溫室儲(chǔ)熱器隔熱層與蓄熱工質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

李建明 王 浩 胡藝馨 宋 磊 汪青霞 肖金鑫

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國北方地區(qū)冬季氣溫低、光照時(shí)長短、光強(qiáng)小，在連續(xù)陰雨雪天氣溫室室溫較低，無法滿足茄果類作物的正常生長要求，而近年來連續(xù)的霧霾天氣更加劇了這一現(xiàn)象[1-4]。額外的溫室增溫及熱量輸入是保證喜溫作物在溫室內(nèi)正常越冬生產(chǎn)的必要條件。溫室增溫措施有限，爐火加溫、鍋爐加溫等方式不僅消耗大量化石燃料，還會(huì)造成環(huán)境污染，而以太陽能集熱器為代表的新能源利用方式得到了越來越多的應(yīng)用[5-7]。太陽能集熱器應(yīng)用較為廣泛，但與溫室集熱器配套水體蓄熱裝置卻鮮見報(bào)道。馬承偉等[8]設(shè)計(jì)的鋼管屋架管網(wǎng)水循環(huán)集放熱系統(tǒng)中保溫蓄熱水池用黏土磚砌成，水池內(nèi)壁涂刷防滲涂料，水池外部粘貼厚度為10 cm的發(fā)泡聚苯板進(jìn)行保溫。張義等[9]設(shè)計(jì)的水幕簾蓄放熱系統(tǒng)的蓄熱水池由聚酯硬質(zhì)板焊接而成，水池四周外表面設(shè)置厚度10 cm的聚苯乙烯泡沫板保溫層。徐微微等[10]在日光溫室中空板水循環(huán)集/放熱系統(tǒng)中，蓄熱水池用黏土磚砌于溫室內(nèi)部地下，水池長4.26 m、寬2.25 m、深1.60 m，內(nèi)壁涂刷防滲涂料，外側(cè)粘貼100 mm厚的發(fā)泡聚苯板進(jìn)行保溫。目前，溫室蓄熱水箱結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，無法滿足溫室跨時(shí)蓄熱的要求。太陽能季節(jié)蓄熱研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫層厚度在200～300 mm、水箱體積為500～2 000 m3時(shí)，既能保證較低的散熱率，也能控制施工成本[11]。為了高效地利用并儲(chǔ)存太陽能，以便于在夜間或連續(xù)低溫天氣時(shí)使用，需要一種蓄熱量大、蓄熱時(shí)間長且價(jià)格低廉的溫室蓄熱裝置。目前，市場上可用于溫室的保溫隔熱材料種類繁多，各種材料性能品質(zhì)參差不齊，作為儲(chǔ)熱設(shè)備外保溫材料有很多局限性[12]。

溫室蓄熱裝置一般用水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，為了簡化系統(tǒng)，整個(gè)太陽能熱泵系統(tǒng)不采用儲(chǔ)熱設(shè)備。雖然水具有傳熱及流動(dòng)特性好、熱膨脹系數(shù)及粘滯性較小、價(jià)格低廉、來源豐富的特點(diǎn)，但水儲(chǔ)熱為顯熱儲(chǔ)熱，其單位質(zhì)量、單位體積的儲(chǔ)熱量遠(yuǎn)不如潛熱儲(chǔ)熱。陳彥康等[13]研究表明，相變材料的加入能夠提高蓄熱水箱的有效釋熱率，同時(shí)提高水箱的熱分層特性，且位置越靠近進(jìn)口，改善效果越好。汪璽等[14]以肉豆蔻酸/膨脹石墨為相變蓄熱材料，從理論上計(jì)算該水箱的臨界取熱溫差為103.1℃。MUHSIN等[15]采用不同相變蓄熱材料分別進(jìn)行了家用太陽能蓄/放熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，應(yīng)用不同的相變材料可以不同程度地增加水箱蓄熱量，從而使水箱提供更多高溫?zé)崴?。組合相變材料具有蓄放熱速度快、放熱速率均勻等特點(diǎn)，已逐漸成為一種強(qiáng)化傳熱方式[16-20]。

