新型相变材料蓄放热性能测试及在温室内的应用

张 勇，许英杰，陈 瑜，张柯新，倪欣宇

新型相变材料蓄放热性能测试及在温室内的应用

张 勇1，许英杰2，陈 瑜2，张柯新2，倪欣宇2

（1. 西北农林科技大学风景园林艺术学院，杨凌 712100；2. 西北农林科技大学园艺学院，杨凌 712100）

日光温室现行的温度调控方法对太阳能无法进行有效利用，造成大量浪费，在极端天气条件下不能取得良好效果，无法持续为植物提供适宜的生长环境。为解决上述问题，更好地改善温室墙体性能，该研究以复合无机相变材料为主体，再配以水泥、锯末等原料，制备成相变材料模块，并进行相关试验，测试相变材料水泥模块的蓄放热性能。而后将其固定于日光温室后墙骨架上，采集温室内温度数据，来研究其在实际生产环境中的蓄放热效果。结果表明一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由8.3升到32 ℃分别吸收2 575.2、3 041.5、3 286.8 kJ热量，单位体积蓄热量分别为74.5、88.0、95.1 MJ/m3；一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由32降到7.8 ℃分别放出热量2 067.0、2 344.6、2 910.2 kJ，单位体积放热量分别为59.8、67.8、84.2 MJ/m3。在夏季不同天气条件下，三种相变材料都可吸收大量热量，降低温室温度峰值；在冬天夜间又可释放大量热量，提高温室最低温度，使植物始终处于环境相对适宜、温度变化较为平缓的生长环境中。

温室；相变材料；温度调控；后墙；蓄放热

0 引 言

日光温室是具备中国特色的高效节能型园艺设施，具有完全的自主知识产权，在中国设施园艺的发展过程中发挥着重要的作用，在提高城乡居民的生活质量、稳定社会方面做出了重大贡献[1-3]。但日光温室在生产实践中存在能量不平衡的问题，白天室内吸收太阳能导致内部温度过高因而不得不采取通风换气措施，而夜晚又由于内部气温太低出现低温冷害，这些问题限制了日光温室的周年生产和高效应用。日光温室围护结构特别是后墙，是日间吸收和储存太阳能的重要载体，具有较好的蓄放热能力[4-7]，在白天吸收温室中多余的热量，然后在夜间把白天吸收的大量热量释放出去，从而提高温室夜间气温[8-11]。墙体白天吸收的热量越多，相对应晚上释放出的热量则越多[12-13]，因此提高日光温室墙体蓄放热能力成为温室发展的重中之重。相变材料是一种功能材料，利用其蓄放热特点可实现太阳热能地点、时间的转移[14]。其贮热方式是相变潜热储热，与显热式贮热相比，潜热式贮热可以储存更多的热量，且相变过程近似等温。将相变材料用于温室，不但能够帮助温室高效利用洁净可再生的太阳能资源，节约不可再生能源，减少环境污染，而且可以减小温室内部温度变化幅度，有利于维持温室内部温度稳定[15]，有效提高温室蓄热能力和保温性能，增加室内温度的自调节功能，有利于给作物提供一个舒适的生长环境，提高经济效益，对促进中国现代农业的发展具有重要意义[16]。

相变材料在温室中应用广泛，许红军等[17]研究了Na2HPO4·12H2O储放热特性，结果得出Na2HPO4·12H2O相变温度为47.26 与36.2 ℃，潜热分别为11.78与109 J/g。但该相变温度偏高，无法直接用于温室生产，需减低熔点，消除过冷现象。张巨松等[18]在试验中将相变材料应用于日光温室中，结果表明相变材料起到削峰填谷”的作用。管勇等[19-20]提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法。陈超等[21]研究了不同构筑方式的相变材料蓄热性能。杨小龙等[22]制备了加入Na2HPO4·12H2O的相变蓄热墙板，后墙结构为相变蓄热墙板、方钢和菱镁聚苯保温板的日光温室，降低了温室气温波动，提高了土地利用率。郭靖等[23-25]设计了多种应用于日光温室的太阳能相变蓄热系统，将相变材料制备成空心砌块，研究了内渗型及外挂型2种不同封装方式的相变材料的蓄热效果。Benli 等[26]利用相变材料制作的太阳能集热器代替化石燃料对温室供暖，并试验分析了潜热储能系统的性能。Berroug 等[27]将相变材料应用于温室内，发现冬季夜间室内植物本身和空气的温度周期性波动较小，夜间室内平均相对湿度较对照温室低10%～15%。Kumari等[28]利用相变材料制成墙板并安装于温室的北墙处，研究相变材料墙板对植物及室内空气温度的影响。

相变储能材料是相变储热技术的核心物质，其性价比关系该技术的应用前景，物性参数对其应用起到至关重要的作用，尽管目前性能参数的测定研究较多，但相关参数不够精确且不够全面，其信息缺乏完整性和系统性，以及适合作物生长温度的相变储能材料及其复合制备方法较少。因此，本文在前人试验的基础上对相变储能材料进行筛选，选择多种相变储能材料，将它们应用于装配式温室后墙，以提高后墙蓄放热能力。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 试验温室

