石蠟基相變儲能墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控溫實(shí)驗(yàn)研究

王傳濤，劉松陽，韓 杰

(1.沈陽工學(xué)院能源與水利學(xué)院，沈陽 113122；2.遼寧石油化工大學(xué)，遼寧省石油化工特種建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，撫順 113001)

0 引 言

溫室建筑主要由背風(fēng)墻、山墻、采光罩三個(gè)主要部分組成，其結(jié)構(gòu)形式簡單、便于施工，是我國北方地區(qū)解決冬季農(nóng)作物生長所普遍采用的建筑形式之一。傳統(tǒng)溫室應(yīng)用范圍廣且經(jīng)濟(jì)效益高，但也帶來了巨大的能耗問題。因此，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者投入到溫室建筑節(jié)能降耗技術(shù)的研究中。溫室的熱源主要來自太陽輻射，夏季日間溫室內(nèi)溫度過高，需要通風(fēng)散熱；冬季夜間溫室內(nèi)溫度過低，需要加熱補(bǔ)償。為解決溫室建筑冬季的低溫和夏季的高溫問題，現(xiàn)行的辦法是配備升溫和降溫設(shè)施，不僅增加了溫室生產(chǎn)成本，也不利于低碳環(huán)保。如果能將新型材料融入溫室背風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，把白天多余的太陽能儲存起來，在夜晚低溫時(shí)段釋放出來，就可以極大地提高能源的利用效率，而相變儲能(Latent Thermal Energy Storage，簡稱LTES)材料的出現(xiàn)就解決了這一問題。

相變儲能與顯熱式貯熱相比，儲存熱量更多，不需要額外輔助能耗，所以更加低碳環(huán)保，且相變過程近似等溫的性質(zhì)可有效控制工作源附近環(huán)境溫度波動(dòng)，給生活、生產(chǎn)帶來更為舒適的條件。許多國內(nèi)外學(xué)者投入到這方面的研究之中，研究內(nèi)容主要涉及潛熱高且相變溫度適宜溫室生長使用的相變材料篩選[1-3]；添加石墨粉等材料對相變材料導(dǎo)熱性能的改良及最佳摻比的確定[4-5]；添加鋼纖維等材料對溫室混凝土墻體整體導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的改良及最佳摻比的確定[6-9]，溫室混凝土墻體相變儲熱層的設(shè)置與優(yōu)化[10-13]，以及利用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬等手段評價(jià)相變材料對溫室的控溫影響等方面[14-17]。

目前的研究主要集中在理論論證層面，為了增強(qiáng)對溫室墻體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)用性，本文研究了石蠟基相變材料以波紋管為封裝容器蛇形敷設(shè)于溫室墻中制備LTES墻，以控制溫室環(huán)境溫度、研究及評價(jià)控溫效果，其制備工藝簡單、成本低、蓄熱量大，便于市場應(yīng)用推廣，具有較高的社會(huì)效益，對溫室的現(xiàn)代化、節(jié)能生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

相變材料：石蠟，上海焦耳蠟業(yè)有限公司生產(chǎn)，牌號為25 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)0.21 W/(m·K)。

碳纖維粉：深圳市第六元素新材料有限公司生產(chǎn)，規(guī)格300目(50 μm)。

金屬波紋管：DN40、304不銹鋼、波高40 mm特厚型，質(zhì)量0.350 kg/m。

鋼纖維：上海史尉克工貿(mào)有限公司生產(chǎn)，銑削型鋼纖維，抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，長度38～50 mm。

其他材料：擠塑聚苯板(XPS)、普通硅酸鹽水泥，粒徑4～8 mm豆石，細(xì)度模數(shù)2.3～3.0 mm中砂，減水劑為FDN-1高效減水劑，除泡劑為聚硅氧烷，分散劑為甲基纖維素。

1.2 石蠟熱物性參數(shù)測試

實(shí)驗(yàn)采用南京大展機(jī)電技術(shù)研究所生產(chǎn)的DSC-100差式掃面量熱儀測定石蠟相變溫度上限、下限和相變潛熱，將石蠟樣品分三組分別測試，最后取三組平均值。

1.3 石蠟基復(fù)合相變材料制備

溫室及LTES墻制備的過程如圖1所示。取石蠟3 kg裝入鐵桶置于電熱干燥箱內(nèi)加熱，待石蠟充分融化后，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳纖維粉[4-5]，使用玻璃棒攪拌均勻后，通過漏斗注入已彎折成型后的金屬波紋管內(nèi)，并于兩端封堵，如圖1(a)所示。

