日光溫室相變蓄熱墻體材料性能試驗(yàn)研究

日光溫室相變蓄熱墻體材料性能試驗(yàn)研究

0相變蓄熱墻體材料板陽(yáng)光室內(nèi)的濕熱環(huán)境受室外太陽(yáng)輻射、室內(nèi)圍欄結(jié)構(gòu)的工農(nóng)業(yè)性能（包括墻和前坡面的覆蓋）和土壤熱濕特性的影響。而其中集蓄熱、保溫于一體的日光溫室墻體,對(duì)日光溫室熱環(huán)境影響尤為重要,它是日光溫室夜間重要的加溫?zé)嵩?其白天蓄集太陽(yáng)能的能力越強(qiáng),夜間提供給溫室內(nèi)的熱量也越多。反映日光溫室墻體熱工性能的主要參數(shù)有墻體的熱阻性與蓄熱性。目前日光溫室墻體的基本構(gòu)筑方法有3種:磚墻、土質(zhì)墻體和復(fù)合異質(zhì)墻體。無(wú)論是磚墻、還是土質(zhì)墻體,這類(lèi)建筑材料的熱工性能主要體現(xiàn)為熱阻性(但其熱阻性又遠(yuǎn)不及聚苯乙烯泡沫板),而其蓄熱性相對(duì)都比較弱。通常,通過(guò)增加墻體厚度的方法,達(dá)到提高墻體熱阻性和蓄熱性的目的,但其結(jié)果往往致使溫室墻體過(guò)厚(1.5m以上,有的甚至高達(dá)9m),造成土地利用率低、建材用量增加過(guò)多。隨著相變蓄熱技術(shù)不斷進(jìn)步,可利用相變材料具有較高的蓄熱性能,白天充分吸收并蓄積照射在北墻表面的太陽(yáng)熱能,夜間再將蓄積的熱量釋放出來(lái),以改善溫室的熱環(huán)境,提高溫室北墻太陽(yáng)能利用率、減薄溫室墻體厚度、提高土地利用率[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。本研究在課題組研制的相變蓄熱墻體材料的基礎(chǔ)上,將所研制的相變蓄熱墻體材料板應(yīng)用于日光溫室北墻內(nèi)側(cè),以提高溫室北墻的太陽(yáng)能集熱、蓄熱能力;并與原有的普通紅磚墻日光溫室進(jìn)行比較試驗(yàn),以評(píng)估相變蓄熱墻體材料板應(yīng)用于日光溫室的可行性。1材料和方法1.1溫室區(qū)域的劃分供試日光溫室位于北京市昌平區(qū)小湯山特菜基地。如圖1所示,該溫室長(zhǎng)54.0m,跨度5.8m,北墻高2.3m,脊高2.9m;東、西、北墻均為0.80m厚磚墻;前坡屋面覆蓋薄膜為0.12mm厚的EVA長(zhǎng)壽無(wú)滴薄膜,夜間保溫覆蓋物為35mm厚草簾。每天上午09:00開(kāi)啟,下午17:00關(guān)閉。為了進(jìn)行比較研究,將溫室沿長(zhǎng)度方向等分成2個(gè)溫室區(qū)域,分別為1#普通溫室和2#相變溫室,2個(gè)溫室區(qū)域用100mm厚聚苯乙烯泡沫板分隔(圖1a)。本研究與文獻(xiàn)對(duì)比表明,相變溫室布置位置不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很小,說(shuō)明上述2試驗(yàn)溫室的等熱性條件相似。課題組研制的相變蓄熱墻體材料板粘貼在2#相變溫室北墻內(nèi)表面上(圖2),相變蓄熱墻體材料板由石蠟、高密度聚乙烯和水泥砂漿材料構(gòu)成,其主要熱工性能參數(shù)如表1。1.2境熱設(shè)計(jì)指標(biāo)根據(jù)建筑熱過(guò)程理論,評(píng)價(jià)日光溫室熱環(huán)境的熱工參數(shù)主要有溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁表面溫度及其蓄熱量、耕作層(0~20cm)土壤溫度、以及溫室內(nèi)環(huán)境溫度等。1.2.1立地條件屋頂設(shè)計(jì)溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面包括北墻,東、西山墻,后坡屋面,前坡屋面以及土壤表面。