太阳能相变蓄热型日光温室设计规范

马彩雯、陈超、邹志荣、马承伟、邹平、韩枫涛、于楠、雷喜红、李印、张彩虹、杨枫光、李亚茹、姜鲁艳、吴乐天、曹新伟、姜理星、马艳、于秀针、吐尔逊娜依

日光温室墙体的太阳能集热、蓄热与保温性能直接影响作物的生长发育状况以及作物的品质和产量。以往的研究大多是关注墙体的保温性能、而忽略了墙体的蓄热性能提高，致使冬季日光温室低温高湿的问题始终得不到较好的解决。本项目试图通过日光温室被动式相变蓄热墙体构筑方式的科学研究，达到改善日光温室作物生长热环境、显著提高作物品质和产量的目的。为此，本项目依据农业气象学、建筑热物理、相变贮能、计算传热学等理论，基于所研制的相变蓄热墙体材料（以下简称GH-20），开展了关于日光温室墙体建筑热过程的理论与试验研究，所形成的重点研究结果概要如下： 1）根据建筑材料各自不同的热阻、热容、密度等热物性，首次提出了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的构筑理念，即，将比热容大、潜热蓄热性能高的GH-20墙体材料放置在墙体层的内侧，墙体中间层放置具有承重并兼有显热蓄热性能的重质材料，墙体外层放置导热系数小、热阻大的高保温性能的轻质材料。 2）基于GH-20墙体材料在热传输过程的传热与蓄热机理，提出了将比热容大、导热系数较小的相变材料与导热系数较大且密度大的水泥砂浆直接混合后预制成板状的GH-20墙体材料成型工艺。试验结果显示：同样蓄（放）热条件下，较插层式成型工艺，直混试件的总热阻减小了24%；蓄（放）热时间缩短了70min，蓄（放）热量提高了10%（15%）。 3）基于GH-20墙体材料的热性能，以能量方程作为基本控制方程，以显热容法作为求解相变传热问题的基本方法，构建了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的传热模型，并提出了利用能耗模拟软件EnergyPlus获取控制方程温室墙体边界条件的耦合求解方法，计算值与实验值的误差在6.1%以内。 4）基于所构建的“三重”结构墙体的传热模型，提出了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体热工性能评价指标体系及其计算方法，并开发了应用软件。利用该软件可进行关于“三重”结构墙体的可适应构造条件、以及各墙体层厚度、热工性能参数等的优化设计。 5）应用所提出的理论方法，在北京地区进行了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的应用技术研究。应用结果表明：与非相变温室比较，相变温室10株西红柿试验品种的结果产量是前者的6.7倍、果实的纵横径较前者增大了1.3倍；相变温室西红柿的总产量为前者的1.7倍。 2100433B

根据相变种类的不同

根据相变种类的不同，相变蓄热一般分为四类:固一固相变、固一液相变、液一气相变及固一气相变。由于后两种相变方式在相变过程中伴随有大量气体的存在，使材料体积变化较大，因此尽管它们有很大的相变热，但在实际应用中很少被选用，固一固相变和固一液相变是实际中采用较多的相变类型。根据材料性质的不同，一般来说相变蓄热材料可分为:有机类、无机类及混合类相变蓄热材料。其中，石蜡类、脂酸类是有机类中的典型相变蓄热材料;结晶水合盐、熔融盐和金属及合金等是无机类中的典型相变蓄热材料。混合类又可分为:有机混合类、无机混合类及无机一有机混合类 。

根据蓄热方式进行分类

1、显热蓄热是通过蓄热材料的温度的上升或下降来储存热能。这种蓄热方式原理简单、技术较成熟、材料来源丰富及成本低廉，因此广泛地应用于化工、冶金、热动等热能储存与转化领域。常见的显热蓄热介质有水、水蒸汽、沙石等，这类材料储能密度低且不适宜工作在较高温度下。

2、潜热蓄热是利用相变材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存，具有单位质量(体积)蓄热量大、温度波动小(储、放热过程近似等温)、化学稳定性好和安全性好等特点。常见的相变过程主要有固-液、固-固相变两种类型。固-液相变是通过相变材料的熔化过程来进行热量储存，凝固过程来放出热量；而固-固相变则是通过相变材料的晶体结构发生改变或固体结构进行有序-无序的转变而可逆地进行储、放热。当前正在考虑的潜热蓄热材料有：氟化物、硫酸盐、硝酸盐以及石蜡等有机蓄热材料。

3、化学反应蓄热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转化来进行储能的。它在受热或冷却时发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可以把热能储存起来。其主要优点是蓄热量大，不需要绝缘的储能罐，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期储存热量。

