外掛型相變儲能裝置在日光溫室中的蓄放熱試驗(yàn)

孟凡康，姜治鑫

外掛型相變儲能裝置在日光溫室中的蓄放熱試驗(yàn)

孟凡康，姜治鑫

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新 123000）

為了驗(yàn)證和評價(jià)外掛型相變儲能裝置在嚴(yán)寒地區(qū)日光溫室中長周期的蓄放熱性能。將傳統(tǒng)日光溫室分割成4個(gè)隔斷溫室，并以中間兩個(gè)隔斷溫室（東側(cè)：相變溫室（加相變材料）；西側(cè)：對照溫室（不加相變材料））為試驗(yàn)對象。以優(yōu)化后配比為3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+58.04%H2O的復(fù)合相變材料為儲能介質(zhì)，采用PVC-U管進(jìn)行封裝并外掛布置于相變溫室的北墻內(nèi)表面，進(jìn)行了為期51d的相變溫室與對照溫室的現(xiàn)場試驗(yàn)。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從溫室內(nèi)空氣溫度、過冷不適宜生長率及有效積溫變化等方面討論了相變溫室的蓄放熱性能。通過分析獲得結(jié)果如下：1）所采用的相變材料，試驗(yàn)前后其相變溫度較為穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的過冷和相分離問題，蓄熱、放熱過程的相變潛熱分別減小了11.5%和13.2%；2）相變儲能裝置在典型晴天條件下的蓄放熱性能最好，陰天次之，雪天最差，可以提高夜間相變溫室平均溫度分別為3.1、1.9、0.9 ℃； 3）相變溫室過冷不適宜生長降低率為40%，過冷不適宜生長降低率概念可用于相變溫室蓄放熱性能的定量評價(jià)。4）相變溫室比對照溫室提高了約58.4%的有效積溫。研究為相變溫室在嚴(yán)寒地區(qū)的實(shí)際推廣和應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也為相變溫室蓄放熱性能的長周期分析提供了理論方法。

溫室；溫度；相變材料；外掛型；蓄放熱；試驗(yàn)；評價(jià)

0 引 言

由于傳統(tǒng)日光溫室蓄熱和保溫能力差，冬季夜間溫室內(nèi)溫度低，從而制約了植物正常生長。利用相變材料（Phase Change Material，PCM）蓄放熱性能轉(zhuǎn)移日光溫室白天多余的熱量至夜間使用，是緩解傳統(tǒng)日光溫室缺點(diǎn)的可行途徑[1-4]。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對相變材料的篩選制備、封裝形式、布置方式及相變溫室的蓄熱性能等方面已做了大量的研究[5]。

張慶[6]開發(fā)了適用于日光溫室的三元脂肪酸定形復(fù)合相變材料，設(shè)計(jì)出一種相變蓄熱墻板，通過現(xiàn)場試驗(yàn)說明晴天和陰天相變材料均可提高一定的室內(nèi)溫度，對室內(nèi)熱量起到了“削峰填谷”的調(diào)節(jié)作用。韓麗蓉[7]選擇廉價(jià)易得的十水硫酸鈉為相變蓄熱基質(zhì)，采用物理共混法對其進(jìn)行改性研究，利用塑料盒進(jìn)行封裝，并將其放入溫室內(nèi)，通過測試說明相變材料可以提高溫室的蓄熱保溫性能。Ling等[8]采用數(shù)值模擬方法研究了PCM熱物性對蓄放熱過程的影響，建立了將PCM粘貼于日光溫室通風(fēng)墻內(nèi)表面的數(shù)值模型，模擬研究表明蓄放熱過程中相變材料的熱物性對相變材料、空心砌塊和實(shí)心砌塊的熱性能影響顯著，而對保溫層影響不大。蔣自鵬等[9]采用物理法制備芒硝基復(fù)合相變儲能材料，并進(jìn)行了材料性質(zhì)表征和改性，在溫室升溫試驗(yàn)中表明該芒硝基復(fù)合相變材料適用于高寒氣候環(huán)境下簡易溫室。Berroug等[10]以六水氯化鈣（CaCl2· 6H2O）為相變材料，基于質(zhì)量和能量守恒方程，建立了考慮溫室內(nèi)各組成部位的數(shù)值模型，采用典型氣候條件進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，冬季夜間植物表面溫度和室內(nèi)空氣溫度高出對照溫室6～12 ℃，相對濕度平均降低 10%～15%。

適用于溫室使用的相變材料包括石蠟[11-15]、脂肪酸[6,11,16]等有機(jī)相變材料，以及十水硫酸鈉（Na2SO2·10H2O）[7,17-18]、六水氯化鈣（CaCl2·6H2O）[19-21]等無機(jī)相變材料。有機(jī)相變材料長期循環(huán)使用仍具有較高的相變潛熱和較為穩(wěn)定的相變區(qū)間，同時(shí)也沒有無機(jī)相變材料的過冷和相分離問題，但其價(jià)格相對昂貴，不利于實(shí)際工程應(yīng)用和推廣[22]。相變材料封裝方式包括采用共混浸泡[23-24]、砌塊封裝[23,25]、稻殼吸附[26]等方法，制備成微膠囊[11,27-28]、板材[23,29]、砌塊[1,8,23,26]。北墻內(nèi)側(cè)和內(nèi)部是相變材料主要布置位置[10,30]。已有封裝方式大都存在不同程度的泄露問題，有一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[5]。