針對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)中溫室儲(chǔ)熱裝置隔熱材料單一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、熱散失量大的問題，本文對(duì)不同保溫隔熱材料的性能進(jìn)行對(duì)比和組合研究，分析并測試其相關(guān)物理性能和熱工性能，以得到保溫效果最好、性能最優(yōu)的隔熱材料組合。使用目前技術(shù)成熟的相變材料增加儲(chǔ)熱裝置蓄熱量，應(yīng)用不同相變組合測試蓄熱裝置分階段放熱效果，優(yōu)化儲(chǔ)熱裝置結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)蓄熱裝置跨時(shí)間蓄熱、分段放熱的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)文洛式連棟科研溫室內(nèi)進(jìn)行(北緯34°16′，東經(jīng)107°59′)，溫室隔間長6 m，寬4 m，脊高5 m。采用哈爾濱物格電子公司的PDE-KI型多路環(huán)境測試儀采集溫室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，溫度測控范圍：-30～70℃，精度±5℃，分辨率0.1℃；相對(duì)濕度測量范圍：0～99%，精度±3%，分辨率1%。實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采用AT4524型安柏24路巡檢儀采集，溫度測控范圍-200～1 300℃，精度±0.2℃，分辨率0.1℃。

1.2 隔熱層材料篩選與復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用5個(gè)規(guī)格一致的圓柱形聚乙烯水箱，其直徑(580±5)mm、高(900±5)mm、厚度10 mm，容積為230 L。在實(shí)際溫室工況條件下，在水箱外壁加裝不同處理的隔熱材料，將蓄熱水箱水溫加熱至60℃，然后進(jìn)行實(shí)際放熱測試。

收集包括聚苯板、擠塑板、真空板、EPS保溫板、氣凝膠、橡膠棉和復(fù)合相變材料在內(nèi)的22種絕熱材料。由于保溫隔熱材料加工工藝不同，規(guī)格質(zhì)量難以保證，為保證材料傳熱數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，在西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院實(shí)驗(yàn)室使用FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀(上海復(fù)旦天欣科教儀器有限公司)對(duì)收集的保溫隔熱材料進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定。為測試蓄熱水箱隔熱材料厚度與水箱散熱量之間關(guān)系，在儲(chǔ)熱水箱外分別加裝10、30、50、80、100、180 mm厚橡塑保溫棉進(jìn)行實(shí)際放熱測試。

為增強(qiáng)單位厚度內(nèi)隔熱材料隔熱效果，采用不同的隔熱材料，按熱阻大的材料在內(nèi)，熱阻小的材料在外，同時(shí)參考材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和復(fù)合貼合度[21]，設(shè)計(jì)了厚度在50～100 mm的7種隔熱組合(表1)，進(jìn)行了不同材料的復(fù)合實(shí)驗(yàn)。在隔熱材料組合實(shí)驗(yàn)中，使用固定架和鎖扣等進(jìn)行外加固，在材料縫隙使用中性硅酮膠等進(jìn)行密封，使材料之間貼合緊密減小縫隙散熱。在實(shí)際測量時(shí)，在每層材料貼合部位設(shè)置溫度測點(diǎn)，在蓄熱水箱內(nèi)部設(shè)置豎直平均分布的溫度測點(diǎn)，使用安柏溫度記錄儀進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)測定(圖1)，同時(shí)用PDE-KI型多路環(huán)境測試儀采集溫室環(huán)境溫度。

表1 隔熱材料組合類型

1.3 相變復(fù)合單元的制備

相變單元采用月桂酸(LA，分析純)，上海源葉生物科技有限公司；肉豆蔻酸(MA,分析純)，上海源葉生物科技有限公司；棕櫚酸(PA，化學(xué)純)，上海源葉生物科技有限公司；膨脹石墨(EG，含碳率99%，80目，膨脹率250 mL/g)，青島金濤石墨有限公司。相變材料采用PC管進(jìn)行封裝，PC管為m、n型兩種尺寸類型：m型中空PC管尺寸為20 mm×17 mm×150 mm，n型中空PC管尺寸為12 mm×10 mm×330 mm。

棕櫚酸、肉豆蔻酸和月桂酸的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.16 W/(m·K)左右，導(dǎo)熱性能差，采用相變材料與石墨復(fù)合，可以顯著增大相變材料的導(dǎo)熱能力[22]。將膨脹石墨置于60℃真空干燥箱中干燥16 h，然后取1 g放于大燒杯中，再放入普通家用微波爐中(輸出功率800 W)，微波膨脹30 s即得到蠕蟲狀膨脹石墨[23]。分別稱取棕櫚酸、肉豆蔻酸和月桂酸各16 g置于一端密封的PC管中，再加入1 g膨化后的膨脹石墨，之后用熔融PC將封裝管另一端密封，制成復(fù)合相變單元。將復(fù)合相變單元置于水浴鍋中加熱至70℃搖勻，每隔10 min搖勻一次共搖勻5次，使各PCM與膨脹石墨混合均勻充分完成吸附。制備m型、n型PA/EG、MA/EG和LA/EG復(fù)合相變材料的相變單元各100只，各相變單元參數(shù)如表2所示。

