相變材料在裝配式復(fù)合墻體日光溫室中的應(yīng)用研究

摘 要：為進(jìn)一步提高日光溫室墻體的蓄熱能力，改善室內(nèi)熱環(huán)境，對(duì)石蠟-膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料（paraffin-expanded perlite composite phase change material，PCM-PE）在溫室中的應(yīng)用進(jìn)行研究。利用TRNSYS（transient system simulation program）建立裝配式復(fù)合墻體日光溫室的模型，用晴天和陰天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，利用該模型分析溫室的北屋頂、側(cè)墻、北墻等結(jié)構(gòu)內(nèi)表面分別添加PCM-PE后室內(nèi)溫度的變化和單位成本，及溫室北屋頂、側(cè)墻和北墻均添加PCM-PE時(shí)的最佳厚度。結(jié)果表明：溫室不同結(jié)構(gòu)內(nèi)表面添加PCM-PE均對(duì)室內(nèi)平均溫度有明顯提升作用，側(cè)墻內(nèi)表面添加PCM-PE使晴天時(shí)室內(nèi)平均溫度提高1.32 ℃，單位成本最低，為2 094元/℃；北屋頂、側(cè)墻、北墻均添加PCM-PE時(shí)，其最佳厚度為50 mm，晴天室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度分別提升3.9和3.7 ℃，陰天分別提升2.2和2.3 ℃；添加50 mm PCM-PE后，溫室墻體傳熱系數(shù)較試驗(yàn)溫室降低了15%，熱阻提高了9.9%，對(duì)維持室內(nèi)溫度、降低溫室能耗具有積極作用。分析溫室不同結(jié)構(gòu)應(yīng)用PCM-PE的效果，同時(shí)考慮單位成本，可為建造經(jīng)濟(jì)性好、蓄熱性能強(qiáng)的溫室提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合建筑材料；日光溫室；室內(nèi)溫度；北墻溫度；單位成本

中圖分類號(hào)：TU261

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2024yx03011

Application of phase change materials in fabricated

heterogeneous composite wall solar greenhouse

KANG Ligai1，2，3， WANG Wenjing1，2，3， LI Yong4， QIE Lijuan5， WANG Yijun1，2，3

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

2.Innovation Center of Disaster Prevention and Mitigation Technology for Geotechnical and Structural

Systems of Hebei Province （Preparation），Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

3.Engineering Technology Research Center for Intelligent amp; Low-carbon Assembled Building，

Shijiazhuang， Hebei 050018， China;

4.Hebei Academy of Building Science Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050227， China;

5.Institute of Economic Crops， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang， Hebei 050051， China）

Abstract：In order to further improve the heat storage capacity of solar greenhouse walls and improve the indoor thermal environment， the application of paraffin-expanded perlite composite phase change material （PCM-PE） in greenhouses was studied. The transient system simulation program （TRNSYS） was used to build a model of a fabricated composite wall solar greenhouse， and measured data from sunny and cloudy days were used to verify the accuracy of the model. The model was used to analyze the changes in indoor temperature and the unit cost of the greenhouse after PCM-PE was added to the inner surfaces of the structures， such as the north roof， the side walls， and the north wall， respectively， as well as the optimal thickness of the greenhouse when PCM-PE was added to the north roof， the side walls， and the north wall. The results show that the addition of PCM-PE to the inner surfaces of different greenhouse structures has a significant effect on increasing the average indoor temperature， and the addition of PCM-PE to the inner surfaces of the side walls makes the average indoor temperature increase by 1.32 ℃ on sunny days， with the lowest unit cost of 2 094 Yuan/℃; When PCM-PE is added to the north roof， side wall， and north wall with an optimal thickness of 50 mm， the average indoor temperature and the average temperature of the north wall increase by 3.9 ℃ and 3.7 ℃ on sunny days， and by 2.2 ℃ and 2.3 ℃ on cloudy days， respectively; After adding 50 mm PCM-PE， the heat transfer coefficient of the greenhouse wall is reduced by 15% and the thermal resistance increases by 9.9% compared with that of the test greenhouse， which has a positive effect on maintaining the indoor temperature and reducing the energy consumption of the greenhouse. The effect of applying PCM-PE to different structures of greenhouses is analyzed considering the unit cost， which provides some reference for constructing greenhouses with good economy and high heat storage performance.

