（农业生物环境与能源工程专业论文）相变储能墙板在温室中的应用研究.pdf

摘要 相变材料作为一种高效储熊材料，在耕黼源利用及节自技术研究等方阿具有重要的现实意 义。本谨题挺爨将提交毒| 辩镶嵌予温室露墙内秘形成裾变墙援，蚨降低滠室能耗亵改善瀑室热玮 壤，其骞较强斡实蘑蚤覆。 本文选择了相变温度在1 8 - , 3 3 。c ，相变潜热大于1 如岭的弧种相变材料避雩亍研究，即十水硫酸 钠、六水氯化铡、2 5 # 石蜡、3 0 # 石蜡和硬脂酸丁酯。通过对缡构相同的有凭相变储能材料温室模 楚斡对 b 宴测，努褥了裙变然髓秘糖对室两空气澡度、墙体瞧癸表蚕强壤的嚣睫，荠对不蕊糨变 麓料冬、蔓零瓣蓿髓效票涟雩亍了势辑溅定，簿选出适弼予澄蜜冬、夏季瓣辐交髓麓材耩。蜜验结 果显示：相燮溆寡中室内空气与墙体内表面的温差大于普通潞宝；相变墙体内外表面的潞静波动 幅度小于普通温塞。且白天相燮墙体内外袭简的温差小于世遇墙体，夜间则相反；含有相襄材料 酌溢室在夏季是天霹平均降低蜜内空阕强度2 娼，冬季褒翘可平缝撬意室内空阚温度i 一2 v c 夏 季3 0 # 石藉的洚瀛效果最葑，盘天可平均簿祗窥内空窝温度2 ，6 ；冬季硬潞黢丁蘸静增滠效果最 好，夜间可平均摄升室内空间溆废1 6 c 。同时对相变储能材料柱温室中应用的经济性进行r 核算， 得出6 6 7 m 2 的濒寝每个采暖攀可以节省2 9 4 1 ，毪。希望通过_ 本谖题的研究为现代化节能型勰寝工程 设计提供参考帮菠遂意显。 淡键谣；相燮树料，贮热，激窳环境，节能 a b s t r a c t a so n eo fh i g he f f i c i e n te n e r g ys t o r a g em a t e r i a l s ，p h a s ec h a n g em a t e r i a lp l a y sa ni m p o r t a n tp e r ti n e n e r g ys a v i n ga n du t i l i z a t i o no fi i e we n e r g y p h a s ec h a n g em a t e r i a lw a sp u ti n t ob a c kw a l l b o a r do f g r e e n h o u s e1 0f o r mp h a s ec h a n g ew a l l b o a r d w h i c hc h a n g e si t sp h a s eb ya b s o r b i n go rr e l e a s i n gl a r g e l a t e n th e a ti nt h es p e c i f i ct e m p e r a t u r et os t o r eu ps o l a re n e r g ya n do t h e rw a s t ee n e r g y i t sg o o df o r t h e r m a le n v i r o n m e n to f g r e e n h o u s ea sw e l la sc o n s u m p f i o n t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e df i v e 砖a s ec h a n g em a t e r i a l s , t h a ti ss o d i u ms u l f a t e , c a l c i u mc h l o r i d e , z s # p a r a f f i n ，3 0 # p a r a f f i n , b u t y ls t e a r a t e ，w h i c hp h 豁口c h a n g et e m p e m t u r ei si nt h er a n g eo f1 8 x t o3 3 0 c a n dt h e i rl a t e n th e a ta r ea l lo v e r1 4 0 j g , a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fp h a s ec h a n g ew a l l b o a r do ni n d o o ra i r t e m p e r a t u r ea n do u 拇i d ew a l l b o a r dt e m p e r a t u r eb yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a ld a t aw i t ha n dw i t h o u tp h a s e c h a n g em a t e r i a l ，a n df i n a l l yc h o o s e t h ep r o p e rp h a s ec h a n g em a t e r i a lu s e di ng r e e n h o u s e 。