表2 各相變單元物理參數(shù)

1.4 蓄熱水箱結(jié)構(gòu)及組合排布

相變蓄熱水箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，用金屬桁架和50 mm EPS保溫板搭建了3個(gè)500 mm×500 mm×600 mm的測試區(qū)，每個(gè)測試區(qū)中間放置相變蓄熱水箱，周圍填充含水率65%的均質(zhì)土壤，測試區(qū)上部加蓋20 mm氣凝膠和80 mm EPS保溫板，測試區(qū)底面與地面間設(shè)置50 mm氣凝膠。實(shí)驗(yàn)采用3個(gè)直徑300 mm、高330 mm、厚度1 mm、容積23 L的鐵制圓柱形桶作為相變蓄熱水箱剛體，水箱上下及壁面均設(shè)置20 mm橡塑保溫棉。系統(tǒng)布置24個(gè)溫度測點(diǎn)，主要溫度測點(diǎn)布置如圖2所示。

開啟閥門和循環(huán)水泵，相變蓄熱水箱由外置溫度為65℃的恒溫水箱注水，如圖2設(shè)置循環(huán)管道，水流上進(jìn)下出，經(jīng)循環(huán)管道回流恒溫水箱。實(shí)際溫室太陽能集熱器工作效率受光照強(qiáng)度和光照時(shí)間的顯著影響，因此配套儲(chǔ)熱裝置設(shè)置2種工況工作模式：工況1，集熱量滿足超過蓄熱水箱體積的水升溫至65℃，注入蓄熱水箱后進(jìn)行熱水循環(huán)，待水箱各測定溫度一致為65℃時(shí)停止循環(huán)；工況2，集熱量滿足不大于蓄熱水箱體積蓄熱介質(zhì)水升溫至65℃，注入蓄熱水箱后不進(jìn)行熱水循環(huán)。

實(shí)際工況條件下，在蓄熱水箱中分別添加不同數(shù)目和種類的相變單元，加熱循環(huán)后進(jìn)行放熱測試。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了不同的相變組合，測試不同相變單元數(shù)量、不同種類相變單元組合與水箱蓄熱的關(guān)系。其中組合ⅰ為30個(gè)PA/EG-n和30個(gè)LA/EG-n單元，組合ⅱ為30個(gè)MA/EG-n和30個(gè)LA/EG-n單元，組合ⅲ為30個(gè)MA/EG-n和30個(gè)PA/EG-n單元。組合Ⅰ為1∶1∶1配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合，組合Ⅱ?yàn)?∶2∶1配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合，組合Ⅲ為1∶2∶3配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合。

不同封裝管的m、n相變單元在水箱中采用如圖3的兩種排布方式。其中n型相變單元較長，采用環(huán)形n排布方式，在混合相變實(shí)驗(yàn)中由水箱中心到桶壁依次是PA、MA、LA相變單元；m型相變單元較短，采用矩形m排布方式，在混合相變實(shí)驗(yàn)中水箱由上到下依次是PA、MA、LA相變單元。

1.5 水箱蓄放熱模型

儲(chǔ)熱水箱在放熱過程中，散熱量為

(1)

式中Qs——蓄熱水箱散熱量，J

K——蓄熱水箱傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

A——蓄熱水箱傳熱表面積，m2

t(in，τ)——不同時(shí)刻水箱內(nèi)的水溫，℃

t(out，τ)——不同時(shí)刻環(huán)境的溫度，℃

τ——蓄熱時(shí)間，s

τ1——水箱蓄熱初始時(shí)間，s

τ2——水箱蓄熱結(jié)束時(shí)間，s

(2)

式中δt——水箱外壁厚度，m

δ′——水箱隔熱材料厚度，m

λt——水箱外壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

λ′——水箱隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

儲(chǔ)熱水箱內(nèi)蓄熱介質(zhì)儲(chǔ)存的熱量隨著儲(chǔ)存時(shí)間增加不斷減少，當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于40℃時(shí)，與溫室環(huán)境溫差較小，放熱量和放熱效率有限。因此將溫室蓄熱裝置中水溫超過40℃稱為溫室儲(chǔ)熱器有效儲(chǔ)熱溫度，水箱溫度超過40℃的散熱率稱為有效散熱率,計(jì)算式為