本试验温室采用的是张勇等[4,29-30]设计的一种新型结构的装配式温室。供试日光温室位于陕西省杨凌示范区揉谷镇与学院合作的生产性垂直农场基地，北纬34°17′21.33″，东经108°05′27.44″，坐北朝南东西延长，长度30 m，跨度12 m，脊高5.2 m，透明覆盖材料为PO膜，温室结构如图1所示。杨凌示范区位于关中地区，年平均气温12.9 ℃，夏季平均气温在25.1 ℃以上，年极端最低气温−13.4 ℃，极端最高气温38.5 ℃，2020全年日均温如图2所示。年平均日照时数2 163.8 h，太阳能年辐射量在4 190～5 016 MJ/m2。

注：1、2、3为温室跨度1/4与温室长度四等分点交点距地面1.0 m温度测点；4、5、6为温室温室跨度1/2与温室长度四等分点交点距地面1.0 m温度测点；7、8、9分别为温室温室跨度3/4与温室长度四等分点交点距地面1.0 m温度测点；10、11、12分别为温室北部距地面1.0 m温度测点。

Note: 1, 2, 3 are the temperature measurement points at the intersection of the greenhouse span 1/4 and the quarter of the greenhouse length 1.0 m away from the ground; 4, 5, 6 are the intersection of the greenhouse span 1/2 and the quarter of the greenhouse length 1.0 m from the ground m temperature measuring points; 7, 8, 9 are the temperature measuring points of 1.0 m from the ground at the intersection of the 3/4 of the greenhouse span and the length of the greenhouse respectively; 10, 11 and 12 are the temperature measuring points of the northern part of the greenhouse from the ground 1.0 m.

图1 温室结构及温度测点图

Fig.1 Greenhouse structure and temperature measurement points

1.1.2 试验材料

磷酸氢二钠（Na2HPO4）：工业，25 kg/袋，质量分数为98.0%，，西陇化工有限公司；硫酸钠（Na2SO4）：工业，50 kg/袋，质量分数为98.0%，宁夏兴昊永盛盐业科技有限公司；氯化钾（KCl）：工业，50 kg/袋，质量分数为98%，青海香江盐湖开发有限公司；四硼酸钠（硼砂）：工业，25 kg/袋，质量分数为99.5%，天津永大化学试剂有限公司；羧甲基纤维素钠（CMC）：工业，25 kg/袋，山西运城市风陵渡开发区天旗建材厂。

注：数据来源于中国气象网，http://data.cma.cn/。

Note: Data comes from China Meteorological Network http://data.cma.cn/.

图2 杨凌2020年日均温和日照时数

Fig.2 Daily average temperature and sunshine hours of Yangling in 2020

1.2 试验方法

1.2.1 温室相变材料后墙的建造

相变材料使用模块化安装方法，将事先选择好的相变材料配置完成，然后将其封装到17个相同规格的PET塑料瓶中，一个PET塑料瓶体积为550 mL，然后浇筑成相变材料水泥模块，相变材料水泥模块长度为120 cm，厚度为8 cm，高度为30 cm，其在温室中的位置如图3所示，其面积为温室后墙面积的一半。

1.室外空气 2.保温被 3.后墙骨架 4.相变模块 5.室内空气 6.前屋面骨架

1.Outdoor air 2.Insulation quilt 3.Back wall skeleton 4.PCM (Phase Change Material) module 5.Indoor air 6.Front roof skeleton

图3 相变材料水泥模块

Fig.3 Phase change material cement module

课题组前人已研究多种相变材料的DSC曲线，以本文复合相变材料配方DSC曲线图为例进行说明。如图4所示，该配方从2.18 ℃开始大量放热，热流峰值出现在2.07 ℃，整个放热过程释放的潜热量为92.52 J/g。吸热过程开始于14.11 ℃，分别于15.76和25.32 ℃达到高峰。在整个吸热过程中吸收的潜热量为112.42 J/g。由于DSC样品量少，降温速度快，不能反应宏观状态特性，课题组成员补充了T-history试验，可以更好地反映相变体系在温室中的应用特性。如图5所示，不同配方的相变温度及放热量存在一定差异。在升温相变过程中，材料会吸收一部分热量，使环境温度下降；在降温相变过程中则会向环境中释放热量使得环境温度上升。不同相变材料体系相变吸热温度基本位于20到30 ℃之间，可以在温度过高时及时吸收热量，避免高温对温室内作物的伤害。

注：数值为温度和潜热量。

Note: Values in figure are temperature and latent heat.

