適用于蘇北地區(qū)日光溫室的相變材料篩選與測試

摘 要：為解決日光溫室存在的問題，以蘇北地區(qū)為例，根據(jù)蘇北地區(qū)氣候特點，篩選硬脂酸正丁酯（PCM1）、石蠟（PCM2）、石蠟與硬脂酸正丁酯按質(zhì)量比5∶5配合的復(fù)合相變材料（PCM3）、90% Na2SO4·10H2O+2%硼砂+8%膨脹石墨（PCM4）共4組材料，通過差示掃描量熱試驗、熱物理參數(shù)測定試驗、蓄放熱性能試驗以及經(jīng)濟性分析，并采用熵權(quán)法進行多指標評價，結(jié)果PCM3以0.320的相對優(yōu)屬度位列第一。將所篩選出的PCM3應(yīng)用于無后墻日光溫室中，并以普通無后墻日光溫室作為對照。試驗結(jié)果表明，PCM3對溫室內(nèi)空氣溫度、土壤溫度均有所優(yōu)化，可有效縮小日光溫室的晝夜溫差，提高日光溫室 夜間溫度，優(yōu)化溫室內(nèi)熱工性能。

關(guān)鍵詞：太陽能；相變材料；篩選；溫度調(diào)控；溫室；熵權(quán)法

中圖分類號：S625" " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

0 引 言

中國以溫室為主的設(shè)施園藝在過去的40年中取得了巨大發(fā)展，全國各類設(shè)施園藝栽培面積達到一定規(guī)模［1-2］，其中完全由中國自主設(shè)計研發(fā)并適合中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀的節(jié)能日光溫室建造面積約占到園藝設(shè)施總面積的1/3［3］。然而現(xiàn)有的大多數(shù)日光溫室都存在晝夜溫差大和冬季人工加溫等問題，且日光溫室的熱能供需在時間與空間上缺乏一致性。白天溫室蓄積大量熱量卻無法長期儲存，夜間溫室內(nèi)空氣不斷向室外傳遞熱量，造成室內(nèi)溫度下降，使得作物出現(xiàn)凍害現(xiàn)象，這嚴重制約了日光溫室以及農(nóng)業(yè)的發(fā)展［4-5］，而相變材料是一種可實現(xiàn)太陽熱能在時間、空間上轉(zhuǎn)移的功能性材料，可通過材料的相態(tài)轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)能量的存儲和釋放。利用相變材料的儲熱性能可調(diào)節(jié)日光溫室內(nèi)溫度，取代冬季人工加溫，起到“削峰填谷”的作用，對中國日光溫室乃至農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重大意義［6-7］。

前人對相變材料的應(yīng)用進行了大量試驗與研究，王宏麗等［8］采用負壓附著的方法制備了聚苯乙烯/硬脂酸正丁酯相變材料，其相變溫度區(qū)間為16.8～20.6 ℃，且潛熱值大、熱穩(wěn)定性好；冷從斌［9］將十水硫酸鈉與膨脹石墨（EG）混合制備復(fù)合定型相變材料，通過試驗研究得出材料較優(yōu)配比為2%硼砂+8% EG+90% Na2SO4·10H2O；王蕊等［10］以石蠟為原材料制備相變蓄熱材料，并通過日光溫室試驗測試，在節(jié)能與環(huán)保兩個方面均可產(chǎn)生明顯效果；周瑩等［11］將用石膏包裹的石蠟加入到膨脹珍珠巖中，制成復(fù)合相變材料，將復(fù)合相變材料與砂漿混合均勻涂抹于試驗溫室后墻，試驗表明復(fù)合相變儲能砂漿具有良好的蓄放熱效果，可有效縮小晝夜溫差，更有利于作物生長；陳紅武等［12］與王朋等［13］選擇硬脂酸正丁酯與石蠟作為原材料，按不同的質(zhì)量配比，制備復(fù)合相變材料試樣，結(jié)果表明：新制備的復(fù)合材料其熱性能明顯優(yōu)于單一的石蠟和硬脂酸正丁酯，并且最終得出質(zhì)量占比為5∶5的復(fù)合材料綜合蓄熱效果最優(yōu)的結(jié)論。

