外挂型相变储能装置在日光温室中的蓄放热试验

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。     

温室中应用相变储热技术研究进展

相变储热是近年来建筑与能源界非常重视的研究热点,将其应用于温室节能有重要意义.该文综述了国内外温室应用相变储热技术的发展现状,分析了温室储热的相变材料的性能与技术问题,指出了建立温室储热系统的可行的应用途径为墙体储热、地下储热和室内外联合储热.该文可为温审应用相变储热技术的进一步研究提供参考.     

芒硝基相变材料性能及其在简易温室中升温效果试验

该文研究芒硝基相变储能材料相变性能及其在青藏高原地区冬季简易温室的保温效果,采用物理法制备芒硝基复合相变储能材料,通过温度-时间曲线、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)和热常数分析仪(Hot Disk)等方法表征了材料性质。当添加成核剂硼砂质量分数为4%时,芒硝基复合相变材料的过冷度消失,添加增稠剂羧甲基纤维素钠质量分数1.5%时,芒硝基复合相变材料相分层现象基本消失,添加导热剂石墨粉质量分数为1%时,复合相变材料导热系数为1.0216 W/(m·K),材料相变潜热为127 k J/kg,放热峰值为15.4℃,同时经过300次相变循环,材料仍旧能保持较好的相变性能。芒硝基复合相变材料模拟在温室升温试验中表明:当芒硝基相变材料添加量为25、35和45 kg时清晨日出前最低温度可以提高1、3.6和4.4℃。分析相变材料温室石膏后墙结果表明:正午最高温度分别降低1.1、2.2和3.0℃,清晨日出前最低温度分别提高0.4、2.4和4.0℃。综合试验表明,该芒硝基复合相变材料适用于高寒气候环境下简易温室。     

温室多壁碳纳米管芒硝基相变材料储能性能

该文对比不同温度下强酸处理多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)对其表面结构改性,并以物理分散制备出含MWCNTs的十水硫酸钠基复合相变储能材料。探讨不同酸化温度下MWCNTs对十水硫酸钠基复合相变储能材料的过冷和相分层影响。并对其比热,导热系数及相变潜热特征进行分析。结果表明:酸化处理后MWCNTs产生羧基;添加质量分数1%的120℃酸化后的MWCNTs的A、B两种十水硫酸钠基复合相变储能材料过冷度降低最大;添加酸化处理后的MWCNTs的十水硫酸钠基复合相变储能材料相容性较好;含120℃酸化后的1%的MWCNTs的A、B两种十水硫酸钠基复合相变储能材料比热及导热系数在相变温度点附近都达到最大,分别为5.095 mm2/s和0.932 5 w/mk、4.235 6 mm2/s和0.941 3 w/mk;含质量分数1%的120℃酸化处理的MWCNTs的B类复合相变储能材料较A类的潜热值大,其分别为143.6 J/g,97.42 J/g;该试验表明含1%MWCNTs-B相变储能材料更适合应用于温室。     

相变蓄热砌块墙体在日光温室中的应用效果

日光温室墙体的保温蓄热性能直接影响温室内气温和作物的生长。该文选用石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比为5∶5制成复合相变材料,以稻壳为载体采用自然吸附法进行吸附得到相变骨料。相变骨料与建筑材料混合制成相变蓄热砌块,并以其为墙体建造相变蓄热温室。采用差示扫描量热法测试复合相变材料和稻壳骨料DSC（热流-温度）曲线,相变温区为15～45℃;复合相变材料的熔解潜热为116.2 kJ/kg,凝固潜热为118.5 kJ/kg,相变稻壳的凝固潜热值为70.63 kJ/kg,熔解潜热值为58.14 kJ/kg。用多点温度计测量相变温室和普通温室室内外气温和墙体内外表面温度,相变温室室内气温波动幅度比对照温室小4.1℃,最低气温比对照高1.7℃,而最高气温则比对照低2.4℃。通过在温室内栽培金鹏一号番茄试验,表明相变温室中番茄的生长状况明显优于普通温室。因此,该文采用的相变蓄热砌块墙体建成的日光温室比普通温室具有更好的蓄热保温性能,更有利于冬季作物生长。     