(3)

式中η——水箱有效散熱率

Cw——水比熱容，取4 187 J/(kg·K)

Vw——純水箱體積，m3

ρw——水的密度，取1 000 kg/m3

Δt0——水箱有效蓄熱溫差，℃

tτ——不同時(shí)刻放熱裝置取水水溫，℃

te——溫室放熱裝置有效利用溫度，℃

普通水箱儲(chǔ)存的能量為

Qw=CwρwVw(T1-T2)

(4)

相變蓄熱水箱儲(chǔ)存的能量為

Qp=Cwρw(Vw-Vp)(T1-T2)+

(5)

式中Qw——純水水箱總蓄熱量，J

Qp——相變水箱總蓄熱量，J

Cli——相變材料液態(tài)比熱容，J/(kg·K)

T1——水箱蓄熱起始水溫，℃

T2——水箱蓄熱結(jié)束水溫，℃

Tli——相變材料初始熔化溫度，℃

Tsi——相變材料完全相變溫度，℃

Csi——相變材料固體比熱容，J/(kg·K)

Vpi——復(fù)合相變材料中單一相變材料填充體積，m3

Vp——蓄熱裝置復(fù)合相變填充體積，m3

ρpi——相變材料密度，kg/m3

2 結(jié)果與分析

2.1 隔熱材料篩選分析

在實(shí)驗(yàn)室使用FD-TC-B型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀對(duì)篩選后的材料進(jìn)行測定，隔熱材料實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示。在實(shí)際工況條件下，采用單一隔熱材料橡塑保溫棉的儲(chǔ)熱水箱進(jìn)行儲(chǔ)熱測試，得到儲(chǔ)熱水箱溫度變化和散熱量如表4所示。由表4可知，隨著隔熱材料厚度的增加，水箱儲(chǔ)熱24 h后的水溫溫度位點(diǎn)不斷升高，散熱量不斷減少；理論散熱量與實(shí)際散熱量差別逐漸減小。當(dāng)隔熱材料厚度超過30 mm時(shí)，實(shí)際散熱量與散熱模型計(jì)算值誤差小于5%，因此可以用上述模型公式計(jì)算儲(chǔ)熱裝置散熱量。

表3 隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)

表4 儲(chǔ)熱水箱儲(chǔ)熱24 h溫度變化和散熱量

不同隔熱材料厚度的儲(chǔ)熱水箱在24、72 h的有效散熱率如圖4所示。隨著儲(chǔ)熱時(shí)間延長，相同厚度隔熱材料的有效散熱率也不斷增加。在相同時(shí)間下，儲(chǔ)熱水箱隔熱材料厚度在0～80 mm時(shí)，蓄熱水箱有效散熱率較大，受隔熱材料影響顯著；當(dāng)隔熱材料厚度在80 mm以上時(shí)，蓄熱水箱有效散熱率較小，受隔熱材料影響不顯著。

2.2 隔熱復(fù)合材料性能分析

在實(shí)際工況條件下，進(jìn)行不同隔熱材料組合的水箱實(shí)際儲(chǔ)熱測試，各裝置24 h實(shí)際散熱量如表5所示。由表5可知，采用組合4的蓄熱水箱24 h散熱量最小，比對(duì)照組80 mm橡塑保溫棉水箱減少熱量散失0.367 MJ。

表5 不同隔熱材料組合下水箱24 h散熱量

根據(jù)散熱模型計(jì)算得到各組合在相同配置條件下，不同厚度的傳熱系數(shù)如圖5所示。由圖5可知，在相同隔熱組合厚度條件下，組合1～4傳熱系數(shù)較小，隔熱效果最好。組合5與組合7，由于保溫砂漿自身熱阻較小，同時(shí)砂漿硬化后增大了幾何散熱面積，同比其他組合隔熱效果不佳。組合6中的空氣層采用直徑20 mm薄膜氣柱，兩層疊加氣柱間空隙較大，縫隙散熱量大，同比其他組合隔熱效果不佳。隨著隔熱材料組合厚度的增加，其傳熱系數(shù)有顯著降低，隔熱性能提升。綜合來看，在隔熱厚度條件為100 mm下組合4(隔熱涂料+氣凝膠+橡塑保溫棉)隔熱效果最好，傳熱系數(shù)最小為0.283 W/(m2·K)。

