日光温室用无机复合相变材料的制备及应用研究.pdf

无机盐工业 Inorganic Chemicals Industry ISSN 1006 4990 CN 12 1069 TQ 无机盐工业 网络首发论文 题目 日光温室用无机复合相变材料的制备及应用研究 作者 鲍玲玲 侯倩倩 王凯峰 蒋自鹏 DOI 10 19964 j issn 1006 4990 2021 0548 收稿日期 2021 09 08 网络首发日期 2021 10 27 引用格式 鲍玲玲 侯倩倩 王凯峰 蒋自鹏 日光温室用无机复合相变材料的制备及 应用研究 J OL 无机盐工业 https doi org 10 19964 j issn 1006 4990 2021 0548 网络首发 在编辑部工作流程中 稿件从录用到出版要经历录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿等阶 段 录用定稿指内容已经确定 且通过同行评议 主编终审同意刊用的稿件 排版定稿指录用定稿按照期 刊特定版式 包括网络呈现版式 排版后的稿件 可暂不确定出版年 卷 期和页码 整期汇编定稿指出 版年 卷 期 页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件 录用定稿网络首发稿件内容必须符合 出 版管理条例 和 期刊出版管理规定 的有关规定 学术研究成果具有创新性 科学性和先进性 符合编 辑部对刊文的录用要求 不存在学术不端行为及其他侵权行为 稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑 出版的技术标准 正确使用和统一规范语言文字 符号 数字 外文字母 法定计量单位及地图标注等 为确保录用定稿网络首发的严肃性 录用定稿一经发布 不得修改论文题目 作者 机构名称和学术内容 只可基于编辑规范进行少量文字的修改 出版确认 纸质期刊编辑部通过与 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有限公司签约 在 中国 学术期刊 网络版 出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版 以单篇或整期出版形式 在印刷 出版之前刊发论文的录用定稿 排版定稿 整期汇编定稿 因为 中国学术期刊 网络版 是国家新闻出 版广电总局批准的网络连续型出版物 ISSN 2096 4188 CN 11 6037 Z 所以签约期刊的网络版上网络首 发论文视为正式出版 日光温室用无机复合相变材料的制备及应用研究 鲍玲玲 1 侯倩倩 1 王凯峰 1 蒋自鹏 2 1 河北工程大学 河北邯郸 056038 2 北京工业大学 摘要 为改善日光温室热环境 采用步冷曲线法和差示扫描量热法等实验方法研究制备了一种 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 基复合相变材料 并将其改性后应用在温室模型中进行效果试验 实验结果表明 改性后此材料的最佳配比为 21 37 Na2SO4 10H2O 64 10 Na2HPO4 12H2O 4 27 KCl 4 27 H2O 4 27 Na2SiO3 9H2O 0 85 石墨粉 0 85 CMC 其过冷度降至 0 6 相 变温度为 25 1 相变潜热为 143 7 J g 经过 200 次冷热循环实验 相变材料仍能保持较好的相变 性能 将其应用在温室模型中对比发现 该相变材料可减小温室室内温度波动 晴天条件下 相变 材料可降低室内最高温度 1 6 3 1 提高室内最低温度 1 7 2 7 提高土壤温度 0 3 1 4 且 连续晴天条件下 相变材料的控温效果更加明显 关键词 日光温室 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 相变性能 控温效果 Doi 10 19964 j issn 1006 4990 2021 0548 Preparation and application of inorganic composite phase change materials for solar greenhouse BAO Lingling1 HOU Qianqian1 WANG Kaifeng1 JIANG Zipeng2 1 Hebei University of Engineering Handan Hebei 056038 China 2 Beijing University