基于此，本文以改性后的CaCl2· 6H2O基相變材料為儲能介質(zhì)，采用PVC-U管進(jìn)行封裝，解決了封裝泄露問題。冬季采用外掛方式布置于溫室的北墻內(nèi)表面，其他季節(jié)回收，以便減少相變循環(huán)次數(shù)，延長相變材料的使用壽命，同時(shí)此方式更加適用于既有溫室的改造。研究內(nèi)容為相變溫室的實(shí)際推廣和應(yīng)用，以及對相變溫室蓄熱性能的長周期理論分析提供了一定的數(shù)據(jù)和理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)溫室

本試驗(yàn)溫室為遼寧省阜新市（北緯42°01′、東經(jīng)121°65′）傳統(tǒng)日光溫室，處嚴(yán)寒地區(qū)。溫室東西長50 m，南北寬7.6 m。北墻高度為2 m，屋脊高度為3.4 m。北屋頂?shù)膬A斜角度為45°。東、西及北外墻均為370磚墻，其中北墻外加設(shè)80 mm保溫苯板。南面采用1.2 mm厚PO塑料薄膜覆蓋，透光率為93%，夜間采用30 mm厚保溫棉被覆蓋在PO塑料薄膜之上。北屋頂為三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，自上而下分別為80 mm保溫苯板層、150 mm秸稈爐渣混合層、30 mm木板層。

為了消除東西外墻及出入口對于試驗(yàn)的影響，同時(shí)為了驗(yàn)證和評價(jià)相變材料對于傳統(tǒng)溫室蓄放熱性能的影響，如圖1a所示，將溫室分割成4個(gè)溫室，其中東側(cè)與西側(cè)的兩個(gè)溫室長度均為15 m，中間兩個(gè)溫室（東側(cè)：相變溫室，加相變材料；西側(cè)：對照溫室，不加相變材料）長度均為10 m。為了不影響溫室內(nèi)圣女果的正常生長，同時(shí)最大限度減小各隔斷溫室間的熱量傳遞，各溫室間的隔斷均采用50 mm條形方鋼作為支撐骨架，兩側(cè)采用1.2 mm厚PO塑料薄膜覆蓋，從而中間形成封閉的空氣層熱阻以減小各隔斷溫室間的熱量傳遞。如圖1b所示。另外，為了獲得實(shí)際環(huán)境條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，項(xiàng)目組成員不參與生產(chǎn)過程的其他操作環(huán)節(jié)，如揭蓋簾、拔縫通風(fēng)時(shí)間控制等，均由原農(nóng)場工作人員負(fù)責(zé)。

1.1.2 相變材料

試驗(yàn)采用價(jià)廉易得、來源廣泛的氯化鈣（CaCl2）作為相變材料基材，但由于CaCl2·6H2O長期使用存在過冷、相分離及相變溫度較高等問題，實(shí)際使用時(shí)需要對其進(jìn)行改性。

CaCl2：廊坊市蘭捷爾精細(xì)化工有限公司，工業(yè)級，25 kg/袋，質(zhì)量分?jǐn)?shù)94%；六水氯化鍶（SrCl2·6H2O）：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司，分析純，500 g/瓶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%；羧甲基纖維素鈉（CMC）：天津科密歐化學(xué)試劑有限公司分析純，500 g/瓶，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%。

試驗(yàn)以CaCl2作為制備CaCl2·6H2O的基礎(chǔ)材料；使用SrCl2·6H2O作為成核劑緩解CaCl2·6H2O的過冷問題；添加CMC緩解CaCl2·6H2O相分離問題；為了降低其相變溫度，在CaCl2·6H2O飽和溶液配比基礎(chǔ)上額外加入一定比例的 H2O，使之達(dá)到植物生長所需適宜溫度，最終得到CaCl2·6H2O基復(fù)合相變材料。

相變材料封裝在管長2 m、直徑50 mm的PVC-U管中，均勻布置于相變溫室北墻內(nèi)側(cè)，如圖1b所示。本次PVC-U管總計(jì)150 根，相變材料總質(zhì)量約為670 kg，總投資約1.55 萬元（其中，CaCl2、SrCl2·6H2O等相變材料費(fèi)用約0.39 萬元，隔斷材料和制作、安裝費(fèi)用0.75 萬元，PVC-U管固定緊固件等其他輔助耗材0.41 萬元）。

1.2 儀器與設(shè)備

小型氣象站：綿陽市湘蜀電子科技有限公司，V-AWS007，溫度測量范圍-50～100 ℃，準(zhǔn)確度± 0.3 ℃。相對濕度測量范圍0～100%，準(zhǔn)確度± 3% ?？傒椛錅y量范圍0～2 000 W/m2，準(zhǔn)確度±2%；主要用于測量當(dāng)?shù)厥彝饪諝鉁囟?、濕度及太陽總輻射?qiáng)度。

差式掃描量熱儀：美國TA Instruments，DSC2500，溫度測量范圍-180～725 ℃，準(zhǔn)確度±0.025 ℃。焓值準(zhǔn)確度±0.04%。用于測量PCM相變溫度及相變潛熱。

熱流密度計(jì)：京都電子工業(yè)株式會社，HFM-215N，熱流密度測量范圍0～99 999 W/m2，準(zhǔn)確度±2%，溫度值測量范圍-40～750 ℃，準(zhǔn)確度± 0.3 ℃；熱流密度計(jì)傳感器KR2，熱流密度測量范圍0～3 500 W/m2，準(zhǔn)確度±3%，溫度值測量范圍-40～150 ℃，準(zhǔn)確度± 0.3 ℃；用于測量相變溫室隔斷表面及PVC-U管表面熱流密度。

