相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果
<p>第 27 卷 第 5 期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol.27 No.5 2011年 5月 Transactions of the CSAE May. 2011 253 相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果王宏麗1,2，李曉野2，鄒志榮2（ 1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機電學(xué)院，楊凌 712100； 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，楊凌 712100） 摘 要： 日光溫室墻體的保溫蓄熱性能直接影響溫室內(nèi)氣溫和作物的生長。該文選用石蠟與硬脂酸正丁酯按質(zhì)量比為5 5 制成復(fù)合相變材料，以稻殼為載體采用自然吸附法進行吸附得到相變骨料。相變骨料與建筑材料混合制成相變蓄熱砌塊，并以其為墻體建造相變蓄熱溫室。采用差示掃描量熱法測試復(fù)合相變材料和稻殼骨料 DSC（熱流 -溫度）曲線，相變溫區(qū)為 15 45；復(fù)合相變材料的熔解潛熱為 116.2 kJ/kg，凝固潛熱為 118.5 kJ/kg，相變稻殼的凝固潛熱值為 70.63 kJ/kg，熔解潛熱值為 58.14 kJ/kg。用多點溫度計測量相變溫室和普通溫室室內(nèi)外氣溫和墻體內(nèi)外表面溫度，相變溫室室內(nèi)氣溫波動幅度比對照溫室小 4.1，最低氣溫比對照高 1.7，而最高氣溫則比對照低 2.4。通過在溫室內(nèi)栽培金鵬一號番茄試驗，表明相變溫室中番茄的生長狀況明顯優(yōu)于普通溫室。因此，該文采用的相變蓄熱砌塊墻體建成的日光溫室比普通溫室具有更好的蓄熱保溫性能，更有利于冬季作物生長。 關(guān)鍵詞： 溫室，室內(nèi)氣溫， DSC，相變砌塊，番茄生長 doi： 10.3969/j.issn.1002-6819.2011.05.045 中圖分類號： S625.5+1 文獻標志碼： A 文章編號： 1002-6819(2011)-05-0253-05 王宏麗，李曉野，鄒志榮. 相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(5)：253257. Wang Hongli, Li Xiaoye, Zou Zhirong. Application of brick wall with phase change rice husk in solar greenhousesJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(5): 253 257. (in Chinese with English abstract) 0 引 言日光溫室的墻體兼有承重、保溫和蓄熱三重功效。作為主要的蓄熱體和放熱體，墻體對于保持溫室冬季和夜間室內(nèi)氣溫的穩(wěn)定起著關(guān)鍵的作用。因此，日光溫室墻體的蓄熱性能研究一直是學(xué)者關(guān)注的重要方面。陳端生、亢樹華等通過對實際使用中溫室的墻體進行測試，獲得了擬定材料和構(gòu)造方式下，日光溫室墻體的保溫蓄熱性能參數(shù)1-2,為溫室墻體材料的選擇和蓄熱保溫性能的研究提供了參考。郭慧卿、李小芳、陳青云等采用反應(yīng)系數(shù)法3-4，佟國紅、王鐵良、白義奎等采用頻率響應(yīng)法5分別對日光溫室墻體傳熱做了計算， 并分析了日光溫室墻體的保溫蓄熱性能。這些研究在日光溫室墻體保溫蓄熱性能的計算分析方法方面作了有益的探索。 馬承偉6根據(jù)工程傳熱的理論，建立了日光溫室墻體保溫蓄熱性能的評價指標體系，并將其編制為軟件，實現(xiàn)了評價的自動化和快捷化。 迄今，墻體保溫蓄熱性能的研究大多是針對普通墻體材料的。本研究擬從新墻體材料的角度來探索提高日光溫室保溫蓄熱性能的方法。 收稿日期： 2010-11-19 修訂日期： 2011-05-18 基金項目：國家科技支撐計劃（ 2006BAD28B07-5）；陜西省自然科學(xué)基金（ 2009JM7001） 作者簡介：王宏麗（ 1966） ，女，陜西澄城人，副教授，主要從事溫室節(jié)能研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院， 712100。 Email: daisy.h.wanggmail.com 通信作者：鄒志榮（ 1956） ，男，陜西延安人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事設(shè)施農(nóng)業(yè)研究。楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院， 712100。