溫室儲熱器隔熱層與蓄熱工質結構設計與性能分析

李建明 王 浩 胡藝馨 宋 磊 汪青霞 肖金鑫

(1.西北農林科技大學園藝學院， 陜西楊凌 712100； 2.農業農村部西北設施園藝工程重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國北方地區冬季氣溫低、光照時長短、光強小，在連續陰雨雪天氣溫室室溫較低，無法滿足茄果類作物的正常生長要求，而近年來連續的霧霾天氣更加劇了這一現象[1-4]。額外的溫室增溫及熱量輸入是保證喜溫作物在溫室內正常越冬生產的必要條件。溫室增溫措施有限，爐火加溫、鍋爐加溫等方式不僅消耗大量化石燃料，還會造成環境污染，而以太陽能集熱器為代表的新能源利用方式得到了越來越多的應用[5-7]。太陽能集熱器應用較為廣泛，但與溫室集熱器配套水體蓄熱裝置卻鮮見報道。馬承偉等[8]設計的鋼管屋架管網水循環集放熱系統中保溫蓄熱水池用黏土磚砌成，水池內壁涂刷防滲涂料，水池外部粘貼厚度為10 cm的發泡聚苯板進行保溫。張義等[9]設計的水幕簾蓄放熱系統的蓄熱水池由聚酯硬質板焊接而成，水池四周外表面設置厚度10 cm的聚苯乙烯泡沫板保溫層。徐微微等[10]在日光溫室中空板水循環集/放熱系統中，蓄熱水池用黏土磚砌于溫室內部地下，水池長4.26 m、寬2.25 m、深1.60 m，內壁涂刷防滲涂料，外側粘貼100 mm厚的發泡聚苯板進行保溫。目前，溫室蓄熱水箱結構相對簡單，無法滿足溫室跨時蓄熱的要求。太陽能季節蓄熱研究發現，當保溫層厚度在200～300 mm、水箱體積為500～2 000 m3時，既能保證較低的散熱率，也能控制施工成本[11]。為了高效地利用并儲存太陽能，以便于在夜間或連續低溫天氣時使用，需要一種蓄熱量大、蓄熱時間長且價格低廉的溫室蓄熱裝置。目前，市場上可用于溫室的保溫隔熱材料種類繁多，各種材料性能品質參差不齊，作為儲熱設備外保溫材料有很多局限性[12]。

溫室蓄熱裝置一般用水作為儲熱介質，為了簡化系統，整個太陽能熱泵系統不采用儲熱設備。雖然水具有傳熱及流動特性好、熱膨脹系數及粘滯性較小、價格低廉、來源豐富的特點，但水儲熱為顯熱儲熱，其單位質量、單位體積的儲熱量遠不如潛熱儲熱。陳彥康等[13]研究表明，相變材料的加入能夠提高蓄熱水箱的有效釋熱率，同時提高水箱的熱分層特性，且位置越靠近進口，改善效果越好。汪璽等[14]以肉豆蔻酸/膨脹石墨為相變蓄熱材料，從理論上計算該水箱的臨界取熱溫差為103.1℃。MUHSIN等[15]采用不同相變蓄熱材料分別進行了家用太陽能蓄/放熱實驗，結果表明，應用不同的相變材料可以不同程度地增加水箱蓄熱量，從而使水箱提供更多高溫熱水。組合相變材料具有蓄放熱速度快、放熱速率均勻等特點，已逐漸成為一種強化傳熱方式[16-20]。

針對太陽能集熱系統中溫室儲熱裝置隔熱材料單一、結構設計簡單、熱散失量大的問題，本文對不同保溫隔熱材料的性能進行對比和組合研究，分析并測試其相關物理性能和熱工性能，以得到保溫效果最好、性能最優的隔熱材料組合。使用目前技術成熟的相變材料增加儲熱裝置蓄熱量，應用不同相變組合測試蓄熱裝置分階段放熱效果，優化儲熱裝置結構，以實現蓄熱裝置跨時間蓄熱、分段放熱的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗在西北農林科技大學文洛式連棟科研溫室內進行(北緯34°16′，東經107°59′)，溫室隔間長6 m，寬4 m，脊高5 m。采用哈爾濱物格電子公司的PDE-KI型多路環境測試儀采集溫室內環境數據，溫度測控范圍：-30～70℃，精度±5℃，分辨率0.1℃；相對濕度測量范圍：0～99%，精度±3%，分辨率1%。實驗裝置內溫度數據采用AT4524型安柏24路巡檢儀采集，溫度測控范圍-200～1 300℃，精度±0.2℃，分辨率0.1℃。

