PCMs 对水产养殖温室热环境动态调控的分析

王雅婷 赵生婷 孙 丹 张殿光 孙凯玥 于宗君 张云龙

（大连海洋大学，辽宁 大连 116023）

近年来，我国北方地区广大养殖户不断尝试利用温室进行反季节养殖水产品，已初获成功。但由于北方室外极端的气候变化以及养殖经验不足，始终处于摸索徘徊阶段，不能大规模化养殖。因此，温室养殖环境对水产品的数量与品质有着直接影响。在水产养殖温室热环境调控中，除了水体温度外，环境温度也影响水产品的产量质量。本文从养殖环境温度角度出发，探讨了相变材料在水产养殖温室热环境动态调控方面应用的可行性，同时设计一种集调温、通风、隔热等功能于一体的新型储能百叶卷帘，为降低建筑能耗，提高能源利用率，缓解水产品产量下降问题具有借鉴意义。

1 相变材料（PCMs）

相变材料，又称相变储能材料，属于能源材料范畴。它是将能量在特定条件下贮存，特定条件下加以释放和利用，达到能量供应与人们需求一致性目的，实现节能降耗[1]。相变材料种类繁多，分类方法也多种多样。目前，按相变形式分类较为常见。主要分为固-液、固-固和固-气三种类型。其中，固-液相变材料是利用固液间的相互转化进行能量的吸收和释放，该过程可逆，可重复使用，相变温度范围宽，储能密度大，价格低廉；固-固相变材料体积变化小，相变过程中没有液相产生，无需封装，无过冷及相分离现象，性能稳定，无毒无腐蚀；固-气相变材料和液-气相变材料由于涉及气体，反应过程中体积变化大，对使用环境要求高，设备复杂，经济实用性差。目前，固-固相变材料和固-液相变材料研究较多、发展较快，但固-固相变材料种类受限。因此，在实际工程中固-液类相变材料应用最为广泛。

2 PCMs 对水产养殖温室热环境调控的可行性分析

2.1 适用于水产养殖温室的PCMs 特点

冬季受极端天气影响，水产养殖温室昼夜温差大，温度下降速度快，导致室内阴暗潮湿；夏季太阳辐射直接照射墙体，导致室内温度高，超出水产品适宜温度范围。这两种情况均影响水产品的产量和质量。因此，将PCMs 应用于水产养殖温室环境，在考虑材料本身的热物性、经济性的同时，还要结合温室特定的养殖环境以及材料对环境的影响。因此，在筛选适用于水产养殖温室环境的PCMs 时，需要具备以下几个特性：

2.1.1 相变温度要与水产品养殖温度接近；

2.1.2 相变潜热大，相变过程中能储存和释放较大能量；

2.1.3 导热系数高，有助于快速储能和放能；

2.1.4 无毒、无腐蚀，对水产品及养殖环境影响小；

2.1.5 材料易购，价格便宜。

2.2 适用于水产养殖温室的PCMs 种类

在实际筛选PCMs 种类过程中，完全满足水产养殖温室环境特性要求的PCMs 很少。往往优先考虑相变温度、相变潜热以及对养殖环境的影响，然后再逐步考虑其他方面影响。我国北方地区常见反季节养殖的南美白对虾、石斑鱼等水产品，养殖温度基本处于15～30℃[2-3]。因此，适用于水产养殖温室环境的PCMs的相变温度也应属于此温度范畴。如将癸酸和月桂酸按一定比例混合，可以配置出相变温度为22.5℃、24.3℃、25.1℃，相变潜热为93.7J/g、94.2 J/g、101.9 J/g的二元复合相变材料[4]。通过施罗德公式对癸酸-硬脂酸、癸酸-肉豆蔻酸及癸酸-月桂酸进行混合，可以配比出相变温度为25.6℃、21.8℃、18.7℃的二元复合材料[5]。表1 给出了部分适用于水产养殖温室环境的PCMs 及热性能。