1.4 溫室及LTES墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎醚b配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為底板、側(cè)墻、采光罩及背風(fēng)墻四個(gè)模塊，材料采用高通透率亞克力玻璃。背風(fēng)墻設(shè)計(jì)為嵌入式可拆卸芯墻，即LTES墻，如圖1(b)所示。

芯墻尺寸為470 mm×470 mm×70 mm，使用15 mm厚擠塑聚苯板(XPS)于5側(cè)支模，模板不拆除，用作墻體外保溫材料。將水泥、砂、豆石、水按質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶1.36∶3.03∶0.45混合攪拌均勻，第一次在模板中澆筑混凝土厚15 mm，然后敷設(shè)金屬波紋管；第二次將剩余混凝土中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的鋼纖維[6-9]，混合均勻后，將模板澆筑滿并抹平、壓光，制作過程如圖1(c)及圖1(d)所示。

LTES墻內(nèi)金屬波紋管采用蛇形彎折方式，直線段長度300 mm，彎折段半徑50 mm。

溫室模型設(shè)置了可開啟式平開門，模擬實(shí)際通風(fēng)效果；模型下部為可拆卸式底槽，內(nèi)部可盛裝土壤、種植綠植模擬真實(shí)溫室環(huán)境。

圖1 溫室及LTES墻制備Fig.1 Greenhouse and LTES wall preparation

1.5 實(shí)驗(yàn)方案與測試

實(shí)驗(yàn)制備兩組溫室模型，一組采用普通墻，另一組采用LTES墻。溫度監(jiān)測采用大連晟科試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的混凝土無線測溫儀SH-TW80，利用其多測點(diǎn)多通道的同步傳感測試功能，測試兩組模型內(nèi)部三個(gè)不同位置的逐時(shí)溫度變化，通過遠(yuǎn)端PC無線接收，自動(dòng)生成測量溫度逐時(shí)變化曲線圖。

混凝土無線測溫儀SH-TW80共計(jì)8個(gè)通道，可通過8個(gè)外置傳感器測點(diǎn)同時(shí)測量混凝土內(nèi)部8個(gè)不同位置點(diǎn)的逐時(shí)溫度，并按預(yù)設(shè)置的測試步長記錄溫度值，通過云端傳輸給PC。實(shí)驗(yàn)使用通道CH-1～CH-5五個(gè)測點(diǎn)。CH-1、CH-2分別測量LTES溫室環(huán)境和LTES墻內(nèi)溫度，CH-3、CH-4分別測試普通溫室環(huán)境溫度和墻內(nèi)溫度，CH-5測量溫室外環(huán)境溫度，實(shí)驗(yàn)方案布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2019年12月27日8∶00至24∶00，該時(shí)間為典型冬季時(shí)段。為了測試LTES墻對升降溫的綜合控溫影響，實(shí)驗(yàn)采用CDN-RT205外置加熱裝置模擬太陽輻射進(jìn)行溫度加載，加載主要分為四個(gè)階段，即低幅正向加載、高幅正向加載、恒溫持續(xù)加載、高幅負(fù)向加載(卸載)。設(shè)置升降溫步距30 min、測溫步距1 min，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)照片如圖3所示。

圖2 控溫實(shí)驗(yàn)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme of temperature control

圖3 溫室控溫設(shè)備Fig.3 Temperature control experiment of greenhouse

2 結(jié)果與討論

2.1 石蠟熱物性參數(shù)

石蠟為烴類混合物，是一種非理想相變材料，不具有嚴(yán)格的熔點(diǎn)，其相變溫度通常是一段溫度區(qū)間，實(shí)驗(yàn)測得熱物性參數(shù)結(jié)果如表1所示，Teo為相變溫度下限，Tm為相變溫度上限。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，取三組試樣測試結(jié)果平均值后，牌號為25 ℃的石蠟實(shí)際相變溫度區(qū)間約為22.2～30.0 ℃，相變潛熱Hm約為254.6 kJ/kg，其相變潛熱值較高，控溫范圍適宜植物生長。