图4 F3复合相变材料体系DSC曲线

Fig.4 DSC curve of 3P1K4S composite phase change material system

在降温过程中，多数材料放热温度点位于10 至20 ℃之间，个别体系放热温度小于10 ℃，可以在温室温度降低时适时补充热量，防止冻害和冷害的发生。

本试验根据课题组前人的研究，针对温室生产实际情况，选取三种较适宜温室生产的复合相变材料来进行进一步的试验。F1相变材料由Na2HPO4‧12H2O和KCl以1:3的比例，再混以水、CMC和硼砂制备而成。F1在升温过程中温度达到21 ℃时升温速率减缓，降温过程中温度为9 ℃时温度回升；F2相变材料由Na2HPO4‧12H2O和KCl以1:1的比例，再混以水、CMC和硼砂制备而成，F2在升温过程中温度达到21 ℃时升温速率减缓，降温过程中温度为12 ℃时温度回升；F3相变材料由Na2HPO4‧12H2O 、KCl和Na2SO4以3:1:4的比例，再混以水、CMC和硼砂制备而成，F3在升温过程中温度达到23 ℃时升温速率减缓，降温过程中温度为19.8 ℃时温度回升。

1.2.2 不同材料墙水泥模块热流量测点

测点分布在相变材料水泥模块长度方向1/2和相变材料水泥模块高度1/2交点处的模块前后表面，每隔1 min记录一次数据。

1.2.3 不同材料水泥模块温度测定

在每块模板高的1/2截面与长的1/2截面的交线处做为温度探头插入点，在模块厚度的1/2的处放入温度测点，每隔1 min记录一次实时温度数据。

1.2.4 温室环境测定

在试验温室内，温度测点位于温室长度方向四等分点和温室跨度方向四等分点的交点处，高度分别为距地面0.5、1.0、1.5 m，光照和湿度测点位于温室长度方向二等分点和温室跨度方向三等分点交点处，高度为距地面0.5 m处。

1.2.5 试验仪器

称量精度为0.01 g的电子天平，型号ES-1000HA，苏州博泰伟业电子科技有限公司制造；

测温度使用T型热电偶温度传感器（精度±0.2 ℃），连接到34970A数据自动采集仪（美国Agilent公司生产）。

测试墙板及相变材料内部温度采用T型热电偶温度传感器（精度±0.2 ℃），连接到34970A数据自动采集仪（美国Agilent公司生产）测温度；

热流测试使用JTR01温度热流测试仪，北京世纪建通环境技术有限公司制造。

1.2.6 数据处理

本文试验数据采用Origin以及Excel进行数据分析及二维图表的制作。

2 结果与分析

2.1 不同材料水泥模块热流量分析

2.1.1 蓄热能力

试验所使用的水泥模块材料配比都一致，物理参数接近，为测试相变材料水泥模块性能，分别选取了F1、F2、F3三种相变材料水泥模块各一块，在实验室进行了升降温试验，重复多次，采集温度和热流数据对相变材料水泥模块的蓄放热性能进行分析。

从图中我们可以看出，在升温过程中，F1温度在达到26 ℃左右时，升温速率开始减缓，热流量呈现出较为稳定的下降状态；F2在温度达到21 ℃左右，升温速率有了明显的减缓，但吸收的热流并没有明显减小，说明相变材料此时在发生相变，吸收大量的热量；F3温度上升速率在21℃左右有了明显的下降，且热流量还稳持稳定。根据数据计算每个相变材料水泥模块升温过程中的吸热量。相变材料水泥模块吸放热量计算方程为

蓄(放)热=(1+2+…+q)××（1）

式中蓄(放)热为相变材料水泥模块总蓄（放）热量，J；为仪器在某一时刻测试的瞬间热流量，W/m2；为相变材料水泥模块前表面面积，m2；为数据记录时间间隔，s。

经计算，厚度为0.08 m的一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由8.3升到32 ℃分别吸收2 575.2、3 041.5、3 286.8 kJ热量，单位体积蓄热量分别为74.5、88.0、95.1 MJ/m2。

2.1.2放热能力

放热过程中，F1在8.3 ℃发生相变，温度有了明显的上升，热流量也有所增大；F2变化虽没F1明显，但在10 ℃左右温度下降速率也有了明显减缓，热流量也比较平稳，稳定放热；F3在13.9 ℃开始相变，温度明显上升，热流量稳定。根据数据计算每个相变材料水泥模块降温过程中的放热量。

经计算，厚度为0.08 m的一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由32降到7.8 ℃分别放出热量2 067.0、2 344.6、2 910.2 kJ，单位体积放热量分别为59.8、67.8、84.2 MJ/m2，单块水泥模块吸放热量具体如图6所示。

2.2 温室夏季典型天气条件温度对比分析

经热流试验初步研究表明，三种相变材料配方相变模块虽然蓄放热能力有一定差异，但整体蓄放热性能较为良好。为了更好地了解其对于为温室气温的调控作用，在试验温室中进行了进一步的试验和数据采集与分析。

2.2.1 典型晴天

选取夏季典型晴天8月31日（图8a）南部与温室北部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析。该天外界最高气温是29.8 ℃，最低气温为15.9 ℃。

从图中可以看出在0:00到8:00这个时间段内，温室南部，温室北部和墙体三者的温度都在小幅度波动，整体处于下降趋势。在早晨8:00左右，三者到达最低温度，温室南部、温室北部和墙体的最低温度分别是19.7、19.7和20.9 ℃。从8:00到14:00，温室气温整体处于持续上升阶段，在14：00时达到最高温度40.2 ℃，墙体温度上升较为缓慢，且有一定的延后性，在17:00才达到最大值，F1、F2和F3温度最大值分别为31.8、34.5、31.5 ℃。

