六水氯化鈣相變墻板在溫室中的蓄放熱特性

張書峰，董浩遠(yuǎn)，王祥兵，李彥榮，許紅軍，2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)博士后流動(dòng)站，新疆 烏魯木齊830052)

0 引言

烏魯木齊市太陽能資源十分豐富，但是季節(jié)溫度變化較大，夏季炎熱，冬季寒冷，且晝夜溫差較大[1]。上述氣候特點(diǎn)造成該地區(qū)日光溫室內(nèi)部氣溫變化劇烈，溫室內(nèi)空氣溫度晝夜溫差達(dá)30 ℃以上，因此夜間氣溫較低時(shí)，常采用煤爐、熱風(fēng)機(jī)等加溫措施進(jìn)行加溫，保障溫室生產(chǎn)。隨著近年來對(duì)環(huán)境污染的嚴(yán)格管控，烏魯木齊周邊地區(qū)溫室加溫已不允許采用燃煤設(shè)施，對(duì)溫室生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的影響，亟待探索高效環(huán)保的蓄熱儲(chǔ)能材料在溫室中的利用[2]。

此前研究已表明，相變儲(chǔ)能材料在日光溫室中大有可為，可以有效降低能源消耗、減少環(huán)境污染[3-14]。李彥榮等[15]測試了六水氯化鈣(CaCl2·6H2O)等4種無機(jī)相變材料在不同溫度條件下的放熱特性，發(fā)現(xiàn)CaCl2·6H2O能夠適用于日光溫室。馬江偉等[16]以CaCl2·6H2O晶體為主體，通過熔解冷卻試驗(yàn)，依據(jù)溫室溫度變化及作物生長規(guī)律，篩選出適宜溫室應(yīng)用的相變蓄熱體系。郭靖[17]將CaCl2·6H2O外掛在磚墻溫室的后墻內(nèi)表，通過對(duì)溫室內(nèi)空氣溫度測試，發(fā)現(xiàn)能有效縮小日光溫室內(nèi)的溫差。大量研究表明，使用相變儲(chǔ)熱裝置，在白天儲(chǔ)存系統(tǒng)吸收儲(chǔ)存室內(nèi)外的熱量，在夜晚則將熱能釋放進(jìn)溫室中，可實(shí)現(xiàn)溫室夜間溫度提高，進(jìn)而節(jié)約溫室加溫成本[18-20]。

上述研究多為測試CaCl2·6H2O對(duì)溫室熱環(huán)境改善的效果，但對(duì)于CaCl2·6H2O在溫室中的使用量、儲(chǔ)放熱特性等未進(jìn)行探討。因此，本研究以溫室磚墻墻體蓄放熱特性為對(duì)照，通過測試不同厚度相變墻板在溫室內(nèi)的蓄放熱時(shí)間、蓄放熱量并進(jìn)行分析，以期獲取相變材料在溫室中應(yīng)用的合理方式與尺寸，從而提高相變儲(chǔ)能材料的使用效率。

1 材料與方法

1.1 材料制備

采用自制的相變儲(chǔ)能材料，其中主儲(chǔ)能劑為CaCl2·6H2O，成核劑為30%添加量的MgCl2·6H2O和1%添加量的SrCl2·6H2O，并通過飽和溶液法制備而成，以上試劑均為分析純，由天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

相變墻板主要是由相變材料、封裝管材、支撐框架和保溫板4個(gè)部分組成。相變材料用料為CaCl2·6H2O復(fù)合相變材料。封裝管材為透明亞克力方管，選取4種口徑規(guī)格(2、3、4和5 cm)，長度均為50 cm，管壁厚也均為0.5 cm?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由角鋼焊制成的。保溫板為10 cm厚聚苯乙烯板。將復(fù)合相變材料完全熔融后分別裝入不同口徑的亞克力管密封，將亞克力管并排固定、制成100 cm×50 cm(長×寬)且厚度分別為2、3、4和5 cm的相變墻板，然后利用角鋼框架固定，保溫板通過自攻絲固定于支撐框架背部，如圖1所示。

圖1 相變墻板實(shí)物Fig.1 Phase change wall panel

1.2 測試方法

該試驗(yàn)于2019年11月16—23日在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)三坪農(nóng)場實(shí)習(xí)基地(43.93°N，87.34°E)中的日光溫室進(jìn)行，溫室結(jié)構(gòu)如圖2所示。將相變墻板安裝至溫室后墻中間位置，高度1.5 m處。采用北京世紀(jì)建通有限公司生產(chǎn)的JTR01型溫度熱流測試儀測試溫室墻體的熱流量動(dòng)態(tài)變化，溫室太陽輻射由PDE-KI型環(huán)境數(shù)據(jù)記錄儀(哈爾濱物格電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)，測量范圍0～2 000 W/m2，準(zhǔn)確度±3%，分辨率1 W/m2)采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔均為10 min。

