太陽能相變蓄熱型日光溫室設(shè)計規(guī)范

馬彩雯、陳超、鄒志榮、馬承偉、鄒平、韓楓濤、于楠、雷喜紅、李印、張彩虹、楊楓光、李亞茹、姜魯艷、吳樂天、曹新偉、姜理星、馬艷、于秀針、吐爾遜娜依

日光溫室墻體的太陽能集熱、蓄熱與保溫性能直接影響作物的生長發(fā)育狀況以及作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。以往的研究大多是關(guān)注墻體的保溫性能、而忽略了墻體的蓄熱性能提高，致使冬季日光溫室低溫高濕的問題始終得不到較好的解決。本項目試圖通過日光溫室被動式相變蓄熱墻體構(gòu)筑方式的科學(xué)研究，達到改善日光溫室作物生長熱環(huán)境、顯著提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量的目的。為此，本項目依據(jù)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、建筑熱物理、相變貯能、計算傳熱學(xué)等理論，基于所研制的相變蓄熱墻體材料（以下簡稱GH-20），開展了關(guān)于日光溫室墻體建筑熱過程的理論與試驗研究，所形成的重點研究結(jié)果概要如下： 1）根據(jù)建筑材料各自不同的熱阻、熱容、密度等熱物性，首次提出了日光溫室被動式相變蓄熱“三重”結(jié)構(gòu)墻體的構(gòu)筑理念，即，將比熱容大、潛熱蓄熱性能高的GH-20墻體材料放置在墻體層的內(nèi)側(cè)，墻體中間層放置具有承重并兼有顯熱蓄熱性能的重質(zhì)材料，墻體外層放置導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大的高保溫性能的輕質(zhì)材料。 2）基于GH-20墻體材料在熱傳輸過程的傳熱與蓄熱機理，提出了將比熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)較小的相變材料與導(dǎo)熱系數(shù)較大且密度大的水泥砂漿直接混合后預(yù)制成板狀的GH-20墻體材料成型工藝。試驗結(jié)果顯示：同樣蓄（放）熱條件下，較插層式成型工藝，直混試件的總熱阻減小了24%；蓄（放）熱時間縮短了70min，蓄（放）熱量提高了10%（15%）。 3）基于GH-20墻體材料的熱性能，以能量方程作為基本控制方程，以顯熱容法作為求解相變傳熱問題的基本方法，構(gòu)建了日光溫室被動式相變蓄熱“三重”結(jié)構(gòu)墻體的傳熱模型，并提出了利用能耗模擬軟件EnergyPlus獲取控制方程溫室墻體邊界條件的耦合求解方法，計算值與實驗值的誤差在6.1%以內(nèi)。 4）基于所構(gòu)建的“三重”結(jié)構(gòu)墻體的傳熱模型，提出了日光溫室被動式相變蓄熱“三重”結(jié)構(gòu)墻體熱工性能評價指標體系及其計算方法，并開發(fā)了應(yīng)用軟件。利用該軟件可進行關(guān)于“三重”結(jié)構(gòu)墻體的可適應(yīng)構(gòu)造條件、以及各墻體層厚度、熱工性能參數(shù)等的優(yōu)化設(shè)計。 5）應(yīng)用所提出的理論方法，在北京地區(qū)進行了日光溫室被動式相變蓄熱“三重”結(jié)構(gòu)墻體的應(yīng)用技術(shù)研究。應(yīng)用結(jié)果表明：與非相變溫室比較，相變溫室10株西紅柿試驗品種的結(jié)果產(chǎn)量是前者的6.7倍、果實的縱橫徑較前者增大了1.3倍；相變溫室西紅柿的總產(chǎn)量為前者的1.7倍。 2100433B

根據(jù)相變種類的不同

根據(jù)相變種類的不同，相變蓄熱一般分為四類:固一固相變、固一液相變、液一氣相變及固一氣相變。由于后兩種相變方式在相變過程中伴隨有大量氣體的存在，使材料體積變化較大，因此盡管它們有很大的相變熱，但在實際應(yīng)用中很少被選用，固一固相變和固一液相變是實際中采用較多的相變類型。根據(jù)材料性質(zhì)的不同，一般來說相變蓄熱材料可分為:有機類、無機類及混合類相變蓄熱材料。其中，石蠟類、脂酸類是有機類中的典型相變蓄熱材料;結(jié)晶水合鹽、熔融鹽和金屬及合金等是無機類中的典型相變蓄熱材料?；旌项愑挚煞譃?有機混合類、無機混合類及無機一有機混合類 。