在晴天条件下，相变材料墙体日间吸收了温室内部大量多余的热量。根据试验数据进行计算，一块F1相变材料水泥模块温度由20.1升到31.8 ℃吸收989.3 kJ热量，共吸收热量35 614.8 kJ；一块F2相变材料水泥模块温度由21.1升到34.5 ℃吸收2 021.9 kJ热量，共吸收热量72 788.4 kJ；一块F3相变材料水泥模块温度由20.6升到31.5 ℃吸收1 905.1 kJ热量，共吸收热量57 153.6 kJ；三者一共吸收了热量165 556.8 kJ。F1和F3墙体温度低是因为F1和F3所在的位置进行自然通风措施，散失了部分热量，导致墙体温度较F2低。墙体日间吸收的热量在夜间释放出来，可以减小温室温度变化幅度。根据试验数据进行计算，一块F1相变材料水泥模块温度由31.5降到22.2 ℃放出644.9 kJ热量，共放出热量23 216.4 kJ；一块F2相变材料水泥模块温度由34.5 降到21.6 ℃放出811.4 kJ热量，共放出热量29 210.4 kJ；一块F3相变材料水泥模块温度由31.5降到22.2 ℃放出676.4 kJ热量，在日光温室中共有30块，共放出热量20 292.0 kJ。三者表现中，F3最优，F2次之，F1最差。因为相变材料墙体吸收了大量的热量，再辅以自然通风，温室在夏季典型晴天内部最高气温只有40.5 ℃，这说明相变材料墙体降低温室温度峰值，达到了夏季降温的目的。

2.2.2 典型阴天

选取夏季典型阴天9月13日（图8b）温室南部与温室北部高度为1 m的温度和墙体温度数据进行分析。该天外界最高气温是26.8 ℃，最低气温为18.6 ℃。

0:00至8:00，温室南部，温室北部和墙体三者的温度呈现小幅度波动，温度差距较小，温室和墙体最低温度分别是20.5和23.5 ℃。8:00到15:00，温室气温不断升高，但温室北部升温速率较快，最高温度为31.2 ℃，F1、F2和F3墙体温度最大值分别为27.9、27.8、27.3 ℃。

阴天条件的温度变化幅度小于晴天条件，墙体所吸收的热量也相应减少。根据试验数据进行计算，一块F1相变材料水泥模块温度由23.9升到27.9 ℃吸收349.7 kJ热量，共吸收热量12 589.2 kJ；一块F2相变材料水泥模块温度由23.4升到27.8 ℃吸收675.3 kJ热量，共吸收热量24 310.8 kJ；一块F3相变材料水泥模块温度由23.5升到27.3 ℃吸收744.6 kJ热量，共吸收热量22 338.0 kJ，三者一共吸收热量59 238 kJ；白天吸收的热量在夜间被释放出来。一块F1相变材料水泥模块温度由27.9降到22.9 ℃放出331.0 kJ热量，共可放出热量11 916.0 kJ；一块F2相变材料水泥模块温度由27.8降到22.7 ℃释放热量426.0 kJ，共释放热量15 336.0 kJ；一块F3相变材料水泥模块温度由27.3下降到22.6 ℃放出351.9 kJ热量，共释放热量10 557.0 kJ。三者表现中，F3最优，F2次之，F1最差。三者吸收的热量虽远不如晴天，但也有效的降低温室内部温度，温室最高温度为31.2 ℃。

2.2.3 典型雨天

选取夏季典型雨天9月21日（图8c）温室南部与温室北部高度为1 m的温度和墙体这三处温度数据进行分析。该天外界最高气温是15.6 ℃，最低气温为13.6 ℃。

与晴天和阴天相比，雨天的温度变化范围更窄。从图中可以看出，墙体温度和温室气温变化幅度都很小，F1和F2墙体温度与温室气温差距较小，并没有发挥明显作用，但F3墙体温度一直处于下降趋势，持续的向温室内部释放一定的热量，这也是F3温室北部气温高于温室南部气温的主要原因。

在雨天条件下，F3配方表现最好，而F1和F2配方表现相近，都不如F3配方。

2.3 温室冬季典型天气条件温度对比分析

2.3.1 典型晴天

选取冬季典型晴天1月1日（图9a）温室南部与温室北部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析。该天外界最高气温为6.9 ℃，最低气温为−9.9 ℃。

在0:00至10:00这个时间段，温室气温和墙体温度都在缓慢的下降，变化幅度较小，温室最低气温为7.2 ℃，墙体温度最低为8.5 ℃，10:00打开保温被之后，温室温度进入持续上升阶段，在14:00，温室气温达到最大值。为40.5 ℃，墙体温度在16:00达到最大值，为25.6 ℃。夜间温室气温急速下降，而墙体温度下降较为缓慢，在同一时刻，墙体温度与温室气温最大温差为7.2 ℃，在18:00以后，墙体温度始终高于温室气温，可以持续不断的将白天蓄积的热量释放到温室中，提高温室气温，防止温室内部温度过低。