Email: zjzppublic.xa.sn.cn 相變材料（ phase change materials，簡記 PCMs）是一種新型的儲熱材料，目前國內(nèi)外研究應(yīng)用的較多7-9。相變儲熱與顯熱儲熱、化學(xué)反應(yīng)能儲熱相比，具有穩(wěn)定、高效、價格低廉等優(yōu)點，是集聚并充分利用太陽熱能的一種高效方法。固液相變材料具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。在加熱至熔化溫度時，會發(fā)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，在熔化過程中，相變材料吸收并儲存大量的潛熱；反之在相變材料冷卻過程中，儲存的熱量要釋放出來，同時完成從液態(tài)到固態(tài)的逆相變，且在相變和逆相變過程中保持溫度的穩(wěn)定10。固液相變材料是目前研究最多也是價格比較適中的材料。但因其在熔解狀態(tài)下是以液態(tài)存在的，相變材料的封裝就成為應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，而定型相變材料是應(yīng)對這一難題的有效方法11-12。 為滿足植物生長的要求，用于建造日光溫室墻體的相變材料，應(yīng)滿足以下條件13： 1）相變材料的相變溫度應(yīng)為植物適宜生長溫度； 2）相變材料相變潛熱大，體積膨脹率??； 3）不產(chǎn)生對植物生長有害的物質(zhì)； 4）導(dǎo)熱系數(shù)大，密度大，比熱容大； 5）價格低廉，來源豐富。 通過試驗篩選比較，本研究小組選取適合日光溫室生產(chǎn)溫度的、相變溫區(qū)在 15 45的、硬脂酸正丁酯和石蠟質(zhì)量比為 5 5 復(fù)合材料作為相變材料（熔解潛熱為116.2 kJ/kg，凝固潛熱為 118.5 kJ/kg），并選取農(nóng)作物廢棄物稻殼作為載體制備定型相變材料。在前期復(fù)合材料試驗14的基礎(chǔ)上，制作相變蓄熱砌塊，并建相變溫室和對照（磚苯夾心墻體）溫室。在兩個溫室內(nèi)種植金鵬一號西紅柿，在相同的栽培管理下，測量溫室室內(nèi)氣溫、墻體內(nèi)外表面溫度及番茄生長狀況指標，對比分析并檢·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2011年 254 驗相變蓄熱墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果，為建造相變蓄熱砌塊墻體日光溫室提供參考。 1 儀器材料與實驗方法 1.1 儀器與材料 1.1.1 儀器 差示掃描量熱儀，美國 TA 儀器公司生產(chǎn) Q100 型差示掃描量熱儀（ DSC），溫度精度（標準金屬）± 0.05以內(nèi)，量熱精度（基于標準金屬）± 1%以內(nèi)。 電子天平，德國 Sartorius 公司生產(chǎn)， CP225D 精密電子天平，測量范圍 40/80/20 mg 變量程，測量精度為 0.01 mg。 多路溫度測試儀。杭州威博科技有限公司生產(chǎn)，體積規(guī)格 260 mm× 215 mm× 90 mm（長×寬×高），精度± (0.05%+0.02%FS)。 1.1.2 材料 硬脂酸正丁酯（ Butyl stearate），分子式 C22H44O2,結(jié)構(gòu)式 CH3(CH2)16COOC4H9， 分子量 340.57， 凝固點 1620，酯含量 98.5%。 石蠟（ Paraffin） 52#，主要由 C16以上的正構(gòu)（直鏈）烷烴組成，也含有少量異構(gòu)烷烴和帶長側(cè)鏈環(huán)烷烴。呈白色至淡黃色，常溫下為固態(tài)。平均分子量為 300 500，沸點范圍為 300 550，加熱時在一定溫度范圍內(nèi)逐漸熔化，熔點 52 54。 稻殼（ Rice Husk，簡記 RH），長度在 3 6 mm，密度為 98 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)在 0.11 0.12 W/(m·K)之間。 32.5#礦渣硅酸鹽水泥，三秦牌，陜西耀州水泥股份有限公司生產(chǎn)，粉煤灰、陶粒、石子，砂子等普通建筑材料。 1.2 試驗用材的制備 1.2.1 稻殼定形相變材料的制備 硬脂酸正丁酯與石蠟 /稻殼定形相變材料利用自然浸泡吸附法制備。首先將準備好的復(fù)合相變材料硬脂酸正丁酯與石蠟熔解在玻璃容器中，然后將稻殼顆粒 7.35 g放置于玻璃燒瓶內(nèi)密封。浸泡 2 h，稻殼將相變材料吸附飽滿，石蠟 /硬脂酸正丁酯 /稻殼定形相變材料制備完畢，稱質(zhì)量 14.17 g。 1.2.2 相變保溫砌塊的制作 通過前期實驗，將制備好的定形相變材料和水泥、石子、砂子、陶粒等建筑材料和水按一定比例混合，在陜西磊鑫環(huán)保建筑材料有限公司經(jīng)砌塊成型機制作成標準空心蓄熱保溫砌塊，如圖 1 所示。