分級相變儲放熱系統(tǒng)在日光溫室中的應用效果.pdf

太陽能學報 Acta Energiae Solaris Sinica ISSN 0254 0096 CN 11 2082 TK 太陽能學報 網絡首發(fā)論文 題目 分級相變儲放熱系統(tǒng)在日光溫室中的應用效果 作者 王冬晴 莊云飛 張滴滴 程杰宇 王平智 趙淑梅 DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 收稿日期 2021 10 06 網絡首發(fā)日期 2021 12 22 引用格式 王冬晴 莊云飛 張滴滴 程杰宇 王平智 趙淑梅 分級相變儲放熱系統(tǒng) 在日光溫室中的應用效果 J OL 太陽能學報 https doi org 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 網絡首發(fā) 在編輯部工作流程中 稿件從錄用到出版要經歷錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿等階 段 錄用定稿指內容已經確定 且通過同行評議 主編終審同意刊用的稿件 排版定稿指錄用定稿按照期 刊特定版式 包括網絡呈現(xiàn)版式 排版后的稿件 可暫不確定出版年 卷 期和頁碼 整期匯編定稿指出 版年 卷 期 頁碼均已確定的印刷或數(shù)字出版的整期匯編稿件 錄用定稿網絡首發(fā)稿件內容必須符合 出 版管理條例 和 期刊出版管理規(guī)定 的有關規(guī)定 學術研究成果具有創(chuàng)新性 科學性和先進性 符合編 輯部對刊文的錄用要求 不存在學術不端行為及其他侵權行為 稿件內容應基本符合國家有關書刊編輯 出版的技術標準 正確使用和統(tǒng)一規(guī)范語言文字 符號 數(shù)字 外文字母 法定計量單位及地圖標注等 為確保錄用定稿網絡首發(fā)的嚴肅性 錄用定稿一經發(fā)布 不得修改論文題目 作者 機構名稱和學術內容 只可基于編輯規(guī)范進行少量文字的修改 出版確認 紙質期刊編輯部通過與 中國學術期刊 光盤版 電子雜志社有限公司簽約 在 中國 學術期刊 網絡版 出版?zhèn)鞑テ脚_上創(chuàng)辦與紙質期刊內容一致的網絡版 以單篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊發(fā)論文的錄用定稿 排版定稿 整期匯編定稿 因為 中國學術期刊 網絡版 是國家新聞出 版廣電總局批準的網絡連續(xù)型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以簽約期刊的網絡版上網絡首 發(fā)論文視為正式出版 收稿日期 2021 10 06 基金項目 國家 十三五 重點研發(fā)計劃 2019YFD1001900 國家現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系 CARS 23 C02 通信作者 趙淑梅 1967 女 博士 教授 博士生導師 主要從事溫室節(jié)能環(huán)境調控方面的研究 zhaoshum DOI 10 19912 j 0254 0096 tynxb 2021 1192 分級相變儲放熱系統(tǒng)在日光溫室中的應用效果 王冬晴 1 2 莊云飛 1 2 張滴滴 1 2 程杰宇 1 2 王平智 1 2 趙淑梅 1 2 1 中國農業(yè)大學水利與土木工程學院 北京 100083 2 農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室 北京 100083 摘 要 針對北方日光溫室夜間室內低溫問題 該文以收集利用溫室內白天富余太陽能為目標 在理論分析相變材料特性的基礎上 開發(fā)基于管材封裝方式的兩級相變儲放熱系統(tǒng) 并通過對比試驗 在北京地區(qū)的日光溫室中開展冬季應用效果試驗 結果表明 所開 發(fā)系統(tǒng)對冬季室內空氣溫度和土壤溫度均有良好的增溫效果 其中 空氣溫度方面 在試驗周期內 試驗溫室夜間 17 00至 次日 08 00 期間 平均 室內氣溫比對照溫室平均提高 1 0 最低氣溫平均提高 1 2 在晴天 多云不同天氣條件下 試驗溫室 的 夜間平均 氣 溫分別提高 1 3 1 2 最低氣溫分別提高 1 5 1 7 在兩天一夜未蓋保溫被的陰雪 天氣 條件下 試驗溫室的室內氣溫全程高于 