晴天条件下，墙体温度变化幅度较大吸收热量较多，一块0.08 m厚的F1相变材料水泥模块温度由10.1 升高到27.2 ℃可吸收热量1 929.6 kJ，单位面积蓄热量为4 69.0 kJ/m2；在夜间，一块0.08m厚的F1相变材料水泥模块温度由27.2降低到12.4 ℃可释放热量1 012.3 kJ，单位面积放热量为2 343.2 kJ/m2；一块0.08 m厚的F2相变材料水泥模块温度由8.6升高到25.1 ℃可吸收热量1 974.6 kJ，单位面积蓄热量为4 571.0 kJ/m2；在夜间一块0.08 m厚的F2相变材料水泥模块温度由25.2 降低到12.2 ℃可释放热量1 388.7 kJ，单位面积放热量为3 214.6 kJ/m2；一块0.08 m厚的F3相变材料水泥模块温度由8.5升高到25.6 ℃可吸收热量2 086.9 kJ，单位面积蓄热量为4 830.7 kJ/m2；夜间一块0.08 m厚的F3相变材料水泥模块温度由25.6降低到13.3 ℃可释放热量1 711.1 kJ，单位面积放热量为3 960.9 kJ/m2。

冬季晴天，相变材料墙体日间吸收热量，三者共吸收热量203 158.2kJ，在夜间，F1、F2 和 F3 相变材料墙体温度均高于温室气温，都可以向温室释放大量的热量，F1墙体共释放热量36 442.8 kJ，F2墙体共释放热量49 993.2 kJ，F3墙体共释放热量51 333kJ，三者在夜间一共放出热量137 769 kJ。在外界温度较低的情况下，使温室最低气温只有8 ℃，达到为温室升温的目的。

2.3.2 典型阴天

选取冬季典型阴天1月5日（图9b）温室南部与温室北部高度为1 m的温度和墙体温度进行分析。该天外界最高气温是6.1 ℃，最低气温为−3.0 ℃。

和晴天条件下一样，在卷起保温被前即0:00至10:00这个时间段，温室气温和墙体温度都在缓慢的下降，变化幅度较小，温室最低气温为8.6 ℃，墙体温度最低为9.2 ℃，10:00打开保温被之后，温室温度进入上升阶段，在14:00，温室气温达到最大值，为36 ℃，墙体温度在16:00达到最大值，为20.7 ℃。夜间温室气温急速下降，而墙体降温速率低于温室气温，在同一时刻，墙体温度与温室气温最大温差为5.1 ℃。

阴天温度变化幅度较小，一块0.08 m厚的F1相变材料水泥模块温度由10.9升高到19.6 ℃可吸收热量1 171.3 kJ，一块0.08 m厚的F2相变材料水泥模块温度由10 ℃升高到20.2 ℃可吸收热量1 137.7 kJ，一块0.08 m厚的F3相变材料水泥模块温度由10升高到20.7 ℃可吸收热量1 131.5 kJ；夜间墙体将白天蓄积的一部分热量释放出来，一块0.08 m厚的F1相变材料水泥模块温度由19.6降低到12.7 ℃可释放热量473.2 kJ，单位面积放热量为1 095.4 kJ/m2，一块0.08 m厚的F2相变材料水泥模块温度由20.2 降低到11.3 ℃可释放热量1 035.0 kJ，单位面积放热量为2 395.8 kJ/m2，一块0.08 m厚的F3相变材料水泥模块温度由20.7 降低到11.9 ℃可释放热量1 651.4 kJ，单位面积放热量为3 822.7 kJ/m2，

阴天条件下，三种相变材料放出的热量虽不如晴天多，但也可避免温室气温过低，三者共释放热量39 626.4 kJ，使温室气温保持在9 ℃以上。

2.4 墙体热场分布及分析

图10为墙体热象图，表现了墙体的热场分布情况；从图中明显可以看出，相变材料墙体内部蓄积了大量的热量，且墙体温度明显高于温室环境温度，可以持续不断的向温室释放热量。

图10 墙体热场分布

3 讨 论

选取冬季晴天数据，与冬季晴天条件下温室其他材料墙体蓄放热性能进行比较，具体如下图11所示：

史宇亮等[31]研究了0.6 m厚的土墙蓄放热性能，计算了2014年12月20日0:00到2015年1月18日多天的蓄放热量，选取2015年1月17日的数据进行比较说明，当天外界太阳辐射照度最大值为505.9 W/m2，试验得出晴天土墙单位体积蓄热量为5 489.3 kJ/m3，单位体积放热量为1 873 kJ/m3。本试验晴天为2021年1月1日，该天外界太阳辐射照度最大值为445.6 W/m2，是505.9 W/m2的88.1%。试验得出F1、F2和F3墙体单位体积蓄热量分别为55 862.5、57 137.5、60 383.75 kJ/m3，单位体积放热量为29 290、40 182.5、49 511.25 kJ/m3；F1、F2、F3相变材料水泥模块单位体积蓄热量分别是土墙的10.2倍、10.4倍和11倍，单位体积放热量分别是土墙的15.6倍、21.5倍和26.4倍。三者均表现出远优于0.6m土墙的蓄放热性能。

张潇丹等[32]2014年12月7日在酒泉进行试验研究，该天墙体内表面太阳辐射量最大为473 W/m2，外界则更高，结果得出红砖墙晴天单位体积蓄热量为11 437.5 kJ/m3，单位体积放热量为4 458.3 kJ/m3。F1、F2、F3相变材料水泥模块单位体积蓄热量分别是土墙的4.9、5.0和5.3倍，单位体积放热量分别是土墙的6.6、9.0和11.1倍。