of Technology Abstract In order to improve the thermal environment of solar greenhouse a Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O based composite phase change material was prepared by step cooling curve method and differential scanning calorimetry After modification it was applied to the greenhouse model for effect test The experimental results show that the optimum ratio of the modified material is 21 37 Na2SO4 10H2O 64 10 Na2HPO4 12H2O 4 27 KCl 4 27 H2O 4 27 Na2SiO3 9H2O 0 85 graphite powder 0 85 CMC The undercooling degree is reduced to 0 6 the phase change temperature is 25 1 and the phase change latent heat is 143 7 J g After 200 cold and hot cycle experiments the phase change material can still maintain good phase change properties The composite phase change material is applied to the greenhouse model It is found that the phase change material can reduce the indoor temperature fluctuation in the greenhouse In sunny days the phase change material can reduce the indoor maximum temperature by 1 6 3 1 increase the indoor minimum temperature by 1 7 2 7 and increase the soil temperature by about 0 3 1 4 Meanwhile the temperature control effect of phase change material is more obvious in continuous sunny days 收稿日期 2021 09 08 基金项目 河北省自然科学基金项目 E2020402052 河北省教育厅科学研究计划项目 ZD2018088 河北省教育 厅研究生教研项目 KCJSZ2019063 作者简介 鲍玲玲 1982 女 博士 教授 主要从事低品位余热 利用 中深层地热及传热传质基础理论研究 E mail lingling5934 网络首发时间 2021 10 27 14 42 04 网络首发地址 Key words Solar greenhouse Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O Phase transformation properties Temperature control effect 当前日光温室普遍存在中午太阳辐射强度高时要借以通风降低温室内温度 寒冷夜间时依靠煤 电等传统加温手段进行提温的现象 未能充分利用太阳能 造成能源的 大量 流失和浪费 相变材料 是通过自身物理状态变化来吸收或释放能量以实现 温度控制的功能材料 已成功应用 于制冷系统 1 4 电力系统 5 6 太阳能储能 7 9 和余热回收 10 等领域 将相变材料应用在日光温室中 可以有效提高太阳能利用率 对温室温度起到 削峰填谷 的作用 目前 关于相变材料在日光温 室中的应用 相关学者作了大量研究 主要区别于所用相变材料的种类及相变材料与温室结构的结 合方式 其中所用到的相变材料主要是石蜡 脂肪酸 水合盐及其复合物等 通常将相变材料与建 筑材料通过直混法 浸没法和封装法等方式进行结合 再引入温室结构中 有机相变材料性能稳定 王宏丽课题组 