遇時(shí)，僅與硝酸發(fā)生反應(yīng)。在140℃環(huán)境中，石蠟不易碳化分解和開(kāi)裂，但其表面硬度小，軟化點(diǎn)較低。石蠟基本不會(huì)發(fā)生過(guò)冷和相分離現(xiàn)象，沒(méi)有腐蝕性，成本相比較而言更為親民。但石蠟也存在一定缺點(diǎn)，如密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低等。為了有效提升石蠟的導(dǎo)熱性能，在使用期間通常會(huì)添加一定比例的石墨、金屬網(wǎng)、金屬屑等成分。

1.5 脂肪酸類(lèi)相變材料

常見(jiàn)的溫室大棚脂肪酸類(lèi)相變材料為醇、酯、脂肪酸等，通式為CH3（CH2）2nCOOH，熔點(diǎn)和熔化熱的范圍較大，在蓄熱領(lǐng)域應(yīng)用頻繁。該類(lèi)材料具有腐蝕性小、不易燃、凝固和熔化性能可逆等優(yōu)勢(shì)，不易發(fā)生過(guò)冷和相分離現(xiàn)象，但也存在定形封裝困難、導(dǎo)熱性能差等劣勢(shì)，導(dǎo)致其在相變儲(chǔ)熱的應(yīng)用推廣上受到了一定阻礙[5]。

2 北方溫室大棚后墻相變材料的選擇

2.1 作物生長(zhǎng)溫度要求

對(duì)于作物生長(zhǎng)而言，溫度能夠影響其在生長(zhǎng)過(guò)程中的代謝過(guò)程，包括有機(jī)物合成及運(yùn)輸、呼吸、光合、蒸騰等，因此氣溫的調(diào)節(jié)對(duì)于作物生長(zhǎng)而言尤為重要[6]。在溫室大棚內(nèi)，主要是通過(guò)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度影響水分的吸收和疏導(dǎo)，從而為作物生長(zhǎng)帶來(lái)促進(jìn)作用。不同溫度、不同植物種類(lèi)、新陳代謝酶數(shù)量等都是影響作物活性的要素，因此對(duì)溫度的要求也各不相同。植物生長(zhǎng)的溫度要求分別為最低溫度、最高溫度和最適溫度。在作物生長(zhǎng)期間，溫度環(huán)境不能低于最低溫度，也不能高于最高溫度[7]。理論上來(lái)講，促使作物生長(zhǎng)最快的溫度環(huán)境即為最適生長(zhǎng)溫度，但該溫度下生長(zhǎng)作物并不能保證其健壯程度，因?yàn)樽魑镌谏L(zhǎng)最快時(shí)會(huì)加速體內(nèi)有機(jī)物的消耗，植株的生命力反而不會(huì)過(guò)于強(qiáng)壯。因此在培育植株的過(guò)程中，通常將溫度環(huán)境調(diào)節(jié)至最適溫度以下，該溫度被稱(chēng)為最適協(xié)調(diào)溫度。

因氣候條件、植物種類(lèi)各不相同，所以溫度三基點(diǎn)也具有明顯的差異性[8]。按照氣候地帶的作物生長(zhǎng)三基點(diǎn)進(jìn)行劃分，寒帶最適溫度一般不超過(guò)10℃，有些植物甚至在0℃以下也能正常生長(zhǎng)；溫帶處于中等溫度，最適溫度為25～30℃；亞熱帶或熱帶最高，最適溫度為30～35℃。全球范圍內(nèi)，植株的平均最適生長(zhǎng)溫度為15～30℃，因此選用相變溫度在15～30℃的溫室相變材料砌筑大棚后墻最為理想。

2.2 地區(qū)氣候分析

地區(qū)氣候也可以對(duì)作物生長(zhǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。由于我國(guó)北方是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基地，因此溫室大棚的使用頻次位于全球首位。本研究以北方地區(qū)的典型代表—遼寧省沈陽(yáng)市為例，探究該地區(qū)氣候?qū)厥掖笈镛r(nóng)作物生長(zhǎng)的實(shí)際影響。遼寧省沈陽(yáng)市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。冬季時(shí)長(zhǎng)且寒冷，晝夜溫差大，近三年（2017—2019 年）冬季平均氣溫為-11.2℃，年日照2 531 h 左右，太陽(yáng)輻射年均量高達(dá)5 000 MJ/m2以上，太陽(yáng)能資源十分豐富。

據(jù)調(diào)查，沈陽(yáng)地區(qū)近三年（2017—2019 年）來(lái)的氣溫變化較為穩(wěn)定，11 月至次年4 月的溫度持續(xù)低于15℃，這樣的溫度環(huán)境不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)，再加上該地區(qū)晝夜溫差大，只有搭設(shè)溫室大棚才能確保農(nóng)作物的成活概率。這就為復(fù)合相變材料的溫室大棚后墻應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。

