相变储能技术调控温室热环境研究进展

王柏超 李栋 陈宏坤 吴国忠 吴洋洋

1 东北石油大学土木建筑工程学院

2 江西省华赣环境集团有限公司

3 中国石油安全环保技术研究院

0 引言

种植历程和经验表明，温室运行能耗是制约温室生产效益和快速发展的瓶颈[1-2]，如何解决能耗成本和热环境条件是温室产业发展的关键，因此研究开发新型蓄热加温技术，充分利用可再生的太阳能，提高能源利用率，实现温室热环境低成本调控，成为该领域的目标。随着新能源利用和节能技术的研究，相变储能材料和相变储能技术逐渐映入眼帘，被认为是最有潜力的储能方式[3-4]，为解决温室高能耗问题提供一种新途径[5]。

本文综述了国内外关于温室相变储能技术的相关研究现状及对热环境调控的应用效果，指出目前存在的问题，并展望了相变储能技术前景，为进一步开展温室相变储能技术研究提供参考，以期突破现有温室发展瓶颈。

由于温室独特的外形和建筑构造形式，相变储能材料多应用于温室墙体、温室内部及相变储能系统。相关应用研究在国外起步较早，无论是有机相变材料还是无机相变材料，各国学者都进行了广泛和深入地研究。

1 温室墙体相变储能技术

温室能够营造适宜作物生长的热环境，与墙体的保温蓄热性能密不可分。通常以增加墙厚来提高保温蓄热性能，此种方法建造简单，但存在占地面积大、保温效果不明显、蓄热性能有限等缺点[6]。将相变储能技术应用于温室墙体可有效改善此问题[7-9]。

Berroug 等[10]将CaCl2·6H2O 应用到温室北墙作为蓄热介质，基于温室热量和质量平衡原理（图1），建立热湿模型，研究结果发现温室夜间空气温度提高6～12 ℃，且温度波动降低。Chen 等[11]研制出适用于日光温室墙体的定型十八烷-月桂酸/石墨材料，实验表明相变材料的应用缩短了墙体蓄放热时间，有效改善了室内热环境。管勇等[12-13]将所研制的相变材料用于日光温室北墙，通过对比实验，发现该材料可较好地改善作物生长热环境，有效提高温室的蓄热能力和太阳能利用率。

图1 温室能量平衡

薛亚宁、管勇等[14-15]研制出“石蜡-混凝土”相变材料板，结果表明，该材料板能很好地改善温室冬季夜间热环境。杨小龙等[16]制备了十二水磷酸氢二钠相变蓄热墙板，研究结果表明，晴天时，相变温室室内温度波幅比对照温室小4.2 ℃，阴天时，相变温室室内平均温度比对照温室高1.6 ℃，且在不同外界气候条件下温度波动小于对照温室1.2～4.2 ℃。

张勇等[3]将Na2SO4·10H2O 和Na2CO3·10H2O 混合后用聚乙烯薄膜封装，并制成不同尺寸内嵌在空心砌块内，试验结果表明，相变空心砌块可使温室内温度波幅较普通温室减小3.5 ℃。王宏丽等[17]将石蜡和硬脂酸正丁酯复合，以稻壳为载体混合建筑材料制成相变蓄热砌块（图2[17]），并砌成温室墙体，试验温室剖面如图3[17]，对比试验结果表明，相变温室室内温度波动相比减小4.1 ℃，最低气温比对照温室提高1.7 ℃，最高气温比对照温室低2.4 ℃，可实现温室温度“削峰填谷”。周莹等[18]研制出一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆，将50 mm 厚砂浆应用在温室后墙，发现试验温室室内日最低温度比砖墙温室平均高出1.5 ℃，最高达2.4 ℃，即便在阴天，试验温室温度相较于砖墙温室平均高1.6 ℃左右。