11 13 制备了 硬脂酸正丁酯 和石蜡质量 比为 5 5 的复合相 变材料 并将其吸附于稻壳 进一步 与建筑材料混合制成相变蓄热砌块 将其应用在日光温室中发现 可减小室内气温波幅 4 1 ZHOU 等 14 将 石蜡 膨胀珍珠岩复合相变 材料与石膏混合制得相变保温 砂浆 将其 涂抹于 温室 北墙内侧 可使 温室 的 日最低温度平均 提升 1 5 鉴于有机相变材料价格相对 较高且部分具有可燃性 有研究者考虑将无机水合盐 相变材料应用在日光温室中 徐燕等 15 以 Na2SO4 10H2O 为实验用相变材料 可使塑料大棚内日平均温度提高 2 4 夜间平均温度提高 5 4 马江伟等 16 17 以 CaCl 6H2O 为相变材料 添加适量改性剂后用陶粒进行吸附定型 所得相变材料温 度适宜 性能稳定 适用于日光温室 许红军等 18 以 Na2HPO4 12H2O 为相变材料 分别采用不同手 段对其进行改性 制得了不同配比的可用于日光温室的相变材料 但 单一 体系 的 无机 水合盐 一般 具有固定的相变温度 且或多或少存在 过冷和相分 层 等现象 而 具有丰富性和可控性的 低共熔相变材料可以适当改善 单一体系的 性能 缺陷 提高 水合盐材料的 循环 稳定性 19 20 十水硫酸钠 的相变温度为 32 4 是目前研究 和应用较多的相变温度接近室内温度范 围的一种无机水合盐 性价比较高且化学性能和相变性能优异 十二水磷酸氢二钠无毒 易得且相 变焓值高 两者均 为优质 的 低温储能材料 之前已有学者对此两种相变材料进行了复合改性研究 21 23 本文以 这两种材料 为 原料 首先通过 实验确定 其 低共熔混合比例 进一步 通过 添加 改性剂 对 其 进行改性研究 最后将 改性 后 的相变材料 应用在温室 模型 中进行 效果 试验 以期能对温室热环境 进行合理调节 为该低共熔相变材料在大型日光温室中的应用提供基础性数据参考 1 材料及方法 1 1 实验材料 十水硫酸钠 十二水磷酸氢二钠 九水硅酸钠 氯化钾均为分析纯 去离子水 实验室自制 石墨粉 羧甲基纤维素钠 1 2 样品制备 以 Na2SO4 10H2O 和 Na2HPO4 12H2O 共 20 g 为标准 配制 Na2SO4 10H2O 质量分数 占比 分别为 10 15 20 25 30 的 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 混盐体系 物理混合后放入 50 mL 烧杯中 用保鲜膜密 封 并放入 50 的恒温水浴锅中水浴 搅拌 加热 待样品完全溶解后取出装于样 品袋中冷却得到二元混盐 样品 取上述 Na2SO4 10H2O 质量分数为 25 的二元 低共熔混 盐 SP 体系 为原料 初步选择总熔点 调节剂质量为 SP 体系 的 10 KCl 与 H2O 的质量比分别为 3 7 4 6 5 5 6 4 7 3 加入不同比例 的熔点调节剂 KCl 和 H2O 物理混合后 通过上述方法 得到相变温度改变后的三元混盐体系 样品 取上述 以二元低共熔混盐 SP 体系为基液 添加 质量均为 SP 体系 5 的 KCl 和 H2O 得到 的三元 混盐体系 SPK 体系 为原料 加入质量 依次 为 SP 体系 4 6 间隔 0 5 的 成核剂 Na2SiO3 9H2O 物理混合后 通过上述方法 得到 过冷度改善后的 混 盐体系 样品 取上述 SPK 体系添加 5 Na2SiO3 9H2O 形成的 SPKSi 体系为原料 恒温水浴充分熔化后加入质 量为 SP 体系 0 0 5 1 2 4 的导热增强剂石墨粉 恒温磁力搅拌 2 h 后移至超声波声震 仪震荡 30 min 冷却凝固后得到导热性能增强的混盐体系样品 1 3 实验方法 用自制温度步冷装置测试各组溶液的温度步冷曲线 实验装置如图 1 所示 在加热和冷却过程 中 采用 型号为 MIK R6000C 的多路温度 记录仪自动采集温度 时间数据 待测温结束后 通过 Origin 软件绘制温度步冷曲线图 用于分析 体系过冷度的变化情况 1 恒温水浴锅 2 试 管 3 玻璃棒 4 硅胶塞 5 T 型热电偶 6 低温恒温槽 7 多路温度 记录仪 8 电脑 图 1 步冷 曲线测试装置图 Fig 1 Device diagram for testing step cooling curve 采用 NETZSCH 200 F3 型 差示扫描量热仪对相变材料样品进行热性能测试定义峰值前缘最大斜 率处切线与基线的交点对应的温度为相变熔化温度 24 通过内置软件计算复合相变材料 的 相变潜热 值 