相变材料墙体在郑州地区下沉式日光温室中的保温作用

将以CaCl2为主的水合无机盐复合相变材料平铺一层于郑州地区下沉式日光温室后墙夹层内,以普通温室为对照,观测并探讨典型天气条件下相变温室和普通温室室内温度、后墙内表面温度以及室内外温差变化规律。结果表明,晴天相变温室在揭苫后平均升温速率为3.26℃/h,低于普通温室的3.65℃/h,午后最高温低于普通温室但差异不显著,全天后墙内表面平均温度高于普通温室3.9℃,夜间室内温度高于普通温室1.8℃,室内外温差大于普通温室。阴、雨天相变温室与普通温室的室内温度、后墙内表面温度以及室内外温差均表现出一致的变化趋势;雪天温室内温度以及后墙内表面温度全天呈下降趋势,相变温室温度下降速率高于普通温室0.08℃/h,而相变温室室内外温差变化较小,普通温室室内外温差逐渐变大。相变材料能有效吸收储存热量,提高室内温度。试验结果可为水合无机盐复合相变材料的保温降能耗特性提供理论支持,也可为其在日光温室中的推广应用提供依据。     

复合相变储能保温砂浆在日光温室中的应用效果

为改善日光温室内作物生长的热环境,该文研制了一种适用于日光温室的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,其相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8 k J/kg。并将50 mm的复合相变保温砂浆用于砖墙日光温室的后墙作为试验温室,与无相变材料的原砖墙温室(即对照温室)进行对比试验。在试验周期内,试验温室的室内日最低温度比对照温室平均高出1.5℃,最高可达2.4℃;其中,阴天试验温室的室内温度比对照温室平均高1.6℃;晴天试验温室的室内最高温度比对照温室低1.7℃,室内最大温差比对照温室低3.1℃,夜间(17:00-次日8:00)试验温室室温比对照温室平均高2.7℃;多云期间,试验温室的室内最高温比对照温室低1.4℃,最大温差比对照温室低3.5℃,夜间试验温室室温比对照温室平均高2.3℃;在相同栽培管理条件下,生长旺盛期和坐果期,试验温室的黄瓜植株高度比对照温室分别平均高出17.1和24.6 cm,试验温室内黄瓜的单果质量和单株结果数分别为对照温室的1.4倍和1.3倍,单株产量为对照温室的1.8倍。试验结果表明,复合相变储能保温砂浆具有良好的保温和蓄、放热效果,对日光温室内的热环境具有明显的改善效果,使其更适于黄瓜的生长。     

新型相变材料蓄放热性能测试及在温室内的应用

日光温室现行的温度调控方法对太阳能无法进行有效利用,造成大量浪费,在极端天气条件下不能取得良好效果,无法持续为植物提供适宜的生长环境。为解决上述问题,更好地改善温室墙体性能,该研究以复合无机相变材料为主体,再配以水泥、锯末等原料,制备成相变材料模块,并进行相关试验,测试相变材料水泥模块的蓄放热性能。而后将其固定于日光温室后墙骨架上,采集温室内温度数据,来研究其在实际生产环境中的蓄放热效果。结果表明一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由8.3升到32℃分别吸收2 575.2、3 041.5、3 286.8 kJ热量,单位体积蓄热量分别为74.5、88.0、95.1 MJ/m~3;一块F1、F2、F3相变材料水泥模块温度由32降到7.8℃分别放出热量2 067.0、2 344.6、2 910.2 kJ,单位体积放热量分别为59.8、67.8、84.2 MJ/m~3。在夏季不同天气条件下,三种相变材料都可吸收大量热量,降低温室温度峰值;在冬天夜间又可释放大量热量,提高温室最低温度,使植物始终处于环境相对适宜、温度变化较为平缓的生长环境中。     

