石蠟基相變儲能墻結構設計與控溫實驗研究

王傳濤，劉松陽，韓 杰

(1.沈陽工學院能源與水利學院，沈陽 113122；2.遼寧石油化工大學，遼寧省石油化工特種建筑材料重點實驗室，撫順 113001)

0 引 言

溫室建筑主要由背風墻、山墻、采光罩三個主要部分組成，其結構形式簡單、便于施工，是我國北方地區解決冬季農作物生長所普遍采用的建筑形式之一。傳統溫室應用范圍廣且經濟效益高，但也帶來了巨大的能耗問題。因此，越來越多的國內外學者投入到溫室建筑節能降耗技術的研究中。溫室的熱源主要來自太陽輻射，夏季日間溫室內溫度過高，需要通風散熱；冬季夜間溫室內溫度過低，需要加熱補償。為解決溫室建筑冬季的低溫和夏季的高溫問題，現行的辦法是配備升溫和降溫設施，不僅增加了溫室生產成本，也不利于低碳環保。如果能將新型材料融入溫室背風墻結構設計中，把白天多余的太陽能儲存起來，在夜晚低溫時段釋放出來，就可以極大地提高能源的利用效率，而相變儲能(Latent Thermal Energy Storage，簡稱LTES)材料的出現就解決了這一問題。

相變儲能與顯熱式貯熱相比，儲存熱量更多，不需要額外輔助能耗，所以更加低碳環保，且相變過程近似等溫的性質可有效控制工作源附近環境溫度波動，給生活、生產帶來更為舒適的條件。許多國內外學者投入到這方面的研究之中，研究內容主要涉及潛熱高且相變溫度適宜溫室生長使用的相變材料篩選[1-3]；添加石墨粉等材料對相變材料導熱性能的改良及最佳摻比的確定[4-5]；添加鋼纖維等材料對溫室混凝土墻體整體導熱性能和力學性能的改良及最佳摻比的確定[6-9]，溫室混凝土墻體相變儲熱層的設置與優化[10-13]，以及利用實驗或數值模擬等手段評價相變材料對溫室的控溫影響等方面[14-17]。

目前的研究主要集中在理論論證層面，為了增強對溫室墻體結構的設計實用性，本文研究了石蠟基相變材料以波紋管為封裝容器蛇形敷設于溫室墻中制備LTES墻，以控制溫室環境溫度、研究及評價控溫效果，其制備工藝簡單、成本低、蓄熱量大，便于市場應用推廣，具有較高的社會效益，對溫室的現代化、節能生產及環境保護具有重要意義。

1 實 驗

1.1 實驗材料

相變材料：石蠟，上海焦耳蠟業有限公司生產，牌號為25 ℃，導熱系數0.21 W/(m·K)。

碳纖維粉：深圳市第六元素新材料有限公司生產，規格300目(50 μm)。

金屬波紋管：DN40、304不銹鋼、波高40 mm特厚型，質量0.350 kg/m。

鋼纖維：上海史尉克工貿有限公司生產，銑削型鋼纖維，抗拉強度≥700 MPa，長度38～50 mm。

其他材料：擠塑聚苯板(XPS)、普通硅酸鹽水泥，粒徑4～8 mm豆石，細度模數2.3～3.0 mm中砂，減水劑為FDN-1高效減水劑，除泡劑為聚硅氧烷，分散劑為甲基纖維素。

1.2 石蠟熱物性參數測試

實驗采用南京大展機電技術研究所生產的DSC-100差式掃面量熱儀測定石蠟相變溫度上限、下限和相變潛熱，將石蠟樣品分三組分別測試，最后取三組平均值。

1.3 石蠟基復合相變材料制備

溫室及LTES墻制備的過程如圖1所示。取石蠟3 kg裝入鐵桶置于電熱干燥箱內加熱，待石蠟充分融化后，摻入質量分數為5%的碳纖維粉[4-5]，使用玻璃棒攪拌均勻后，通過漏斗注入已彎折成型后的金屬波紋管內，并于兩端封堵，如圖1(a)所示。

1.4 溫室及LTES墻結構設計

溫室實驗模型采用裝配式結構設計，分為底板、側墻、采光罩及背風墻四個模塊，材料采用高通透率亞克力玻璃。背風墻設計為嵌入式可拆卸芯墻，即LTES墻，如圖1(b)所示。

芯墻尺寸為470 mm×470 mm×70 mm，使用15 mm厚擠塑聚苯板(XPS)于5側支模，模板不拆除，用作墻體外保溫材料。將水泥、砂、豆石、水按質量分數1∶1.36∶3.03∶0.45混合攪拌均勻，第一次在模板中澆筑混凝土厚15 mm，然后敷設金屬波紋管；第二次將剩余混凝土中摻入質量分數為2%的鋼纖維[6-9]，混合均勻后，將模板澆筑滿并抹平、壓光，制作過程如圖1(c)及圖1(d)所示。

