基于相变储热材料的温室栽培架设计及性能研究

陈 昊，汪小旵，2，施印炎，张先洁

(1 南京农业大学 工学院，江苏 南京 210031；2 江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室，江苏 南京 210031)

受冬季风的影响，我国大部分地区冬季气候寒冷，气温普遍偏低[1-2]，在不加温条件下温室夜间很难保证作物生长所需的适宜温度，从而会严重影响作物的品质和产量[3]。为了解决低温冷害问题，前人将热水采暖、热风采暖和火道加温[4]等加温方式应用于冬季温室生产中，但这些传统加温方式多以燃油或燃煤作为供热能源，存在环境污染以及成本高昂的问题[5-8]。因此，研究环保节能的温室储能加温方式以降低温室能耗逐渐成为研究热点。

相变材料储热即潜热储热，是通过物质发生相变时吸入与放出大量热量的特性来存储和释放热量，相比于水[9-11]、卵石[12-13]等显热储热材料，相变材料具有较大的储热密度、相对恒定的温度变化、较少的用量等优点，相变材料储热被认为是最有发展前景的储热方式[14]。随着相变材料储热技术在能源和建筑领域的不断应用，国内外研究人员对如何将相变材料储热技术应用于温室增温进行了诸多探索。Jaffrin等[15]将相变储热系统埋在温室地下，白天将温室热空气通过风机传给相变储热系统，夜间将相变储热系统内的热量通过风机输送给温室，与传统加热玻璃温室相比，节省了60%～80%的燃料；王宏丽等[16]用相变材料和稻壳制作相变蓄热砌块，并用砌块组成日光温室后墙，试验结果表明相变温室的平均气温高于对照温室，且二者气温最高相差可达到5.3 ℃，而且相变温室内番茄的生长情况优于对照温室；管勇等[17]在温室北墙内侧粘贴相变蓄热墙体材料板组成相变温室，使温室夜间的后墙表面温度提高2.1～4.3 ℃，室内温度提高1.6～2.1 ℃，耕作层土壤温度提高0.5～1.4 ℃；李鹏等[18]在日光温室梯形墙内表面喷涂相变材料形成相变涂层，试验期间相变涂层温室墙体的吸热量和放热量均高于普通温室，与普通温室相比，相变涂层温室的室内气温平均提升1.3 ℃；闫彦涛等[19]研制了一种太阳能相变蓄热系统，将太阳能集热器与相变材料结合，发现该系统可将温室夜间温度平均提高2.0 ℃。但现有研究主要是对温室整体空间环境进行加温，而相变材料的投入成本较高，非作物种植区存在热量的无用消耗，同时对矮株作物来说，温室上部空间的加温也在客观上造成了能源浪费[20-21]，温室的能量利用率尚有一定的提升潜力。为了解决这一问题，本团队设计了一种基于相变储热材料的温室栽培架，晴天条件下以相变储热材料为介质储存太阳能，阴天条件下以辅助热源和相变储热材料共同为作物加温，可有效地降低能耗、减轻环境污染。本研究主要对低矮作物生长区域进行加温试验，测试不同天气条件下栽培架的温度变化情况以及作物生长状况，验证其增温效果，以期为相变储热材料在温室储能加温方案设计中的应用提供参考。

1 基于相变储热材料的温室栽培架设计

1.1 温室栽培架的结构

基于相变储热材料的温室栽培架结构如图1所示(以下简称栽培架)，主要由相变蓄放热系统、辅助加热系统、热风循环系统、支架等组成。整体尺寸为1 980 mm×800 mm×2 140 mm(长×宽×高)，栽培架的底部配有万向轮，便于移动换向。

相变蓄放热系统通过6个U型卡吊装在水平横支架下方，系统外罩由有机玻璃管制成，有机玻璃管外径为300 mm，壁厚5 mm，长1 700 mm。具有透光和保温的功能。封装的相变储热材料为无机水合盐类，与其他相变储热材料相比，具有价格便宜及制作工艺简单的优点[22]，其潜热值约为180 kJ/kg，相变温度点为21 ℃左右，每根管封装相变材料质量为3 kg，通过内部支撑架均匀分布在有机玻璃管内表面，形成空气流道，以便于热空气与相变材料管进行热交换。辅助加热系统主要由电热风机、控制箱等组成，风机功率为25 W，加热功率为1.5 kW；栽培槽由PP板组装而成，中部连接加强筋，以防止两边外扩。热风循环系统主要由集气罩、增温管道和回风管道组成，集气罩由有机玻璃制成，有良好的透光性，尺寸为1 800 mm×360 mm×180mm(长×宽×高)，可根据作物的高度调节集气罩的位置。增温管道由直径20 mm的PVC管组成，回风管道采用直径50 mm的PP折叠风管,增温管道和回风管道外部分别用厚度20和30 mm的橡塑保温管进行保温处理。