根据使用温度范围的不同

根据使用温度范围的不同，潜热蓄热材料（相变蓄热）又可分为分为高、中、低温三种．

1、低温相变蓄热材料

低温相变蓄热材料主要有无机和有机两类无机相变材料主要包括结晶水合盐、熔融盐、金属或合金．结晶水合盐通常是中、低温相变蓄能材料中重要的一类，具有价格便宜，体积蓄热密度大，熔解热大，熔点固定，热导率比有机相变材料大，一般呈中性等优点．但在使用过程中会出现过冷、相分离等不利因素，严重影响了水合盐的广泛应用决过冷的办法主要有两种，一种是加入微粒结构与盐类结晶物相类似的物质作为成核剂．另一种是保留一部分固态相变材料，即保持一部分冷区，使未融化的一部分晶体作为成核剂，这种方法文献上称为冷指(Cold finger)法，虽然操作简单，但行之有效∞J．为了解决相分离的问题，防止残留固体物沉积于容器底部，人们也研究了一些方法，一种是将容器做成盘状，将这种很浅的盘状容器水平放臵有助于减少相分离；另一种更有效的方法是在混合物中添加合适的增稠剂，防止混合物中成分的分离，但并不妨碍相变过程。

有机相变材料主要包括石蜡，脂肪酸及其他种类．石蜡主要由不同长短的直链烷烃混合而成，可用通式C。H抖：表示，可以分为食用蜡、全精制石蜡、半精制石蜡、粗石蜡和皂用蜡等几大类，每一类又根据熔点分成多个品种．短链烷烃的熔点较低，随着碳链的增长，熔点开始增长较快，而后逐渐减慢，再增长时熔点将趋于一致。大部分的脂肪酸都可以从动植物中提取，其原料具有可再生和环保的特点，是近年来研究的热点．其他还有有机类的固一固相变材料，如高密度聚乙烯，多元醇等．这种材料发生相变时体积变化小，过冷度轻，无腐蚀，热效率高，是很有发展前途的相变材料 。

复合相变材料材料的复合化可将各种材料的优点集合在一起，制备复合相变材料是潜热蓄热材料的一种必然的发展趋势。复合相变材料的支撑，国内外学者研制的支撑材料主要有膨胀石墨、陶瓷、膨润土、微胶囊等．膨胀石墨是由石墨微晶构成的疏松多孔的蠕虫状物质，它除了保留了鳞片石墨良好的导热性外，还具有良好的吸附性．陶瓷材料有耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀等优点，被大量地选做工业蓄热体．主要的陶瓷材质有石英砂、碳化硅、刚玉、莫来石质、锫英石质和堇青石质等．膨润土有独特的纳米层问结构，采用“插层法”将有机相变材料嵌入其层状空间，制备有机/无机纳米复合材料，是开发新型纳米功能材料的有效途径，微胶囊相变材料口阳是用微胶囊技术制备出的复合相变材料。在微胶囊相变材料中发生相变的物质被封闭在球形胶囊中，有效地解决了相变材料的泄漏、相分离及腐蚀等问题，有利于改善相变材料的应用性能，并可拓宽相变蓄热技术的应用领域。

2、中温相变蓄热材料

太阳能热利用与建筑节能等领域对相变蓄热材料的需求，使低温范围蓄热材料具有广泛的应用前景；高温工业炉蓄热室、工业加热系统的余热回收装臵以及太空应用，推动了高温相变蓄热技术的迅速发展．因此，国内外对制冷、低温和高温相变蓄热材料(PCM)做了相当多的研究，但中温PCM则较少使用．不过，近年来相关领域的发展给中温PCM的应用创造了很大的空间。

3、高温相变蓄热材料

高温相变材料的热物性相变材料的热物性主要包括：相变潜热、导热系数、比热容、膨胀系数、相变温度等直接影响材料的蓄热密度、吸放热速率等重要性能，相变材料热物性的测量对于相变材料的研究显得尤为重要。

高温相变材料通常具有一定的高温腐蚀性，通常需要对其进行封装。微封装的相变材料具有许多优点，促使人们对此进行研究。Heine等人研究了4种金属对熔点在235～857℃的6种熔融盐的耐腐蚀性能。Lane对不同的材料在不同尺寸下封装的优点和缺点进行分析，并对材料的兼容性进行了研究．由于用途广泛，很多个人和公司。如BASF已加入了相变材料微封装的研究行列。微封装相变材料在不同热控制领域的潜在应用将受到其成本的限制，但对于太空应用，热控制性能远重于其成本。一些研究人员认为，相变材料微封装技术将是太空技术的一个里程碑。

蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术 ，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，在太阳能利用、电力“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景，是世界范围内的研究热点．，主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种．显热蓄热是利用物质的温度升高来存储热量的．利用陶瓷粒、水、油等的热容进行蓄热，把已经高温或低温变换的热能贮存起来加以利用，如固体显热蓄热的炼铁热风炉、蓄热式热交换器、蓄热式燃烧器等，通常的显热蓄热方式简单，成本低，但储存的热量小，其放热不能恒温的缺点化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能．发生化学反应时，可以有催化荆，也可以没有催化剂一种高密度高能量的蓄热方式，它的储能密度一般高于显热和潜热，此种储能体系通过催化剂和产物分离易于能量长期储存．潜热蓄热（相变蓄热）是利用物质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理来进行能量储存的技术．利用相变材料相变时单位质量（体积）潜热，蓄热量非常大能把热能贮存起来加以利用，如空间太阳能发电用蓄热器，深夜电力调峰用蓄热器，其储能比显热一个数量级，而且放热温度恒定，但其储热介质一般有过冷、相分离、易老化等缺点。