图2 相变保温砌块

图3 试验温室剖面

上述研究表明，相变储能技术将太阳辐射能蓄存于温室墙体，待到环境温度波及室内热环境时相变释放，对温室热环境的改善有一定效果。此外，相变材料用量，应用方式受自身蓄热能力，相变温度范围及封装密闭性等限制，这是今后需要加强研究的重点。相变储能技术能够提升墙体的蓄热能力，但墙体的保温性能又是值得思考的问题。鉴于如今温室墙体多用砌块砌成，且一般砌块保温性能差、无潜热蓄存能力，因此在今后集蓄热、保温、承重性能为一体的相变保温蓄热砌块值得进一步研究。

2 温室内部相变储能技术

温室主要能源为太阳辐射，而这些热量又会在夜间流失，造成温度波动，无法保证适宜作物生长的夜间温度[19-20]。若能把白天富足的太阳辐射能储存起来，在夜晚环境温度降低时释放以维持作物生长热环境，将为温室提供有效的节能降耗途径，这也一直是研究热点[21-22]。

徐燕等[23]将Na2SO4·10H2O 用塑料袋盛装进行夜间提温实验，结果显示，晴天时，白天大棚平均气温可提高2.4 ℃，夜间提高5.4 ℃，表明Na2SO4·10H2O 具有满足作物生长的蓄热潜力。郭靖等[24]以石蜡和硬脂酸正丁酯进行了温室墙体内渗和表面外挂复合相变材料对比测试，实验结果表明，两种封装方式均能提高温室保温蓄热性能，且内渗型蓄热控温效果优于外挂型。韩丽蓉[25]在20gNa2SO4·10H2O 中加入质量分数为10%KCl、3%Na2B4O7·10H2O、2%聚丙烯酰胺和0.1%六偏磷酸钠制成改性复合相变材料，选用规格为600×450×50 mm 的塑料盒封装（图4），与普通砖墙温室对比实验发现，夜间最高温度可比对照温室高2 ℃，20 cm 高度处地温最高可比对照温室高2.3 ℃。史巍等[26]向石蜡中添加石墨粉制成复合相变材料，对比研究温室墙体表面外挂复合相变材料的实际控温效果，结果表明，外挂复合相变材料室内温度波动减小，控温效果和墙体储放热能力明显优于对照温室。李秀丽等[27]在青海省海西州德令哈市示范区的日光温室中悬挂自制的改性25 ℃芒硝基相变材料，试验结果表明该改性芒硝可有效改善冬季日光温室热环境，有良好的夜间提温效果。

图4 相变蓄热体系封装

在温室内部悬挂、内置相变材料能够降低室内温度波动，提升蓄热能力，相关研究均取得了较好的应用效果。温室内部空间较大，除立体式种植外，普通种植栽培温室空余空间较大，为相变储能技术的应用提供了空间位置，可在温室内部悬挂、地面摆放封装的相变材料。

3 温室相变储能系统

温室围护结构是主要的热损失部位，且缺少蓄热装置，造成辅助供暖能耗陡增，导致生产效益差。为提升温室蓄热能力、提高太阳能利用率、减少辅助供暖，最终实现生产效益提升，温室储能系统[28]应运而生。同时鉴于相变材料优越的潜热特性，联合太阳能利用组成主动相变储能系统效能更佳[29-30]。

Jaffrin 等[31]设计了温室地下储热系统，将CaCl2·6H2O 用于该系统以加热温室，对温室热性能进行测定后发现，相比同结构双层保温膜及传统玻璃温室，该相变温室可节约丙烷燃料60%～80%。Singh RD 等[32]提出相变蓄能北墙+地源热泵增温系统，研究结果表明该系统能以较小代价实现温室内部温度控制，同时相变墙体可减少温室热负荷[33]联合石蜡与太阳能平板集热器组成供能系统，为180 m2温室供热（图5），试验研究发现，该系统平均净能耗和可用能分别为40.4%和4.2%。Benli 和Durmus[34]使用太阳能集热器加热空气供相变材料CaCl2·6H2O 储存热能，同时优化设计相变蓄热单元并将其应用于温室，供暖系统实验设备如图6，试验发现，与传统加热装置相比，该相变蓄热系统可供给温室每日热能需求量的18%～23%。

