复合相变蓄热墙体材料应用于日光温室的效果研究.pdf
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1、设施工程 北方 园艺 2 O L O(1 5):6 1 1 复合相变蓄热墙体材料应用于 日光温室的效果研究 薛 亚 宁,陈 超,李 清 清,李 琢,周 玮(北京T业大学 建工学院,北京 1 0 0 1 2 4)摘要:日光温 室墙体作 为集蓄热保 温隔热 于一体的墙 体 围护结构,对温室热环境 的影响至 关重要。现将课题组 曾研 制的复合相 变蓄热墙 体材料涂抹 于 日光温室后墙 内表 面,利 用相 变材 料能够在较小的温度 区间下蓄存 和释放 大量相 变潜热 的特 点,研 究 日光温 室相 变蓄热墙体 的蓄 热能力。结果表 明:涂抹 相 变蓄 热材料 后,在 不 用加 大砖 墙厚 度 的情 况
2、 下 可获得 较 大 的蓄 热 能 力。关键词:日光温室;复合相变蓄热墙体材料;蓄热能力 中图分类号:S 6 2 5 2 文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-0 0 0 9(2 0 1 0)1 5-0 0 0 6-0 6 日光温室构建方式简单,主要 由后墙、东西 山墙、后 坡和前坡 四部分组成(图 1)。作为 日光 温室的重要蓄热 体后墙体和土壤,白天,接受太阳光直接照射后,一部分 热量以对流换热 的方式传 递给室 内空气,使空气温度提 高;另一部分热量则以导热 的方式 向墙 体或土壤 内部传 递,其中一部 分被蓄存 于墙体 和土壤 内。夜 间,随着 室 外空气温度 的持续 降低,蓄存在墙
3、体和 土壤 中的热量 以 对流和长波辐射 的方式,一 方面传递到温室 内维持 温室 内热环境,同时向室外散热导致热损失。图 1 日光 温室 外观 图 Ng 1 Gr e e n h o u s e a p p e a r a n c e 根据建筑 围护结构(墙体)传热过程,通常可用 热阻 尺、蓄热系数 S和热惰性指标 D等指标评 价建筑 围护结 第一作者简介:薛亚宁(1 9 8 4 一),男,在读硕士,现 主要从事相变蓄 热技 术研 究 工作。通讯作者:陈超(1 9 5 8-),女,工学博士,教授,现主要从事建筑节能 方面的教学与科研工作。E-m a i l:c h e n c h a o b
4、u t e d u C n。基金项 目:国家自然科学基金资助项 目(3 1 0 2 0 0 6)。收稿日期:2 0 1 O O 6 2 5 6 构 的热特性l】。其中,热阻 R表示热 量从墙体材料层 的 一侧空间传至另一侧空间所受到的总阻抗,R值越大说 明墙体材料层的保温(隔热)性能越好;蓄热系数 s表征 墙体材料层对热流波动作用 反应的敏感程度,反映墙体 材料层对 温度 波动 的抵 抗 能力,同样 热流 波作 用条 件 下,该值越大说 明墙 体材料 层表 面温度波 的波动 越小、热稳定性越好;热惰性指标 D表示背波面上温度波衰减 程度的一个主要指标,该值越 大说 明材料层抵抗周期性 温度波动
5、的能力 以及 蓄热 的能力越强。温室 的墙体(后 墙、东墙、西墙)其 热工作 用主 要体 现在二方面:一是作为蓄热材料蓄存投射 在其上的太 阳 热能,二是作为保温材料阻挡 流向温室外的热损失。对 于温室常采用的红砖墙体来说,根据建筑 围护结构热工 计算方法l_】以及表 1 可知,其导热系数较大,因而显热蓄 热能力 有限。因此,为 了提 高砖 墙 蓄存 太 阳热 能 的能 力、同时减少 向外 热损失,通 常采用加 大砖墙 厚度 的方 法,提高墙体蓄热作用,但其带来的负面影响是红砖用 量大且土地利用率低。为此,现根据 日光温室 的构筑特 点,将该课题组 曾研制的复合相变蓄能墙体材料涂抹 于 日光温
6、室墙体 内表面,利用相 变材料能够在较小 的温度 区间 内蓄存 和释放大量相 变潜热 的特点,以远小于砖墙 的厚度获得较大的蓄热能力l_ 2 。在节约资源的前提下,达到高效利用太阳能的 目的。1 相变蓄热墙体材料及其热工性能 1 1 相变蓄热墙体材料 相变材料属 于功 能材料,是相变 蓄热,与砖墙 的显 热蓄热比较,具有在较小相变温度区间内可吸收和释放 大量热量 的特点。该课题 组研制 的定形相 变材料具 有 较高的相变潜热量(图 2 a),相变温度区间(8 2 8),q 一 1 3 8 8 4 M mg,且 7 0 以上 的相变潜热量集 中在较小 的 北 方 园 艺 2 0 1 0(1 5)
