相變儲(chǔ)能技術(shù)調(diào)控溫室熱環(huán)境研究進(jìn)展

王柏超 李棟 陳宏坤 吳國(guó)忠 吳洋洋

1 東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院

2 江西省華贛環(huán)境集團(tuán)有限公司

3 中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院

0 引言

種植歷程和經(jīng)驗(yàn)表明，溫室運(yùn)行能耗是制約溫室生產(chǎn)效益和快速發(fā)展的瓶頸[1-2]，如何解決能耗成本和熱環(huán)境條件是溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，因此研究開(kāi)發(fā)新型蓄熱加溫技術(shù)，充分利用可再生的太陽(yáng)能，提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)溫室熱環(huán)境低成本調(diào)控，成為該領(lǐng)域的目標(biāo)。隨著新能源利用和節(jié)能技術(shù)的研究，相變儲(chǔ)能材料和相變儲(chǔ)能技術(shù)逐漸映入眼簾，被認(rèn)為是最有潛力的儲(chǔ)能方式[3-4]，為解決溫室高能耗問(wèn)題提供一種新途徑[5]。

本文綜述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于溫室相變儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)研究現(xiàn)狀及對(duì)熱環(huán)境調(diào)控的應(yīng)用效果，指出目前存在的問(wèn)題，并展望了相變儲(chǔ)能技術(shù)前景，為進(jìn)一步開(kāi)展溫室相變儲(chǔ)能技術(shù)研究提供參考，以期突破現(xiàn)有溫室發(fā)展瓶頸。

由于溫室獨(dú)特的外形和建筑構(gòu)造形式，相變儲(chǔ)能材料多應(yīng)用于溫室墻體、溫室內(nèi)部及相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。相關(guān)應(yīng)用研究在國(guó)外起步較早，無(wú)論是有機(jī)相變材料還是無(wú)機(jī)相變材料，各國(guó)學(xué)者都進(jìn)行了廣泛和深入地研究。

1 溫室墻體相變儲(chǔ)能技術(shù)

溫室能夠營(yíng)造適宜作物生長(zhǎng)的熱環(huán)境，與墻體的保溫蓄熱性能密不可分。通常以增加墻厚來(lái)提高保溫蓄熱性能，此種方法建造簡(jiǎn)單，但存在占地面積大、保溫效果不明顯、蓄熱性能有限等缺點(diǎn)[6]。將相變儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于溫室墻體可有效改善此問(wèn)題[7-9]。

Berroug 等[10]將CaCl2·6H2O 應(yīng)用到溫室北墻作為蓄熱介質(zhì)，基于溫室熱量和質(zhì)量平衡原理（圖1），建立熱濕模型，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫室夜間空氣溫度提高6～12 ℃，且溫度波動(dòng)降低。Chen 等[11]研制出適用于日光溫室墻體的定型十八烷-月桂酸/石墨材料，實(shí)驗(yàn)表明相變材料的應(yīng)用縮短了墻體蓄放熱時(shí)間，有效改善了室內(nèi)熱環(huán)境。管勇等[12-13]將所研制的相變材料用于日光溫室北墻，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該材料可較好地改善作物生長(zhǎng)熱環(huán)境，有效提高溫室的蓄熱能力和太陽(yáng)能利用率。

圖1 溫室能量平衡

薛亞寧、管勇等[14-15]研制出“石蠟-混凝土”相變材料板，結(jié)果表明，該材料板能很好地改善溫室冬季夜間熱環(huán)境。楊小龍等[16]制備了十二水磷酸氫二鈉相變蓄熱墻板，研究結(jié)果表明，晴天時(shí)，相變溫室室內(nèi)溫度波幅比對(duì)照溫室小4.2 ℃，陰天時(shí)，相變溫室室內(nèi)平均溫度比對(duì)照溫室高1.6 ℃，且在不同外界氣候條件下溫度波動(dòng)小于對(duì)照溫室1.2～4.2 ℃。

