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。它利用太陽能來提高室內(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)用過程中仍無法滿足農(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。
溫室大棚中使用的復(fù)合相變材料主要分為3類,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)作物帶來良好的生長(zhǎng)環(huán)境。
在溫室大棚蓄熱材料中,無機(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,一是無機(jī)水合鹽會(huì)產(chǎn)生過冷現(xiàn)象;二是會(huì)發(fā)生相分離現(xiàn)象,嚴(yán)重影響相變過程。因此使用中應(yīng)添加防過冷劑和防相分離劑。
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。
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,石蠟類相變材料的熔點(diǎn)和熔解熱比無機(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)生過冷和相分離現(xiàn)象,沒有腐蝕性,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。
常見的溫室大棚脂肪酸類相變材料為醇、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]。
對(duì)于作物生長(zhǎng)而言,溫度能夠影響其在生長(zhǎng)過程中的代謝過程,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)帶來促進(jìn)作用。不同溫度、不同植物種類、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)過于強(qiáng)壯。因此在培育植株的過程中,通常將溫度環(huán)境調(diào)節(jié)至最適溫度以下,該溫度被稱為最適協(xié)調(diào)溫度。
因氣候條件、植物種類各不相同,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。
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,太陽輻射年均量高達(dá)5 000 MJ/m2以上,太陽能資源十分豐富。
據(jù)調(diào)查,沈陽地區(qū)近三年(2017—2019 年)來的氣溫變化較為穩(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。
北方溫室大棚后墻的砌筑工程要以滿足農(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℃;三是相變過程可逆、無毒無害、化學(xué)性能穩(wěn)定;四是相變材料來源豐富、價(jià)格低廉。
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)過高,波動(dòng)嚴(yán)重可超過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)沒有普通溫室大棚高。
相變材料常用來儲(chǔ)存太陽能熱量,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,從而使多余的太陽能儲(chǔ)存下來,以供夜晚使用。夜晚太陽照射消失,溫室內(nèi)白日儲(chǔ)存的太陽能被釋放,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]。
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)成本過高,因此并未實(shí)行推廣,而是采用金屬屑來強(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。
本研究分別在相變溫室和普通溫室中種植等量、同種類的作物種子,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。
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柲苓M(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。