數(shù)據(jù)采集儀：FLUKE，2638A，溫度測量范圍-200～1 370 ℃，準(zhǔn)確度±0.1 ℃；用于熱電偶溫度計(jì)信號的數(shù)字化處理。

熱電偶溫度計(jì)：自制，T型，溫度測量范圍-200～400 ℃，準(zhǔn)確度±0.1 ℃；主要用于測量室內(nèi)各點(diǎn)的溫度值。

溫濕度記錄儀：北京天建華儀科技發(fā)展有限公司，WSZY1B，溫度測量范圍-40～100 ℃，準(zhǔn)確度± 0.1 ℃；相對濕度測量范圍0～100%，準(zhǔn)確度± 5%；主要用于測量溫室內(nèi)溫度值和相對濕度。

電子天平：上海英衡電子秤有限公司，YH-A 6002，質(zhì)量測量范圍0～3 000 g，準(zhǔn)確度±0.01 g。用于測量相變材料T-history試驗(yàn)中各組成成分的質(zhì)量等。

低溫恒溫水浴鍋：杭州聚同電子有限公司，DC-2010，溫度測量范圍-20～100 ℃，準(zhǔn)確度±0.01 ℃。主要用于熱電偶溫度計(jì)的校訂。

1.3 測點(diǎn)布置

溫室內(nèi)各測點(diǎn)布置如圖2所示，在相變溫室和對照溫室內(nèi)部分別布置了4只熱電偶溫度計(jì)和1只溫濕度記錄儀，均布置于兩個(gè)溫室沿東西方向的中間截面處。在相變溫室與對照溫室的隔斷處布置1只熱流密度計(jì)傳感器。具體測點(diǎn)位置及數(shù)據(jù)記錄間隔時(shí)間如下：

溫濕度記錄儀布置于距地面1 700 mm，距北墻內(nèi)表面3 050 mm處，記錄溫室內(nèi)空氣溫濕度變化，記錄間隔為1 min；

熱流密度計(jì)傳感器分別布置于相變溫室隔斷表面和PVC-U管表面，分別測量隔斷和PVC-U管的熱流密度。針對隔斷表面，傳感器設(shè)置在離地面1 500 mm，距北墻內(nèi)表面3 050 mm位置，記錄間隔為1 min；PVC-U管表面熱流密度計(jì)傳感器設(shè)置在距PVC-U管底部900 mm處，記錄間隔為1 min；

熱電偶溫度計(jì)在南北方向上布置兩個(gè)測點(diǎn)，距北墻內(nèi)表面分別為1 525、4 575 mm，距地面均為1 700 mm；高度方向上布置兩個(gè)測點(diǎn)，距北墻內(nèi)表面1 525 mm，距地面分別為850、2 550 mm。結(jié)合溫濕度記錄儀所測量的溫度，取上述5點(diǎn)的平均溫度表示溫室內(nèi)空氣溫度。熱電偶溫度計(jì)連接FLUKE/2638A數(shù)據(jù)采集儀，記錄間隔為1 min。

小型氣象站布置于溫室外空曠地帶，用于采集室外空氣溫度、濕度、氣壓、雨量和太陽輻射等數(shù)據(jù)。記錄間隔為1 min。

圖2 測點(diǎn)布置示意圖

1.4 試驗(yàn)方法

為了確定相變材料配比，需要通過T-history試驗(yàn)和Differential Scanning Calorimetry（DSC）試驗(yàn)分析相變材料的過冷度、相變溫度、相變潛熱等熱物性參數(shù)。

1.4.1 相變材料T-history試驗(yàn)

為緩解CaCl2·6H2O的相分離、過冷問題，分別加入SrCl2·6H2O、CMC，同時(shí)在CaCl2·6H2O飽和溶液（水與氯化鈣的配比為1∶1.28）中加入一定過量比例的H2O對相變材料的相變溫度進(jìn)行調(diào)控。SrCl2·6H2O的測試配比為2%、3%、4%；CMC的測試配比為2%、3%、4%；H2O的測試配比為7%、9%、11%。為提高效率，對上述SrCl2·6H2O、CMC、H2O三種材料的三種配比進(jìn)行了正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 T-history試驗(yàn)圖

由圖3可知，添加3%的SrCl2·6H2O可有效解決相變材料的過冷問題，使其過冷度降低為0.79 ℃，添加3%的CMC時(shí)，能夠很好的解決相分離問題，同時(shí)對相變溫度與蓄放熱能力影響較小。添加11%過量的H2O時(shí)，相變溫度為21.3 ℃，處于植物適宜生長期溫度范圍[31]。最終確定相變材料的配比為：3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+58.04%H2O。

1.4.2 相變材料DSC試驗(yàn)

相變材料蓄放熱過程的相變潛熱通過DSC試驗(yàn)直接獲得。圖4為最終配比相變材料的DSC曲線圖。試驗(yàn)采用氮?dú)鈿夥?，流?0 mL/min，升/降溫區(qū)間為0～60 ℃，升/降溫速率為1 ℃/min，測試樣品質(zhì)量12.4 mg。由圖4升溫曲線可知，相變材料在溫度達(dá)到26.61 ℃時(shí)開始大量融化吸熱，溫度達(dá)到30.24 ℃時(shí)達(dá)到吸熱峰值，相變潛熱為119.2 J/g；由圖4降溫曲線可知，溫度達(dá)到14.19 ℃時(shí)達(dá)到放熱峰值，相變潛熱為141.3 J/g。