張勇等[3]將Na2SO4·10H2O 和Na2CO3·10H2O 混合后用聚乙烯薄膜封裝，并制成不同尺寸內(nèi)嵌在空心砌塊內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果表明，相變空心砌塊可使溫室內(nèi)溫度波幅較普通溫室減小3.5 ℃。王宏麗等[17]將石蠟和硬脂酸正丁酯復(fù)合，以稻殼為載體混合建筑材料制成相變蓄熱砌塊（圖2[17]），并砌成溫室墻體，試驗(yàn)溫室剖面如圖3[17]，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，相變溫室室內(nèi)溫度波動(dòng)相比減小4.1 ℃，最低氣溫比對(duì)照溫室提高1.7 ℃，最高氣溫比對(duì)照溫室低2.4 ℃，可實(shí)現(xiàn)溫室溫度“削峰填谷”。周瑩等[18]研制出一種適用于日光溫室的石膏基石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能保溫砂漿，將50 mm 厚砂漿應(yīng)用在溫室后墻，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)溫室室內(nèi)日最低溫度比磚墻溫室平均高出1.5 ℃，最高達(dá)2.4 ℃，即便在陰天，試驗(yàn)溫室溫度相較于磚墻溫室平均高1.6 ℃左右。

圖2 相變保溫砌塊

圖3 試驗(yàn)溫室剖面

上述研究表明，相變儲(chǔ)能技術(shù)將太陽(yáng)輻射能蓄存于溫室墻體，待到環(huán)境溫度波及室內(nèi)熱環(huán)境時(shí)相變釋放，對(duì)溫室熱環(huán)境的改善有一定效果。此外，相變材料用量，應(yīng)用方式受自身蓄熱能力，相變溫度范圍及封裝密閉性等限制，這是今后需要加強(qiáng)研究的重點(diǎn)。相變儲(chǔ)能技術(shù)能夠提升墻體的蓄熱能力，但墻體的保溫性能又是值得思考的問(wèn)題。鑒于如今溫室墻體多用砌塊砌成，且一般砌塊保溫性能差、無(wú)潛熱蓄存能力，因此在今后集蓄熱、保溫、承重性能為一體的相變保溫蓄熱砌塊值得進(jìn)一步研究。

2 溫室內(nèi)部相變儲(chǔ)能技術(shù)

溫室主要能源為太陽(yáng)輻射，而這些熱量又會(huì)在夜間流失，造成溫度波動(dòng)，無(wú)法保證適宜作物生長(zhǎng)的夜間溫度[19-20]。若能把白天富足的太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)存起來(lái)，在夜晚環(huán)境溫度降低時(shí)釋放以維持作物生長(zhǎng)熱環(huán)境，將為溫室提供有效的節(jié)能降耗途徑，這也一直是研究熱點(diǎn)[21-22]。

徐燕等[23]將Na2SO4·10H2O 用塑料袋盛裝進(jìn)行夜間提溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，晴天時(shí)，白天大棚平均氣溫可提高2.4 ℃，夜間提高5.4 ℃，表明Na2SO4·10H2O 具有滿足作物生長(zhǎng)的蓄熱潛力。郭靖等[24]以石蠟和硬脂酸正丁酯進(jìn)行了溫室墻體內(nèi)滲和表面外掛復(fù)合相變材料對(duì)比測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種封裝方式均能提高溫室保溫蓄熱性能，且內(nèi)滲型蓄熱控溫效果優(yōu)于外掛型。韓麗蓉[25]在20gNa2SO4·10H2O 中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%KCl、3%Na2B4O7·10H2O、2%聚丙烯酰胺和0.1%六偏磷酸鈉制成改性復(fù)合相變材料，選用規(guī)格為600×450×50 mm 的塑料盒封裝（圖4），與普通磚墻溫室對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夜間最高溫度可比對(duì)照溫室高2 ℃，20 cm 高度處地溫最高可比對(duì)照溫室高2.3 ℃。史巍等[26]向石蠟中添加石墨粉制成復(fù)合相變材料，對(duì)比研究溫室墻體表面外掛復(fù)合相變材料的實(shí)際控溫效果，結(jié)果表明，外掛復(fù)合相變材料室內(nèi)溫度波動(dòng)減小，控溫效果和墻體儲(chǔ)放熱能力明顯優(yōu)于對(duì)照溫室。李秀麗等[27]在青海省海西州德令哈市示范區(qū)的日光溫室中懸掛自制的改性25 ℃芒硝基相變材料，試驗(yàn)結(jié)果表明該改性芒硝可有效改善冬季日光溫室熱環(huán)境，有良好的夜間提溫效果。

