相变蓄热技术在农业用被动式太阳能温室中的应用研究

我国有着世界第一的设施农业种植面积，但产量却仅为世界先进水平的1/3。其重要原因之一，我国设施农业的科技含量和技术水平都比较低；在温室新材料以及温室结构节能优化设计等方面的相关基础研究非常薄弱、且缺乏系统性。本研究将以我国太阳能资源丰富、且利用价值较高的北方农村地区的普通被动式太阳能温室为重点研究对象，将本项目组研制的新型相变蓄热墙体材料与普通建筑用水泥砂浆材料混合直接涂抹于温室砖墙内表面，构筑相变复合墙体及其被动式太阳能- - 相变蓄热温室体系。通过提高温室墙体主要是北墙内表面的吸热与蓄热性能的方法，提高温室太阳热能的利用率，以减少夜间对辅助能源的依赖。. 本项目通过对温室内相变复合墙体相变传热过程的分析，以及土壤热、湿迁移机理的研究，建立太阳辐射热作用下温室建筑热过程的耦合流动与相变传热模型，根据数值模拟与实验研究结果，为农业用被动式太阳能温室结构节能优化设计提供方法参考。

日光温室墙体的太阳能集热、蓄热与保温性能直接影响作物的生长发育状况以及作物的品质和产量。以往的研究大多是关注墙体的保温性能、而忽略了墙体的蓄热性能提高，致使冬季日光温室低温高湿的问题始终得不到较好的解决。本项目试图通过日光温室被动式相变蓄热墙体构筑方式的科学研究，达到改善日光温室作物生长热环境、显著提高作物品质和产量的目的。为此，本项目依据农业气象学、建筑热物理、相变贮能、计算传热学等理论，基于所研制的相变蓄热墙体材料（以下简称GH-20），开展了关于日光温室墙体建筑热过程的理论与试验研究，所形成的重点研究结果概要如下：.1）根据建筑材料各自不同的热阻、热容、密度等热物性，首次提出了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的构筑理念，即，将比热容大、潜热蓄热性能高的GH-20墙体材料放置在墙体层的内侧，墙体中间层放置具有承重并兼有显热蓄热性能的重质材料，墙体外层放置导热系数小、热阻大的高保温性能的轻质材料。.2）基于GH-20墙体材料在热传输过程的传热与蓄热机理，提出了将比热容大、导热系数较小的相变材料与导热系数较大且密度大的水泥砂浆直接混合后预制成板状的GH-20墙体材料成型工艺。试验结果显示：同样蓄（放）热条件下，较插层式成型工艺，直混试件的总热阻减小了24%；蓄（放）热时间缩短了70min，蓄（放）热量提高了10%（15%）。.3）基于GH-20墙体材料的热性能，以能量方程作为基本控制方程，以显热容法作为求解相变传热问题的基本方法，构建了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的传热模型，并提出了利用能耗模拟软件EnergyPlus获取控制方程温室墙体边界条件的耦合求解方法，计算值与实验值的误差在6.1%以内。.4）基于所构建的“三重”结构墙体的传热模型，提出了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体热工性能评价指标体系及其计算方法，并开发了应用软件。利用该软件可进行关于“三重”结构墙体的可适应构造条件、以及各墙体层厚度、热工性能参数等的优化设计。.5）应用所提出的理论方法，在北京地区进行了日光温室被动式相变蓄热“三重”结构墙体的应用技术研究。应用结果表明：与非相变温室比较，相变温室10株西红柿试验品种的结果产量是前者的6.7倍、果实的纵横径较前者增大了1.3倍；相变温室西红柿的总产量为前者的1.7倍。