三种相变材料墙体在太阳辐射量相比较小且厚度仅为土墙13%，砖墙17%的情况下，单位体积蓄放热量显著高于土墙和砖墙。若在相同太阳辐射量条件下，且适当增加墙体厚度，三种相变材料墙体会有更加优异的蓄放热表现。以上试验结果证明了相变模块应用在温室实际生产中的可行性与良好性能。

4 结 论

本研究应用了三种复合相变材料蓄热体系，通过试验数据计算了它们的蓄热量和放热量，并测试了其在温室中的实际应用效果，得到以下结论：

1）一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由8.3升到32 ℃单位体积蓄热量分别为74.5、88.0、95.1 MJ/m3；一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由32降到7.8单位体积放热量分别为59.8、67.8、84.2 MJ/m3；

2）在夏季晴天，F1、F2和F3墙体在日间分别可吸收热量35 614.8、72 788.4、57 153.6 kJ，共吸收热量165 556.8 kJ，有效降低温室气温，减小温度变化幅度，使温室气温始终保持在40.5 ℃以下；冬季晴天F1、F2和F3墙体在夜间分别可释放热量36 442.8、49 993.2和51 333 kJ，可以有效提高温室夜间温度，使温室气温维持在8 ℃以上；

3）在8～32 ℃这一升降温区间，F3蓄放热量最多，F2次之，F1蓄放热量最少。三者的单位体积蓄热量均显著高于土墙和砖墙，在实际生产应用中表现良好。

[1] 韩云全，陈超，管勇，等. 复合相变蓄热墙体材料对日光温室热环境及番茄生长发育的影响[J]. 中国蔬菜，2012(18)：99-105.

Han Yunquan, Chen Chao, Guan Yong, et al. Effect of composite phase change thermal storage wall materials on solar greenhouse thermal environment[J]. China Vegetables, 2012(18): 99-105. (in Chinese with English abstract)

[2] 马承伟，陆海，李睿，等. 日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟[J]. 农业工程学报，2010，26(6)：231-237.

Ma Chengwei, Lu Hai, Li Rui, et al. One-dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 231-237. (in Chinese with English abstract)

[3] 王晓冬，马彩雯，吴乐天，等. 日光温室墙体特性及性能优化研究[J]. 新疆农业科学，2009，46(5)：1016-1021.

Wang Xiaodong, Ma Caiwen, Wu Letian, et al. Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2009, 46(5): 1016-1021. (in Chinese with English abstract)

[4] 张勇，邹志荣.. 一种蓄热后墙的日光温室：102630526[P]. 2012-08-15

[5] 张勇，高文波，邹志荣. 主动蓄热后墙日光温室传热CFD模拟及性能试验[J]. 农业工程学报，2015，31(5)：203-211.

Zhang Yong, Gao Wenbo, Zou Zhirong, et al. Performance experiment and CFD simulation of heat exchange in solar greenhouse with active thermal storage back-wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(5): 203-211. (in Chinese with English abstract)

[6] 高文波，张勇，邹志荣，等. 主动采光蓄热型日光温室性能初探[J]. 农机化研究，2015，37(7)：181-186.

Gao Wenbo, Zhang Yong, Zou Zhirong, et al. Preliminary study on performance in an active lighting and heating storage type solar greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(7): 181-186. (in Chinese with English abstract)

[7] 鲍恩财，朱超，曹晏飞，等. 固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：187-194.

Bao Encai, Zhu Chao, Cao Yanfei, et al. Thermal performance test of solidified sand heat storage wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 187-194. (in Chinese with English abstract)

[8] 马承伟，卜云龙，籍秀红，等. 日光温室墙体夜间放热量计算与保温蓄热性评价方法的研究[J]. 上海交通大学学报：农业科学版，2008，26(5)：411-415.

Ma Chengwei, Bu Yunlong, Ji Xiuhong, et al. Method for calculation of heat telease at night and evaluation for performance of heat preservation of wall in solar greenhouse[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Agricultural Science, 2008, 26(5): 411-415. (in Chinese with English abstract)

[9] Yamaguchi T, Kuroyanagi T, Chen Q. Studies on thremal environmengt of the sunlight greenhouse (Part 1): Basic experiment to analyze thermal environment of the sunlight greenhouse[J]. Journal of Society of High Technology in Agriculture, 2003, 34(1): 31-37.

[10] 温祥珍，李亚灵. 日光温室砖混结构墙体内冬春季温度状况[J]. 山西农业大学学报：自然科学版，2009，29(6)：525-528.

Wen Xiangzhen, Li Yaling. Analysis of temperature within north composite wall of solar greenhouse[J]. Journal of Shanxi Agricultural University:Natural Sciences Edition, 2009, 29(6): 525-528. (in Chinese with English abstract)

[11] 李建设，白青，张亚红. 日光温室墙体与地面吸放热量测定分析[J]. 农业工程学报，2010，26(4)：231-236.

Li Jianshe, Bai Qing, Zhang Yahong. Analysis on measurement of heat absorption and release of wall and ground in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(4): 231-236. (in Chinese with English abstract)

[12] 马承伟，陆海，李睿，等. 日光温室墙体传热的一维差分模型与数值模拟[J]. 农业工程学报，2010，26(6)：231-237.

