复合相变墙体材料在温室大棚后墙中的应用

2021-12-08顾金寿

农业科技与信息 2021年1期

顾金寿

（甘肃自然能源研究所，甘肃兰州730000）

随着我国科学技术的飞速发展，农业科技水平得到显著提高，现代化建设正在向“科技兴农”的方向迈进[1]。温室大棚作为农业生产的重要工具，具有保温、储热的特点，已经在世界各地普及，在我国北方地区最为普遍。它利用太阳能来提高室内温度，从而为农作物生长提供适宜的温度及环境，推动农作物增产，提升生产质量。但温室大棚在实际应用过程中仍无法满足农作物生长的必需条件，也对一些不可再生资源造成了浪费，污染了生态环境，因此需要对温室大棚建设进行优化。在温室大棚后墙应用复合相变墙体材料可以达到节约能源、减少环境污染的目的。

1 相变材料在温室大棚中的应用

1.1 温室大棚蓄热相变材料

温室大棚中使用的复合相变材料主要分为3类，共晶化合物材料（45.3%尿素+54.7%NH4NO3、74.9%棕榈酸+25.1%丙酰胺酸等）、无机材料（Na2HPO4·12H20、CaCl2·6H20、KF·4H20 等）和有机材料（石蜡、正十六烷、脂肪酸、聚乙二醇等）[2]。

复合相变材料具有潜热性，与显热储能相比，其蓄热储能密度更高，蓄放热范围更小，实际效果更加有效。除此之外，相变温度范围能够为农作物带来良好的生长环境。

1.2 温室蓄热无机相变材料

在温室大棚蓄热材料中，无机相变材料熔点范围较宽，因此应用极为广泛。目前，CaCl2·6H20、Na2SO4·10H20、CH3COONa·3H20 等无机相变材料在温室大棚后墙建设应用最广，主要原因是其具备导热性好、潜热值大、相变形态变化小、相变温度范围符合作物生长条件、廉价经济等优点。除此之外，无机相变材料还可以合理控制温室大棚内的温度及湿度，节约能源和费用，对植物生长大有裨益。但该材料的使用也存在一定不足，一是无机水合盐会产生过冷现象；二是会发生相分离现象，严重影响相变过程。因此使用中应添加防过冷剂和防相分离剂。

1.3 温室蓄热有机相变材料

目前，在温室大棚中经常使用石蜡、烷烃、脂肪酸等有机相变材料。一般情况下，同系有机物碳链长度与相变焓值和相变温度呈正比关系，因此有机相变材料的相变温度范围极广，随着碳链长度的不断增加，相变温度的增长趋势逐步减缓并趋于平稳。该材料在固体形态时具有良好的成型性，且性能稳定、毒性小、腐蚀性小、成本低，但在使用期间过冷、相分离等现象发生率较大[3]。与此同时，有机相变材料单位体积内仅能存储少量热量，因此相变过程中会出现明显的体积膨胀或收缩变化，且熔点较低。当处于高温环境时，极易出现氧化、挥发性现象，甚至还会导致燃烧、爆炸，给农业带来经济损失。目前，在温室大棚中通常将有机相变材料和无机相变材料组合使用，使2 种材料的缺陷能够相互弥补，有效提升材料性能，从而使其应用范围更加广泛。

1.4 石蜡类相变材料

石蜡是原油的重要组成物质，属于混合物，主要代表成分为直链烷烃（通式：CnH2n+2）。烷烃链条长度直接决定了石蜡的熔点和熔解热，两者呈正比关系，但当碳链长度超过一定范围时，其熔点和熔解热变化会逐渐趋于定值[4]。在同样的环境条件下，石蜡类相变材料的熔点和熔解热比无机相变材料更为理想化。为了得到合适的相变温度，应该根据实际情况挑选含有不同数量碳原子的石蜡类物质。一般情况下，石蜡的化学性质较为稳定，当其与酸碱性物质相遇时，仅与硝酸发生反应。在140℃环境中，石蜡不易碳化分解和开裂，但其表面硬度小，软化点较低。石蜡基本不会发生过冷和相分离现象，没有腐蚀性，成本相比较而言更为亲民。但石蜡也存在一定缺点，如密度小、导热系数低等。为了有效提升石蜡的导热性能，在使用期间通常会添加一定比例的石墨、金属网、金属屑等成分。

1.5 脂肪酸类相变材料

常见的温室大棚脂肪酸类相变材料为醇、酯、脂肪酸等，通式为CH3（CH2）2nCOOH，熔点和熔化热的范围较大，在蓄热领域应用频繁。该类材料具有腐蚀性小、不易燃、凝固和熔化性能可逆等优势，不易发生过冷和相分离现象，但也存在定形封装困难、导热性能差等劣势，导致其在相变储热的应用推广上受到了一定阻碍[5]。

