基于相變儲熱材料的溫室栽培架設(shè)計及性能研究

陳 昊，汪小旵，2，施印炎，張先潔

(1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031；2 江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實驗室，江蘇 南京 210031)

受冬季風(fēng)的影響，我國大部分地區(qū)冬季氣候寒冷，氣溫普遍偏低[1-2]，在不加溫條件下溫室夜間很難保證作物生長所需的適宜溫度，從而會嚴(yán)重影響作物的品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。為了解決低溫冷害問題，前人將熱水采暖、熱風(fēng)采暖和火道加溫[4]等加溫方式應(yīng)用于冬季溫室生產(chǎn)中，但這些傳統(tǒng)加溫方式多以燃油或燃煤作為供熱能源，存在環(huán)境污染以及成本高昂的問題[5-8]。因此，研究環(huán)保節(jié)能的溫室儲能加溫方式以降低溫室能耗逐漸成為研究熱點。

相變材料儲熱即潛熱儲熱，是通過物質(zhì)發(fā)生相變時吸入與放出大量熱量的特性來存儲和釋放熱量，相比于水[9-11]、卵石[12-13]等顯熱儲熱材料，相變材料具有較大的儲熱密度、相對恒定的溫度變化、較少的用量等優(yōu)點，相變材料儲熱被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的儲熱方式[14]。隨著相變材料儲熱技術(shù)在能源和建筑領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，國內(nèi)外研究人員對如何將相變材料儲熱技術(shù)應(yīng)用于溫室增溫進行了諸多探索。Jaffrin等[15]將相變儲熱系統(tǒng)埋在溫室地下，白天將溫室熱空氣通過風(fēng)機傳給相變儲熱系統(tǒng)，夜間將相變儲熱系統(tǒng)內(nèi)的熱量通過風(fēng)機輸送給溫室，與傳統(tǒng)加熱玻璃溫室相比，節(jié)省了60%～80%的燃料；王宏麗等[16]用相變材料和稻殼制作相變蓄熱砌塊，并用砌塊組成日光溫室后墻，試驗結(jié)果表明相變溫室的平均氣溫高于對照溫室，且二者氣溫最高相差可達到5.3 ℃，而且相變溫室內(nèi)番茄的生長情況優(yōu)于對照溫室；管勇等[17]在溫室北墻內(nèi)側(cè)粘貼相變蓄熱墻體材料板組成相變溫室，使溫室夜間的后墻表面溫度提高2.1～4.3 ℃，室內(nèi)溫度提高1.6～2.1 ℃，耕作層土壤溫度提高0.5～1.4 ℃；李鵬等[18]在日光溫室梯形墻內(nèi)表面噴涂相變材料形成相變涂層，試驗期間相變涂層溫室墻體的吸熱量和放熱量均高于普通溫室，與普通溫室相比，相變涂層溫室的室內(nèi)氣溫平均提升1.3 ℃；閆彥濤等[19]研制了一種太陽能相變蓄熱系統(tǒng)，將太陽能集熱器與相變材料結(jié)合，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可將溫室夜間溫度平均提高2.0 ℃。但現(xiàn)有研究主要是對溫室整體空間環(huán)境進行加溫，而相變材料的投入成本較高，非作物種植區(qū)存在熱量的無用消耗，同時對矮株作物來說，溫室上部空間的加溫也在客觀上造成了能源浪費[20-21]，溫室的能量利用率尚有一定的提升潛力。為了解決這一問題，本團隊設(shè)計了一種基于相變儲熱材料的溫室栽培架，晴天條件下以相變儲熱材料為介質(zhì)儲存太陽能，陰天條件下以輔助熱源和相變儲熱材料共同為作物加溫，可有效地降低能耗、減輕環(huán)境污染。本研究主要對低矮作物生長區(qū)域進行加溫試驗，測試不同天氣條件下栽培架的溫度變化情況以及作物生長狀況，驗證其增溫效果，以期為相變儲熱材料在溫室儲能加溫方案設(shè)計中的應(yīng)用提供參考。

1 基于相變儲熱材料的溫室栽培架設(shè)計

1.1 溫室栽培架的結(jié)構(gòu)

基于相變儲熱材料的溫室栽培架結(jié)構(gòu)如圖1所示(以下簡稱栽培架)，主要由相變蓄放熱系統(tǒng)、輔助加熱系統(tǒng)、熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、支架等組成。整體尺寸為1 980 mm×800 mm×2 140 mm(長×寬×高)，栽培架的底部配有萬向輪，便于移動換向。