圖4 相變蓄熱體系封裝

在溫室內(nèi)部懸掛、內(nèi)置相變材料能夠降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，提升蓄熱能力，相關(guān)研究均取得了較好的應(yīng)用效果。溫室內(nèi)部空間較大，除立體式種植外，普通種植栽培溫室空余空間較大，為相變儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用提供了空間位置，可在溫室內(nèi)部懸掛、地面擺放封裝的相變材料。

3 溫室相變儲(chǔ)能系統(tǒng)

溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)是主要的熱損失部位，且缺少蓄熱裝置，造成輔助供暖能耗陡增，導(dǎo)致生產(chǎn)效益差。為提升溫室蓄熱能力、提高太陽(yáng)能利用率、減少輔助供暖，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益提升，溫室儲(chǔ)能系統(tǒng)[28]應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)鑒于相變材料優(yōu)越的潛熱特性，聯(lián)合太陽(yáng)能利用組成主動(dòng)相變儲(chǔ)能系統(tǒng)效能更佳[29-30]。

Jaffrin 等[31]設(shè)計(jì)了溫室地下儲(chǔ)熱系統(tǒng)，將CaCl2·6H2O 用于該系統(tǒng)以加熱溫室，對(duì)溫室熱性能進(jìn)行測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，相比同結(jié)構(gòu)雙層保溫膜及傳統(tǒng)玻璃溫室，該相變溫室可節(jié)約丙烷燃料60%～80%。Singh RD 等[32]提出相變蓄能北墻+地源熱泵增溫系統(tǒng)，研究結(jié)果表明該系統(tǒng)能以較小代價(jià)實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)部溫度控制，同時(shí)相變墻體可減少溫室熱負(fù)荷[33]聯(lián)合石蠟與太陽(yáng)能平板集熱器組成供能系統(tǒng)，為180 m2溫室供熱（圖5），試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)平均凈能耗和可用能分別為40.4%和4.2%。Benli 和Durmus[34]使用太陽(yáng)能集熱器加熱空氣供相變材料CaCl2·6H2O 儲(chǔ)存熱能，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)相變蓄熱單元并將其應(yīng)用于溫室，供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)加熱裝置相比，該相變蓄熱系統(tǒng)可供給溫室每日熱能需求量的18%～23%。

圖5 溫室蓄熱和供暖系統(tǒng)示意

圖6 溫室供暖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖

李曉野[35]研制出太陽(yáng)能集熱相變蓄熱設(shè)備，結(jié)果表明該設(shè)備的蓄熱效率達(dá)43%。陳紫光[36]、凌浩恕[37]等設(shè)計(jì)了一種帶豎向空氣通道的太陽(yáng)能相變蓄熱墻體（圖7），通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，當(dāng)墻體內(nèi)豎向空氣通道間距為400 mm、空氣速度為0.26 m/s、空氣流動(dòng)方向?yàn)樯线M(jìn)下出時(shí)，相變蓄熱墻體換熱效率為66.2%，主動(dòng)蓄熱量為9.34 MJ/m3，墻體日蓄放熱效率高達(dá)98.4%。黎少輝等[38]設(shè)計(jì)了一種新型相變儲(chǔ)能換熱器，當(dāng)白天溫室溫度過(guò)高時(shí)，相變材料吸收高溫空氣的熱量。當(dāng)溫度降至設(shè)定的溫度閥值時(shí)，相變材料將熱量從空心管中釋放出來(lái)，熱風(fēng)通過(guò)管道供入溫室，從而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)溫度控制。閆彥濤等[39]設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能相變蓄熱系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，該溫室蓄熱系統(tǒng)增溫效果明顯。部分學(xué)者[40-41]提出一種主被動(dòng)結(jié)合的日光溫室相變蓄熱墻體系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，該墻體系統(tǒng)明顯提升溫室蓄熱性能，與對(duì)照溫室相比，溫室內(nèi)部空氣循環(huán)均勻有規(guī)律，地溫明顯提高，冬季室內(nèi)熱環(huán)境明顯改善。