称取配制含有不同比例导热增强剂石墨粉的混盐体 系样品于试管中 根据自制步冷装置对样品 进行升降温实验 得到温度 时间曲线 从中统计混盐体系从 20 升至 48 所需时间 从 48 降至 20 所需时间 根据样品的升降温速率判断比较含有不同比例导热增强剂石墨粉的混盐体系样品的 导热性能 用电子天平按最终确定的复合相变材料各组分占比称取制备混盐体系样品于 50 mL 的烧杯中 用保鲜膜密封 先将其置于 50 恒温水浴锅中水浴加热并不断搅拌至其完全溶解 后放置于设定温 度为 15 的低温恒温槽中进行冷却 依次循环重复该步骤 测定 材料样品 多次循环后的熔化温度和 相变潜热值 1 4 相变材料应用于日光温室的控温试验设计 1 4 1 温室模型搭建及测点布置 采用对照实验的方法测试相变材料的控温效果 建立两个日光温室模型 即添加有相变材料的 相变温室和空白对照温室各 1 座 两 温室墙体均采用传统红砖 235mm 110mm 50mm 制作 墙 体外表面加装 2cm 的 XSP 高密度挤塑保温板 用泡沫胶密封 每天同一时间掀盖保温被 此处以建 于邯郸农业产业园 内 的水模块主动采光蓄热日光温室尺寸为标准 按比例缩小尺寸 其中长度按 比 例缩小 50 倍 跨度 围护结构和墙厚尺寸 按比例缩小 10 倍 试验时间为 2021 年 3 月 1 日到 2021 年 3 月 24 日 分别在温室跨度中心垂直位置沿温室长度方向在温室高度中点和 20 cm 深土壤层各设 置 3 个温度测点 选取典型晴天对两温室室内温度和 20 cm 深耕作层土壤温度进行测试记录 试验 温室结构及测点布置如图 2 所示 a 试验温室平面布置图 b 试验温室剖面图 图 2 试验温室结构及测点布置图 Fig 2 Sketch of experiment greenhouse structure and test points 1 4 2 相变材料的封装 为防止相变材料熔化时发 生泄漏 将其分散封装 在 尺寸为 20cm 25 cm 的复合聚乙烯塑料袋内 如图 3a 所示 经 塑封机 高频热合封装成袋装相变材料后并排 贴 于相变温室后墙 内侧 如图 3b a 相变材料封装方式 b 相变材料放置位置 图 3 相变材料的封装与放置 Fig 3 Packaging and placement of PCM 2 结果与分析 2 1 相变材料的制备及性能表征实验结果分析 2 1 1 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 1 2H2O 低共熔混盐比例的确定 为确定 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 低共熔混 盐的比例 以 Na2SO4 10H2O 所占质量分数依 次为 10 60 间隔为 10 的二元混盐进行了称量及熔化实验 实验结果如 图 4 所示 图 4 照 片中样品从左往右 Na2SO4 10H2O 含量 依次增加 从图 4 可以看出 当 Na2SO4 10H2O 质量分数低于 30 时 水合盐 溶液 澄清透明 完全溶解 无相分离 当 Na2SO4 10H2O 含量继续增加 水合盐溶液 会出现上层清液下层白色沉淀的相分离现象 且随着 Na2SO4 10H2O 含量 增加 水合盐 溶液 底部沉 淀逐渐增 多 溶液 相分离现象更加明显 图 4 含 10 60 Na2SO4 10H2O 的 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 混盐体系照片 Fig 4 Photograph of the Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O mixed salt system with 10 60 Na2SO4 10H2O 进一步制备 Na2SO4 10H2O 所占质量分数为 10 30 间隔 5 的二元混盐 体系 并对其进行 DSC 测试 测得 体系相变性能参数如表 1 所示 可以看出 随着 Na2SO4 10H2O 所占质量分数的增加 二元混盐体系的 相变 温度呈现先降低后增加的 变化 趋势 当 Na2SO4 10H2O 质量分数为 25 时 二 元混盐的 相变 温度最低 为 30 8 达到低共熔点 下文以 Na2SO4 10H2O 和 Na2HPO4 12H2O 质量比为 1 3 时 形成 的低共熔混 盐 SP 体系为基盐进行进一步的研究和改性 表 1 含 10 30 Na2SO4 10H2O 的 