孟凡康，姜治鑫

外挂型相变储能装置在日光温室中的蓄放热试验

孟凡康，姜治鑫

（辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新 123000）

为了验证和评价外挂型相变储能装置在严寒地区日光温室中长周期的蓄放热性能。将传统日光温室分割成4个隔断温室，并以中间两个隔断温室（东侧：相变温室（加相变材料）；西侧：对照温室（不加相变材料））为试验对象。以优化后配比为3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+58.04%H2O的复合相变材料为储能介质，采用PVC-U管进行封装并外挂布置于相变温室的北墙内表面，进行了为期51d的相变温室与对照温室的现场试验。基于试验数据，从温室内空气温度、过冷不适宜生长率及有效积温变化等方面讨论了相变温室的蓄放热性能。通过分析获得结果如下：1）所采用的相变材料，试验前后其相变温度较为稳定，没有发生明显的过冷和相分离问题，蓄热、放热过程的相变潜热分别减小了11.5%和13.2%；2）相变储能装置在典型晴天条件下的蓄放热性能最好，阴天次之，雪天最差，可以提高夜间相变温室平均温度分别为3.1、1.9、0.9 ℃； 3）相变温室过冷不适宜生长降低率为40%，过冷不适宜生长降低率概念可用于相变温室蓄放热性能的定量评价。4）相变温室比对照温室提高了约58.4%的有效积温。研究为相变温室在严寒地区的实际推广和应用提供了数据支持，同时也为相变温室蓄放热性能的长周期分析提供了理论方法。

温室；温度；相变材料；外挂型；蓄放热；试验；评价

0 引 言

由于传统日光温室蓄热和保温能力差，冬季夜间温室内温度低，从而制约了植物正常生长。利用相变材料（Phase Change Material，PCM）蓄放热性能转移日光温室白天多余的热量至夜间使用，是缓解传统日光温室缺点的可行途径[1-4]。目前，国内外学者针对相变材料的筛选制备、封装形式、布置方式及相变温室的蓄热性能等方面已做了大量的研究[5]。

张庆[6]开发了适用于日光温室的三元脂肪酸定形复合相变材料，设计出一种相变蓄热墙板，通过现场试验说明晴天和阴天相变材料均可提高一定的室内温度，对室内热量起到了“削峰填谷”的调节作用。韩丽蓉[7]选择廉价易得的十水硫酸钠为相变蓄热基质，采用物理共混法对其进行改性研究，利用塑料盒进行封装，并将其放入温室内，通过测试说明相变材料可以提高温室的蓄热保温性能。Ling等[8]采用数值模拟方法研究了PCM热物性对蓄放热过程的影响，建立了将PCM粘贴于日光温室通风墙内表面的数值模型，模拟研究表明蓄放热过程中相变材料的热物性对相变材料、空心砌块和实心砌块的热性能影响显著，而对保温层影响不大。蒋自鹏等[9]采用物理法制备芒硝基复合相变储能材料，并进行了材料性质表征和改性，在温室升温试验中表明该芒硝基复合相变材料适用于高寒气候环境下简易温室。Berroug等[10]以六水氯化钙（CaCl2· 6H2O）为相变材料，基于质量和能量守恒方程，建立了考虑温室内各组成部位的数值模型，采用典型气候条件进行了模拟计算，结果表明，冬季夜间植物表面温度和室内空气温度高出对照温室6～12 ℃，相对湿度平均降低 10%～15%。

适用于温室使用的相变材料包括石蜡[11-15]、脂肪酸[6,11,16]等有机相变材料，以及十水硫酸钠（Na2SO2·10H2O）[7,17-18]、六水氯化钙（CaCl2·6H2O）[19-21]等无机相变材料。有机相变材料长期循环使用仍具有较高的相变潜热和较为稳定的相变区间，同时也没有无机相变材料的过冷和相分离问题，但其价格相对昂贵，不利于实际工程应用和推广[22]。相变材料封装方式包括采用共混浸泡[23-24]、砌块封装[23,25]、稻壳吸附[26]等方法，制备成微胶囊[11,27-28]、板材[23,29]、砌块[1,8,23,26]。北墙内侧和内部是相变材料主要布置位置[10,30]。已有封装方式大都存在不同程度的泄露问题，有一定的环境污染风险[5]。

