无机水合盐相变储能材料在温室大棚中的应用方式研究进展

鄢冬茂++蔡文蓉

摘要 相变储能技术应用于温室大棚，在温室节能和优化作物生长环境等方面可发挥重要的作用。本文综述了相变材料在温室大棚中的应用方式，重点对基于无机水合盐相变储能材料的相变墙体和相变蓄热装置2种应用方式进行了评述。指出未来的研究重点是优化相变蓄热装置效率以及开发更高效的应用形式。

关键词 无机水合盐相变材料；温室大棚；潜热

中图分类号 TB34 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）07-0187-02

Progress on Inorganic Salt Hydrate as Phase Change Material and Its Application in Greenhouses

YAN Dong-mao 1，2 CAI Wen-rong 1

（1 Shenyang Research Institute of Chemical Industry，Shenyang Liaoning 110021； 2 State Key Laboratory of Fine Chemicals，

Dalian University of Technology）

Abstract The application of phase change energy storage technology in greenhouse can play an important role in greenhouse energy conservation and optimization of crop growth environment.The applications of inorganic salt hydrate phase change materials in greenhouses were reviewed. In addition， two application modes of phase change wall and phase change thermal storage device were evaluated. This paper pointed out that the current essential problems in its application were the design of phase change thermal storage device and development of more efficient forms of application.

Key words inorganic salt hydrate phase change material；greenhouse；latent heat

溫室大棚可将温度和湿度控制在适宜农作物生长的范围内，用于反季节种植栽培农产品，使农业生产摆脱自然气候的制约，提高农业生产率。为适应严冬的夜晚和酷暑的白天等气候条件，温室大棚内往往配备升温和降温系统，存在高能耗和高运行成本等问题，成为影响设施农业生产效益的瓶颈问题。

相变材料在发生相变时能吸收或释放大量的热，与显热储能和化学反应储能材料相比，具有储放热过程近似等温、储能密度大、易于控制等优点，可解决热能供需在时间和空间上的分配矛盾问题，广泛用于提高太阳能、工业余热和谷电等能源的利用率。相变材料用于温室大棚，不仅能够节约常规能源，减少环境污染，而且可提高温室蓄热和保温性能，增加室内温度的自调节功能，有利于优化作物生长环境，提高经济效益，对促进我国现代农业的发展具有重要意义。

从20世纪80年代开始，国内外研究用于农业温室中的相变材料主要有无机水合盐类、石蜡类、聚乙二醇（PEG）、有机酸类等[1]。其中，无机水合盐的相变温度为8～117 ℃，相变焓值为100～400 kJ/kg，具有相变温度可调、储热密度大、导热系数大、毒性小和价格便宜等优点，是应用于温室大棚的优选相变材料。在此基础上，进行相变储热系统的设计和应用研究，对充分发挥材料性能优势和温室热环境的优化非常重要。国外巴斯夫等公司在相变储能温室建筑环境工程设计研究方面起步较早，技术逐渐成熟。国内研究则处于刚起步阶段，主要发展了相变墙体和相变蓄热装置2种应用方式。本文重点综述了近年来国内外相变材料在温室大棚中的应用形式及存在的问题，并展望了未来发展方向和应用前景。

1 相变墙体

温室北墙的作用是保温蓄热，将相变材料用于北墙构成相变墙体，形成相变墙体蓄热系统，可以减少墙体厚度，提高土地利用率。相变材料在温室北墙的应用方式主要有以下几种：①将相变储能材料浸入到多孔的混凝土中，制成相变混凝土；②将相变蓄能墙体材料涂抹于温室大棚北墙内表面；③将相变材料制成相变砌块，建筑相变保温墙体。

王 蕊等[2]采用玻化微珠相变保温砂浆和玻化微珠保温砂浆作为蓄热层和保温隔热层，与木工板相结合构成温室的复合围护墙板，可大幅减小墙体厚度，可满足冬暖型温室大棚对室内温度的要求。杨小龙等[3]制备了十二水磷酸氢二钠相变蓄热墙板，建造了后墙结构为“80 mm相变蓄热板+40 mm×60 mm×2.5 mm方钢+80 mm菱镁聚苯保温板”日光温室。结果表明：典型晴天时，相变蓄热板温室的气温波动幅度比对照小4.2 ℃，典型阴天时，相变蓄热板温室的平均气温比对照高1.6 ℃。相变蓄热板墙体造价比对照低22元/m2，土地利用率提高4.2%～12.2%。陈 超等[4]将研制的新型复合相变蓄能墙体材料应用于温室大棚北墙内表面，构成相变温室大棚。较普通温室大棚，相变温室大棚白天棚内最高空气温度约低2 ℃，夜间棚内空气温度可高出6 ℃，大大减小了棚内空气温度波动。

在此温室的基础上，凌浩恕等[5]提出一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体构筑体系。多曲面槽式空气集热器吸收太阳能，利用热风加热的方式将热能引入到墙体内部。通过主动与被动相结合的蓄热方式，提高日光温室后墙体的太阳能热利用率以及厚重墙体内部层温度和蓄热能力。此温室的蓄热能力为普通建筑材料的15.5倍。张 勇等[6]利用聚乙烯塑料薄膜将研制的复合相变材料封装后，添加到空心砌块中制备了相变砌块。将相变砌块应用到温室北墙上，室内温度白天可降低5.7 ℃，夜晚可提高5.8 ℃。马江伟[7]将六水氯化钙/陶粒定形相变材料与传统的混凝土建筑材料按照一定的比例混合，制备无机相变砌块，适合应用于日光温室中。