圖7 帶豎向空氣通道的相變蓄熱墻體

上述研究表明，溫室用太陽(yáng)能集熱器是目前研究的熱點(diǎn)之一，聯(lián)合相變儲(chǔ)能技術(shù)，更能夠彌補(bǔ)單一系統(tǒng)存在的不足。然而太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用還不夠成熟，其傳熱過(guò)程、設(shè)備加工工藝、系統(tǒng)實(shí)用性等還有待優(yōu)化。從目前發(fā)展現(xiàn)狀看，國(guó)內(nèi)較國(guó)外技術(shù)更加成熟和豐富，但仍處于初期階段[42]。為實(shí)現(xiàn)溫室太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用，除技術(shù)成熟、符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)外，也需滿足溫室市場(chǎng)發(fā)展形式，應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)經(jīng)濟(jì)合理的太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能技術(shù)。

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了目前相變儲(chǔ)能技術(shù)在溫室熱環(huán)境調(diào)控方面的主要應(yīng)用形式，包括墻體相變儲(chǔ)能技術(shù)，溫室內(nèi)部相變儲(chǔ)能技術(shù)和相變儲(chǔ)能系統(tǒng)。相變儲(chǔ)能技術(shù)作為提高能源利用率的新型儲(chǔ)能技術(shù)，在太陽(yáng)能利用，溫室熱環(huán)境調(diào)控及節(jié)能減排方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。經(jīng)過(guò)前人的不斷探索，相變儲(chǔ)能材料和相變儲(chǔ)能技術(shù)在溫室熱環(huán)境調(diào)控和節(jié)能降耗領(lǐng)域有了一定的發(fā)展，目前我國(guó)在溫室節(jié)能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論及應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位[43]，但尚存在一些亟待解決的問(wèn)題。

1）在溫室墻體相變儲(chǔ)能技術(shù)中相變材料用量，應(yīng)用方式受自身蓄熱能力，相變溫度范圍及封裝密閉性等限制，這是今后需要加強(qiáng)研究的重點(diǎn)。從土地利用率和墻體保溫、蓄熱性能三方面來(lái)看，將相變材料和建筑材料結(jié)合研制出集蓄熱、保溫、承重于一體的相變蓄熱保溫砌塊是解決溫室墻體占地面積大、保溫蓄熱性能差的可行辦法，同時(shí)應(yīng)用相變保溫砂漿，可取代傳統(tǒng)的保溫板、磚墻構(gòu)筑形式，形成相變保溫砂漿、相變蓄熱保溫砌塊雙層墻體構(gòu)筑體系。

2）溫室內(nèi)部相變儲(chǔ)能技術(shù)值得關(guān)注。除立體栽培溫室，大部分溫室內(nèi)部剩余空間較大，尤其是溫室上部和走道，而且現(xiàn)階段并未采取措施利用這部分空間，這為溫室內(nèi)部懸掛、地面擺放封裝的相變材料提供了條件。封裝的相變材料合理布置和排列在溫室內(nèi)部不但可以提升溫室的蓄熱能力，而且能夠節(jié)約運(yùn)行能耗，減少空間浪費(fèi)。

3）溫室相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用研究還有待加強(qiáng)，應(yīng)積極廣泛深入開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能利用，明確太陽(yáng)能相變儲(chǔ)能系統(tǒng)的傳熱機(jī)理，以更好的發(fā)揮協(xié)同作用。同時(shí)通過(guò)集蓄熱設(shè)備研發(fā)和工藝進(jìn)步，進(jìn)一步降低系統(tǒng)建設(shè)投資、運(yùn)行費(fèi)用，也是今后應(yīng)著重解決的問(wèn)題。