相變材料的蓄放熱是日光溫室增溫的重要方式，而相變材料因其自身種類繁多、理化性質(zhì)不同而存在較大差異，所以需對現(xiàn)有相變材料進行篩選。蘇北地區(qū)光照充足，是中國發(fā)展日光溫室的重要示范地區(qū)之一［14］。然而，蘇北地區(qū)屬于北亞熱帶向暖溫帶過渡的濕潤季風氣候，1月份最冷月日均最低氣溫為[-2.4 ℃]，極端低溫可達[-20 ℃]以下，傳統(tǒng)日光溫室難以滿足作物的生長，且該地區(qū)將相變材料應(yīng)用于日光溫室的實踐經(jīng)驗相對較少。本研究以蘇北地區(qū)為例，針對蘇北地區(qū)日光溫室晝夜溫差大、冬季需采暖的問題，根據(jù)區(qū)域氣候特點，在前人研究基礎(chǔ)上，對相變蓄熱材料進行篩選，并應(yīng)用于宿遷市某日光溫室中，以期優(yōu)化該地區(qū)冬季日光溫室熱環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究篩選出硬脂酸正丁酯（PCM1）、石蠟（PCM2）、石蠟與硬脂酸正丁酯按質(zhì)量比5∶5配合的復(fù)合相變材料（PCM3）以及90% Na2SO4·10H2O+2%硼砂+8%膨脹石墨（PCM4）共4組材料，并對4組相變材料做進一步篩選研究。

所采用的主要化學(xué)材料有硬脂酸正丁酯、石蠟、十水硫酸鈉、硼砂、膨脹石墨等。硬脂酸正丁酯（C22H44O2），熔點22.0 ℃，國藥試劑公司；30#石蠟（C25H52），熔點30.0 ℃，盛邦新材料公司；十水硫酸鈉（Na2SO4·10H2O），熔點28.0 ℃，麥克林試劑公司；硼砂（Na2B4O7·10H2O），麥克林試劑公司；膨脹石墨（C），索萊寶試劑公司。

1.2 試驗儀器

本試驗采用差示掃描量熱儀（Q20型，美國TA公司）對各相變材料DSC曲線進行測定并測出其相變溫度和潛熱值，其測量溫度范圍為-180～725 ℃，測量精度為±0.05 ℃；采用蓄熱系數(shù)測試儀（XRY-Ⅱ型，湘潭市儀器儀表有限公司）測定各材料的蓄熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，測量范圍分別為0.1～30 W/（m2·K）、0.035～1.7 W/（m·K）；采用凍脹循環(huán)試驗箱（TMS9018型，浙江托莫斯科技有限公司）對各材料進行升降溫試驗，其溫度變化范圍為-40～40 ℃，精度為±0.2 ℃；采用Pt100鉑電阻（JLGK-WZP型，上海佳敏儀表有限公司）記錄材料溫度變化，其測溫范圍為-200～420 ℃。測量精度為±0.15 ℃；采用電子天平（JA2001型，上海浦春計量儀器有限公司）對材料進行稱量，其測量范圍為0～200 g，測量精度為±0.1 g；采用分析天平（CPA225D型，賽多利斯科學(xué)儀器有限公司）對微量材料進行稱量，其測量范圍為0～120 g，測量精度為±0.01 mg。

1.3 試驗方法

1.3.1 差示掃描量熱試驗

利用差示掃描量熱儀研究PCM1～PCM4的熱性能（測試溫度區(qū)間設(shè)定為0～70 ℃，升溫速率為5 ℃/min，N2流速為50 mL/min），材料取樣10 mg。材料的相變起始溫度和相變潛熱分別用[Tonset]和[ΔH]表示。

1.3.2 熱物理參數(shù)測定試驗

日光溫室蓄熱相變材料主要熱物理參數(shù)有導(dǎo)熱系數(shù)和蓄熱系數(shù)，本文將這兩個指標作為篩選的熱物理指標依據(jù)［15］。PCM1～PCM4的導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)通過蓄熱系數(shù)測試儀測得，在室溫下進行試驗測試。

1.3.3 蓄、放熱性能試驗

相變材料的蓄、放熱性能研究利用凍脹循環(huán)試驗箱對PCM1～PCM4進行升降溫測試，每組材料取50 g置于50 mL燒杯中，在其中心處埋入Pt100鉑電阻溫度探頭用于后續(xù)溫度記錄，為防止材料與空氣接觸產(chǎn)生熱交換影響，燒杯口用錫箔紙封蓋?？紤]到蘇北地區(qū)冬季日光溫室室內(nèi)溫度區(qū)間為10～45 ℃［16］，升降溫過程溫度模擬蘇北溫室溫度變化過程，變化區(qū)間10 ℃—45 ℃—10 ℃。4組材料配制好后，放入提前調(diào)節(jié)好溫度為10 ℃的凍脹循環(huán)試驗箱中；待溫度不變并在10 ℃穩(wěn)定一段時間后調(diào)節(jié)試驗箱溫度為45 ℃，進入蓄熱階段，待4組材料溫度均達到45 ℃，并維持穩(wěn)定一段時間；調(diào)節(jié)試驗箱溫度至10 ℃，材料置于10 ℃箱體中冷卻，進入放熱階段，直至材料溫度均降至10 ℃并維持穩(wěn)定一段時間后完成測試。