1.2 隔熱層材料篩選與復合材料實驗

實驗采用5個規格一致的圓柱形聚乙烯水箱，其直徑(580±5)mm、高(900±5)mm、厚度10 mm，容積為230 L。在實際溫室工況條件下，在水箱外壁加裝不同處理的隔熱材料，將蓄熱水箱水溫加熱至60℃，然后進行實際放熱測試。

收集包括聚苯板、擠塑板、真空板、EPS保溫板、氣凝膠、橡膠棉和復合相變材料在內的22種絕熱材料。由于保溫隔熱材料加工工藝不同，規格質量難以保證，為保證材料傳熱數據的準確，在西北農林科技大學理學院實驗室使用FD-TC-B型導熱系數測定儀(上海復旦天欣科教儀器有限公司)對收集的保溫隔熱材料進行導熱系數測定。為測試蓄熱水箱隔熱材料厚度與水箱散熱量之間關系，在儲熱水箱外分別加裝10、30、50、80、100、180 mm厚橡塑保溫棉進行實際放熱測試。

為增強單位厚度內隔熱材料隔熱效果，采用不同的隔熱材料，按熱阻大的材料在內，熱阻小的材料在外，同時參考材料的結構強度和復合貼合度[21]，設計了厚度在50～100 mm的7種隔熱組合(表1)，進行了不同材料的復合實驗。在隔熱材料組合實驗中，使用固定架和鎖扣等進行外加固，在材料縫隙使用中性硅酮膠等進行密封，使材料之間貼合緊密減小縫隙散熱。在實際測量時，在每層材料貼合部位設置溫度測點，在蓄熱水箱內部設置豎直平均分布的溫度測點，使用安柏溫度記錄儀進行溫度實時測定(圖1)，同時用PDE-KI型多路環境測試儀采集溫室環境溫度。

表1 隔熱材料組合類型

1.3 相變復合單元的制備

相變單元采用月桂酸(LA，分析純)，上海源葉生物科技有限公司；肉豆蔻酸(MA,分析純)，上海源葉生物科技有限公司；棕櫚酸(PA，化學純)，上海源葉生物科技有限公司；膨脹石墨(EG，含碳率99%，80目，膨脹率250 mL/g)，青島金濤石墨有限公司。相變材料采用PC管進行封裝，PC管為m、n型兩種尺寸類型：m型中空PC管尺寸為20 mm×17 mm×150 mm，n型中空PC管尺寸為12 mm×10 mm×330 mm。

棕櫚酸、肉豆蔻酸和月桂酸的導熱系數只有0.16 W/(m·K)左右，導熱性能差，采用相變材料與石墨復合，可以顯著增大相變材料的導熱能力[22]。將膨脹石墨置于60℃真空干燥箱中干燥16 h，然后取1 g放于大燒杯中，再放入普通家用微波爐中(輸出功率800 W)，微波膨脹30 s即得到蠕蟲狀膨脹石墨[23]。分別稱取棕櫚酸、肉豆蔻酸和月桂酸各16 g置于一端密封的PC管中，再加入1 g膨化后的膨脹石墨，之后用熔融PC將封裝管另一端密封，制成復合相變單元。將復合相變單元置于水浴鍋中加熱至70℃搖勻，每隔10 min搖勻一次共搖勻5次，使各PCM與膨脹石墨混合均勻充分完成吸附。制備m型、n型PA/EG、MA/EG和LA/EG復合相變材料的相變單元各100只，各相變單元參數如表2所示。

表2 各相變單元物理參數

1.4 蓄熱水箱結構及組合排布

相變蓄熱水箱結構如圖2所示，用金屬桁架和50 mm EPS保溫板搭建了3個500 mm×500 mm×600 mm的測試區，每個測試區中間放置相變蓄熱水箱，周圍填充含水率65%的均質土壤，測試區上部加蓋20 mm氣凝膠和80 mm EPS保溫板，測試區底面與地面間設置50 mm氣凝膠。實驗采用3個直徑300 mm、高330 mm、厚度1 mm、容積23 L的鐵制圓柱形桶作為相變蓄熱水箱剛體，水箱上下及壁面均設置20 mm橡塑保溫棉。系統布置24個溫度測點，主要溫度測點布置如圖2所示。