7、:6 1 1 设施 工程 相变温度区间内(1 7 2 4 oc)(图 2 b);并且该定 形材料无 需任何 外封装、物 化性能 稳定,无 任何 过冷 和 相分 离现 象;发生相变 时,材料 内部虽为 固一液相变,但 材料表 观 却为 固一固相变,材料外形保持 原状不变,蓄、放热效率 高。将该定形 相变 材料与 普通 水泥砂 浆直 接混合 即可 形成相变 蓄热墙体砂浆材料(图 3 a),涂抹在 温室砖墙 内 表面(图 3 b),涂层 厚度 4 0 I T I I T I,以提 高温 室墙 体(后 墙 等)的太 阳能蓄热能力。(a)D S C测试曲线(b)不同温度下的相变潜热率(a)DS C t
8、e s t in g c u r v e (b)L a t e n t h e a t r a t e o f d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s 图 2 课 题 组研 制定 形相 变 材料 主要 热 工性 能 F i g 2 M a i n t h e r ma l p e r f o r ma n c e o f p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s 注:相变蓄热率为对应 D S C曲线相变区间内单位温度相变潜热量占总相变潜热量的百分数。(a)相变蓄热墙体砂浆材料(a)Mo r t a r o f PC
9、M wa l l 圈 3 相变 蓄 热墙 体材 料及 施 工 F i g 3 Ph a s e c h a n g e t h e r ma l s t o r a g e wa l l ma t e ria l 1 2 热工性能 关于建筑 围护结构 热特 性 的 3个 主要 评价指 标 热 阻 R、蓄热系数 S和热惰性指标 D,对于多层墙 体材料层(假设有”层),其计算表达式如式(1)(3)。R 一R+R:+R 一 (1),s=(2),DD1+D2+十D 一P i S i (3)。式 中,各变量说 明见表 1。由式(1)可见,墙体材料层的厚度 6 越厚,导热系数 入 越小,其 热阻 R 越大
10、;式(2)是墙 体材 料层 周期 为 1 d (2 4 h)的蓄热 系数 S,其值 的大小 取决 于材料 的导 热 系 数及材料的体积热容量(即比热与密度的乘积),同时也 因热流波动的周期而异。对 于多层墙 体材料层,墙 体 的 蓄热系数 s由各层材料 的蓄热系数加权求得。同理,热(b)相变蓄热墙体砂浆材料抹墙(b)S me a r la y e r o f Pc:M wa l l 惰性指标 D也为各层材料的热惰性指标之和式(3)。表 1 为普通红砖 墙体 与该课 题组 研制 的相变 蓄热 墙体热工性 能比较结 果。由表 1 可知,对 于厚度 同为 1 0 mm 的 2 种墙 体 材料,作 为
11、保温 性能,相 变蓄热 墙体 材料优 于红砖墙,其导热系数 约 为砖墙 的 1 2,其热阻 R是普 通砖墙 的 2 5 倍;作 为蓄热性能,相变蓄热墙体材 料对应 2 3 的等 价 比热 C 远 大于砖 墙,约 为后 者 的 1 4 倍,因此反映材料蓄热能力 的热惰性指标值 D 也大于砖 墙,约为后者的 3 5 倍。2 相变墙体材料在 日光温室中应用试验 显然,如果将一定 厚度的相 变蓄热墙体材料涂 抹于 日光温室砖墙 内表面,无疑 将会对温 室后 墙太 阳能贮存 能力 的提高 产生 积极作 用。为 了进一步 确认 所研制 相 变蓄热墙 体材 料 的 蓄能作 用,该 研究 于 2 0 1 0年
12、 2月 1 日3 月 3 1日,在北京地 区某一种植番茄 的 日光温室内 进行 了该项研究。7 设施工程 北 方 园 艺 2 0 1 0(1 5):6 1 1 2 1 试验对象 该 温 室 坐北 朝 南,建 筑几 何 尺 寸 为长 宽 高=8 8 mX 9 reX3 6 m,红砖后墙厚约 1 0 0 0 r r u n,东、西红砖 墙 厚度约为 2 4 0 r r l r r l;前 坡面 覆盖 塑料 薄膜厚 度约 0 1 0 1 2 n l r n;夜 间 保 温 覆 盖 材 料 为 草 苫 子,厚 度 约 为 5 O m m。为了比较相变蓄热墙体材料作为蓄热体的热工 性能,在该温室 内约
13、2 0 m 长 的后墙 上涂抹 了4 0 mm 厚 的相变蓄热墙体材料,并在该 区域 的两侧悬挂 了塑料薄 膜,以减 少 该 区域 空气 与普 通 红 砖 墙 区域 的 热 交 换(图 4 a)。该试验条件对两侧的空气温度虽有一定影响,但对该研究讨论的墙体温度影 响有限,壁面温度主要受 太阳辐射的影响。2。2 测点布置与数据采集 为 了比较不同室外气象参数条件下,相 变蓄热墙体 与普通墙体作为蓄热体的热工性能,分别在二者的墙体 表面或 内部设置了温度测点(图 4 b c),进行实时监测;同时,利用气象站对试验期 间几个重要 的室外气象参数 进行 了实时监测。室外气象参数:室外气象参数包括太 阳