基于此，本文以改性后的CaCl2· 6H2O基相变材料为储能介质，采用PVC-U管进行封装，解决了封装泄露问题。冬季采用外挂方式布置于温室的北墙内表面，其他季节回收，以便减少相变循环次数，延长相变材料的使用寿命，同时此方式更加适用于既有温室的改造。研究内容为相变温室的实际推广和应用，以及对相变温室蓄热性能的长周期理论分析提供了一定的数据和理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验温室

本试验温室为辽宁省阜新市（北纬42°01′、东经121°65′）传统日光温室，处严寒地区。温室东西长50 m，南北宽7.6 m。北墙高度为2 m，屋脊高度为3.4 m。北屋顶的倾斜角度为45°。东、西及北外墙均为370砖墙，其中北墙外加设80 mm保温苯板。南面采用1.2 mm厚PO塑料薄膜覆盖，透光率为93%，夜间采用30 mm厚保温棉被覆盖在PO塑料薄膜之上。北屋顶为三层复合结构，自上而下分别为80 mm保温苯板层、150 mm秸秆炉渣混合层、30 mm木板层。

为了消除东西外墙及出入口对于试验的影响，同时为了验证和评价相变材料对于传统温室蓄放热性能的影响，如图1a所示，将温室分割成4个温室，其中东侧与西侧的两个温室长度均为15 m，中间两个温室（东侧：相变温室，加相变材料；西侧：对照温室，不加相变材料）长度均为10 m。为了不影响温室内圣女果的正常生长，同时最大限度减小各隔断温室间的热量传递，各温室间的隔断均采用50 mm条形方钢作为支撑骨架，两侧采用1.2 mm厚PO塑料薄膜覆盖，从而中间形成封闭的空气层热阻以减小各隔断温室间的热量传递。如图1b所示。另外，为了获得实际环境条件下的试验数据，项目组成员不参与生产过程的其他操作环节，如揭盖帘、拔缝通风时间控制等，均由原农场工作人员负责。

1.1.2 相变材料

试验采用价廉易得、来源广泛的氯化钙（CaCl2）作为相变材料基材，但由于CaCl2·6H2O长期使用存在过冷、相分离及相变温度较高等问题，实际使用时需要对其进行改性。

CaCl2：廊坊市兰捷尔精细化工有限公司，工业级，25 kg/袋，质量分数94%；六水氯化锶（SrCl2·6H2O）：天津科密欧化学试剂有限公司，分析纯，500 g/瓶，质量分数99%；羧甲基纤维素钠（CMC）：天津科密欧化学试剂有限公司分析纯，500 g/瓶，质量分数99%。

试验以CaCl2作为制备CaCl2·6H2O的基础材料；使用SrCl2·6H2O作为成核剂缓解CaCl2·6H2O的过冷问题；添加CMC缓解CaCl2·6H2O相分离问题；为了降低其相变温度，在CaCl2·6H2O饱和溶液配比基础上额外加入一定比例的 H2O，使之达到植物生长所需适宜温度，最终得到CaCl2·6H2O基复合相变材料。

相变材料封装在管长2 m、直径50 mm的PVC-U管中，均匀布置于相变温室北墙内侧，如图1b所示。本次PVC-U管总计150 根，相变材料总质量约为670 kg，总投资约1.55 万元（其中，CaCl2、SrCl2·6H2O等相变材料费用约0.39 万元，隔断材料和制作、安装费用0.75 万元，PVC-U管固定紧固件等其他辅助耗材0.41 万元）。

1.2 仪器与设备

小型气象站：绵阳市湘蜀电子科技有限公司，V-AWS007，温度测量范围-50～100 ℃，准确度± 0.3 ℃。相对湿度测量范围0～100%，准确度± 3% 。总辐射测量范围0～2 000 W/m2，准确度±2%；主要用于测量当地室外空气温度、湿度及太阳总辐射强度。

差式扫描量热仪：美国TA Instruments，DSC2500，温度测量范围-180～725 ℃，准确度±0.025 ℃。焓值准确度±0.04%。用于测量PCM相变温度及相变潜热。

热流密度计：京都电子工业株式会社，HFM-215N，热流密度测量范围0～99 999 W/m2，准确度±2%，温度值测量范围-40～750 ℃，准确度± 0.3 ℃；热流密度计传感器KR2，热流密度测量范围0～3 500 W/m2，准确度±3%，温度值测量范围-40～150 ℃，准确度± 0.3 ℃；用于测量相变温室隔断表面及PVC-U管表面热流密度。

