新型相变材料蓄放热性能测试及在装配式日光温室的推广性能思考

发布时间:2022-04-24 20:02:31 论文编辑:vicky

本文是一篇留学生生论文,本研究主要是使用相变材料对温室温度环境进行调控,首先测试了三种相变材料的蓄放热性能,而后将其应用于装配式日光温室后墙进行实测,实测主要分为冬季温室保温及夏季降温两方面。


第一章   文献综述


1.1   研究背景

温室在我国北方的农业生产中扮演着重要的角色,也在农业现代化过称中发挥着至关重要的作用(陈青云等  2008;毛罕平等  2007)。新中国成立以来,为了改善人民生活水平,提高人民生活质量,党和政府在政策等方面对设施农业的发展提供大量的支持,因此我国设施园艺在这几十年中取得了突飞猛进的发展(张红萍  2004),在设施园艺生产方面,我国早已位居世界第一,在设施园艺面积方面,我国也已成为全球第一(瞿剑  2017)。随着设施产业面积的不断增长,他不仅增大了反季节蔬菜的供给,也在农民奔向小康,促进乡间经济发展,实施乡村振兴战略中发挥着至关重要的作用。

日光温室是一种我国独有的,具有完全自主知识产权的设施类型,因其具有造价成本低廉、以太阳能为主要能源和经济效益突出等优点,已在北方地区大面积推广应用,尤其是可以在北方高寒地区进行喜温果菜的生产,极大的解决了北方寒冬吃新鲜蔬菜这一难题(李天来  2004;杨建军等  2009)。日光温室维护结构特别是后墙是日光温室在日间吸收和储存太阳能的重要载体,都具有较好的蓄放热能力(张勇等  2012,2015;高文波等  2015;鲍恩财等  2017),墙体材料的蓄放热性能对改善温室内热环境就显得尤为关键(韩云全等  2012)。日光温室在白天吸收的太阳能越多,贮藏在墙体的热量也就越多,黑夜释放到温室的热量也就越多(马承伟等  2010,王晓冬等  2009)。日光温室墙体良好的蓄放热能力以及保温隔热能力是保证温室内部作物安全越冬生产的保障(马承伟等  2005),如果温室墙体尤其是温室后墙的蓄放热性能和保温隔热能力表现较差,这就会直接影响到温室内部,甚至室温过低,温室作物受到冷害、冻害,进而影响作物的越冬生产(马承伟等  2011;方慧等  2012)。因此选择温室墙体材料已成为温室的重中之重,这将直接关乎日光温室安全问题、墙体保温蓄放热性能及建设成本。日光温室常用的墙体材料一般有土墙、砖墙、复合墙等,但土墙、砖墙、复合墙体这些墙体为了提高保温性能和蓄放热能力,通常都是采取增加厚度这一措施,这就  造成了土地利用率低下,建造成本高等问题。因此寻找新型环保保温隔热材料,提高耕地利用率,更好地充分利用太阳能资源已成为目前建造现代化日光温室,促进农业发展现代化的迫切需求(管勇等  2013)。


1.2   日光温室温室研究现状

1.2.1   日光温室墙体结构研究现状

日光温室墙体可以在日间吸收太阳能将其贮存到墙体中,在夜晚室温低的时候再将热量释放出来(杨仁全等  2008;佟国红等  2003)。但是普通温室墙体蓄放热能力有限,在夜间无法释放足够的热量以维持植物的正常生长需求,如果使用加温设备会增加生产成本,降低经济效益,因此在对日光温室进行结构优化时,应着重考虑到如何增强日光温室墙体蓄放热能力和保温能力这一重要因素(刘建等  2007)。

佟国红等(2003;2009)为改善温室温度环境,对墙体材料和组成进行了探究,对复合墙、全砖墙及全苯板墙等进行了测试、理论分析以及 CFD 模拟,结果都证明聚苯板作为墙体的隔热保温材料、砖作为墙体的蓄放热材料是合理的,应作为优选墙体。

佟国红等(2011)对比了复合墙体和土墙两种墙体在保温蓄热性能上的差异,认为温室热阻及热惰性两个指标均相同的条件下,不论是墙体保温蓄热能力还是热稳定性方面,复合墙温室均优于土墙温室。