LTES墻內金屬波紋管采用蛇形彎折方式，直線段長度300 mm，彎折段半徑50 mm。

溫室模型設置了可開啟式平開門，模擬實際通風效果；模型下部為可拆卸式底槽，內部可盛裝土壤、種植綠植模擬真實溫室環境。

圖1 溫室及LTES墻制備Fig.1 Greenhouse and LTES wall preparation

1.5 實驗方案與測試

實驗制備兩組溫室模型，一組采用普通墻，另一組采用LTES墻。溫度監測采用大連晟科試驗儀器有限公司生產的混凝土無線測溫儀SH-TW80，利用其多測點多通道的同步傳感測試功能，測試兩組模型內部三個不同位置的逐時溫度變化，通過遠端PC無線接收，自動生成測量溫度逐時變化曲線圖。

混凝土無線測溫儀SH-TW80共計8個通道，可通過8個外置傳感器測點同時測量混凝土內部8個不同位置點的逐時溫度，并按預設置的測試步長記錄溫度值，通過云端傳輸給PC。實驗使用通道CH-1～CH-5五個測點。CH-1、CH-2分別測量LTES溫室環境和LTES墻內溫度，CH-3、CH-4分別測試普通溫室環境溫度和墻內溫度，CH-5測量溫室外環境溫度，實驗方案布置如圖2所示。實驗時間為2019年12月27日8∶00至24∶00，該時間為典型冬季時段。為了測試LTES墻對升降溫的綜合控溫影響，實驗采用CDN-RT205外置加熱裝置模擬太陽輻射進行溫度加載，加載主要分為四個階段，即低幅正向加載、高幅正向加載、恒溫持續加載、高幅負向加載(卸載)。設置升降溫步距30 min、測溫步距1 min，現場實驗照片如圖3所示。

圖2 控溫實驗方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental scheme of temperature control

圖3 溫室控溫設備Fig.3 Temperature control experiment of greenhouse

2 結果與討論

2.1 石蠟熱物性參數

石蠟為烴類混合物，是一種非理想相變材料，不具有嚴格的熔點，其相變溫度通常是一段溫度區間，實驗測得熱物性參數結果如表1所示，Teo為相變溫度下限，Tm為相變溫度上限。為減小實驗誤差，取三組試樣測試結果平均值后，牌號為25 ℃的石蠟實際相變溫度區間約為22.2～30.0 ℃，相變潛熱Hm約為254.6 kJ/kg，其相變潛熱值較高，控溫范圍適宜植物生長。

表1 石蠟熱物性參數Table 1 Thermal physical parameters of paraffin

2.2 LTES墻結構特性分析

LTES墻內部采用蛇形彎折的金屬波紋管封裝相變材料，其敷設方式和表面的螺紋狀波紋可有效增加管體與墻之間的接觸面積，從而提高內部相變材料與外部環境的熱交換速率。石蠟中摻入質量分數為5%的碳纖維改善了其導熱性能，增加了相變材料的熱存儲與釋放效率。此外，LTES墻澆筑分兩次進行，靠近室外側墻體為普通混凝土材料并外貼擠塑板(XPS)，減少了室內溫度向室外散失；而靠近室內側墻體為摻入質量分數為2%鋼纖維的混凝土，利用鋼纖維良好的導熱性能提高了LTES墻與室內溫度的交換速率。綜上，通過合理設計LTES墻的結構可以最大化發揮其控溫性能。

2.3 LTES墻控溫效果分析

在外溫荷載作用下，兩組溫室控溫效果主要通過室內環境溫度與墻體內部溫度來衡量，實驗結果如圖4、圖5所示。實驗數據中提取反應控溫效果的特征值參數如表2所示。實驗測溫步距為1 min，考慮到模型小環境下測點瞬時溫度易受附近氣流等環境因素擾動，表中各溫度特征值及對應時刻取用最值前后5 min區段內對應數值的均值，以減少誤差影響。

圖4 溫室墻內溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves inside the wall of the greenhouse