e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fi n d o o ra i ra n dw a l l b o a r di n n e rs u r f a c ew i t hp h a s ee h a n g e w a l l b o a r di ng r e e n h o u s ew a sh i g h e rt h a nn o r m a l t e m p e r a t u r ef l u c t u a t i o no fi n n e ra n do u t e rs u r f a c eo f w a l l b o a r dw a sl o w e rt h a nn o r m a lg r e e n h o u s e t e m p e r a t u r e 搬蝴e eo fi n n e ra n do u t e rs u r f a c eo f w a l l b o a r dw a sl o w e rt h a nn o r m a lg r e e n h o u s ei nd a y , b u th i g h e ri nn i z h t 。i n d o o ra i rt e m p c r a l u r ec o u l d b el o w e d2 t o3 ci ns u m m e rd a y t i m ew i t hp h a s ec h a n g ew a l l b o a r d ，c o u l db ei n c r e a s e dl x 2t o2 ci n w i n t e rn i g h t t i m e t h ee f f e c to f3 0 # p a r a f f i nw a st h eb e s tm a t e r i a lt h a tu s e di ng r e e n h o u s ei ns u m m e r d a y t i m et ol o w e rt e m p e r a t u r e , w h i c hc o u l dl o w e rt e m p e r a t u r eo fi n d o o ra i rb y2 6 c a n dt h eb u t y l s t c a r a t ew t h eb e s tm a t e r i a li nw i n t e rn i g h t t i m et oh e i g h t e nt e m p e r a t u r e 姆1 6 。c ，t h i sp a p e ra l s o a n a l y z e dt h ee c o n o m yo fp h a s ec h a n g ew a l l b o a r du s e di ng r e e n h o u s et h a t2 9 4 1y u a nw a ss a v e di np e r h e a t i n gp e r i o do f6 6 7m 2g r e e n h o u s e t h i ss t u d yp m v i d e x iac e r t a i nr e f e r e n c ea n di m p r o v e m e n tt o d 逸nm o d e r ne n e r g y s a v i n gg r e e n h o u s e ， k e y w o r d s ：p h a s ec h a n g em a t e r i a l ，h e a ts t o r a g e ，g r e e n h o u s ee n v i m n m e n t ，e n e r g y s a v i n g 主要符号说酸表 物理璧 a 传热蕊辍，表面积，m o p 密度，l 蕊糯3 m 质量。 q 热量，辐射能，j v 运动糕发，m 魄 仃 赫蒂努，玻尔茨曼常数，w m 2 , 群 盖角系数；凭量纲坐标 f时间，s s 发射攀 特征数 量= 蝉接箍寝夫数 v p r ：兰瞢朗特数 a n u ：攀努塞尔数 ! 搬 c 跑热容，j ，( k 2 k ) v 体襁，m 3 g 投射辐射，w m 2 d 遵泼，m s g 吸收晓 h 换热系数，叫( m 2 - k ) ；比焓，j 敏 歹蠢散藕瓣，w m z 差德 稃热扩羧率，m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人襁导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写蓬魏磅究袋粱，氇不惫含必获褥中蓬农照大学或其它教育稷穆静学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已猩论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生熊名；毵秘 时间：口占年g 月摩f 1 关于论文使用授权的说明 本天竞全了辫孛藿农妲大学畜关缣餐、霞震学缎论文豹纛定，邵：学校鸯粳镶 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印戡扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、俦撵学位论文的全秘或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守就协议) 研究生签名：茬杈柳 导师签名：多李够 时闻：彩年弼，荸弱 时闻：钞霹厂刖绉 耋星耋：銮盏：耋茎竺兰兰，。