1.2 蓄放热方式

典型晴天条件下，相变蓄放热系统通过2种途径蓄热：一是与温室热空气进行热交换，白天风机自动开启，将温室的热空气输入到相变蓄放热系统，热空气与相变材料管进行热交换，完成热量储存；二是太阳辐射直接透过有机玻璃外罩，将热量储存在相变材料管中。夜间，相变蓄放热系统进行放热，风机启动将热量以空气为介质经过增温管道传送到种植区，空气在集气罩通过回风管道经过风机重新送入相变蓄放热系统，形成空气循环。典型阴天条件下，辅助加热系统自动启动，并与相变储热材料一起为作物增温。当储热材料产生的热量不足时，辅助加热系统的热量将有一部分被储存在相变材料管里，另一部分则通过热风循环系统为种植区作物增温。

2 试验方案

试验温室位于南京农业大学工学院博远楼楼顶，位于东经118°46′、北纬32°03′，为双脊Venlo型铝合金玻璃型温室，东西宽8 m，南北长16 m，顶高5.2 m，在栽培架和温室内分别种植了相同数量的番茄和线椒。以温室内种植的相同作物作为对照，以栽培架内种植的作物为试验组。

2.1 试验仪器

试验采用PT100铂电阻温度传感器(WZP-035，上海电器仪表三厂，量程-200～450 ℃)测温，太阳辐射强度由光电式太阳总辐射传感器(ZZ-RADS-TSTMA，济南智泽贸易有限公司，量程0～1 500 W/m2)测量，各测点温度和太阳辐射强度由无纸记录仪每分钟记录1次。基质温度由土壤温湿度传感器(济南智泽贸易有限公司，温度量程-40～80 ℃，精度0.5 ℃)测得，通过农业物联网监控系统记录数据。作物红外图像由FLIR红外成像仪(美国菲力尔公司，量程-20～400 ℃，热分辨率19 200像素)采集。风速由泰仕热线式风速仪(TES-1341，泰仕电子工业股份有限公司，量程0～30 m/s，分辨率0.01 m/s)测得。系统耗电量由电力监测仪(P06S-10，温州龙湾康利峰电器厂)测得。

2.2 测点布置

在试验温室外1 m高处布置室外温度测点，室内同一高度布置室内温度测点。光电式太阳总辐射传感器被放置在与相变蓄放热系统同一高度位置，用以监测太阳辐射强度的变化。相变蓄放热系统内进气口和出气口各放置1个温度传感器。在栽培槽基质表面的几何中心位置，插入土壤温湿度传感器。种植区内共布置8个测点，综合测量种植区内的温度，具体测点位置如图2所示，各位置温度均由仪器每分钟记录1次。

2.3 性能分析

2.3.1 太阳辐射热量 相变蓄放热系统从太阳辐射中获得的热量Qs为[23]：

(1)

式中：τ1为蓄热开始时间，τ2为蓄热结束时间，I为系统表面接收的太阳辐射强度(W/m2)，A为系统接收太阳辐射的有效表面积(m2)，τ为时间。

2.3.2 换热量 相变蓄放热系统在蓄、放热阶段以及辅助加热系统在制、放热阶段的换热量Q，可以用下式计算[24]：

(2)

式中：Cp为空气定压比热容(kJ/(kg·K))，G为空气质量流量(kg/s)，ΔT为第i个时段内系统内进出口温度的差值(℃)，t为每个测量段的时间(s)，n为测量时间段数。

2.3.3 性能系数 试验中，定义一个工作周期为08:00至次日08:00，共计24 h。参照能效比的一般定义，定义该栽培架的性能系数(coefficient of performance，COP)为一个工作周期内栽培架放热量与耗电量的比值，按下式计算[9]：

(3)

式中：Qh为栽培架放热量(kJ)，Qp为栽培架工作一周期的耗电量(kJ)。

2.3.4 能量利用率 为了评价整个栽培架对能量的利用效果，本研究提出能量利用率(ε)指标，用栽培架放热量与热源输入的热量之比[25-26]表示，即：

(4)