1.3.4 經(jīng)濟性對比

工程實際應(yīng)用中，不僅需考慮材料性能，還需考慮成本。經(jīng)過市場調(diào)研，收集各材料的價格并進行對比，以便于優(yōu)選出性價比更高的材料。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)處理運用Excel 2019以及SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 相變材料的DSC曲線分析

根據(jù)各材料的DSC曲線分析可獲得其相變點、相變溫度區(qū)間以及相變熱焓值，據(jù)此可判斷篩選的相變材料是否符合溫室環(huán)境調(diào)控的溫度需求，PCM1～PCM4各組樣品的DSC曲線測試結(jié)果如圖1所示。

2.1.1 相變溫度和潛熱值

根據(jù)DSC曲線可得出不同相變材料的相變起始溫度[Tonset]和相變潛熱值[ΔH]。由表1可得，各相變材料的相變起始溫度均在作物生長的適宜溫度（8～26 ℃）范圍內(nèi)［13］，其中PCM3

相變起始溫度最低，為10.20 ℃，PCM4起始溫度最高，為25.96 ℃；且均具有較高的相變潛熱值，適合作為蓄熱材料用于日光溫室中。各材料潛熱值從高到低為PCM2、PCM4、PCM3、PCM1，其中PCM2擁有最高的潛熱值162.0 J/g。

2.1.2 比熱容測定

相變材料的蓄、放熱過程十分復(fù)雜，尤其是在化合物處于相變階段時。在整個相變過程（熔化或凝固）中，相變材料會存在固態(tài)、液態(tài)和固液共存3種不同相態(tài)［17］。由于相變材料會隨溫度的變化發(fā)生相態(tài)變化，比熱容會在相變過程中發(fā)生較大變化，而在單一固態(tài)或單一液態(tài)時比熱容基本無變化，所以相變材料的比熱容測定較為困難。根據(jù)Heim等［18］的研究，本研究采用等效比熱容[cequ]來代替相變材料的比熱容[cPCM]。用Goodman變形式［17］，通過定義一個新的因變量來去除與[T]相關(guān)的因素，等效比熱容[cequ]被一個獨立的變量定義：

PCM1～PCM4各樣品的DSC曲線如圖1，其質(zhì)量均為10.00 mg，人工合成藍寶石質(zhì)量為9.14 mg。由于人工合成藍寶石的比熱容在日光溫室室內(nèi)溫度變化范圍內(nèi)基本不變，本試驗取藍寶石的比熱容[cp′]為0.83 kJ/（kg·℃）［20］。人工合成藍寶石DSC曲線測算所使用儀器及參數(shù)同上文，測得DSC曲線如圖1。根據(jù)式（3）計算出PCM1～PCM4材料各溫度拐點比熱容如表2。

根據(jù)式（1）計算出PCM1～PCM4在10～45 ℃的平均比熱容[c]如表3。由表3可得，10～45 ℃平均比熱容[c]從大到小依次為PCM2、PCM3、PCM1、PCM4，PCM2最大，為7.95 kJ/（kg·℃）。

2.2 熱物理參數(shù)分析

制作PCM1～PCM4的樣品，分析其熱物理參數(shù)。各組相變材料的熱物理參數(shù)測試結(jié)果如表4所示，每組試樣重復(fù)5組，取平均值。PCM4的導(dǎo)熱系數(shù)最大，為0.3997 W/（m·K）；PCM3蓄熱系數(shù)為最大，為9.42 W/（m2·K），且都具有顯著性（Plt;0.05）。

2.3 蓄、放熱性能研究

PCM1～PCM4這4組材料的蓄、放熱過程如圖2，全部過程330 min，其中蓄熱過程50 min，放熱過程280 min；放熱時長高于蓄熱時長，比例約為6∶1。

2.3.1 蓄熱階段

蓄熱過程如圖2，相變材料初始溫度為10 ℃，待4種相變材料在凍脹試驗箱中吸熱，溫度均升至45 ℃時，相變材料蓄熱階段完成，蓄熱過程所用時長為50 min（[t=0～50] min）。從升溫曲線可看出，從室溫10 ℃升至45 ℃所用時間從短到長依次為PCM4、PCM3、PCM1、PCM2，其中PCM4所用時間最少，為17 min，PCM2所用時間最多，為49 min，說明PCM4蓄熱速率最快，PCM2蓄熱速率最慢。4種相變材料實際蓄熱時間占蓄熱階段總時長比例分別為58.0%、98.0%、36.0%、34.0%。

