磷酸氢二钠相变墙板在温室中的应用效果

杨小龙;王宏丽;许红军;韩丽蓉

【摘 要】为改善日光温室热环境,以十二水磷酸氢二钠为相变材料,依据普通温室墙体夜间累计放热量计算出相变材料的用量为16.7 kg/m2,在此基础上制备了十二水磷酸氢二钠相变蓄热墙板.建造后墙结构为“80mm相变蓄热板+40mm×60 mm×2.5 mm方钢+80 mm菱镁聚苯保温板”日光温室,与“240mm红砖+100 mm聚苯板+240 mm红砖”后墙温室比较.结果表明:典型晴天时,相变蓄热板温室的气温波动幅度比对照小4.2℃,最低气温高1.5℃,最高气温低2.7℃,平均气温高1.2℃,相对湿度增加3％,墙体夜间累计放热量略大于对照;典型阴天时,相变蓄热板温室的平均气温比对照高1.6℃,相对湿度提高2.6％,墙体夜间累计放热量增加0.16 MJ/m2.与此同时相变蓄热板墙体造价比对照低22元/m2,土地利用率提高4.2％～12.2％.综合保温蓄热性能和建造成本,相变蓄热墙板是一种有推广价值的温室墙体类型.

【期刊名称】《上海交通大学学报（农业科学版）》 【年(卷),期】2014(032)004 【总页数】7页(P88-94)

【关键词】十二水磷酸氢二钠;相变蓄热墙板;日光温室;保温蓄热性能;造价分析 【作 者】杨小龙;王宏丽;许红军;韩丽蓉

【作者单位】西北农林科技大学园艺学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学园艺学院,陕西杨凌712100;农业部西北设施园艺工程重点实验室,陕西杨凌712100;

新疆农业大学林学与园艺学院,乌鲁木齐830052;西北农林科技大学园艺学院,陕西杨凌712100 【正文语种】中 文 【中图分类】S625.1

目前日光温室的后墙类型主要有土墙、砖墙、夹层墙和复合墙等。砖苯夹层墙结构牢固,具有一定的保温蓄热性能,是生产上广泛应用的温室墙体类型。但砖墙的建造费工费时,墙体造价较高。利用相变材料的吸放热特性来改善温室热环境是近年来研究的热点[1-5]。张勇等将研制的相变空心砌块应用于温室后墙后得出,相变墙体温室平均气温白天比对照低3.3 ℃,夜间比对照室温高1.9 ℃等结论[6]。王宏丽等以石蜡、硬脂酸正丁酯、稻壳为原料,与建筑材料混合制作了相变蓄热砌块,结果表明,与普通温室相比,相变墙体温室气温波动幅度比对照小4.1 ℃,最高温度低于对照2.4 ℃,最低温度高于对照1.7℃[7]。上述相变蓄热墙体的研究重点在于改善温室热环境,并未对墙体造价、土地利用率等问题进行讨论。国内学者对于其他类型墙体热性能的研究也较少提及建造成本问题,只有数篇有关土墙的报道[8-9],因此有必要在研究墙体保温蓄热性能的基础上继续对其经济性能进行分析。

该研究以许红军等[10]的报道为依据,通过在磷酸氢二钠中加入KCl降低熔点,同时加入成核剂与稳定剂制备出熔化温度在21.7 ℃,凝固温度在25 ℃,潜热密度为165.9 kJ/kg,多次冷热循环后性能稳定、适于温室应用的磷酸氢二钠蓄热体系。将蓄热体系封装制备出相变蓄热墙板。独创性的提出了“相变蓄热墙板+方钢+菱镁聚苯保温板”三重结构、无砖型温室墙体。将其应用于温室后墙,通过实测热性能及费用指标评估装配式相变蓄热墙板应用于日光温室的可行性。 1 材料与仪器

