植物工廠相變圍護結構的節(jié)能降耗效果研究

侯彬 范云 梁濤 張龍 薛金金 劉向東 張程賓

劉向東，1984年6月生，博士研究生，揚州大學電氣與能源動力工程學院教授，博士生導師。主持了國家自然科學基金、國防專項、江蘇省優(yōu)秀青年基金等多項課題，在國內外權威刊物上發(fā)表了SCI論文80多篇，出版教材/著作3部，獲授權發(fā)明專利10余件。入選江蘇省高校青藍工程學術帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程，兼任中國工程熱物理學會傳熱傳質分會青年委員會委員、中國高等教育學會工程熱物理專業(yè)委員會理事等職。

摘要：文章采用相變材料谷時儲熱（冷）、峰時供熱（冷）的策略將相變材料應用至植物工廠建筑圍護結構中，計算了植物工廠的冷、熱負荷及相變材料用量，并對有無采用相變圍護結構的植物工廠進行了經(jīng)濟對比分析，探討了相變圍護結構的節(jié)能降耗效果。研究結果表明，占地面積29.72 m2的40尺高柜集裝箱植物工廠，采用相變材料完全承擔日間負荷的運行方式，最多需要1348.74 kg的相變材料，采用高密度聚乙烯平板狀容器封裝相變材料后，需要75.03 m2的內表面積進行布置。使用相變材料的植物工廠每年可節(jié)省4016.92元的運行費用，可在11.8年回收投資。

關鍵詞：相變材料；節(jié)能；植物工廠；經(jīng)濟分析

中圖分類號： TK501??文獻標志碼： ?Ａ

0?引言

植物工廠是一種在創(chuàng)造封閉環(huán)境中以人工方式種植植物的新型農業(yè)系統(tǒng)，通過精準控制溫度、濕度、光照等因素為植物提供最佳的生長環(huán)境。植物工廠對室內溫度、濕度、空氣流動等條件有較高的控制要求，導致植物工廠的空調系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的能耗。相變材料由于能夠通過相變儲存和釋放能量，在建筑墻體［1-2］、紡織服裝［3］、制冷設備［4］、冷鏈物流［5］、通信［6］等領域獲得了廣泛的應用，特別是在建筑圍護結構中的應用能夠有效降低建筑能耗［7-8］。

目前，研究者在建筑相變圍護結構的節(jié)能降耗方面已開展了相關研究。文獻［9］提出將相變材料集成到建筑墻體中，通過Energy Plus仿真研究這種復合相變墻體對間歇采暖室內熱環(huán)境和能耗的影響。結果表明，與參考墻體相比，復合相變墻體年采暖能耗可降低4.74 %。文獻［10］通過試驗和數(shù)值模擬的方法，分析了添加石蠟對建筑室內舒適度和節(jié)能效果的影響。結果表明，相變房間室內空氣和墻體內壁溫度分別降低了1.4 ℃和2.7 ℃，節(jié)能率高達57%。文獻［11］將相變儲熱泡沫混凝土應用于建筑墻體圍護結構中，借助Energy Plus模擬軟件對采用不同圍護結構的建筑進行能耗模擬，對比分析相變墻體

的節(jié)能效果。研究表明，采用相變墻體的辦公樓節(jié)能效果顯著，設計日逐時負荷變化降低。文獻［12］研究相變材料在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護結構中的性能，將所用的相變材料以高密度聚乙烯球封裝，并嵌入XPS保溫板，形成XPSPCM板。研究結果顯示，綜合考慮全年工況，當XPSPCM板安裝至建筑物墻體靠近內表面時能源使用強度值最??；對于熔點為25 ℃的相變材料，相變材料集中布置在西外墻時建筑能耗最低。

然而，目前關于相變圍護結構節(jié)能降耗的研究主要集中在住宅、辦公樓等常規(guī)建筑物。植物工廠的冷、熱負荷特性與常規(guī)建筑有較大差異，對其相變材料的供能設計需要進一步地進行定量研究。因此，本文提出將相變材料應用在植物工廠系統(tǒng)中，并對植物工廠相變圍護結構的節(jié)能降耗效果進行了分析，計算了植物工廠的冷、熱負荷及相變材料用量，對有無采用相變圍護結構的植物工廠進行了經(jīng)濟對比分析，探討相變圍護結構的節(jié)能降耗效果。