對 照溫室 最大溫差 仍有 1 9 在土壤溫度方面 晴天和多云天氣下 試驗溫室 10和 15 cm處的土壤溫度平均提高 0 6 0 8 研究 表明所開發(fā)系統(tǒng)具有良好持續(xù)的儲放熱能力 能夠改善日光溫室的冬季熱環(huán)境 關鍵詞 溫室 相變材料 熱儲存 溫度 中圖分類號 S625 文獻標志碼 A 0 引 言 日光溫室北墻的蓄熱和放熱功能是其冬季維持室 內溫度環(huán)境的關鍵 白天 溫室北墻吸收并儲存直接 照射于墻面的太陽輻射熱能及部分轉化存儲于室內空 氣的熱能 夜間 當室內空氣溫度低于墻面溫度時 墻體就會放熱 起到室內加溫的作用 在一定程度上 維持室內作物正常生長所需的熱環(huán)境 1 通常 溫室 北墻的蓄放熱性能主要取決于墻體建筑材料的種類 墻體構造及蓄熱層厚度等 2 為了使北墻獲得較好的 蓄放熱效果 往往需要良好的蓄熱性材料和足夠的墻 體厚度 但這會導致墻體建設成本和占地面積的增加 因此 將墻體的蓄放熱功能分解出來 通過更加有效 的蓄放熱技術確保甚至提升日光溫室的蓄放熱性能 對 日光溫室的 科學 發(fā)展 具有重要意義 目前應用于日光溫室中的儲熱技術形式多種多樣 其中 相變材料因具有較高的儲能密度 和相對穩(wěn)定的 溫度變化特性 3 使其成為最有發(fā)展?jié)摿Φ臏厥覠岘h(huán) 境節(jié)能調控技術 近年來 國內外學者 對相變材料的 篩選與制備 封裝方式以及與日光溫室后墻的結合方 式等進行了較為廣泛的研究 在材料篩選方面 郭靖 4 研究了 CaCl2 6H2O 其融化溫度在 24 29 之間 潛 熱值為 138 1 J g 并有一定的過冷度 梁辰等 5 研究 了定形相變石蠟 其相變溫度在 26 28 之間 相變 潛熱約為 100 J g 張文杰等 6 通 過 添 加 Na2HPO4 12H2O KCl 和樹脂對 Na2SO4 10H2O 進行改 性 得到熔解溫度和凝固溫度分別為 22 61 11 8 過冷度為 1 41 潛熱值為 143 6 J g 的復合定形相變 材料 但經過 100 次循環(huán)后其潛熱值降為 127 8J g 王 宏麗等 7 研究了硬脂酸正丁酯 聚苯乙烯定形材料 其 熔解溫度和凝固溫度分別為 16 8 20 6 潛熱值分 別為 72 3 72 9 J g 在封裝方式方面 相關研究主要 采用了以下 4 種方式 將相變材料涂抹在溫室北墻 制成相變蓄熱墻板 8 9 將相變材料浸入或混合到建 筑材料中 制成相變儲熱砂漿 10 12 將相變材料直 接制成砌塊或密封相變材料后裝置在空心砌塊中制成 相變蓄熱砌塊 13 14 利用鋁箔袋 塑料袋 塑料瓶 等封裝相變材料 懸掛或放置在溫室內 15 18 前人研究為相變材料在日光溫室的應用提供了很 好的基礎 也取得了相應的效果 但總體而言 在相 變材料篩選方面 還存在諸如熔解溫度偏高 不匹配 日光溫室溫度特征 相變 潛熱較低 儲放熱能力不足 以及有過冷或長時間使用熱性能不穩(wěn)定等問題 在封 裝方式方面 相變板材 砂漿及砌塊存在墻體深處的 相變材料難以發(fā)生相變 因相變材料泄露或稀釋而導 致儲能密度降低 減弱溫室后墻承重能力的問題 19 其他現(xiàn)有封裝 方式 則 大多 存在 施工工藝較為復雜 成本較高等問題 因 此 不論是 相變材料 還是 封裝 相 變材料的方式 都還 需要 進一步優(yōu)化 本文嘗試篩選 出 2 種相變溫度不同的相變材料 采用構造及 施工 簡 網絡首發(fā)時間 2021 12 22 13 27 20 網絡首發(fā)地址 單的管材封裝 方式 構建分級相變儲放熱系統(tǒng) 通過 裝備 化的設計 意在為新 舊溫室提供簡易 有效 低碳 經濟的熱環(huán)境調控技術 緩解日光溫室夜間低 溫的問題 改善日光溫室冬季的生產環(huán)境 1 材料與方法 1 1 分級相變儲放熱系統(tǒng) 1 1 1 相變材料 應用于日光溫室加溫的相變材料需同時滿足以下 原則 相變溫度 相變材料的相變溫度要與溫室溫 度環(huán)境特征相匹配 而且相變材料發(fā)生相變時應與溫 室氣溫有一定溫差 若將溫室夜間溫度維持在 10 15 并設維持相變材料必要儲放熱強度的最小 溫差為 5 則可初步估計相變材料的相變溫度為 15 20 相變潛熱 相變過程中 材料吸熱與放 熱過程穩(wěn)定 最好只有一個吸熱和放熱階段 相變潛 熱以達到 150 kJ kg以上為優(yōu) 相變材料的化學物理 特性穩(wěn)定 