数据采集仪：FLUKE，2638A，温度测量范围-200～1 370 ℃，准确度±0.1 ℃；用于热电偶温度计信号的数字化处理。

热电偶温度计：自制，T型，温度测量范围-200～400 ℃，准确度±0.1 ℃；主要用于测量室内各点的温度值。

温湿度记录仪：北京天建华仪科技发展有限公司，WSZY1B，温度测量范围-40～100 ℃，准确度± 0.1 ℃；相对湿度测量范围0～100%，准确度± 5%；主要用于测量温室内温度值和相对湿度。

电子天平：上海英衡电子秤有限公司，YH-A 6002，质量测量范围0～3 000 g，准确度±0.01 g。用于测量相变材料T-history试验中各组成成分的质量等。

低温恒温水浴锅：杭州聚同电子有限公司，DC-2010，温度测量范围-20～100 ℃，准确度±0.01 ℃。主要用于热电偶温度计的校订。

1.3 测点布置

温室内各测点布置如图2所示，在相变温室和对照温室内部分别布置了4只热电偶温度计和1只温湿度记录仪，均布置于两个温室沿东西方向的中间截面处。在相变温室与对照温室的隔断处布置1只热流密度计传感器。具体测点位置及数据记录间隔时间如下：

温湿度记录仪布置于距地面1 700 mm，距北墙内表面3 050 mm处，记录温室内空气温湿度变化，记录间隔为1 min；

热流密度计传感器分别布置于相变温室隔断表面和PVC-U管表面，分别测量隔断和PVC-U管的热流密度。针对隔断表面，传感器设置在离地面1 500 mm，距北墙内表面3 050 mm位置，记录间隔为1 min；PVC-U管表面热流密度计传感器设置在距PVC-U管底部900 mm处，记录间隔为1 min；

热电偶温度计在南北方向上布置两个测点，距北墙内表面分别为1 525、4 575 mm，距地面均为1 700 mm；高度方向上布置两个测点，距北墙内表面1 525 mm，距地面分别为850、2 550 mm。结合温湿度记录仪所测量的温度，取上述5点的平均温度表示温室内空气温度。热电偶温度计连接FLUKE/2638A数据采集仪，记录间隔为1 min。

小型气象站布置于温室外空旷地带，用于采集室外空气温度、湿度、气压、雨量和太阳辐射等数据。记录间隔为1 min。

图2 测点布置示意图

1.4 试验方法

为了确定相变材料配比，需要通过T-history试验和Differential Scanning Calorimetry（DSC）试验分析相变材料的过冷度、相变温度、相变潜热等热物性参数。

1.4.1 相变材料T-history试验

为缓解CaCl2·6H2O的相分离、过冷问题，分别加入SrCl2·6H2O、CMC，同时在CaCl2·6H2O饱和溶液（水与氯化钙的配比为1∶1.28）中加入一定过量比例的H2O对相变材料的相变温度进行调控。SrCl2·6H2O的测试配比为2%、3%、4%；CMC的测试配比为2%、3%、4%；H2O的测试配比为7%、9%、11%。为提高效率，对上述SrCl2·6H2O、CMC、H2O三种材料的三种配比进行了正交试验。试验结果如图3所示。

图3 T-history试验图

由图3可知，添加3%的SrCl2·6H2O可有效解决相变材料的过冷问题，使其过冷度降低为0.79 ℃，添加3%的CMC时，能够很好的解决相分离问题，同时对相变温度与蓄放热能力影响较小。添加11%过量的H2O时，相变温度为21.3 ℃，处于植物适宜生长期温度范围[31]。最终确定相变材料的配比为：3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+58.04%H2O。

1.4.2 相变材料DSC试验

相变材料蓄放热过程的相变潜热通过DSC试验直接获得。图4为最终配比相变材料的DSC曲线图。试验采用氮气气氛，流速50 mL/min，升/降温区间为0～60 ℃，升/降温速率为1 ℃/min，测试样品质量12.4 mg。由图4升温曲线可知，相变材料在温度达到26.61 ℃时开始大量融化吸热，温度达到30.24 ℃时达到吸热峰值，相变潜热为119.2 J/g；由图4降温曲线可知，温度达到14.19 ℃时达到放热峰值，相变潜热为141.3 J/g。

图4 相变材料的DSC曲线

1.5 试验时间

试验时间为2021年2月9日—3月31日。一共经历了51 d，其中晴天40 d，阴天6 d，雪天5 d。

1.6 相变温室长周期蓄热效果评价方法

严寒地区冬季室外温度低，日光温室主要作用是提高室内温度，防止植物冻害发生，往往关注低温环境对植物生长的影响。基于此本文提出过冷不适宜生长降低率概念来分析相变储能装置的升温作用及在日光温室中的蓄放热性能。同时，植物在生长过程中更关注积温，本文亦从有效积温角度分析相变温室与对照温室的差异。