14、辐照度、空气温度及风速等参数 利用 辽宁锦州三二二 研究所研 制生产 的小型 室外气象 站进行实 时监测。其 中,太阳直射辐照度和总辐射采用 T B S-2 2型太阳直射 辐射仪 和 T B Q-2型 太 阳总 辐 射 仪 进 行 测 量,并 配合 R HL()G系列 自记仪实现对太 阳辐射的即时跟踪和 自动 记 录。墙体材料层温度:在红砖墙 表面 以及相变蓄热墙 体材料层 分别 布 置 了铜一 康铜 T 型热 电偶,结 合 HP 3 4 9 7 0 A型 自动巡 检议,并 通过 H P B e n c h l i n k D a t a L o g-g e r 软件 与 计 算 机连 接,对
15、 各 测 点 温度 每 5 mi n记 录 1次。一 (a)悬挂的塑料薄膜(a)Su s p e n d e d p l a s t i c f i lm(b)普通红砖墙(b)Or d i n a r y b r i c k wa l l 图 4 后墙温度测点布置示意圈 F i g 4 T e mp e r a t u r e me a s u r in g p o i n t s o f n o r t h wa l l 3 结果与分析 3 1 实测期 间室外气象特点 北京地 区冬季太 阳资源非常丰富,具有较高 的利用 价值,图 5为典型气象年和近 2 a 北京地区冬季 5 5。倾 角 朝南
16、斜面不同太阳日辐射等级天数分布图。其中,典型 气象年数据源 自美 国能源局建筑能耗分析模拟软件 E n e r g y p l u s 提供的根据(E+典型气象年);近 2 a 的数据 源 自课题组的实测数据。“E+典型气象年”数据 基本反 映了北京地区冬季太阳辐照度的特点:太阳日辐射总量 超过 2 0 MJ (m2 d a y)的晴好天气的天数 占 4 O 左右,8 (c)涂抹式相变墙体(c)P CM wa l l O I 2 O l 5 O I 2 0 l 0 O I 1 5 5 0 I(1 0 0 I 5 全天辐射等级 E r a d i a t e g r a d i n g o f
17、a l l d a y m J 1Ir 2 d 一 圈 5 北京地区冬季 5 5。倾角朝南斜面不同 太阳 日辐射等级天数分布 F i g 5 Di s t r i b u t i o n o f d a y s o f d i f f e r e n t r a dia t i o n le v e l s i n 5 5。a n g lei nB d j i n g 季 如 坫 m 5 O 。警苫。J a 翌套 北 方 园 艺 2 o l o(1 5):6 u 设施 工程 1 5 2 o MJ (d a y)的 较好 晴天(有 云)的天 数 约 占 2 O ,1 0 1 5 MJ (m z
18、d a y)的多云 天数也约 占 2 o ,余 下 的 2 0 即为 无太 阳能 利用 价值 阴、雨、雪天;2 0 0 8年 1 2 月 5日至 2 0 0 9年 3月 5日与典 型气象 年基 本接 近;但 2 0 0 9 年 1 1 月 1 5日至 2 0 1 0年 1月 2 8日较典 型气 象 年寒冷,雨雪 天比较多,属于寒冬。图 6 为试验期 间北 京地 区冬 季太 阳辐 射照度 和 室 外空气 温度随时问变化情况。由图 6 a 可 见,2月份雨雪 三 甚 a 嚣 l一 赠(a)2 0 1 0年 2月 天 比较 多,大约 占 2 O ,平均温度 约为 2 2 C;加 之受雨 雪天的影响,
19、不能 在正 常时 间开(关)棚,导致 部分 试验 数据受 到影 响。为了便于 比较,该研 究重点 选取 了 2月 3 6日和 2 月 2 0 2 3 El作为 2 月份 的典型分析 E t 进行 比较分 析。由图 6 b 可知,3 月份虽然雨雪天气较 2 月份 减少 了,室外空气温度 也开始上升,但是 阴天较 多,晴好 天气仅 占 3 O ,课题 组选 取 3月 l 1 1 5日作为 3月份 的典型分析 日。三 曹 暑 _一 。j 。j 骂。骂 2:01 o0?2 2 30:0l 3 30:20 20 2:20 60 30:20 08 (b)2 0 1 0年 3月 图 6 太 阳辐照度与室外空
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