測定砌塊性能為：抗壓強度 4.6 MPa，體積質(zhì)量 975 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù) 0.792 W/(m·K)，蓄熱系數(shù) 21.34 kJ/kg。 圖 1 相變保溫蓄熱砌塊 Fig.1 Phase change storage bricks 1.2.3 試驗溫室和對照溫室的建造 按同尺寸建造相變砌塊日光溫室和普通對照日光溫室各一棟。溫室長 10 m，跨度 5 m，后墻高 1.5 m，脊高2.2 m。相變溫室和對照溫室均采用鍍鋅鋼管骨架和 PE膜覆蓋，夜間加蓋保溫被。溫室的剖面如圖 2 所示。 圖 2 試驗溫室剖面 Fig.2 Section of the experimental greenhouses 相變砌塊溫室位于西側(cè)，溫室墻體的構(gòu)造由外到內(nèi)分別為： 120 mm 相變蓄熱砌塊 +100 mm 聚苯板 +240 mm相變蓄熱保溫砌塊，如圖 3a 所示。對照溫室位于東側(cè)，溫室墻體的構(gòu)造由外到內(nèi)分別為： 120 mm 紅磚砌體 +100 mm 聚苯板 +240 mm 紅磚砌體，如圖 3b 所示。兩溫室除后墻外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均相同。 圖 3 試驗溫室墻體剖面 Fig.3 Sectional view of the greenhouses wall 1.3 試驗方法 1.3.1 DSC（熱流-溫度）測試 DSC測試使用美國 TA 儀器公司生產(chǎn)的 Q100 型差示掃描量熱儀。制備 DSC 樣品所用坩鍋為進口鋁質(zhì)坩鍋，為使分子合金與坩鍋之間傳熱效果良好，樣品質(zhì)量控制在 2 4 mg 之間。 試樣升降溫參數(shù)：試樣升溫過程從 0升至 60，其升溫速率為 2 /min；降溫過程從 60降至 0，其降溫速率為 2 /min。 1.3.2 溫室溫度效果測試 用多路溫度測試儀測量溫室內(nèi)空氣溫度和墻體表面溫度，每溫室布置一臺多路溫度測試儀。相變實驗溫室和對照溫室分別布置了 4 個測點， 分別為溫室室內(nèi)外各 1個，北墻內(nèi)外墻面各 1 個。多路溫度測試儀自動記錄數(shù)第 5 期 王宏麗等：相變蓄熱砌塊墻體在日光溫室中的應(yīng)用效果 255 據(jù)，記錄數(shù)據(jù)的時間間隔為 240 s。 1.3.3 作物生長狀況指標 2009 年 12 月份，在兩溫室中定植了金鵬一號番茄。每天兩個溫室同時打開和關(guān)閉覆蓋的保溫被，晴天時上午 9： 30 10： 00 am 打開，下午日落前 4： 30 5： 00 pm關(guān)閉。陰天和下雪天保溫覆蓋被不打開，但進行人工補光。相變溫室和對照溫室中栽植生長狀況相同的番茄幼苗，生長一段時間后測定番茄的形態(tài)指標，包括株高、莖粗、干鮮質(zhì)量等。 2 結(jié)果與分析 2.1 相變稻殼的熱特性 用美國 TA 儀器公司生產(chǎn)的 Q100 型差示掃描量熱儀（ DSC）測試制備好的相變稻殼 DSC 曲線，結(jié)果如圖 4所示。根據(jù)初步測試的相變材料的相變溫區(qū)確定測試的溫度范圍為 0 60，其升溫速率和降溫速率均為 2/min。在開始升溫一段時間后，相變稻殼從 15.19開始逐步熔解， 20.16時放熱熱流密度達到峰值- 0.511 W/g；隨后熱流密度逐步降低， 28.61達到谷值- 0.321 W/g；其后，放熱熱流密度再逐步增加， 37.49放熱熱流密度達到另一個峰值- 0.417 W/g，隨后熱流密度逐漸變小，直至整個熔解過程結(jié)束，熔解潛熱值為 58.14 kJ/kg。 60開始降溫過程，相變材料逐步凝固， 44.27其吸熱熱流密度為 0.281 W/g，熱流密度增加的速度加快，至 41.52溫度達到第一個峰值 0.469 W/g，然后吸熱熱流密度又開始降低，至 24.78達到熱流密度谷值 0.336 W/g，隨之熱流密度又開始加大， 16.32到峰值 0.497 W/g，直至整個凝固過程結(jié)束，凝固潛熱值為 70.63 kJ/kg。 圖 4 相變稻殼的 DSC 曲線 Fig.4 DSC of rice husk with phase change materials 從圖 4 可以看出相變溫區(qū)主要集中在 15 45，相變稻殼的熔解過程吸熱熱流密度和凝固過程的放熱熱流密度均有兩個明顯的峰區(qū)。相接的區(qū)域是互相融合的部分，說明石蠟和硬脂酸正丁酯在融合過程中并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。溫度低的峰區(qū)是由硬脂酸正丁酯引起的，而溫度高的峰區(qū)是由石蠟形成的，中間區(qū)域則是兩種物質(zhì)共同形成的。 2.2 相變溫室的蓄熱、保溫效果 2.2.1 溫室內(nèi)氣溫日變化 圖 5 是測試的 2010-01-28（晴）相變溫室和對照溫室室內(nèi)氣溫日變化曲線圖?？