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 混盐体系的相变参数 Table 1 Phase transition parameters of the Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O mixed salt system with 10 30 Na2SO4 10H2O w Na2SO4 10H2O 相变温度 峰值温度 相变潜热 J g 1 10 33 0 37 3 215 1 15 32 7 36 8 223 2 20 32 5 36 7 214 6 25 30 8 34 1 220 6 30 31 8 36 5 197 2 2 1 2 熔点调节剂对 SP 体系相变温度的影响 在实际工程应用过程中 最重要的是相变材料的相变温度应与相变储热系统的工作温度相匹配 如果存在一定的差异 使它们不匹配 则需要调整相变温度 25 本实验 选用 KCl 和 H2O 为熔点调节 剂 并将 两者 结合 初步选择总熔点调节剂质量为 SP 体系的 10 分析研究其对 低共熔混 盐 SP 体 系 相变 温度的影响 a SP 体系 不同质量 KCl H2O 的 DSC 曲线 b 相变温度及相变潜热分布曲线 图 5 不同质量分数 KCl H2O 对 SP 体系相变温 度的调节效果 Fig 5 The effect of KCl H2O with different mass ratio on phase transition temperature of SP system 图 5a b 分别为 SP 体系添加不同质量 KCl H2O 的混盐体系的 DSC 曲线及相变参数的分布 可 以看出 添加不同质量 KCl 和 H2O 后 体系相变温度在 24 28 内 无明显的变化规律 KCl 和 H2O 的质量比为 3 7 和 4 6 时 体系相变温度较高分别为 26 8 27 3 随着 KCl 质量的增加 体系 相变温度降低后稳定在 25 左右 此外 还发现体系的相变潜热随着 KCl 质量的增加逐渐降低 说 明 KCl 的加入在一定程度上减小了相变材料的储能密度 综合考虑相变温度和相变潜热 熔点调节 剂 KCl H2O 的最佳质量比为 5 5 得到相变温度为 24 8 相变潜热值为 171 3 J g 的三元混盐 SPK 体系进行下一步研究 2 1 3 成核剂 对 SPK 体系过冷度的影响 过冷是无机水合盐相变材料的固有缺陷 在相同的放热 条件 下 过冷度越大 有效输出热量越 少 26 为保证相变材料在一定的环境温度下及时充分地释放热量 必须采 取手段对其过冷现象进行 控制 添加成核剂是目前抑制过冷度较为有效的方法 27 本实验选择 对一元体系 Na2HPO4 12H2O 改 性效果较好的 Na2SiO3 9H2O 为成核剂 分析研究其对 SPK 体系 过冷度的影响 图 6 二元低共熔混盐 SP 体系的升降温曲线 Fig 6 Rising and falling temperature curves of binary eutectic mixed salt SP system 图 7 SPK 体系 不同质量 Na2SiO3 9H2O 的步冷曲线 Fig 7 Step cooling curves of SPK system with different Na2SiO3 9H2O content 图 6 为二元 低共熔混 盐 SP 体系 的升降温曲线 可以看出 其 熔化温度为 30 8 结晶温度为 22 2 过冷度 达 8 6 图 7 为 SPK 体系及其添加不同质量 Na2SiO3 9H2O 后体系的步冷曲线 并 将其相变性能参数列于表 2 由步冷曲线及对应的相变性能参数可以看出 未添加 Na2SiO3 9H2O 时 SPK 体系的过冷度为 5 1 添加 4 的 Na2SiO3 9H2O 后 体系过冷度下降到了 1 8 进一步增加 Na2SiO3 9H2O 的用量至 5 时 过冷度降到了 0 9 此外 随着 Na2SiO3 9H2O 含量的增加 体系 相变温度变化不大 但相变潜热呈下降趋势 原因是加入的成核剂占了一定质量比例 从而降低了 潜热密度 因此综合考虑过冷度小 相变潜热大的要求 选择 Na2SiO3 9H2O 的最佳 质量分数 为 5 定义添加有 5 Na2SiO3 9H2O 的混盐体系为 SPKSi 体系 该体系相变材料的相变温度 过冷度和相 变潜热分别为 24 9 0 9 147 0J g 体系的相变潜热值较改 性前未出现明显降低 表 2 SPK 