1.1 实验材料

Na2HPO4·12H2O,纯度99.7%,陕西胜方化工有限公司生产;KCl,纯度99.5%,四川西陇化工有限公司生产;石墨,纯度98%,天津市东丽区天大化学试剂厂生产;硅酸钠,分析纯,含量高于99.4%,天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产;菱镁聚苯保温板,1.5 m×1.2 m×0.1 m,西安科易建材有限公司生产;高分子尼龙塑胶密封袋。 1.2 实验仪器

PDE-KI温湿光数据记录仪,温度范围-30～70 ℃,准确度±0.5 ℃,分辨率0.1 ℃;湿度范围:0～99%RH,准确度±3%,分辨率1%;光照度范围:0～200 000 lx,准确度±5%,哈尔滨物格电子技术有限公司生产。

JTR01温度热流测试仪,温度测量范围:-20～85 ℃,温度测量精度:±0.5 ℃(常温达±0.2 ℃)温度分辨率:0.1 ℃,热流测量范围:0～2 000 W/m2,热流分辨率:0.1 W/m2,北京世纪建通环境技术有限公司生产。

JA30K-1电子天平,称量范围:0.1～30 kg,精度:±0.1 kg,上海志荣电子科技有限公司生产。 1.3 实验方法

1.3.1 相变材料用量的确定

马承伟等[11]的研究表明,温室墙体夜间放热量不仅与墙体类型、尺寸有关,还与当时的室内气温有关。设计8 ℃为相变温室温度下限,此温度下“240 mm红砖+100 mm聚苯板+240 mm红砖”墙体的夜间累计放热量Q0为2.37

MJ/m2[11]。相变材料(PCM)的用量参照对照温室墙体夜间放热量计算,假设PCM白天吸热完全融化,夜晚将吸收的热量全部释放回温室中,则PCM蓄热量QPCM=Q0。已知无机盐蓄热量公式为[12]: QPCM=mPCM(CPsdT+ΔH+CPldT) (1)

式中,mPCM为PCM的质量,kg;CPs为PCM固相时的比热容,kJ/(kg·℃);CPl为PCM液相时的比热容,kJ/(kg·℃);ΔH为PCM相变潜热,kJ/kg;T0为起始加热温度,℃;Ts为最终指定温度,℃;Tsf为PCM相变温度,℃。

在忽略显热,只考虑潜热时,式(1)可简化为:QPCM=ΔH,对于潜热本研究拟采用显热容法[13]求解,即将PCM的相变潜热等价为相变温度间内的显热容,相变问题转化成在整个计算区域中的一个“单相”非线性导热问题,则 QPCM=mPCMCPCM(t)dt (2)

其中:CPCM(t)为PCM对应温度下的比热容,kJ/(kg·℃)。PCM的显热容可根据文献[10]中差示扫描量热仪(DSC)测定磷酸氢二钠蓄热体系的潜热密度确定。在已知PCM蓄热量QPCM与比热容CPCM(t)后便可计算出单位面积PCM的用量。经计算,PCM的用量为14.3 kg/m2时,其在夜间放出的潜热与“240 mm红砖+100 mm聚苯板+240 mm红砖”墙体相同。该试验制作的单块相变蓄热墙板的面积为1.8 m2,理论上应装入25.74 kg的相变材料,考虑到相变材料的实际利用率及热量损失等问题,每块墙板实际封装30 kg的相变材料,即相变材料的实际用量为16.7 kg/m2。

1.3.2 Na2HPO4·12H2O蓄热墙板的制作

以文献[10]得出的最佳配比,将十二水磷酸氢二钠(Na2HPO4·12H2O)、 氯化钾、九水硅酸钠、石墨按照50∶4∶3∶1的质量比混合,然后加热至60～80 ℃使之呈液体状态,搅拌均匀,在30～50 ℃下注入高分子尼龙塑胶袋中密封。将冷却密封的相变材料装入菱镁聚苯保温板中部预留的600 mm×500 mm×80 mm腔体中制成相变蓄热墙板(图1)。