相變溫度和相變潛熱不隨時間的變化而變 化 經濟性 日光溫室作為低能耗 低成本的農業(yè) 建筑 選用的相變材料價格不應太高 否則難以應用 推廣 安全性 考慮食品安全和工作人員的安全 相變材料需無毒無害無刺激性氣味 基于以上原則 又考慮到無調控條件下 傍晚保溫被覆蓋后至次日 保 溫被揭開 溫室內溫度 下降幅度 會 很大 而單 一 相變 材料 不利于 穩(wěn)定夜間溫度環(huán)境 故系統(tǒng)擬選用 2 種相 變溫度不同的材料進行分級放熱 即高溫相變材料優(yōu) 先放熱 減緩夜間前期溫度下降的趨勢 低溫相變材 料后期放熱 改善溫室后半夜溫度環(huán)境 使得溫室整 個夜間溫度相對平穩(wěn) 經反復篩選 本研究最終選擇 十二醇和蠟油 蠟油為多種甲酯混合物 這 2 種相變 材料作為試驗對象 為進一步確認所選用相變材料的熱性能 利用 DSC TG 測試平臺 美國 TA 公司 溫度準確度 0 1 加熱速率 0 01 200 min 對 2種相變材料的相變溫 度和相變 潛熱進行測試 其測試參數(shù)設置 測溫范圍 為 0 40 升降溫速率為 1 min 氮氣氣氛 采用 Origin 2018 軟件繪制樣品的 DSC 曲線 結果如圖 1所 示 熱流密度為正值時 相變材料處于放熱過程 反 之處于吸熱過程 由圖 1a 可知 十二醇熔化時的起始 溫度與峰值溫度分別為 22 2 23 1 凝固時的起始 溫度與峰值溫度分別為 21 2 20 3 十二醇熔化與 凝固過程中的相變潛熱分別為 190 9 和 166 9 J g 同 樣 由圖 1b可知 相變材料蠟油熔化時的起始溫度與 峰值溫度分別為 15 4 17 7 凝固時的起始溫度與 峰值溫度分別為在 11 0 10 5 蠟油熔化與凝固過 程中的相變潛熱分別為 165 4J g 和 168 1J g 滿足前述 分級放熱的設計需求 a 十二醇 0 5 10 15 20 25 30 35 40 2 1 0 1 2 熱流 W g 1 溫度 b 蠟油 圖 1 相變材料的 DSC 曲線 Fig 1 DSC test curve of phase change materials 1 1 2 相變材料封裝管材 所選 2種相變材料均為固 液相變材料 為防止相 變材料的泄露和揮發(fā) 需選用適宜的封裝方式 所謂 適宜 一是要確保相變材料封裝后能夠形成裝備 便 于安裝 二是能匹配于日光溫室北墻面的形狀 滿足 滿布墻面及獲得 最多太陽輻射 的安裝需求 三是在 保 證 充分相變 的條件下 保證足夠的相變材料用量 基于 這樣的理念 該研究設計了管材封裝的方式 形成排 管式分級相變儲放熱系統(tǒng) 目前市場上常用且經濟性 較好的管材有 PVC 管材和 PE 管材 在同一管徑和同 等長度下 PVC 管具有管壁薄 容量大 傳熱較快 易粘結 價廉等優(yōu)點 而 PE 管則具有穩(wěn)定性好 強度 高 耐低溫 使用壽命長等優(yōu) 點 為了考察這兩種封 裝管材的應用效果 這里同時選擇 PVC 管和 PE 管 2 種管材組合進行試驗 1 1 3 相變材料用量 白天 分級相變儲放熱系統(tǒng)吸收并儲存直接照射 于墻面的太陽輻射熱能和通過對流作用從周圍高溫空 氣獲得的熱能 夜間通過自然對流及輻射作用將熱量 釋放到溫室內 馬承偉等 20 采用理論解析和日光溫室 熱環(huán)境模型與計算軟件等方法 分析評估了白天日光 溫室內太陽富余熱能 夜間日光溫室熱量補充以及短 期儲存裝備蓄熱介質的大概用量 借鑒此方法 以占 地面積為 200 m2的試驗日光溫室為例 以夜間室內氣 溫提升 2 3 為目 標 并兼顧考慮 2 3個連陰天的蓄 熱需求 對 溫室 夜間所需加熱量進行分析 1 夜間不同時刻試驗日光溫室所需補充熱量 aQ a a i1 dd1000Q R t 1 式中 aR 加溫效應系數(shù) 一般 aR 取 2 3 8 W m2 it 室內氣溫 時間 s 每提高 1 單位室內地面面積夜間室內所需熱 量 aQ 為 60 100kJ m2 d 2 夜間所需加溫熱量 aQ a a f11000Q Q A 2 式中 fA 試驗日光溫室占地面積 m2 要提高夜間室內溫度 2 3 占地面積為 200 m2 的溫室需要補充熱量 24 60 MJ 3 相變材料質量 m aa p 1000KQm u 3 式中 pu 相變材料的潛熱 kJ kg 此時取 2個相 變材料潛熱值的平均值 aK 滿足連陰 2 3 天室內 補溫需求時的加溫熱量增大系數(shù) 取 