相變蓄放熱系統(tǒng)通過6個U型卡吊裝在水平橫支架下方，系統(tǒng)外罩由有機玻璃管制成，有機玻璃管外徑為300 mm，壁厚5 mm，長1 700 mm。具有透光和保溫的功能。封裝的相變儲熱材料為無機水合鹽類，與其他相變儲熱材料相比，具有價格便宜及制作工藝簡單的優(yōu)點[22]，其潛熱值約為180 kJ/kg，相變溫度點為21 ℃左右，每根管封裝相變材料質(zhì)量為3 kg，通過內(nèi)部支撐架均勻分布在有機玻璃管內(nèi)表面，形成空氣流道，以便于熱空氣與相變材料管進行熱交換。輔助加熱系統(tǒng)主要由電熱風(fēng)機、控制箱等組成，風(fēng)機功率為25 W，加熱功率為1.5 kW；栽培槽由PP板組裝而成，中部連接加強筋，以防止兩邊外擴。熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)主要由集氣罩、增溫管道和回風(fēng)管道組成，集氣罩由有機玻璃制成，有良好的透光性，尺寸為1 800 mm×360 mm×180mm(長×寬×高)，可根據(jù)作物的高度調(diào)節(jié)集氣罩的位置。增溫管道由直徑20 mm的PVC管組成，回風(fēng)管道采用直徑50 mm的PP折疊風(fēng)管,增溫管道和回風(fēng)管道外部分別用厚度20和30 mm的橡塑保溫管進行保溫處理。

1.2 蓄放熱方式

典型晴天條件下，相變蓄放熱系統(tǒng)通過2種途徑蓄熱：一是與溫室熱空氣進行熱交換，白天風(fēng)機自動開啟，將溫室的熱空氣輸入到相變蓄放熱系統(tǒng)，熱空氣與相變材料管進行熱交換，完成熱量儲存；二是太陽輻射直接透過有機玻璃外罩，將熱量儲存在相變材料管中。夜間，相變蓄放熱系統(tǒng)進行放熱，風(fēng)機啟動將熱量以空氣為介質(zhì)經(jīng)過增溫管道傳送到種植區(qū)，空氣在集氣罩通過回風(fēng)管道經(jīng)過風(fēng)機重新送入相變蓄放熱系統(tǒng)，形成空氣循環(huán)。典型陰天條件下，輔助加熱系統(tǒng)自動啟動，并與相變儲熱材料一起為作物增溫。當(dāng)儲熱材料產(chǎn)生的熱量不足時，輔助加熱系統(tǒng)的熱量將有一部分被儲存在相變材料管里，另一部分則通過熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)為種植區(qū)作物增溫。

2 試驗方案

試驗溫室位于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院博遠樓樓頂，位于東經(jīng)118°46′、北緯32°03′，為雙脊Venlo型鋁合金玻璃型溫室，東西寬8 m，南北長16 m，頂高5.2 m，在栽培架和溫室內(nèi)分別種植了相同數(shù)量的番茄和線椒。以溫室內(nèi)種植的相同作物作為對照，以栽培架內(nèi)種植的作物為試驗組。

2.1 試驗儀器

試驗采用PT100鉑電阻溫度傳感器(WZP-035，上海電器儀表三廠，量程-200～450 ℃)測溫，太陽輻射強度由光電式太陽總輻射傳感器(ZZ-RADS-TSTMA，濟南智澤貿(mào)易有限公司，量程0～1 500 W/m2)測量，各測點溫度和太陽輻射強度由無紙記錄儀每分鐘記錄1次?；|(zhì)溫度由土壤溫濕度傳感器(濟南智澤貿(mào)易有限公司，溫度量程-40～80 ℃，精度0.5 ℃)測得，通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。作物紅外圖像由FLIR紅外成像儀(美國菲力爾公司，量程-20～400 ℃，熱分辨率19 200像素)采集。風(fēng)速由泰仕熱線式風(fēng)速儀(TES-1341，泰仕電子工業(yè)股份有限公司，量程0～30 m/s，分辨率0.01 m/s)測得。系統(tǒng)耗電量由電力監(jiān)測儀(P06S-10，溫州龍灣康利峰電器廠)測得。

2.2 測點布置

在試驗溫室外1 m高處布置室外溫度測點，室內(nèi)同一高度布置室內(nèi)溫度測點。光電式太陽總輻射傳感器被放置在與相變蓄放熱系統(tǒng)同一高度位置，用以監(jiān)測太陽輻射強度的變化。相變蓄放熱系統(tǒng)內(nèi)進氣口和出氣口各放置1個溫度傳感器。在栽培槽基質(zhì)表面的幾何中心位置，插入土壤溫濕度傳感器。種植區(qū)內(nèi)共布置8個測點，綜合測量種植區(qū)內(nèi)的溫度，具體測點位置如圖2所示，各位置溫度均由儀器每分鐘記錄1次。