1?工程基本資料

1.1?工程概況

本文所設計的植物工廠為40尺高柜集裝箱植物工廠，位于江蘇省揚州市，占地面積29.72 m2，長12.192 m，寬2.438 m，高2.896 m。植物工廠包含操作區(qū)、種植區(qū)和動力設備區(qū)3部分。其中，操作區(qū)包括環(huán)境控制面板、操作臺；種植區(qū)包括種植架、種植籃、生菜、植物生長LED燈等；動力設備區(qū)包括EC、pH控制器、營養(yǎng)液儲存等。植物工廠由于占地1 m2，無需供冷供暖。植物工廠的圍護結構采用50 mm厚聚氨酯夾芯金屬壁板，金屬壁板的內外層鋼板厚度為5 mm。

1.2?氣象資料

1.2.1?室外氣象資料

室外氣象資料［13］如表1所示。

1.2.2?室內設計參數(shù)

室內設計參數(shù)如表2所示。

2?植物工廠負荷計算

2.1?植物工廠空調冷負荷

本文采用負荷系數(shù)法計算夏季空調冷負荷，通過冷負荷溫度與冷負荷系數(shù)直接從各種擾量值求得各分項逐時冷負荷，各項逐時冷負荷之和的最大值即為植物工廠的冷負荷［13-15］。

（1）圍護結構傳熱引起的冷負荷Q1為：

Q1=K·F［（t1+td）-tn］（1）

式中，K為圍護結構傳熱系數(shù)，W/（m2·K），取0.57；F為圍護結構表面積，m2；t1為圍護結構冷負荷溫度的逐時值，℃；td為逐時冷負荷溫度的地點修正值，揚州地區(qū)為0 ℃； tn為植物工廠內設計溫度，取18 ℃。

（2）人體散熱形成的冷負荷Q2：取植物工廠栽培區(qū)2人，進入房間時刻13：00，進入后小時數(shù)為1。

（3）照明散熱形成的冷負荷Q3：供植物生長的LED燈具每平方米功率80 W，其中60 %以熱量或輻射形式散失到室內。

（4）新風冷負荷Q4：新風量應取下列2項的最大值。

補償室內排風量和保持室內正壓值所需新風量之和；保證供給潔凈室內每人每小時的新鮮空氣量不小于40 m3。

植物工廠空調冷負荷QC=Q1+Q2+Q3+Q4，匯總如表3所示。

2.2?植物工廠空調熱負荷

植物工廠空調熱負荷［13-14］包括圍護結構耗熱量Qf以及照明散熱量Qg。

（1）圍護結構基本耗熱量：

Qi=αKF（tn+tw）（2）

（2）附加耗熱量：

Qf=Qj（1+βch+βf+βlang）·（1+βfg）·（1+βjan）（3）

（3）照明散熱量Qg：植物燈具每平方米功率80 W，其中60%以熱量或輻射形式散失到室內。

植物工廠空調總熱負荷Qr=Qf-Qg，則植物工廠總熱負荷Qr為253 W，熱負荷指標為8.8 W/m2。

3?相變材料用量計算

相變材料的物性參數(shù)如表4所示。

為達到移峰填谷的目的，本文采取谷時（21：00—8：00）開空調給植物工廠供冷（供暖）并使相變材料凝固（熔化），峰時（8：00—21：00）利用相變材料熔化（凝固）?？紤]到生菜的生長適宜溫度為18℃左右，相變材料的相變溫度范圍應當接近此溫度，因此，本文最終選擇了石蠟類相變材料，相變溫度范圍為18～22℃。

3.1?夏季

將峰時（8：00—21：00）劃分成13個時間區(qū)間，分別計算在各個區(qū)間內所需的相變材料量。例如計算第一區(qū)間［8：00—9：00］：

Qc1=5396 W=19425.6 kJ（4）

mx1=Qc1Δh=19425.6200=97.13 kg（5）

同理，可以計算出其他時間段所需相變材料的質量［16］，如表5所示。

因此，（8：00—21：00）時間段內需移出熱量以及相變材料的質量為：

Qc=74930 W=269748.0 kJ（6）

mx=QcΔh=269748.0200=1348.74 kg（7）

3.2?冬季

峰時（8：00—21：00）時間段內需補充的熱量以及相變材料的質量為：

Qr=3289 W=11840.4 kJ（8）

mx=QrΔh=11840.4200=59.20 kg（9）

為同時滿足夏季蓄冷、冬季蓄熱需求，計算得相變材料質量為1348.74 kg?？紤]到植物工廠運行的靈活性，本文采用了宏封裝的方式將相變材料裝在長方體高密度聚乙烯容器內，尺寸分別為12.09×2.794×0.022（m）、11.09×2.794×0.022（m）、2.336×2.794×0.022（m）、1.336×2.794×0.022（m），貼在植物工廠內壁，需要75.03 m2。