aK 2 5 由此 根據(jù)試驗溫室的大小 可估算出相變材料 的用量為 337 842 kg 這里取 830 kg 1 1 4 系統(tǒng)構建 分級相變儲放熱系統(tǒng)是由 2 種相變材料 十二醇 和蠟油 和 2種封裝管材 PVC 管 PE管 組裝而成 為提升系統(tǒng)儲放熱的均勻性 2 種相變材料獨立封裝 間隔排列 裝置共 19 組管架 每組 20 根 PE 管 280 根 140根盛放相變材料十二醇 140 根盛放相變材料 蠟油 PVC 管 100 根 50 根盛放相變材料十二醇 50 根相變材料蠟油 十 二醇總用量約 400 kg 蠟油總 用量約 430 kg 管架與后墻及相鄰管壁之間 為減少 不必要的傳熱 通過隔熱材料進行了隔熱處理 PE 管 下端熱熔封堵 上端堵頭扣緊 PVC 管下端膠連 上 端堵頭扣緊 溫室裝置如圖 2 所示 1 管頭 2 相變材料管 3 十二醇 4 蠟油 5 保溫隔熱層 6 固定架 7 溫室北墻 保溫 1 2 3 4 6 5 7 6 圖 2 系統(tǒng)示意圖 Fig 2 System diagram 1 1 5 系統(tǒng)工作原理 相變材料儲熱和放熱過程是發(fā)生顯熱和潛熱轉化 的復雜過程 未達到相變溫度之前 2種固態(tài)形式的相 變材料持續(xù)吸熱 溫度升高 發(fā)生顯熱蓄熱過程 而 后蠟油先達到相變溫度 開始由固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài) 直 到蠟油全部轉變?yōu)橐簯B(tài) 潛熱蓄熱過程完成 之后 當環(huán)境溫度高于蠟油潛熱吸熱終止溫度時 蠟油繼續(xù) 吸收熱量 又發(fā)生顯熱蓄熱過程 在此期間 后達到 相變溫度的十二醇同蠟油蓄熱過程一樣 與蓄熱過程 相反 十二醇較蠟油提前潛熱放熱 2種不同相變溫度 材料的組合使用 可在 一 定程度上實現(xiàn) 分級吸熱 分級放熱 改善 溫室午間高溫 夜間低溫現(xiàn)象的目 的 1 2 試驗方案 1 2 1 溫室概況 溫室位于北京市通州區(qū)中農富通科技園 39 9 N 116 8 E 溫室為東西走向 長 50 m 跨度 8 m 脊高 3 8 m 后墻 2 6 m 方位角為南偏東 26 溫室北墻 后屋面及東西兩側山墻均采用保溫性能強的聚苯板進 行裝配 內外兩側表面 涂抹一層防裂砂漿 前屋面采 用厚 0 1 mm 的聚乙烯塑料薄膜作為覆蓋材料 為研究 分級相變儲放 熱系統(tǒng)在日光溫室內的加溫效果 沿長 度方向將溫室中央用 PC 板等分成西側和東側兩個區(qū) 域 西側溫室后墻內表面裝有 分級 相變 儲放熱 系統(tǒng) 作為試驗溫室 東側溫室后墻 不作處理 作為對照溫 室 08 00左右開啟溫室保溫被 16 30 17 00 關閉保 溫被 試驗溫室 與對照溫室通風及種植管理一致 種 植作物為番茄 土壤栽培 1 2 2 試驗設計 試驗測定內容與現(xiàn)場布置情況如圖 3 所示 氣 溫 包括室外氣溫 試驗溫室與對照溫室室內氣溫 室內溫度測點布置在試驗 對照 溫室長度的三等分 點 跨度的 3 m和 6 m處 高度分別為 距 離 地面 0 7 m 和 1 5 m位置處 試驗溫室和對照溫室各 8個測點 室內土壤溫度 試驗溫室與對照溫室土壤溫度均布置 在各 溫室中央 分別距地面 0 1 m和 0 15 m深度 處 所用測試儀器設備 溫度傳感器采用的是 T 型熱電偶 南浦儀表廠 上海 數(shù)據(jù)采集與存儲選用的是 34972A 數(shù)據(jù)采集儀 20 通道 34901A 數(shù)據(jù)采集板 是 徳科技有限公司 美國 數(shù)據(jù)采集時間間隔設置為 5min 測試時間為 2018年 12月至 2019年 2月 0 1 0 1 5 相變系統(tǒng) 防裂砂漿 聚苯板 防裂砂漿 0 71 5 3 6 空氣溫度測點 土壤溫度測點 a 溫室剖面圖 單位 m 25 50 8 相變 儲熱 系統(tǒng) 試 驗 溫 室 對 照 溫 室 b 溫室俯視圖 單位 m 8 5 8 8 5 圖 3 溫室測點分布圖 Fig 3 Greenhouse measuring point distribution map 2 結果與分析 2 1 溫室內外氣溫變化 2 1 1 試驗期間內 溫室 夜間 氣溫 變化 為了分析分級相變儲放熱系統(tǒng)對溫室溫度環(huán)境的 影響 圖 4 給出了 2019 01 