1.6.1 过冷不适宜生长降低率

1.6.2 有效积温

有效积温是指作物生长至某一生育阶段所需要积累的有效温度，为日平均气温与作物活动所需要的最低温度之差，其计算公式如式（5）所示[35]

1.6.3 储能装置蓄放热量计算

PVC-U管外挂型储能装置蓄放热量的统计可按照下式计算

1.7 数据处理

本文试验数据采用Excel 2013以及OriginPro 2017进行数据分析及二维图表的制作。

2 结果与分析

2.1 温室保温效果分析

为比较温室的蓄放热性能，在正式试验之前，采集了2021年01月09日相变温室（未添加相变材料）与对照温室的室内外温度变化，如图5所示。室外环境最高、最低温度分别出现在14:20 、6:30，温度分别为7.2、-11.4 ℃。太阳辐射强度最大值出现在12:00，为595 W/m2。相变温室与对照温室最低温出现在6:30，分别为8.9和8.8 ℃。7:45保温棉被收起后，随着太阳辐射强度的增加，两温室室内温度迅速增加，最高温度均出现在当日13:10左右，分别为39.5和38.9 ℃，其后两温室温度呈幂函数降低，16:40重新覆盖保温棉被，两温室温度下降较为均匀。由图5可见，相变温室和对照温室温度最大相差0.9 ℃，平均相差0.18 ℃。

以温室为自变量，温室温度为应变量，采用EXCEL2013软件对两温室进行单因素方差分析，组内均方为9.68，小于组间均方96.121，且显著性为0.752 4，大于0.05，说明样本来源于相同总体，即两温室无差异，说明可以通过对照温室分析相变储能装置蓄热效果。

2.2 典型天气温室内空气温度变化

为了充分比较相变储能装置对于温室蓄热的影响，分别选取典型晴天（2021年2月21日）、阴天（2021年3月11日）和雪天（2021年03月20日），对相变温室和对照温室内空气温度进行分析。典型天气日期的确定，以其前、后日气象条件相同或相近为依据。典型天气室内外温度、太阳辐射强度变化如图6所示。

由图6a可见，典型晴天相变温室与对照温室室内空气温度的变化趋势相同，且相变温室温度大于对照温室温度，最高温度均出现在13:35，最低气温均出现在6:40。两温室温度最大相差4.1 ℃，出现在16:15。白天由于温度较高，需要进行拔缝通风进行降温和换气，导致两温室之间存在一定的温度差异。夜间，保温棉被覆盖后相变温室与对照温室的空气温差逐渐减小，由于本次试验采用了较多的相变材料，相变温室与对照温室始终存在着不低于2.6 ℃的温差，平均温差为3.1 ℃。说明相变储能装置在晴天条件下能够很好的发挥蓄放热作用。

a. 晴天（2021-02-21）a. Sunny day (2021-02-21)b. 阴天（2021-03-11）b. Cloudy day (2021-03-11)c. 雪天（2021-03-20）c. Snowy day (2021-03-20)

由图6b可见，典型阴天相变温室与对照温室的室内温度变化趋势相同，最高温度均出现在12:35，最低气温均出现在24:00。两温室温度最大相差4.3 ℃，出现在15:10（保温棉被覆盖时）。白天温度虽然没有晴天条件下温度高，但中午时分（11:00—13:00）由于存在一定的太阳辐射，温室温度均在30 ℃以上，同样需要进行短暂的拔缝通风进行降温和换气，导致两温室之间存在一定的温度差异。夜间，保温棉被覆盖后相变温室与对照温室的空气温差逐渐减小，同样由于采用了较多的相变材料，相变温室与对照温室始终存在着不低于1.7 ℃的温差，平均温差为1.9 ℃。说明相变储能装置在阴天条件下，依然能够发挥一定的蓄放热作用，但相对于晴天条件的蓄放热作用有所降低。

由图6c可见，典型雪天相变温室与对照温室的变化趋势相同，最高温度均出现在13:05，最低气温均出现在24:00。两温室温度最大相差1.6 ℃，出现在0:00。由于是雪天条件，没有进行拔缝通风和卷起保温棉被的人工操作。两温室之间存在一定的温差，由0:00时的1.6 ℃，逐渐下降为0.3 ℃（24:00时刻），平均温差为0.9 ℃。说明相变储能装置在雪天条件下，所发挥蓄放热的作用微乎其微。