图1 十二水磷酸氢二钠相变蓄热墙板Fig.1 PCTSW with Na2HPO4·12H2O 1.3.3 相变蓄热板温室的建造

于陕西杨凌高新农业示范区西北农林科技大学试验田建造与对照温室相同尺寸的相变蓄热板温室。两座温室的屋面支撑结构为镀锌钢骨架,前屋面覆盖PE无滴膜,夜间加盖保温被。

两温室均是长10 m,宽5 m,后墙高1.5 m,脊高2.2 m。相变温室墙体由内到外依次为80 mm相变蓄热板+40 mm×60 mm×2.5 mm方钢+80 mm菱镁聚苯保温板(图2)。安装墙体时,先固定方钢,再在外侧加装菱镁聚苯保温板,最后用自攻钉将相变蓄热墙板固定在方钢上并用泡沫密封胶做密封处理。对照温室墙体由内到外依次为240 mm红砖+100 mm聚苯板+240 mm红砖(图3)。

图2 相变蓄热板温室剖面图Fig.2 Wall section of the PCTSW greenhouse 图3 对照温室剖面图Fig.3 Wall section of the comparative greenhouse 1.3.4 温室环境测试方法

试验从2012年12月开始测试至2013年2月结束,选取典型晴、阴天的数据进行分析。两座温室除后墙不同外,其余结构参数相同,室内光照条件差异较小,故只测定室内温度、湿度和北墙内侧表面的热流密度。试验测点布置在温室中部和室外,两温室的布点情况完全相同:在室内距离两侧山墙5 m,后墙2.5 m,离地高度1 m处布置1路温度和湿度探头,在室外空旷处相同高度放置1路温度和湿度探头;热流测试仪的热流板粘贴在温室中部,距离地面0.75 m的后墙内侧表面。所有数据记录间隔均为5 min,连续测试。 2 保温蓄热性能与造价分析 2.1 相变蓄热温室的保温、蓄热效果 2.1.1 典型晴天、阴天室内气温比较

图4是实测的2013年1月17～18日(晴)相变温室和对照温室以及室外的气温变化曲线图。可以看出,三者的气温变化趋势相同,但室内最高、最低气温出现时间均晚于室外;相变蓄热板温室的气温波动幅度小于对照,从17日揭帘后8:10 am时刻

出现最低气温6.4 ℃,到14:20 pm时刻达到最高值27.7 ℃,相变蓄热温室的温度波动幅度为21.3 ℃;而对照温室17日的最低气温为4.9 ℃,最高气温30.4 ℃,温度波动幅度25.5 ℃。相变蓄热温室的气温波动幅度比对照小4.2 ℃,平均气温比对照高1.2℃。

图4 相变蓄热板温室与对照温室气温变化(晴天)Fig.4 Temperature change of PCTSW greenhouse and comparative greenhouse(Sunny day)

图5是2013年1月14～15日(阴)实测的室内外气温变化曲线图。可以看出,典型阴天条件下,室内外气温呈现相同的变化趋势,但室内气温波动幅度明显小于室外,相变蓄热板温室的气温全天高于对照;两温室的室内最低气温在14日揭帘后8:20 am左右出现,分别为7.7 ℃和6.3 ℃,最高气温出现的时间较晴天提前,13:30 pm左右最高气温分别为10.9 ℃和9.3 ℃,温度波动幅度分别为3.2 ℃和3 ℃,差异较小,但相变蓄热板温室最低、最高气温分别比对照高1.4 ℃和1.6 ℃,平均气温高出对照1.6 ℃。

图5 相变蓄热板温室与对照温室气温变化(阴天)Fig.5 Temperature change of PCTSW greenhouse and comparative greenhouse(Overcast)

综上,典型晴天条件下,相变蓄热板温室的气温波动幅度小于对照,说明相变蓄热板对室内气温的调节能力强于对照;在典型阴天条件下,相变蓄热板温室的气温全天高于对照温室,说明阴天时相变蓄热墙的吸放热效率好于砖苯夹层墙。 2.1.2 典型晴天、阴天湿度比较

