PCMs 對水產養殖溫室熱環境動態調控的分析

王雅婷 趙生婷 孫 丹 張殿光 孫凱玥 于宗君 張云龍

（大連海洋大學，遼寧 大連 116023）

近年來，我國北方地區廣大養殖戶不斷嘗試利用溫室進行反季節養殖水產品，已初獲成功。但由于北方室外極端的氣候變化以及養殖經驗不足，始終處于摸索徘徊階段，不能大規模化養殖。因此，溫室養殖環境對水產品的數量與品質有著直接影響。在水產養殖溫室熱環境調控中，除了水體溫度外，環境溫度也影響水產品的產量質量。本文從養殖環境溫度角度出發，探討了相變材料在水產養殖溫室熱環境動態調控方面應用的可行性，同時設計一種集調溫、通風、隔熱等功能于一體的新型儲能百葉卷簾，為降低建筑能耗，提高能源利用率，緩解水產品產量下降問題具有借鑒意義。

1 相變材料（PCMs）

相變材料，又稱相變儲能材料，屬于能源材料范疇。它是將能量在特定條件下貯存，特定條件下加以釋放和利用，達到能量供應與人們需求一致性目的，實現節能降耗[1]。相變材料種類繁多，分類方法也多種多樣。目前，按相變形式分類較為常見。主要分為固-液、固-固和固-氣三種類型。其中，固-液相變材料是利用固液間的相互轉化進行能量的吸收和釋放，該過程可逆，可重復使用，相變溫度范圍寬，儲能密度大，價格低廉；固-固相變材料體積變化小，相變過程中沒有液相產生，無需封裝，無過冷及相分離現象，性能穩定，無毒無腐蝕；固-氣相變材料和液-氣相變材料由于涉及氣體，反應過程中體積變化大，對使用環境要求高，設備復雜，經濟實用性差。目前，固-固相變材料和固-液相變材料研究較多、發展較快，但固-固相變材料種類受限。因此，在實際工程中固-液類相變材料應用最為廣泛。

2 PCMs 對水產養殖溫室熱環境調控的可行性分析

2.1 適用于水產養殖溫室的PCMs 特點

冬季受極端天氣影響，水產養殖溫室晝夜溫差大，溫度下降速度快，導致室內陰暗潮濕；夏季太陽輻射直接照射墻體，導致室內溫度高，超出水產品適宜溫度范圍。這兩種情況均影響水產品的產量和質量。因此，將PCMs 應用于水產養殖溫室環境，在考慮材料本身的熱物性、經濟性的同時，還要結合溫室特定的養殖環境以及材料對環境的影響。因此，在篩選適用于水產養殖溫室環境的PCMs 時，需要具備以下幾個特性：

2.1.1 相變溫度要與水產品養殖溫度接近；

2.1.2 相變潛熱大，相變過程中能儲存和釋放較大能量；

2.1.3 導熱系數高，有助于快速儲能和放能；

2.1.4 無毒、無腐蝕，對水產品及養殖環境影響小；

2.1.5 材料易購，價格便宜。

2.2 適用于水產養殖溫室的PCMs 種類

在實際篩選PCMs 種類過程中，完全滿足水產養殖溫室環境特性要求的PCMs 很少。往往優先考慮相變溫度、相變潛熱以及對養殖環境的影響，然后再逐步考慮其他方面影響。我國北方地區常見反季節養殖的南美白對蝦、石斑魚等水產品，養殖溫度基本處于15～30℃[2-3]。因此，適用于水產養殖溫室環境的PCMs的相變溫度也應屬于此溫度范疇。如將癸酸和月桂酸按一定比例混合，可以配置出相變溫度為22.5℃、24.3℃、25.1℃，相變潛熱為93.7J/g、94.2 J/g、101.9 J/g的二元復合相變材料[4]。通過施羅德公式對癸酸-硬脂酸、癸酸-肉豆蔻酸及癸酸-月桂酸進行混合，可以配比出相變溫度為25.6℃、21.8℃、18.7℃的二元復合材料[5]。表1 給出了部分適用于水產養殖溫室環境的PCMs 及熱性能。

