無機(jī)水合鹽相變儲能材料在溫室大棚中的應(yīng)用方式研究進(jìn)展

鄢冬茂++蔡文蓉

摘要 相變儲能技術(shù)應(yīng)用于溫室大棚，在溫室節(jié)能和優(yōu)化作物生長環(huán)境等方面可發(fā)揮重要的作用。本文綜述了相變材料在溫室大棚中的應(yīng)用方式，重點對基于無機(jī)水合鹽相變儲能材料的相變墻體和相變蓄熱裝置2種應(yīng)用方式進(jìn)行了評述。指出未來的研究重點是優(yōu)化相變蓄熱裝置效率以及開發(fā)更高效的應(yīng)用形式。

關(guān)鍵詞 無機(jī)水合鹽相變材料；溫室大棚；潛熱

中圖分類號 TB34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）07-0187-02

Progress on Inorganic Salt Hydrate as Phase Change Material and Its Application in Greenhouses

YAN Dong-mao 1，2 CAI Wen-rong 1

（1 Shenyang Research Institute of Chemical Industry，Shenyang Liaoning 110021； 2 State Key Laboratory of Fine Chemicals，

Dalian University of Technology）

Abstract The application of phase change energy storage technology in greenhouse can play an important role in greenhouse energy conservation and optimization of crop growth environment.The applications of inorganic salt hydrate phase change materials in greenhouses were reviewed. In addition， two application modes of phase change wall and phase change thermal storage device were evaluated. This paper pointed out that the current essential problems in its application were the design of phase change thermal storage device and development of more efficient forms of application.

Key words inorganic salt hydrate phase change material；greenhouse；latent heat

溫室大棚可將溫度和濕度控制在適宜農(nóng)作物生長的范圍內(nèi)，用于反季節(jié)種植栽培農(nóng)產(chǎn)品，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)擺脫自然氣候的制約，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。為適應(yīng)嚴(yán)冬的夜晚和酷暑的白天等氣候條件，溫室大棚內(nèi)往往配備升溫和降溫系統(tǒng)，存在高能耗和高運(yùn)行成本等問題，成為影響設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益的瓶頸問題。

相變材料在發(fā)生相變時能吸收或釋放大量的熱，與顯熱儲能和化學(xué)反應(yīng)儲能材料相比，具有儲放熱過程近似等溫、儲能密度大、易于控制等優(yōu)點，可解決熱能供需在時間和空間上的分配矛盾問題，廣泛用于提高太陽能、工業(yè)余熱和谷電等能源的利用率。相變材料用于溫室大棚，不僅能夠節(jié)約常規(guī)能源，減少環(huán)境污染，而且可提高溫室蓄熱和保溫性能，增加室內(nèi)溫度的自調(diào)節(jié)功能，有利于優(yōu)化作物生長環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益，對促進(jìn)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

從20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外研究用于農(nóng)業(yè)溫室中的相變材料主要有無機(jī)水合鹽類、石蠟類、聚乙二醇（PEG）、有機(jī)酸類等[1]。其中，無機(jī)水合鹽的相變溫度為8～117 ℃，相變焓值為100～400 kJ/kg，具有相變溫度可調(diào)、儲熱密度大、導(dǎo)熱系數(shù)大、毒性小和價格便宜等優(yōu)點，是應(yīng)用于溫室大棚的優(yōu)選相變材料。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行相變儲熱系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用研究，對充分發(fā)揮材料性能優(yōu)勢和溫室熱環(huán)境的優(yōu)化非常重要。國外巴斯夫等公司在相變儲能溫室建筑環(huán)境工程設(shè)計研究方面起步較早，技術(shù)逐漸成熟。國內(nèi)研究則處于剛起步階段，主要發(fā)展了相變墻體和相變蓄熱裝置2種應(yīng)用方式。本文重點綜述了近年來國內(nèi)外相變材料在溫室大棚中的應(yīng)用形式及存在的問題，并展望了未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