圖4 相變材料的DSC曲線

1.5 試驗(yàn)時(shí)間

試驗(yàn)時(shí)間為2021年2月9日—3月31日。一共經(jīng)歷了51 d，其中晴天40 d，陰天6 d，雪天5 d。

1.6 相變溫室長周期蓄熱效果評價(jià)方法

嚴(yán)寒地區(qū)冬季室外溫度低，日光溫室主要作用是提高室內(nèi)溫度，防止植物凍害發(fā)生，往往關(guān)注低溫環(huán)境對植物生長的影響?；诖吮疚奶岢鲞^冷不適宜生長降低率概念來分析相變儲能裝置的升溫作用及在日光溫室中的蓄放熱性能。同時(shí)，植物在生長過程中更關(guān)注積溫，本文亦從有效積溫角度分析相變溫室與對照溫室的差異。

1.6.1 過冷不適宜生長降低率

1.6.2 有效積溫

有效積溫是指作物生長至某一生育階段所需要積累的有效溫度，為日平均氣溫與作物活動所需要的最低溫度之差，其計(jì)算公式如式（5）所示[35]

1.6.3 儲能裝置蓄放熱量計(jì)算

PVC-U管外掛型儲能裝置蓄放熱量的統(tǒng)計(jì)可按照下式計(jì)算

1.7 數(shù)據(jù)處理

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2013以及OriginPro 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及二維圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫室保溫效果分析

為比較溫室的蓄放熱性能，在正式試驗(yàn)之前，采集了2021年01月09日相變溫室（未添加相變材料）與對照溫室的室內(nèi)外溫度變化，如圖5所示。室外環(huán)境最高、最低溫度分別出現(xiàn)在14:20 、6:30，溫度分別為7.2、-11.4 ℃。太陽輻射強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在12:00，為595 W/m2。相變溫室與對照溫室最低溫出現(xiàn)在6:30，分別為8.9和8.8 ℃。7:45保溫棉被收起后，隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，兩溫室室內(nèi)溫度迅速增加，最高溫度均出現(xiàn)在當(dāng)日13:10左右，分別為39.5和38.9 ℃，其后兩溫室溫度呈冪函數(shù)降低，16:40重新覆蓋保溫棉被，兩溫室溫度下降較為均勻。由圖5可見，相變溫室和對照溫室溫度最大相差0.9 ℃，平均相差0.18 ℃。

以溫室為自變量，溫室溫度為應(yīng)變量，采用EXCEL2013軟件對兩溫室進(jìn)行單因素方差分析，組內(nèi)均方為9.68，小于組間均方96.121，且顯著性為0.752 4，大于0.05，說明樣本來源于相同總體，即兩溫室無差異，說明可以通過對照溫室分析相變儲能裝置蓄熱效果。

2.2 典型天氣溫室內(nèi)空氣溫度變化

為了充分比較相變儲能裝置對于溫室蓄熱的影響，分別選取典型晴天（2021年2月21日）、陰天（2021年3月11日）和雪天（2021年03月20日），對相變溫室和對照溫室內(nèi)空氣溫度進(jìn)行分析。典型天氣日期的確定，以其前、后日氣象條件相同或相近為依據(jù)。典型天氣室內(nèi)外溫度、太陽輻射強(qiáng)度變化如圖6所示。

由圖6a可見，典型晴天相變溫室與對照溫室室內(nèi)空氣溫度的變化趨勢相同，且相變溫室溫度大于對照溫室溫度，最高溫度均出現(xiàn)在13:35，最低氣溫均出現(xiàn)在6:40。兩溫室溫度最大相差4.1 ℃，出現(xiàn)在16:15。白天由于溫度較高，需要進(jìn)行拔縫通風(fēng)進(jìn)行降溫和換氣，導(dǎo)致兩溫室之間存在一定的溫度差異。夜間，保溫棉被覆蓋后相變溫室與對照溫室的空氣溫差逐漸減小，由于本次試驗(yàn)采用了較多的相變材料，相變溫室與對照溫室始終存在著不低于2.6 ℃的溫差，平均溫差為3.1 ℃。說明相變儲能裝置在晴天條件下能夠很好的發(fā)揮蓄放熱作用。

a. 晴天（2021-02-21）a. Sunny day (2021-02-21)b. 陰天（2021-03-11）b. Cloudy day (2021-03-11)c. 雪天（2021-03-20）c. Snowy day (2021-03-20)

由圖6b可見，典型陰天相變溫室與對照溫室的室內(nèi)溫度變化趨勢相同，最高溫度均出現(xiàn)在12:35，最低氣溫均出現(xiàn)在24:00。兩溫室溫度最大相差4.3 ℃，出現(xiàn)在15:10（保溫棉被覆蓋時(shí)）。白天溫度雖然沒有晴天條件下溫度高，但中午時(shí)分（11:00—13:00）由于存在一定的太陽輻射，溫室溫度均在30 ℃以上，同樣需要進(jìn)行短暫的拔縫通風(fēng)進(jìn)行降溫和換氣，導(dǎo)致兩溫室之間存在一定的溫度差異。夜間，保溫棉被覆蓋后相變溫室與對照溫室的空氣溫差逐漸減小，同樣由于采用了較多的相變材料，相變溫室與對照溫室始終存在著不低于1.7 ℃的溫差，平均溫差為1.9 ℃。說明相變儲能裝置在陰天條件下，依然能夠發(fā)揮一定的蓄放熱作用，但相對于晴天條件的蓄放熱作用有所降低。