笋壳/淀粉复合发泡材料的制备与特性

为了降低笋壳的环境污染,以笋壳、玉米淀粉为原料,烘焙发泡制备笋壳/淀粉复合发泡材料。应用响应面方法优化发泡工艺条件,采用傅里叶红外光谱仪、扫描电镜等对发泡材料进行结构表征与性能分析。结果显示,NaOH溶液质量分数、偶氮二异丁腈和Na2B4O7·10H2O的用量对发泡体密度的交互影响明显;当笋壳粉5g,淀粉2.5g,发泡温度66℃,发泡时间10h时,最佳工艺条件为:NaOH溶液质量分数9.8%,偶氮二异丁腈1.4g和Na2B4O7·10H2O0.26g,在此条件下,发泡材料泡孔壁较薄,泡孔细密,大小较均匀,大多呈现圆形或近似于圆形;笋壳纤维与淀粉间除了氢键作用外,还通过Na2B4O7·10H2O发生了配位交联反应。研究结果对于改善淀粉发泡材料的性能有参考价值,同时也为竹产业资源综合利用开拓了新的途径。     

山梨酸钾/氯化钾复合相变材料制备及热物性分析

为开发出高效、性能稳定的微冻保鲜用相变蓄冷剂,保证运输中肉制品等农产品的品质,以山梨酸钾水溶液为主基液,探究添加氯化钾后相变蓄冷材料的热物性及热循环稳定性。对比30 g/L山梨酸钾溶液,当再添加氯化钾浓度为5 g/L时,相变温度为-2.8℃,潜热为254.6 J/g,热导率为1.012 W/(m·K),热扩散率为1.01 mm2/s。添加氯化钾对相变温度和潜热几乎没有影响;溶液的热导率提高了23.32%;热扩散率提高了151.37%。经200次冻融循环后,未添加氯化钾的相变溶液出现了-5.3℃的过冷度,含氯化钾的相变溶液没有过冷度,氯化钾在山梨酸钾相变过程中体现出了其良好的成核作用,使得该复合相变蓄冷剂具有优异的热稳定性。试验表明,山梨酸钾/氯化钾复合相变蓄冷剂适合于农产品的微冻保鲜用。     

日光温室三重结构相变蓄热墙体传热特性分析

针对目前国内日光温室墙体在热工性能设计方法方面存在的不足,该文提出了日光温室三重结构相变蓄热墙体构筑方法;结合试验结果,提出了关于该结构墙体传热性能分析方法及其评价指标。分析结果表明：1）三重结构墙体有着较好的蓄放热性能,利用墙体内侧（温室侧）的相变蓄热材料,可以显著提高墙体太阳能利用率,在太阳日累计辐照量为9.32 MJ/m2下,比参照温室北墙体的有效蓄热量提高了26.6%;夜间,相变温室三重结构墙体的累积供热量比参照温室砌块砖墙体的提高了16.2%,并且该墙体相变材料层的单位体积有效蓄热量为80.0 MJ/m3,是三重结构墙体中砌块砖层有效蓄热量的10倍;2）透过前坡屋面照射在温室北墙内表面太阳能影响墙体温度变化的深度有限,约占0.90 m厚三重结构墙体的33.3%,并且在温室墙体内部存在着温度稳定区,其厚度占0.90 m厚三重结构墙体的61.1%。试验结果表明仅通过增加温室墙体厚度以提高墙体的太阳能显热蓄热效率是非常有限的。该研究结果可为日光温室墙体的合理构筑、相变蓄热技术在日光温室的应用以及温室墙体的相变传热问题分析提供参考。     