1 相變墻體

溫室北墻的作用是保溫蓄熱，將相變材料用于北墻構(gòu)成相變墻體，形成相變墻體蓄熱系統(tǒng)，可以減少墻體厚度，提高土地利用率。相變材料在溫室北墻的應(yīng)用方式主要有以下幾種：①將相變儲能材料浸入到多孔的混凝土中，制成相變混凝土；②將相變蓄能墻體材料涂抹于溫室大棚北墻內(nèi)表面；③將相變材料制成相變砌塊，建筑相變保溫墻體。

王 蕊等[2]采用?；⒅橄嘧儽厣皾{和?；⒅楸厣皾{作為蓄熱層和保溫隔熱層，與木工板相結(jié)合構(gòu)成溫室的復(fù)合圍護(hù)墻板，可大幅減小墻體厚度，可滿足冬暖型溫室大棚對室內(nèi)溫度的要求。楊小龍等[3]制備了十二水磷酸氫二鈉相變蓄熱墻板，建造了后墻結(jié)構(gòu)為“80 mm相變蓄熱板+40 mm×60 mm×2.5 mm方鋼+80 mm菱鎂聚苯保溫板”日光溫室。結(jié)果表明：典型晴天時，相變蓄熱板溫室的氣溫波動幅度比對照小4.2 ℃，典型陰天時，相變蓄熱板溫室的平均氣溫比對照高1.6 ℃。相變蓄熱板墻體造價比對照低22元/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%。陳 超等[4]將研制的新型復(fù)合相變蓄能墻體材料應(yīng)用于溫室大棚北墻內(nèi)表面，構(gòu)成相變溫室大棚。較普通溫室大棚，相變溫室大棚白天棚內(nèi)最高空氣溫度約低2 ℃，夜間棚內(nèi)空氣溫度可高出6 ℃，大大減小了棚內(nèi)空氣溫度波動。

在此溫室的基礎(chǔ)上，凌浩恕等[5]提出一種帶豎向空氣通道的太陽能相變蓄熱墻體構(gòu)筑體系。多曲面槽式空氣集熱器吸收太陽能，利用熱風(fēng)加熱的方式將熱能引入到墻體內(nèi)部。通過主動與被動相結(jié)合的蓄熱方式，提高日光溫室后墻體的太陽能熱利用率以及厚重墻體內(nèi)部層溫度和蓄熱能力。此溫室的蓄熱能力為普通建筑材料的15.5倍。張 勇等[6]利用聚乙烯塑料薄膜將研制的復(fù)合相變材料封裝后，添加到空心砌塊中制備了相變砌塊。將相變砌塊應(yīng)用到溫室北墻上，室內(nèi)溫度白天可降低5.7 ℃，夜晚可提高5.8 ℃。馬江偉[7]將六水氯化鈣/陶粒定形相變材料與傳統(tǒng)的混凝土建筑材料按照一定的比例混合，制備無機(jī)相變砌塊，適合應(yīng)用于日光溫室中。

將相變材料直接應(yīng)用于相變墻體中存在以下幾個問題：一是相變材料的泄露；二是降低建筑材料本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；三是降低相變材料的儲能密度。因此，選擇與相變材料具有良好相容性的基體材料以及采用合適的制備工藝制作相變儲能墻體，仍是需要研究的重點問題。

2 相變蓄熱裝置

相變蓄熱裝置將儲熱器和熱交換器結(jié)成一體，因而在儲熱或取熱的同時也進(jìn)行著熱交換。在溫室大棚中，相變蓄熱裝置的設(shè)計一般有2種：一是在溫室外設(shè)太陽能收集裝置，通過熱能傳輸裝置將溫室外的熱能輸送到溫室內(nèi)，儲存在相變材料儲存裝置中，根據(jù)溫室的需熱量為溫室補(bǔ)充熱量；二是在溫室內(nèi)設(shè)相變蓄熱裝置，將白天溫室內(nèi)多余的能量以潛熱的形式儲存起來，夜間溫室氣溫降低時再將其釋放，為溫室加溫。