，。，。，。耋= ：| ：。丝竺 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 当前熊源与环境现状 能源是人淡社会生存的蒸础，能源的开发和利用是人类社会发展的动力，能源开搅和利用水 平是天粪毒会文鞠瓣重要檬恚之一。淹羞全淳经济鹣不鹭笈震，世赛各国对瞧源的霉求擞在成镳 缝增长，能源消耗不断上拜，然而地球上所熊提供的能源不是取之不尽、翔之不竭的a 秘葡人类 所消费的能源绝大部分属于槠竭性能源( 如煤炭、石油、天然气等矿物燃料及核燃料) ，据报道 【l ，全球已探明的煤炭储鬣只能再供开采2 0 0 年，石油约熊供开采3 4 年，天然气约能供开采6 0 筚。大量戆滚瓣瀵耗，竭嚼繁寒了卡分严重麴蓼壤运蓬，懿气攘变疆、生态破壤、夫气污染等。 全球矿物能源消耗量在1 9 9 2 年- 至1 9 9 9 年问增加了1 0 11 9 6 5 至1 9 9 8 年，全球二二氧化碳排敞麓翻了 一番；燃烧矿物燃料产生的漱寂气体，目前魁全球温室气体的最主要来源，所占份额达到了7 5 。 能源危机和环境保护是当今世界面临的窳大挑战，在我隰尤为突出。尽管我国矿藏丰寓，但 人叠众多、燹滚零l _ l l 率币毫，这镬褥我国麓源形势+ 势严竣，丝毫不容臻蕊。镶鲡，1 9 9 4 年豹统 计资料表明嘲，我国入均原煤、原油、天然气储备量分别为世界人均储量的4 5 5 、1 6 7 、5 ， 同时由于我国能源构成以煤炭为主，约7 5 的能源需求由煤炭提供，烟气的排放使大气受到了严 重的污染。目靛我国的c 砚撵披鬣仅次于美豳，屡世界第二，占世界总排放嫩的1 3 6 。因此t 开 发薪静绿色裁滚窝提高糍添秘罐率已经藏为嚣鬻紧遥戆整器往谖瑟。当嚣簸主要静还是骞羧予提 高对现有能源的使用效率，开发各种节能技术。其中积极开发高效、低浮染的能源利用系统，开 展储能技术研究，就成为台蠼利用能源及减轻环境污染的脊效途径之一。 1 1 2 我毯设撬农整戆发袋臻获及覆羧戆阚惩 2 0 0 6 年2 月2 1 日，国务院发布了中央一号文件，明确提出了“推进现代农业建设，强化社 会主义新农村建设的产业支撑”这一宏伟任务1 4 1 ，其中一项熏要内容就是积极发展低消耗高产出 的节约型襄效农韭，加强农渡辩接疆究，甥嶷傲妊增鸯霉农民收入鲍工作。 设施农娃是依靠科技进劳两形成静高新技术产韭，它袋生物工程、农她t 程、环境= 稷于一 体，在外界不避季节，利用工程技术手段和工业化生产方式，通过设施环境调控，为作物营造较 为适宜的生长环境，使其在融经济的生长空间内，获得最高的产量、品质和经济效益，媳农业实 溪丈援搂褒嚣纯、理姣往弱方翔之一。扶弱毽纪9 鹋；投嚣娥，我国斡设藏农照产业褥至i 邈猛戆发 展，保护地面积由2 0 世纪鼬攀代的0 7 2 公顷增长到目前的2 1 0 万公顼，其中绝大部分是备类塑料大 棚和日光温室，现代化大型连栋温室大约有1 0 0 0 多公顷，跃属世界的前列。设施农业的蓬勃发展， 成功地解决了我国城乡居民的菜篮子问题，是农民脱贫致富的重要手段，也是全面建设小康社会 鹁重要曝话。莰麓农韭是一个辫家整薅表整装备褒我纯承平滟标恚，是当今毽雾最其活力瓣产监 之一f 1 。 中尉农业大学硕士学彼论文第一犟绪论 黑攀i l i i i i i i i 舞鼍燃! 溢室在残代设溅农业中攀足轻蘩，它在毙服恶劣的盎然气候、拓展农产鼎晒辩、提高教渡生 产率筹方露其鸯囊要翡徐蕊。滋蜜懿主要掰途是程 # 载鏊季节生产农产赫，孩心怒控涮蘧鼗魏澄、 滋庭环境，为7 获褥袋遥静寰建终物裴培环麟惫镣，溢室努籁配备台逶黪磺瀑帮降溢系统，籍圭遴 虚赛外的极端气候变化，尤冀怒寒冷的冬季彼晚和炎热的夏攀白天。因此漱窒鼹哲装增温和降瀛 系统瓣靛壤条镩、产菇质量露壤大瓣影确 8 1 。藩静我国温室产业申常用的翔瀑方式有烟遵翅滠、 熬风炉趣疆、蒸汽热滚、宅熟嚣燕激等掰。辫溢方忒有是然翅飙、强摩g 遘魏、遮粼、基嚣喷漤、 瀑帘降温、室蠢水膜降温、嚷辫降灏、超声波雾纯降温萼鬻；澄磺藏# “”1 。遮整方法普遍存在戆栽 高的问题，增加了逡行成本，腻这蝗加温、降温方式追根至底所使用的能源都照来自于化石燃料 媒嶷，煤炭罨不可舞生憨，舞曩攥淡燃烧可产生大餐c o , 、s 0 2 、n o x 等蠢客气体，污染秘壤”。1 。 嚣戴，寻求爱麴可靠、赢效、毽袋本懿涯室蓍l ；壤调控模式，援藏了我鬓设藏霸麓工程接拳瓤域邈 球的薪目标。 浅国由于大陆性拳风型气候最藕，许多地区冬攀严寒，凝晕醮热，气候零带性变化筹弊明最， 籍：嚣纬度萁媳撼塞瓣气嫉条赞惩劣。不零l 豹气较镦佟，搜羧强避塞在建设秘运撂过程孛罄滚存在 饕冬攀藻潼节熊瞧麓帮夏拳瀵最袋滠嚣建警= | j 霉_ 露。瓷辩9 1 麓诗，我国瑷技识恣拣温室冬零麓激 和爱攀降温的艟耗占全年运行成本的4 0 , - - 6 0 ，运行成本偏赢怒我酋现代豫连橼溢室所筒嗡的营 遍问艇，致使我国现代化连栋澡室大多处于亏损状态。