2 北方温室大棚后墙相变材料的选择

2.1 作物生长温度要求

对于作物生长而言，温度能够影响其在生长过程中的代谢过程，包括有机物合成及运输、呼吸、光合、蒸腾等，因此气温的调节对于作物生长而言尤为重要[6]。在温室大棚内，主要是通过调节室内温度影响水分的吸收和疏导，从而为作物生长带来促进作用。不同温度、不同植物种类、新陈代谢酶数量等都是影响作物活性的要素，因此对温度的要求也各不相同。植物生长的温度要求分别为最低温度、最高温度和最适温度。在作物生长期间，温度环境不能低于最低温度，也不能高于最高温度[7]。理论上来讲，促使作物生长最快的温度环境即为最适生长温度，但该温度下生长作物并不能保证其健壮程度，因为作物在生长最快时会加速体内有机物的消耗，植株的生命力反而不会过于强壮。因此在培育植株的过程中，通常将温度环境调节至最适温度以下，该温度被称为最适协调温度。

因气候条件、植物种类各不相同，所以温度三基点也具有明显的差异性[8]。按照气候地带的作物生长三基点进行划分，寒带最适温度一般不超过10℃，有些植物甚至在0℃以下也能正常生长；温带处于中等温度，最适温度为25～30℃；亚热带或热带最高，最适温度为30～35℃。全球范围内，植株的平均最适生长温度为15～30℃，因此选用相变温度在15～30℃的温室相变材料砌筑大棚后墙最为理想。

2.2 地区气候分析

地区气候也可以对作物生长产生严重影响。由于我国北方是农业生产的重要基地，因此温室大棚的使用频次位于全球首位。本研究以北方地区的典型代表—辽宁省沈阳市为例，探究该地区气候对温室大棚农作物生长的实际影响。辽宁省沈阳市属温带大陆性季风气候，四季分明。冬季时长且寒冷，昼夜温差大，近三年（2017—2019 年）冬季平均气温为-11.2℃，年日照2 531 h 左右，太阳辐射年均量高达5 000 MJ/m2以上，太阳能资源十分丰富。

据调查，沈阳地区近三年（2017—2019 年）来的气温变化较为稳定，11 月至次年4 月的温度持续低于15℃，这样的温度环境不利于农作物生长，再加上该地区昼夜温差大，只有搭设温室大棚才能确保农作物的成活概率。这就为复合相变材料的温室大棚后墙应用提供了基础条件。

2.3 复合相变材料性能要求

北方温室大棚后墙的砌筑工程要以满足农作物生长为基础要求，因此复合相变材料的选取应满足以下几个条件：一是体积稳定、蓄热效率高、相变潜热大[9]；二是相变温度在15～30℃；三是相变过程可逆、无毒无害、化学性能稳定；四是相变材料来源丰富、价格低廉。

3 复合相变材料在温室大棚后墙中的应用效果

3.1 微气候变化影响

普通温室大棚全天室内温度变化趋势随外界温度变化而变化，虽不会影响作物正常生长，但变化浮动过高，波动严重可超过50℃。使用复合相变材料砌筑后墙的温室大棚全天室内温度变化趋势相对稳定，相变温度波动在1.7～42.5℃，相比之下，其温度波动幅度远没有普通温室大棚高。

相变材料常用来储存太阳能热量，其储热特性呈现隐性，与显热储热相比，该材料的储热密度更大、储热效率更高，温度变化波动也相对平缓。白天的外界温度变化对棚内温度不会产生太大影响，当大棚内温度达到一定数值后将不会继续升高，从而使多余的太阳能储存下来，以供夜晚使用。夜晚太阳照射消失，温室内白日储存的太阳能被释放，使室内温度维持在相变温度范围内，促进农作物生长[10]。

3.2 内环境影响

为了弥补相变材料的不足之处，在砌筑温室大棚后墙的过程中，会在相变材料中添加一定物质，膨胀金属、膨胀石墨等物质也可以将相变材料的性能进行强化，但由于造价成本过高，因此并未实行推广，而是采用金属屑来强化导热。

为了探究金属屑对相变材料导热性能的影响，本研究在相变温度范围为15～30℃的珍珠岩颗粒相变材料中添加质量相同但粒径不同（1.8～5 mm）的铁粉，以室内温度最先达到30℃为参照标准，结果发现掺杂的铁粉粒径越小，相变材料的导热性能越好。由于掺入相变材料中的铁粉体积相同，因此粒径越小的铁粉掺入量越多，这样与珍珠岩颗粒的接触面积就会增加，使其热量迅速传递给珍珠岩颗粒，促使相变材料导热性能得到强化。此外还具体研究了相变温度范围为15～30℃的珍珠岩颗粒相变材料中添加体积不同（0%、10%、15%）的铁粉对相变材料导热性能的影响。结果表明，铁粉渗入量越多，相变材料温度升高越快，导热效果越好。

3.3 农作物生长影响

本研究分别在相变温室和普通温室中种植等量、同种类的作物种子，观察并记录其生长状态。在观察中发现，升温阶段相变温室的平均温度大于普通温室，差距可达到4.2℃；降温阶段相变温室的平均温度同样大于普通温室，差距可达到2.3℃，但其温度降幅小于普通温室。在出苗成活率方面，100 株种子中相变温室出苗成活率超过80%，且成长状态良好；普通温室出苗成活率仅为45%左右，成长状态整体欠佳。说明采用复合相变材料砌筑温室大棚后墙能够有效改善温室蓄热性能，减缓环境温度变化，提高太阳能利用率，对农作物生长环境具有良好的调节作用。