由图6可知，夜间（0:00-6:00，18:00-24:00），相变温室与对照温室均处于保温棉被覆盖状态，温室内与外界只有通过围护结构进行传热，且没有太阳辐射和传质的影响，相变温室与对照温室均处于封闭的状态。典型晴天、阴天、雪天条件下，相变温室与对照温室的空气最高温差分别为：4.1、2.2、1.6 ℃，最低温差分别为：2.6、1.7、0.3 ℃，平均温差分别为3.1、1.9、0.9 ℃。可见相变储能装置的蓄热能力晴天最好，阴天次之，雪天最差。

在白天（6:00-18:00），典型晴天、阴天、雪天条件下，相变温室与对照温室的空气温度变化较为剧烈，晴天与阴天相变温室与对照温室的空气温差变化范围比较大，分别为（-0.5～4.1 ℃）、（0.1～4.3 ℃），雪天的变化范围最小（0.1～1.7 ℃）。晴天、阴天、雪天的相变温室与对照温室平均温差分别为2、2.8、0.9 ℃。究其原因，是由于温室受到室外环境温度、太阳辐射强度变化以及拔缝通风等因素的影响，晴天与阴天存在较为复杂的热质传递现象。而雪天，没有进行人工拔缝操作，相变温室与对照温室只受到相对恒定的室外环境温度与较弱的太阳辐射强度影响。可见，为了更好地发挥相变储能装置的蓄放热能力，在考虑温室和相变材料自身热物性的同时，应根据实际室内外环境因素，辅以相应的人工操作规程。

图7为典型晴天、阴天和雪天条件下相变温室与对照温室中间隔断热流密度变化图。由图7可见，典型晴天和阴天条件下，白天两温室之间存在着较为明显的热量传递，对比图6a、6b，其变化趋势与太阳辐射相似。而在夜间，其变化趋势与两温室温差变化趋势相同。雪天条件下，由于覆盖着保温棉被，温室内几乎不受太阳辐射的影响，白天和夜间温室内温度变化均较为平缓，变化趋势与两温室内温度差变化趋势相同。典型晴天、阴天、雪天的夜间，相变温室与对照温室之间的热流密度平均值分别为2.18 、1.33、0.57 W/m2。晴天通过隔断传递的热量最大，阴天次之，雪天最小。虽然通过隔断的热流密度数值较小，但由于隔断的面积较大（18.5 m2），所以相变温室与对照温室之间的平均温度差均应有所增加，即本试验所设计的相变温室的蓄放热性能理应有所增加。

图7 相变温室与对照温室之间隔断热流密度变化

值得注意的是，如图6a、图6b所示，本文在典型晴天和阴天条件下，白天相变温室的室内温度均高于对照温室的室内温度，与文献[9,26]等的结论正好相反，究其原因在于本文采用的是外挂型PVC-U管相变储能装置，其表面为白色，相对于文献[9,26]等的储能装置表面为深色，具有更高的反射率，从而导致了相变温室室内温度的上升。另一方面，雪天没有太阳辐射情况下（如图6c所示），白色表面并不能反射更多的热量到相变温室内，相变温室和对照温室室内温度较为接近，也同样说明了具有较高反射率的白色储能装置表面，导致了在本文的试验工况下，相变温室的温度均高于对照温室的温度。

2.3 相变装置的蓄放热性能

为了获得PVC-U管相变装置的蓄放热性能，本文在人工环境小室中进行了吸、放热试验。吸、放热过程中小室内空气温度分别控制在40、10.5 ℃左右。采用热流密度计测量PVC-U管中间位置处温度和热流密度变化值，其结果如图8所示。由图8可见，吸热过程总共用时7 420 s，在吸热过程中的中期（210～7 280 s），PVC-U管表面温度和热流密度变化速率相对开始和后期较为平缓，说明中期PVC-U管由于相变吸收了大量的热量，当PVC-U管表面温度和热流密度趋于稳定吸热过程结束。在放热过程中（13 680～43 200s），前期热流密度和表面温度变化较为剧烈，之后由于相变过程释放出较多热量，热流密度和表面温度变化相对平缓。

根据式（7）及图8可计算PVC-U管外挂型储能装置蓄放热量。总蓄热量为947.1 kJ，单位体积蓄热量为268.1 MJ/m3；总放热量为1 112.1 kJ，单位体积放热量为314.8 MJ/m3。