Keywords：composite building material; solar greenhouse; indoor temperature; north wall temperature; unit cost

日光溫室是中國特有的設(shè)施農(nóng)業(yè)建筑，可以在沒有外來輔助加熱設(shè)備的情況下被動(dòng)吸收太陽能儲(chǔ)存在墻體、土壤中，夜間釋放熱量以維持室內(nèi)熱環(huán)境[1-3]。中國日光溫室設(shè)計(jì)建造過程中存在重栽培、輕墻體蓄熱的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)量?jī)H為先進(jìn)國家的1/3[4-6]。

溫室墻體白天蓄集太陽能的能力越強(qiáng)，夜間提供給室內(nèi)的熱量越多[7-8]。隨著溫室墻體新型材料及蓄熱技術(shù)的發(fā)展，將相變材料（phase change material，PCM）應(yīng)用于墻體以改善室內(nèi)熱環(huán)境得到廣泛關(guān)注[9-10]。周瑩等[11]將石蠟-膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能砂漿應(yīng)用于溫室墻體，并與磚墻溫室進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，表明相變儲(chǔ)能砂漿具有良好的蓄放熱效果；李鵬等[12]將以石蠟為主的PCM噴涂于北墻內(nèi)表面，墻體溫度明顯高于普通墻體溫度；張勇等[13]將無機(jī)PCM固定在溫室北墻，研究表明在不同天氣條件下室內(nèi)植物均處于環(huán)境適宜的生長(zhǎng)環(huán)境中；LIU等[14]提出由乙烯共四氟乙烯薄膜和PCM構(gòu)成新型溫室外層材料，可有效提高冬季夜間溫室作物的防凍效果；ZHANG等[15]提出的可與內(nèi)部保溫層切換位置的PCM墻體在冬季可以節(jié)省89%的能量。

研究人員采用數(shù)值模擬方式進(jìn)一步優(yōu)化相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，預(yù)測(cè)PCM在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)[16]。時(shí)盼盼等[17]通過EnergyPlus模擬確定溫室復(fù)合相變墻體蓄熱層與保溫層的最佳厚度；NAJJAR等[18]建立的數(shù)值模型表明PCM可存儲(chǔ)能量，降低溫室內(nèi)的最大溫度；LING等[19]采用試驗(yàn)和數(shù)值方法證實(shí)PCM對(duì)改善溫室內(nèi)熱環(huán)境起積極作用；鄒平等[20]構(gòu)建溫室計(jì)算傳熱模型用于墻體相變材料熱物性優(yōu)化，并闡明了PCM的選擇原則。

上述研究為PCM在溫室中的應(yīng)用提供了一定的基礎(chǔ)，也取得了相應(yīng)的效果，但對(duì)PCM應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性鮮有報(bào)道。本文研究石蠟-膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料（paraffin-expanded perlite composite phase change material，PCM-PE）在裝配式復(fù)合墻體日光溫室中的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)性，本研究擬利用TRNSYS（transient system simulation program）建立日光溫室模型，采用晴天和陰天的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型，利用該模型分析將PCM-PE應(yīng)用于溫室不同結(jié)構(gòu)內(nèi)表面對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的改善效果，并對(duì)應(yīng)用PCM-PE的最佳厚度進(jìn)行研究，以期為溫室應(yīng)用PCM研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)溫室

1.1.1 溫室概況

裝配式復(fù)合墻體日光溫室位于河北省石家莊市鹿泉區(qū)大河鎮(zhèn)河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)園（東經(jīng)114°29′，北緯38°05′），建成于2021年9月。溫室長(zhǎng)80 m，跨度12 m，脊高5.3 m，北墻高3.7 m，北屋面仰角46°，屋面采光角27°。測(cè)試期為2021-12-01—2022-03-31，測(cè)試期間溫室內(nèi)種植越冬茬番茄。

試驗(yàn)溫室由全拱形鋼架構(gòu)成，南屋頂骨架由橢圓鋼（75 mm×30 mm×2.5 mm）和圓鋼（DN20 mm×2.0 mm）栓接而成，北墻骨架采用間距2 m的方鋼（100 mm×60 mm×2.5 mm）縱向連接。南屋頂骨架焊接在北墻骨架上，共同構(gòu)成承重骨架。溫室墻體厚度約29 cm，由內(nèi)向外分別為塑料薄膜密封的6 cm稻草板、7 cm中空層、3 cm聚氨酯內(nèi)涂層、9 cm輕質(zhì)復(fù)合聚苯板（expanded polystyrene board，EPS）、3 cm聚氨酯外涂層和1 cm水泥砂漿。北屋頂由內(nèi)向外為1 cm竹膠板、3 cm聚氨酯涂層和2 cm水泥砂漿。南屋頂用保溫被覆蓋，于8：00收起，16：00鋪放。