2.3.2 放熱階段

放熱過程如圖2，調(diào)節(jié)箱體溫度至10 ℃，材料置于10 ℃箱體中自然冷卻，讓材料溫度從45 ℃開始下降直至10 ℃，放熱結(jié)束。放熱過程用時280 min（[t=51～330] min）。從降溫曲線可看出，從45 ℃降至10 ℃所用時間從短到長依次為PCM1、PCM3、PCM2、PCM4，其中PCM1放熱時間最長，為275 min，PCM4所用時間最短，為121 min；說明PCM1放熱速率最慢，PCM4放熱速率最快；4種相變材料實際放熱時間占放熱階段總時長比例分別為98.2%、67.1%、77.5%、43.2%。

2.4 價格對比

經(jīng)過大量市場調(diào)研，收集各原材料的平均價格，根據(jù)原材料單價計算出PCM1～PCM4這4種材料的單價，如表5。由表5可得，4種相變材料的價格從低到高排序為PCM2、PCM4、PCM3、PCM1，其中PCM2單價最便宜，為7.30元/kg；PCM1單價最貴，為10.00元/kg。

3 不同相變材料綜合性能評價

3.1 綜合評價體系的建立

3.1.1 評價對象的選取

為了對所篩選的4種相變蓄熱材料進行科學(xué)有效對比評價，對最優(yōu)相變材料進行遴選。

3.1.2 評價指標結(jié)構(gòu)層次的構(gòu)建

選取潛熱值、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、實際吸熱時間占總吸熱階段比例、實際放熱時間占總放熱階段比例以及價格3層3個方面7項指標來創(chuàng)建相變材料的性能層次結(jié)構(gòu)，如表6。

3.2 優(yōu)選模型計算過程

1）將[n]（本研究[n=4]）種相變材料通過[m]（本研究[m=7]）個指標進行評價分析其優(yōu)劣性，可得特征值矩陣：

由式（11）可得熵權(quán)向量：[ωei]＝［0.148" 0.157" 0.122 0.161" 0.129" 0.145" 0.137］。所得熵權(quán)權(quán)重在7項指標所占的比重分別為：潛熱值14.8%，比熱容15.7%，導(dǎo)熱系數(shù)12.2%，蓄熱系數(shù)16.1%，實際吸熱時間占總吸熱階段比例13.0%，實際放熱時間占總放熱階段比例14.5%，價格13.7%；3個方面熱物性58.8%、綜合熱性能27.5%和經(jīng)濟性13.7%。

3.3 相變材料綜合性能評價分析

通過潛熱值、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)、實際吸熱時間占總吸熱階段比例、實際放熱時間占總放熱階段比例以及價格7項指標，對初步篩選的4種相變材料進行綜合性能評價。各材料相應(yīng)的相對優(yōu)屬度數(shù)值越大則其綜合熱性能越優(yōu)異。4種相變材料的相對優(yōu)屬度排名結(jié)果見表7，由表7可看出，相對優(yōu)屬度關(guān)系從高到低依次為PCM3、PCM4、PCM2、PCM1，其中PCM3以相對優(yōu)屬度0.320位列4種相變材料的首位。

4 PCM3在溫室中的應(yīng)用效果測試

4.1 試驗材料

4.1.1 試驗材料

試驗原材料：30#相變石蠟（顆粒狀），山東京昊化工有限公司；硬脂酸正丁酯，山東力昂化工有限公司。

4.1.2 材料的封裝

將30#相變石蠟與硬脂酸正丁酯按質(zhì)量比5∶5熔化混合并攪拌均勻，用黑色單層PC板封裝，PC板上下端口用卡槽刷膠密封；單層PC板規(guī)格為高1.5 m，寬1.0 m，厚8.0 mm，共制備15塊單層PC板，所用相變材料共153.6 kg。

4.2 供試溫室概況

供試溫室位于江蘇省宿遷市泗陽運澤農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司場區(qū)內(nèi)（東經(jīng)118.8°，北緯33.7°）。該溫室長30.0 m，跨度8.0 m，北墻高2.7 m，脊高4.0 m；三面墻體覆蓋100 mm厚保溫被；采光屋面透光薄膜為12絲PO膜，夜間保溫覆蓋物為50 mm厚保溫被。每天09：00開啟，16：00關(guān)閉。本試驗規(guī)定09：00—16：00為白天，16：00—次日09：00為夜間。為了使對比試驗效果更加明顯，將溫室沿東西方向等距離隔斷成2個區(qū)域，分別標記為對照溫室和相變溫室，2個溫室區(qū)域用兩層間隔200 mm的薄膜分隔，中間為空氣層。將制作并封裝好的相變材料板用螺絲固定于相變溫室北墻內(nèi)表面鋼架上，相變材料板底部距地面0.5 m，頂部距地面2.0 m，鋪設(shè)長度為15 m，如圖3。