近颦涞，凼于世界搬喇内不断爆发的s 渊 燕枫，鼗健瀑室产簸懿髓嚣藏零苓帮增热，经济靛蓝f 簿，漤弱了每露戆塞产豹蠹争力。为她， 辫谯发漠设旋轰渡懿毒鹫主嬲蘸濒蒋重磐囊节凌能添黪方疑转移# 罨。辍交耪褥终为一耱蠢效 的储能材料，猩表娥上的应用主要体现在滠蜜夫棚的环境调控上，本课题蘩点研究将相燮树葺s 应 用予漩室中，希撬邂过本课蹶研究为降低温室的髓耗和改蛰瀑黛环境提供参考和改进意见。 t 2 褶蜜穗栽技岽及瘫溺 1 2 1 相鼗馕髓技零 耪囊舞存在遥鬻认为毒气、滚、鞫兰泰，蘑谬糖变旗靛帮豢到翅穆袋巍身耪签翡交鼗裳鞲张 能鬟。如果物质的状态或组成靛黧变化，帮从一种状态燮劐薅种状态倭产生稠变，褶黛静谶程 魁个等温或避似簿温，并伴谢大艇能量吸收或释放的过稷，燕艇这特性构成了相变储能材料 其簿广泛疫耀黪莲谂基礁# 。 本篷荛3 每莰辨寒，蒋弱是受7 0 筚霞凝源煞瓿魏嚣璃，对撼变德熟( l a t e n tt h e r m a le n e r g y s t o r a g e ，l t e s ) 的基础理论和应用研究在发这国淼，如美阑、加拿大、融本、德国等迅速崛戴， 并褥剿不断蛉发展。其研究和斑嗣涉及材料科学、太阳能、王瑕热物理、缀调裂暖及工业废热利 罐簿鹱壤。爨避多箨靛磅究冬发鼹，稳变赣簸理埝邑斑褥了氍戈骢进步耧黢震，梅翔是残辕麓翱 交耱瓣静整糍每选极其索l 麓整瓣测定、耀强稳姆、螽髂雯长、稳变传熟、糕变骧裁设诗投裙交 储熊的若干应用等研究方面墩褥了根大的突破 l “。 稠变鼹能理论釉应用是生长予诸多学科交叉领域中的灏学举 方向，在新躲溺的利用及节熊技 零研巍等方嚣其宥潦远魏蠢义帮债簸。其孛笼戳涮爝德戆攘寒德襻熬麓凳主，热麓辖存靛方式主 簧蠢鼹热蓄热、潜煞 耱交蘩热秘纯学誉热三= 辩方式。冀审，照熬藿热技术笈粒交旱、舔为黢 2 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 熟。这种蓍热方式篱单，成本低，但在释拔簸量薅，其滠泼发生连续变化，不韪维持在一定豹滠 度f 释藏所蠢能量，无法达翻控钢温度静瑟豹，而且这类毒于料储琵密度低，扶丽稳应静装麓体积 庞人，成本较商。化学蓄热鼹利用可逆化学反应热来进行储能，这种方式的储能密度虽然较人， 但系统复杂，对系统及设备要求较高，目前仪在少数研究领域受到重视，离实际应用还较避。与 上述嚣秘方式穗魄，港热蓄热羹l 是裁用甥矮鑫曳物态鲍交纯寒储莓l 量，物葳在糖交过释中霹鞋 吸收或释放大 蠹豹潜热，储热密度高，雨篮储热、释热过程近似等温，可阻以此来控制俸系豹温 度，而且这种相变蓄热系统效率较高，其中的固一液相变蓄热更兼具成本低、易与运行系统相匹 配、易控制等优点，已成为目前的研究热点。 1 2 。2 相蜜镣麓技寒的爨鍪应孺 蓄热技术的历史源远流长，自占以来人们就利用天然冰冷藏食品和改蒋盛夏生活环境。相变 储能材料在缎多领域都可以艘用，如它可以用予话造保温耐阃比较长的保溉梅，注入相交储热材 料趋缓静可潋涮终绦温整戆磐瓣驻装、密密等。箨尧缓矮人类辘滚建掇静夺重要手段，辐变蓄 热技术主要有以下几个方面的应用 1 6 】： 1 太阳能热储存太阳能是巨大的能源擞库，具有清洁觅污染、能量密度高、取崩方面等的 优点，但受地理、晷夜和季节等规律性变化的影响，以及阴晴云薅等随机阏素的制约，筵辐射强 瘦龟不断发生嶷往，吴育显著豹闻断毪窝誉稳定性。为了缣持供熟或供电装置的稳定不阁凝遥幸亍， 就需要蓄热装溉把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续 和稳定供应的需要。 2 电力调蜂及瞧热余熟储存电力资嚣憋短缺是人类长期委话蛇阔题，健是电力资滚蛇浪费 却十分严重，龆我国葛潮装水幂j 枢纽工程，箕高峰与甄的发电输出功率之眈为2 2 0 万千鬣，8 0 万 千瓦，用低谷发不出的电能其能通过放水米解决。若能把邀部分能量回收，则可大大缓解能源紧 张状况。蓄热技术可以起到“消峰填谷”的作用，降低电厂+ 的初投资和燃料费用，提高机组的运 行效率和改蛰槐照的运行条l 睾，降低摊气浮凝，改善环境。 3 工韭燕熊储存蟊藏工娩热能储存采鳎蒋生式加热炉和废燕蓄能锅炉等蓉能装置。袋瑗蓄 热技术来回收烟气的余热以及部分废热，既节约了能源又减少了空气污染。对于造纸和制浆工业 以及食品、纺织行业中，在浆些上艺过程中，由于负荷经常发生波动，导致开关频繁启停。采用 菱熬装置可鞋鸯簸遗增栩系统蔫熬褰量，褒一定蔻围内潢慰波动受蔚静要薅乏，献纛降缳锈妒痿箨 的频率，降低簏量消耗。 4 在太空中的应用早猩2 0 世纪5 0 年代，由于航天事业的发展，人造凰星等航天器的研制中 场涉及到仪器、仪表或材料的恒温控制问题。因为人造卫星在运行中，时而处于太阳辐射之下， 辩嚣蠹手逑球瓣遮藏娃子黑蹬孛，在这嚣静辚凝下，久遭里攫表垂鹣温发稳差凡置i 痊。麓了僚涯 卫星内温度恒定在特定温度下( 通常为1 5 - 3 5 ( 2 之间) ，人们研制出了利用相交蓄热材料谯特定 温度r 的吸热岛放热来控制温度变化，使卫羼正常工作的戮疑。 l 。2 3 相变德缝技术在采暖窒调领域鹣疲用 近年来，随着我国经济和城市建设的快速发展，建筑采暖和空调普及举也在逐渐升离，但由 3 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 予我国建筑囊护结梭傈强性燕，再搬上空诫系统本身戆效率目题，使褥空调耗能量急嚣上舟， 瘸于暖遁空调躺能耗占建筑蒽麓耗静5 5 议上。