梢钥闯?，兩溫室溫度變化的趨勢相同， 但相變溫室室內(nèi)氣溫的變化幅度小， 從 7:06 am時刻的 10.2，到 12:42 pm 時刻的 21，溫度波動幅度10.8；而對照溫室從 6:54 am 時刻的 8.5到 12:54 pm時刻的 23.4，溫度波動幅度 14.9。相變溫室室內(nèi)氣溫波動幅度比對照溫室小 4.1，其最低氣溫比對照溫室要高出 1.7，而最高氣溫則比對照溫室低 2.4。相變砌塊溫室和普通對照日光溫室溫度最低值均發(fā)生在凌晨7:00 am 左右，在 13:00 pm 左右達到最高值。 圖 5 相變溫室與對照溫室室內(nèi)氣溫變化 Fig.5 Curve of indoor temperature of phase change greenhouse and comparative greenhouse 相變墻體限制溫室內(nèi)的溫度變化幅度。其最低溫度比普通對照溫室高出 1.7，這對于低溫環(huán)境下的作物來說， 是至關(guān)重要的； 其最高溫度比普通對照溫室低 2.4，這對溫度較高的天氣則是有利的。 2.2.2 溫室墻體內(nèi)外表面溫差日變化 圖 6 是實測的 2009-01-28 相變溫室墻體和普通對照溫室墻體的內(nèi)外表面溫度差的曲線圖?？梢钥闯?，普通 圖 6 相變溫室與普通溫室內(nèi)外墻面溫度差日變化 Fig.6 Temperature differences between outside and inside wall surface of phase change greenhouse compare with ordinary greenhouse 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2011年 256 溫室墻體內(nèi)外表面溫差整體大于相變墻體溫室。溫室墻體內(nèi)外表面溫度差波動范圍為：相變墻體溫室 6.711.3，普通溫室 6.8 15.1。另外，相變墻體外表面溫度一直略高于普通溫室。白天相變墻體的內(nèi)表面溫度低于普通溫室墻體，夜間相變墻體的內(nèi)表面溫度又高于普通溫室墻體。試驗表明，當(dāng)白天太陽光照充足、室內(nèi)氣溫較高時，相變溫室墻體能有效的吸收并儲存多余的熱量，而在夜間沒有太陽照射、溫度較低時將白天儲存的熱量釋放出來，有良好的蓄熱保溫效果。 2.2.3 溫室內(nèi)平均氣溫變化 圖 7 表示相變溫室與對照溫室 2009-12-04 2010-02-23 室內(nèi)平均氣溫變化情況?？梢钥闯?，兩溫室中平均氣溫變化趨勢大致相同，但相變溫室內(nèi)平均氣溫高于對照溫室內(nèi)平均氣溫，最高時相變溫室室內(nèi)平均氣溫高出對照溫室 5.34。這說明相變保溫墻體具有較強的蓄熱能力，在冬季能有效提高溫室室內(nèi)氣溫。 圖 7 相變溫室與對照溫室 2009-12 2010-02 室內(nèi)溫度變化 Fig.7 Curve of indoor temperature of phase change greenhouse and comparative greenhouses from 2009-12 to 2010-02 2.4 相變溫室與對照溫室番茄生長狀況 試驗選用的番茄品種為金鵬一號，采用穴盤播種育苗。 2009-12-15 選取生長健壯一致的幼苗定植到直徑 30 cm，高 32 cm 的花盆中，盆中定植土為園田土加適量有機肥，將定植好的番茄幼苗分別置于兩個溫室中，每溫 表 1 相變溫室和普通溫室番茄生長狀況對比 Table 1 Growth status of tomato in the phase change greenhouse and comparative greenhouses 項目 相變溫室 對照溫室 差值 株高 /cm 79.1 51.6 27.4*根長 /cm 24.0 19.0 5.0*莖粗 /mm 8.2 7.3 0.9*單株葉數(shù) 16.0 12.0 4.0*單株花序數(shù) 4.4 2.7 1.7*單株結(jié)果數(shù) 3.5 0.0 3.5*植株總質(zhì)量 /g 132.3 48.0 84.3*植株總干質(zhì)量 /g 17.1 6.3 10.8*注：用 T 檢驗法進行分析，試驗組與對照組相比， *表示處理之間差異極顯著； *表示處理之間差異顯著。 室 72 盆，并進行相同的日常水肥管理。于 2010-03-13 從兩個溫室中分別隨機取十株番茄測其形態(tài)指標，求各指標的平均值，結(jié)果見表 1。 從表 1 可以看出，相變溫室內(nèi)的番茄的株高、莖粗、干鮮質(zhì)量等指標均高于對照溫室，這表明相變溫室內(nèi)番茄生長狀況明顯優(yōu)于普通溫室番茄。 3 討 論 1）將相變材料用稻殼吸附后與建筑材料混合制成砌塊，用于日光溫室墻體的建造可有效提高溫室的蓄保溫能力?？紤]到砌塊強度和耐久性，其中稻殼的含量不能過高，這限制了相變材料的單位體積用量。