2.3 性能分析

2.3.1 太陽輻射熱量 相變蓄放熱系統(tǒng)從太陽輻射中獲得的熱量Qs為[23]：

(1)

式中：τ1為蓄熱開始時間，τ2為蓄熱結(jié)束時間，I為系統(tǒng)表面接收的太陽輻射強度(W/m2)，A為系統(tǒng)接收太陽輻射的有效表面積(m2)，τ為時間。

2.3.2 換熱量 相變蓄放熱系統(tǒng)在蓄、放熱階段以及輔助加熱系統(tǒng)在制、放熱階段的換熱量Q，可以用下式計算[24]：

(2)

式中：Cp為空氣定壓比熱容(kJ/(kg·K))，G為空氣質(zhì)量流量(kg/s)，ΔT為第i個時段內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)進出口溫度的差值(℃)，t為每個測量段的時間(s)，n為測量時間段數(shù)。

2.3.3 性能系數(shù) 試驗中，定義一個工作周期為08:00至次日08:00，共計24 h。參照能效比的一般定義，定義該栽培架的性能系數(shù)(coefficient of performance，COP)為一個工作周期內(nèi)栽培架放熱量與耗電量的比值，按下式計算[9]：

(3)

式中：Qh為栽培架放熱量(kJ)，Qp為栽培架工作一周期的耗電量(kJ)。

2.3.4 能量利用率 為了評價整個栽培架對能量的利用效果，本研究提出能量利用率(ε)指標(biāo)，用栽培架放熱量與熱源輸入的熱量之比[25-26]表示，即：

(4)

式中：Qh為栽培架放熱量(kJ)；Qt為熱源輸入的熱量(kJ)，典型晴天條件下Qt為相變蓄放熱系統(tǒng)的蓄熱量，典型陰天條件下Qt為輔助加熱系統(tǒng)的制熱量。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型低溫天氣下溫室內(nèi)外氣象條件的變化

在試驗期間(2020-12-24至2021-01-12)獲得的數(shù)據(jù)中，選取典型低溫晴天和典型低溫陰天的數(shù)據(jù)進行分析，得到典型低溫天氣條件下溫室內(nèi)外溫度與太陽輻射強度的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，試驗期間南京地區(qū)的太陽輻射時間在07:00-17:00，峰值出現(xiàn)在12:00-13:00，典型晴天條件下太陽輻射強度最高達到790.3 W/m2，典型陰天條件下最大為97.5 W/m2，僅達到晴天條件下的12.3%。在溫度方面，盡管室外溫度較低，但典型晴天條件下的室內(nèi)溫度最高為25.0 ℃，能達到相變材料的相變溫度點，與室外溫度的最大溫差為20.9 ℃。由此可見，典型晴天條件下，由于太陽輻射充足，玻璃溫室日間熱量富余，將這部分熱量儲存起來用于夜間放熱將能有效節(jié)約能源。而典型陰天條件下的室內(nèi)溫度最高為9.7 ℃，與室外溫差最大為3.9 ℃，因為無足夠的太陽能為玻璃溫室增溫，室內(nèi)溫度隨著室外溫度的降低而持續(xù)走低。

3.2 不同天氣條件下種植區(qū)的溫度變化

3.2.1 典型晴天 為了綜合分析相變蓄放熱系統(tǒng)對種植區(qū)溫度的影響，本研究選用了典型晴天條件下(2020-12-24 08:00至2020-12-25 08:00)種植區(qū)內(nèi)各測點的溫度變化進行分析，取種植區(qū)內(nèi)T1、T2、T3、T4、T5、T6等6個測點的平均值作為種植區(qū)的溫度(T1、T2、T3、T4、T5、T6)，并測定溫室內(nèi)溫度(Tin)。從圖4-a可以看出，白天由于太陽輻射的作用，種植區(qū)和溫室內(nèi)的溫度變化趨勢基本一致。放熱開始后，種植區(qū)的溫度短時間內(nèi)逐步上升，但相變蓄放熱系統(tǒng)傳遞到種植區(qū)的熱量畢竟有限，無法完全彌補種植區(qū)所散失的熱量，所以種植區(qū)的溫度在達到峰值后開始逐步下降，隨后種植區(qū)內(nèi)溫度與溫室內(nèi)溫度的差值逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為此時冷空氣通過風(fēng)機進入相變蓄放熱系統(tǒng)被加熱，然后重新進入到種植區(qū)，熱空氣將熱量散失在種植區(qū)后溫度降低，再次通過風(fēng)機進入相變蓄放熱系統(tǒng)被加熱，不斷進行循環(huán)，相變蓄放熱系統(tǒng)日間儲存的熱量不斷進入到種植區(qū)。整個夜間(18:00-次日08:00)種植區(qū)平均溫度較溫室內(nèi)平均溫度高2.4 ℃，增溫效果明顯。

