相變材料在日光溫室中的應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要 日光溫室在現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)中起到舉足輕重的作用，具有造價低、高效和節(jié)能的優(yōu)勢，可在北方寒區(qū)用于越冬生產(chǎn)。其后墻較強的蓄放熱能力是溫室能夠進行越冬生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，而高寒地區(qū)日光溫室內(nèi)可能存在晝夜溫差大、夜間溫度低，需要設(shè)備增溫的現(xiàn)象。相變材料具有儲熱密度高、放熱溫度變化穩(wěn)定及成本低的優(yōu)勢，在航空航天、建筑節(jié)能等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為改善溫室熱環(huán)境、減小環(huán)境負荷和促進節(jié)能減排，將相變材料新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于日光溫室中，可起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。本文介紹了相變材料的類型及日光溫室常用相變材料，總結(jié)了日光溫室中相變材料的篩選，以及日光溫室相變墻體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及使用方式，并對其發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè)；日光溫室；相變材料；溫室節(jié)能

中圖分類號 S625；TB34 文獻標(biāo)識碼 A

文章編號 1007-7731（2024）05-0092-04

日光溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主要表現(xiàn)形式之一，極大程度地滿足了城鄉(xiāng)居民冬季對瓜果蔬菜等產(chǎn)品的需求，具有造價低、節(jié)約能源等優(yōu)勢[1]。日光溫室后墻的蓄放熱能力是溫室越冬生產(chǎn)保證室內(nèi)溫度適宜的關(guān)鍵。白天，溫室后墻吸收墻面的太陽輻射能和室內(nèi)空氣熱能并儲存于其中；夜間，當(dāng)室內(nèi)溫度下降低于墻體溫度時，后墻會放出熱量為室內(nèi)增溫。傳統(tǒng)日光溫室的室內(nèi)環(huán)境調(diào)控能力有限，晝夜溫差大，寒冷地區(qū)冬季夜間土壤和空氣溫度較低，難以抵御寒冷天氣帶來的降溫，要維持作物正常生長，增溫措施必不可少[2-3]。冬季日光溫室增溫成本占比和能源消耗較大，利用綠色低碳儲熱技術(shù)或材料是提高日光溫室保溫性及實現(xiàn)節(jié)能減排的措施之一。

目前，應(yīng)用于日光溫室的儲熱技術(shù)形式多樣[4-6]，其中相變材料以其儲熱密度高、放熱溫度變化相對穩(wěn)定、成本造價低及易于實現(xiàn)等優(yōu)勢成為近年來日光溫室調(diào)節(jié)溫室熱環(huán)境的熱門材料[7]。日光溫室后墻的蓄放熱性能主要與墻體本身材料性能、墻體構(gòu)造形式及墻體厚度有關(guān)，提高溫室后墻保溫性能一直是改善溫室熱環(huán)境的研究熱點之一。將利用相變材料的相變潛熱進行能量貯存的新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于日光溫室中，可代替人工補溫，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)溫度，起到“削峰填谷”的作用[8]。本文歸納分析了相變儲熱材料的研究進展及在其日光溫室中的應(yīng)用現(xiàn)狀，以實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)日光溫室環(huán)保節(jié)能增溫提供參考。

1 相變材料

相變材料是一種隨外界溫度變化通過改變自身固、液或氣狀態(tài)進行儲熱放熱的功能型材料[9]，其工作原理是通過相變材料發(fā)生物質(zhì)狀態(tài)改變時吸收周圍環(huán)境的熱量并進行儲存，當(dāng)外界溫度下降時向周圍環(huán)境釋放熱量，起到調(diào)節(jié)周圍環(huán)境溫度的作用。目前被廣泛應(yīng)用于航空航天[10]、建筑節(jié)能[11]、太陽能[12]和設(shè)施農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域。

1.1 相變材料類型

相變材料根據(jù)其相變過程和相變前后狀態(tài)不同，可分為固態(tài)-固態(tài)、固態(tài)-液態(tài)、固態(tài)-氣態(tài)和液態(tài)-氣態(tài)4種類型[13]。其中，固態(tài)-氣態(tài)、液態(tài)-氣態(tài)相變材料的相似之處是相變轉(zhuǎn)換前后存在氣體狀態(tài)，雖具有較高的相變潛熱值，但氣體性質(zhì)不易存儲、封裝且相變過程體積變化較大，故在溫室實際生產(chǎn)中應(yīng)用推廣較少；固態(tài)-固態(tài)相變材料，相變前后物質(zhì)狀態(tài)一致，其體積基本不發(fā)生變化，但相變溫度較高、相對潛熱量低，實際生產(chǎn)中要獲得較好的儲放熱效果成本相對較高[14]。因此，溫室儲放熱系統(tǒng)應(yīng)用中較多采用潛熱量較高且成本較低的固-液相變材料。根據(jù)相變材料相變時溫度的高低，可區(qū)分為低、中和高溫相變材料。根據(jù)相變材料化學(xué)成分之間的差異，可分為有機、無機相變材料和復(fù)合相變材料。其中，有機相變材料常用的有石蠟、脂肪酸和醇類等類型，共同特點是使用溫度范圍廣，相變溫度點較低，轉(zhuǎn)化固態(tài)時成型較好；無機相變材料主要包括金屬、無機水合鹽類和熔融鹽等類型，相較有機相變材料具有相對較高的相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，且價格便宜、應(yīng)用范圍廣，但使用過程中會出現(xiàn)過冷和相分離的不利現(xiàn)象，在一定程度上限制了其應(yīng)用；復(fù)合相變材料則是基于有機、無機相變材料，克服單一材料的缺點，將2種或2種以上的材料進行復(fù)合、改進得到的材料[15]。