蓄能材料对内插热管式太阳能热泵系统冬季性能的影响

为充分利用太阳能,提高太阳能热泵系统能效比,该研究提出了一种蓄能型内插热管式太阳能热泵系统,可实现太阳能分季节最大化利用。搭建了系统性能试验台,在南京地区开展了2 a的试验研究,对比分析了相近环境条件下充灌或未充灌相变材料的系统瞬时集热效率、平均集热效率、系统性能系数和供水水温等随太阳辐射波动性的变化规律。结果表明在与冬季白天相近的太阳辐射强度、太阳辐射波动性和环境温度下,充灌相变材料系统的瞬时集热效率波动性比未充灌的系统降低近60%,平均集热效率较未充灌的系统提高25%以上。夜间工况下,充灌相变材料系统的COP(coefficient of performance)可达3.0以上,且能更快达到供热水温50℃,时间缩短20%以上。研究结果可为太阳能热泵系统的推广应用提供参考。     

相变蓄能火炕热舒适性的试验

传统火炕炕面温差很大,为提高炕面温度分布的均匀性、延长炕面供暖时间,将石蜡与炕体相结合以充分利用相变材料的恒温蓄换热特性,对比测试传统火炕房间与相变火炕房间的相关温度。测试结果表明:传统火炕的炕面温差很大,最大温差接近80℃,而相变蓄能火炕的炕面温度分布较为均匀,炕面最大温差仅5℃;此外,相变火炕房间的室内温度熄火后仍呈现上升趋势,直至凌晨之后才开始下降,其室内平均温度比普通房间高2.93℃。相变蓄热火炕显著改善了炕面温度分布的均匀性,有效延长了供暖时间并提高了室内温度,因而有助于改善农居室内及炕面的热舒适性。     

相变材料回填地埋管换热器蓄能传热特性

为了探讨相变回填材料固液相变对地埋管换热器蓄能传热性能的影响,建立了带有相变的垂直U型埋管换热器传热数学模型,并利用显热容法对相变材料的相变问题进行了处理。基于模型的数值求解,分析了夏冬季运行工况下相变材料固液相变对U型埋管换热器蓄能性能及其周围土壤温度热响应特性的影响规律,结果表明：同样条件下,相变材料固液相变会减缓埋管周围土壤温度变化趋势,缩小埋管热影响区域;夏季工况采用较低相变温度、冬季采用较高相变温度的相变材料均可以明显改善其换热效果,同时相变潜热大的相变材料可以明显增加地埋管的蓄能效果。研究结论对于缓解土壤热影响区域、改善地埋管换热器的蓄能传热性能具有重要意义。     

制作方式对日光温室相变蓄热材料热性能的影响

日光温室墙体能否在有限的日照时间内高效蓄集太阳能,与日光温室墙体层的构筑方式以及所采用的建筑材料的热工性能（热阻、比热容、体积质量）直接关联。该研究将所研制的相变材料与普通建筑基材分别以直接混合方式和插层方式制成复合相变蓄热墙体材料板,通过比较试验的方法,从蓄热温度、时间、以及蓄热量等方面,比较了2种不同构筑方式对复合相变蓄热墙体材料蓄/放热特性和传热性能的影响规律。结果表明：同样蓄（放）热温度条件下,直混试件比插层试件提前70?min结束蓄（放）热;直混试件的蓄热量比插层试件大10%,放热量大15%,直接混合方式制成的复合相变蓄热墙体材料板的传热性能和蓄放热效率更好。该研究结果可为相变蓄热技术在日光温室建筑墙体的科学应用提供方法与建筑热工理论参考。     

相变储热型光伏自驱动集热器运行特性

为了克服自驱动型太阳能空气集热器间歇运行和温度波动大的缺点,该研究提出了一种相变储热型自驱动集热器,并利用试验方法探讨了其运行特性。此外,并通过与无储热单元的集热器进行对比,分析了储热单元的引入对集热器热性能的影响。结果表明,该集热器实现了24 h连续运行,其在光伏-蓄电池供电模式下可以根据太阳辐射照度自适应调节气流量,全天热效率达46.92%。对比试验结果表明,储热单元的引入可降低集热器出口温度峰值,峰值滞后时间约3 h。结果可为开发适用于农业干燥领域的集热器提供新思路。     