2.4 过冷不适宜生长率

图9为2021年02月10日至28日相变温室与对照温室温度变化图。其中，2月16日至2月17日为阴天，2月13日至2月14日为雪天，其余均为晴天。由图9可见，晴天和阴天天气条件下，温室内温度低于生长下限温度均发生在夜间。雪天全天室外环境温度较低，导致温室内温度均低于生长下限温度。

图8 储能装置表面温度及热流密度吸放热过程变化

图9 相变温室与对照温室空气温度差变化

图10a为2021年2月10日至28日相变温室与对照温室温度低于生长下限温度时长统计图。由图10a可见，该时间范围内，相变温室和对照温室室内温度低于生长下限温度总时长分别为231、298 h，两者相差67 h，平均每天相差3.5 h。其中，晴天相变温室室内温度低于生长下限温度总时长（148 h）要明显低于对照温室（213 h），共相差65 h，平均每天相差4.3 h；阴天相变温室室内温度低于生长下限温度总时长（35 h）要明显低于对照温室（37 h），共相差2 h，平均每天相差1 h；雪天全天温度较低，相变温室与对照温室室内温度低于生长下限温度时长均为24 h。由以上分析可知，晴天相变温室与对照温室室内温度低于生长下限温度时长相差最大，阴天次之，雪天最小，进一步说明相变储能装置在晴天条件下蓄放热性能最好，阴天次之，雪天最小。

图10b为2021年2月10日至28日时间内相变温室与对照温室过冷不适宜生长度变化图。由图10b可见，该时间范围内，相变温室和对照温室室内温度过冷不适宜生长度分别为815.2、1 479.7 h·℃，两者相差664.5 h·℃，平均每天相差35.0 h·℃。其中，晴天天气条件下，相变温室过冷不适宜生长度共为356 h·℃，平均每日为23.7 h·℃。对照温室过冷不适宜生长度共为815 h·℃，平均每日为54.3 h·℃；阴天天气条件下，相变温室过冷不适宜生长度共为179 h·℃，平均每日为89.5 h·℃。对照温室过冷不适宜生长度共为264 h·℃，平均每日为132 h·℃；雪天天气条件下，全天温度较低，相变温室过冷不适宜生长度为216 h·℃，平均每日为108 h·℃，对照温室过冷不适宜生长度共为303 h·℃，平均每日为151.5 h·℃。由上面分析可见，在相同天气条件下，相变温室的过冷不适宜生长度均小于对照温室；相变温室与对照温室在晴天条件下的过冷不适宜生长度最小，阴天次之，雪天最大。说明布置了相变储能装置的温室的蓄放热性能更好，同时不管是否布置相变储能装置，晴好天气的温室蓄放热作用最大，阴天次之，雪天最小。

图10 空气温度低于生长下限温度时长与过冷不适宜生长度统计图

经对2021年2月9日至3月31日整个试验周期内所采集的数据进行整理，相变温室和对照温室的过冷不适宜生长度分别为1 244.7、2 073.4 h·℃。由式（4）可计算过冷不适宜生长降低率如下

即在本次试验周期内相变温室相对对照温室的蓄热性能提高了40%。

2.5 有效积温对比

图11为2021年2月10日至28日时间内相变温室与对照温室有效积温变化图。由图11可见，该时间范围内，相变温室和对照温室有效积温分别为75.7、36.6 ℃·d，两者相差39.1 ℃·d，平均每天相差2.1 ℃·d。其中，晴天相变温室有效积温共为72.1 ℃·d，平均每日为5.2 ℃·d。对照温室有效积温共为34.8 ℃·d，平均每日为2.5 ℃·d；阴天相变温室有效积温共为3.6 ℃·d，平均每日为1.8 h ℃·d。对照温室有效积温共为1.8 ℃·d，平均每日为0.9 ℃·d；雪天全天温度较低，相变温室与对照温室有效积温均为0。由上分析可见，晴天和阴天相变温室的有效积温均大于对照温室；而雪天相变温室与对照温室有效积温相同且为0；相变温室与对照温室晴天的有效积温最大，阴天次之，雪天最小。说明布置相变储能装置可以在晴天和阴天条件下提高有效积温，而雪天条件下并不能提高有效积温。

经对2021年02月09日至03月31日整个试验周期内所采集的数据进行整理，相变温室和对照温室的有效积温分别为174.5、110.1 ℃·d。相变温室比对照温室的有效积温提高了约58.4%。