体系 不同质量 Na2SiO3 9H2O 的相变参数 Table 2 Phase transition parameters of SPK system with different Na2SiO3 9H2O content w Na2SiO3 9H2O 相变温度 过冷度 相变潜热 J g 1 0 24 8 5 1 171 3 4 0 24 8 1 8 154 9 4 5 24 9 1 1 149 2 5 0 24 9 0 9 147 0 5 5 25 0 1 1 138 4 6 0 24 7 1 0 134 6 2 1 4 石墨粉对 SPKSi 体系导热性能的影响 理想的相变材料的热性能除高储能密度外 还对其导热性能有一定要求 石墨粉 能够 在相变材 料中均匀分散 有效提高相变材料的导热性能 28 29 因此本实验以 石墨粉为相变材料的导热增强剂 通过添加不同质量的石墨粉分析其对 SPKSi 体系导热性能的影响 SPKSi 体系添加不同质量石墨粉 后混盐体系照片如图 8 所示 图 8 SPKSi 体系 不同质量石墨粉的照片 Fig 8 Photographs of SPKSi system with different graphite powder content 在 SPKSi 体系中添加不同质量石墨粉的混盐体系样品在升 降 温阶段 随着石墨粉掺量的变化 升温 降温 所需时间 分别 如图 9a 和图 9b 所示 由图 9a 可知 SPKSi 体系未添加石墨粉时 从 20 升至 48 所需时间为 1030 s 添加 0 5 1 0 2 0 和 4 0 石墨粉后 混盐体系升温所需时间 分 别 为 958 912 873 784 s 较 SPKSi 体系 升温 所需时间 分别 减少了 7 0 11 5 15 2 和 23 9 由图 9b 可知 SPKSi 体系未添加石墨粉时 从 48 降至 20 所需时间为 2269 s 添加 不同比例 石 墨粉后 混盐体系 降 温所需时间 分别 为 2046 1868 1843 1800s 较 SPKSi 体系 降温 所需时间 分 别 减少了 9 8 17 7 18 8 和 20 7 综合图 9a 和图 9b 可以看出 SPKSi 体系添加有石墨粉的混盐体系升 降温时间都比 SPKSi 体 系明显减少 其原因是石墨粉具有较高的导热系数 可以有效提高混盐体系在升 降温过程中的传 热速率 进而 缩短蓄放热所需时间 石墨粉不贡献潜热 加入 的石墨粉越多 混盐体系的相变潜热 值 越小 故 综合考虑 最终选定导热增强剂石墨粉的掺量为 1 a 升温 b 降 温 图 9 SPKSi 体系 不同质量石墨粉 后 升 降温所需时间曲线 Fig 9 Time curves of rising and cooling temperature of SPKSi system with different graphite powder content 2 1 5 循环 稳定性分析 根据上述实验筛选出的熔点调节剂 成核剂和导热增强剂 确定二元 共晶水合 盐 SP 体系的添加 剂最佳配比为 5 KCl 5 H2O 5 Na2SiO3 9H2O 1 石墨粉 实验过程中发现多次循环后 部 分石墨粉吸附液体后会在重力作用下沉降 因此在体系中添加质量为 SP 体系质量 1 和 2 的增稠 剂羧甲基纤维素钠 CMC 添加增稠剂前后的混盐体系样品照片如图 10 所示 a 0 CMC b 1 CMC c 2 CMC 图 10 添加增稠剂前后混盐体系样品照片 Fig 10 Photographs of mixed salt system samples before and after adding thickener 由图 10 可以看出 未添加 CMC 之前 混盐体系循环静置后出现明显分层现象 大部分石墨粉 吸附无机水合盐复合相变材料后沉降在试管底部 少量石墨粉未与相变材料融合吸附 因密度较小 而浮于表面 中间层为未被石墨粉吸附的溶液层 添加 1 CMC 为增稠剂时 混盐体系的分层现象 完全消除 进一步添加 CMC 质量 为 SP 体系 质量的 2 时 体系较粘稠 流动性差 且随着 CMC 质 量分数的增大 混盐体系黏度增加 会阻碍水分子从水合盐中脱出 减小体系的相变潜热值 因此 选择增稠剂 CMC 的最佳添加量为 1 则该 复合相变体系的最终配比为 21 37 Na2SO4 10H2O 64 10 Na2HPO4 12H2O 4 27 KCl 4 27 H2O 4 27 Na2SiO3 9H2O 0 85 石墨粉 0 85 CMC 