式中：Qh为栽培架放热量(kJ)；Qt为热源输入的热量(kJ)，典型晴天条件下Qt为相变蓄放热系统的蓄热量，典型阴天条件下Qt为辅助加热系统的制热量。

3 结果与分析

3.1 典型低温天气下温室内外气象条件的变化

在试验期间(2020-12-24至2021-01-12)获得的数据中，选取典型低温晴天和典型低温阴天的数据进行分析，得到典型低温天气条件下温室内外温度与太阳辐射强度的变化曲线如图3所示。由图3可知，试验期间南京地区的太阳辐射时间在07:00-17:00，峰值出现在12:00-13:00，典型晴天条件下太阳辐射强度最高达到790.3 W/m2，典型阴天条件下最大为97.5 W/m2，仅达到晴天条件下的12.3%。在温度方面，尽管室外温度较低，但典型晴天条件下的室内温度最高为25.0 ℃，能达到相变材料的相变温度点，与室外温度的最大温差为20.9 ℃。由此可见，典型晴天条件下，由于太阳辐射充足，玻璃温室日间热量富余，将这部分热量储存起来用于夜间放热将能有效节约能源。而典型阴天条件下的室内温度最高为9.7 ℃，与室外温差最大为3.9 ℃，因为无足够的太阳能为玻璃温室增温，室内温度随着室外温度的降低而持续走低。

3.2 不同天气条件下种植区的温度变化

3.2.1 典型晴天 为了综合分析相变蓄放热系统对种植区温度的影响，本研究选用了典型晴天条件下(2020-12-24 08:00至2020-12-25 08:00)种植区内各测点的温度变化进行分析，取种植区内T1、T2、T3、T4、T5、T6等6个测点的平均值作为种植区的温度(T1、T2、T3、T4、T5、T6)，并测定温室内温度(Tin)。从图4-a可以看出，白天由于太阳辐射的作用，种植区和温室内的温度变化趋势基本一致。放热开始后，种植区的温度短时间内逐步上升，但相变蓄放热系统传递到种植区的热量毕竟有限，无法完全弥补种植区所散失的热量，所以种植区的温度在达到峰值后开始逐步下降，随后种植区内温度与温室内温度的差值逐渐趋于稳定。这是因为此时冷空气通过风机进入相变蓄放热系统被加热，然后重新进入到种植区，热空气将热量散失在种植区后温度降低，再次通过风机进入相变蓄放热系统被加热，不断进行循环，相变蓄放热系统日间储存的热量不断进入到种植区。整个夜间(18:00-次日08:00)种植区平均温度较温室内平均温度高2.4 ℃，增温效果明显。

3.2.2 典型阴天 为评价典型阴天条件下辅助加热系统对种植区温度的影响，本研究选取2021-01-04 8:00至2021-01-05 08:00的数据进行分析。由图4-b可见，辅助加热系统开始工作后，种植区内温度迅速上升并逐渐稳定，种植区内各测点温度明显高于温室内，即使温室内温度持续降低，在辅助加热系统工作期间，种植区内的温度均维持在相同水平，说明加热稳定。整个夜间(18:00-次日08:00)种植区平均温度较温室内高3.3 ℃，说明辅助加热系统可以有效地为作物生长环境增温。

3.2.3 夜 间 图5显示了2020-12-24至2021-01-12试验期间夜间种植区平均温度和日最低温度的变化，其中12-24至12-28、12-30至01-03为典型晴天条件，其余为典型阴天条件。

试验期间经历了极端低温天气，12-30-01-01虽然太阳辐射充足，但寒潮来临，温室内外温度持续走低，虽然种植区日最低温度较温室内高，但温度还是降到0 ℃以下，在极端低温天气下相变蓄放热系统增温效果有限，因此在极端低温天气下应该开启辅助加热系统，为了便于分析，将极端低温天气下开启辅助加热系统与阴天天气下开启辅助加热系统统一归为典型阴天条件分析。如图5所示，种植区的每日平均温度和日最低温度均高于温室内，日最低温度出现在07:00左右，在典型晴天且不开启辅助加热条件下，种植区夜间平均温度较温室内高1.2～2.5 ℃，平均为2.0 ℃，种植区日最低温度较温室内高1.1～2.0 ℃，平均为1.4 ℃；在典型阴天条件下,夜间开启辅助加热系统时，种植区夜间平均温度较温室内高3.3～6.8 ℃，平均为5.4 ℃。种植区日最低温度较温室内高4.3～7.7 ℃，平均为6.0 ℃，其中12月30日(虽然是典型晴天，但相变蓄放热系统内储存的热量主要源于前一日辅助加热系统储存的热量，故单独分析)种植区夜间平均温度较温室内高3.1 ℃，次日种植区日最低温度较温室内高1.8 ℃，有效地改善了作物生长的热环境。