開啟閥門和循環水泵，相變蓄熱水箱由外置溫度為65℃的恒溫水箱注水，如圖2設置循環管道，水流上進下出，經循環管道回流恒溫水箱。實際溫室太陽能集熱器工作效率受光照強度和光照時間的顯著影響，因此配套儲熱裝置設置2種工況工作模式：工況1，集熱量滿足超過蓄熱水箱體積的水升溫至65℃，注入蓄熱水箱后進行熱水循環，待水箱各測定溫度一致為65℃時停止循環；工況2，集熱量滿足不大于蓄熱水箱體積蓄熱介質水升溫至65℃，注入蓄熱水箱后不進行熱水循環。

實際工況條件下，在蓄熱水箱中分別添加不同數目和種類的相變單元，加熱循環后進行放熱測試。實驗設置了不同的相變組合，測試不同相變單元數量、不同種類相變單元組合與水箱蓄熱的關系。其中組合ⅰ為30個PA/EG-n和30個LA/EG-n單元，組合ⅱ為30個MA/EG-n和30個LA/EG-n單元，組合ⅲ為30個MA/EG-n和30個PA/EG-n單元。組合Ⅰ為1∶1∶1配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合，組合Ⅱ為3∶2∶1配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合，組合Ⅲ為1∶2∶3配置的PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元組合。

不同封裝管的m、n相變單元在水箱中采用如圖3的兩種排布方式。其中n型相變單元較長，采用環形n排布方式，在混合相變實驗中由水箱中心到桶壁依次是PA、MA、LA相變單元；m型相變單元較短，采用矩形m排布方式，在混合相變實驗中水箱由上到下依次是PA、MA、LA相變單元。

1.5 水箱蓄放熱模型

儲熱水箱在放熱過程中，散熱量為

(1)

式中Qs——蓄熱水箱散熱量，J

K——蓄熱水箱傳熱系數，W/(m2·K)

A——蓄熱水箱傳熱表面積，m2

t(in，τ)——不同時刻水箱內的水溫，℃

t(out，τ)——不同時刻環境的溫度，℃

τ——蓄熱時間，s

τ1——水箱蓄熱初始時間，s

τ2——水箱蓄熱結束時間，s

(2)

式中δt——水箱外壁厚度，m

δ′——水箱隔熱材料厚度，m

λt——水箱外壁導熱系數，W/(m·K)

λ′——水箱隔熱材料導熱系數，W/(m·K)

儲熱水箱內蓄熱介質儲存的熱量隨著儲存時間增加不斷減少，當水箱內水溫低于40℃時，與溫室環境溫差較小，放熱量和放熱效率有限。因此將溫室蓄熱裝置中水溫超過40℃稱為溫室儲熱器有效儲熱溫度，水箱溫度超過40℃的散熱率稱為有效散熱率,計算式為

(3)

式中η——水箱有效散熱率

Cw——水比熱容，取4 187 J/(kg·K)

Vw——純水箱體積，m3

ρw——水的密度，取1 000 kg/m3

Δt0——水箱有效蓄熱溫差，℃

tτ——不同時刻放熱裝置取水水溫，℃

te——溫室放熱裝置有效利用溫度，℃

普通水箱儲存的能量為

Qw=CwρwVw(T1-T2)

(4)

相變蓄熱水箱儲存的能量為

Qp=Cwρw(Vw-Vp)(T1-T2)+

(5)

式中Qw——純水水箱總蓄熱量，J

Qp——相變水箱總蓄熱量，J

Cli——相變材料液態比熱容，J/(kg·K)

T1——水箱蓄熱起始水溫，℃

T2——水箱蓄熱結束水溫，℃

Tli——相變材料初始熔化溫度，℃

Tsi——相變材料完全相變溫度，℃

Csi——相變材料固體比熱容，J/(kg·K)

Vpi——復合相變材料中單一相變材料填充體積，m3

Vp——蓄熱裝置復合相變填充體積，m3

ρpi——相變材料密度，kg/m3

2 結果與分析

2.1 隔熱材料篩選分析

在實驗室使用FD-TC-B型導熱系數測定儀對篩選后的材料進行測定，隔熱材料實際導熱系數如表3所示。在實際工況條件下，采用單一隔熱材料橡塑保溫棉的儲熱水箱進行儲熱測試，得到儲熱水箱溫度變化和散熱量如表4所示。由表4可知，隨著隔熱材料厚度的增加，水箱儲熱24 h后的水溫溫度位點不斷升高，散熱量不斷減少；理論散熱量與實際散熱量差別逐漸減小。當隔熱材料厚度超過30 mm時，實際散熱量與散熱模型計算值誤差小于5%，因此可以用上述模型公式計算儲熱裝置散熱量。