3.2.2 典型陰天 為評價典型陰天條件下輔助加熱系統(tǒng)對種植區(qū)溫度的影響，本研究選取2021-01-04 8:00至2021-01-05 08:00的數(shù)據(jù)進行分析。由圖4-b可見，輔助加熱系統(tǒng)開始工作后，種植區(qū)內(nèi)溫度迅速上升并逐漸穩(wěn)定，種植區(qū)內(nèi)各測點溫度明顯高于溫室內(nèi)，即使溫室內(nèi)溫度持續(xù)降低，在輔助加熱系統(tǒng)工作期間，種植區(qū)內(nèi)的溫度均維持在相同水平，說明加熱穩(wěn)定。整個夜間(18:00-次日08:00)種植區(qū)平均溫度較溫室內(nèi)高3.3 ℃，說明輔助加熱系統(tǒng)可以有效地為作物生長環(huán)境增溫。

3.2.3 夜 間 圖5顯示了2020-12-24至2021-01-12試驗期間夜間種植區(qū)平均溫度和日最低溫度的變化，其中12-24至12-28、12-30至01-03為典型晴天條件，其余為典型陰天條件。

試驗期間經(jīng)歷了極端低溫天氣，12-30-01-01雖然太陽輻射充足，但寒潮來臨，溫室內(nèi)外溫度持續(xù)走低，雖然種植區(qū)日最低溫度較溫室內(nèi)高，但溫度還是降到0 ℃以下，在極端低溫天氣下相變蓄放熱系統(tǒng)增溫效果有限，因此在極端低溫天氣下應(yīng)該開啟輔助加熱系統(tǒng)，為了便于分析，將極端低溫天氣下開啟輔助加熱系統(tǒng)與陰天天氣下開啟輔助加熱系統(tǒng)統(tǒng)一歸為典型陰天條件分析。如圖5所示，種植區(qū)的每日平均溫度和日最低溫度均高于溫室內(nèi)，日最低溫度出現(xiàn)在07:00左右，在典型晴天且不開啟輔助加熱條件下，種植區(qū)夜間平均溫度較溫室內(nèi)高1.2～2.5 ℃，平均為2.0 ℃，種植區(qū)日最低溫度較溫室內(nèi)高1.1～2.0 ℃，平均為1.4 ℃；在典型陰天條件下,夜間開啟輔助加熱系統(tǒng)時，種植區(qū)夜間平均溫度較溫室內(nèi)高3.3～6.8 ℃，平均為5.4 ℃。種植區(qū)日最低溫度較溫室內(nèi)高4.3～7.7 ℃，平均為6.0 ℃，其中12月30日(雖然是典型晴天，但相變蓄放熱系統(tǒng)內(nèi)儲存的熱量主要源于前一日輔助加熱系統(tǒng)儲存的熱量，故單獨分析)種植區(qū)夜間平均溫度較溫室內(nèi)高3.1 ℃，次日種植區(qū)日最低溫度較溫室內(nèi)高1.8 ℃，有效地改善了作物生長的熱環(huán)境。

3.3 不同天氣條件下基質(zhì)的溫度變化

圖6展示了2021-01-02 18:00至2021-01-06 18:00種植區(qū)基質(zhì)與溫室內(nèi)基質(zhì)的溫度變化，其中01-02和01-03為典型晴天條件，01-04和01-05為典型陰天條件。

從圖6可以看出，放熱開始后種植區(qū)基質(zhì)的溫度下降速率明顯較溫室內(nèi)緩慢，且在夜間基質(zhì)的溫度高于溫室內(nèi)，說明相變蓄放熱系統(tǒng)和輔助加熱系統(tǒng)的運行不僅有效放緩了作物周圍環(huán)境溫度的下降，也延緩了基質(zhì)溫度的下降。01-02和01-03夜間種植區(qū)基質(zhì)平均溫度較溫室內(nèi)分別高0.8和0.7 ℃，01-04和01-05夜間種植區(qū)基質(zhì)平均溫度較溫室內(nèi)分別高1.9和3.9 ℃。