3.3 不同天气条件下基质的温度变化

图6展示了2021-01-02 18:00至2021-01-06 18:00种植区基质与温室内基质的温度变化，其中01-02和01-03为典型晴天条件，01-04和01-05为典型阴天条件。

从图6可以看出，放热开始后种植区基质的温度下降速率明显较温室内缓慢，且在夜间基质的温度高于温室内，说明相变蓄放热系统和辅助加热系统的运行不仅有效放缓了作物周围环境温度的下降，也延缓了基质温度的下降。01-02和01-03夜间种植区基质平均温度较温室内分别高0.8和0.7 ℃，01-04和01-05夜间种植区基质平均温度较温室内分别高1.9和3.9 ℃。

3.4 不同天气条件下作物热红外图像的对比

热红外成像技术能够可视化物体表面的热分布，为了验证栽培架放热保温效果，更直观地表现作物的温度分布，本研究在温室内和栽培架中均种植了相同数量的线椒和番茄，以栽培架种植作为试验组，温室内种植作为对照组，采用 FLIR红外相机采集线椒和番茄的热红外图像，并用FLIR Tool对图像进行分析，得到不同天气条件下作物的热红外图像，结果如图7所示。由图7可以看出，典型晴天和阴天2种天气条件下栽培架种植(试验组)的线椒和番茄叶片温度均高于同时段温室内(对照组)。

3.5 不同天气条件下栽培架的性能分析

图8-a显示了试验期间典型晴天条件下相变蓄放热系统蓄、放热量以及性能系数(COP)的计算结果，其中相变蓄放热系统在蓄热阶段的蓄热量为对流换热量和太阳辐射热量之和。从图8-a可以看出，太阳辐射热量是相变蓄放热系统蓄热量的主要来源，平均占总蓄热量的74.0%，而对流换热量仅占26.0%，所以天气状况对相变蓄放热系统蓄热量影响较大。根据公式(3)计算栽培架的COP为6.2～11.5，平均为9.3。根据公式(4)计算栽培架的能量利用率为56.1%～81.2%，平均为65.1%。

典型阴天条件下，辅助加热系统制热量和放热量以及COP的计算结果如图8-b所示。图8-b显示，典型阴天条件下栽培架放热量明显高于典型晴天条件下，这是因为辅助加热系统供热稳定且不受天气状况影响。试验期间，栽培架的COP为1.9～2.6，平均为2.2，远低于典型晴天条件栽培架的COP；栽培架的能量利用率为50.0%～65.3%，平均为56.6%。可见，在2种典型天气条件下栽培架的能量利用率都较高，都能有效利用能量。能效比越高，节约的电能就越多，综上分析，从能量转换角度来说，相比于典型阴天条件辅助加热系统的运行，典型晴天条件相变蓄放热系统的运行可以有效地节约能源。

4 结论与讨论

通过基于相变储热材料的温室栽培架在冬季不同天气条件下增温性能的测试，得到结论如下：

1)基于相变储热材料的温室栽培架具有明显的增温效果。典型晴天条件下，夜间不开启辅助加热系统，种植区夜间平均温度较温室内高1.2～2.5 ℃；在典型阴天条件下，夜间开启辅助加热系统时，种植区夜间平均温度较温室内高3.3～6.8 ℃，也可以有效提高基质的温度。因此，应用该栽培架进行种植，可以有效改善作物生长的热环境，保护作物安全越冬。

2)理论计算发现，太阳辐射热量是相变蓄放热系统蓄热量的主要来源，典型晴天条件下太阳辐射热量占理论蓄热量的74.0%，而通过空气对流换热的热量仅占26.0%。典型阴天条件下，相变蓄放热系统无法从外界获得足够能量，此时辅助加热系统为栽培架供热，辅助加热系统供热稳定。在典型晴天条件下，栽培架的COP平均为9.3，平均能量利用率为65.1%；典型阴天条件下，栽培架的COP平均为2.2，平均能量利用率为56.6%。表明栽培架能量利用率较高，能够有效利用能量，节能效果明显。

基于相变储热材料的温室栽培架，典型晴天条件下利用清洁的太阳能为作物增温，典型阴天条件下利用环保的电能为作物增温，为无加温措施的温室提供了加温的新途径。但相变储热材料存在成本投入大的问题，这限制了它进一步推广应用，在降低成本方面还需进一步的研究优化。