1.1.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)溫室內(nèi)布置6個(gè)室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)，而北墻內(nèi)表面布置9個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，東西方向均為日光溫室長(zhǎng)度的1/4、1/2和3/4處，南北方向?yàn)橹虚g位置，室溫測(cè)點(diǎn)距地面的高度分別為1.0和1.5 m，北墻溫度測(cè)點(diǎn)距地面高度分別為0.5、1.5和2.5 m。溫室西墻正西方向20 m處的空曠場(chǎng)地布置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)、1個(gè)太陽輻射量測(cè)點(diǎn)，分別距地面1.18和0.5 m。

室內(nèi)溫度和北墻溫度數(shù)據(jù)由建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能測(cè)試設(shè)備R90V采集，測(cè)量范圍為0～50 ℃，精度為±0.1 ℃。室外溫度和太陽輻射量數(shù)據(jù)由室外氣象站采集，溫度測(cè)量范圍為-40～70 ℃，精度±0.1 ℃；太陽輻射量測(cè)量范圍為0～2 000 W/m2，精度±5 W/m2。

1.2 試驗(yàn)材料

多孔介質(zhì)的膨脹珍珠巖作為一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機(jī)材料，來源廣泛且價(jià)格低廉。膨脹珍珠巖與相變石蠟以質(zhì)量比6∶4進(jìn)行真空吸附制備得石蠟-膨脹珍珠巖復(fù)合定形相變顆粒，再與石膏、乳膠粉、外加劑按質(zhì)量配比1∶3∶0.1∶0.05，通過干混攪拌、加水?dāng)嚢柚苽涞玫絇CM-PE[11]。利用TG-DSC熱分析儀測(cè)得PCM-PE的DSC曲線如圖1所示，其相變溫度為25.6 ℃，相變潛熱為89.8 kJ/kg。

李啟金等[21]研究表明膨脹珍珠巖對(duì)石蠟具有良好的吸附性，液態(tài)石蠟在珍珠巖的表面張力和毛細(xì)作用下難以從其微孔結(jié)構(gòu)滲透，有效解決石蠟在儲(chǔ)熱應(yīng)用時(shí)的液態(tài)流動(dòng)問題，提高了其穩(wěn)定性。本研究將PCM-PE應(yīng)用于溫室內(nèi)表面，并采用模擬方法探究其應(yīng)用效果。

1.3 TRNSYS模型

利用TRNSYS建立的試驗(yàn)溫室模型示意布局見圖2。模型由氣象數(shù)據(jù)模塊、輻射模塊、時(shí)間表、控制模塊、建筑模塊等構(gòu)成。試驗(yàn)溫室建模參數(shù)設(shè)置條件及假設(shè)如下：1）氣象數(shù)據(jù)模塊中以晴天（2022-01-05）和陰天（2022-01-25）的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬；2）溫室模型坐北朝南；3）地面與北墻等結(jié)構(gòu)的太陽輻射量均勻分布；4）忽略溫室內(nèi)植物蒸騰作用的影響及對(duì)溫室地面的遮蔭效果。

1）氣象數(shù)據(jù)模塊 以一定的時(shí)間間隔從數(shù)據(jù)文件中讀取天氣數(shù)據(jù)，為具有任意方向和傾斜度的表面產(chǎn)生直接和漫射輻射輸出。

Esky=E0，sky+（1.0-E0，sky）×fcloud×εcloud ，（1）

tsky=E1/4sky（tamb+273.13）-273.13 ，（2）

式中：Esky為天空發(fā)射率；E0，sky為天空無云時(shí)的發(fā)射率；fcloud為被云覆蓋的部分天空；εcloud為云的發(fā)射率；tsky為天空溫度，℃；tamb為環(huán)境溫度，℃。

2）空氣屬性模塊 將空氣干球溫度和濕球溫度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度、濕度比、焓其中之一作為輸入，根據(jù)2個(gè)給定輸入所定義的狀態(tài)點(diǎn)，輸出其他空氣屬性。