圖2 溫室結(jié)構(gòu)Fig.2 Greenhouse structure

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用orign 2017進(jìn)行整理分析及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏魯木齊地區(qū)日光溫室內(nèi)光熱環(huán)境分析

為分析不同厚度相變墻板在溫室內(nèi)的蓄放熱時(shí)間、蓄放熱量，對(duì)于晝夜溫差較大、太陽輻射較強(qiáng)的試驗(yàn)條件進(jìn)行了測試分析，結(jié)果如圖3所示。從整體來看，除11月21日為陰天外其余都為晴天，晴天最大太陽輻射為324 W/m2，陰天最大太陽輻射為115 W/m2；晴天的最高溫度平均為27.1 ℃，最低溫平均為3.6 ℃；陰天的最高溫度為9.1 ℃，最低溫為3.6 ℃。相變儲(chǔ)能材料在高溫條件下能夠吸收多余的溫度，在低溫的條件下能夠放出熱量，達(dá)到“削峰填谷”的作用，從而延長植物生長適宜溫度的時(shí)間。在11月16—23日的環(huán)境條件下測試，具有很強(qiáng)的代表性。

圖3 溫室內(nèi)溫度和太陽輻射照度變化Fig.3 Change of temperature and solar irradiation in greenhouse

2.2 不同厚度相變儲(chǔ)能材料墻板的蓄放熱對(duì)比

為了研究不同厚度相變墻板在溫室中的應(yīng)用效果，進(jìn)而選出適用于烏魯木齊地區(qū)的相變儲(chǔ)能墻板的厚度，對(duì)不同厚度的相變墻板的蓄放熱時(shí)間和蓄放熱量進(jìn)行分析。11月16—23日不同厚度相變儲(chǔ)能墻板的熱流密度變化如圖4所示，根據(jù)圖表選出17日、18日、19日作為代表，分別測量其蓄放熱量和蓄放熱時(shí)間。2～5 cm厚度相變儲(chǔ)能墻板儲(chǔ)熱量的平均值分別為2.9、4.1、3.4和3.7 MJ/m2；放熱量的平均值分別為2.9、4.2、3.7和3.8 MJ/m2；平均放蓄熱比分別為100%、102%、108%和102%。放蓄熱比>100%的原因可能是由于相變儲(chǔ)能材料放熱分為潛熱和顯熱，在液態(tài)狀態(tài)下放熱到相變狀態(tài)下后繼續(xù)放熱成固態(tài)，在固態(tài)的條件下也會(huì)繼續(xù)放熱，導(dǎo)致放蓄熱比>100%。墻體并不存在潛熱，因此墻體的平均蓄放熱量分別為3.4、2.3 MJ/m2，放蓄熱比為68%。

圖4 不同尺寸墻板熱流密度變化Fig.4 Heat flux density of wallboard with different thickness

為分析不同厚度相變蓄熱墻板的蓄放熱情況，統(tǒng)計(jì)在溫室生產(chǎn)條件下，相變墻板的蓄熱放熱時(shí)間如表1所示。相變墻板在溫室中處于不斷放熱、蓄熱的狀態(tài)，2 cm厚相變墻板的蓄放熱時(shí)間與其他厚度相變墻板的時(shí)間相比較短一些，其他厚度相變墻板的蓄放熱時(shí)間相差不大。從放熱量來看，2 cm厚度墻板的放熱量較小，3～5 cm厚度墻板差異不大，均大于磚墻的放熱量。分析原因，超過3 cm厚度的蓄熱墻板內(nèi)材料不能完全利用，不能起到完全相變蓄熱的效果。3 cm的相變儲(chǔ)能墻板的性能相較其他厚度的相變墻板更為優(yōu)越，且材料也更為節(jié)省。因此，從經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面考慮，3 cm厚的相變儲(chǔ)能墻板相較于其他厚度的墻板更加節(jié)省材料。

表1 蓄放熱時(shí)間對(duì)比Tab.1 Comparison of heat storage and release time 單位：h

2.3 晴天與陰天相變墻板蓄放熱量對(duì)比

研究相變儲(chǔ)能墻板在晴陰天的蓄放熱情況，并通過跟墻體比較從而判斷不同厚度的相變儲(chǔ)能墻板在晴陰天的適用狀況，結(jié)果如表2所示。在11月19日典型的晴天條件下，磚墻墻體的放熱量與蓄熱量分別為3.9、2.1 MJ/m2，放蓄熱比為54%；2～5 cm厚度相變儲(chǔ)能墻板放蓄熱比分別為97%、98%、100%、100%。說明晴天條件下相變蓄熱墻板較磚墻有更好的蓄熱效果，但是超過3 cm后相變墻板蓄放熱量變化不大，難以有效利用。在11月21日典型的陰天條件下，墻體放蓄熱比為233%；2～5 cm厚的相變儲(chǔ)能墻板的放蓄熱比分別為100%、120%、150%、150%。由于是陰天，相變墻板難以進(jìn)行熱量有效蓄積，導(dǎo)致蓄熱量較小。在21日前都是晴天，白天溫度都比較高，墻體和相變儲(chǔ)能墻板有一定厚度，放熱不完全，在21日的陰天條件下，溫室內(nèi)溫度過低，將前幾日未釋放的熱量都釋放了，起到了增加溫室內(nèi)溫度的作用，墻體在陰天條件下蓄熱量明顯比相變儲(chǔ)能墻板要小，因此相變墻板放熱效果在陰天更為明顯。

