六水氯化钙相变墙板在温室中的蓄放热特性

张书峰，董浩远，王祥兵，李彦荣，许红军，2

(1.新疆农业大学园艺学院，新疆 乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学园艺学博士后流动站，新疆 乌鲁木齐830052)

0 引言

乌鲁木齐市太阳能资源十分丰富，但是季节温度变化较大，夏季炎热，冬季寒冷，且昼夜温差较大[1]。上述气候特点造成该地区日光温室内部气温变化剧烈，温室内空气温度昼夜温差达30 ℃以上，因此夜间气温较低时，常采用煤炉、热风机等加温措施进行加温，保障温室生产。随着近年来对环境污染的严格管控，乌鲁木齐周边地区温室加温已不允许采用燃煤设施，对温室生产产生了较大的影响，亟待探索高效环保的蓄热储能材料在温室中的利用[2]。

此前研究已表明，相变储能材料在日光温室中大有可为，可以有效降低能源消耗、减少环境污染[3-14]。李彦荣等[15]测试了六水氯化钙(CaCl2·6H2O)等4种无机相变材料在不同温度条件下的放热特性，发现CaCl2·6H2O能够适用于日光温室。马江伟等[16]以CaCl2·6H2O晶体为主体，通过熔解冷却试验，依据温室温度变化及作物生长规律，筛选出适宜温室应用的相变蓄热体系。郭靖[17]将CaCl2·6H2O外挂在砖墙温室的后墙内表，通过对温室内空气温度测试，发现能有效缩小日光温室内的温差。大量研究表明，使用相变储热装置，在白天储存系统吸收储存室内外的热量，在夜晚则将热能释放进温室中，可实现温室夜间温度提高，进而节约温室加温成本[18-20]。

上述研究多为测试CaCl2·6H2O对温室热环境改善的效果，但对于CaCl2·6H2O在温室中的使用量、储放热特性等未进行探讨。因此，本研究以温室砖墙墙体蓄放热特性为对照，通过测试不同厚度相变墙板在温室内的蓄放热时间、蓄放热量并进行分析，以期获取相变材料在温室中应用的合理方式与尺寸，从而提高相变储能材料的使用效率。

1 材料与方法

1.1 材料制备

采用自制的相变储能材料，其中主储能剂为CaCl2·6H2O，成核剂为30%添加量的MgCl2·6H2O和1%添加量的SrCl2·6H2O，并通过饱和溶液法制备而成，以上试剂均为分析纯，由天津市致远化学试剂有限公司生产。

相变墙板主要是由相变材料、封装管材、支撑框架和保温板4个部分组成。相变材料用料为CaCl2·6H2O复合相变材料。封装管材为透明亚克力方管，选取4种口径规格(2、3、4和5 cm)，长度均为50 cm，管壁厚也均为0.5 cm。框架结构是由角钢焊制成的。保温板为10 cm厚聚苯乙烯板。将复合相变材料完全熔融后分别装入不同口径的亚克力管密封，将亚克力管并排固定、制成100 cm×50 cm(长×宽)且厚度分别为2、3、4和5 cm的相变墙板，然后利用角钢框架固定，保温板通过自攻丝固定于支撑框架背部，如图1所示。

图1 相变墙板实物Fig.1 Phase change wall panel

1.2 测试方法

该试验于2019年11月16—23日在新疆农业大学三坪农场实习基地(43.93°N，87.34°E)中的日光温室进行，温室结构如图2所示。将相变墙板安装至温室后墙中间位置，高度1.5 m处。采用北京世纪建通有限公司生产的JTR01型温度热流测试仪测试温室墙体的热流量动态变化，温室太阳辐射由PDE-KI型环境数据记录仪(哈尔滨物格电子技术有限公司生产，测量范围0～2 000 W/m2，准确度±3%，分辨率1 W/m2)采集，数据采集时间间隔均为10 min。