图6是2013年1月17～18日(晴)两个温室室内及室外相对湿度变化曲线图。由图6可知,典型晴天时,三者的相对湿度呈现相同的变化趋势,两温室的相对湿度始终高于室外;相变蓄热板温室的相对湿度全天大于对照温室,17日揭帘前的最高相对湿度分别为93%和91%,平均相对湿度各为83.2%和80.2%,前者相对湿度大于后者3%。

图6 相变蓄热板温室与对照温室相对湿度变化(晴天)Fig.6 Humidity change of PCTSW greenhouse and comparative greenhouse(Sunny day)

图7是2013年1月14～15日(阴)实测的室内外相对湿度变化曲线图。可以看出,典型阴天条件下,室内外相对湿度的变化趋势有明显的差异,两个温室的相对湿度变化趋势相同且全天保持较高的相对湿度。相变墙板温室的平均相对湿度为92.2%,对照温室为89.6%,前者比后者高2.6%。最高相对湿度在15日2:20 am以后出现,分别达94%和91%。

综上,相变墙板温室的相对湿度不论在晴天或阴天均高于对照温室,平均高出2.6%～3%。造成这种现象的原因可能是因为相对湿度不仅与温度有关,同时还受周围环境的影响。通过观察揭帘前后两种墙体的表面发现,砖墙有吸湿现象,相变墙板仅表面有水汽凝结现象,后者湿度较大的原因可能是相变墙板对水蒸气的吸湿能力不如表面粗糙的砖墙造成的。

图7 相变蓄热板温室与对照温室相对湿度变化(阴天)Fig.7 Humidity change of PCTSW greenhouse and comparative greenhouse(Overcast) 2.1.3 典型晴天、阴天墙体热流比较

图8是2013年1月17～18日(晴)相变墙板温室和对照温室后墙内表面热流密度变化趋势图。据图可知,两种墙体均是白天吸热夜间放热,白天吸热热流大于夜间放热热流。白天热流最大值,砖苯夹层墙达120 W/m2,相变蓄热墙板达159 W/m2。下午16:30 pm后两种墙体开始放热,砖苯夹层墙初始阶段放热较快,出现一个短暂的放热高峰期,最大热流50 W/m2,之后热流密度骤然减小,只维持一个较小的放热热流;相变蓄热墙板放热过程较对照均匀,上半夜维持在30 W/m2左右,下半夜维持在15 W/m2。夜间累计放热量的计算表明,砖苯夹层墙累计向室内释放的热量为0.92 MJ/m2,相变蓄热板累计放热量1.06 MJ/m2,前者比后者多放热0.08 MJ/m2。 图8 相变蓄热板温室墙体与对照温室墙体热流变化(晴天)Fig.8 Heat flux change

of wall of PCTSW greenhouse and wall of comparative greenhouse(Sunny day)

图9是2013年1月14～15日(阴)两种温室墙体热流密度变化曲线图。与图8比较可以知,典型阴天条件下,二者的墙体仍然是白天吸热,夜间放热,但吸热热流和放热热流均小于晴天且吸热热流在12:00 pm～16:00 pm期间有较多起伏。阴天时,砖苯夹层墙仍是前半夜放热热流明显大于后半夜放热热流,但最高仅为9 W/m2,前半夜放热热流平均4 W/m2,后半夜放热热流平均2 W/m2;相变蓄热板放热过程和晴天相似,上半夜维持在8 W/m2,下半夜5 W/m2。通过计算夜间累计放热量,相变温室墙体累计放热量0.36 MJ/m2,砖苯夹层墙体累计放热0.2 MJ/m2,前者比后者多放热0.16 MJ/m2。