壁表面溫度的變化直接影響溫室內(nèi)環(huán)境溫度的變化,是溫室環(huán)境控制的重要參數(shù)之一。1.2.2建筑墻體材料建筑墻體材料的蓄熱能力受其比熱容、密度等參數(shù)的影響。對(duì)于普通建筑墻體材料(例如,紅磚、土質(zhì)墻體)的蓄熱量可按式(1)計(jì)算;本課題組研制的新型相變蓄熱墻體材料板的蓄熱量計(jì)算式如式(2)所示。式中,qBrick為普通建筑墻體材料單位質(zhì)量蓄熱量,kJ/kg;CBrick為普通建筑墻體材料比熱,kJ/(kg·℃);qPCM為相變蓄熱墻體材料板單位質(zhì)量蓄熱量,kJ/kg;mCer為相變蓄熱墻體材料板中普通建筑基體材料的質(zhì)量,kg;CCer為相變蓄熱墻體材料板中普通建筑基體材料的比熱,kJ/(kg·℃);mPCM為相變蓄熱墻體材料板中相變材料的質(zhì)量,kg;CPCM為相變蓄熱墻體材料板中相變材料板對(duì)應(yīng)溫度下的比熱,kJ/(kg·℃),可根據(jù)相變材料的DSC(differentialscanningcalorimeter)曲線得到;t1,t2為材料溫度,℃。1.2.3影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的因素耕作層是指溫室內(nèi)土壤表面至20cm深度之間的土壤層。耕作層土壤溫度對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起決定性作用,直接影響根系的伸長(zhǎng)、衰老和對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收。它不僅是溫室栽培作物生育中的一個(gè)重要環(huán)境條件,也是室溫升高的直接熱量來(lái)源之一。因此,耕作層土壤溫度也是溫室熱環(huán)境評(píng)價(jià)中重要的指標(biāo)之一。1.2.4溫室內(nèi)空氣溫度trt溫室內(nèi)作物同時(shí)受空氣溫度和室內(nèi)各壁面溫度的作用,為了綜合評(píng)價(jià)二者對(duì)作物的影響,采用溫室環(huán)境溫度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),它是指溫室內(nèi)植物周?chē)h(huán)境的溫度,是溫室內(nèi)各圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度與室內(nèi)空氣溫度共同作用的結(jié)果,也簡(jiǎn)稱(chēng)為實(shí)感溫度。它是溫室熱環(huán)境調(diào)控的基本指標(biāo),用Te表示(單位:℃),可按式(3)計(jì)算在工程實(shí)際中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面平均輻射溫度TMRT(單位:℃)可近似地用圍護(hù)結(jié)構(gòu)各壁面溫度與相應(yīng)壁面積的加權(quán)平均計(jì)算,如下式中,Ta為溫室內(nèi)實(shí)測(cè)空氣溫度,℃;Ai為溫室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)第i個(gè)壁面面積,m2;Ti為對(duì)應(yīng)第i個(gè)壁面的實(shí)測(cè)溫度,℃。