圖5 溫室環境溫度變化曲線Fig.5 Greenhouse environmental temperature change curves

由圖4、圖5可見，第一階段低幅正向加載，在溫度沒有達到相變溫度下限之前，LTES墻及普通墻內部溫度變化均比較平緩，而兩組溫室環境升溫變化則均較為明顯，可見LTES墻在沒有發生相變過程前，其傳熱性能與普通混凝土材料相當；第二階段高幅正向加載，LTES墻及普通墻內部溫度均明顯上升，第二階段初期兩條溫度曲線幾乎同步變化，但是在時間10∶40(即實驗開始2 h 40 min時)左右LTES墻及普通墻內部溫度曲線出現分岔點，兩組溫室環境溫度也呈現類似特征，但分岔點時間后移，普通墻內部溫度及溫室環境溫度曲線繼續上升，LTES墻內部溫度及溫室環境溫度曲線趨于平緩，原因在于10∶40左右墻內溫度達到相變溫度下限，相變材料從固態轉化為液態時吸收外界溫度，從而控制墻體及環境溫度不會出現高溫過熱；第三階段恒溫持續加載過程，LTES墻及普通墻內部溫度變化趨勢與第二階段基本一致，但普通溫室環境溫度峰值已超越加載溫度，而LTES墻溫室環境溫度始終沒有出現過高情況；第四階段高幅負向加載(卸載)過程，LTES墻及普通墻內部溫度均明顯下降，兩組溫室環境溫度也同步下降，但LTES墻降溫幅度緩慢，原因在于相變材料從液態轉化為固態時向外界釋放熱量，維持了材料及附近環境的溫度。持續高幅負向加載，在16∶30(即實驗進行了8.5 h時)左右LTES墻內部溫度曲線出現陡降，因為墻內溫度達到相變溫度下限，相變控溫過程終止，后續LTES中墻變化過程基本與普通墻一致。

表2 溫室控溫測試特征參數Table 2 Characteristic parameters of greenhouse temperature control test

2.4 LTES墻控溫定量評價

圖6 控溫評價指標定義Fig.6 Definition of temperature control evaluation index

為進一步精確衡量LTES墻控溫效果，定義相變維持時間、溫度延遲時間、溫度衰減倍數、升溫速率和降溫速率5個定量評價指標，其定義如圖6所示，計算方法如式(1)～(5)所示。

(1)

φ=τ'-τ

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ψ為相變維持時間，即LTES墻內溫度曲線圖中近似平段區間的長度，h；τa為相變第一起始時刻，即LTES墻溫度達到相變溫度下限時對應的時刻，h；τb為相變第一結束時刻，即LTES墻溫度曲線上升過程中第一次達到相變溫度上限時所對應的時刻，h；τc為相變第二起始時刻，即LTES墻溫度曲線下降過程中第一次達到相變溫度上限時所對應的時刻，h；τd為相變第二結束時刻，即LTES墻溫度達到相變溫度下限所對應的時刻，h；τ' 為LTES墻內溫度峰值對應時刻，h；τ為室外溫度峰值對應時刻，h；φ為延遲時間，即LTES墻溫度曲線與室外溫度曲線峰值的水平距離，h；ζ為衰減倍數；Af為室外溫度波幅，℃；λ為墻內溫度波幅，℃；Vr為升溫速率，℃/h；Vd為降溫速率，℃/h；Tmax與Tmin分別為墻內溫度峰值和谷值，℃;t為相變溫度，℃

如圖6中LTES wall-2所示，當LTES墻潛熱設計封裝量過小時，其內部溫度峰值可穿越其相變溫度區間，而本文中實驗設計的LTES墻符合圖中LTES wall-1特征。由實驗數據及式(1)～(5)計算得LTES墻相變維持時間ψ、溫度延遲時間φ、溫度衰減倍數ζ、升溫速率Vr和降溫速率Vd五個評價指標依次為4.5 h、3.8 h、1.5、1.9 ℃/h 和1.2 ℃/h，普通墻無相變維持時間ψ這一指標，其余四項指標依次為3.7 h、1.2、2.3 ℃/h和1.6 ℃/h。結果表明：LTES墻可在近4.5 h時長內將墻體溫度維持在22.2～30.0 ℃，恒溫效果顯著；LTES墻溫度延遲時間比普通墻長0.1 h，溫度衰減倍數為普通墻的1.25倍，其對環境溫度變化的敏感度更低，溫感舒適性更好；LTES墻升溫速率Vr和降溫速率Vd均比普通墻低0.4 ℃/h，環境溫度變化速率低，控溫效果更好。

3 結 論

(1)石蠟是一種非理想相變材料，因其成分復雜，所以相變溫度呈一區段。將牌號25 ℃的石蠟作為LTES墻相變材料可以將墻體附近環境溫度在很長一段時間內控制在相變溫度區段附近，而適宜植物生長的溫度也是一個區段，二者恰好匹配，適于溫室使用。

(2)石蠟中添加碳纖維導熱增強材料制備復合相變材料，并采用金屬波紋管蛇形封裝敷設于LTES墻內的設計方法切實可行，其施工便捷、成本低、封裝量高，溫度峰值不會穿越相變溫度區間，相變材料與外部環境的熱交換速率快，可最大化LTES墻的控溫效果。

(3)LTES墻應用于溫室，可將墻體自身及環境溫度控制在相變溫度區間附近，減小環境溫度波動，且相變過程中存儲與釋放的熱量可自動削減溫室日間溫度峰值并填補夜間溫度谷值，從而減少輔熱或制冷設備產生的附加能耗，起到節能減排作用。

(4)通過五個評價指標計算對比，LTES墻較普通墻具有很長一段恒溫維持時間，外溫傳遞的延遲時間長，溫度傳遞過程中衰減幅度大，且升溫和降溫的速度均較慢，將其用于溫室結構可以起到明顯控溫效果，使環境條件更加舒適。