李明等(2014)在黏土砖墙加入了发泡水泥并进行试验,结果表明,加厚黏土砖墙能增多墙体夜间放热量。

刘艳华等(2015)优化升级琴了弦式温室的结构,结构优化改造之后的新型琴弦式温室比之前节能和高效。

张潇丹等(2017)创建了封闭空气腔二维稳态流动传热模型和温室墙体一维非稳态导热模型,通过模拟计算认为在壁面覆铝箔这一措施能有效降低封闭空气腔的辐射换热量。

赵淑梅等(2018)研究了一种日光温室墙体-空气循环对流蓄热墙体,有效改善了温室墙体的蓄放热性能和温室夜间热环境。

日光温室在提高墙体保温蓄热能力的同时,也要考虑到温室建造成本和便利性,以提高生产利用效率(李天来等  2017)。因此对于装配式日光温室的研究和建造成为热点。白义奎等(2013)设计了一种全钢架装配式日光温室,在其承载力可以满足生产需求的基础上,减少了建造时长,提高了温室耐久性。李星等(2018)设计建造了一种新型可移动装配式节能日光温室,降低了对土壤的破坏,减少了占地面积,目前已在河北省中南部进行了推广应用。


第二章   相变材料水泥模块蓄放热性能测试


2.1   试验材料和仪器

2.1.1   试验材料

磷酸氢二钠(Na2HPO4):工业,25k g/袋,含量>98.0%,,西陇化工有限公司;

硫酸钠(Na2SO4):工业,50  kg/袋,含量≧98.0%,宁夏兴昊永盛盐业科技有限公司;

氯化钾(KCl):工业,50k g/袋,含量≧98%,青海香江盐湖开发有限公司;

四硼酸钠(硼砂):工业,25k g/袋,含量≧99.5%,天津永大化学试剂有限公司;

羧甲基纤维素钠(CMC):工业,25kg /袋,山西运城市风陵渡开发区天旗建材厂。

2.1.2   试验仪器

称量精度为 0.01 g 的电子天平,型号 ES-1000HA,苏州博泰伟业电子科技有限公司制造;

测温度使用 T 型热电偶温度传感器(精度±0.2 ℃),连接到 34970A 数据自动采集仪(美国 Agilent 公司生产)。

测试墙板及相变材料内部温度采用 T 型热电偶温度传感器(精度±0.2 ℃),连接到 34970A 数据自动采集仪(美国 Agilent 公司生产)测温度;

热流测试使用 JTR01 温度热流测试仪,北京世纪建通环境技术有限公司制造。


2.2   试验方法

2.2.1   相变材料配方的筛选

本试验根据课题组前人的研究,针对温室生产实际情况,选取 F1、F2 和 F3 三种较 适 宜 温 室 生 产 的 复 合 相 变 材 料 来 进 行 进 一 步 的 试 验 。 F1 相 变 材 料 由Na2HPO4‧ 12H2O 和 KCl 以 1:3 的比例,再混以水、CMC 和冷指制备而成;F2 相变材料由 Na2HPO4‧ 12H2O 和 KCl 以 1:1 的比例,再混以水、CMC 和冷指制备而成;F3相变材料由 Na2HPO4‧ 12H2O 、KCl 和 Na2SO4 以 3:1:4 的比例,再混以水、CMC 和冷指制备而成(倪欣宇等  2020)。

课题组前人已研究多种相变材料的 DSC 曲线,以 3P1K4S 复合相变材料配方 DSC曲线图为例进行说明。如图 2-1 所示,该配方从 2.18℃开始大量放热,热流峰值出现在 2.07℃,整个放热过程释放的热量为 92.52J/g.吸热过程开始于 14.11℃,分别于 15.76℃和 25.32℃达到高峰。在整个吸热过程中吸收的热量为 112.42J/g。由于 DSC 样品量少,降温速度快,不能反应宏观状态特性,课题组成员补充了 T-history 试验,可以更好地反映相变体系在温室中的应用特性,如图 2-2、2-3 所示(倪欣宇等  2020)。不同配方的相变温度及放热量存在一定差异。在升温相变过程中,材料会吸收一部分热量,使环境温度下降;在降温相变过程中则会向环境中释放热量使得环境温度上升。不同相变材料体系相变吸热温度基本位于 20℃到 30℃之间,可以在温度过高时及时吸收热量,避免高温对温室内作物的伤害。在降温过程中,多数材料放热温度点位于 10℃至 20℃之间,个别体系放热温度小于 10℃,可以在温室温度降低时适时补充热量,防止冻害和冷害的发生。