25 至 2019 02 24 試驗期間 內日光溫室夜間 17 00 至次日 08 00 平均室內氣溫 和最低氣溫 試驗周期內 試驗溫室夜間平均室內氣 溫和最低氣溫均高于對照溫室 其中 2月 5日 6日 連續(xù)兩天是霧霾天 2 月 12 日 14 日為小雪轉陰 2 月 6 日 12日 14日試驗溫室夜間平均室內氣溫比對 照溫室分別高 0 9 0 9 0 8 最低氣溫也分別提高 1 0 1 5 0 8 說明分級相變儲放熱系統(tǒng)對短期不 利天氣下 的溫室熱環(huán)境有改善作用 具有較好的儲熱 性能 2 月 14 日 為防止保溫被上的積雪難以清理以 及增大日光溫室前屋面骨架上的負載 白天 管理人 員正常打開保溫被 雪與日光溫室薄膜直接接觸變成 水或者結冰 且室內太陽輻射被大大削減 所以 日 光溫室在幾乎無外來熱源的情況下還被帶走大量熱量 試驗溫室夜間平均室內氣溫降低到 2 8 但還是比對 照溫室高 0 8 說明該系統(tǒng)具有良好的放熱性能 試 驗溫室夜間平均氣溫最低為 7 8 最低氣溫最低為 5 4 比對照溫室分別提高了 1 2 0 5 試驗溫室 的夜間平均室內氣溫平均為 11 0 試驗溫室的最低 氣溫平均為 8 8 比對照溫室平均提高 1 0 1 2 試驗溫室夜間平均氣溫和最低氣溫的提高 有利于作 物的生長發(fā)育 01 25 01 31 02 06 02 12 02 18 02 24 0 0 4 0 8 0 12 0 16 0 溫度 日期 試驗溫室 對照溫室 a 夜間平均氣溫 0 1 2 4 0 1 3 0 0 2 0 5 0 2 1 1 0 2 1 8 0 2 2 4 4 0 0 0 4 0 8 0 1 2 0 1 6 0 b 夜間最低氣溫 溫度 時間 試驗溫室 對照溫室 圖 4 溫室內氣溫變化 Fig 4 Change of temperature inside of greenhouse 2 1 2 典型晴天天氣下溫室內外氣溫變化 圖 5給出了 2019年 2 月 7日 08 00 至 10日 08 00 連續(xù)三天的室內外氣溫 其中 2月 7日和 8 日為晴天 天氣 2 月 9 日為多云天氣 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 溫度 時間 試驗溫室氣溫 對照溫室氣溫 室外環(huán)境溫度 十二醇 相變溫度 蠟油 相變溫度 圖 5 晴天天氣下溫室內外氣溫 Fig 5 Temperature inside and outside greenhouse on sunny day 晴天以 2 月 8 日為例 08 00 剛打開保溫被時 2 個溫室的室內氣溫較低 在 10 以下 低于 2種相變 材料的凝固溫度 而此時 試驗溫室的室內氣溫 比對照 溫室高 1 5 可見 2種相變材料正在進行放熱 08 00 10 00期間 室內空氣溫度隨著太陽輻射增強和室外 溫度的增加而升高 分級相變儲放熱系統(tǒng)也開始由放 熱過程轉變成集熱過程 為確保作物正常生產 溫室 通常會在 11 00 14 00期間進行適當通風 抑制高溫 但在此期間 試驗溫室氣溫一直低于對照溫室 體感 明顯 說明系統(tǒng)在室內高溫時期蓄熱降溫效果顯著 14 00左右 試驗溫室和對照溫室出現(xiàn)最大差值為 5 分級相變儲放熱系統(tǒng)抑制高溫效果明顯 16 30 關閉保 溫被 試驗溫室的室內氣溫為 14 9 比十二醇的凝 固溫度低 5 左右 比蠟油的凝固溫度高 5 左右 故此時十二醇處于潛熱 放熱狀態(tài) 蠟油處于顯熱放熱 狀態(tài) 開始延緩試驗溫室內氣溫下降的趨勢 18 00至 次日 08 00 由于儲放熱系統(tǒng)的持續(xù)放熱作用 試驗溫 室與對照溫室相比 室內氣溫最高提高 1 7 平均提 高 1 3 而 室內最低氣溫 提升 1 5 能夠 保持在 7 9 以上 總體而言 08 00 至次日 08 00 試驗溫室 和對照溫室的室內空氣溫度范圍分別在 7 9 33 6 4 36 之間 試驗溫室室內氣溫的最大溫差比對照 溫室低 4 6 分級相變儲放熱系統(tǒng)縮小室內峰谷溫差 效果顯著 2 1 3 連續(xù)多云 狀況下溫室內外氣溫 變化 圖 6 顯示了 2019 年 1 月 29 日 08 00 到 2 月 1 日 08 00 連續(xù)三天多云狀況下的室內外氣溫 其中 30 日 的云量最多 圖 6 多云天氣下溫室內外氣溫 Fig 6 Temperatures