2.3 儲(chǔ)熱水箱優(yōu)化設(shè)計(jì)

由式(1)可以看出，水箱散熱量受水箱散熱表面積和水箱體積的影響顯著。儲(chǔ)熱水箱體積在1 m3時(shí)，不同形狀的水箱儲(chǔ)熱24 h散熱量如圖6所示。儲(chǔ)熱水箱體積在1 m3時(shí)，球體儲(chǔ)熱水箱散熱表面積最小，單位時(shí)間散熱量最?。桓邚奖?∶1的圓柱儲(chǔ)熱水箱次之。在實(shí)際施工建設(shè)時(shí)，球體蓄熱水箱施工復(fù)雜一般不采用，因此推薦高和底面直徑比為1∶1的圓柱蓄熱水箱。

應(yīng)用隔熱材料組合4及高徑比1∶1的圓柱水箱儲(chǔ)熱72 h，其散熱量和有效散熱率如圖7所示。可以看出，儲(chǔ)熱水箱的散熱量隨著水箱體積增大而顯著增大。當(dāng)蓄熱水箱體積在0～6 m3時(shí)，有效散熱率較大，受水箱體積影響顯著；當(dāng)蓄熱水箱體積大于10 m3時(shí)，有效散熱率較小，受水箱體積影響不顯著。綜合來看，蓄熱水箱在72 h儲(chǔ)熱過程中，水箱體積在6～10 m3時(shí)，既能保證較低的有效散熱率也能控制工程施工成本。

2.4 蓄熱工質(zhì)對(duì)蓄熱水箱溫度的影響

對(duì)無相變單元的純水箱和兩種工況條件下80個(gè)MA/EG-n單元的相變蓄熱水箱進(jìn)行放熱實(shí)驗(yàn)，水箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。實(shí)驗(yàn)過程中水箱溫度變化受室內(nèi)溫度變化影響不顯著。在0～500 min儲(chǔ)熱期間，不進(jìn)行蓄熱循環(huán)的工況2相變蓄熱水箱溫度降低更快；在500～2 000 min儲(chǔ)熱期間，2種工況條件下相變水箱中溫降平緩，水溫高于純水箱，且工況1運(yùn)行的蓄熱水箱溫度高于工況2。工況2條件下運(yùn)行的相變蓄熱水箱在蓄熱開始階段吸收熱量，降低水箱水溫減小了水箱高溫散熱量；工況1條件下運(yùn)行的蓄熱水箱充分利用了集熱器多余的集熱量，提高了水箱整體蓄熱量。相變蓄熱水箱當(dāng)水溫降低至相變溫度時(shí)放出熱量，使水箱水溫維持在較高水平。相變蓄熱水箱可以調(diào)節(jié)水箱放熱過程，增加水箱蓄熱量，減少高溫散熱量。

采用80個(gè)MA/EG-m型、MA/EG-n型相變單元和采用m型、n型相變單元組合Ⅰ(150個(gè))配置的水箱實(shí)際放熱曲線如圖9所示。n型排布方式的水箱水溫均高于m型排布方式。n型排布方式相較于m型排布方式，在放熱過程中，底部先進(jìn)行相變放熱，放熱時(shí)間更長；同時(shí)n型排布方式減弱了水箱水溫的分層現(xiàn)象。在相變水箱長時(shí)間放熱過程中，n型排布方式比m型排布方式更有利于熱量的蓄積。

在相變蓄熱水箱中分別添加PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元各50個(gè)，工況1條件下運(yùn)行測試，得到如圖10a所示放熱曲線。隨著水箱內(nèi)水溫降低，PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n水箱相繼進(jìn)行相變放熱，PA/EG-n水箱高溫階段時(shí)間最長，LA/EG-n水箱有效蓄熱時(shí)間最久。相變蓄熱水箱中分別設(shè)置組合ⅰ、組合ⅱ、組合ⅲ與組合Ⅰ對(duì)比，得到圖10b的相變蓄熱水箱放熱曲線。組合ⅲ使水箱到達(dá)50℃延長420 min；組合ⅱ使水箱到達(dá)40℃延長600 min。組合Ⅰ水箱到達(dá)50℃延長315 min，到達(dá)40℃延長450 min，整體蓄熱表現(xiàn)更好。相同數(shù)量相變單元，組合ⅲ延長水箱在高溫蓄熱階段，組合ⅱ延長水箱有效需熱時(shí)間，組合Ⅰ均保持較高水溫整體蓄熱表現(xiàn)更好，說明3種相變材料組合可以優(yōu)化水箱放熱過程，達(dá)到熱量分階段緩釋效果。