閆彥濤設(shè)計了一種太陽能蓄熱系統(tǒng)。白天，太陽能集熱板收集太陽能，以熱能的形式儲存到相變材料內(nèi)；夜間，蓄熱器儲存的熱量加熱氣溫較低的空氣，通過空氣循環(huán)，使白天蓄積的熱量輸送到溫室內(nèi)，從而維持溫室內(nèi)相對較高的溫度。Jaffrin等[8]將CaCl2·6H2O材料應(yīng)用于玻璃溫室，設(shè)計了一種地下儲熱系統(tǒng)。相變儲熱罐放于混凝土管道內(nèi)，管道上部安裝熱交換板，將管道埋在溫室地面以下。白天，太陽照射時，室內(nèi)熱空氣通過通風(fēng)道傳給地下相變儲熱系統(tǒng)；晚上，通過循環(huán)空氣將相變儲熱系統(tǒng)內(nèi)的熱量引入室內(nèi)。這種儲熱形式具有效率高、不占室內(nèi)有效空間等優(yōu)點。黎少輝等[9]設(shè)計了一種新型相變儲能換熱器，主要有三大模塊構(gòu)成，即相變材料儲存器、集氣器、排氣模塊。白天棚內(nèi)溫度過高時，高溫氣體加熱相變材料進(jìn)行熱能存儲。當(dāng)大棚溫度降低到設(shè)定溫度時，相變材料釋放熱量加熱空心管內(nèi)的空氣，熱空氣通過內(nèi)排管排進(jìn)大棚，從而實現(xiàn)大棚內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。Kern等[10]設(shè)計相變儲熱裝置包括室內(nèi)和室外2部分。各部分內(nèi)置裝有CaCl2·6H2O的氣溶膠罐，室外配集熱器。白天2個儲存系統(tǒng)分別吸收儲存室內(nèi)外熱量，晚上則將熱量釋放入溫室內(nèi)。結(jié)果表明，室外系統(tǒng)可釋放出80%～90%所吸收的熱量，室內(nèi)系統(tǒng)釋放出60%～80%。這種方式儲熱量大，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

由于溫室大棚中的作物需要時常更換，并且作物不同生長階段所需要的適宜溫度也不同，例如育苗破土前后的溫度需求差別就很大。因此，相比于相變墻體而言，相變蓄熱裝置在滿足溫室大棚這一方面的要求更具有優(yōu)勢，可通過更換裝置中相變材料實現(xiàn)。這就要求相變蓄熱裝置的設(shè)計要求簡單，方便拆卸，對其鋪設(shè)方式也有很大的要求。相變蓄熱裝置是相變材料應(yīng)用于溫室大棚中有效的儲熱方法，但其工藝和儲放熱效率等方面尚需進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)論與展望

相變材料在溫室大棚中的應(yīng)用形式?jīng)Q定了其實際工作中的效率。研究相變材料與建筑材料的相容性以及混合后材料的儲熱特性、傳熱特性，對于提高能源利用率十分重要；研究相變儲熱器的強(qiáng)化換熱措施，改進(jìn)換熱器的結(jié)構(gòu)，使相變裝置簡單化，從而提高土地利用率；增加輔助加熱裝置，在太陽能不能滿足溫室負(fù)荷的要求時保證溫室環(huán)境的穩(wěn)定。

目前，相變儲能材料的規(guī)?；虡I(yè)化品種不多，在實際工程應(yīng)用時仍然存在一些技術(shù)瓶頸問題。隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展，相變儲能材料在溫室大棚中的應(yīng)用在提高太陽能熱利用等方面將發(fā)揮日益重要的作用。無機(jī)水合鹽相變材料應(yīng)用于溫室大棚的研究已在壽光等地區(qū)建立起了應(yīng)用示范基地，為大技術(shù)的規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，未來仍需開發(fā)更多更有效的應(yīng)用形式，加速其應(yīng)用進(jìn)程。

4 參考文獻(xiàn)

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