PCMs 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)控的分析

王雅婷 趙生婷 孫 丹 張殿光 孫凱玥 于宗君 張?jiān)讫?/p>

（大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023）

近年來，我國(guó)北方地區(qū)廣大養(yǎng)殖戶不斷嘗試?yán)脺厥疫M(jìn)行反季節(jié)養(yǎng)殖水產(chǎn)品，已初獲成功。但由于北方室外極端的氣候變化以及養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)不足，始終處于摸索徘徊階段，不能大規(guī)模化養(yǎng)殖。因此，溫室養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)水產(chǎn)品的數(shù)量與品質(zhì)有著直接影響。在水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境調(diào)控中，除了水體溫度外，環(huán)境溫度也影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量質(zhì)量。本文從養(yǎng)殖環(huán)境溫度角度出發(fā)，探討了相變材料在水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)控方面應(yīng)用的可行性，同時(shí)設(shè)計(jì)一種集調(diào)溫、通風(fēng)、隔熱等功能于一體的新型儲(chǔ)能百葉卷簾，為降低建筑能耗，提高能源利用率，緩解水產(chǎn)品產(chǎn)量下降問題具有借鑒意義。

1 相變材料（PCMs）

相變材料，又稱相變儲(chǔ)能材料，屬于能源材料范疇。它是將能量在特定條件下貯存，特定條件下加以釋放和利用，達(dá)到能量供應(yīng)與人們需求一致性目的，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗[1]。相變材料種類繁多，分類方法也多種多樣。目前，按相變形式分類較為常見。主要分為固-液、固-固和固-氣三種類型。其中，固-液相變材料是利用固液間的相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行能量的吸收和釋放，該過程可逆，可重復(fù)使用，相變溫度范圍寬，儲(chǔ)能密度大，價(jià)格低廉；固-固相變材料體積變化小，相變過程中沒有液相產(chǎn)生，無需封裝，無過冷及相分離現(xiàn)象，性能穩(wěn)定，無毒無腐蝕；固-氣相變材料和液-氣相變材料由于涉及氣體，反應(yīng)過程中體積變化大，對(duì)使用環(huán)境要求高，設(shè)備復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性差。目前，固-固相變材料和固-液相變材料研究較多、發(fā)展較快，但固-固相變材料種類受限。因此，在實(shí)際工程中固-液類相變材料應(yīng)用最為廣泛。

2 PCMs 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境調(diào)控的可行性分析

2.1 適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室的PCMs 特點(diǎn)

冬季受極端天氣影響，水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室晝夜溫差大，溫度下降速度快，導(dǎo)致室內(nèi)陰暗潮濕；夏季太陽(yáng)輻射直接照射墻體，導(dǎo)致室內(nèi)溫度高，超出水產(chǎn)品適宜溫度范圍。這兩種情況均影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，將PCMs 應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室環(huán)境，在考慮材料本身的熱物性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，還要結(jié)合溫室特定的養(yǎng)殖環(huán)境以及材料對(duì)環(huán)境的影響。因此，在篩選適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室環(huán)境的PCMs 時(shí)，需要具備以下幾個(gè)特性：