表1 適用于水產養殖環境的相變材料

2.3 PCMs 對建筑溫室熱環境的調控

PCMs 作為一種高效的儲能材料，將其應用于建筑領域現已成為節能研究的熱點，既能實現室內環境的控溫和調濕，又能節約能源，降低CO2的排放，實現建筑的可持續發展。目前，PCMs對建筑溫室熱環境的調控主要體現在建筑圍護結構和供冷、供熱等方面。PCMs 在建筑圍護結構中的應用是多方面的：PCMs與墻體結合，摻入到砂漿、混凝土、石膏板中制成新型建筑材料，不僅能夠調節建筑室內熱濕環境，降低能源消耗，還能使建筑結構功能一體化，節約使用空間；PCMs與門窗百葉結合，可以制備出具有調溫通風功能于一體的相變儲能百葉。Shi[6]等人制備了力學性能和熱穩定性較好的新型蓄熱輕質水泥砂漿。過渡季節可使室內溫度的波動降低3.6℃；夏季，調溫性隨著夜間溫度的升高而降低；冬季，可降低空調關機時室內峰值溫度。Ren[7]等人研制了一種新型結構功能一體化的相變混凝土。通過實驗發現摻入10%微膠囊相變材料的混凝土表面溫度比普通混凝土房間低3.9℃，具有良好的蓄熱能力和調溫性能。PCMs 應用于供冷、供熱系統可以進行蓄熱或蓄冷。特別是供熱系統，將PCMs裝到蓄熱設備中，利用太陽能白天將太陽輻射集中儲存起來，在夜間或陰天推動發生器進行制熱，補充室內熱量，防止室內溫度下降過快。周昊等人[8]利用相變材料設計了一種高效梯級相變蓄熱器模型，并對同一工況下不同部位的傳熱特性進行了數值模擬研究。該裝置能夠解決養殖過程中太陽能不連續、不穩定的蓄熱問題，推動了相變材料在水產養殖行業的應用。

3 新型儲能百葉卷簾

3.1 新型儲能百葉卷簾設計

傳統百葉卷簾只是單純的通過調節百葉開合及收卷來達到遮陽和通風目的，不能對太陽輻射和室內多余熱量加以利用，造成能源浪費。基于此，本文設計了一種集調溫、通風、隔熱等功能于一體的新型儲能百葉卷簾。

新型儲能百葉卷簾采用質輕、高強、不易變性、防水性、防腐蝕性好、傳熱性高的鋁合金百葉；百葉形狀為條狀百葉間隔排列在一起；由于百葉寬度對室內熱環境的影響較小[6]，基于使用便捷及使用方法的考慮，選取百葉寬度為30mm；百葉厚度主要影響調溫效果，厚度過小，無法容納足夠的PCMs，厚度過大又會影響通風、采光以及壓力荷載問題，本文暫選百葉厚度5mm。圖1 為新型儲能百葉卷簾的結構示意圖。

圖1 新型儲能百葉卷簾的結構示意圖

3.2 運行模式

3.2.1 夏季運行模式：南墻由于室外太陽輻射量過大而溫度持續上升，若無遮陽措施，南墻溫度高達50℃，嚴重影響養殖房間室內溫濕度，進而影響水產品的產量質量。因此，夏季當室外太陽輻射充足時，將儲能百葉卷簾隔熱層朝向室外，防止太陽輻射直接進入室內，而高導熱層朝向室內，吸收室內多余熱量，防止室內溫度過高；當夜晚室內溫度低于PCMs的相變溫度時，PCMs 向室內釋放儲存的熱量，防止室內溫度過低。

3.2.2 冬季運行模式：冬季當室外太陽輻射充足時，將高導熱層側朝向室外，吸收并儲存太陽輻射熱，隔熱層朝向室內，減少室內熱量通過窗體向室外流失；當室外溫度低于PCMs的相變溫度時，通過連接桿調節儲能百葉卷簾扇面使之翻轉180°隔熱層朝向室外，高導熱層朝向室內，儲存在百葉儲能薄盒內的熱量釋放到室內，延緩室內溫度下降速度。

3.2.3 通風模式：當室內需要通風時，通過連接桿將儲能百葉卷簾的扇面旋轉到水平方向，保證室內外空氣流通（圖2）。

圖2 新型儲能百葉卷簾的運行原理圖

3.3 實驗結果分析

將新型儲能百葉卷簾與普通百葉卷簾安裝在房間同側不同窗戶上，測量百葉卷簾后方溫度變化情況，如圖3 所示。結果表明，儲能百葉卷簾與普通百葉卷簾相比后方溫度達到25℃左右（相變溫度）后溫度變化平緩，說明儲能百葉卷簾釋放儲存的熱量，減小室溫下降速度，對室內熱環境起到調控作用。

圖3 百葉卷簾溫度變化情況

4 結論

PCMs 作為一種高效的儲能材料，將其應用在水產養殖溫室中，能夠緩解溫室能量供求在時間和強度上不匹配的矛盾，降低建筑能耗，調節養殖溫室熱環境；能夠有效地儲存、利用太陽能等低成本清潔型能源，實現環境與經濟的雙贏。因此，利用PCMs 對水產養殖溫室熱環境進行動態調控是可行的。