图5 温室蓄热和供暖系统示意

图6 温室供暖系统实验设备示意图

李晓野[35]研制出太阳能集热相变蓄热设备，结果表明该设备的蓄热效率达43%。陈紫光[36]、凌浩恕[37]等设计了一种带竖向空气通道的太阳能相变蓄热墙体（图7），通过系统实验测试得出，当墙体内竖向空气通道间距为400 mm、空气速度为0.26 m/s、空气流动方向为上进下出时，相变蓄热墙体换热效率为66.2%，主动蓄热量为9.34 MJ/m3，墙体日蓄放热效率高达98.4%。黎少辉等[38]设计了一种新型相变储能换热器，当白天温室温度过高时，相变材料吸收高温空气的热量。当温度降至设定的温度阀值时，相变材料将热量从空心管中释放出来，热风通过管道供入温室，从而实现温室内温度控制。闫彦涛等[39]设计了一种太阳能相变蓄热系统，测试结果表明，该温室蓄热系统增温效果明显。部分学者[40-41]提出一种主被动结合的日光温室相变蓄热墙体系统，研究结果表明，该墙体系统明显提升温室蓄热性能，与对照温室相比，温室内部空气循环均匀有规律，地温明显提高，冬季室内热环境明显改善。

图7 带竖向空气通道的相变蓄热墙体

上述研究表明，温室用太阳能集热器是目前研究的热点之一，联合相变储能技术，更能够弥补单一系统存在的不足。然而太阳能相变储能系统的应用还不够成熟，其传热过程、设备加工工艺、系统实用性等还有待优化。从目前发展现状看，国内较国外技术更加成熟和丰富，但仍处于初期阶段[42]。为实现温室太阳能相变储能技术大规模推广应用，除技术成熟、符合社会发展趋势外，也需满足温室市场发展形式，应加强研发经济合理的太阳能相变储能技术。

4 总结与展望

本文总结了目前相变储能技术在温室热环境调控方面的主要应用形式，包括墙体相变储能技术，温室内部相变储能技术和相变储能系统。相变储能技术作为提高能源利用率的新型储能技术，在太阳能利用，温室热环境调控及节能减排方面发挥着越来越重要的作用。经过前人的不断探索，相变储能材料和相变储能技术在温室热环境调控和节能降耗领域有了一定的发展，目前我国在温室节能设计基础理论及应用上处于领先地位[43]，但尚存在一些亟待解决的问题。

1）在温室墙体相变储能技术中相变材料用量，应用方式受自身蓄热能力，相变温度范围及封装密闭性等限制，这是今后需要加强研究的重点。从土地利用率和墙体保温、蓄热性能三方面来看，将相变材料和建筑材料结合研制出集蓄热、保温、承重于一体的相变蓄热保温砌块是解决温室墙体占地面积大、保温蓄热性能差的可行办法，同时应用相变保温砂浆，可取代传统的保温板、砖墙构筑形式，形成相变保温砂浆、相变蓄热保温砌块双层墙体构筑体系。

2）温室内部相变储能技术值得关注。除立体栽培温室，大部分温室内部剩余空间较大，尤其是温室上部和走道，而且现阶段并未采取措施利用这部分空间，这为温室内部悬挂、地面摆放封装的相变材料提供了条件。封装的相变材料合理布置和排列在温室内部不但可以提升温室的蓄热能力，而且能够节约运行能耗，减少空间浪费。

3）温室相变储能系统的应用研究还有待加强，应积极广泛深入开发太阳能利用，明确太阳能相变储能系统的传热机理，以更好的发挥协同作用。同时通过集蓄热设备研发和工艺进步，进一步降低系统建设投资、运行费用，也是今后应着重解决的问题。