3）輻射模塊 該組件決定了一個(gè)等效“天空溫度”，可計(jì)算從建筑物外表面到大氣層的長(zhǎng)波輻射交換。等效天空溫度是一個(gè)與環(huán)境溫度、天空云量系數(shù)等有關(guān)的函數(shù)，如果天氣數(shù)據(jù)中不包括天空的云量因子，則云量因子和等效天空溫度可根據(jù)式（4）、式（5）確定。

Ccover=（1.428 6EdifEglob，h-0.3）0.5 ，（3）

tsky=tambε0+0.8（1-ε0）Ccover0.25 ，（4）

式中：Ccover為云量因子；Edif為水平線上的漫射輻射，W/m2；Eglob，h為水平線上的總輻射，W/m2；ε0為晴朗天空的發(fā)射率。

4）時(shí)間表模塊 對(duì)模塊進(jìn)行啟?？刂?，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)固定的運(yùn)行模式。

5）切換控制模塊 通過輸入?yún)?shù)關(guān)系式可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的換算、數(shù)值計(jì)算等功能，通過此模塊控制保溫被的開啟/關(guān)閉。

6）建筑模塊 設(shè)置溫室不同結(jié)構(gòu)的材料性能（見表1）、墻體類別、朝向等參數(shù)。

7）輸出模塊 在模擬進(jìn)行期間，按指定的時(shí)間間隔顯示選定的輸出變量。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.4.1 室內(nèi)空氣溫度

應(yīng)用PCM-PE的目的是為了改善溫室熱環(huán)境，溫室內(nèi)空氣溫度是評(píng)價(jià)PCM-PE效果的有效指標(biāo)。

1.4.2 北墻溫度

溫室北墻可在夜間將熱量釋放到室內(nèi)，維持室內(nèi)溫度平衡，是評(píng)價(jià)溫室熱性能的關(guān)鍵參數(shù)。

1.4.3 墻體有效蓄熱量

墻體有效蓄熱量[7]計(jì)算公式為

QEff=∑ni=1∑Uij=1ρi，jAi，jΔxi，j∫t′t0ci，j（t）dt ，（5）

式中：n為不同蓄熱墻體材料層的總層數(shù)；Ui為第i層墻體材料層的薄層總數(shù)；A為計(jì)算薄層的面積，m2；t0為墻體蓄熱量的計(jì)算溫度起始值，取t0=8 ℃。

1.4.4 墻體日蓄熱量

溫室保溫被開啟時(shí)段，太陽光透過南屋頂照射到溫室墻體內(nèi)表面，墻體溫度升高，蓄熱量增加。墻體日蓄熱量為

Qehs=Qt2Eff-Qt1Eff ，（6）

式中：Qehs為墻體日蓄熱量，J/m2；Qt2Eff為保溫被關(guān)閉時(shí)墻體的有效蓄熱量，J/m2；t2為保溫被關(guān)閉時(shí)刻，為16：00；Qt1Eff為保溫被開啟時(shí)墻體的有效蓄熱量，J/m2；t1為保溫被開啟時(shí)刻，為8：00。

1.4.5 墻體日放熱量

溫室保溫被覆蓋時(shí)段，室內(nèi)溫度下降，墻體釋放白天儲(chǔ)存的熱量。墻體日放熱量為

Qehr=Qt2Eff-Qt3Eff ，（7）

式中：Qehr為墻體日放熱量，J/m2；Qt3Eff為保溫被開啟時(shí)墻體的有效蓄熱量，J/m2；t3為保溫被開啟時(shí)刻，為次日8：00。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

將試驗(yàn)溫室內(nèi)6個(gè)空氣溫度測(cè)點(diǎn)、9個(gè)北墻溫度測(cè)點(diǎn)所測(cè)溫度的算數(shù)平均值作為各個(gè)時(shí)刻的室內(nèi)溫度和北墻溫度，圖3為晴天和陰天狀況下溫室的室內(nèi)溫度和北墻溫度的測(cè)量值與模擬值。通過決定系數(shù)R2評(píng)價(jià)試驗(yàn)溫室模型的性能，見式（8）。