4.3 日光溫室熱性能測試

4.3.1 試驗儀器

本試驗采用溫度記錄儀（HOBOUX100-011型，美國Onset公司）測量溫室內(nèi)外溫濕度，其溫度測量范圍：[-20]～70 ℃，測量精度：±0.2 ℃；采用多通道溫度記錄儀（HOBOUX120-006M型，美國Onset公司）測量溫室內(nèi)土壤溫度，其溫度測量范圍：[-20～70 ℃]，測量精度：±0.2 ℃；采用紅外熱成像儀（Testo869型，德圖儀器公司）對墻體熱場進行分析，熱成像溫度范圍：[-30～1200 ℃]。

4.3.2 試驗測點布置

本試驗以日光溫室室內(nèi)外氣溫、室內(nèi)地溫作為測試項目。日光溫室內(nèi)部測點布置如圖4。1～9號測點為空氣溫度測點，8個測點高度均為1.5 m，9號測點為室外空氣溫度測點；10a、10b、10c、11a、11b、11c為土壤溫度測點，深度均為0、10、20 cm；室內(nèi)外一共布置14個測點，室外布置1個測點，各測點具體布置位置如圖4所示。溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)采用一個溫室中4個測點的溫度的平均值來代替。所有數(shù)據(jù)記錄實際時間間隔均為30 min。

4.4 試驗結(jié)果分析

4.4.1 室內(nèi)空氣溫度對比分析

選取2021年12月31日—2022年1月7日連續(xù)8天室內(nèi)外溫度變化作為試驗日光溫室室內(nèi)空氣溫度測試結(jié)果，如圖5所示。對照溫室和相變溫室的室內(nèi)溫度變化趨勢具有一致性。09：00開啟保溫被后，室內(nèi)溫度受太陽輻射影響迅速上升，14：30左右達到峰值，16：00覆蓋保溫后，室內(nèi)溫度逐漸降低，相變溫室夜間室內(nèi)溫度高于對照溫室，而白天氣溫則是對照溫室略高于相變溫室。對照溫室、相變溫室和室外夜間平均溫度分別為16.2、18.2和4.0 ℃。相變溫室夜間室內(nèi)平均溫度分別比對照溫室和室外高2.0和14.2 ℃；對照溫室、相變溫室和室外白天平均溫度分別為34.8、34.5和12.3 ℃，相變溫室白天室內(nèi)平均溫度比對照溫室低0.3 ℃，對照溫室、相變溫室白天平均最高氣溫分別為43.4和42.0 ℃。相變溫室比對照溫室低1.4 ℃。結(jié)果表明，相變材料板的保溫蓄熱效果突出，溫室內(nèi)峰谷溫差明顯減小。

4.4.2 耕作層土壤溫度對比分析

日光溫室耕作層土壤溫度高低直接影響作物的生長狀況［22］，溫室的耕作層是指室內(nèi)種植區(qū)間土壤表面至深度20 cm之間的土壤層［23］。本文選取晴天2021年12月31日09：00—2022年1月1日09：00，比較溫室內(nèi)土壤表面、10 cm和20 cm深度處溫度，進而分析日光溫室的熱工性能，如圖6。

不同深度土壤所受太陽輻照度影響不同，對照溫室、相變溫室內(nèi)不同深度土壤溫度波動均隨土壤深度的增加而減小。在09：00保溫被打開前，2個溫室土壤表面溫度均為最小值，對照溫室、相變溫室分別為12.6和12.9 ℃，而在13：20左右都達到最高溫度，分別為34.8和32.9 ℃。白天，對照溫室、相變溫室耕作層表面平均溫度分別為27.5、25.4 ℃，相變溫室較對照溫室低2.1 ℃，白天最高溫度低1.9 ℃；夜間，相變材料發(fā)揮作用，放出熱量，相變溫室土壤表面平均溫度較對照溫室高0.5 ℃，達到14.7 ℃；此外，夜間相變溫室土壤表面最低溫度比對照溫室高1.1 ℃，達到12.1 ℃。同樣，土壤10和20 cm深度處，相變溫室的土壤白天平均溫度較對照溫室分別降低1.5、0.8 ℃，白天最高溫度降低2.2、1.2 ℃，夜間平均溫度均提高約0.2 ℃，夜間最低溫度提高0.5、0.6 ℃。相變溫室耕作層土壤溫度的提高，為作物的生長提供更適宜的土壤溫度條件。

4.4.3 墻體熱場分布及分析

從熱成像圖可明顯得出溫度的梯度分布，本研究選擇晴天2021年12月31日12：00以及2022年1月1日00：00兩個時間點對對照溫室、相變溫室后墻以及相變材料板的熱成像圖進行分析。圖7為墻體熱成像圖。從圖7明顯可看出，相變溫室后墻相變材料板溫度在00：00和12：00均明顯高于對照溫室保溫被后墻，相變材料板內(nèi)部蓄積了大量的熱量；12：00時相變溫室后墻溫度達到43.0 ℃，儲存了大量熱量，夜間00：00時溫度為15.0 ℃，明顯高于溫室環(huán)境溫度，可向溫室持續(xù)傳遞熱量。