其升降温曲线如图 11 所示 过冷度 为 0 6 为评价该复合相变材料的热可靠性 对其进行了 200 次的熔化 凝固循环实验 将循环 前 后 DSC 曲线进行对比 如 图 12 所示 实验结果可以看出 经过 200 次 冷热 循环后 该相变材料的 熔点几乎没有变化 相变潜热从循环前的 143 7 J g 降至 134 1 J g 仅降低了 6 7 由此可见 该复 合相变材料循环稳定性 良好 具备实际应用的潜力 图 11 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O基复合相 变材料的升降温曲线 Fig 11 Rising and falling temperature curves of Na2SO4 1 0H2O Na2HPO4 12H2O based composite phase change materials 图 12 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O基复合相 变材料循环前后的 DSC曲线 Fig 12 DSC curves of Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O based composite phase change materials before and after cycling 2 2 1 空白温室保温效果对照分析 为准确分析相变材料 作为单一变量时对温室热环境的影响 在未添加相变材料前对两空白日光 温室的保温 效果 进行了 测试 分析 如 图 13 所示 从图 13 可看出 晴天早上揭开保温被 两温室接收 太阳辐射室内温度逐渐升高 且 均在 13 30 时达到日最高温度分别为 30 4 和 29 7 室外环境最 高温度出现在 14 00 为 6 8 温室内最高温度较室外环境最高温度提前的原因可能是温室内空气和 土壤湿度较大 在正午时刻随着室内温度的升高 在温室棚膜内表面形成一层水雾 减弱了温室内 空气对太阳辐射的接收量 在盖上保温被之后 由于没有太阳辐射 温室墙体较薄 蓄放热 能力有限 温室与外界环境进 行热交换 随着室外环境温度的降低而降低 在 清晨日出之前 7 50 时达到日最低温度分别为 7 6 和 7 7 室外环境最低温度出现在 7 40 为 3 1 两温室 室内温度 均 随着室外环境温度变化 且 日 变化曲线几乎重合 说明两温室的室内热环境及保温效果差别很小 等热性条件相似 可以进一 步添加相变材料为单一变量分析其对温室热环境的影响 图 13 两空白温室室内温度和室外环境温度变化曲线 Fig 13 Variation curves of indoor temperature in two blank greenhouses and outdoor temperature 2 2 2 相变材料对温室室内气温的影响 图 14 为连续 4d 晴天 条件下 两温室室内气温的变化曲线图 从图 14 可以看出 随着晴天天气的 持续 两温室日最低温度差值逐渐增大 即相变温室的夜间提温效果更加明显 其中 3 月 20 日为雨 后第一天 天气状况为多云转晴 太阳辐射强度较弱 相变温室 可降低 日最高温度 0 9 提高 日最 低温度 0 8 在之后的连续晴天条件下 相变温室白天的最高温度比对照温室低 1 6 3 1 夜间 最低温度比 对照温度高 1 7 2 7 说明该复合相变材料起到了减小温室内温度波动的作用 图 14 连续 晴天 两 温室室内气温变化曲线 Fig 14 Variation curves of indoor temperature in two greenhouses on continuous sunny days 2 2 3 相变材料对温室土壤温度的影响 温室内土壤温度对作物的生长发育起着至关重要的作用 图 15 为连续 4d 晴天时相变温室与对 照温室土壤温度的变化情况 由图 15 可以看出 每日两温室土壤温度的整体变 化趋势相同 均在土 壤温度较低时温差较小 在土壤温度较高时温差较大 在连续晴天的情况下 由于 温室获得的太阳 辐射热量逐渐累积 土壤中储存的热量也随之增加 故两温室土壤温度呈逐渐上升的趋势 且相变 温室的土壤温度提温效果也更加明显 相变温室的土壤温度始终比对照温室土壤温度高出 0 3 1 4 图 15 连续晴天 两温室 土壤温度变化曲线 Fig 15 Variation curves of soil temperature in two greenhouses on