1.3太陽(yáng)輻射和空氣溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)t試驗(yàn)過(guò)程中重點(diǎn)觀測(cè)2個(gè)溫室北墻壁面溫度、空氣溫度以及土壤溫度;測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示,共布置溫度傳感器90個(gè)(銅-康銅T型熱電偶),各溫度傳感器均設(shè)置了防太陽(yáng)輻射處理,所有數(shù)據(jù)采用HP34970A型數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),10min采集1次;同時(shí),還采用便攜式移動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻照度、室外空氣溫度和風(fēng)速等。測(cè)試期間為2010年12月21日至2011年1月18日。2結(jié)果與分析2.1太陽(yáng)輻射強(qiáng)度圖3為測(cè)試期間室外空氣溫度與太陽(yáng)總輻照度變化曲線。由圖可知,測(cè)試期間以晴天為主,大約占82%,室外空氣在-10.4℃至8.4℃之間變化,平均氣溫約為-2.3℃;晴好天氣正午太陽(yáng)總輻射最大達(dá)到1197W/m2;陰天太陽(yáng)輻射峰值不超過(guò)480W/m2,其它天氣的太陽(yáng)總輻照度都高于600W/m2。晴天日光照時(shí)間從上午9:00至15:30,光照時(shí)間達(dá)到6.5h,光照時(shí)間長(zhǎng),有利于日光溫室冬季越冬種植。2.2典型天氣日的日變化為了比較相變蓄熱墻體板對(duì)日光溫室環(huán)境溫度的影響,本研究選取冬至日(2010年12月22日晴天,見(jiàn)圖4a)、多云天氣(2010年12月25日,見(jiàn)圖4b)、陰天(2011年1月8日,見(jiàn)圖4c)和晴好天氣(2011年1月16,見(jiàn)圖4d)4種典型天氣日進(jìn)行分析。2.2.1根據(jù)時(shí)間不同需要,室北墻壁面溫度特征圖4分別為1#普通溫室和2#相變溫室北墻內(nèi)壁面溫度變化曲線。由圖可知,白天,受太陽(yáng)輻射影響,2溫室北墻內(nèi)壁面溫度均呈現(xiàn)同樣的變化規(guī)律,即隨太陽(yáng)輻照度的增大,壁面溫度快速上升直到達(dá)到最高;然后隨太陽(yáng)輻照度減小,墻壁面溫度逐漸降低;所不同的是,2#相變溫室北墻受相變蓄熱墻體板蓄熱的影響,中午以后隨著太陽(yáng)輻照度的減小,墻壁面溫度的下降速率明顯低于1#普通溫室;夜間,2#相變溫室北墻內(nèi)壁面溫度則始終高于1#普通溫室。冬至日(2010年12月22日,如圖4a),上午09:00保溫草簾開(kāi)啟,受太陽(yáng)輻射的影響北墻內(nèi)壁面溫度快速上升,1#普通溫室和2#相變溫室均在14:00左右達(dá)到最高值,分別為31.8和35.0℃;隨后壁面溫度逐漸下降,此階段2個(gè)溫室北墻內(nèi)壁面溫度出現(xiàn)差異,并不斷加大,到17:00保溫草簾關(guān)閉時(shí),1#普通溫室和2#相變溫室北墻內(nèi)壁面溫度分別為18.9和21.8℃,白天2#相變溫室壁面平均溫度較1#普通溫室約高2.0℃。保溫草簾關(guān)閉期間(17:00至次日09:00),受墻體蓄熱的影響,2#相變溫室的溫降速率明顯慢于1#普通溫室,2#相變溫室北墻內(nèi)壁面溫度始終高于1#普通溫室,夜間2#相變溫室壁面平均溫度較后者高3.6℃。17:00至19:00時(shí)段,2#相變溫室比1#普通溫室約高3.4℃;19:00至次日7:30時(shí)段,后者始終比前者約高3.8℃;次日07:30至09:00時(shí)段,兩者溫度差略有減小,約為2.8℃;并在8:30時(shí),2個(gè)溫室壁面溫度都處于全天溫度最低點(diǎn),分別為10.3和7.3℃。