石蜡/Fe-MIL-101-NH2金属有机骨架定形复合相变材料制备

该研究采用石蜡为相变芯材,Fe-MIL-101-NH2金属有机骨架为载体材料,旨在解决石蜡芯材在固-液相变过程中体积变大,从而出现泄漏现象的问题。通过溶剂蒸发法制备了质量分数为40%～70%的石蜡/Fe-MIL-101-NH2定形复合相变材料。采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）、X射线衍射仪（X-ray Diffraction, XRD）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）对定形复合相变材料的形貌和结构进行观察;用热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）对定形复合相变材料的热稳定性进行分析;通过差示扫描量热（Differential Scanning Calorimetry, DSC）仪对样品的相变温度、相变焓和热循环稳定性进行测试;SEM结果表明,石蜡的最高负载量为70%,且其均匀分布于Fe-MIL-101-NH2孔道中。XRD、FTIR分析发现石蜡与Fe-MIL-101-NH2之间只是物理混合,没有化学变化;DSC分析可知,质量分数为70%的石蜡/Fe-MIL-101-NH2储能量最大,为51.3 J/g,且质量分数为70%的石蜡/Fe-MIL-101-NH2经过50次循环后,其储能量为47.6 J/g,无明显下降,说明质量分数为70%的石蜡/Fe-MIL-101-NH2具有良好的热循环稳定性,可为相变材料在建筑领域应用研究提供参考。     

固化沙蓄热后墙日光温室热工性能试验

结合西北非耕地地区多沙的特点,在因地制宜、就地取材的基础上,该课题组设计了1种以多孔砖和固化沙为后墙结构主要材料的新型复合墙体日光温室。该日光温室有被动蓄热后墙和主动蓄热后墙2种类型,被动蓄热后墙以固化沙为主要蓄热体,主动蓄热后墙在被动蓄热墙体的基础上增设了蓄热循环系统。通过在内蒙古乌海地区进行试验,分析其热工性能,并与当地普通砖墙日光温室性能进行比较分析。试验结果表明,晴天条件下,固化沙被动蓄热后墙温室、固化沙主动蓄热后墙温室、普通砖墙温室的夜间平均气温分别为13.7、17.0、12.8℃。阴天条件下,3座温室的夜间平均气温分别为10.6、13.8、10.0℃。固化沙被动蓄热后墙温室墙体内部恒定温度区域处于500~740 mm之间,蓄热体厚度近500 mm,其中固化沙蓄热体厚度近380 mm。固化沙主动蓄热后墙温室的墙体内部恒定温度区域处于740~1 000 mm之间,蓄热体厚度超过740 mm,其中固化沙蓄热厚度超过620 mm。综上,固化沙主动蓄热后墙日光温室的热工性能明显优于固化沙被动蓄热后墙日光温室及当地普通砖墙日光温室,可满足喜温作物的越冬生产,在西北多沙地区具有一定的实用推广价值。     

主动式太阳能集热/土壤蓄热塑料大棚增温系统及效果

试验研究了一套主动式太阳能塑料大棚增温系统。它以空气为载热介质,土壤为蓄热介质,白天利用太阳能空气集热器加热空气,由风机把热空气抽入地下,通过地下管道与土壤的热交换,将热量传给土壤储存。夜间热量缓慢上升至地表,从而使土壤保持恒温。经过连续4 d的加温试验得出：与利用自然辐照的对比温室相比,主动式太阳能塑料大棚的夜间气温平均升高3.8℃,地温平均升高2.3℃,系统蓄热量可达228.9～319.1 MJ。试验结果证明,这种结合太阳能空气集热器和土壤蓄热的塑料大棚增温系统,能有效地提高棚内的气温和地温,具有良好的发展前景。