2.1.1 相變溫度要與水產(chǎn)品養(yǎng)殖溫度接近；

2.1.2 相變潛熱大，相變過程中能儲(chǔ)存和釋放較大能量；

2.1.3 導(dǎo)熱系數(shù)高，有助于快速儲(chǔ)能和放能；

2.1.4 無毒、無腐蝕，對(duì)水產(chǎn)品及養(yǎng)殖環(huán)境影響小；

2.1.5 材料易購(gòu)，價(jià)格便宜。

2.2 適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室的PCMs 種類

在實(shí)際篩選PCMs 種類過程中，完全滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室環(huán)境特性要求的PCMs 很少。往往優(yōu)先考慮相變溫度、相變潛熱以及對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的影響，然后再逐步考慮其他方面影響。我國(guó)北方地區(qū)常見反季節(jié)養(yǎng)殖的南美白對(duì)蝦、石斑魚等水產(chǎn)品，養(yǎng)殖溫度基本處于15～30℃[2-3]。因此，適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室環(huán)境的PCMs的相變溫度也應(yīng)屬于此溫度范疇。如將癸酸和月桂酸按一定比例混合，可以配置出相變溫度為22.5℃、24.3℃、25.1℃，相變潛熱為93.7J/g、94.2 J/g、101.9 J/g的二元復(fù)合相變材料[4]。通過施羅德公式對(duì)癸酸-硬脂酸、癸酸-肉豆蔻酸及癸酸-月桂酸進(jìn)行混合，可以配比出相變溫度為25.6℃、21.8℃、18.7℃的二元復(fù)合材料[5]。表1 給出了部分適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室環(huán)境的PCMs 及熱性能。

表1 適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的相變材料

2.3 PCMs 對(duì)建筑溫室熱環(huán)境的調(diào)控

PCMs 作為一種高效的儲(chǔ)能材料，將其應(yīng)用于建筑領(lǐng)域現(xiàn)已成為節(jié)能研究的熱點(diǎn)，既能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的控溫和調(diào)濕，又能節(jié)約能源，降低CO2的排放，實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。目前，PCMs對(duì)建筑溫室熱環(huán)境的調(diào)控主要體現(xiàn)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和供冷、供熱等方面。PCMs 在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是多方面的：PCMs與墻體結(jié)合，摻入到砂漿、混凝土、石膏板中制成新型建筑材料，不僅能夠調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境，降低能源消耗，還能使建筑結(jié)構(gòu)功能一體化，節(jié)約使用空間；PCMs與門窗百葉結(jié)合，可以制備出具有調(diào)溫通風(fēng)功能于一體的相變儲(chǔ)能百葉。Shi[6]等人制備了力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性較好的新型蓄熱輕質(zhì)水泥砂漿。過渡季節(jié)可使室內(nèi)溫度的波動(dòng)降低3.6℃；夏季，調(diào)溫性隨著夜間溫度的升高而降低；冬季，可降低空調(diào)關(guān)機(jī)時(shí)室內(nèi)峰值溫度。Ren[7]等人研制了一種新型結(jié)構(gòu)功能一體化的相變混凝土。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入10%微膠囊相變材料的混凝土表面溫度比普通混凝土房間低3.9℃，具有良好的蓄熱能力和調(diào)溫性能。PCMs 應(yīng)用于供冷、供熱系統(tǒng)可以進(jìn)行蓄熱或蓄冷。特別是供熱系統(tǒng)，將PCMs裝到蓄熱設(shè)備中，利用太陽(yáng)能白天將太陽(yáng)輻射集中儲(chǔ)存起來，在夜間或陰天推動(dòng)發(fā)生器進(jìn)行制熱，補(bǔ)充室內(nèi)熱量，防止室內(nèi)溫度下降過快。周昊等人[8]利用相變材料設(shè)計(jì)了一種高效梯級(jí)相變蓄熱器模型，并對(duì)同一工況下不同部位的傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。該裝置能夠解決養(yǎng)殖過程中太陽(yáng)能不連續(xù)、不穩(wěn)定的蓄熱問題，推動(dòng)了相變材料在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的應(yīng)用。

3 新型儲(chǔ)能百葉卷簾

3.1 新型儲(chǔ)能百葉卷簾設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)百葉卷簾只是單純的通過調(diào)節(jié)百葉開合及收卷來達(dá)到遮陽(yáng)和通風(fēng)目的，不能對(duì)太陽(yáng)輻射和室內(nèi)多余熱量加以利用，造成能源浪費(fèi)?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種集調(diào)溫、通風(fēng)、隔熱等功能于一體的新型儲(chǔ)能百葉卷簾。