图11 有效积温随时间变化

2.6 相变材料性能变化

整个现场试验结束后，对现场使用的相变材料重新进行了T-history和DSC试验。结果如图12所示。由图 12a可见，相变材料经过51 d现场蓄放热循环后，其变化趋势相同，在相同的试验条件下，试验前后温度数据最大相差0.37 ℃，相变温度维持在22 ℃附近，没有发生明显过冷现象。肉眼观察均匀性较好，也没有发生明显的相分离现象。

由图12b可见，相变材料现场使用前后蓄放热过程变化相似，开始融化温度点均在26.5 ℃附近，当达到30 ℃时达到吸热峰值，放热过程于14 ℃时达到放热峰值，但现场使用后的相变材料蓄热过程相变潜热为105.5 J/g，比现场使用前减小了11.5%。放热过程相变潜热为122.7 J/g，比现场使用前减小了13.2%。

2.7 圣女果生长数据对比

本次试验植物品种为无限生长型京丹1号圣女果，株行距分别为30、90 cm，密度约为3.7 株/m2。为了分析相变储能装置对于圣女果生长情况的影响，试验之初在相变温室与对照温室内各选取了10株（占总株的6.1%）长势相近圣女果进行标记，随后每隔7 d记录每株高度，株高的测量采用卷尺（±1 mm）进行，并取其平均值，如表1所示。由表1可见，在其他条件相同的情况下，相变温室内的圣女果平均株高均大于对照温室内的高度，且在试验后期（2021-03-27）两者平均相差达到10.3 cm。另外，根据后期的统计，相变温室内圣女果的采收期比对照温室提前了5 d。综上，相变储能装置的使用，提高了室内温度，促进了圣女果的生长，提前了采收期。

基于表1数据进行单因素方差分析。组内均方为963.52，大于组间均方133.3，且显著性为0.003 9，小于0.05，说明样本来源于不同总体，即两温室圣女果生长数据差异显著。

表1 生长数据对比表

注：▲对照温室内一株圣女果死亡，只统计了9株平均值。

Note:▲ In the contrast greenhouse, one tomato died, and only 9 plants were counted on average.

3 讨 论

相变材料在使用过程中体积变化率大，对封装密闭性的要求较高，目前的封装方式都有不同程度的泄露问题，有一定的环境污染风险[5]，相变材料的封装是制约其实际应用的问题之一。本文采用PVC-U管封装相变材料外挂于日光温室北墙内表面，其封装材料来源较为广泛，价格低廉，规格统一，安装操作简便，该储能装置在其他季节可以回收，减少相变循环次数，延长相变材料的使用寿命，同时此方式更加适用于既有温室的节能改造。本次试验结束后仅发现有2根储能装置在底部接口处有渗漏现象，不足1.5%，原因在于封装时没有足够打好底胶所致。

马江伟[36]分别向六水氯化钙中加入一定比例的硼砂和CMC等材料可以有效解决过冷和相变时间缩短现象。所制备的六水氯化钙/陶粒定形相变材料经多次循环后，相变温度和相变潜热变化较小与本文的结论相同。Berroug等[10]通过数值模拟方法，得出以CaCl2· 6H2O为相变材料，可以提高温室冬季夜间室内温度6～12℃的结论。本文通过实际工程试验，同样证实了利用CaCl2· 6H2O相变材料可以显著提高温室内环境温度3.1℃（典型晴天条件）。Ling等[37]通过长周期的试验以及模拟计算，证实了相变材料可以提高温室温度，并且晴天效果要高于阴天的效果。本文通过试验同样获得了相同的结论，并增加了雪天比较工况。

本文由于现场试验场所等原因限制，只对固定质量的PCM进行了现场测试，没有进行基于温室热工和环境条件的PCM最佳使用量的研究。同时，本文从传热角度分析了相变日光温室的蓄放热性能，但没有综合考虑传热与传质的耦合作用。这些都将是今后的工作方向。

4 结 论

本文以配比为3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+ 58.04%H2O的相变材料为储能介质，采用PVC-U管进行封装并外挂布置于隔断温室的北墙内表面，在2021年2月9日—3月31日期间进行了为期51d的现场对比试验。基于试验数据，讨论了典型晴天、阴天和雪天条件下相变温室与对照温室的蓄热性能，同时提出了过冷不适宜生长降低率概念，并对长周期内的相变温室蓄放热性能进行了分析。通过讨论获得结论如下：