5 討 論

由于相變材料的蓄、放熱過程十分復(fù)雜，尤其是在化合物處于相變階段時，比熱容難以測定，故本文根據(jù)Heim等［18］的研究，采用等效比熱[cequ]來代替相變材料的比熱容[cPCM]。根據(jù)蘇北地區(qū)氣候特點，確定相變材料在溫室內(nèi)的溫度變化范圍10～45 ℃，進而測得各材料[cequ]。在蓄放熱試驗中，由于無法還原蘇北溫室內(nèi)的氣溫變化過程，本試驗采用調(diào)節(jié)凍脹循環(huán)試驗箱溫度變化范圍10 ℃—45 ℃—10 ℃來模擬蘇北溫度變化，并以實際吸熱、放熱時間占總吸熱階段比例來反映相變材料的蓄放熱性能。后續(xù)工作需對相變材料使用壽命做進一步研究，經(jīng)過多次循環(huán)后，測定其蓄放熱性能的衰減變化。在日光溫室試驗中，為了減小后墻蓄放熱差異對試驗造成的誤差，本文采用無后墻的日光溫室作為試驗溫室，所測得結(jié)果與所得結(jié)論更具有說服力。

6 結(jié) 論

對所篩選的PCM1～PCM4這4組材料進行試驗室篩選，測得PCM3潛熱值為152.1 J/g、平均比熱容為7.55 kJ/（kg·℃）、導(dǎo)熱系數(shù)為0.3827 W/（m·K）、蓄熱系數(shù)為9.42 W/（m2·K）、實際吸熱時間占總吸熱階段比例36.0%、實際放熱時間占總放熱階段比例77.5%、綜合價格8.65 元/kg，并以0.320的相對優(yōu)屬度位列第一，為最優(yōu)的相變材料。日光溫室實地試驗中，典型晴天（2021年12月31日09：00—2022年1月1日09：00），白天（09：00—16：00），裝有PCM3的相變溫室室內(nèi)平均氣溫和最高氣溫較對照溫室分別降低0.1、1.6 ℃，土壤表層、10 cm深度和20 cm深度處白天最高溫度較對照溫室分別降低1.9、2.2、1.2 ℃；夜間（16：00—次日09：00），相變溫室室內(nèi)平均氣溫和最高氣溫較對照溫室分別提高2.0、1.6 ℃，土壤表層、10 cm深度和20 cm深度處白天最高溫度較對照溫室分別提高1.1、0.5、0.6 ℃。通過對紅外熱成像圖進行分析，相變溫室后墻相變材料板具有較強的吸熱能力，并在夜間低溫時放出。

綜上，PCM3綜合性能最為優(yōu)越，可降低溫室內(nèi)白天氣溫，而提高夜間溫度，土壤不同深度溫度也是如此。因此，PCM3在蘇北地區(qū)日光溫室中的應(yīng)用可明顯縮小溫室內(nèi)峰谷溫差，起到“削峰填谷”的效果，為夜間溫室增溫提供基礎(chǔ)，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

［參考文獻］

［1］ 劉霓紅， 蔣先平， 程俊峰， 等. 國外有機設(shè)施園藝現(xiàn)狀及對中國設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的啟示［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2018， 34（15）： 1-9.

LIU N H， JIANG X P， CHENG J F， et al. Current situation of foreign organic greenhouse horticulture and its inspiration for sustainable development of Chinese protected" "agriculture［J］." Transactions" "of" "the" "Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（15）： 1-9.

［2］ 鮑恩財， 曹晏飛， 鄒志榮， 等. 節(jié)能日光溫室蓄熱技術(shù)研究進展［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2018， 34（6）： 1-14.

BAO E C， CAO Y F， ZOU Z R， et al. Research progress of thermal" storage" technology" in" energy-saving" solar greenhouse［J］." Transactions" of" the" Chinese" Society" of Agricultural Engineering， 2018， 34（6）： 1-14.

［3］ 鮑恩財， 申婷婷， 張勇， 等. 裝配式主動蓄熱墻體日光溫室熱性能分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2018， 34（10）： 178-186.

BAO E C， SHEN T T， ZHANG Y， et al. Thermal performance analysis of assembled active heat storage wall in" "Chinese" "solar" "greenhouse［J］." Transactions" "of" "the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2018， 34（10）： 178-186.

［4］ 王洪義， 祖歌， 楊鳳軍， 等. 高緯度地區(qū)多功能日光溫室設(shè)計［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2020， 36（6）： 170-178.