inside and outside greenhouse on cloudy day 以 30日為例 08 00 10 30 期間 試驗溫室的室 內氣溫從比對照溫室高 0 2 1 3 10 30 17 00期間 試驗溫室的室內氣溫均低于對照溫室 二者溫差最高 為 3 4 平均為 0 8 17 00至次日 08 00 期間 試驗溫室的室內氣溫比對照溫室高 0 2 1 7 平均高 1 2 試驗溫室的室內最低氣溫為 8 3 比對照溫 室的最低溫度高 1 7 表明只依靠太陽熱源的分級相 變儲放熱系統(tǒng)的加溫效果較好 08 00至次日 08 00期 間 試驗溫室室內氣溫的最大溫差為 22 8 比 對照 溫室低 4 9 再次表明了分級相變儲放熱系統(tǒng)能夠起 到 午間降溫 夜間升溫 的效果 2 2 不同工況下溫室內外氣溫變化 2 2 1 連續(xù)未蓋保溫被時溫室內外氣溫變化 圖 7顯示了 2019年 2月 13日 08 00到 16日 08 00 連續(xù)三天的室內外氣溫 其中 13 日和 15日為晴天天 氣 14 日為陰雪天氣 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 20 0 10 0 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 溫度 時間 試驗溫室氣溫 對照溫室氣溫 室外環(huán)境溫度 十二醇相變溫度 蠟油相變溫度 圖 7 連續(xù)未蓋保溫被時的溫室內外氣溫 Fig 7 Temperature inside and outside the greenhouse on snowy day 由圖 7知 2 月 13 日與典型晴天 2月 8 日 18 30 至次日 08 00 的氣溫變化規(guī)律大致相同 試驗溫室夜 間室內氣溫全程比對照溫室高 最高達 1 7 試驗溫 室的最低氣溫為 10 3 比對照溫室的最低溫度高 1 5 2 月 14 日由于保溫被被雪水凍結 夜間未能正 常關閉保溫被 致使該日保溫被整 夜 處于打開狀態(tài) 因此 14 日 08 00至 15日 08 00 溫室內氣溫較低 甚 至出現(xiàn)零下狀態(tài) 試驗溫室與對照溫室的最低溫度分 別降為 1 2 1 9 其中 對照溫室在 1 的時間 持續(xù)較長 達 3 6 h 溫室內作物發(fā)生嚴重凍害 最終 導致該季種植提前結束 而試驗溫室由于分級相變儲 放熱系統(tǒng)和土壤的加溫作用 氣溫全程比對照溫室高 0 1 1 6 且室內氣溫在 1 的時長僅為對照溫室 1 4 左右 作物凍害較輕 生產幾乎未受影響 此外 2 月 13日 20 00 的室內溫度為 13 1 十二醇處于潛熱 放熱狀態(tài) 2 月 14 日 20 00 試驗溫室的室內氣溫為 6 0 蠟油處于潛熱放熱狀態(tài) 由此說明系統(tǒng)的分級 放熱作用對抵御陰雪天的不利影響起到了明顯的效果 2 2 2 保溫被連續(xù)關閉條件下溫室內外氣溫變化 圖 8 給出了 2019 年 2 月 1 日 08 00 到 4 日 08 00 連續(xù)三天的室內外氣溫 其中 2月 1日和 2 月 3 日為 晴轉多云 2 月 2 日為陰天 從 2月 1日 17 00 到 2 月 3 日 08 00 期間 保溫被連續(xù)處于關閉狀態(tài) 溫室無太 陽輻射 圖 8 連續(xù)未揭保溫被時的溫室內外氣溫 Fig 8 Temperature inside and outside greenhouse when insulation was not opened 2 月 1日 17 00 關閉保溫被時 試驗溫室和對照溫 室的室內氣溫大致相等 但后期對照溫室溫度下降較 快 致使到 2 月 3 日 08 00 試驗溫室的室內氣溫仍比 對照溫室高 1 2 在此期間 試驗溫室的室內氣溫全 程高于對照溫室 0 1 1 9 試驗溫室的最低室內氣溫 為 8 7 比對照溫室高 1 0 分級相變儲放熱系統(tǒng) 持續(xù)放熱長達 39 h 表明在無外來熱源的情況下 系 統(tǒng)依靠前一天蓄積的熱量能夠實現(xiàn)持續(xù)放熱 抑制連 陰天的影響 2 3 不同天氣下溫室地溫變化 土壤溫度對作物的生長發(fā)育起決定性作用 所以 土壤溫度也是評價溫室熱環(huán)境的重要指標 圖 9 顯示 了 2018 年 12 月 31 日 典型多云 和 2019 