虽然与发达凋家耜汔，我鞫的建筑总能耱占全蓬 总能耗的比例并不高，但我圜建筑节能和台理用能技术与发达国家相比差距还很大，单位建筑面 积耗能很高，耗能的迅速增长与能源结构的不合理使我国褫临严峻的环境压力。相变材料的优良 特性； 起了人佛匏广泛重巍，始鹰更好魄黪其痘臻于疆邋意潺领域己楚久镪医验的一个黧耍问 题。 1 2 3 ，1 相变储能地板采暖 相交储l 与电热地板袋疆技术楣结台瑶的穰变德笼邀热地板采暖系统霹对电力进行“穆蜂壤 器”，部分甚至全都的使用搜阔廉价低谷魄，不仅可敬降低采暖系统的投资与能耗，实黼节撬， 而且还可改善激内环境，所以说作为一种新烈的建筑节能拽术，它适合当前我国对环保、节能的 要求。相变储能技术与电采暖相结合应用，可有效发挥相变材料相变储能的优势，在低谷电价时 段，秘薅电缆翅热速叛下嚣的胡变嚣睾萼层使其发生褪变，嚷热融健、将电转往为热齄，在裴低 谷电价时段，发生相变凝固黢热，这鍪采疆的离的。近年来，清华天学静张寅平教授、中翻科技 大学的葛新石、叶宏等人在此方面做了大量的实验研究。 1 , 2 3 2 相变储能与供暖空调系统相结合的祭绽 秘用嚣顼遴风，无须安装遴风管道，省辩省力，结合橱变储能，穗璜邀风静使用效浆更好。 2 0 0 1 年，清华大学的康艳兵介绍了一个夜间通风蓄冷的相燮吊顶系统 ”。将相变储能换热器安装 在房间吊顶与上层楼板之间的空间内，夜间媳过风机引进室外冷风，对相变材料蓄冷，同时对室 内建筑匿护结麴霉冷：白天空气胰室内g l 遂耀交健l 抉热稳，经握变材辜萼冷却后送强室魔，达裂 室内降温效粜。相变储能换热器是系统静核心构件，可班翊各种形式的澍装单元，如掇式、管 式及球形堆积床形式等。同时将相变蓄热式地板采暖与地板送风相结合，可形成一种新的深暖空 调方式。 l 。2 3 3 橱蜜篱热毫暖嚣 电采暖具商采暖区无污染、调节灵活、使用方便等优点。它与相变蓄热相结合即可降低运行 费用又能缓解电网峰谷差，因此研发性能优良阿相变蓄热电暖器也是研究的一个热点。目前国内 终都在柱交饕热趣溪器方嚣帮震了大量雏簪 懿，幕l 普遥电暖撩相毙，朔变瞽热电暖器其畜俸辍小、 蓄热量大、歉热温度均匀、便于控制等特煮，具有广阉的裳展前景 i 8 】。 1 , 2 3 4 相变墙体 运年来对鞠交蕈热誊| 糕、楣变蓄热方式，摆变蓄热器的硖究缛到了冒雨外学者戆j 、泛关注。 两将相变材料每普遥静建筑耪耩裙臻台，形戒一种复合静榴变储能建筑檬辫藏屉子建筑潮护结构 中，已成为了目前建筑节能领域研究的一个热点。相变墙体是美国8 0 年代中期开始研究的一种建 筑围护结构，熄含有相变建筑材料的墙体，即在建筑材料中加入相变材料形成相变储能墙掇等基 本擒粹。稷燮壤体不霞能提巍房间的燕蟹遥| 耋，对空谒帮暖静囊黄进露穆峰壤谷，孬髓逐蔻降 低空调和采嫒设备静开窟频率，并能充分剩阁太阳能等清洁能源，真正实现节能静目的。 我国北方地区冬季阳光十分充足，但昼夜温差大，温塑内白天温度往往高丁作物所需温度， 4 中国农业大学铆j 士学位论文第。常绪论 晚闻黑l 相反，室内溢度往往又低于作物所髓瀑度。普通的漱室多采用放风盼办法来降低漱废和堪 度，这帮渡赞了能源又影嚷了二氧诧碳施耱的效果，不利予作物生长h ”。襁变材料可敬巍分的利 用白天多余朐太阳能来补充夜间热量的不足，使温室作物磷夜均处于适宜的温、湿度条件下生k ， 减少温室的温腋波动。同时栩变材料的温控系统和一般的温控系统相比除了温度稳定、储能密度 蠢、设餐髂获小等特点乡 ，述毒如下优点 硐：1 ) 装置筠攀，无霭成套戆篝鼹装置和设套；2 ) 使 用方便，管理朔维修简便；3 ) 节能效率显著，可充分利用太阳能和疲热( 冷) ；4 ) 著跳大规模 推广，价格将相当便宜。囡此相变材料在濑室中具有重要的应用价值和广阔的应用前景。 墙体作为濑室的围护结构之一，对温室内的热环境有糟童接的影响，通过墙壁的不稳定导热 是增强或削弱传热过程蕊主袋繇节。零用的建筑薅料熟客较，l 、，增热墙壁_ 攀度虽然可疆使室瘫气 温趋于平稳，但是这将大大漕加投资，籀变材料在熔化或凝潮过程中温度确定，而吸收域释放的 满热相当大，将相变材料与建筑材料相结台澎成的复合相变储能建筑材料，这种材料兼具酱通建 材与相变材料两者的优点，在一定温度范围内，其热容是蒋通建材无法比拟的，如c 3 c 1 2 6 h 2 0 瓣程交潜热菇1 8 0 j g 远远大予建筑混凝l o j g 静显燕。遴避选择接援交秘糕蕤熔点接浚俸耱瓣 适宜生长温度，相变墙体将其有一定的自舒控制气温的能力，对有增温、降温设备的溢室，可以 减小设备容蠼，降低能耗 2 1 “。 1 3 匡肉多 聚突进罴翻瑗凝 2 0 彤e 8 0 年代早期，在一个美国宇航局( n a s a ) 的研究项目中，一种基于相变材料( p h a s e c h a n g em a t e r i a l ，篱称p c m ) 成用的新技术诞生了，这一开发计划蛉目的是更好地保护字靛员秘 珍责设蚤，霞魏稍免受， 太空溢度急鬟交纯煞影响。蔽摇该颗臻懿经验，2 0 程纪9 晦代中期大稍 开始逐步探索相变材料在建筑行业应用的可行性问题。 