WANG H Y， ZU G， YANG F J， et al. Design of multi-functional" solar" greenhouses" in" high" "latitude" "areas［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（6）： 170-178.

［5］ 齊飛， 魏曉明， 金新文. 南疆生產(chǎn)建設(shè)兵團日光溫室建造中的主要技術(shù)問題調(diào)查分析［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2016， 32（23）： 199-206.

QI F， WEI X M， JIN X W. Investigation and analysis of main technical problems during construction of solar greenhouse in south Xinjiang by Xinjiang production and construction corps［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（23）： 199-206.

［6］ 鐵生年， 蔣自鵬. 相變儲能材料在溫室大棚中應(yīng)用研究進展［J］. 硅酸鹽通報， 2015， 34（7）： 1933-1940.

TIE S N， JIANG Z P. Progress of phase change heat storage material and it’s application in greenhouses［J］. Bulletin of the Chinese Ceramic Society， 2015， 34（7）： 1933-1940.

［7］ 丁興江， 章學(xué)來， 徐笑鋒， 等. 相變儲能技術(shù)在現(xiàn)代溫室工程加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］. 能源研究與利用， 2018（6）： 34-38.

DING X J， ZHANG X L， XU X F， et al. Application of phase change energy storage technology in heating system of" modern" greenhouse" engineering［J］." Energy" research amp; utilization， 2018（6）： 34-38.

［8］ 王宏麗， 王朋， 鄒志榮. 硬脂酸正丁酯/聚苯乙烯定形相變材料實驗［J］. 太陽能學(xué)報， 2010， 31（11）： 1471-1474.

WANG H L， WANG P， ZOU Z R. Experimental investigation of butyl stearate/polystyrene composite as form-stable PCM［J］. Acta energias solaris sinica， 2010， 31（11）： 1471-1474.

［9］ 冷從斌. 膨脹石墨/水合鹽復(fù)合定型相變材料制備與性能分析［D］. 昆明： 云南師范大學(xué)， 2015.

LENG C B. Preparation and performance analysis of expanded graphite/hydrated salt composite shape phase" change" material［D］." Kunming：" Yunnan" Normal University， 2015.

［10］ 王蕊， 姚軒， 李珠. ?；⒅橄嘧儽匦顭岵牧显谌展鉁厥抑械膽?yīng)用及其能耗分析［J］. 工程力學(xué)， 2012， 29（S2）： 216-220.

WANG R， YAO X， LI Z. Application and energy consumption analysis of thermao insulation and heat storage phase change material with glazed hollow beads in greenhouse［J］. Engineering mechanics， 2012， 29（S2）： 216-220.

［11］ 周瑩， 王雙喜. 復(fù)合相變儲能保溫砂漿在日光溫室中的應(yīng)用效果［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2017， 33（20）： 190-196.

ZHOU Y， WANG S X. Application effect of composite phase change energy storage thermal insulation mortar in solar" greenhouse［J］." Transactions" of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2017， 33（20）： 190-196.

［12］ 陳紅武， 李曉野， 王宏麗. 日光溫室用復(fù)合相變儲熱材料的實驗研究［J］. 農(nóng)機化研究， 2009， 31（7）： 192-194， 197.

CHEN H W， LI X Y， WANG H L. Experimental studies on compound phase change materials in heligreenhouses［J］. Journal of agricultural mechanization research， 2009， 31（7）： 192-194， 197.

［13］ 王朋， 王宏麗， 李凱. 硬脂酸正丁酯和石蠟復(fù)合相變儲熱材料的熱性能測試［J］. 北方園藝， 2009（11）： 132-135.

WANG P， WANG H L， LI K. Experimental studies on compound phase change material composed of butyl stearate and paraffin used as heat storage in greenhouses［J］. Northern horticulture， 2009（11）： 132-135.

［14］ 王軍偉， 洪忠舉， 郭世榮， 等. 冬夏兼用型日光溫室內(nèi)熱濕性能分析與應(yīng)用效果［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2016， 32（23）： 190-198.

WANG J W， HONG Z J， GUO S R， et al. Temperature humidity performance and application of solar greenhouse suiting" for" winter" and" "summer［J］." Transactions" of" the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（23）： 190-198.

［15］ 鮑恩財. 裝配式日光溫室主動蓄熱循環(huán)系統(tǒng)傳熱特性研究［D］. 咸陽： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2018.

BAO E C. Characteristics of heat transferring in assembled solar greenhouse with active heat storage cycle system［D］. Xianyang： Northwest Aamp;F University， 2018.

［16］ 孟力力， 鮑恩財， 夏禮如， 等. 不同新型日光溫室結(jié)構(gòu)在江蘇省蘇北地區(qū)的性能測試分析［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2020， 48（19）： 238-244.