根據(jù)蓄熱方式進行分類

1、顯熱蓄熱是通過蓄熱材料的溫度的上升或下降來儲存熱能。這種蓄熱方式原理簡單、技術(shù)較成熟、材料來源豐富及成本低廉，因此廣泛地應(yīng)用于化工、冶金、熱動等熱能儲存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域。常見的顯熱蓄熱介質(zhì)有水、水蒸汽、沙石等，這類材料儲能密度低且不適宜工作在較高溫度下。

2、潛熱蓄熱是利用相變材料發(fā)生相變時吸收或放出熱量來實現(xiàn)能量的儲存，具有單位質(zhì)量(體積)蓄熱量大、溫度波動小(儲、放熱過程近似等溫)、化學(xué)穩(wěn)定性好和安全性好等特點。常見的相變過程主要有固-液、固-固相變兩種類型。固-液相變是通過相變材料的熔化過程來進行熱量儲存，凝固過程來放出熱量；而固-固相變則是通過相變材料的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或固體結(jié)構(gòu)進行有序-無序的轉(zhuǎn)變而可逆地進行儲、放熱。當前正在考慮的潛熱蓄熱材料有：氟化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及石蠟等有機蓄熱材料。

3、化學(xué)反應(yīng)蓄熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)通過熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)化來進行儲能的。它在受熱或冷卻時發(fā)生可逆反應(yīng)，分別對外吸熱或放熱，這樣就可以把熱能儲存起來。其主要優(yōu)點是蓄熱量大，不需要絕緣的儲能罐，而且如果反應(yīng)過程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長期儲存熱量。

根據(jù)使用溫度范圍的不同

根據(jù)使用溫度范圍的不同，潛熱蓄熱材料（相變蓄熱）又可分為分為高、中、低溫三種．

1、低溫相變蓄熱材料

低溫相變蓄熱材料主要有無機和有機兩類無機相變材料主要包括結(jié)晶水合鹽、熔融鹽、金屬或合金．結(jié)晶水合鹽通常是中、低溫相變蓄能材料中重要的一類，具有價格便宜，體積蓄熱密度大，熔解熱大，熔點固定，熱導(dǎo)率比有機相變材料大，一般呈中性等優(yōu)點．但在使用過程中會出現(xiàn)過冷、相分離等不利因素，嚴重影響了水合鹽的廣泛應(yīng)用決過冷的辦法主要有兩種，一種是加入微粒結(jié)構(gòu)與鹽類結(jié)晶物相類似的物質(zhì)作為成核劑．另一種是保留一部分固態(tài)相變材料，即保持一部分冷區(qū)，使未融化的一部分晶體作為成核劑，這種方法文獻上稱為冷指(Cold finger)法，雖然操作簡單，但行之有效∞J．為了解決相分離的問題，防止殘留固體物沉積于容器底部，人們也研究了一些方法，一種是將容器做成盤狀，將這種很淺的盤狀容器水平放臵有助于減少相分離；另一種更有效的方法是在混合物中添加合適的增稠劑，防止混合物中成分的分離，但并不妨礙相變過程。

有機相變材料主要包括石蠟，脂肪酸及其他種類．石蠟主要由不同長短的直鏈烷烴混合而成，可用通式C。H抖：表示，可以分為食用蠟、全精制石蠟、半精制石蠟、粗石蠟和皂用蠟等幾大類，每一類又根據(jù)熔點分成多個品種．短鏈烷烴的熔點較低，隨著碳鏈的增長，熔點開始增長較快，而后逐漸減慢，再增長時熔點將趨于一致。大部分的脂肪酸都可以從動植物中提取，其原料具有可再生和環(huán)保的特點，是近年來研究的熱點．其他還有有機類的固一固相變材料，如高密度聚乙烯，多元醇等．這種材料發(fā)生相變時體積變化小，過冷度輕，無腐蝕，熱效率高，是很有發(fā)展前途的相變材料 。

