太阳能加相变储能材料在北方日光温室大棚中应用的增温效果的研究

王建川,冯海洋,李广义,贾思睿

(辽宁工程技术大学土木工程学院 辽宁,阜新 123000)

引言

目前温室大棚技术是发展现代农业的重要举措方向和基本路线,温室大棚的增温与保温仍是发展过程中的一个主要问题,实现合理利用自然能源对温室大棚进行增温可减少常规能源如煤、电的消耗,对节能减排有重大意义。

国内外不少学者对相变材料在温室大棚中的应用进行了研究。王传涛[1]等在25℃的石蜡中加入质量分数5%的碳纤维制备复合相变材料,得出结论:采用25℃的石蜡,测得相变温度区间为22.2℃～30.0℃,与植物生长所需环境温度区间相适应。使用相变材料的温室环境温度波动小,相变材料的蓄热与放热过程对于温室环境温度起到“削峰填谷”的作用,减少辅热或制冷设备产生附加能耗,可起到节能减排的作用;史巍[2]通过实验得出加入相变复合材料的温室模型室内温度波幅小,蓄放热效果优于对比温室。Öztürk H H等[3]以石蜡作为PCM研究了一个180 m2温室的季节性储能性能。该温室内一共使用了6000 kg石蜡。采用能量和火用分析方法评估了整个温室的蓄放热效率,并讨论了蓄放热过程中,进出口温差对于系统火用的影响。Tyagi V V等[4]使用六水氯化钙作为相变材料,研究了相变储能系统的传热性能及进行了经济性评价。通过对系统进行蓄冷以及三种热负荷(1 kW、2 kW 和3 kW)释冷实验,发现在1 kW时经济性最高,在3 kW加热负荷时最低。李鹏等[5]将以石蜡为主的固/液复合相变材料喷涂到日光温室梯形北墙体内表面,结果表明:晴天和阴天,相变涂层温室墙体的日间蓄热量和夜间放热量均显著高于普通温室墙体。Zhu X Q等[6]指出六水氯化钙是一种重要的无机相变材料,并对实验结果进行了分析和讨论,预测了其在工业应用中作为热能储存的前景。

目前学者们主要致力于对单纯的相变材料在温室大棚中应用效果的研究,鲜有人对太阳能和相变材料相结合在大棚中的应用进行研究。基于此,本文选择高低温两种相变材料,采用模拟实验的方法,利用Agilent 34972A型号温度记录仪的和10个热敏温度探头,通过实验平台得到大量数据,分析对比不同性质的相变材料在是否有太阳能集热器加持的情况下对温室大棚保温性能的改善效果。得出:在相变材料的一个吸放热周期内,相变装置能大幅改善温室大棚夜间的保温效果,减少煤、电等资源的使用且高温相变材料的改善效果显著优于低温相变材料的结论。

1 研究方法

1.1 实验原理阐述

对传统大棚而言,日间通过吸收太阳辐射使自身温度升高,夜间没有了太阳光的照射且室外温度较之大棚内温度更低,大棚内空气与环境之间存在一个对流换热过程,如果大棚内没有热量补充,导致大棚内温度下降。如果在大棚内部安装相变储能材料管,当室外温度较低引起大棚室温降低时,相变材料开始冷却,储存的热量在一定范围内要散发到环境中去,进行液态到固态的逆相变。物理状态发生变化时,材料自身温度在相变完成前几乎维持不变,形成一个宽的温度平台,虽然温度不变,但到处的潜热却相当大[7]。实现对大棚的热量补充,达到减缓大棚降温速度,增强大棚保温性能的目的。基于此特性,本文利用家用“小太阳”取暖器模拟太阳光照实现对相变材料的加热融化和太阳能集热器的运行。当太阳能集热器开始运行时,只要保证集热器的高度低于大棚模型,保持一定的高度差加之管中水受热形成的密度差,热水便能通过连接的管道实现自循环;流经相变材料套管,对其进行加热融化,实现太阳能时间和空间的转移。

1.2 模型设计与制作

本实验采用xps挤塑板阻燃保温泡沫板模拟大棚的保温蓄热墙体,软性保温棉模拟大棚夜间保温用的毛毡覆盖层,PO塑料透明薄膜进行空气隔断,小竹条作为塑料薄膜支撑结构,按照需求将xps挤塑板阻燃保温泡沫板切割制成如图1所示的。利用不同直径的铝管制成如图1所示的偏心相变材料套管。

图1 偏心相变材料套管

图2 大棚模型主体

1.3 实验设计

用如图1所示由大棚模型主体,壁挂偏心相变储能材料套管,PVC透明热水管,热水集水箱,循环水泵连接而成的模拟实验图进行甲、乙、丙三组实验。控制三组实验环境温度一致。

三组实验的不同之处在于:

甲组:壁挂相变储能材料套管中为高温相变材料且相变材料融化的热量来源为通入管中的循环热水。

乙组:壁挂相变储能材料套管中为低温相变材料且相变材料依靠水浴融化后在挂进大棚模型中。

丙组:无壁挂相变储能材料套管。

三组实验环境平均温度均为7℃。

利用Agilent 34972A型号温度记录仪和10个热敏温度探头记录实验室数据。相变材料充分融化并完成壁挂后,用“小太阳”电取暖器模拟太阳光照,将大棚模型内的空气温度升到39℃,然后移走“小太阳”,记录时间节点,开始记录相变材料管和大棚模型内空气的降温过程。得出结果后对各组数据进行处理、比较和分析。

2 实验结果分析

2.1 不同增温方式下大棚保温效果分析

(1)对甲组实验,在安装好的模拟实验装置基础上,先敞开PO塑料膜,采用循环水泵通63℃热水对高温相变材料进行加热融化,通过紧密贴合安装在偏心相变储能材料套管外壳上的热电偶(203、207、209、211、213通道)采集高温相变材料吸热融化的升温过程,随后覆膜,打开“小太阳”保持一定高度和角度对大棚模型进行模拟太阳照射过程,直至大棚内平均室温(201、215、217、219、220通道)达到38℃左右,撤走小太阳,覆盖软性保温棉,开始记录甲组实验大棚的降温过程,温度记录间隔为5s。分析得出高温相变装置与大棚室温平均值的变化趋势对比如图3。

图3 高温相变装置与大棚室温平均值的变化趋势对比

(2)对乙组实验,相变材料管水浴融化后,迅速将其悬挂在大棚模型后壁,随后覆膜,打开“小太阳”保持一定高度和角度对大棚模型进行模拟太阳照射过程,直至大棚内平均室温(201、215、217、219、220通道)达到38℃左右,撤走小太阳,覆盖软性保温棉,开始记录乙组实验大棚的降温过程,温度记录间隔5 s。分析得出低温相变装置与大棚室温平均值变化趋势对比如图4。

图4 低温相变装置与大棚室温平均值的变化趋势对比

(3)对丙组实验,为空白对照组,大棚内部不增加相变材料,仅覆膜后,打开“小太阳”保持一定高度和角度对大棚模型进行模拟太阳照射过程,直至大棚内平均室温(201、215、217、219、220通道)达到38℃左右,撤走小太阳,覆盖软性保温棉,开始记录丙组实验大棚的降温过程,温度记录间隔为30 s。分析得出大棚平均温度变化趋势如图5。

图5 大棚平均温度变化趋势

2.1.1 分析结果

甲组在实验开始后30 min左右相变材料和大棚室温开始趋于稳定,分别维持在32℃、25℃左右近3个小时。乙组在实验开始后20 min左右相变材料和大棚室温开始趋于稳定,分别维持在30℃、22℃左右1个小时。而空白组在开始降温后的14 min内就降至与室温温差5℃左右。实验结果表明,相变材料在大棚保温中的应用效果明显优于传统大棚。使用相变材料的大棚保暖效果优于传统大棚,且维持的平台温度的高低与相变材料的相变温度呈正相关。

2.2 温度空间分布分析

对相变材料组(甲,乙两组)实验特征温度点(如图6)的分析:

图6 变相材料组实验特征温度点

试验过程中发现,位于最底部的测点(220通道)其温度在整个实验过程中总是处于较低的水平,如图所示,符合热空气向上流动的原理。位于进深方向同一平面相同高度的三个测点:215,217,201通道,位置关系如图(J)所示,温度呈现为T215>T217>T201。位于同一平面上不同高度的三个测点:219,217,220通道位置关系如图(J)所示,温度呈现T219>T217>T220。

图7 大棚模型内同一平面高度方向上温度变化趋势

图8 大棚模型内进深方向上温度变化趋势

对乙、丙两组相对应分析,呈现与上述一致结论。

3 结论

对两组相变材料组的实验结果均表明:

(1)增加相变材料后,由于相变材料的热工特性,与空白组相比,大棚内的平均空气温度能较长时间的维持在相对高的适合植物生长的平台温度,如图3和图4所示,甲组在实验开始后30 min左右相变材料和大棚室温开始趋于稳定,分别维持在32℃、25℃左右近3个小时。乙组在实验开始后20 min左右相变材料和大棚室温开始趋于稳定,分别维持在30℃、22℃左右近1个小时。而空白组在开始降温后的14 min内就降至与室温温差5℃左右。

(2)相变装置对大棚的增温效果好坏与其中充填的相变材料的性质(平台温度的高低)呈正相关。

(3)相比于空白对照组(丙组),相变温室组(甲、乙组)中温度的空间分布呈现上高下低,靠近相变装置高远离相变装置低的趋势。

综上,太阳能加相变材料在大棚保暖中的应用,使大棚的保暖效果显著提高,且维持的平台温度的高低与相变材料的相变温度呈正相关。同时相变材料的使用也减少了能源的消耗,达到了经济和环保的双重效果。因此,在大棚种植业的发展中,应积极推广相变材料的应用,提高大棚保暖效果和经济效益。