1 3 1 相变赭能建筑材料的研究现状 y e 【辩l 戳萄蟥作为有机物穰交偿热材辩，并将石嫱与熔点较高的高密发猿乙烯在高于它们的熔 点下进行共混熔融，然后降温歪高密度聚z i 烯熔点之下，高密度聚乙烯先凝固并形成空间网状结 构，液态的石蜡则被束缚在其中，形成定形相变石蜡。该复合相变储热材料可用于房问的辐射采 暖，霹提裹穗阏静采暖舒逶凌。 丑 a d j i w a 搿j 等将无机物榴变储熟材料n a 2 s 2 0 3 疆珂0 吸附在多孔结构静承混内，构成承台无机 射水泥复合相嶷储热材料，井研究了复合相变储热材料储热性能和结构稳定性，其目的是开发出 高性能的相变储热墙板，用于建筑物的节能。 k e 潮等 较了普逶潺凝块移浸渡稳交耪瓣静漫藏块翡耱蒸性辘秘气渡速度霹敖热吸熬 的影响。 s a l y e r l l s i r c a r 嘲变材料和建材基体的结合方面提出了7 种方法，并提出可将相变材料制 成专为建筑供暖用的单元结构，加上板条系统可用于室内鬻热。 张寅- v t “。| 辩嚣蔻国酥上缀遂豹稳交瓣辩遴行了j 琏蘩鼹绩，理戆静建簸镶韪糖精簇游足辍。i - 条件：1 ) 相畿温度接近人体的舒适度2 0 一2 6 ；2 ) 具有足够大的相变潜热和热传导性：3 ) 相变 5 中国农业大学_ 颟士学位论文 第一章错论 舞舞詈甚皇舅曼量皇黛篁曼量曼曼舅皇冀捌量量皇曼曼皇舞嘲嘣篇| 曼皇曼螂ij , l l i i 篇懋曼鼍皇 黠膨藩或牧臻瞧要夺；4 ) 耦交的露逆性要好；5 ) 无毒瞧、无瓣睦性、无降簿、无异臻：6 ) 割 作豫精豢赣翳褥。强寅平还磷巍了无承乙酸铀帮廉素熬葵潺耪，萁稿变澈壤在2 8 3 1 。c 。 华南理工火学的肖敏印j 锌研究了石蜡捌犁乙烯一丁= 烯一荤乙烯三墩段拱聚物( s b s ) 组成 的复合相变材料在加入石墨尉热传导性能的提高能力。同济大学【哪_ ! i l 主要以1 e 业级的硬脂酸丁酯 为摆变转斟避露了建筑节藐混凝薅精弱研究。 王躞东等辫i 在文献孛奔绍了碾入麟静石膏板豹防火方法；1 ) 给石衡投如上替代黪黼燃表 面，如铝箔和铜性聚氯乙烯膦；2 ) 将石膏檄_ 嗳入p c m 后群吸入非水溶的液体阻燃剂，阻燃剂取 代了部分p c m ，另外一些则探霹在表面因褥给石膏板增加了自熄灭的特性；3 ) 用溴化厨的十 六燕窝a 演捧巍捂变毒| 鹊，瓣舞这些蠢馋蒜f f j p c m 会与石鬻叛中静氧优懿缝合，使产暴具奏曩 熄灭性能；4 ) 在石膏靛表弼渗上阻燃裁。 s a l y e r 年日s i r c a r 3 2 1 从石油摁炼中找到了懑合用于相变材料的低成本的线性烷烃，将其包含于 获混板中瓣决篡楣变时的膨胀和泄露问题。 k w l 砩蛰研究了不豳粪艇湛凝浃中多释p 艇静懿熬髓麓。 加拿大的c o n c o r d i a 大学泌硐建筑研究中心用4 9 酌丁纂硬脂酸盐鞠4 8 的丁基棕搁酸盐韵 混合物作相变材料，采用掺混法与灰泥砂浆混合，然后再按z 芑要求制备出相变墙板，并对相变 璇袄的熔点、凝固点、导热系数等方耍进彳亍7 寨验测试，褥出结论：通过此种方法制各瓣捆变壤 粳 耪痤瓣营瀵疆投懿贮热辘力溪盍叠l 罐。该申| o 运季 究了织誊瓤据变藉辩植入袁嚣孛裁备稷交 墒板的可能性，并研究了如何通过控制p c m 吸收量和熔化黻选到需要的贮热麓。 l e e 3 6 】等研究了将加热詹的混凝土块浸入融化的复合相糍材料( 硬脂酸丁酯和商品石蜡) 中， 吸收斡质量比确( 3 。9 一8 6 ) 。 k o n d o l y r l 簿鼹将袒变爨辩愿天交联聚己爝孛襞鼗瓮醚枣球。然秀再把这静p c m 枣辣龆戮其它 多孔材料，如石膏板中，从前得到具有储热能力的p c m 石膏板。 f e l d m a n p “”瞎人通过两种方法制作相变储能石膏板。第一种方法是将普通石膏板、搜泡在相 交越拳毒溶滚申；第二稚方法是谯靠终石膏掇鹃遘翟中，翅入枢变材辩，还避过差示招描餐热洼 ( d s c ) 分橱魄较于这嚣静方法。结果蠹：翦赣褥载熬残黝缀，萁巍甚帮乡 鼷食麴p e 醒羹曩；均匀， 屑者则分布均匀。k h u d h a i r 椰】等应用同样的技术，利用多孔的混凝士吸收了近6 0 的 n a 2 $ 2 0 3 5 h 2 0 ，设法填满了大澎数孔隙和毫鲫镣空间，同时襁热循环过程中改善了它的结构稳定 性。 1 3 2 褶变埔税在建筑及瀛室中的应期谶屣 冒东奎遇过实验检验鸯相变材料的蹙板的潜热蓄热性能。实验的耀个房阍建筑绻构樱 燕，麦枣稿两，豫墙疆嚣，室海露襄巍2 。2 7 m z ，蔫度舞2 4 5 m 。其中一阕赛翁天蕊薮帮臻袋安装 滠渍褶变材料的石膏板，翌阎房的天花教酾墙壁安装酱斌错膏板。石膏板魏厚度均为1 2 5 m m 。 栩变材料是5 0 硬脂酸丁酯和4 8 软脂酸丁醐的混合物，其棚变点是2 1 0 。编果表明，p c m 蹙板 的蓄热能力使熬娆蟮在采暖或者空调设备关闭之后相当长的一段时间内，将腾间温度保持程人体 感璺鹃帮适濑震范疆，还霹茨程较燕鳐怼簿内糗速喜存窝释教丈量戆燕量，壤体秘嚣示意露冕整 1 i 。 6 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 叶宏等”2 1 模拟了带定形p c m 的相变储能式地板采暖系统的热性能。定形p c m 以石蜡为相变主 体，商密度聚乙烯作为载体。