由圖6c可見，典型雪天相變溫室與對照溫室的變化趨勢相同，最高溫度均出現(xiàn)在13:05，最低氣溫均出現(xiàn)在24:00。兩溫室溫度最大相差1.6 ℃，出現(xiàn)在0:00。由于是雪天條件，沒有進(jìn)行拔縫通風(fēng)和卷起保溫棉被的人工操作。兩溫室之間存在一定的溫差，由0:00時(shí)的1.6 ℃，逐漸下降為0.3 ℃（24:00時(shí)刻），平均溫差為0.9 ℃。說明相變儲能裝置在雪天條件下，所發(fā)揮蓄放熱的作用微乎其微。

由圖6可知，夜間（0:00-6:00，18:00-24:00），相變溫室與對照溫室均處于保溫棉被覆蓋狀態(tài)，溫室內(nèi)與外界只有通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱，且沒有太陽輻射和傳質(zhì)的影響，相變溫室與對照溫室均處于封閉的狀態(tài)。典型晴天、陰天、雪天條件下，相變溫室與對照溫室的空氣最高溫差分別為：4.1、2.2、1.6 ℃，最低溫差分別為：2.6、1.7、0.3 ℃，平均溫差分別為3.1、1.9、0.9 ℃?？梢娤嘧儍δ苎b置的蓄熱能力晴天最好，陰天次之，雪天最差。

在白天（6:00-18:00），典型晴天、陰天、雪天條件下，相變溫室與對照溫室的空氣溫度變化較為劇烈，晴天與陰天相變溫室與對照溫室的空氣溫差變化范圍比較大，分別為（-0.5～4.1 ℃）、（0.1～4.3 ℃），雪天的變化范圍最?。?.1～1.7 ℃）。晴天、陰天、雪天的相變溫室與對照溫室平均溫差分別為2、2.8、0.9 ℃。究其原因，是由于溫室受到室外環(huán)境溫度、太陽輻射強(qiáng)度變化以及拔縫通風(fēng)等因素的影響，晴天與陰天存在較為復(fù)雜的熱質(zhì)傳遞現(xiàn)象。而雪天，沒有進(jìn)行人工拔縫操作，相變溫室與對照溫室只受到相對恒定的室外環(huán)境溫度與較弱的太陽輻射強(qiáng)度影響?？梢?，為了更好地發(fā)揮相變儲能裝置的蓄放熱能力，在考慮溫室和相變材料自身熱物性的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際室內(nèi)外環(huán)境因素，輔以相應(yīng)的人工操作規(guī)程。

圖7為典型晴天、陰天和雪天條件下相變溫室與對照溫室中間隔斷熱流密度變化圖。由圖7可見，典型晴天和陰天條件下，白天兩溫室之間存在著較為明顯的熱量傳遞，對比圖6a、6b，其變化趨勢與太陽輻射相似。而在夜間，其變化趨勢與兩溫室溫差變化趨勢相同。雪天條件下，由于覆蓋著保溫棉被，溫室內(nèi)幾乎不受太陽輻射的影響，白天和夜間溫室內(nèi)溫度變化均較為平緩，變化趨勢與兩溫室內(nèi)溫度差變化趨勢相同。典型晴天、陰天、雪天的夜間，相變溫室與對照溫室之間的熱流密度平均值分別為2.18 、1.33、0.57 W/m2。晴天通過隔斷傳遞的熱量最大，陰天次之，雪天最小。雖然通過隔斷的熱流密度數(shù)值較小，但由于隔斷的面積較大（18.5 m2），所以相變溫室與對照溫室之間的平均溫度差均應(yīng)有所增加，即本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的相變溫室的蓄放熱性能理應(yīng)有所增加。

圖7 相變溫室與對照溫室之間隔斷熱流密度變化

值得注意的是，如圖6a、圖6b所示，本文在典型晴天和陰天條件下，白天相變溫室的室內(nèi)溫度均高于對照溫室的室內(nèi)溫度，與文獻(xiàn)[9,26]等的結(jié)論正好相反，究其原因在于本文采用的是外掛型PVC-U管相變儲能裝置，其表面為白色，相對于文獻(xiàn)[9,26]等的儲能裝置表面為深色，具有更高的反射率，從而導(dǎo)致了相變溫室室內(nèi)溫度的上升。另一方面，雪天沒有太陽輻射情況下（如圖6c所示），白色表面并不能反射更多的熱量到相變溫室內(nèi)，相變溫室和對照溫室室內(nèi)溫度較為接近，也同樣說明了具有較高反射率的白色儲能裝置表面，導(dǎo)致了在本文的試驗(yàn)工況下，相變溫室的溫度均高于對照溫室的溫度。

2.3 相變裝置的蓄放熱性能

為了獲得PVC-U管相變裝置的蓄放熱性能，本文在人工環(huán)境小室中進(jìn)行了吸、放熱試驗(yàn)。吸、放熱過程中小室內(nèi)空氣溫度分別控制在40、10.5 ℃左右。采用熱流密度計(jì)測量PVC-U管中間位置處溫度和熱流密度變化值，其結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，吸熱過程總共用時(shí)7 420 s，在吸熱過程中的中期（210～7 280 s），PVC-U管表面溫度和熱流密度變化速率相對開始和后期較為平緩，說明中期PVC-U管由于相變吸收了大量的熱量，當(dāng)PVC-U管表面溫度和熱流密度趨于穩(wěn)定吸熱過程結(jié)束。在放熱過程中（13 680～43 200s），前期熱流密度和表面溫度變化較為劇烈，之后由于相變過程釋放出較多熱量，熱流密度和表面溫度變化相對平緩。