表3 隔熱材料導熱系數

表4 儲熱水箱儲熱24 h溫度變化和散熱量

不同隔熱材料厚度的儲熱水箱在24、72 h的有效散熱率如圖4所示。隨著儲熱時間延長，相同厚度隔熱材料的有效散熱率也不斷增加。在相同時間下，儲熱水箱隔熱材料厚度在0～80 mm時，蓄熱水箱有效散熱率較大，受隔熱材料影響顯著；當隔熱材料厚度在80 mm以上時，蓄熱水箱有效散熱率較小，受隔熱材料影響不顯著。

2.2 隔熱復合材料性能分析

在實際工況條件下，進行不同隔熱材料組合的水箱實際儲熱測試，各裝置24 h實際散熱量如表5所示。由表5可知，采用組合4的蓄熱水箱24 h散熱量最小，比對照組80 mm橡塑保溫棉水箱減少熱量散失0.367 MJ。

表5 不同隔熱材料組合下水箱24 h散熱量

根據散熱模型計算得到各組合在相同配置條件下，不同厚度的傳熱系數如圖5所示。由圖5可知，在相同隔熱組合厚度條件下，組合1～4傳熱系數較小，隔熱效果最好。組合5與組合7，由于保溫砂漿自身熱阻較小，同時砂漿硬化后增大了幾何散熱面積，同比其他組合隔熱效果不佳。組合6中的空氣層采用直徑20 mm薄膜氣柱，兩層疊加氣柱間空隙較大，縫隙散熱量大，同比其他組合隔熱效果不佳。隨著隔熱材料組合厚度的增加，其傳熱系數有顯著降低，隔熱性能提升。綜合來看，在隔熱厚度條件為100 mm下組合4(隔熱涂料+氣凝膠+橡塑保溫棉)隔熱效果最好，傳熱系數最小為0.283 W/(m2·K)。

2.3 儲熱水箱優化設計

由式(1)可以看出，水箱散熱量受水箱散熱表面積和水箱體積的影響顯著。儲熱水箱體積在1 m3時，不同形狀的水箱儲熱24 h散熱量如圖6所示。儲熱水箱體積在1 m3時，球體儲熱水箱散熱表面積最小，單位時間散熱量最小；高徑比1∶1的圓柱儲熱水箱次之。在實際施工建設時，球體蓄熱水箱施工復雜一般不采用，因此推薦高和底面直徑比為1∶1的圓柱蓄熱水箱。

應用隔熱材料組合4及高徑比1∶1的圓柱水箱儲熱72 h，其散熱量和有效散熱率如圖7所示。可以看出，儲熱水箱的散熱量隨著水箱體積增大而顯著增大。當蓄熱水箱體積在0～6 m3時，有效散熱率較大，受水箱體積影響顯著；當蓄熱水箱體積大于10 m3時，有效散熱率較小，受水箱體積影響不顯著。綜合來看，蓄熱水箱在72 h儲熱過程中，水箱體積在6～10 m3時，既能保證較低的有效散熱率也能控制工程施工成本。

2.4 蓄熱工質對蓄熱水箱溫度的影響

對無相變單元的純水箱和兩種工況條件下80個MA/EG-n單元的相變蓄熱水箱進行放熱實驗，水箱內溫度隨時間變化曲線如圖8所示。實驗過程中水箱溫度變化受室內溫度變化影響不顯著。在0～500 min儲熱期間，不進行蓄熱循環的工況2相變蓄熱水箱溫度降低更快；在500～2 000 min儲熱期間，2種工況條件下相變水箱中溫降平緩，水溫高于純水箱，且工況1運行的蓄熱水箱溫度高于工況2。工況2條件下運行的相變蓄熱水箱在蓄熱開始階段吸收熱量，降低水箱水溫減小了水箱高溫散熱量；工況1條件下運行的蓄熱水箱充分利用了集熱器多余的集熱量，提高了水箱整體蓄熱量。相變蓄熱水箱當水溫降低至相變溫度時放出熱量，使水箱水溫維持在較高水平。相變蓄熱水箱可以調節水箱放熱過程，增加水箱蓄熱量，減少高溫散熱量。

采用80個MA/EG-m型、MA/EG-n型相變單元和采用m型、n型相變單元組合Ⅰ(150個)配置的水箱實際放熱曲線如圖9所示。n型排布方式的水箱水溫均高于m型排布方式。n型排布方式相較于m型排布方式，在放熱過程中，底部先進行相變放熱，放熱時間更長；同時n型排布方式減弱了水箱水溫的分層現象。在相變水箱長時間放熱過程中，n型排布方式比m型排布方式更有利于熱量的蓄積。