4?植物工廠負荷校核計算

加入相變材料后，圍護結構傳熱系數(shù)變小，需對空調負荷進行校核，校核結果如表6所示。

植物工廠總冷負荷QC為6007 W，冷負荷指標為209 W/m2。植物工廠總熱負荷Qr為166 W，熱負荷指標為5.8 W/m2。

5?谷時空調設備冷量、熱量計算

植物工廠需要空調提供的冷量Ql應包含圍護結構傳熱、照明散熱等形成的冷負荷QC以及使相變材料凝固所需的潛熱Qyn。植物工廠需要空調提供的熱量Qh應包含圍護結構耗熱量、照明散熱量形成的熱負荷Qr以及使相變材料熔化所需的潛熱Qrn，如表7—8所示。

6?經(jīng)濟分析

根據(jù)江蘇省電價收費標準可以計算出使用相變材料儲能和不使用相變材料儲能的電費，如表9所示。

從表中可以看出，使用相變材料電費比不使用相變材料每年電費減少4016.92元，相變材料按35元/kg計算，相變材料共計47205.90元。每年運行節(jié)省費用4016.92元，投資回收期為11.8年。

綜上可知，采用相變材料儲能雖然在初投資上比不采用相變材料儲能高出47205.90元，但是利用谷時電價低的特點進行蓄冷（儲熱），減少了運行費用，平衡了電網(wǎng)用電負荷。在相變材料不損失的情況下，相變石蠟至少可循環(huán)1萬次，按每天循環(huán)1次計算，設計使用壽命為27.4年，因此，使用相變材料11.8年回收投資成本是一個可行的方案。

7?結語

針對目前在用電高峰期電網(wǎng)壓力過大以及社會對節(jié)能環(huán)保的要求，本文針對植物工廠相變圍護結構的節(jié)能降耗開展了研究，并計算了這一供能策略的經(jīng)濟性，為植物工廠供熱供冷提供新途徑。

（1）根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和植物工廠參數(shù)進行計算可知，植物工廠總冷負荷為6081 W，冷負荷指標為212 W/m2，總熱負荷為253 W。

（2）加入相變材料后，植物工廠總冷負荷為6007 W，冷負荷指標為209 W/m2，總熱負荷為166 W，冷負荷減少了74 W，熱負荷減少了87 W。

（3）植物工廠所使用的1348.74 kg相變材料成本共計47205.90元，設計使用壽命27.4年，通過每年可節(jié)省4016.92元的植物工廠運行費用，可在11.8年回收投資。

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（編輯?王雪芬）

Research on energy-saving and consumption reducing performances of

phase change enclosure structures in plant factories

HOU ?Bin1， ?FAN ?Yun1， ?LIANG ?Tao2， ?ZHANG ?Long2， ?XUE ?Jinjin3， ?LIU ?Xiangdong3*， ?ZHANG ?Chengbin4

（1.Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha 410004， China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting

Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China; 3.College of Electrical， Energy and Power Engineering，

Yangzhou University， Yangzhou 225127， China; 4.School of Energy and Environment，

Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： ?This paper proposes a strategy of storing heat energy （cold energy） during off-peak hours and supplying heat energy （cold energy） during peak hours by using phase change materials （PCM） in the building envelopes of a plant factory. The cooling and heating loads of the plant factory were calculated and the maximum amount of PCM required were estimated. An economic comparison was conducted between plant factories with and without PCM envelopes to investigate the energy saving and consumption reduction effect of PCM envelopes in plant factories. The results show that the operation mode by using PCM to fully undertake the daytime load requires 1348.74 kg of PCM at most for a 40-foot high-cube container plant factory with an occupied area of 29.72 m2. After encapsulating the PCM in high-density polyethylene flat plate containers， 75.03 m2 of inner surface area of the plant factory is needed for arrangement of the containers. At least， 4016.92 yuan can be saved in annual operation cost for a plant factory using PCM. Thus， the investment can be recovered in 11.8 years.

Key ?words： phase change materials; energy-saving; plant factory; economic analysis