植物工厂相变围护结构的节能降耗效果研究

侯彬 范云 梁涛 张龙 薛金金 刘向东 张程宾

刘向东，1984年6月生，博士研究生，扬州大学电气与能源动力工程学院教授，博士生导师。主持了国家自然科学基金、国防专项、江苏省优秀青年基金等多项课题，在国内外权威刊物上发表了SCI论文80多篇，出版教材/著作3部，获授权发明专利10余件。入选江苏省高校青蓝工程学术带头人、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、江苏省科协青年科技人才托举工程，兼任中国工程热物理学会传热传质分会青年委员会委员、中国高等教育学会工程热物理专业委员会理事等职。

摘要：文章采用相变材料谷时储热（冷）、峰时供热（冷）的策略将相变材料应用至植物工厂建筑围护结构中，计算了植物工厂的冷、热负荷及相变材料用量，并对有无采用相变围护结构的植物工厂进行了经济对比分析，探讨了相变围护结构的节能降耗效果。研究结果表明，占地面积29.72 m2的40尺高柜集装箱植物工厂，采用相变材料完全承担日间负荷的运行方式，最多需要1348.74 kg的相变材料，采用高密度聚乙烯平板状容器封装相变材料后，需要75.03 m2的内表面积进行布置。使用相变材料的植物工厂每年可节省4016.92元的运行费用，可在11.8年回收投资。

关键词：相变材料；节能；植物工厂；经济分析

中图分类号： TK501  文献标志码：  Ａ

0 引言

植物工厂是一种在创造封闭环境中以人工方式种植植物的新型农业系统，通过精准控制温度、湿度、光照等因素为植物提供最佳的生长环境。植物工厂对室内温度、湿度、空气流动等条件有较高的控制要求，导致植物工厂的空调系统产生了较大的能耗。相变材料由于能够通过相变储存和释放能量，在建筑墙体［1-2］、纺织服装［3］、制冷设备［4］、冷链物流［5］、通信［6］等领域获得了广泛的应用，特别是在建筑围护结构中的应用能够有效降低建筑能耗［7-8］。

目前，研究者在建筑相变围护结构的节能降耗方面已开展了相关研究。文献［9］提出将相变材料集成到建筑墙体中，通过Energy Plus仿真研究这种复合相变墙体对间歇采暖室内热环境和能耗的影响。结果表明，与参考墙体相比，复合相变墙体年采暖能耗可降低4.74 %。文献［10］通过试验和数值模拟的方法，分析了添加石蜡对建筑室内舒适度和节能效果的影响。结果表明，相变房间室内空气和墙体内壁温度分别降低了1.4 ℃和2.7 ℃，节能率高达57%。文献［11］将相变储热泡沫混凝土应用于建筑墙体围护结构中，借助Energy Plus模拟软件对采用不同围护结构的建筑进行能耗模拟，对比分析相变墙体

的节能效果。研究表明，采用相变墙体的办公楼节能效果显著，设计日逐时负荷变化降低。文献［12］研究相变材料在夏热冬冷地区建筑围护结构中的性能，将所用的相变材料以高密度聚乙烯球封装，并嵌入XPS保温板，形成XPSPCM板。研究结果显示，综合考虑全年工况，当XPSPCM板安装至建筑物墙体靠近内表面时能源使用强度值最小；对于熔点为25 ℃的相变材料，相变材料集中布置在西外墙时建筑能耗最低。

然而，目前关于相变围护结构节能降耗的研究主要集中在住宅、办公楼等常规建筑物。植物工厂的冷、热负荷特性与常规建筑有较大差异，对其相变材料的供能设计需要进一步地进行定量研究。因此，本文提出将相变材料应用在植物工厂系统中，并对植物工厂相变围护结构的节能降耗效果进行了分析，计算了植物工厂的冷、热负荷及相变材料用量，对有无采用相变围护结构的植物工厂进行了经济对比分析，探讨相变围护结构的节能降耗效果。