3.4 不同天氣條件下作物熱紅外圖像的對比

熱紅外成像技術(shù)能夠可視化物體表面的熱分布，為了驗證栽培架放熱保溫效果，更直觀地表現(xiàn)作物的溫度分布，本研究在溫室內(nèi)和栽培架中均種植了相同數(shù)量的線椒和番茄，以栽培架種植作為試驗組，溫室內(nèi)種植作為對照組，采用 FLIR紅外相機采集線椒和番茄的熱紅外圖像，并用FLIR Tool對圖像進行分析，得到不同天氣條件下作物的熱紅外圖像，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，典型晴天和陰天2種天氣條件下栽培架種植(試驗組)的線椒和番茄葉片溫度均高于同時段溫室內(nèi)(對照組)。

3.5 不同天氣條件下栽培架的性能分析

圖8-a顯示了試驗期間典型晴天條件下相變蓄放熱系統(tǒng)蓄、放熱量以及性能系數(shù)(COP)的計算結(jié)果，其中相變蓄放熱系統(tǒng)在蓄熱階段的蓄熱量為對流換熱量和太陽輻射熱量之和。從圖8-a可以看出，太陽輻射熱量是相變蓄放熱系統(tǒng)蓄熱量的主要來源，平均占總蓄熱量的74.0%，而對流換熱量僅占26.0%，所以天氣狀況對相變蓄放熱系統(tǒng)蓄熱量影響較大。根據(jù)公式(3)計算栽培架的COP為6.2～11.5，平均為9.3。根據(jù)公式(4)計算栽培架的能量利用率為56.1%～81.2%，平均為65.1%。

典型陰天條件下，輔助加熱系統(tǒng)制熱量和放熱量以及COP的計算結(jié)果如圖8-b所示。圖8-b顯示，典型陰天條件下栽培架放熱量明顯高于典型晴天條件下，這是因為輔助加熱系統(tǒng)供熱穩(wěn)定且不受天氣狀況影響。試驗期間，栽培架的COP為1.9～2.6，平均為2.2，遠低于典型晴天條件栽培架的COP；栽培架的能量利用率為50.0%～65.3%，平均為56.6%?？梢?，在2種典型天氣條件下栽培架的能量利用率都較高，都能有效利用能量。能效比越高，節(jié)約的電能就越多，綜上分析，從能量轉(zhuǎn)換角度來說，相比于典型陰天條件輔助加熱系統(tǒng)的運行，典型晴天條件相變蓄放熱系統(tǒng)的運行可以有效地節(jié)約能源。

4 結(jié)論與討論

通過基于相變儲熱材料的溫室栽培架在冬季不同天氣條件下增溫性能的測試，得到結(jié)論如下：

1)基于相變儲熱材料的溫室栽培架具有明顯的增溫效果。典型晴天條件下，夜間不開啟輔助加熱系統(tǒng)，種植區(qū)夜間平均溫度較溫室內(nèi)高1.2～2.5 ℃；在典型陰天條件下，夜間開啟輔助加熱系統(tǒng)時，種植區(qū)夜間平均溫度較溫室內(nèi)高3.3～6.8 ℃，也可以有效提高基質(zhì)的溫度。因此，應(yīng)用該栽培架進行種植，可以有效改善作物生長的熱環(huán)境，保護作物安全越冬。

2)理論計算發(fā)現(xiàn)，太陽輻射熱量是相變蓄放熱系統(tǒng)蓄熱量的主要來源，典型晴天條件下太陽輻射熱量占理論蓄熱量的74.0%，而通過空氣對流換熱的熱量僅占26.0%。典型陰天條件下，相變蓄放熱系統(tǒng)無法從外界獲得足夠能量，此時輔助加熱系統(tǒng)為栽培架供熱，輔助加熱系統(tǒng)供熱穩(wěn)定。在典型晴天條件下，栽培架的COP平均為9.3，平均能量利用率為65.1%；典型陰天條件下，栽培架的COP平均為2.2，平均能量利用率為56.6%。表明栽培架能量利用率較高，能夠有效利用能量，節(jié)能效果明顯。

基于相變儲熱材料的溫室栽培架，典型晴天條件下利用清潔的太陽能為作物增溫，典型陰天條件下利用環(huán)保的電能為作物增溫，為無加溫措施的溫室提供了加溫的新途徑。但相變儲熱材料存在成本投入大的問題，這限制了它進一步推廣應(yīng)用，在降低成本方面還需進一步的研究優(yōu)化。