根據(jù)式（7）及圖8可計(jì)算PVC-U管外掛型儲能裝置蓄放熱量?？傂顭崃繛?47.1 kJ，單位體積蓄熱量為268.1 MJ/m3；總放熱量為1 112.1 kJ，單位體積放熱量為314.8 MJ/m3。

2.4 過冷不適宜生長率

圖9為2021年02月10日至28日相變溫室與對照溫室溫度變化圖。其中，2月16日至2月17日為陰天，2月13日至2月14日為雪天，其余均為晴天。由圖9可見，晴天和陰天天氣條件下，溫室內(nèi)溫度低于生長下限溫度均發(fā)生在夜間。雪天全天室外環(huán)境溫度較低，導(dǎo)致溫室內(nèi)溫度均低于生長下限溫度。

圖8 儲能裝置表面溫度及熱流密度吸放熱過程變化

圖9 相變溫室與對照溫室空氣溫度差變化

圖10a為2021年2月10日至28日相變溫室與對照溫室溫度低于生長下限溫度時(shí)長統(tǒng)計(jì)圖。由圖10a可見，該時(shí)間范圍內(nèi)，相變溫室和對照溫室室內(nèi)溫度低于生長下限溫度總時(shí)長分別為231、298 h，兩者相差67 h，平均每天相差3.5 h。其中，晴天相變溫室室內(nèi)溫度低于生長下限溫度總時(shí)長（148 h）要明顯低于對照溫室（213 h），共相差65 h，平均每天相差4.3 h；陰天相變溫室室內(nèi)溫度低于生長下限溫度總時(shí)長（35 h）要明顯低于對照溫室（37 h），共相差2 h，平均每天相差1 h；雪天全天溫度較低，相變溫室與對照溫室室內(nèi)溫度低于生長下限溫度時(shí)長均為24 h。由以上分析可知，晴天相變溫室與對照溫室室內(nèi)溫度低于生長下限溫度時(shí)長相差最大，陰天次之，雪天最小，進(jìn)一步說明相變儲能裝置在晴天條件下蓄放熱性能最好，陰天次之，雪天最小。

圖10b為2021年2月10日至28日時(shí)間內(nèi)相變溫室與對照溫室過冷不適宜生長度變化圖。由圖10b可見，該時(shí)間范圍內(nèi)，相變溫室和對照溫室室內(nèi)溫度過冷不適宜生長度分別為815.2、1 479.7 h·℃，兩者相差664.5 h·℃，平均每天相差35.0 h·℃。其中，晴天天氣條件下，相變溫室過冷不適宜生長度共為356 h·℃，平均每日為23.7 h·℃。對照溫室過冷不適宜生長度共為815 h·℃，平均每日為54.3 h·℃；陰天天氣條件下，相變溫室過冷不適宜生長度共為179 h·℃，平均每日為89.5 h·℃。對照溫室過冷不適宜生長度共為264 h·℃，平均每日為132 h·℃；雪天天氣條件下，全天溫度較低，相變溫室過冷不適宜生長度為216 h·℃，平均每日為108 h·℃，對照溫室過冷不適宜生長度共為303 h·℃，平均每日為151.5 h·℃。由上面分析可見，在相同天氣條件下，相變溫室的過冷不適宜生長度均小于對照溫室；相變溫室與對照溫室在晴天條件下的過冷不適宜生長度最小，陰天次之，雪天最大。說明布置了相變儲能裝置的溫室的蓄放熱性能更好，同時(shí)不管是否布置相變儲能裝置，晴好天氣的溫室蓄放熱作用最大，陰天次之，雪天最小。

圖10 空氣溫度低于生長下限溫度時(shí)長與過冷不適宜生長度統(tǒng)計(jì)圖

經(jīng)對2021年2月9日至3月31日整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，相變溫室和對照溫室的過冷不適宜生長度分別為1 244.7、2 073.4 h·℃。由式（4）可計(jì)算過冷不適宜生長降低率如下

即在本次試驗(yàn)周期內(nèi)相變溫室相對對照溫室的蓄熱性能提高了40%。

2.5 有效積溫對比

圖11為2021年2月10日至28日時(shí)間內(nèi)相變溫室與對照溫室有效積溫變化圖。由圖11可見，該時(shí)間范圍內(nèi)，相變溫室和對照溫室有效積溫分別為75.7、36.6 ℃·d，兩者相差39.1 ℃·d，平均每天相差2.1 ℃·d。其中，晴天相變溫室有效積溫共為72.1 ℃·d，平均每日為5.2 ℃·d。對照溫室有效積溫共為34.8 ℃·d，平均每日為2.5 ℃·d；陰天相變溫室有效積溫共為3.6 ℃·d，平均每日為1.8 h ℃·d。對照溫室有效積溫共為1.8 ℃·d，平均每日為0.9 ℃·d；雪天全天溫度較低，相變溫室與對照溫室有效積溫均為0。由上分析可見，晴天和陰天相變溫室的有效積溫均大于對照溫室；而雪天相變溫室與對照溫室有效積溫相同且為0；相變溫室與對照溫室晴天的有效積溫最大，陰天次之，雪天最小。說明布置相變儲能裝置可以在晴天和陰天條件下提高有效積溫，而雪天條件下并不能提高有效積溫。