留学生论文参考

第三章   相变材料蓄放热测试及夏季在装配式日光温室的应用 ..................... 14

3.1   试验温室概况 ............................... 14

3.2   试验材料和仪器 ............................ 15

第四章   相变材料冬季在装配式日光温室的应用 ....................... 26

4.1   试验温室概况 ............................ 26

4.2   试验材料和仪器 ......................... 26

第五章   结论 ........................... 38

5.1   结论 .......................... 38

5.2   讨论 ..................... 39


第四章   相变材料冬季在装配式日光温室的应用


4.1   试验温室概况

本试验温室采用的是张勇等(2012;2013;2014)设计的一种新型结构的装配式温室。供试日光温室位于陕西省杨凌示范区陕西省杨凌示范区揉谷镇与学院合作的生产性垂直农场基地,北纬 N34°17′21.33″,东经 E108°05′27.44″,坐北朝南东西延长,长度 30 m,跨度 12 m,脊高 5.2 m,透明覆盖材料为 PO 膜。

北方温度冬季室内温度过低,容易对温室作物造成冷害和冻害,导致温室无法实现周年生产,传统的加温方式能耗高、效率低,还容易污染环境。相变材料在夏季温室降温中发挥出巨大的作用,我们将继续把复合相变材料应用到装配式温室后墙提高温室后墙的蓄热保温能力,以期实现对温室环境温度的高效调控。

从图 4-1 中我们可以看出在 0 点到 10 点这个时间段,温室气温和墙体温度都在缓慢的下降,变化幅度较小,温室南部最低气温为 8.2℃,温室北部最低气温为 8.5℃,墙体温度最低为 10.1℃。10 点打开保温被之后,温室温度进入持续上升阶段,在 14:00时,温室气温达到最大值,南部最高气温为 31.1℃,北部最高气温为 33.3℃。14 点以后,温室气温开始不断的下降,一直持续到第二天 9 点,温室南部最低气温为 8.8℃,温室北部最低气温为 9.7℃。墙体温度在 17 点达到最大值,为 27.2℃,剩余时间,墙体温度也不断的下降,从 27.2℃降低到 12.3℃。

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第五章   结论


5.1   结论 

研究主要是使用相变材料对温室温度环境进行调控,首先测试了三种相变材料的蓄放热性能,而后将其应用于装配式日光温室后墙进行实测,实测主要分为冬季温室保温及夏季降温两方面。最终得到以下结论:

三种相变材料模块都具有良好的徐放热性能,根据试验数据进行计算,一块 F1、F2、F3 相变材料水泥模块温度由 8.3℃升到 32℃单位体积蓄热量分别为 74.5  MJ/m3、88.0 MJ/m3、95.1 MJ/m3;一块 F1、F2、F3 相变材料水泥模块温度由 32℃降到 7.8℃单位体积放热量分别为 59.8、67.8、84.2 MJ/m3;

为改善温室夏季的温度条件,缓解温室夏季高温问题,我们选取了 3 种复合相变材料分别应用于装配式日光温室温室后墙,分别在典型晴天、典型阴天、典型雨天条件下,监测温室不同位置气温和墙体温度。结果表明,3 种相变材料墙体温度变化幅度均小于温室气温,在白天温室升温期间,3 种相变材料墙体温度都和温室气温有着较大的温差,可以吸收温室内部大量多余的热量,降低温室气温峰值;而在夜晚温室降温期间,墙体温度一直高于温室气温,可以向温室释放一定的热量,起到“削峰填谷”的作用。将相变材料应用于温室中,温室最高气温为 40.5℃,其持续时间较短,这表明三种相变材料均能够吸收大量热量,使植物始终处于温度环境相对适宜、温度变化较为平缓稳定的生长环境中,达到了温室夏季降温的目标。

为提高温室冬季夜间温度,给植物提供一个适宜的生长环境,使植物安全实现越冬生产,本研究同样将 3 种复合相变材料分别应用于装配式日光温室温室后墙,不采取其他任何加温措施,在典型晴天、典型阴天、典型雨天条件下,选取温室不同位置气温和墙体温度进行分析。结果表明,冬季晴天条件下,F1、F2 和 F3 相变材料墙体在白天共可吸收 203158.2 kJ 热量,在夜间共可释放热量 137769 kJ;阴天条件下,F1、F2 和 F3 相变材料墙体在白天共可吸收温室内部热量 117069 kJ,在夜间共可释放热量68973 kJ。F1、F2、F3 三种相变材料水泥模块应用于日光温室后墙,可以有效地提高温室墙体蓄放热能力,在白天可以吸收大量的热量,将其转换为墙体内能储存到墙体中,在夜间将白天蓄积的一步分热量释放出去,提高温室夜间气温,起到削峰填谷的作用,使温室室温变化较为稳定且维持在一个比较适宜植物生长的温度范围内,防止温室内部温度过低对作物造成不可逆伤害。

参考文献(略)

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