1 工程基本资料

1.1 工程概况

本文所设计的植物工厂为40尺高柜集装箱植物工厂，位于江苏省扬州市，占地面积29.72 m2，长12.192 m，宽2.438 m，高2.896 m。植物工厂包含操作区、种植区和动力设备区3部分。其中，操作区包括环境控制面板、操作台；种植区包括种植架、种植篮、生菜、植物生长LED灯等；动力设备区包括EC、pH控制器、营养液储存等。植物工厂由于占地1 m2，无需供冷供暖。植物工厂的围护结构采用50 mm厚聚氨酯夹芯金属壁板，金属壁板的内外层钢板厚度为5 mm。

1.2 气象资料

1.2.1 室外气象资料

室外气象资料［13］如表1所示。

1.2.2 室内设计参数

室内设计参数如表2所示。

2 植物工厂负荷计算

2.1 植物工厂空调冷负荷

本文采用负荷系数法计算夏季空调冷负荷，通过冷负荷温度与冷负荷系数直接从各种扰量值求得各分项逐时冷负荷，各项逐时冷负荷之和的最大值即为植物工厂的冷负荷［13-15］。

（1）围护结构传热引起的冷负荷Q1为：

Q1=K·F［（t1+td）-tn］（1）

式中，K为围护结构传热系数，W/（m2·K），取0.57；F为围护结构表面积，m2；t1为围护结构冷负荷温度的逐时值，℃；td为逐时冷负荷温度的地点修正值，扬州地区为0 ℃； tn为植物工厂内设计温度，取18 ℃。

（2）人体散热形成的冷负荷Q2：取植物工厂栽培区2人，进入房间时刻13：00，进入后小时数为1。

（3）照明散热形成的冷负荷Q3：供植物生长的LED灯具每平方米功率80 W，其中60 %以热量或辐射形式散失到室内。

（4）新风冷负荷Q4：新风量应取下列2项的最大值。

补偿室内排风量和保持室内正压值所需新风量之和；保证供给洁净室内每人每小时的新鲜空气量不小于40 m3。

植物工厂空调冷负荷QC=Q1+Q2+Q3+Q4，汇总如表3所示。

2.2 植物工厂空调热负荷

植物工厂空调热负荷［13-14］包括围护结构耗热量Qf以及照明散热量Qg。

（1）围护结构基本耗热量：

Qi=αKF（tn+tw）（2）

（2）附加耗热量：

Qf=Qj（1+βch+βf+βlang）·（1+βfg）·（1+βjan）（3）

（3）照明散热量Qg：植物灯具每平方米功率80 W，其中60%以热量或辐射形式散失到室内。

植物工厂空调总热负荷Qr=Qf-Qg，则植物工厂总热负荷Qr为253 W，热负荷指标为8.8 W/m2。

3 相变材料用量计算

相变材料的物性参数如表4所示。

为达到移峰填谷的目的，本文采取谷时（21：00—8：00）开空调给植物工厂供冷（供暖）并使相变材料凝固（熔化），峰时（8：00—21：00）利用相变材料熔化（凝固）。考虑到生菜的生长适宜温度为18℃左右，相变材料的相变温度范围应当接近此温度，因此，本文最终选择了石蜡类相变材料，相变温度范围为18～22℃。

3.1 夏季

将峰时（8：00—21：00）划分成13个时间区间，分别计算在各个区间内所需的相变材料量。例如计算第一区间［8：00—9：00］：

Qc1=5396 W=19425.6 kJ（4）

mx1=Qc1Δh=19425.6200=97.13 kg（5）

同理，可以计算出其他时间段所需相变材料的质量［16］，如表5所示。

因此，（8：00—21：00）时间段内需移出热量以及相变材料的质量为：

Qc=74930 W=269748.0 kJ（6）

mx=QcΔh=269748.0200=1348.74 kg（7）

3.2 冬季

峰时（8：00—21：00）时间段内需补充的热量以及相变材料的质量为：

Qr=3289 W=11840.4 kJ（8）

mx=QrΔh=11840.4200=59.20 kg（9）

为同时满足夏季蓄冷、冬季蓄热需求，计算得相变材料质量为1348.74 kg。考虑到植物工厂运行的灵活性，本文采用了宏封装的方式将相变材料装在长方体高密度聚乙烯容器内，尺寸分别为12.09×2.794×0.022（m）、11.09×2.794×0.022（m）、2.336×2.794×0.022（m）、1.336×2.794×0.022（m），贴在植物工厂内壁，需要75.03 m2。

