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日光温室复合相变保温材料的研究

周莹  
【摘要】:日光温室作为我国特有的一种农业设施类型,以其内部优良的环境条件能较好的满足冬季作物生长而著称。日光温室内供作物生长的热环境主要取决于日光温室墙体的保温蓄热能力,选择具有较强保温蓄热能力的墙体材料及设计合理的墙体结构从而提高日光温室内的环境条件,一直是我国设施农业工作者的重要任务。相变蓄热储能材料(PCM)是一种新型的节能环保材料,其在发生相状态转变的过程中,可吸收环境中大量的热,并在环境需要时将热量释放出来,从而有效控制环境温度。将相变储能材料应用于日光温室墙体中,通过改变其自身相态进行吸收或释放热量(白天蓄热,夜晚放热),可显著提高温室墙体的蓄放热能力,为温室作物的越冬生产提供良好的热环境条件,从而提高温室的生产效益。基于此,本文从常见相变储能材料入手,选择适用于日光温室生产的相变材料,将其与建筑材料复合制得相变储能建筑材料用于日光温室墙体的内保温,从而达到较好的保温、蓄放热效果,改善日光温室内光、热环境,提高温室内作物生长效率和温室生产效益,为相变蓄能技术应用于日光温室提供理论支撑。本研究得到山西省科技攻关项目、山西省煤基重点科技攻关项目、菏泽学院科学研究基金项目的资助,主要研究内容和结论包括:(1)选择性能满足日光温室生产要求的相变石蜡作为相变储能材料、保温隔热材料多孔膨胀珍珠岩作为其载体材料,采用真空吸附法并经石膏粉裹覆制备了复合定形相变材料。研究发现,石蜡与膨胀珍珠岩质量比为60:40制备得到的石蜡/膨胀珍珠岩复合定形相变材料的热稳定性、耐久性较好,测定此质量比下的复合定形相变颗粒的相变温度为25.3 ℃,相变潜热为122.3 kJ/kg,符合日光温室的生产要求。(2)以石蜡/膨胀珍珠岩复合定形相变材料为原料,选择建筑脱硫石膏为胶凝材料,并引入外加剂研究制备石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆的理想配比。研究表明,各种材料的理想配比为:石蜡/膨胀珍珠岩复合相变材料与脱硫石膏的质量比为1:3,可再分散乳胶粉、缓凝剂柠檬酸、保水剂羟丙基甲基纤维素醚、聚丙烯纤维的掺入量分别为石膏质量的2%、0.15%、0.5%、0.5%。(3)按理想配比制备石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆,测定其各项性能参数。测定结果表明,复合相变储能保温砂浆的干密度为363 kg/m3,抗压强度为0.73 MPa,软化系数为0.65,导热系数为0.076W/(m·K),比热容为1.35×103J/(kg·℃),蓄热系数为1.65W/(m2·K),相变温度为25.6℃,相变潜热为89.8kJ/kg,复合相变保温砂浆满足国家标准中的性能指标要求,且具有合适的相变温度、较高的相变潜热。(4)利用ANSYS有限元分析软件,数值模拟研究了石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变保温砂浆用于砌体墙日光温室中的保温性能和相变蓄放热性能。模拟结果表明,490 mm砖墙+50 mm复合相变保温砂装组成的复合相变保温墙体和240 mm混凝土砌块墙+30 mm复合相变保温砂浆组成的复合相变保温墙体,具有良好的保温、蓄放热性能,相比之下,砖墙复合相变保温墙体比混凝土砌块墙复合相变保温墙体的蓄放热能力更强,但材料价格前者高于后者,综合考虑两种不同结构复合相变保温墙体的性价比,砖墙复合相变保温墙体更适用于冬季室外温度较低的地区,而混凝土砌块墙复合相变保温墙体更适用于冬季室外温度适中的地区,可通过适当增加相变保温砂浆层厚度或混凝土砌块墙厚度的方法来提高复合相变保温墙体的蓄放热能力。(5)将白色石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆作为后墙内保温砂浆应用于砖墙日光温室,与原对照温室进行对比试验研究了其保温、蓄放热效果。试验结果表明,冬季生产中,相变温室的室内日最低温度比对照温室的室内日最低温度平均高1.5 ℃;典型天气日,相变温室的平均室内温度比对照温室高,但白天相变温室的室内温度均低于对照温室的室内温度,相变温室的室内最大温差也均比对照温室的室内最大温差小,复合相变储能保温砂浆的保温、蓄/放热效果明显,有效的改善了白天日光温室内的高温环境,同时降低了温室内的温度波动,起到了“削峰填谷”的作用;典型天气日,相变温室靠近北墙处的平均光照强度均比对照温室高,石膏基白色墙体具有光的漫反射作用,有效改善了温室内光照环境;两温室内种植同龄期的黄瓜,相变温室内黄瓜植株的株高、茎粗及黄瓜的单果质量、结果总数、总产量等指标均高于对照温室,相变温室内光照环境和温度环境的提高有利于黄瓜的生长。夏季典型天气日,相变温室的室内温度均比对照温室的室内温度低,且高温持续时间比对照温室的短,可见复合相变砂浆的相变吸热作用可明显降低室内温度,同时使作物经受高温的时间大大缩短,可从一定程度上降低高温伤害的发生几率。本文研究得到的石膏基石蜡/膨胀珍珠岩复合相变储能保温砂浆具有较强的推广应用价值和实用性,可为相变储能材料应用于日光温室建筑提供理论依据和参考。


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