图2 温室结构Fig.2 Greenhouse structure

1.3 数据处理

试验数据均采用orign 2017进行整理分析及图表制作。

2 结果与分析

2.1 乌鲁木齐地区日光温室内光热环境分析

为分析不同厚度相变墙板在温室内的蓄放热时间、蓄放热量，对于昼夜温差较大、太阳辐射较强的试验条件进行了测试分析，结果如图3所示。从整体来看，除11月21日为阴天外其余都为晴天，晴天最大太阳辐射为324 W/m2，阴天最大太阳辐射为115 W/m2；晴天的最高温度平均为27.1 ℃，最低温平均为3.6 ℃；阴天的最高温度为9.1 ℃，最低温为3.6 ℃。相变储能材料在高温条件下能够吸收多余的温度，在低温的条件下能够放出热量，达到“削峰填谷”的作用，从而延长植物生长适宜温度的时间。在11月16—23日的环境条件下测试，具有很强的代表性。

图3 温室内温度和太阳辐射照度变化Fig.3 Change of temperature and solar irradiation in greenhouse

2.2 不同厚度相变储能材料墙板的蓄放热对比

为了研究不同厚度相变墙板在温室中的应用效果，进而选出适用于乌鲁木齐地区的相变储能墙板的厚度，对不同厚度的相变墙板的蓄放热时间和蓄放热量进行分析。11月16—23日不同厚度相变储能墙板的热流密度变化如图4所示，根据图表选出17日、18日、19日作为代表，分别测量其蓄放热量和蓄放热时间。2～5 cm厚度相变储能墙板储热量的平均值分别为2.9、4.1、3.4和3.7 MJ/m2；放热量的平均值分别为2.9、4.2、3.7和3.8 MJ/m2；平均放蓄热比分别为100%、102%、108%和102%。放蓄热比>100%的原因可能是由于相变储能材料放热分为潜热和显热，在液态状态下放热到相变状态下后继续放热成固态，在固态的条件下也会继续放热，导致放蓄热比>100%。墙体并不存在潜热，因此墙体的平均蓄放热量分别为3.4、2.3 MJ/m2，放蓄热比为68%。

图4 不同尺寸墙板热流密度变化Fig.4 Heat flux density of wallboard with different thickness

为分析不同厚度相变蓄热墙板的蓄放热情况，统计在温室生产条件下，相变墙板的蓄热放热时间如表1所示。相变墙板在温室中处于不断放热、蓄热的状态，2 cm厚相变墙板的蓄放热时间与其他厚度相变墙板的时间相比较短一些，其他厚度相变墙板的蓄放热时间相差不大。从放热量来看，2 cm厚度墙板的放热量较小，3～5 cm厚度墙板差异不大，均大于砖墙的放热量。分析原因，超过3 cm厚度的蓄热墙板内材料不能完全利用，不能起到完全相变蓄热的效果。3 cm的相变储能墙板的性能相较其他厚度的相变墙板更为优越，且材料也更为节省。因此，从经济环保方面考虑，3 cm厚的相变储能墙板相较于其他厚度的墙板更加节省材料。

表1 蓄放热时间对比Tab.1 Comparison of heat storage and release time 单位：h

2.3 晴天与阴天相变墙板蓄放热量对比

研究相变储能墙板在晴阴天的蓄放热情况，并通过跟墙体比较从而判断不同厚度的相变储能墙板在晴阴天的适用状况，结果如表2所示。在11月19日典型的晴天条件下，砖墙墙体的放热量与蓄热量分别为3.9、2.1 MJ/m2，放蓄热比为54%；2～5 cm厚度相变储能墙板放蓄热比分别为97%、98%、100%、100%。说明晴天条件下相变蓄热墙板较砖墙有更好的蓄热效果，但是超过3 cm后相变墙板蓄放热量变化不大，难以有效利用。在11月21日典型的阴天条件下，墙体放蓄热比为233%；2～5 cm厚的相变储能墙板的放蓄热比分别为100%、120%、150%、150%。由于是阴天，相变墙板难以进行热量有效蓄积，导致蓄热量较小。在21日前都是晴天，白天温度都比较高，墙体和相变储能墙板有一定厚度，放热不完全，在21日的阴天条件下，温室内温度过低，将前几日未释放的热量都释放了，起到了增加温室内温度的作用，墙体在阴天条件下蓄热量明显比相变储能墙板要小，因此相变墙板放热效果在阴天更为明显。