表2 溫室磚墻和不同厚度相變墻板蓄放熱量Tab.2 Heat storage and release of greenhouse brick walls and phase change wall panels of different thicknesses 單位：MJ/m2

2.4 3cm厚相變儲(chǔ)能墻板與墻體表面溫度變化分析

通過比較相變墻板的表面溫度變化與磚墻表面溫度變化，可以反映使用相變儲(chǔ)能墻板與磚墻墻體對(duì)溫室環(huán)境造成的差異。由以上研究可知，3 cm的相變儲(chǔ)能墻板的性能比較優(yōu)越。將3 cm相變儲(chǔ)能墻板的溫度變化和墻體的溫度變化進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。其中墻體在晴天條件下平均最高氣溫為23.6 ℃，平均最低溫度為3.3 ℃；3 cm相變儲(chǔ)能墻板平均最高溫度為21.1 ℃，平均最低溫度為4.3 ℃，3 cm相變儲(chǔ)能墻板平均縮減了晝夜溫差3.5 ℃左右。可以確定，在晴天條件下3 cm的相變儲(chǔ)能墻板溫室比磚墻具有優(yōu)勢(shì)，能夠有效地增加夜晚室內(nèi)溫度，延長適應(yīng)植物生長溫度的時(shí)間，同時(shí)減少對(duì)冬季夜晚溫室增溫的能源消耗。

圖5 墻板與墻體溫度變化對(duì)比Fig.5 Comparison of wall panel and wall temperature

3 討論

(1)目前相變材料的應(yīng)用研究主要是將相變材料放置在溫室中，測試相變材料在溫室中白天降溫和夜間增溫效果，或測試含有相變材料墻體的蓄放熱效果等，但對(duì)于相變材料在溫室內(nèi)部特定環(huán)境下的熱特性變化測試較少，測試溫室環(huán)境下相變材料的熱特性對(duì)于優(yōu)化相變材料在溫室中的應(yīng)用有重要意義[21-23]。

(2)肖偉等[24]以北京地區(qū)為例，比較了定形相變蓄能墻板與重質(zhì)混凝土在改善輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能方面的差異，并從相變溫度和相變墻板厚度兩個(gè)方面對(duì)定形相變蓄能墻板的使用效果進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明，定形相變蓄能墻板能有效改善輕質(zhì)保溫墻體的隔熱性能，而對(duì)建筑自身承重增加很小，同時(shí)也指出20 mm的相變板白天不能完全熔化，只有約58%的相變潛熱能進(jìn)行有效的蓄放熱循環(huán)，因此認(rèn)為相變板厚度不宜超過20 mm。也認(rèn)為在一定厚度上未能充分利用，與本研究的結(jié)論基本一致。

(3)時(shí)盼盼等[25]在天津等地區(qū)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與土墻、磚墻相比，相變儲(chǔ)能墻體具有更好的“削峰填谷”作用，對(duì)日光溫室的熱環(huán)境改善具有重要意義，可以很好地提高土地利用率，但是該試驗(yàn)并未提到相變儲(chǔ)能墻板在陰天和晴天的性能比較。本試驗(yàn)通過晴天與陰天對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改性六水氯化鈣相變儲(chǔ)能墻板在陰天并不能很好達(dá)到“削峰填谷”的作用，且與磚墻的蓄放熱量相差不大，因此，相變儲(chǔ)能材料在陰天使用，還需要對(duì)溫室內(nèi)加溫作為輔助。

4 結(jié)論

通過對(duì)比不同厚度相變墻板蓄放熱時(shí)間和溫度的變化，2 cm厚度的相變儲(chǔ)能墻板蓄放熱快，材料利用充分，但在溫室中應(yīng)用，蓄放熱時(shí)間較短；4～5 cm厚度墻板能夠滿足周天持續(xù)供熱與吸熱的需要，但是測試發(fā)現(xiàn)相變材料利用不完全；綜合考慮，3 cm相變墻板是適用于溫室應(yīng)用的儲(chǔ)放熱墻板。與磚墻表面溫度相比，3 cm的相變儲(chǔ)能墻板在晴天的環(huán)境下能夠有效減小晝夜墻板表面溫差3.5 ℃左右，在溫室中使用可有效降低夜間溫室加熱的能源消耗。