continuous sunny days 3 讨论与结论 1 Na2SO4 10H2O 质量分数为 25 时 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 二元混盐的相变温度达 到最低 30 8 相变潜热为 220 6 J g 添加 质量均为 SP 体系 5 的 KCl 和 H2O 为熔点调节剂后 可 将 其 熔点 降至 24 8 添加 5 Na2SiO3 9H2O 为成核剂 时 该复合相变材料的过冷度 降 为 0 9 相 变温度 为 24 9 相变潜热为 147 0 J g 2 对过冷改性后的 SPKSi 体系进行导热性能及相分离的改性研究 添加 1 的石墨粉为导热增 强剂后混盐体系升温时间 减少了 11 5 降温时间减少了 17 7 增稠剂 CMC 的添加量为 1 时 可以有效抑制材料的相分离 改性后的 Na2SO4 10H2O Na2HPO4 12H2O 基复合相变 材料 相变温度为 25 1 满足日光温室温度要求 相变潜热为 143 7 J g 过冷度为 0 6 经过 200 次 冷热 循环 后 相变温度和相变潜热值变化不大 具有良好的循环稳定性 具备实际应用的潜力 3 将所制得复合相变材料应用于日光温室试验结果表明 测试期间晴天时 相变材料可降低室 内最高温度 1 6 3 1 提高室内最低温度 1 7 2 7 提高土壤温度 0 3 1 4 说明 该材料可减 小室内温度波动 改善温室内热环境 且连续晴天条件下 相变材料的控温效果更加明显 这一结 果可为本相变材料在大型温室中的应用提供基础参考 但相变材料与温室的结合方式还有待进一步 改善 参考文献 1 邹婷 新型无机盐定型复合相变蓄冷材料的制备及性能 D 广州 华南理工大学 2020 2 刘晨敏 复合相变蓄冷材料研究进展及在冷链物流中的应用 J 应用化工 2020 49 7 1861 1865 3 戴君 卢立新 丘晓琳 冷冻产品用无机 盐相变蓄冷材料的制备及性能研究 J 化工新型材 料 2018 46 6 231 234 238 4 ZOU T FU W W LIANG X H et al Preparation and performance of modified calcium chloride hexahydrate composite phase change material for air conditioning cold storage J International Journal of Refrigeration 2018 95 Doi 10 1016 j ijrefrig 2018 08 001 5 WAGNER S J RUBIN E S Economic implications of thermal energy storage for concentrated solar thermal power J Renewable Energy 2014 61 1 81 95 6 RIFFAT S B OMER S A MA X A novel therm oelectric refrigeration system employing heat pipes and a phase change material an experimental investigation J Renewable Energy 2001 23 2 313 323 7 HUANG Z W GAO X N XU T et al Thermal property measurement and heat storage analysis of LiNO3 KCl expanded graphite composite phase change material J Applied Energy 2014 115 1 265 271 8 华维三 章学来 刘锋 等 新型无水箱相变蓄热式太阳能集热器及热性能研究 J 可再生能 源 2017 35 3 395 400 9 李亚伦 李保国 苏树强 等 空气式 PCM 太阳能热泵供暖系统实验研究与分析 J 热能动力工 程 2019 34 8 156 162 10 赵兰 章学来 葛轶群 等 热回收技术用于风冷热泵系统的研究与应用 J 制冷技 术 2007 2 14 16 20 11 张勇 邹志荣 李建民 日光温室相变空心砌块的制备及功效 J 农业工程学报 2010 26 2 263 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