表1 适用于水产养殖环境的相变材料

2.3 PCMs 对建筑温室热环境的调控

PCMs 作为一种高效的储能材料，将其应用于建筑领域现已成为节能研究的热点，既能实现室内环境的控温和调湿，又能节约能源，降低CO2的排放，实现建筑的可持续发展。目前，PCMs对建筑温室热环境的调控主要体现在建筑围护结构和供冷、供热等方面。PCMs 在建筑围护结构中的应用是多方面的：PCMs与墙体结合，掺入到砂浆、混凝土、石膏板中制成新型建筑材料，不仅能够调节建筑室内热湿环境，降低能源消耗，还能使建筑结构功能一体化，节约使用空间；PCMs与门窗百叶结合，可以制备出具有调温通风功能于一体的相变储能百叶。Shi[6]等人制备了力学性能和热稳定性较好的新型蓄热轻质水泥砂浆。过渡季节可使室内温度的波动降低3.6℃；夏季，调温性随着夜间温度的升高而降低；冬季，可降低空调关机时室内峰值温度。Ren[7]等人研制了一种新型结构功能一体化的相变混凝土。通过实验发现掺入10%微胶囊相变材料的混凝土表面温度比普通混凝土房间低3.9℃，具有良好的蓄热能力和调温性能。PCMs 应用于供冷、供热系统可以进行蓄热或蓄冷。特别是供热系统，将PCMs装到蓄热设备中，利用太阳能白天将太阳辐射集中储存起来，在夜间或阴天推动发生器进行制热，补充室内热量，防止室内温度下降过快。周昊等人[8]利用相变材料设计了一种高效梯级相变蓄热器模型，并对同一工况下不同部位的传热特性进行了数值模拟研究。该装置能够解决养殖过程中太阳能不连续、不稳定的蓄热问题，推动了相变材料在水产养殖行业的应用。

3 新型储能百叶卷帘

3.1 新型储能百叶卷帘设计

传统百叶卷帘只是单纯的通过调节百叶开合及收卷来达到遮阳和通风目的，不能对太阳辐射和室内多余热量加以利用，造成能源浪费。基于此，本文设计了一种集调温、通风、隔热等功能于一体的新型储能百叶卷帘。

新型储能百叶卷帘采用质轻、高强、不易变性、防水性、防腐蚀性好、传热性高的铝合金百叶；百叶形状为条状百叶间隔排列在一起；由于百叶宽度对室内热环境的影响较小[6]，基于使用便捷及使用方法的考虑，选取百叶宽度为30mm；百叶厚度主要影响调温效果，厚度过小，无法容纳足够的PCMs，厚度过大又会影响通风、采光以及压力荷载问题，本文暂选百叶厚度5mm。图1 为新型储能百叶卷帘的结构示意图。

图1 新型储能百叶卷帘的结构示意图

3.2 运行模式

3.2.1 夏季运行模式：南墙由于室外太阳辐射量过大而温度持续上升，若无遮阳措施，南墙温度高达50℃，严重影响养殖房间室内温湿度，进而影响水产品的产量质量。因此，夏季当室外太阳辐射充足时，将储能百叶卷帘隔热层朝向室外，防止太阳辐射直接进入室内，而高导热层朝向室内，吸收室内多余热量，防止室内温度过高；当夜晚室内温度低于PCMs的相变温度时，PCMs 向室内释放储存的热量，防止室内温度过低。

3.2.2 冬季运行模式：冬季当室外太阳辐射充足时，将高导热层侧朝向室外，吸收并储存太阳辐射热，隔热层朝向室内，减少室内热量通过窗体向室外流失；当室外温度低于PCMs的相变温度时，通过连接杆调节储能百叶卷帘扇面使之翻转180°隔热层朝向室外，高导热层朝向室内，储存在百叶储能薄盒内的热量释放到室内，延缓室内温度下降速度。

3.2.3 通风模式：当室内需要通风时，通过连接杆将储能百叶卷帘的扇面旋转到水平方向，保证室内外空气流通（图2）。

图2 新型储能百叶卷帘的运行原理图

3.3 实验结果分析

将新型储能百叶卷帘与普通百叶卷帘安装在房间同侧不同窗户上，测量百叶卷帘后方温度变化情况，如图3 所示。结果表明，储能百叶卷帘与普通百叶卷帘相比后方温度达到25℃左右（相变温度）后温度变化平缓，说明储能百叶卷帘释放储存的热量，减小室温下降速度，对室内热环境起到调控作用。

图3 百叶卷帘温度变化情况

4 结论

PCMs 作为一种高效的储能材料，将其应用在水产养殖温室中，能够缓解温室能量供求在时间和强度上不匹配的矛盾，降低建筑能耗，调节养殖温室热环境；能够有效地储存、利用太阳能等低成本清洁型能源，实现环境与经济的双赢。因此，利用PCMs 对水产养殖温室热环境进行动态调控是可行的。