年 1 月 1 日 典型晴天 2 個溫室在 10cm 和 15cm 深度處的土 壤溫度 08 00 20 00 08 00 20 00 08 00 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 0 溫度 時間 試驗溫室 10 cm 對照溫室 10cm 試驗溫室 15 cm 對照溫室 15cm 圖 9 不同天氣下兩個溫室不同深度處的地溫變化 Fig 9 Change of soil temperature under different depth in two solar greenhouse under different weather conditions 晴天天氣下 2018 12 31 08 00 至次日 08 00 試 驗溫室與對照溫室 10 cm 深度處的土壤溫度在 09 30 前后分別達到最小值 12 8和 12 0 在 16 00 前后分 別達到最大值 15 6和 14 9 最大值和最小值都比對 照溫 室提高 0 8 由于系統(tǒng)良好的蓄放熱能力 試驗 溫室 10 cm深度處夜間 15 00 至次日 08 00 土壤溫 度比對照溫室提高 0 4 0 9 平均提高 0 6 同樣 試驗溫室 15 cm 深度處的夜間土壤溫度比對照溫室提 高 0 3 1 0 平均提高 0 6 多云天氣下 試驗溫 室 10 15 cm 深度處的夜間土壤溫度比對照溫室提高 0 5 1 0 0 5 0 9 平均提高 0 8 0 7 2 個溫室在 10和 15 cm處的土壤溫度隨時間增加 呈周期性變化 且隨深度的增加溫度變化波動減小 晴天時 試驗溫室在 09 00 左右達到最小值 在 17 00 左右達到最大值 對照溫室在延遲 1 2 h后達到最小 大值 多云與晴天情況下的規(guī)律變化相似 但會提前 一些達到最小 大值 受分級相變儲放熱系統(tǒng)的影響 試驗溫室不同深度的土壤溫度全天均高于對照溫室相 應深度的土壤溫度 為作物的根系生長提供了重要的 溫度環(huán)境 2 4 墻面和地表溫度 圖 10為 12月 8日早上 07 00試驗區(qū)與對照區(qū)墻體 的紅外熱成像圖 從圖中看出 對照溫室墻面溫度與 作物葉面溫度相差無幾 但試驗溫室墻面溫度明顯高 于作物葉面溫度 溫差達 3 4 表明分級相變儲放 熱系統(tǒng)內部儲存大量熱量 并且直到早晨 07 00 仍在持 續(xù)放熱 a 試驗溫室 b 對照溫室 圖 10 試驗溫室與對照溫室墻體紅外熱成像圖 Fig 10 Infrared thermal imaging of walls of experimental greenhouse and controlled greenhouse 圖 11為 12月 8日早上 07 00試驗區(qū)與對照區(qū)栽培 行間地表的紅外熱成像圖 從圖中看出 試驗區(qū)地表 溫約高于對照區(qū)地表溫度 1 地溫的高低也反映了 分級相變儲放熱系統(tǒng)對溫室熱環(huán)境的影響 a 試驗溫室 b 對照溫室圖 圖 11 試驗溫室與對照溫室地表紅外成像圖 Fig 11 Infrared image of soil surface of experimental greenhouse and controlled greenhouse 3 討論與結論 3 1 討 論 分級相變儲放熱系統(tǒng)雖在日光溫室中表現(xiàn)出了良 好的加溫效果 但與理論增溫效果有一定的偏差 分 析其原因主要有三點 一是溫室保溫被的保溫效果差 溫室建成之后保溫被未曾更換 有破損和遮蓋不嚴的 地方 且冬季保溫被結霜嚴重 導致溫室前屋面熱量 損失較大 二是試驗溫室區(qū)域靠近工作間和出入口 且試驗溫室與對照溫室之間的隔門密閉性較差 白天 頻繁觀光采摘活動及工作人員的進出對溫室熱環(huán)境產 生較大影響 夜間 試驗溫室溫度高 部分熱量會向 溫度低的工作間和對照溫室傳遞 因此 若能提前采 取更好的保溫措施 系統(tǒng)對溫室的增溫效果會更加理 想 三是相變材料的用量偏少 限制了系統(tǒng)的集熱能 力 在晴天和多云狀況下 試驗溫室和對照溫室的升 溫速率幾乎一致 說明目前系統(tǒng)的集熱能力有待提升 后續(xù)可通過優(yōu)化相變材料的用量進一步增強系統(tǒng)的蓄 熱能力 3 2 結 論 1 分級相變儲放熱系統(tǒng)的加溫效果明顯 試驗周 期 內 2019 01 25 至 2019 02 