表2 温室砖墙和不同厚度相变墙板蓄放热量Tab.2 Heat storage and release of greenhouse brick walls and phase change wall panels of different thicknesses 单位：MJ/m2

2.4 3cm厚相变储能墙板与墙体表面温度变化分析

通过比较相变墙板的表面温度变化与砖墙表面温度变化，可以反映使用相变储能墙板与砖墙墙体对温室环境造成的差异。由以上研究可知，3 cm的相变储能墙板的性能比较优越。将3 cm相变储能墙板的温度变化和墙体的温度变化进行对比，结果如图5所示。其中墙体在晴天条件下平均最高气温为23.6 ℃，平均最低温度为3.3 ℃；3 cm相变储能墙板平均最高温度为21.1 ℃，平均最低温度为4.3 ℃，3 cm相变储能墙板平均缩减了昼夜温差3.5 ℃左右。可以确定，在晴天条件下3 cm的相变储能墙板温室比砖墙具有优势，能够有效地增加夜晚室内温度，延长适应植物生长温度的时间，同时减少对冬季夜晚温室增温的能源消耗。

图5 墙板与墙体温度变化对比Fig.5 Comparison of wall panel and wall temperature

3 讨论

(1)目前相变材料的应用研究主要是将相变材料放置在温室中，测试相变材料在温室中白天降温和夜间增温效果，或测试含有相变材料墙体的蓄放热效果等，但对于相变材料在温室内部特定环境下的热特性变化测试较少，测试温室环境下相变材料的热特性对于优化相变材料在温室中的应用有重要意义[21-23]。

(2)肖伟等[24]以北京地区为例，比较了定形相变蓄能墙板与重质混凝土在改善轻质围护结构隔热性能方面的差异，并从相变温度和相变墙板厚度两个方面对定形相变蓄能墙板的使用效果进行了优化。研究表明，定形相变蓄能墙板能有效改善轻质保温墙体的隔热性能，而对建筑自身承重增加很小，同时也指出20 mm的相变板白天不能完全熔化，只有约58%的相变潜热能进行有效的蓄放热循环，因此认为相变板厚度不宜超过20 mm。也认为在一定厚度上未能充分利用，与本研究的结论基本一致。

(3)时盼盼等[25]在天津等地区试验发现与土墙、砖墙相比，相变储能墙体具有更好的“削峰填谷”作用，对日光温室的热环境改善具有重要意义，可以很好地提高土地利用率，但是该试验并未提到相变储能墙板在阴天和晴天的性能比较。本试验通过晴天与阴天对比发现，改性六水氯化钙相变储能墙板在阴天并不能很好达到“削峰填谷”的作用，且与砖墙的蓄放热量相差不大，因此，相变储能材料在阴天使用，还需要对温室内加温作为辅助。

4 结论

通过对比不同厚度相变墙板蓄放热时间和温度的变化，2 cm厚度的相变储能墙板蓄放热快，材料利用充分，但在温室中应用，蓄放热时间较短；4～5 cm厚度墙板能够满足周天持续供热与吸热的需要，但是测试发现相变材料利用不完全；综合考虑，3 cm相变墙板是适用于温室应用的储放热墙板。与砖墙表面温度相比，3 cm的相变储能墙板在晴天的环境下能够有效减小昼夜墙板表面温差3.5 ℃左右，在温室中使用可有效降低夜间温室加热的能源消耗。