Ma Chengwei, Lu Hai, Li Rui, et al. One-dimensional finite difference model and numerical simulation for heat transfer of wall in Chinese solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(6): 231-237. (in Chinese with English abstract)

[13] 王晓冬，马彩雯，吴乐天，等. 日光温室墙体特性及性能优化研究[J]. 新疆农业科学，2009，46(5)：1016-1021.

Wang Xiaodong, Ma Caiwen, Wu Letian, et al. Characteristic research and performance optimization of the solar greenhouse wall[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2009, 46(5): 1016-1021. (in Chinese with English abstract)

[14] 时盼盼，吕建，杨洪兴，等. 蓄热层构筑方式对日光温室复合相变墙体蓄热性能的影响[J]. 太阳能学报，2018，39(6)：1511-1518.

Shi Panpan, Lv Jian, Yang Hongxing, et al. Effect of construction method of heat storage layer on heat storage performance of composite phase change wall in solar greenhouse[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2018, 39(6): 1511-1518. (in Chinese with English abstract)

[15] 孙心心，邹志荣，王宏丽，等. 新型复合相变墙日光温室性能实测分析[J]. 农机化研究，2010，32(3)：168-170.

Sun Xinxin, Zou Zhirong, Wang Hongli, et al. Field measurement and analysis of performance of solar greenhouse with compound phase change material wall[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(3): 168-170. (in Chinese with English abstract)

[16] 程素香. 石蜡体系相变材料北方地区温室大棚控温试验研究[D]. 吉林：吉林东北电力大学，2017.

Cheng Suxiang. Experimental Studies of Phase Change Materials for Temperature Control in Greenhouse in North China[D]. Jilin: Jilin Northeast Electric Power University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[17] 许红军，张书峰，董浩远，等. 适于温室应用磷酸氢二钠储放热特性探究[J]. 新疆农机化，2019(4)：42-44.

Xu Hongjun, Zhang Shufeng, Dong Haoyuan, et al. Application of brick wall with phase change rice husk in solar greenhouses[J]. Xinjiang Agricultural Mechanization, 2019(4): 42-44. (in Chinese with English abstract)

[18] 张巨松，周琳，邢韵. 相变材料应用在日光温室中的效果研究[J]. 沈阳建筑大学学报：自然科学版，2016，32(6)：1090-1096.

Zhang Jusong, Zhou Lin, Xing Yun, et al. Study on effect of phase change materials in solar greenhouse[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2016，32(6)：1090-1096. (in Chinese with English abstract)

[19] 管勇，陈超，李琢，等. 相变蓄热墙体对日光温室热环境的改善[J]. 农业工程学报，2012，28(10)：194-201.

Guan Yong, Chen Chao, Li Zhuo, et al. Improving thermal environment in solar greenhouse with phase-change thermal storage wall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(10): 194-201. (in Chinese with English abstract)

[20] 管勇，陈超，凌浩恕，等. 日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析[J]. 农业工程学报，2013，29(21)：166-173.

Guan Yong, Chen Chao, Ling Haoshu, et al. Analysis of heat transfer properties of three-layer wall with phase-change heat storage in solar greenhouse[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(21): 166-173. (in Chinese with English abstract)

[21] 陈超，李琢，管勇，等. 制作方式对日光温室相变蓄热材料热性能的影响[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊1)：186-191.

Chen Chao, Li Zhuo, Guan Yong, et al. Effects of building methods on thermal properties of phase change heat storage composite for solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.1): 186-191. (in Chinese with English abstract)

[22] 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：农业科学版，2014，32(4)：88-94.

Yang Xiaolong, Wang Hongli, Xu Hongjun, et al. Performance of phase change thermal storage wallboard of disodium hydrogen phosphate dodecahydrate in solar greenhouses[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University: Agricultural Science, 2014, 32(4): 88-94. (in Chinese with English abstract)

[23] 闫彦涛，邹志荣，李凯. 太阳能相变蓄热系统在温室加温中的应用[J]. 中国农业大学学报，2016，21(5)：139-146.

Yan Yantao, Zou Zhirong, Li Kai, et al. Application of solar-phase change heat storage system in greenhouse[J]. Journal of China Agricultural University, 2016, 21(5): 139-146. (in Chinese with English abstract)

[24] 郭靖，邹志荣，刘玉凤. 不同方式封装的相变材料蓄热效果研究：基于日光温室[J]. 农机化研究，2012，34(2)：137-140.

Guo Jing, Zou Zhirong, Liu Yufeng. Study on performance of heat preservation of phase change material packed in different ways: Based on solar greenhouse[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012, 34(2): 137-140. (in Chinese with English abstract)

[25] 张勇，邹志荣，陈红武. 一种园艺复合相变管材及其制备方法: CN101781549A [P]. 2010-07-21.

[26] Benli H, Durmus A. Performance analysis of a latent heat storage system with phase change material fornew designed solar collectors in greenhouse heating[J]. Sol Energy 2009, 83: 2109-2019.

[27] Berroug F, Lakhal E K, El Omari M, et al. Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wall[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(11): 3027-3035.