R2=1-∑（ym-ye）∑（ym-e） ，（8）

式中：ym為試驗(yàn)數(shù)據(jù)；ye為模擬數(shù)據(jù)；e為模擬數(shù)據(jù)的平均值。

決定系數(shù)表示擬合優(yōu)度，取值范圍為[0，1]。R2為0表示測(cè)量值與模擬值完全不匹配，R2為1表示測(cè)量值與模擬值完全吻合。本研究中，晴天測(cè)量和模擬的室內(nèi)溫度與北墻溫度的R2分別為0.95和0.95；陰天測(cè)量和模擬的室內(nèi)溫度與北墻溫度的R2分別為0.95和0.96，表明試驗(yàn)溫室TRNSYS模型具有較高的準(zhǔn)確性，可以用于日光溫室空氣溫度和北墻溫度輸出的建模。

2.2 PCM-PE覆蓋方式研究

研究PCM-PE添加于試驗(yàn)溫室的北屋頂、側(cè)墻、北墻等不同結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的應(yīng)用效果，提出4種模擬方案，見表2。

圖4為5種方案的溫室在晴天和陰天的室內(nèi)溫度變化情況。由圖4 a）可知，溫室不同結(jié)構(gòu)內(nèi)表面添加PCM-PE后室內(nèi)溫度均高于試驗(yàn)溫室的室內(nèi)溫度。PCM-PE添加于北屋頂、側(cè)墻、北墻內(nèi)表面時(shí)，溫度依次提升。添加PCM-PE后結(jié)構(gòu)的蓄熱效果越好，夜間釋放到室內(nèi)的熱量越多，室內(nèi)平均溫度越高。不同方案的室內(nèi)平均溫度較試驗(yàn)溫室平均溫度分別提升了0.4、1.3、2.4和3.9 ℃。溫室北屋頂?shù)谋啬芰^低，添加PCM-PE后對(duì)室內(nèi)溫度影響最小，平均溫度最低，為19.6 ℃。溫室北屋頂、側(cè)墻、北墻內(nèi)表面均添加PCM-PE時(shí)，室內(nèi)平均溫度最高，為23.1 ℃。

由圖4 b）可知，受陰天室外空氣溫度和太陽輻射量影響，室內(nèi)溫度處于較低水平。北屋頂內(nèi)表面添加PCM-PE的溫室溫度較低，平均溫度為10.9 ℃。全覆蓋方案溫室的室內(nèi)溫度最高，平均溫度為12.7 ℃。不同方案溫室的室內(nèi)平均溫度較試驗(yàn)溫室平均溫度分別提升了0.4、0.9、1.6和2.2 ℃。

不同試驗(yàn)方案溫室的室內(nèi)平均溫度與試驗(yàn)溫室的室內(nèi)平均溫度差值不同，建造成本也不同。為分析不同方案的經(jīng)濟(jì)效益，將晴天時(shí)不同試驗(yàn)方案的單位成本作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，見式（9）。

Wi=Citi-t0，（9）

式中：Wi為單位成本，元/℃；Ci為不同方案鋪設(shè)PCM-PE花費(fèi)的成本，元；ti為不同方案的室內(nèi)平均空氣溫度，℃；t0為試驗(yàn)溫室的室內(nèi)平均空氣溫度，℃；（ti-t0）為室內(nèi)平均溫度的溫升。

圖5為不同方案溫室的溫升和單位成本。1 m2厚度為50 mm的PCM-PE單價(jià)為40 元。由圖5可知：北屋頂添加PCM-PE的單位成本最高，為17 739元/℃，但室內(nèi)平均溫度的溫升最低，為0.44 ℃，是溫室應(yīng)用PCM-PE最不經(jīng)濟(jì)的一種方式；側(cè)墻、北墻和全覆蓋方案的PCM-PE的面積逐漸增加，增加了溫室結(jié)構(gòu)的蓄熱能力，其溫升依次增大，同時(shí)單位成本也依次增加；側(cè)墻添加PCM-PE使室內(nèi)平均溫度提升1.32 ℃，單位成本最低，為2 094元/℃；北墻和全覆蓋方案的溫升分別為2.4和3.9 ℃，單位成本分別為4 855元/℃、5 973元/℃。溫室不同結(jié)構(gòu)添加PCM-PE對(duì)室內(nèi)溫度的影響程度為北墻＞側(cè)墻＞北屋頂。在經(jīng)濟(jì)成本有限情況下，可優(yōu)先選用側(cè)墻添加PCM-PE的方式改善室內(nèi)溫度。若不考慮經(jīng)濟(jì)成本，全覆蓋方式可最大限度提升溫室內(nèi)空氣溫度。