1.2 日光溫室相變材料類型

王凱峰[16]研究發(fā)現(xiàn)，眾多相變材料中，應(yīng)用于日光溫室的儲熱材料僅是其中一部分，且用于溫室儲熱的相變材料還需要滿足作物生長適宜范圍。實際應(yīng)用中，溫室相變材料選用應(yīng)具備以下特點：適宜的相變溫度范圍；較高的相變潛熱量；穩(wěn)定的物理特性；不易發(fā)生過冷和相分離現(xiàn)象；使用過程中保證安全，無毒、無害、無腐蝕性及不易爆；經(jīng)濟、原料易取和便于推廣。溫室作物生長環(huán)境一般為25 ℃左右[17]，根據(jù)上述相變材料的類型及選用原則，日光溫室中常選用的相變材料為低溫固-液相變材料。王宏麗[18]針對北方日光溫室環(huán)境研制開發(fā)了以十二水磷酸氫二鈉為基礎(chǔ)材料的兩級溫度無機復(fù)合相變蓄熱體系，并將研制的無機相變材料用特殊塑料袋封裝制成相變蓄熱墻板進行試驗。張慶[19]研制了一種適用于西北日光溫室的三元脂肪酸復(fù)合相變材料，經(jīng)試驗，其相變溫度為21.82 ℃，相變潛熱值為121.5 J/g，相較于單一相變材料，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提升了近6.5倍，具有良好的熱工性能。王柏超等[20]以相變材料石蠟為研究材料，自制相變石蠟板內(nèi)置于溫室大棚內(nèi)，探究其室內(nèi)熱環(huán)境改善情況與提溫效果，結(jié)果表明，3種典型天氣下溫室大棚內(nèi)置相變石蠟板可有效改善溫室熱環(huán)境，溫室內(nèi)溫度可提高5.8～10.2 ℃，且溫光環(huán)境滿足大多數(shù)設(shè)施作物。吳照學(xué)等[21]篩選了一種適用于蘇北地區(qū)日光溫室的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，經(jīng)驗證，制備的復(fù)合材料性能顯著優(yōu)于單一相變材料；將篩選出來的相變材料應(yīng)用于無后墻日光溫室中，與普通無后墻日光溫室進行對比，該相變材料可有效縮短溫室內(nèi)晝夜溫差，提高室內(nèi)夜間溫度，顯著改善溫室內(nèi)熱環(huán)境。

2 溫室相變墻體研究現(xiàn)狀

日光溫室熱環(huán)境要素較為復(fù)雜，根據(jù)熱平衡原理可知[22]，溫室墻體是溫室越冬生產(chǎn)的主要保溫蓄熱來源，熱工性能較好的墻體能夠有效地改善溫室熱環(huán)境。溫室墻體材料及結(jié)構(gòu)隨日光溫室的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，由單質(zhì)土墻、磚墻，逐步發(fā)展為多層異質(zhì)復(fù)合墻體[23]。近年來，許多學(xué)者將研究聚焦于相變材料在溫室結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用上，以達到改善溫室熱環(huán)境、提高溫室內(nèi)太陽能利用率、節(jié)約造價及節(jié)能減排的目標(biāo)。

相變材料不能以材料本身形態(tài)應(yīng)用于日光溫室，需借助容器混入其他材料或墻體中。溫室中常用的固-液態(tài)相變材料，可將其裝在容器內(nèi)，置于溫室中，起到蓄熱保溫的作用，一般需要有針對性地設(shè)計專門的容器。王冬晴等[24]針對北方日光溫室夜間溫度較低的情況，選擇了十二醇和蠟油兩種固液相變材料，將其分別封裝于PVC和PE管材中，設(shè)計了一種兩級相變儲放熱系統(tǒng)，放置于溫室中進行對比試驗，冬季溫室內(nèi)夜間溫度與土壤溫度均有顯著提升，效果良好。李偉釗等[25]基于硬脂酸丁酯相變材料，以PVC管材作為封裝工具，開發(fā)了適宜置于日光溫室后墻的簡易相變儲熱裝置，夜間平均溫度較傳統(tǒng)日光溫室可提高1.2 ℃以上。