表1 石蠟熱物性參數(shù)Table 1 Thermal physical parameters of paraffin

2.2 LTES墻結(jié)構(gòu)特性分析

LTES墻內(nèi)部采用蛇形彎折的金屬波紋管封裝相變材料，其敷設(shè)方式和表面的螺紋狀波紋可有效增加管體與墻之間的接觸面積，從而提高內(nèi)部相變材料與外部環(huán)境的熱交換速率。石蠟中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的碳纖維改善了其導(dǎo)熱性能，增加了相變材料的熱存儲與釋放效率。此外，LTES墻澆筑分兩次進(jìn)行，靠近室外側(cè)墻體為普通混凝土材料并外貼擠塑板(XPS)，減少了室內(nèi)溫度向室外散失；而靠近室內(nèi)側(cè)墻體為摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%鋼纖維的混凝土，利用鋼纖維良好的導(dǎo)熱性能提高了LTES墻與室內(nèi)溫度的交換速率。綜上，通過合理設(shè)計(jì)LTES墻的結(jié)構(gòu)可以最大化發(fā)揮其控溫性能。

2.3 LTES墻控溫效果分析

在外溫荷載作用下，兩組溫室控溫效果主要通過室內(nèi)環(huán)境溫度與墻體內(nèi)部溫度來衡量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取反應(yīng)控溫效果的特征值參數(shù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)測溫步距為1 min，考慮到模型小環(huán)境下測點(diǎn)瞬時(shí)溫度易受附近氣流等環(huán)境因素?cái)_動(dòng)，表中各溫度特征值及對應(yīng)時(shí)刻取用最值前后5 min區(qū)段內(nèi)對應(yīng)數(shù)值的均值，以減少誤差影響。

圖4 溫室墻內(nèi)溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves inside the wall of the greenhouse

圖5 溫室環(huán)境溫度變化曲線Fig.5 Greenhouse environmental temperature change curves

由圖4、圖5可見，第一階段低幅正向加載，在溫度沒有達(dá)到相變溫度下限之前，LTES墻及普通墻內(nèi)部溫度變化均比較平緩，而兩組溫室環(huán)境升溫變化則均較為明顯，可見LTES墻在沒有發(fā)生相變過程前，其傳熱性能與普通混凝土材料相當(dāng)；第二階段高幅正向加載，LTES墻及普通墻內(nèi)部溫度均明顯上升，第二階段初期兩條溫度曲線幾乎同步變化，但是在時(shí)間10∶40(即實(shí)驗(yàn)開始2 h 40 min時(shí))左右LTES墻及普通墻內(nèi)部溫度曲線出現(xiàn)分岔點(diǎn)，兩組溫室環(huán)境溫度也呈現(xiàn)類似特征，但分岔點(diǎn)時(shí)間后移，普通墻內(nèi)部溫度及溫室環(huán)境溫度曲線繼續(xù)上升，LTES墻內(nèi)部溫度及溫室環(huán)境溫度曲線趨于平緩，原因在于10∶40左右墻內(nèi)溫度達(dá)到相變溫度下限，相變材料從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)時(shí)吸收外界溫度，從而控制墻體及環(huán)境溫度不會(huì)出現(xiàn)高溫過熱；第三階段恒溫持續(xù)加載過程，LTES墻及普通墻內(nèi)部溫度變化趨勢與第二階段基本一致，但普通溫室環(huán)境溫度峰值已超越加載溫度，而LTES墻溫室環(huán)境溫度始終沒有出現(xiàn)過高情況；第四階段高幅負(fù)向加載(卸載)過程，LTES墻及普通墻內(nèi)部溫度均明顯下降，兩組溫室環(huán)境溫度也同步下降，但LTES墻降溫幅度緩慢，原因在于相變材料從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)向外界釋放熱量，維持了材料及附近環(huán)境的溫度。持續(xù)高幅負(fù)向加載，在16∶30(即實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了8.5 h時(shí))左右LTES墻內(nèi)部溫度曲線出現(xiàn)陡降，因?yàn)閴?nèi)溫度達(dá)到相變溫度下限，相變控溫過程終止，后續(xù)LTES中墻變化過程基本與普通墻一致。

表2 溫室控溫測試特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of greenhouse temperature control test

2.4 LTES墻控溫定量評價(jià)

圖6 控溫評價(jià)指標(biāo)定義Fig.6 Definition of temperature control evaluation index

為進(jìn)一步精確衡量LTES墻控溫效果，定義相變維持時(shí)間、溫度延遲時(shí)間、溫度衰減倍數(shù)、升溫速率和降溫速率5個(gè)定量評價(jià)指標(biāo)，其定義如圖6所示，計(jì)算方法如式(1)～(5)所示。

(1)