2.3 PCM-PE最佳厚度研究

為提高溫室冬季抵抗低溫的能力，確定溫室的北屋頂、側(cè)墻、北墻內(nèi)表面均添加PCM-PE時(shí)PCM-PE的最佳厚度，本文以全覆蓋方式模擬分析PCM-PE的厚度為10～90 mm時(shí)溫室的室內(nèi)溫度和北墻溫度。

圖6為晴天溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)表面添加不同厚度PCM-PE的室內(nèi)溫度和北墻溫度。由圖6可知，添加不同厚度PCM-PE的溫室全天室內(nèi)溫度和北墻溫度變化趨勢(shì)一致，呈正弦分布。PCM-PE為90 mm時(shí)室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度最高，分別為26.0和28.6 ℃。PCM-PE為10 mm時(shí)溫度最低，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度分別為19.6和22.3 ℃。隨著PCM-PE厚度增加，溫室不同結(jié)構(gòu)的蓄熱層厚度增加，有效蓄熱量隨之增加，室內(nèi)溫度和北墻溫度隨PCM-PE厚度增加而增大。PCM-PE厚度每增加10 mm，室內(nèi)平均溫度增大0.53～1.18 ℃，北墻平均溫度增大0.64～0.99 ℃。

圖7為晴天時(shí)，PCM-PE厚度每增加10 mm，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的增溫圖。由圖7可知，溫差先增大后減小，可見通過增加PCM-PE厚度來提升室內(nèi)熱環(huán)境的做法是有上限的，一味提高溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)表面PCM-PE的厚度，不僅使溫度提升緩慢，同時(shí)會(huì)增加建造成本。當(dāng)PCM-PE厚度大于50 mm時(shí)，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的增幅明顯降低，故溫室北屋頂、側(cè)墻、北墻添加PCM-PE的最佳厚度為50 mm，其室內(nèi)和北墻平均溫度較試驗(yàn)溫室分別提升了3.9和3.7 ℃。

圖8為陰天溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)表面添加不同厚度PCM-PE的室內(nèi)溫度和北墻溫度。由圖8可知，室溫與墻溫在一天內(nèi)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，于13：00左右達(dá)到最大值。PCM-PE為90 mm時(shí)室內(nèi)和北墻平均溫度最高，分別為14.6和14.9 ℃。PCM-PE為10 mm時(shí)室內(nèi)和北墻平均溫度最低，分別為10.6和10.9 ℃。室內(nèi)溫度和北墻溫度隨溫室內(nèi)表面PCM-PE厚度增加而增大，PCM-PE厚度每增加10 mm，室內(nèi)平均溫度增大0.34～0.66 ℃，北墻平均溫度增大0.30～0.78 ℃。

圖9為陰天時(shí)，PCM-PE厚度每增加10 mm，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的增溫圖。室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的增幅均先增大后減小，雖然應(yīng)用PCM-PE可提高室內(nèi)溫度和北墻溫度，但盲目增加PCM-PE厚度對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境并無幫助。當(dāng)PCM-PE厚度超過50 mm后，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的變化幅度不超過0.7 ℃，故50 mm厚度PCM-PE全覆蓋于溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，節(jié)省建造成本的同時(shí)可對(duì)室內(nèi)溫度和北墻溫度有較好的提升效果，此時(shí)溫室的室內(nèi)和北墻平均溫度較試驗(yàn)溫室分別提升了2.2和2.3 ℃。

表3為試驗(yàn)溫室和北屋頂、側(cè)墻、北墻內(nèi)表面均添加50 mm PCM-PE溫室的北墻日蓄熱量、日放熱量、傳熱系數(shù)和熱阻。PCM-PE具有優(yōu)異的儲(chǔ)熱性能。晴天，50 mm PCM-PE溫室北墻的日蓄熱量為2.77×109 J，較試驗(yàn)溫室高0.73%。試驗(yàn)溫室和50 mm PCM-PE溫室的日放熱效率分別為98%、97%，添加PCM-PE后放熱效率略低于試驗(yàn)溫室，可能與添加PCM-PE后墻體的傳熱系數(shù)減小、熱阻增大有關(guān)。陰天，50 mm PCM-PE溫室北墻的日蓄熱量是試驗(yàn)溫室的84%，日放熱量較試驗(yàn)溫室高31%，說明陰天時(shí)溫室北墻日蓄熱量較少，低于實(shí)驗(yàn)溫室，主要靠晴天時(shí)北墻積蓄的熱量維持室內(nèi)溫度。