若能增強稻殼的吸附能力或選用吸附能力更強的材料則可達到更好的蓄熱保溫效果。 2）在本次試驗中，溫室的保溫被出現(xiàn)了問題，所以有段時間在光照條件較好的天氣條件下，也無法打開保溫被，致使番茄整體生長狀態(tài)不是很好，但相變溫室的番茄長勢實明顯好于對照溫室，這也間接說明遇到不利天氣狀況時，相變蓄熱溫室可以提供更好的溫度環(huán)境。 4 結(jié) 論 1）本試驗結(jié)果表明，相變溫室內(nèi)氣溫波動幅度比對照溫室小 4.1，最低氣溫比對照溫室高 1.7，而最高氣溫則比對照溫室低 2.4。相變墻體蓄熱效果明顯。 2）試驗期間相變溫室內(nèi)平均氣溫高于普通溫室，最高達 5.3。由此說明，相變材料的保溫蓄熱作用穩(wěn)定。 3）相變溫室種植的番茄超冠一號其株高、莖粗花序數(shù)等形態(tài)指標均高于對照普通溫室，相變墻體溫室中番茄的生長狀況明顯優(yōu)于普通溫室中番茄生長狀況。表明相變蓄熱溫室的蓄熱保溫作用，有利于溫室作物的生長。 參 考 文 獻 1 亢樹華，房思強，戴雅東，等 . 節(jié)能型日光溫室墻體材料及結(jié)構(gòu)的研究 J. 中國蔬菜， 1992， (6)： 1 5. 2 陳端生，鄭海山，劉步洲 . 日光溫室氣象環(huán)境綜合研究 .墻體、覆蓋物熱效應(yīng)研究初報 J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 1990，6(2)： 77 81. 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College of Mechanical and Electronics Engineering, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China; 2. College of Horticulture, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China) Abstract: The heat storage charatistics of solar greenhouse wall can affect the indoor temperature and crop growth envirnment. Parrafin and n-butyl stearate mixed with mass ratio 5:5 was chose as compound phase change material（ PCM） . The compound PCM was absorbed by rice husk to be stabilized PCM. Two greenhouses were built with the PCM bricks and normal bricks respectively. From differential scanning calorimetry (DSC) analysis, the transition temperature was about from 15 to 45 , while the melting and freezing latent were 58.14 and 70.63 kJ/kg.The indoor temperature and wall surface temperatures were measured. The temperature fluctuation in PCM greenhouse was 4.1 lower than that in normal greenhouse. The lowest temperature in PCM greenhouse was 1.7 higher than that in normal greenhouse, while the highest temperature in PCM greenhouse was 2.4 lower than that in normal greenhouse. The Chaoguan NO.1 tomato was cultivated in two test greenhouses. The growth status was better in PCM greenhouse. The conclusion is that the PCM wall has good effects on the indoor temperature and the crop growth. Key words: greenhouse， indoor temperature, differential scanning calorimetry (DSC), phase change material bricks, tomato growth</p>
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