φ=τ'-τ

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ψ為相變維持時(shí)間，即LTES墻內(nèi)溫度曲線圖中近似平段區(qū)間的長度，h；τa為相變第一起始時(shí)刻，即LTES墻溫度達(dá)到相變溫度下限時(shí)對應(yīng)的時(shí)刻，h；τb為相變第一結(jié)束時(shí)刻，即LTES墻溫度曲線上升過程中第一次達(dá)到相變溫度上限時(shí)所對應(yīng)的時(shí)刻，h；τc為相變第二起始時(shí)刻，即LTES墻溫度曲線下降過程中第一次達(dá)到相變溫度上限時(shí)所對應(yīng)的時(shí)刻，h；τd為相變第二結(jié)束時(shí)刻，即LTES墻溫度達(dá)到相變溫度下限所對應(yīng)的時(shí)刻，h；τ' 為LTES墻內(nèi)溫度峰值對應(yīng)時(shí)刻，h；τ為室外溫度峰值對應(yīng)時(shí)刻，h；φ為延遲時(shí)間，即LTES墻溫度曲線與室外溫度曲線峰值的水平距離，h；ζ為衰減倍數(shù)；Af為室外溫度波幅，℃；λ為墻內(nèi)溫度波幅，℃；Vr為升溫速率，℃/h；Vd為降溫速率，℃/h；Tmax與Tmin分別為墻內(nèi)溫度峰值和谷值，℃;t為相變溫度，℃

如圖6中LTES wall-2所示，當(dāng)LTES墻潛熱設(shè)計(jì)封裝量過小時(shí)，其內(nèi)部溫度峰值可穿越其相變溫度區(qū)間，而本文中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的LTES墻符合圖中LTES wall-1特征。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(1)～(5)計(jì)算得LTES墻相變維持時(shí)間ψ、溫度延遲時(shí)間φ、溫度衰減倍數(shù)ζ、升溫速率Vr和降溫速率Vd五個(gè)評價(jià)指標(biāo)依次為4.5 h、3.8 h、1.5、1.9 ℃/h 和1.2 ℃/h，普通墻無相變維持時(shí)間ψ這一指標(biāo)，其余四項(xiàng)指標(biāo)依次為3.7 h、1.2、2.3 ℃/h和1.6 ℃/h。結(jié)果表明：LTES墻可在近4.5 h時(shí)長內(nèi)將墻體溫度維持在22.2～30.0 ℃，恒溫效果顯著；LTES墻溫度延遲時(shí)間比普通墻長0.1 h，溫度衰減倍數(shù)為普通墻的1.25倍，其對環(huán)境溫度變化的敏感度更低，溫感舒適性更好；LTES墻升溫速率Vr和降溫速率Vd均比普通墻低0.4 ℃/h，環(huán)境溫度變化速率低，控溫效果更好。

3 結(jié) 論

(1)石蠟是一種非理想相變材料，因其成分復(fù)雜，所以相變溫度呈一區(qū)段。將牌號25 ℃的石蠟作為LTES墻相變材料可以將墻體附近環(huán)境溫度在很長一段時(shí)間內(nèi)控制在相變溫度區(qū)段附近，而適宜植物生長的溫度也是一個(gè)區(qū)段，二者恰好匹配，適于溫室使用。

(2)石蠟中添加碳纖維導(dǎo)熱增強(qiáng)材料制備復(fù)合相變材料，并采用金屬波紋管蛇形封裝敷設(shè)于LTES墻內(nèi)的設(shè)計(jì)方法切實(shí)可行，其施工便捷、成本低、封裝量高，溫度峰值不會(huì)穿越相變溫度區(qū)間，相變材料與外部環(huán)境的熱交換速率快，可最大化LTES墻的控溫效果。

(3)LTES墻應(yīng)用于溫室，可將墻體自身及環(huán)境溫度控制在相變溫度區(qū)間附近，減小環(huán)境溫度波動(dòng)，且相變過程中存儲與釋放的熱量可自動(dòng)削減溫室日間溫度峰值并填補(bǔ)夜間溫度谷值，從而減少輔熱或制冷設(shè)備產(chǎn)生的附加能耗，起到節(jié)能減排作用。

(4)通過五個(gè)評價(jià)指標(biāo)計(jì)算對比，LTES墻較普通墻具有很長一段恒溫維持時(shí)間，外溫傳遞的延遲時(shí)間長，溫度傳遞過程中衰減幅度大，且升溫和降溫的速度均較慢，將其用于溫室結(jié)構(gòu)可以起到明顯控溫效果，使環(huán)境條件更加舒適。