試驗(yàn)溫室和50 mm PCM-PE溫室的墻體傳熱系數(shù)分別為0.149和0.126 W/（mK），墻體熱阻分別為6.55和7.20 m2K/W。添加PCM-PE后，溫室墻體的傳熱系數(shù)較試驗(yàn)溫室降低了15%，熱阻較試驗(yàn)溫室高9.9%，墻體保溫性能優(yōu)于試驗(yàn)溫室，可較好地阻止熱量向室外傳遞，對(duì)維持室內(nèi)溫度、降低溫室能耗具有積極作用。

3 結(jié) 語

采用模擬方法研究了PCM-PE應(yīng)用于裝配式復(fù)合墻體日光溫室的效果及最佳厚度，主要結(jié)論如下。

1）溫室北屋頂、側(cè)墻、北墻等內(nèi)表面分別添加PCM-PE后，室內(nèi)溫度均高于試驗(yàn)溫室的室內(nèi)溫度。溫室側(cè)墻添加PCM-PE時(shí)單位成本最低，為2 094元/℃。溫室北屋頂、側(cè)墻和北墻均添加PCM-PE時(shí)，晴天平均溫度較試驗(yàn)溫室提升3.9 ℃，單位成本最高，為5 973元/℃。在經(jīng)濟(jì)成本有限情況下，可優(yōu)先選用側(cè)墻添加PCM-PE的方式改善室內(nèi)溫度。若不考慮經(jīng)濟(jì)成本，全覆蓋方式可最大限度提升溫室內(nèi)溫度。

2）當(dāng)溫室的北屋頂、側(cè)墻、北墻內(nèi)表面均添加PCM-PE時(shí)，晴天和陰天室內(nèi)溫度和北墻溫度隨PCM-PE厚度增加而增加，但當(dāng)PCM-PE厚度大于50 mm時(shí)，室內(nèi)平均溫度和北墻平均溫度的增幅明顯降低。從升溫效果及經(jīng)濟(jì)成本角度考慮，PCM-PE全覆蓋于溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的最佳厚度為50 mm，晴天時(shí)室內(nèi)和北墻平均溫度較試驗(yàn)溫室分別提升了3.9、3.7 ℃，陰天時(shí)分別提升了2.2、2.3 ℃。

3）添加PCM-PE后溫室墻體傳熱系數(shù)較試驗(yàn)溫室降低了15%，熱阻較試驗(yàn)溫室高9.9%，墻體保溫性能大大提高。

由于模型的復(fù)雜性和試驗(yàn)的局限性，本研究建立的試驗(yàn)溫室TRNSYS模型未考慮農(nóng)作物遮光、蒸騰等因素的影響，對(duì)PCM-PE相關(guān)參數(shù)的設(shè)置存在一定局限性，未來可對(duì)所簡(jiǎn)化處理的內(nèi)容做更深入的研究。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 王超，方慧，張義，等.輕簡(jiǎn)柔性墻體裝配式日光溫室能耗分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39（3）：190-197.

WANG Chao，F(xiàn)ANG Hui，ZHANG Yi，et al.Energy consumption analysis of simply soft insulated wall-assembled Chinese solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2023，39（3）：190-197.

[2] ZHANG Rui，LIU Yichuan，ZHU Delan，et al.Optimal design for solar greenhouses based on canopy height[J].Journal of Building Engineering，2022.DOI：10.1016/JJOBE.2022.104473.

[3] CAO Kai，XU Hongjun，ZHANG Rong，et al.Renewable and sustainable strategies for improving the thermal environment of Chinese solar greenhouses[J].Energy and Buildings，2019.DOI：10.1016/j.enbuild.2019.109414.

[4] 陳超.現(xiàn)代日光溫室建筑熱工設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2017.

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

GUAN Yong，CHEN Chao，LI Zhuo，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.

[6] 張傳坤，魏珉，劉福勝，等.日光溫室夜間后墻不同高度放熱量差異的理論分析[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（7）：112-121.