晴好、陰天和多云天氣也呈類(lèi)似變化規(guī)律,白天草簾開(kāi)啟時(shí)段,2#相變溫室壁面平均溫度分別比1#普通溫室高2.1、2.7和1℃;夜間草簾關(guān)閉時(shí)段,前者比后者分別高2.2、2.1和4.3℃。2.2.2相變溫室墻體蓄熱量對(duì)比圖5為本課題組研制相變蓄熱墻體材料與普通建筑材料的蓄熱性能比較示意圖。普通建筑材料為顯熱蓄熱特征,其蓄熱量隨著溫度不斷升高呈線性增加;而相變蓄熱墻體材料則主要為潛熱蓄熱特征,相變材料處于相變溫度區(qū)間時(shí),可在恒溫或近似恒溫條件下蓄存和釋放大量相變潛熱量(對(duì)于同質(zhì)量的材料,該值約是普通建筑材料的15.5倍),約占總蓄熱量的80%以上;非相變區(qū)間,相變材料的蓄熱特基本同與普通建筑材料。圖6是依據(jù)式(1)和式(2)分析得到的2個(gè)溫室北墻蓄熱量隨時(shí)間變化曲線。以晴好天氣日(2011年1月16日)為例,如圖6a所示,草簾開(kāi)啟時(shí)(09:00),由于前一夜的放熱,1#普通溫室和2#相變溫室墻體蓄熱量都處于較低值,但2#相變溫室墻體蓄熱量大于1#普通溫室,分別為9.8和6.7kJ/kg。隨著太陽(yáng)輻照度不斷增大,2個(gè)溫室北墻的蓄熱量雖然都在13:30前后達(dá)到最大值,但以顯熱蓄熱為特征的1#普通溫室北墻的蓄熱量(13:45時(shí)35.6kJ/kg)明顯低于以潛熱蓄熱為主要特征的2#相變溫室北墻的(14:15時(shí)162.6kJ/kg),相變蓄熱墻體材料板的太陽(yáng)能蓄熱能力約是普通磚墻的4.6倍。隨著下午太陽(yáng)輻射照度不斷減小,2個(gè)溫室墻體的蓄熱量因向溫室內(nèi)、外釋放熱量而持續(xù)下降趨勢(shì),直到次日上午09:00達(dá)到最低。草簾關(guān)閉期間(17:00到次日09:00),1#普通溫室和2#相變溫室北墻累計(jì)向溫室內(nèi)釋放的太陽(yáng)熱能分別為16.4和129.5kJ/kg,后者約為前者的8倍。即使是陰天(2011年1月8日),如圖6b,2#相變溫室北墻集蓄太陽(yáng)散射輻射熱的能力也優(yōu)于1#普通溫室,上午09:00保溫草簾開(kāi)啟時(shí),1#普通溫室和2#相變溫室北墻蓄熱量分別為7.3和11.4kJ/kg;13:30的蓄熱量分別為9.4和14.9kJ/kg;在保溫草簾關(guān)閉期間(17:00至次日09:00),1#普通溫室與2#相變溫室墻體累計(jì)向溫室內(nèi)釋放的熱量分別為5.1和8.1kJ/kg。上述試驗(yàn)結(jié)果表明,所研制的相變蓄熱墻體材料對(duì)提高日光溫室太陽(yáng)能利用率以及日光溫室熱環(huán)境的改善都起到積極有效作用。另外,材料的蓄放熱能力大小是材料的固有屬性,在外界條件和材料熱物性不變時(shí),材料的蓄放熱能力不變,但材料的熱物性不同會(huì)使蓄放熱速率產(chǎn)生差異,達(dá)到最大蓄熱量時(shí)的時(shí)間會(huì)有差異。2.2.3蓄熱墻體的溫度場(chǎng)特征1#、2#溫室均種植了同品種的番茄,采用起埂雙行種植方式。埂高0.15m,大行距0.7m,小行距0.6m,株距0.3m,植物距北墻內(nèi)壁面0.7m,實(shí)測(cè)期間番茄株高平均達(dá)到1.5m左右。受株高的影響,北墻內(nèi)壁面溫度沿高度方向的溫度分布明顯不均勻、出現(xiàn)上高下低的現(xiàn)象。這種遮擋作用明顯影響北墻的蓄熱能力。圖7為2#相變溫室北墻相變蓄熱墻體板壁面上、下部測(cè)點(diǎn)(圖1c)溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖7可知,2011年1月16日之前,受植株遮擋的影響,上部測(cè)點(diǎn)的溫度明顯高于下部測(cè)點(diǎn)的,如晴天(圖7a)中午前后最大溫差達(dá)到11℃,夜間上部溫度高于下部1~2℃;多云和陰天天氣(圖7b、c)也有相似規(guī)律,只是因白天室外太陽(yáng)輻射照度減弱,上部與下部材料的蓄熱量差異減小,使其溫差減小。