4 植物工厂负荷校核计算

加入相变材料后，围护结构传热系数变小，需对空调负荷进行校核，校核结果如表6所示。

植物工厂总冷负荷QC为6007 W，冷负荷指标为209 W/m2。植物工厂总热负荷Qr为166 W，热负荷指标为5.8 W/m2。

5 谷时空调设备冷量、热量计算

植物工厂需要空调提供的冷量Ql应包含围护结构传热、照明散热等形成的冷负荷QC以及使相变材料凝固所需的潜热Qyn。植物工厂需要空调提供的热量Qh应包含围护结构耗热量、照明散热量形成的热负荷Qr以及使相变材料熔化所需的潜热Qrn，如表7—8所示。

6 经济分析

根据江苏省电价收费标准可以计算出使用相变材料储能和不使用相变材料储能的电费，如表9所示。

从表中可以看出，使用相变材料电费比不使用相变材料每年电费减少4016.92元，相变材料按35元/kg计算，相变材料共计47205.90元。每年运行节省费用4016.92元，投资回收期为11.8年。

综上可知，采用相变材料储能虽然在初投资上比不采用相变材料储能高出47205.90元，但是利用谷时电价低的特点进行蓄冷（储热），减少了运行费用，平衡了电网用电负荷。在相变材料不损失的情况下，相变石蜡至少可循环1万次，按每天循环1次计算，设计使用寿命为27.4年，因此，使用相变材料11.8年回收投资成本是一个可行的方案。

7 结语

针对目前在用电高峰期电网压力过大以及社会对节能环保的要求，本文针对植物工厂相变围护结构的节能降耗开展了研究，并计算了这一供能策略的经济性，为植物工厂供热供冷提供新途径。

（1）根据气象数据和植物工厂参数进行计算可知，植物工厂总冷负荷为6081 W，冷负荷指标为212 W/m2，总热负荷为253 W。

（2）加入相变材料后，植物工厂总冷负荷为6007 W，冷负荷指标为209 W/m2，总热负荷为166 W，冷负荷减少了74 W，热负荷减少了87 W。

（3）植物工厂所使用的1348.74 kg相变材料成本共计47205.90元，设计使用寿命27.4年，通过每年可节省4016.92元的植物工厂运行费用，可在11.8年回收投资。

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（编辑 王雪芬）

Research on energy-saving and consumption reducing performances of

phase change enclosure structures in plant factories

HOU  Bin1，  FAN  Yun1，  LIANG  Tao2，  ZHANG  Long2，  XUE  Jinjin3，  LIU  Xiangdong3*，  ZHANG  Chengbin4

（1.Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha 410004， China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting

Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China; 3.College of Electrical， Energy and Power Engineering，

Yangzhou University， Yangzhou 225127， China; 4.School of Energy and Environment，

Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract：  This paper proposes a strategy of storing heat energy （cold energy） during off-peak hours and supplying heat energy （cold energy） during peak hours by using phase change materials （PCM） in the building envelopes of a plant factory. The cooling and heating loads of the plant factory were calculated and the maximum amount of PCM required were estimated. An economic comparison was conducted between plant factories with and without PCM envelopes to investigate the energy saving and consumption reduction effect of PCM envelopes in plant factories. The results show that the operation mode by using PCM to fully undertake the daytime load requires 1348.74 kg of PCM at most for a 40-foot high-cube container plant factory with an occupied area of 29.72 m2. After encapsulating the PCM in high-density polyethylene flat plate containers， 75.03 m2 of inner surface area of the plant factory is needed for arrangement of the containers. At least， 4016.92 yuan can be saved in annual operation cost for a plant factory using PCM. Thus， the investment can be recovered in 11.8 years.

Key  words： phase change materials; energy-saving; plant factory; economic analysis