图9 相变蓄热板温室与对照温室墙体热流变化(阴天)Fig.9 Heat flux change of wall of PCTSW greenhouse and wall of comparative greenhouse(Overcast) 综上可知,不同天气条件下同种墙体的吸热、放热流差异较大,累计吸、放热量可相差3～5倍以上。从夜间热流变化趋势来看,相变蓄热墙板夜间放热过程较对照均匀,砖苯夹层墙存在前半夜放热较多,后半夜放热较少的情况。造成这种差异的原因可能是因为红砖没有相变过程,吸热、放热较为迅速,而相变蓄热材料在融化和凝固的过程中逐步吸收或释放热量,热流密度相对均匀。从墙体夜间累计放热量来看,相变蓄热墙体在晴天或阴天的累计放热量均高于对照,说明相变蓄热墙板的夜保温能力高于砖苯夹层墙。造成这种现象的原因可能是因为前者释放的热量中不仅有潜热热能,还有部分显热热能。可见,从墙体吸、放热量的过程和总量来看,相变蓄热板墙体是一种优于砖苯夹层墙的节能、环保型温室墙体。 2.2 墙体造价和土地利用率分析

日光温室的经济适用性使其成为我国北方最主要的温室类型。造价和保温蓄热性能是决定温室能否推广应用的两个重要因素。该研究在充分市场调研的基础上,得出

每m2温室墙体的材料费用如表1所示。

表1 温室墙体每m2材料费分析表Tab.1 The analysis of greenhouse wall cost温室类型Greenhouse type墙体材料Wall material市场价格/元Market price单位Unit每m2用量Amount per m2材料费用/元Material costs相变蓄热温室相变蓄热墙板300块0.417125复合保温板100块0.41841.8方钢4 400吨0.00313.2合计:180.00砖夹苯板温室红砖0.5块200100水泥砂浆137.47m30.22631.1苯板310m30.131合计:162.07

由表1可知,相变蓄热墙体的材料费比砖苯夹层墙体高出18元/m2。但砖墙的建造和拆除费工费时,而相变蓄热后墙可采取模块化的安装方法,安装和拆除省工省时。根据杨凌地区建设成本统计资料,砖苯夹层墙的人工费约为50元/m2,相变蓄热板墙体仅需安装费约10元/m2。综合考虑材料费与人工费,相变蓄热后墙造价为190元/m2,普通砖苯夹层墙为212元/m2,相变蓄热后墙造价比对照低22元/m2。 温室土地利用率从不同的要求和角度出发有不同的计算方法[14]。假定温室土地利用率为室内面积与温室占地面积的比值,则后墙和山墙的占地面积越大,室内面积所占比率就越小,温室土地利用率也就越低。相变蓄热板温室墙体厚度为0.2 m,对照温室墙体厚度为0.58 m。以5 m跨,10 m长温室为例,2种墙体的地面部分占温室总面积的比率分别为7.5%、19.7%,温室土地利用率为92.5%和80.3%;以10 m跨,100 m长温室为例,所占比率分别为2.4%、6.6%,温室土地利用率为97.6%、93.4%。可见,虽然随着温室跨度、长度的增加,墙体占地面积比率不断减小,但相变蓄热板墙体的占地面积比率始终明显小于对照墙体,可在对照温室的基础上提高4.2%～12.2%的土地利用率。 3 结论

(1) 典型晴天条件下,相变蓄热板温室与砖苯夹层墙温室相比,室内气温波动幅度减小4.2 ℃,平均气温提高1.2 ℃,相对湿度增大3%,夜间累计放热量增加0.08

MJ/m2;典型阴天条件下,相变蓄热板温室的气温全天高于对照温室,平均气温比对照高1.6 ℃,相对湿度增大2.5%,夜间累计放热量增多0.16 MJ/m2。可见从保温蓄热性能角度看,相变蓄热板墙体要优于砖苯夹层墙。

(2) 从墙体造价和土地利用率看,尽管相变蓄热板墙体的材料费高于砖苯夹层墙,但相变蓄热板墙体采取预制作、模块化的安装方式,大大节省了人工费用,总造价比对照低22元/m2;相变蓄热板墙体的厚度只有对照的1/3左右,墙体占地面积明显减小,从而提高了温室土体利用率。从墙体造价和土地利用率看,相变蓄热板墙体同样优于砖苯夹层墙。

(3) 该试验中相变材料的用量是按对照温室墙体的夜间放热量确定的,如果在墙体造价低于普通砖苯夹层墙的前提下,继续增加相变材料用量,相变蓄热板温室的热环境会有更大的改善。 参考文献:

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