另一種方法是將相變材料摻入建筑材料中，用作圍護結(jié)構(gòu)（墻體）材料直接砌筑或涂抹使用，張東等[26]、張永娟等[27]諸多學(xué)者從建筑材料熱工性能、砌筑或涂抹方式等不同角度進行了大量研究。張書峰等[28]以溫室磚墻墻體為對照，設(shè)計了六水氯化鈣相變墻板的合理放置方式與尺寸，通過試驗最終確定3 cm厚度的相變墻板適用于溫室應(yīng)用，能有效減少晝夜墻板表面溫差3.5 ℃，減少能源消耗，可推廣使用。趙夢菲[29]將制備的內(nèi)含10%膨脹石墨的石蠟和酸改性硅藻土復(fù)合而成的相變材料與水泥混合，將形成的復(fù)合相變砂漿均勻涂抹于日光溫室內(nèi)墻，在不同典型天氣條件下測量溫室的室內(nèi)溫度、土壤溫度及地表溫度。結(jié)果表明，晴天天氣條件下，室內(nèi)最高溫度可降低2.5 ℃，最低溫度可升高1.8 ℃，對溫室內(nèi)熱環(huán)境起到了一定積極作用。張勇等[30]將復(fù)合無機相變材料與水泥、鋸末等材料混合，澆筑形成相變材料水泥模塊，置于新型結(jié)構(gòu)裝配式日光溫室后墻，相變材料面積占后墻面積的1/2，相變材料墻體的單位蓄放熱能量顯著高于土墻和磚墻，在溫室實際生產(chǎn)中也證明了相變模塊的可應(yīng)用性。周瑩等[31]將厚度為50 mm的石膏基石蠟與膨脹珍珠巖混合制備的復(fù)合相變儲能保溫砂漿砌于磚墻日光溫室后墻，與無相變材料日光溫室進行對比，試驗溫室夜間室溫較對照溫室高2.3 ℃，對溫室內(nèi)熱環(huán)境有明顯改善作用，室內(nèi)環(huán)境更適于黃瓜生長，產(chǎn)量高出對照溫室1.8倍。任佳楠等[32]將石蠟類固-液相變材料與炭黑粉、水泥砂漿按一定比例噴涂至溫室北墻，與土搗墻普通溫室進行對比，探討相變材料對溫室內(nèi)熱環(huán)境及乳瓜生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明，相變溫室白天蓄熱能力與夜間放熱能力均優(yōu)于對照溫室，乳瓜的株高、莖粗、維生素C含量和總糖含量等較對照溫室均顯著增加。以上相變墻體溫室中植物生長發(fā)育的試驗研究表明，以日光溫室的北墻作為吸收、儲存太陽能、釋放熱量及調(diào)控室內(nèi)溫度的載體，對于蔬菜的生長發(fā)育、產(chǎn)量同樣起到促進作用。

3 結(jié)論與展望

相變材料的儲熱技術(shù)在節(jié)能應(yīng)用中相對成熟，將具有較高潛熱值、適宜相變溫度且造價較低的相變材料應(yīng)用于日光溫室中，可明顯改善溫室熱環(huán)境，起到“削峰填谷”的作用，調(diào)節(jié)溫度的同時可大大減少溫室內(nèi)供暖設(shè)備的使用，起到節(jié)能減排作用。

相變材料的研究與應(yīng)用過程中，仍有部分問題值得深入探究，如在眾多種類的相變材料中，具有較高潛熱值的單一相變材料的相變溫度一般為20～30 ℃，而復(fù)合相變材料的相變溫度區(qū)間較大，在小溫差環(huán)境下不利于相變，如何篩選或制備出更適宜溫室熱環(huán)境需求的相變材料有待進一步深入研究。在相變材料應(yīng)用于日光溫室的方式方面，可將相變材料置于容器放于溫室內(nèi)，將相變材料與水泥等材料結(jié)合涂抹于墻體內(nèi)表面，制成墻板或摻入建筑材料中直接砌筑墻體，這幾種方式都有利于改善溫室熱環(huán)境，但存在所放置的不同體量的相變材料是否能全部發(fā)生相變，使用過程中是否會造成相變材料稀釋，以及與墻體構(gòu)造的結(jié)合方式是否適宜等問題。相變材料在溫室領(lǐng)域未來的應(yīng)用中，可重點推廣價格低、生產(chǎn)工藝簡單且適用于溫室環(huán)境的復(fù)合相變材料；利用試驗與數(shù)值模擬驗證不同相變材料在不同溫室結(jié)構(gòu)中的使用與放置方式；嘗試與老舊溫室改造工程相結(jié)合。

相變材料具有儲熱密度高、放熱溫度變化穩(wěn)定及成本低的優(yōu)勢，可改善溫室熱環(huán)境、減小環(huán)境負荷、促進節(jié)能減排。本文歸納總結(jié)了相變儲熱材料的研究進展及其在日光溫室中的應(yīng)用，為新型結(jié)構(gòu)日光溫室設(shè)計和提升改造提供參考。

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（責(zé)編：何 艷）

基金項目 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)施園藝工程技術(shù)教學(xué)案例庫（ALK202309）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研究生精品課程建設(shè)項目（JPKC202310）；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)三縱基礎(chǔ)（自然）項目（ZRCPY202223）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（202210223035X）。

作者簡介 姚璇（1992—），女，山東昌邑人，碩士，講師，從事設(shè)施園藝工作。

收稿日期 2024-01-13