在相變蓄熱水箱中設(shè)置總數(shù)為60、90、150個(gè)相變單元的組合Ⅰ，得到如圖10c所示相變蓄熱水箱放熱曲線。表明蓄熱水箱相變材料填充量體積越大，水箱整體蓄熱量也越大。與純水箱相比，組合Ⅰ(60個(gè))增加蓄熱193.2 kJ，組合Ⅰ(90個(gè))增加蓄熱251.2 kJ，組合Ⅰ(150個(gè))增加蓄熱318.8 kJ，有效蓄熱時(shí)間最大延長905 min。在相變蓄熱水箱中設(shè)置150個(gè)相變單元的組合Ⅱ，組合Ⅲ與組合Ⅰ進(jìn)行實(shí)際儲(chǔ)熱測試，得到相變蓄熱水箱放熱曲線如圖10d所示。與純水箱相比，組合Ⅱ水箱到達(dá)50℃延長570 min；組合Ⅲ水箱到達(dá)40℃延長690 min。結(jié)果表明：組合Ⅱ延長水箱在高溫蓄熱階段，組合Ⅲ延長水箱有效需熱時(shí)間。在短時(shí)蓄熱水箱設(shè)置時(shí)采用組合Ⅱ配置，在較長時(shí)間蓄熱水箱設(shè)置時(shí)采用混合組合Ⅲ配置，而組合Ⅰ是介于兩者之間的水箱配置。

2.5 蓄熱水箱綜合分析

在水箱隔熱材料和蓄熱介質(zhì)溫度一定時(shí)，蓄熱水箱體積和相變填充體積直接決定水箱蓄熱量。蓄熱水箱體積和相變填充體積可由純水體積和相變材料體積表示。將蓄熱水箱蓄熱模型進(jìn)行優(yōu)化，得到水箱有效蓄熱量計(jì)算公式為

(6)

在使用100 mm組合4隔熱材料，在Python程序中得到運(yùn)行120 h水箱實(shí)際有效蓄熱量與水箱中純水體積、相變材料體積之間的關(guān)系如圖11所示，可知隨著水箱體積和相變填充量體積的增大，水箱實(shí)際蓄熱量不斷增加。根據(jù)不同地區(qū)冬季實(shí)際熱負(fù)荷來計(jì)算蓄熱水箱的配置，得到不同地區(qū)的蓄熱水箱體積和相變填充體積的規(guī)格。在保證蓄熱裝置蓄熱量前提下，節(jié)省施工成本。

3 結(jié)論

(1)我國北方地區(qū)溫室地下儲(chǔ)熱水箱隔熱材料厚度為80～120 mm應(yīng)用效果較好，且成本較低；儲(chǔ)熱水箱采用高度和底面直徑比為1∶1的圓柱體、體積為6～10 m3時(shí)，既可保證較低的有效散熱率，也能控制工程施工成本。

(2)采用10 mm隔熱涂料+20 mm氣凝膠+50 mm橡塑保溫棉的隔熱組合，傳熱系數(shù)為0.354 W/(m2·K)，裝置儲(chǔ)熱24 h后比80 mm單一橡塑保溫棉減少熱量散失0.367 MJ，在實(shí)測組合中隔熱效果最好。但不同材料貼合處存在一定的縫隙散熱，需提升加工工藝。

(3)相變儲(chǔ)熱水箱蓄熱量和箱內(nèi)水溫均高于純水箱，可以提高水箱的蓄熱能力；環(huán)形相變排布的相變蓄熱水箱弱化了水箱自然熱分層現(xiàn)象，其蓄熱效果優(yōu)于矩形相變排布。采用3種相變材料組合的蓄熱水箱優(yōu)化了放熱過程，減少了高溫散熱量，實(shí)現(xiàn)了熱量分階段緩釋效果。

(4)隨著水箱體積和相變填充量體積的增大，水箱有效蓄熱量不斷增加，可以根據(jù)不同地區(qū)實(shí)際溫室熱負(fù)荷計(jì)算水箱的配置。在短時(shí)蓄熱水箱設(shè)置時(shí)采用相變組合Ⅱ配置，在較長時(shí)間蓄熱水箱設(shè)置時(shí)采用相變組合Ⅲ配置，而相變組合Ⅰ是介于兩者之間的水箱配置。