模拟得出了定形 p c m 的上下表面温度在绝大部分时间内均在 相变温度3 2 附近，热传输效率高；室内空气 温度维持在2 1 到2 5 之间，温度波动很小， 具有良好的热舒适性，可以在夜间利用廉价的 电能进行储热，以提供全天的采暖。 林坤平和张寅平 4 建立了相变蓄热电加 热地板系统热性能的理想模型。假设所用相变 材料的相变温度为3 0 。c ，在晚上2 3 ：0 0 至u 7 ：0 0 蓄存电热，地板覆盖层厚2 5 m m 。模拟了该系 统在北京、上海、大连和哈尔滨等四个地区的使 用效果。结果表明除哈尔滨室外气温太低外，其 他地区在使用相变材料蓄热的电加热地板方式 时，冬季室内温度可以保持在1 6 2 5 之间，基 本上能够满足人的热舒适要求，有着较好的应用 前景。 陈其针和李国建m 4 5 】通过相变储能电热地 板采暖房间的实测对比分析，得出采用相变电热 地板辐射采暖的房间室内温度分布均匀、梯度 小，热气流由下而上，人的脚部暖和、头部温和， 提高了热舒适性。系统在夜电模式下，移峰填谷 效率在5 3 一6 7 之间，通过地板送风，室内平 前面 后 剖面圈例 lj 玻璃纤维 星三= ；_ 胶合板 阉石膏板 热电偶 图卜1实验用墙壁剖面示意囤 ( 单位：) 图卜2 地板各层铺设示意图( 单位：m ) 均温度可提高近1 ，移峰填谷效率最高可提高到8 8 左右( 见图1 2 ) 。 杨景丽 4 6 1 对利用定形相变墙板的电热膜采暖房间进行了数值模拟，并采用动态年计算费e i j 法 对结合相变墙板的电热膜采暖方式进行了技术经济分析。 吕石磊 4 7 1 通过对相变墙与普通墙房间的实测对比分析，发现室内峰值温度比普通墙房间低1 一2 ，室内温度的2 4 + 时平均值也小于普通墙房间。证明相变墙体不但可以蓄存室内的热量， 起到保温作用，而且可以减小室内温度波动、提高舒适性。 r u d d l 4 8 1 用d s c 测试了脂肪酸一灰泥板相变墙板样品的热物性，为了评价实际尺寸p c m 墙体的 性能，建立了两个结构相同，尺寸均为3 5 3 5 x 2 4 m 的实验房间。两实验房间采用普通墙壁隔开。 相变材料为椰子脂肪酸，重量占墙体总重量的2 5 。实验结果表明，p c m ：瞌体的热容量是普通墙 体的2 1 倍。 f a r i d 彝l k o n 9 1 4 9 1 比较了含相变材料地板和普通地板的热性能，开发了一个简单的一维数学模 型模拟地板供暖系统用来优化系统的设计。实验用地板的尺寸为0 5 x 0 5 x o 0 9 5 m ，相变材料是 c a a 2 6 h 2 0 ，且用胶囊封装，胶囊的直径是7 5 r a m ，胶囊以5 x 4 的矩形排列在混凝土层中，在上面 再覆盖一层2 0 m m 厚的混凝土。两块地板使用恒温热水加热8 , b 时，在剩下的1 6 d 时停止加热，让 相变材料放热，连续三天重复进行同样的实验。实验表明，在停止加热后，和普通地板相比，含 7 中国农业大学硕：! ：i ：学位论文第一章绪论 相变材料的她教魏表垂滠度波动较小，热舒遗性较努。 德国b a s f 公司褥石蜡封装在微胶囊，研制出石瓣砂浆粥，并已将迭辩移浆用于两翔房的内 墙表面上，作为室内的冬季保温和夏季制冷的材料，减少糍内温度波动，使室内保持良好的热舒 适，减少空调系统的设备容餐，转移用电负荷。砂浆内含1 0 2 5 的石蜡微胶囊，也就是说，每 平方米斡琏嚣壤禽寿0 。7 5 1 + 5 k g 翡石蜡徽黢囊。每0 0 2 m 厚熬藏静骖浆瓣蓄热能力握警于o 2 m 厚蕊 砖木结构。 s c o v a l l 研究了将十八烷石蜡浸入到墙板中，且发现宣接浸入相变材料比在制作墙板过程中 加入石蜡填充的小球更能有效地存储能量。p e 砸p o p 4 研究了包含不同量p c m 的不同类型的墙体结 构躲热力学嚣洚。 a t h i e n i t i s 删等则设计了一个用含p c m 石膏板傲内封豹室外全尺寸测试房，石膏掇包含了 2 5 f w t ) 的硬脂酸丁脂，得到了石膏板温度嶷他的非一维线性数值模拟，结果显示应用相变石膏 板可以在白天降低室内最高潲度4 。 美国l o sa t a r n o s 国家实验室( l a n l ) 瓣诗箕结果表嘲，镬瘸朝交壤珂毅经建蓑匏逐酎受芬 均匀化，减少窀调设备的初投资和运行费用即i 。 s a l v e r i 卅在文献中介绍了吸入3 0 ( w t ) 的商品级十八烷石蜡的墙板，对太阳辐射，环境温 度及测试单元的内部温度进行了连续1 4 天的监测。结果显永含有p c m 制作的铆4 试单元要比普通 蓼鼙试蕈元在猿天鲍最毒基庭低l o 。 温室的核心是控制适宜的温、湿度环境，在这方面相变材料大有用武之地。胡天其【8 】介绍了 一个聚乙烯覆黼的实验温室，使用了3 2 k gc a c l 2 6 1 1 2 0 ( 熔点2 5 ( 2 ) 与醋酸( 熔点1 c c ) 混合物。 避两种材料缝合建立的储热系绞，白天可以调节温室内的墩商和最低气温极值，冬天，宣内气温 霹耗来增溢豹溅室赛2 3 c 。霸本专利摄遂翅n a , 2 s 0 4 1 0 h z o 、n a 2 c 0 3 ，1 0 h 2 0 、c h 3 c o o n a 3 h 2 0 做相变材料，用硼砂做过冷抑制剂，用交联聚丙烯酸钠做分相防止剂，制成在2 0 c 相变f 勺鬻热材 料，可用于豳靛温室的保温p “。 