将相变材料直接应用于相变墙体中存在以下几个问题：一是相变材料的泄露；二是降低建筑材料本身的结构强度；三是降低相变材料的储能密度。因此，选择与相变材料具有良好相容性的基体材料以及采用合适的制备工艺制作相变储能墙体，仍是需要研究的重点问题。

2 相变蓄热装置

相变蓄热装置将储热器和热交换器结成一体，因而在储热或取热的同时也进行着热交换。在温室大棚中，相变蓄热装置的设计一般有2种：一是在温室外设太阳能收集装置，通过热能传输装置将温室外的热能输送到温室内，储存在相变材料储存装置中，根据温室的需热量为温室补充热量；二是在温室内设相变蓄热装置，将白天温室内多余的能量以潜热的形式储存起来，夜间温室气温降低时再将其释放，为温室加温。

闫彦涛设计了一种太阳能蓄热系统。白天，太阳能集热板收集太阳能，以热能的形式储存到相变材料内；夜间，蓄热器储存的热量加热气温较低的空气，通过空气循环，使白天蓄积的热量输送到温室内，从而维持温室内相对较高的温度。Jaffrin等[8]将CaCl2·6H2O材料应用于玻璃温室，设计了一种地下储热系统。相变储热罐放于混凝土管道内，管道上部安装热交换板，将管道埋在温室地面以下。白天，太阳照射时，室内热空气通过通风道传给地下相变储热系统；晚上，通过循环空气将相变储热系统内的热量引入室内。这种储热形式具有效率高、不占室内有效空间等优点。黎少辉等[9]设计了一种新型相变储能换热器，主要有三大模块构成，即相变材料储存器、集气器、排气模块。白天棚内温度过高时，高温气体加热相变材料进行热能存储。当大棚温度降低到设定温度时，相变材料释放热量加热空心管内的空气，热空气通过内排管排进大棚，从而实现大棚内温度调节。Kern等[10]设计相变储热装置包括室内和室外2部分。各部分内置装有CaCl2·6H2O的气溶胶罐，室外配集热器。白天2个储存系统分别吸收储存室内外热量，晚上则将热量释放入温室内。结果表明，室外系统可释放出80%～90%所吸收的热量，室内系统释放出60%～80%。这种方式储热量大，调节能力强，但结构较复杂。

由于温室大棚中的作物需要时常更换，并且作物不同生长阶段所需要的适宜温度也不同，例如育苗破土前后的温度需求差别就很大。因此，相比于相变墙体而言，相变蓄热装置在满足温室大棚这一方面的要求更具有优势，可通过更换装置中相变材料实现。这就要求相变蓄热装置的设计要求简单，方便拆卸，对其铺设方式也有很大的要求。相变蓄热装置是相变材料应用于温室大棚中有效的储热方法，但其工艺和储放热效率等方面尚需进一步改进。

3 结论与展望

相变材料在温室大棚中的应用形式决定了其实际工作中的效率。研究相变材料与建筑材料的相容性以及混合后材料的储热特性、传热特性，对于提高能源利用率十分重要；研究相变储热器的强化换热措施，改进换热器的结构，使相变装置简单化，从而提高土地利用率；增加辅助加热装置，在太阳能不能满足温室负荷的要求时保证温室环境的稳定。

目前，相变储能材料的规模化商业化品种不多，在实际工程应用时仍然存在一些技术瓶颈问题。随着我国农业生产的工业化发展，相变储能材料在温室大棚中的应用在提高太阳能热利用等方面将发挥日益重要的作用。无机水合盐相变材料应用于温室大棚的研究已在寿光等地区建立起了应用示范基地，为大技术的规模推广应用奠定了良好的基础，未来仍需开发更多更有效的应用形式，加速其應用进程。

4 参考文献

[1] 王宏丽，邹志荣，陈红武，等.温室中应用相变储热技术研究进展[J].农业工程学报，2008，24（6）：304.

[2] 王蕊，姚轩，李珠，等.玻化微珠相变保温蓄热材料在日光温室中的应用及其能耗分析[J].工程力学，2012（增刊2）：216-220.

[3] 杨小龙，王宏丽，许红军，等.磷酸氢二钠相变墙板在温室中的应用效果[J].上海交通大学学报，2014，32（4）：88-94.

[4] 陈超，果海凤，周玮.相变墙体材料在温室大棚中的实验研究[J].太阳能学报，2009，30（3）：287.

[5] 凌浩恕，陈超，陈紫光，等.日光温室带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体体系[J].农业机械学报，2015，46（3）：336.

[6] 张勇，邹志荣，李建明，等.日光温室相变空心砌块的制备及功效[J].农业工程学报，2010，26（2）：263-267.

[7] 马江伟.日光温室无机相变蓄热砌块的制备及性能研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[8] JAFFRIN A，CADIER P，VENARD M.La Baronne solar greenhouse of CREAT-CNRS[C]//FAO REUR Technical Series I-on Greenhouse Hea-ting with Solar Energy.Rome，1987：192.

[9] 黎少辉，吉智.相变储能材料在温室大棚保温中的应用[J].现代农业科技，2015（5）：198.

[10] KERN M，ALDRICH R A.Phase change energy storage in a gre-enhouse solar heating system[C]//Paper presented at the summer meeti-ng of ASAE and CSAE，June 24-27.University of Manitoba，Winnipeg，1979.