[28] Kumari N, Tiwari G N, Sodha M S. Effect of phase change material on passive thermal heating of a greenhouse[J]. International Journal of Energy Research, 2006, 30(4): 221-236.

[29] 张勇，邹志荣. 一种装配式日光温室太阳能自主蓄放热后墙: CN201320595948 [J]. 实用新型专利，2014-04-09.

[30] 张勇，邹志荣.一种主动采光及固化土自主蓄热后墙日光温室：CN201310303274.3[J]. 中国发明专利，2013-12-04.

[31] 史宇亮，王秀峰，魏珉，等. 日光温室土墙体温度变化及蓄热放热特点[J]. 农业工程学报，2016，32(22)：214-221.

Shi Yuliang, Wang Xiufeng, Wei Min, et al. Temperature variation, heat storage and heat release characteristics of soil wall in solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 214-221. (in Chinese with English abstract)

[32] 张潇丹，颉建明，郁继华，等. 温室墙体中覆铝箔封闭空气腔热工性能模拟分析[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：227-233.

Zhang Xiaodan, Jie Jianming, Yu Jihua, et al. Simulation analysis of thermal properties of air enclosure covered with aluminum foil in wall of solar greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 227-233. (in Chinese with English abstract)

Heat storage and release performance of new phase change material and its application in greenhouse

Zhang Yong1, Xu Yingjie2, Chen Yu2, Zhang Kexin2, Ni Xinyu2

(1.,,712100,; 2.,,712100,)

Solar greenhouse has commonly been used for crop production in China. Correspondingly, much more attention has been drawn to the heat storage and release ability of the rear wall in a solar greenhouse. A phase change material (PCM) can be widely expected to effectively improve the performance of heat storage and release in solar greenhouse walls. In this study, three types of PCM walls were investigated to determine the heat performance in a sunlight greenhouse. A single block cement module was selected to test the ability of heat accumulation in laboratory. The measuring data was achieved as follows. The results show that the temperature of a F1, F2, and F3 phase change material cement module increases from 8.3 to 32 ℃ to absorb 2 575.2, 3 041.5, and 3 286.8 kJ heat, and the heat storage per unit volume is 74.5, 88.0, 95.1 MJ/m3; The temperature of the F3 phase change material cement module dropped from 32 to 7.8 ℃ and released heat of 2 067.0, 2 344.6, and 2 910.2 kJ, respectively, and the heat output per unit volume was 59.8, 67.8, and 84.2 mJ/m3. Under sunny winter conditions, the heat storage per unit volume of F1, F2 and F3 walls are 55 862.5, 57 137.5, 60 383.75 kJ/m3, and the heat release per unit volume is 29 290, 40 182.5, 49 511.25 kJ/m3. When the wall thickness is only about 14% of that of the soil wall, the heat storage and release performance of F1, F2 and F3 are better than that of 0.6m soil wall. The heat storage per unit volume of F1, F2, F3 phase change material cement module is soil respectively. 10.2 times, 10.4 times and 11 times of the wall, the heat output per unit volume is respectively 15.6 times, 21.5 times and 26.4 times of the earth wall. Therefore, we applied the phase change material cement module to the solar greenhouse on a large scale. The total area accounts for about half of the wall area. The results show that the phase change material wall absorbs a large amount of excess heat inside the greenhouse during the day on a sunny day in summer. F1 The wall absorbs a total of 35 614.8 kJ of heat, the F2 wall absorbs a total of 72 788.4 kJ, and the F3 wall absorbs a total of 57 153.6 kJ; the three absorb a total of 165 556.8 kJ and 30 brides emit 20 292.0 kJ at night; In sunny weather in winter, PCM wall absorbs heat in the daytime, and the three absorb a total of 203 158.2 kJ, and release a large amount of heat at night. F1 wall releases a total of 36 442.8kJ, F2 wall 49 993.2kJ, and F3 wall 51 333 kJ. The three emit a total of 137 769kJ of heat at night. The application of PCMs to sunlight greenhouses, with the aid of natural ventilation measures in summer, can efficiently absorb a lot of heat to avoid the temperature peak and release a lot of heat in winter for high night temperature. This finding can provide new ideas and solutions to improve the environment and temperature in a greenhouse.

greenhouse; phase change material; temperature control; back wall; heat storage and release

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.027

S625.1

A

1002-6819(2021)-07-0218-09

2020-12-09

2021-03-05

陕西省重点研发计划项目（2018TSCXL-NY-05-05）；宁夏回族自治区重点研发计划重大项目（2016BZ0901）；节能日光温室结构优化与配套技术开发研究（2017ZDXM-NY-057）；设施农业采光蓄热技术提升研究与示范（2016KTCL02-02）

张勇，副教授，博士，研究方向为温室建筑结构及光热环境和建筑园艺。Email：Landscape@nwsuaf.edu.cn

张勇，许英杰，陈瑜，等. 新型相变材料蓄放热性能测试及在温室内的应用[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：218-226. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.027 http://www.tcsae.org

Zhang Yong, Xu Yingjie, Chen Yu, et al. Heat storage and release performance of new phase change material and its application in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 218-226. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.027 http://www.tcsae.org

中国农业工程学会高级会员：张勇（E041200715S）