新型儲(chǔ)能百葉卷簾采用質(zhì)輕、高強(qiáng)、不易變性、防水性、防腐蝕性好、傳熱性高的鋁合金百葉；百葉形狀為條狀百葉間隔排列在一起；由于百葉寬度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響較小[6]，基于使用便捷及使用方法的考慮，選取百葉寬度為30mm；百葉厚度主要影響調(diào)溫效果，厚度過小，無法容納足夠的PCMs，厚度過大又會(huì)影響通風(fēng)、采光以及壓力荷載問題，本文暫選百葉厚度5mm。圖1 為新型儲(chǔ)能百葉卷簾的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 新型儲(chǔ)能百葉卷簾的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 運(yùn)行模式

3.2.1 夏季運(yùn)行模式：南墻由于室外太陽(yáng)輻射量過大而溫度持續(xù)上升，若無遮陽(yáng)措施，南墻溫度高達(dá)50℃，嚴(yán)重影響?zhàn)B殖房間室內(nèi)溫濕度，進(jìn)而影響水產(chǎn)品的產(chǎn)量質(zhì)量。因此，夏季當(dāng)室外太陽(yáng)輻射充足時(shí)，將儲(chǔ)能百葉卷簾隔熱層朝向室外，防止太陽(yáng)輻射直接進(jìn)入室內(nèi)，而高導(dǎo)熱層朝向室內(nèi)，吸收室內(nèi)多余熱量，防止室內(nèi)溫度過高；當(dāng)夜晚室內(nèi)溫度低于PCMs的相變溫度時(shí)，PCMs 向室內(nèi)釋放儲(chǔ)存的熱量，防止室內(nèi)溫度過低。

3.2.2 冬季運(yùn)行模式：冬季當(dāng)室外太陽(yáng)輻射充足時(shí)，將高導(dǎo)熱層側(cè)朝向室外，吸收并儲(chǔ)存太陽(yáng)輻射熱，隔熱層朝向室內(nèi)，減少室內(nèi)熱量通過窗體向室外流失；當(dāng)室外溫度低于PCMs的相變溫度時(shí)，通過連接桿調(diào)節(jié)儲(chǔ)能百葉卷簾扇面使之翻轉(zhuǎn)180°隔熱層朝向室外，高導(dǎo)熱層朝向室內(nèi)，儲(chǔ)存在百葉儲(chǔ)能薄盒內(nèi)的熱量釋放到室內(nèi)，延緩室內(nèi)溫度下降速度。

3.2.3 通風(fēng)模式：當(dāng)室內(nèi)需要通風(fēng)時(shí)，通過連接桿將儲(chǔ)能百葉卷簾的扇面旋轉(zhuǎn)到水平方向，保證室內(nèi)外空氣流通（圖2）。

圖2 新型儲(chǔ)能百葉卷簾的運(yùn)行原理圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將新型儲(chǔ)能百葉卷簾與普通百葉卷簾安裝在房間同側(cè)不同窗戶上，測(cè)量百葉卷簾后方溫度變化情況，如圖3 所示。結(jié)果表明，儲(chǔ)能百葉卷簾與普通百葉卷簾相比后方溫度達(dá)到25℃左右（相變溫度）后溫度變化平緩，說明儲(chǔ)能百葉卷簾釋放儲(chǔ)存的熱量，減小室溫下降速度，對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境起到調(diào)控作用。

圖3 百葉卷簾溫度變化情況

4 結(jié)論

PCMs 作為一種高效的儲(chǔ)能材料，將其應(yīng)用在水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室中，能夠緩解溫室能量供求在時(shí)間和強(qiáng)度上不匹配的矛盾，降低建筑能耗，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境；能夠有效地儲(chǔ)存、利用太陽(yáng)能等低成本清潔型能源，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的雙贏。因此，利用PCMs 對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖溫室熱環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控是可行的。