經(jīng)對2021年02月09日至03月31日整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，相變溫室和對照溫室的有效積溫分別為174.5、110.1 ℃·d。相變溫室比對照溫室的有效積溫提高了約58.4%。

圖11 有效積溫隨時(shí)間變化

2.6 相變材料性能變化

整個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)束后，對現(xiàn)場使用的相變材料重新進(jìn)行了T-history和DSC試驗(yàn)。結(jié)果如圖12所示。由圖 12a可見，相變材料經(jīng)過51 d現(xiàn)場蓄放熱循環(huán)后，其變化趨勢相同，在相同的試驗(yàn)條件下，試驗(yàn)前后溫度數(shù)據(jù)最大相差0.37 ℃，相變溫度維持在22 ℃附近，沒有發(fā)生明顯過冷現(xiàn)象。肉眼觀察均勻性較好，也沒有發(fā)生明顯的相分離現(xiàn)象。

由圖12b可見，相變材料現(xiàn)場使用前后蓄放熱過程變化相似，開始融化溫度點(diǎn)均在26.5 ℃附近，當(dāng)達(dá)到30 ℃時(shí)達(dá)到吸熱峰值，放熱過程于14 ℃時(shí)達(dá)到放熱峰值，但現(xiàn)場使用后的相變材料蓄熱過程相變潛熱為105.5 J/g，比現(xiàn)場使用前減小了11.5%。放熱過程相變潛熱為122.7 J/g，比現(xiàn)場使用前減小了13.2%。

2.7 圣女果生長數(shù)據(jù)對比

本次試驗(yàn)植物品種為無限生長型京丹1號圣女果，株行距分別為30、90 cm，密度約為3.7 株/m2。為了分析相變儲能裝置對于圣女果生長情況的影響，試驗(yàn)之初在相變溫室與對照溫室內(nèi)各選取了10株（占總株的6.1%）長勢相近圣女果進(jìn)行標(biāo)記，隨后每隔7 d記錄每株高度，株高的測量采用卷尺（±1 mm）進(jìn)行，并取其平均值，如表1所示。由表1可見，在其他條件相同的情況下，相變溫室內(nèi)的圣女果平均株高均大于對照溫室內(nèi)的高度，且在試驗(yàn)后期（2021-03-27）兩者平均相差達(dá)到10.3 cm。另外，根據(jù)后期的統(tǒng)計(jì)，相變溫室內(nèi)圣女果的采收期比對照溫室提前了5 d。綜上，相變儲能裝置的使用，提高了室內(nèi)溫度，促進(jìn)了圣女果的生長，提前了采收期。

基于表1數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。組內(nèi)均方為963.52，大于組間均方133.3，且顯著性為0.003 9，小于0.05，說明樣本來源于不同總體，即兩溫室圣女果生長數(shù)據(jù)差異顯著。

表1 生長數(shù)據(jù)對比表

注：▲對照溫室內(nèi)一株圣女果死亡，只統(tǒng)計(jì)了9株平均值。

Note:▲ In the contrast greenhouse, one tomato died, and only 9 plants were counted on average.

3 討 論

相變材料在使用過程中體積變化率大，對封裝密閉性的要求較高，目前的封裝方式都有不同程度的泄露問題，有一定的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)[5]，相變材料的封裝是制約其實(shí)際應(yīng)用的問題之一。本文采用PVC-U管封裝相變材料外掛于日光溫室北墻內(nèi)表面，其封裝材料來源較為廣泛，價(jià)格低廉，規(guī)格統(tǒng)一，安裝操作簡便，該儲能裝置在其他季節(jié)可以回收，減少相變循環(huán)次數(shù)，延長相變材料的使用壽命，同時(shí)此方式更加適用于既有溫室的節(jié)能改造。本次試驗(yàn)結(jié)束后僅發(fā)現(xiàn)有2根儲能裝置在底部接口處有滲漏現(xiàn)象，不足1.5%，原因在于封裝時(shí)沒有足夠打好底膠所致。

馬江偉[36]分別向六水氯化鈣中加入一定比例的硼砂和CMC等材料可以有效解決過冷和相變時(shí)間縮短現(xiàn)象。所制備的六水氯化鈣/陶粒定形相變材料經(jīng)多次循環(huán)后，相變溫度和相變潛熱變化較小與本文的結(jié)論相同。Berroug等[10]通過數(shù)值模擬方法，得出以CaCl2· 6H2O為相變材料，可以提高溫室冬季夜間室內(nèi)溫度6～12℃的結(jié)論。本文通過實(shí)際工程試驗(yàn)，同樣證實(shí)了利用CaCl2· 6H2O相變材料可以顯著提高溫室內(nèi)環(huán)境溫度3.1℃（典型晴天條件）。Ling等[37]通過長周期的試驗(yàn)以及模擬計(jì)算，證實(shí)了相變材料可以提高溫室溫度，并且晴天效果要高于陰天的效果。本文通過試驗(yàn)同樣獲得了相同的結(jié)論，并增加了雪天比較工況。

本文由于現(xiàn)場試驗(yàn)場所等原因限制，只對固定質(zhì)量的PCM進(jìn)行了現(xiàn)場測試，沒有進(jìn)行基于溫室熱工和環(huán)境條件的PCM最佳使用量的研究。同時(shí)，本文從傳熱角度分析了相變?nèi)展鉁厥业男罘艧嵝阅?，但沒有綜合考慮傳熱與傳質(zhì)的耦合作用。這些都將是今后的工作方向。