MENG L L， BAO E C， XIA L R， et al. Performance test" of Chinese solar greenhouse with different new structures in" "northern" "Jiangsu" "province［J］." "Jiangsu" "agricultural sciences， 2020， 48（19）： 238-244.

［17］ 張欣. 日光溫室相變材料墻板蓄/放熱過程數(shù)值模擬研究［D］. 咸陽： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2016.

ZHANG X. CFD based simulation of heat charging/discharging process of phase change wallboard in Chinese solar greenhouse［D］. Xianyang： Northwest Aamp;F University， 2016.

［18］ HEIM D， CLARKE J A.Numerical modelling and thermal simulation" of" PCM-gypsum" composites" with" "ESP-r［J］. Energy and buildings， 2004， 36（8）： 795-805.

［19］ 李秋萍， 趙云峰， 李晶淼， 等. 采用DSC法測定原油的比熱容［J］. 石油化工， 2012， 41（8）： 954-957.

LI Q P， ZHAO Y F， LI J M， et al. Determination of specific" heat" capacity" of" crude" oil by" DSC" method［J］. Petrochemical technology， 2012， 41（8）： 954-957.

［20］ 徐朝芬， 傅培舫， 陳剛， 等. 差示掃描量熱法測定煤比熱容的實驗研究［J］. 實驗技術(shù)與管理， 2010， 27（2）： 24-26.

XU C F， FU P F， CHEN G， et al. Experimental study on DSC measurement of the specific heat capacity of coal［J］. Experimental technology and management， 2010， 27（2）： 24-26.

［21］ 章穗， 張梅， 遲國泰. 基于熵權(quán)法的科學(xué)技術(shù)評價模型及其實證研究［J］. 管理學(xué)報， 2010， 7（1）： 34-42.

ZHANG S， ZHANG M， CHI G T. The science and technology evaluation model based on entropy weight and empirical research during the 10th five-year of China［J］. Chinese journal of management， 2010， 7（1）： 34-42.

［22］ 張振興， 馬張雪， 蔡冰冰， 等. 農(nóng)大Ⅲ型日光溫室深冬溫度性能比較［J］. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2021（9）： 111-115.

ZHANG Z X， MA Z X， CAI B B， et al. Comparison of winter temperature performance of Nongda Ⅲ type solar greenhouse［J］." Heilongjiang" agricultural" science，" 2021（9）： 111-115.

［23］ 管勇， 陳超， 李琢， 等. 相變蓄熱墻體對日光溫室熱環(huán)境的改善［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（10）： 194-201.

GUAN Y， CHEN C， LI Z， et al. Improving thermal environment" "in" "solar" "greenhouse" "with" "phase-change thermal" "storage" "wall［J］." Transactions" of" the" Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（10）： 194-201.

SCREENING AND TESTING OF SUITABLE PHASE CHANGE

MATERIALS FOR SOLAR GREENHOUSES IN NORTHERN JIANGSU

Wu Zhaoxue1，Tang Junchao1，Liang Wei1，Song Jiashuai1，Gong Weizheng1，Bao Encai2

（1. Technology School of Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China；

2. Institute of Agricultural Facilities and Equipment， Jiangsu Academy of Agricultural Science， Key Laboratory of Protected Agriculture Engineering in the Middle and Lower Reaches of Yangtze River， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China）

Abstract：In order to solve the problems existing in the solar greenhouse， the study took the northern Jiangsu region as an example， and screened four groups of materials such as n-butyl stearate （PCM1）， paraffin wax （PCM2）， paraffin wax and n-butyl stearate according to the mass ratio of 5∶5（PCM3）， 90% Na2SO4·10H2O+2% borax+8% expanded graphite （PCM4）， and passed the differential scanning calorimetry test， thermophysical parameter determination test， thermal storage performance test and economic analysis， and used entropy weight method to evaluate multiple indexes， the results indicated that PCM3 ranked first with a relative preferential degree of 0.320. Then PCM3 was applied to the solar greenhouse without back wall， and the ordinary greenhouse without back wall was used as a control， and the experimental results showed that PCM3 can optimize the air temperature and soil temperature in the greenhouse， which can effectively reduce the temperature difference between day and night of the solar greenhouse， improve the temperature of the solar greenhouse at night， and optimize the thermal performance of the greenhouse.

Keywords：solar energy； phase change materials； screening； temperature control； greenhouse； weighted entropy method

收稿日期：2022-05-14

基金項目：國家自然科學(xué)基金（31901420）；江蘇省政策引導(dǎo)類計劃（蘇北科技專項）（SZ-SQ2021009）；安徽省自然科學(xué)基金（2108085QE220）；

安徽省教育廳科研項目（KJ2020A0103）

通信作者：鮑恩財（1990—），男，博士、副研究員、碩士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施園藝工程方面的研究。baoencai1990@163.com