1）配比为3%CMC+3%SrCl2·6H2O+35.96%CaCl2+ 58.04%H2O的相变材料，现场对比试验前后相变温度较为稳定，没有发生较为明显的过冷和相分离问题，蓄热、放热过程的相变潜热分别减小了11.5%和13.2%；

2）相变储能装置在典型晴天条件下的蓄放热性能最好，阴天次之，雪天最差，分别可以提高夜间相变温室平均温度分别为3.1、1.9、0.9 ℃；

3）相变温室过冷不适宜生长降低率概念可用于相变温室蓄放热性能的定量评价；

4）相变温室比对照温室提高了约58.4%的有效积温。

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Heat storage and release test of external hanging phase change energy storage device in greenhouses

Meng Fankang, Jian Zhixin

(,,123000,)

The purpose of the test was to verify and evaluate the long-period heat storage and release performance of phase change material (PCM) that covered on the solar greenhouse in severe cold regions. Firstly, the CaCl2·6H2O-based PCM was modified by the orthogonal tests. SrCl2·6H2O, CMC and H2O were added to alleviate the supercooling, phase separation, and high phase transition temperatures. The composite PCM of 3% CMC + 3% SrCl2·6H2O + 35.96% CaCl2+ 58.04% H2O was determined as the energy storage medium. Secondly, a traditional greenhouse was taken as a contrast in the Fuxin City, Liaoning Province of China. Four independent parts were divided to transform from the middle two greenhouse. The composite PCM was packaged into the PVC-U pipes, which covered on the inner surface of the north wall of the east independent greenhouse. A 51-day comparative test was then carried out (February 09th, 2020-March 31st, 2020). The heat storage and release performance of PCM greenhouse was evaluated from the aspects of the indoor air temperature, the heat storage and release performance of the PCM device, supercooling unsuitable growth rate, effective accumulated temperature, the comparative performance of PCMs before and after field test, as well as the cherry tomato growth data. The following results were obtained: 1) The T-history and DSC tests show that the latent heat of phase change was reduced by 11.5 % and 13.2 %, respectively, in the composite PCM during heat storage and release processes, compared with that before the field test. The maximum difference of phase transition temperature was 0.37 ℃, indicating the stable phase transition temperature of the PCM before and after the field comparative test. There were no obvious supercooling and phase separation. 2) The best heat storage and release performance of PCM was found in the typical sunny, followed by the cloudy, and the worst in the snowy days. The average temperature in the PCM solar greenhouse at night increased by 3.1 ℃, 1.9 ℃, and 0.9 ℃, respectively. 3) Some recommendations were given to fully utilize the heat storage and release performance of the PCM. The manual operation procedures should be considered, particularly on the environmental factors inside and outside the greenhouse and the thermophysical properties of the PCM. 4) The supercooling unsuitable growth degrees of the PCM solar greenhouse and the contrasted greenhouse were 1 244.7 h·℃ and 2 073.4 h·℃, respectively, during the field comparative test period. There was the 40 % reduction rate of the supercooling unsuitable growth in the PCM solar greenhouse. A quantitative evaluation was realized for the heat storage and release performance of PCM solar greenhouse. 5) The effective accumulated temperatures were 174.5, and 110.1 ℃·d, respectively, in the phase change and contrasted greenhouse. Anyway, the effective accumulated temperature of the phase change greenhouse increased by 58.4%, compared with the contrasted greenhouse. In brief, the PVC-U pipes packaged with the PCM as the energy storage devices covered on the solar greenhouse can be expected to improve the heat storage and release performance of solar greenhouse in severe cold regions. The finding can provide the data and theoretical support for the practical popularization, application, and long-period theoretical analysis for the heat storage and release performance of the PCM solar greenhouse.

greenhouse; temperature; phase change material; external hanging type; heat storage and release; test; evaluation

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021

S214.3

A

1002-6819(2022)-20-0180-11

孟凡康，姜治鑫. 外挂型相变储能装置在日光温室中的蓄放热试验[J]. 农业工程学报，2022，38(20)：180-190.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021 http://www.tcsae.org

Meng Fankang, Jian Zhixin. Heat storage and release test of external hanging phase change energy storage device in greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 180-190. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.021 http://www.tcsae.org

2022-05-04

2022-08-01

2019年辽宁省自然基金资助计划指导计划（2019-ZD-0044）；2022 年辽宁省教育厅基本科研项目（面上项目）(LJKMZ20220701)

孟凡康，博士，副教授. 研究方向为建筑热湿传递理论及相变储能。Email：mfk3999147@126.com