4 結(jié) 論

本文以配比為3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+ 58.04%H2O的相變材料為儲能介質(zhì)，采用PVC-U管進(jìn)行封裝并外掛布置于隔斷溫室的北墻內(nèi)表面，在2021年2月9日—3月31日期間進(jìn)行了為期51d的現(xiàn)場對比試驗(yàn)?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，討論了典型晴天、陰天和雪天條件下相變溫室與對照溫室的蓄熱性能，同時(shí)提出了過冷不適宜生長降低率概念，并對長周期內(nèi)的相變溫室蓄放熱性能進(jìn)行了分析。通過討論獲得結(jié)論如下：

1）配比為3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+ 58.04%H2O的相變材料，現(xiàn)場對比試驗(yàn)前后相變溫度較為穩(wěn)定，沒有發(fā)生較為明顯的過冷和相分離問題，蓄熱、放熱過程的相變潛熱分別減小了11.5%和13.2%；

2）相變儲能裝置在典型晴天條件下的蓄放熱性能最好，陰天次之，雪天最差，分別可以提高夜間相變溫室平均溫度分別為3.1、1.9、0.9 ℃；

3）相變溫室過冷不適宜生長降低率概念可用于相變溫室蓄放熱性能的定量評價(jià)；

4）相變溫室比對照溫室提高了約58.4%的有效積溫。

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Heat storage and release test of external hanging phase change energy storage device in greenhouses

Meng Fankang, Jian Zhixin

(,,123000,)

The purpose of the test was to verify and evaluate the long-period heat storage and release performance of phase change material (PCM) that covered on the solar greenhouse in severe cold regions. Firstly, the CaCl2·6H2O-based PCM was modified by the orthogonal tests. SrCl2·6H2O, CMC and H2O were added to alleviate the supercooling, phase separation, and high phase transition temperatures. The composite PCM of 3% CMC + 3% SrCl2·6H2O + 35.96% CaCl2+ 58.04% H2O was determined as the energy storage medium. Secondly, a traditional greenhouse was taken as a contrast in the Fuxin City, Liaoning Province of China. Four independent parts were divided to transform from the middle two greenhouse. The composite PCM was packaged into the PVC-U pipes, which covered on the inner surface of the north wall of the east independent greenhouse. A 51-day comparative test was then carried out (February 09th, 2020-March 31st, 2020). The heat storage and release performance of PCM greenhouse was evaluated from the aspects of the indoor air temperature, the heat storage and release performance of the PCM device, supercooling unsuitable growth rate, effective accumulated temperature, the comparative performance of PCMs before and after field test, as well as the cherry tomato growth data. The following results were obtained: 1) The T-history and DSC tests show that the latent heat of phase change was reduced by 11.5 % and 13.2 %, respectively, in the composite PCM during heat storage and release processes, compared with that before the field test. The maximum difference of phase transition temperature was 0.37 ℃, indicating the stable phase transition temperature of the PCM before and after the field comparative test. There were no obvious supercooling and phase separation. 2) The best heat storage and release performance of PCM was found in the typical sunny, followed by the cloudy, and the worst in the snowy days. The average temperature in the PCM solar greenhouse at night increased by 3.1 ℃, 1.9 ℃, and 0.9 ℃, respectively. 3) Some recommendations were given to fully utilize the heat storage and release performance of the PCM. The manual operation procedures should be considered, particularly on the environmental factors inside and outside the greenhouse and the thermophysical properties of the PCM. 4) The supercooling unsuitable growth degrees of the PCM solar greenhouse and the contrasted greenhouse were 1 244.7 h·℃ and 2 073.4 h·℃, respectively, during the field comparative test period. There was the 40 % reduction rate of the supercooling unsuitable growth in the PCM solar greenhouse. A quantitative evaluation was realized for the heat storage and release performance of PCM solar greenhouse. 5) The effective accumulated temperatures were 174.5, and 110.1 ℃·d, respectively, in the phase change and contrasted greenhouse. Anyway, the effective accumulated temperature of the phase change greenhouse increased by 58.4%, compared with the contrasted greenhouse. In brief, the PVC-U pipes packaged with the PCM as the energy storage devices covered on the solar greenhouse can be expected to improve the heat storage and release performance of solar greenhouse in severe cold regions. The finding can provide the data and theoretical support for the practical popularization, application, and long-period theoretical analysis for the heat storage and release performance of the PCM solar greenhouse.

greenhouse; temperature; phase change material; external hanging type; heat storage and release; test; evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021

S214.3

A

1002-6819(2022)-20-0180-11

孟凡康，姜治鑫. 外掛型相變儲能裝置在日光溫室中的蓄放熱試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(20)：180-190.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021 http://www.tcsae.org

Meng Fankang, Jian Zhixin. Heat storage and release test of external hanging phase change energy storage device in greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 180-190. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021 http://www.tcsae.org

2022-05-04

2022-08-01

2019年遼寧省自然基金資助計(jì)劃指導(dǎo)計(jì)劃（2019-ZD-0044）；2022 年遼寧省教育廳基本科研項(xiàng)目（面上項(xiàng)目）(LJKMZ20220701)

孟凡康，博士，副教授. 研究方向?yàn)榻ㄖ釢駛鬟f理論及相變儲能。Email：mfk3999147@126.com