從1月16日開(kāi)始,因改種小油菜,植株遮擋影響消除,北墻內(nèi)壁面上、下位置測(cè)點(diǎn)溫度幾乎無(wú)差異(圖7d)。2.3天氣溫度分析圖8為2溫室耕作層不同深度(表面、10和20cm)土壤溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖8可知,受太陽(yáng)輻照度影響,2溫室內(nèi)耕作層不同深度土壤溫度波動(dòng)幅度均隨土壤深度的增加而逐漸減弱?？紤]土壤溫度受其熱濕傳遞過(guò)程的影響,重點(diǎn)以相變蓄熱墻體材料對(duì)土壤熱影響趨于穩(wěn)定后的晴天(2011年1月7日)和陰天(2011年1月8日)作為典型日進(jìn)行分析。晴天(2011年1月7日)在9:00前后,2個(gè)溫室土壤表面溫度都達(dá)到最低,1#溫室與2#溫室分別為5.7和6.1℃,而在13:30左右都達(dá)到最大值,分別為23.6和21.2℃。白天,1#普通溫室耕作層表面平均溫度較2#相變溫室高2.1℃,達(dá)到18.4℃;保溫草簾關(guān)閉期間(17:00至次日09:00),由于相變蓄熱墻體材料良好的蓄放熱能力,2#相變溫室土壤表面平均溫度較1#普通溫室高1.6℃,達(dá)到11.1℃;同樣,耕作層10和20cm深度處,2#相變溫室的耕作層日平均溫度較1#普通溫室約高0.5℃。陰天(2011年1月8日),2#相變溫室耕作層土壤表面、10和20cm深度處日平均溫度依次較1#普通溫室約高1.4、0.6和0.5℃,2#相變溫室耕作層土壤溫度的提高,為作物的正常生長(zhǎng)提供了重要的溫度條件。2.4溫室溫濕度變化圖9是根據(jù)式(3)得到的2個(gè)溫室環(huán)境溫度變化曲線。由于環(huán)境溫度受溫室周?chē)诿婧屯寥辣砻孑椛錅囟燃翱諝鉁囟裙餐饔?同樣選取晴天(2011年1月7日)和陰天(2011年1月8日)作為典型日進(jìn)行分析。晴天(2011年1月7日)在08:00前后,2個(gè)溫室環(huán)境溫度都達(dá)到最低,1#溫室與2#溫室分別為3.2和4.8℃;上午09:00保溫草簾開(kāi)啟,受太陽(yáng)輻照和圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面輻射換熱的影響溫室環(huán)境快速上升,1#普通溫室與2#相變溫室在14:00時(shí)前后均達(dá)到最高值,分別為26.4和25.6℃;隨后環(huán)境溫度逐漸下降,并且2個(gè)溫室環(huán)境溫度出現(xiàn)差異并不斷加大,到17:00保溫草簾關(guān)閉時(shí),1#普通溫室和2#相變溫室環(huán)境溫度分別為13.4和15.8℃。白天,2#相變溫室環(huán)境平均溫度較1#普通溫室高0.2℃。保溫草簾關(guān)閉期間(17:00至次日09:00),受溫室內(nèi)壁面輻射溫度和空氣溫度的影響,2#相變溫室的環(huán)境溫降速率明顯慢于1#普通溫室,2#相變溫室環(huán)境溫度始終高于1#普通溫室,夜間,2#相變溫室環(huán)境平均溫度較后者約高2.1℃。即使是陰天(2011年1月8日),2#相變溫室環(huán)境溫度也始終高于1#普通溫室,白天(草簾開(kāi)啟時(shí)段),2#相變溫室環(huán)境平均溫度比1#普通溫室約高2.1℃;夜間(草簾關(guān)閉時(shí)段)前者也較后者約高1.6℃。從分析可以看出,相變墻體材料板加入到溫室后墻后,能提高環(huán)境溫度的整體