ZHANG Chuankun，WEI Min，LIU Fusheng，et al.Theoretical analysis on the heat-releasing volume differences of back walls at different heights in solar greenhouse at night[J].Journal of China Agricultural University，2019，24（7）：112-121.

[7] XIA Tianyang，LI Yiming，WU Xiaoyang，et al.Performance of a new active solar heat storage-release system for Chinese assembled solar greenhouses used in high latitudes and cold regions[J].Energy Reports，2022，8：784-797.

[8] 嚴(yán)露露，荊海薇，鮑恩財(cái)，等.不同自然通風(fēng)方式對(duì)日光溫室性能的影響[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，25（3）：71-78.

YAN Lulu，JING Haiwei，BAO Encai，et al.Effects of different natural ventilation methods on the performance of solar greenhouse[J].Journal of China Agricultural University，2020，25（3）：71-78.

[9] 馬承偉，陸海，李睿，等.日光溫室墻體傳熱的一維差分模型與數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（6）：231-237.

MA Chengwei，LU Hai，LI Rui，et al.One-dimensional Finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2010，26（6）：231-237.

[10]王曉冬，馬彩雯，吳樂天，等.日光溫室墻體特性及性能優(yōu)化研究[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，46（5）：1016-1021.

WANG Xiaodong，MA Caiwen，WU Letian，et al.Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall[J].Xinjiang Agricultural Sciences，2009，46（5）：1016-1021.

[11]周瑩，王雙喜.復(fù)合相變儲(chǔ)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(bào)，2017，33（20）：190-196.

ZHOU Ying，WANG Shuangxi.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]李鵬，張亞紅，白青，等.基于日光溫室相變材料的梯形墻體熱特性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2019，40（10）：620-629.

LI Peng，ZHANG Yahong，BAI Qing，et al.Analysis on thermal characteristics of trapezoidal wall based on phase change materials in solar greenhouse[J].Chinese Journal of Agrometeorology，2019，40（10）：620-629.

[13]張勇，許英杰，陳瑜，等.新型相變材料蓄放熱性能測(cè)試及在溫室內(nèi)的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37（7）：218-226.

ZHANG Yong，XU Yingjie，CHEN Yu，et al.Heat storage and release performance of new phase change material and its application in greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2021，37（7）：218-226.

[14]LIU Xiao，GAO Hao，SUN Yanyi，et al.Thermal and optical analysis of a passive heat recovery and storage system for greenhouse skin[J].Procedia Engineering，2016，155：472-478.

[15]ZHANG Guixiao，XIAO Nan，WANG Bing，et al.Thermal performance of a novel building wall incorporating a dynamic phase change material layer for efficient utilization of passive solar energy[J].Construction and Building Materials，2022.DOI： 10.1016/j.conbuildmat.2021.126017.

[16]GUAN Yong，CHEN Chao，YAN Quanying，et al.Experimental and modelling analysis of a three-layer wall with phase-change thermal storage in a Chinese solar greenhouse[J].Journal of Building Physics，2015，38（6）：548-559.

[17]時(shí)盼盼，呂建，孫于萍，等.日光溫室相變蓄熱墻體最佳組合厚度的模擬研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2019，40（2）：496-504.

SHI Panpan，LYU Jian，SUN Yuping，et al.Simulation study on optimum composite thickness of phase change heat storage wall[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2019，40（2）：496-504.

[18]NAJJAR A，HASAN A.Modeling of greenhouse with PCM energy storage[J].Energy Conversion and Management，2008，49（11）：3338-3342.

[19]LING Haoshu，CHEN Chao，WEI Shen，et al.Effect of phase change materials on indoor thermal environment under different weather conditions and over a long time[J].Applied Energy，2015，140：329-337.

[20]鄒平，姜魯艷，凌浩恕，等.應(yīng)用于日光溫室墻體的相變材料熱物性優(yōu)化研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2022，43（9）：139-147.

ZOU Ping，JIANG Luyan，LING Haoshu，et al.Study on optimization of thermophysical properties of phase change materials used in solar greenhouse walls[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2022，43（9）：139-147.

[21]李啟金，姜蔥蔥，李國忠.石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合相變儲(chǔ)能材料的研究[J].磚瓦，2011（10）：15-17.

LI Qijin，JIANG Congcong，LI Guozhong.Study on paraffin and expanded perlite composite phase change energy-storage materials[J].Brick-tile，2011（10）：15-17.