24 試驗溫室夜間平均 室內氣溫 夜間最低氣溫分別比對照溫室平均 提高 1 0 1 2 晴天天氣下 試驗溫室的夜間室內氣溫比對照 溫室最高達 1 7 平均達 1 3 多云天氣下 試驗 溫室的 夜間 室內氣溫比對照溫室高 0 2 1 7 平均高 1 2 此外 晴天和多云天氣下 試驗溫室在 10 和 15 cm處的夜間土壤溫度比對照溫室的平均高 0 7 左 右 2 分級相變儲放熱系統(tǒng)對抵御不良天氣影響有良 好的效果 連續(xù)未蓋保溫被且處于陰雪天氣的情況下 試驗溫室的室內氣溫全天比對照溫室高 0 1 1 6 對 照溫室在 1 的時長為 3 6 h 試驗溫室僅為對照溫室 的 1 4 左右 在連續(xù)未揭保溫被的情況下 試驗溫室的 室內氣溫比對照溫室高 0 1 1 9 系統(tǒng)持續(xù)放熱長達 39 h 這 2種特殊情況都說明系統(tǒng)的蓄熱和放熱效果良 好 3 分級相變儲放熱系統(tǒng) 明顯縮小試驗溫室內晝夜 溫差 晴天天氣下 試驗溫室和對照溫室的室內空氣 溫度范圍分別在 7 9 33 6 4 36 之間 試驗溫室 室內氣溫的最大溫差比對照溫室分別低 4 6 多云天 氣下 試驗溫室室內氣溫的最大溫差為 22 8 比 對 照溫室低 4 9 系統(tǒng)能夠將太陽輻射有效存儲利用 即抑制白天高溫 改善夜間低溫 實現(xiàn)了 削峰填谷 的效果 綜上所述 該研究所開發(fā)的分級相變儲放熱系統(tǒng) 作為一次性投入的被動式蓄放熱系統(tǒng) 在利用太陽能 進行改善溫室夜間低溫環(huán)境 抵御極端天氣影響 減 小晝夜溫度波動幅度等方面取得了較好的效果 且系 統(tǒng)具有易于安裝與拆卸 無需調控 節(jié)能減排等優(yōu)點 是一種具有應用推廣前景的溫室節(jié)能調控方式 但初 步開發(fā)的系統(tǒng)在集熱能力方面還有繼續(xù)提升的空間 因此后續(xù)擬在現(xiàn)有的研究基礎上 優(yōu)化材料用量與封 裝方式 探索分級集放熱的協(xié)同作用機理 觀測系統(tǒng) 材料的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的使用壽命 為將來的技術推廣 應用提供理論依據(jù) 參考文獻 1 李明 宋衛(wèi)堂 趙淑梅 等 設施園藝太陽能利用技術 研究進展 J 農業(yè)工程技術 2017 37 22 16 25 LI M SONG W T Zhao S M et al Advances in the use of facility horticultural solar energy J Agricultural engineering technology 2017 37 22 16 25 2 鮑恩財 曹晏飛 鄒志榮 等 節(jié)能日光溫室蓄熱技術 研究進展 J 農業(yè)工程學報 2018 34 6 1 14 BAO E C CAO Y F ZHOU Z R et al Research progress of storage technology in energy saving solar greenhouses J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2018 34 6 1 14 3 張滴滴 王平智 程杰宇 等 溫室相變儲熱技術研究 進展 J 農業(yè)工程技術 2019 39 22 42 47 ZhANG D D WANG P Z CHENG J Y et al Advances in the research of phase change heat storage technology in greenhouses J Agricultural engineering technology 2019 39 22 42 47 4 郭靖 外掛型相變材料日光溫室的蓄熱效果研究 D 楊 凌 西北農林科技大學 2011 GUO J Study on performance of heat preservation of the greenhouse in which phase change materials heat was hanged on inner surface of back wall D Yangling Northwest A phase change materials heat storage temperature