2.3 復(fù)合相變材料性能要求

北方溫室大棚后墻的砌筑工程要以滿(mǎn)足農(nóng)作物生長(zhǎng)為基礎(chǔ)要求，因此復(fù)合相變材料的選取應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：一是體積穩(wěn)定、蓄熱效率高、相變潛熱大[9]；二是相變溫度在15～30℃；三是相變過(guò)程可逆、無(wú)毒無(wú)害、化學(xué)性能穩(wěn)定；四是相變材料來(lái)源豐富、價(jià)格低廉。

3 復(fù)合相變材料在溫室大棚后墻中的應(yīng)用效果

3.1 微氣候變化影響

普通溫室大棚全天室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)隨外界溫度變化而變化，雖不會(huì)影響作物正常生長(zhǎng)，但變化浮動(dòng)過(guò)高，波動(dòng)嚴(yán)重可超過(guò)50℃。使用復(fù)合相變材料砌筑后墻的溫室大棚全天室內(nèi)溫度變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，相變溫度波動(dòng)在1.7～42.5℃，相比之下，其溫度波動(dòng)幅度遠(yuǎn)沒(méi)有普通溫室大棚高。

相變材料常用來(lái)儲(chǔ)存太陽(yáng)能熱量，其儲(chǔ)熱特性呈現(xiàn)隱性，與顯熱儲(chǔ)熱相比，該材料的儲(chǔ)熱密度更大、儲(chǔ)熱效率更高，溫度變化波動(dòng)也相對(duì)平緩。白天的外界溫度變化對(duì)棚內(nèi)溫度不會(huì)產(chǎn)生太大影響，當(dāng)大棚內(nèi)溫度達(dá)到一定數(shù)值后將不會(huì)繼續(xù)升高，從而使多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存下來(lái)，以供夜晚使用。夜晚太陽(yáng)照射消失，溫室內(nèi)白日儲(chǔ)存的太陽(yáng)能被釋放，使室內(nèi)溫度維持在相變溫度范圍內(nèi)，促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)[10]。

3.2 內(nèi)環(huán)境影響

為了彌補(bǔ)相變材料的不足之處，在砌筑溫室大棚后墻的過(guò)程中，會(huì)在相變材料中添加一定物質(zhì)，膨脹金屬、膨脹石墨等物質(zhì)也可以將相變材料的性能進(jìn)行強(qiáng)化，但由于造價(jià)成本過(guò)高，因此并未實(shí)行推廣，而是采用金屬屑來(lái)強(qiáng)化導(dǎo)熱。

為了探究金屬屑對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能的影響，本研究在相變溫度范圍為15～30℃的珍珠巖顆粒相變材料中添加質(zhì)量相同但粒徑不同（1.8～5 mm）的鐵粉，以室內(nèi)溫度最先達(dá)到30℃為參照標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)摻雜的鐵粉粒徑越小，相變材料的導(dǎo)熱性能越好。由于摻入相變材料中的鐵粉體積相同，因此粒徑越小的鐵粉摻入量越多，這樣與珍珠巖顆粒的接觸面積就會(huì)增加，使其熱量迅速傳遞給珍珠巖顆粒，促使相變材料導(dǎo)熱性能得到強(qiáng)化。此外還具體研究了相變溫度范圍為15～30℃的珍珠巖顆粒相變材料中添加體積不同（0%、10%、15%）的鐵粉對(duì)相變材料導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，鐵粉滲入量越多，相變材料溫度升高越快，導(dǎo)熱效果越好。

3.3 農(nóng)作物生長(zhǎng)影響

本研究分別在相變溫室和普通溫室中種植等量、同種類(lèi)的作物種子，觀察并記錄其生長(zhǎng)狀態(tài)。在觀察中發(fā)現(xiàn)，升溫階段相變溫室的平均溫度大于普通溫室，差距可達(dá)到4.2℃；降溫階段相變溫室的平均溫度同樣大于普通溫室，差距可達(dá)到2.3℃，但其溫度降幅小于普通溫室。在出苗成活率方面，100 株種子中相變溫室出苗成活率超過(guò)80%，且成長(zhǎng)狀態(tài)良好；普通溫室出苗成活率僅為45%左右，成長(zhǎng)狀態(tài)整體欠佳。說(shuō)明采用復(fù)合相變材料砌筑溫室大棚后墻能夠有效改善溫室蓄熱性能，減緩環(huán)境溫度變化，提高太陽(yáng)能利用率，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境具有良好的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)合相變材料具有良好的蓄能特性，將其運(yùn)用在溫室大棚后墻的砌筑上能夠?qū)⑻?yáng)能進(jìn)行合理利用，使溫室全天都處于適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境中，還能夠在一定程度上保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展、保護(hù)社會(huì)環(huán)境的重要舉措。