在相變蓄熱水箱中分別添加PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n單元各50個，工況1條件下運行測試，得到如圖10a所示放熱曲線。隨著水箱內水溫降低，PA/EG-n、MA/EG-n、LA/EG-n水箱相繼進行相變放熱，PA/EG-n水箱高溫階段時間最長，LA/EG-n水箱有效蓄熱時間最久。相變蓄熱水箱中分別設置組合ⅰ、組合ⅱ、組合ⅲ與組合Ⅰ對比，得到圖10b的相變蓄熱水箱放熱曲線。組合ⅲ使水箱到達50℃延長420 min；組合ⅱ使水箱到達40℃延長600 min。組合Ⅰ水箱到達50℃延長315 min，到達40℃延長450 min，整體蓄熱表現更好。相同數量相變單元，組合ⅲ延長水箱在高溫蓄熱階段，組合ⅱ延長水箱有效需熱時間，組合Ⅰ均保持較高水溫整體蓄熱表現更好，說明3種相變材料組合可以優化水箱放熱過程，達到熱量分階段緩釋效果。

在相變蓄熱水箱中設置總數為60、90、150個相變單元的組合Ⅰ，得到如圖10c所示相變蓄熱水箱放熱曲線。表明蓄熱水箱相變材料填充量體積越大，水箱整體蓄熱量也越大。與純水箱相比，組合Ⅰ(60個)增加蓄熱193.2 kJ，組合Ⅰ(90個)增加蓄熱251.2 kJ，組合Ⅰ(150個)增加蓄熱318.8 kJ，有效蓄熱時間最大延長905 min。在相變蓄熱水箱中設置150個相變單元的組合Ⅱ，組合Ⅲ與組合Ⅰ進行實際儲熱測試，得到相變蓄熱水箱放熱曲線如圖10d所示。與純水箱相比，組合Ⅱ水箱到達50℃延長570 min；組合Ⅲ水箱到達40℃延長690 min。結果表明：組合Ⅱ延長水箱在高溫蓄熱階段，組合Ⅲ延長水箱有效需熱時間。在短時蓄熱水箱設置時采用組合Ⅱ配置，在較長時間蓄熱水箱設置時采用混合組合Ⅲ配置，而組合Ⅰ是介于兩者之間的水箱配置。

2.5 蓄熱水箱綜合分析

在水箱隔熱材料和蓄熱介質溫度一定時，蓄熱水箱體積和相變填充體積直接決定水箱蓄熱量。蓄熱水箱體積和相變填充體積可由純水體積和相變材料體積表示。將蓄熱水箱蓄熱模型進行優化，得到水箱有效蓄熱量計算公式為

(6)

在使用100 mm組合4隔熱材料，在Python程序中得到運行120 h水箱實際有效蓄熱量與水箱中純水體積、相變材料體積之間的關系如圖11所示，可知隨著水箱體積和相變填充量體積的增大，水箱實際蓄熱量不斷增加。根據不同地區冬季實際熱負荷來計算蓄熱水箱的配置，得到不同地區的蓄熱水箱體積和相變填充體積的規格。在保證蓄熱裝置蓄熱量前提下，節省施工成本。

3 結論

(1)我國北方地區溫室地下儲熱水箱隔熱材料厚度為80～120 mm應用效果較好，且成本較低；儲熱水箱采用高度和底面直徑比為1∶1的圓柱體、體積為6～10 m3時，既可保證較低的有效散熱率，也能控制工程施工成本。

(2)采用10 mm隔熱涂料+20 mm氣凝膠+50 mm橡塑保溫棉的隔熱組合，傳熱系數為0.354 W/(m2·K)，裝置儲熱24 h后比80 mm單一橡塑保溫棉減少熱量散失0.367 MJ，在實測組合中隔熱效果最好。但不同材料貼合處存在一定的縫隙散熱，需提升加工工藝。

(3)相變儲熱水箱蓄熱量和箱內水溫均高于純水箱，可以提高水箱的蓄熱能力；環形相變排布的相變蓄熱水箱弱化了水箱自然熱分層現象，其蓄熱效果優于矩形相變排布。采用3種相變材料組合的蓄熱水箱優化了放熱過程，減少了高溫散熱量，實現了熱量分階段緩釋效果。

(4)隨著水箱體積和相變填充量體積的增大，水箱有效蓄熱量不斷增加，可以根據不同地區實際溫室熱負荷計算水箱的配置。在短時蓄熱水箱設置時采用相變組合Ⅱ配置，在較長時間蓄熱水箱設置時采用相變組合Ⅲ配置，而相變組合Ⅰ是介于兩者之間的水箱配置。