1 4 研究内容和特色 1 4 1 研究内容 耦变馕糍穑粳耱实验与疆论磷究都照奁貘索蹬段，遂没鸯形或固定的鼙 究方法与模式。尤其 在实验方面，震验条件、测试方法及相变材料的选取等都各不相同，针对备地区不同的气候条件 以及不同需求方式的最佳相亵材料还没有找到，所有研究都是处在实验、预测阶段，真正意义上 的檑变储能墙体还没有得到嶷际应用，所以本论文着重从以下方面开展研糍： 1 ) 籀交耪瓣酶选择及分辑。逶谴蠢涟大量的文菰饔瓷辩，对耜交稼能材辩进露熬娄、分 析，优选合邋的试验用相变树料； ( 2 ) 研制相变储能墙板。在比较分析几种常用相变墙械制作方法的赫础上，根据现有实验 条件，确定实验用楣变墙板； ( 3 ) 对糖变墙添室在不弼季节的效栗浚彳亍实瓣分辑。用潺度传懑器对酱速温室帮鞠交温室 的逐时温度变化进行检测，记录温室内外、相变墙板内外袭面的温度等参数的变化规律； 8 中国农业大学硕上学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 分析相变温室的传热机理，并对相变墙温室进行经济性分析。 1 4 2 研究特色 相变材料在温室中的应用在国内的研究还比较少。近年来随着能源危机的出现，煤、石油等 能源价格持续上涨，又再次引起了国内外学者的重视。本课题在前人研究的基础上，对前人未曾 涉及的领域进行了研究，本研究的主要特点如下： ( 1 ) 在温室领域，相变材料不仅可以用于地下储热袋，同时也可以封装在换热器内，另外 也可以充入管道置于地下，或者放在双层屋顶盖层内，本课题提出将相变材料镶嵌于温室后墙内 侧形成相变墙板； ( 2 ) 将石蜡类和脂酸类材料作为相变材料应用于温室后墙中，目前作为温室用的相变材料 还缺乏系统性的研究。 综上所述，本课题提出了将相变储能墙板应用于温室墙体中，希望通过本课题的研究为降低 我国温室产业能耗和改善温室环境提供参考和改进意见，为现代化节能型温室工程设计提供参考 数据。 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章应用于相变墙的相变材料研究 第二章应用于相变墙的相变材料研究 相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力，当外界环境温度升高或降低时，它 们相应地改变物理状态，从而可以实现储存或释放能量。相态变化时所吸收或放出的能量称为相 变热，也叫做相变潜热，相对于物质温度变化时的吸放热量( 显热) 来讲，相变热要大得多。 以冰一水相变的过程为例，对相变材料在相变时所吸收的潜热以及普通加热条件下所吸收的 热量做比较；当冰溶解时，吸收3 3 5 j g 的潜热，当水进一步加热，温度每升高i * c ，它只吸收大 约4 j g 的能量。因此，由冰到水的相变过程中所吸收的潜热几乎比相变温度范围外加热过程的热 吸收高8 0 多倍p 。 利用相变材料的相变潜热实现能量的储存和利用，有助于提高能效和开发可再生能源，是近 年来能源科学和材料科学领域中一个前沿研究方向。相变储能技术可用来解决能量供给和需求上 失配的矛盾，在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及采暖和空调等领 域具有广阔的应用前景。相变贮能材料的优越性吸引着人们对其进行了大量研究p “5 7 1 。 2 1 相变材料的分类 相变材料根据其相变形式、相变过程可以分为固一固相变、固一液相变、吲一气相变、液一 气相变材料；按照其化学成分可分为无机物和有机物相变材料；按照相变温度范围又大致可分为 高温、常温、低温相变材料。高温相变材料在2 0 0 c 1 0 0 0 ( 2 范围，主要是一些无机盐类，适用于 一些特殊的高温环境。常低温相变材料在2 0 一2 0 0 c 范围，主要是一些无机盐水台物、有机物、 高分子，此温度范围内的相变材料是常用的储能材料，是近年来国内外学者开发研究十分活跃的 领域。本文主要介绍常低温范围内圃一固、固一液相变材料的种类 5 8 - 6 6 。相变材料的分类如卜图 2 1 所示： 相变材料 r 多元醇类( 有机) 固一固类无机盐类 l 高分子类 r 结晶水台盐类 r 无机类 1 熔融盐类 同一液类j 。金属( 包括台金) lf 石蜡类 。有机类 1酯酸类 固一气类 、其他有机物 液一气类 图2 - 1 相变材料的分类 1 0 中国农业大学硕上学位论文第二章应用于相变墙的相变材料研究 2 1 1 固一固相变材料 固一固相变材料在发生相变前后因固体的晶格结构改变而放热或吸热。因此，这种相变材料 在相变过程中无液相产生，相变前后体积变化小，无毒、无腐蚀，对容器的材料和制作技术要求 不高，其热效率较高，且过冷度小，使用寿命长，是一类很有应用前景的蓄热材料。固一固相变 储能材料主要有三类：多元醇类、无机盐类及高分子类。 2 1 1 1 多元醇类 多元醇主要有季戊四醇、新戊二醇、三羟甲基氨基甲烷、三羟甲基乙烷、三甲醇丙烷等。低 温时，它们具有对称的层状体心结构，同一层中的分子以范德华力连接，层与层之间的连接以羟 基形成的氢键连接。当达到固一固相变温度时，将变为低对称的备向同心的面心结构，同时氢键 断裂，分子开始无序运动放出氢键能。多元醇类相变温度较高，很大程度上限制了其使