復(fù)合相變材料材料的復(fù)合化可將各種材料的優(yōu)點集合在一起，制備復(fù)合相變材料是潛熱蓄熱材料的一種必然的發(fā)展趨勢。復(fù)合相變材料的支撐，國內(nèi)外學(xué)者研制的支撐材料主要有膨脹石墨、陶瓷、膨潤土、微膠囊等．膨脹石墨是由石墨微晶構(gòu)成的疏松多孔的蠕蟲狀物質(zhì)，它除了保留了鱗片石墨良好的導(dǎo)熱性外，還具有良好的吸附性．陶瓷材料有耐高溫、抗氧化、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點，被大量地選做工業(yè)蓄熱體．主要的陶瓷材質(zhì)有石英砂、碳化硅、剛玉、莫來石質(zhì)、锫英石質(zhì)和堇青石質(zhì)等．膨潤土有獨特的納米層問結(jié)構(gòu)，采用“插層法”將有機相變材料嵌入其層狀空間，制備有機/無機納米復(fù)合材料，是開發(fā)新型納米功能材料的有效途徑，微膠囊相變材料口陽是用微膠囊技術(shù)制備出的復(fù)合相變材料。在微膠囊相變材料中發(fā)生相變的物質(zhì)被封閉在球形膠囊中，有效地解決了相變材料的泄漏、相分離及腐蝕等問題，有利于改善相變材料的應(yīng)用性能，并可拓寬相變蓄熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、中溫相變蓄熱材料

太陽能熱利用與建筑節(jié)能等領(lǐng)域?qū)ο嘧冃顭岵牧系男枨?，使低溫范圍蓄熱材料具有廣泛的應(yīng)用前景；高溫工業(yè)爐蓄熱室、工業(yè)加熱系統(tǒng)的余熱回收裝臵以及太空應(yīng)用，推動了高溫相變蓄熱技術(shù)的迅速發(fā)展．因此，國內(nèi)外對制冷、低溫和高溫相變蓄熱材料(PCM)做了相當多的研究，但中溫PCM則較少使用．不過，近年來相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展給中溫PCM的應(yīng)用創(chuàng)造了很大的空間。

3、高溫相變蓄熱材料

高溫相變材料的熱物性相變材料的熱物性主要包括：相變潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、膨脹系數(shù)、相變溫度等直接影響材料的蓄熱密度、吸放熱速率等重要性能，相變材料熱物性的測量對于相變材料的研究顯得尤為重要。

高溫相變材料通常具有一定的高溫腐蝕性，通常需要對其進行封裝。微封裝的相變材料具有許多優(yōu)點，促使人們對此進行研究。Heine等人研究了4種金屬對熔點在235～857℃的6種熔融鹽的耐腐蝕性能。Lane對不同的材料在不同尺寸下封裝的優(yōu)點和缺點進行分析，并對材料的兼容性進行了研究．由于用途廣泛，很多個人和公司。如BASF已加入了相變材料微封裝的研究行列。微封裝相變材料在不同熱控制領(lǐng)域的潛在應(yīng)用將受到其成本的限制，但對于太空應(yīng)用，熱控制性能遠重于其成本。一些研究人員認為，相變材料微封裝技術(shù)將是太空技術(shù)的一個里程碑。

蓄熱技術(shù)是提高能源利用效率和保護環(huán)境的重要技術(shù) ，可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽能利用、電力“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是世界范圍內(nèi)的研究熱點．，主要的蓄熱方法有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種．顯熱蓄熱是利用物質(zhì)的溫度升高來存儲熱量的．利用陶瓷粒、水、油等的熱容進行蓄熱，把已經(jīng)高溫或低溫變換的熱能貯存起來加以利用，如固體顯熱蓄熱的煉鐵熱風(fēng)爐、蓄熱式熱交換器、蓄熱式燃燒器等，通常的顯熱蓄熱方式簡單，成本低，但儲存的熱量小，其放熱不能恒溫的缺點化學(xué)反應(yīng)蓄熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲存熱能．發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，可以有催化荊，也可以沒有催化劑一種高密度高能量的蓄熱方式，它的儲能密度一般高于顯熱和潛熱，此種儲能體系通過催化劑和產(chǎn)物分離易于能量長期儲存．潛熱蓄熱（相變蓄熱）是利用物質(zhì)在凝固/熔化、凝結(jié)/氣化、凝華/升華以及其他形式的相變過程中，都要吸收或放出相變潛熱的原理來進行能量儲存的技術(shù)．利用相變材料相變時單位質(zhì)量（體積）潛熱，蓄熱量非常大能把熱能貯存起來加以利用，如空間太陽能發(fā)電用蓄熱器，深夜電力調(diào)峰用蓄熱器，其儲能比顯熱一個數(shù)量級，而且放熱溫度恒定，但其儲熱介質(zhì)一般有過冷、相分離、易老化等缺點。