日光温室中不同碳基悬浮液蓄热性能对比_宋欣然.pdf

引用本文格式 宋欣然 聂京涛 吴一凡 等 日光温室中不同碳基悬浮液蓄热性能对比 J 农业工程 2026 16 4 48 52 DOI 10 19998 ki 2095 1795 202511039 SONG Xinran NIE Jingtao WU Yifan et al Comparison on heat storage performance of different carbon based suspensions in solar greenhouse J Agricultural Engineering 2026 16 4 48 52 日光温室中不同碳基悬浮液蓄热性能对比 宋欣然1 聂京涛1 吴一凡1 黄新岳2 张紫依2 杨自栋2 1 浙江农林大学园艺科学学院 杭州 浙江 311300 2 浙江农林大学光机电工程学院 杭州 浙江 311300 摘 要 为优化日光温室主动蓄热系统并筛选高效蓄热介质 系统对比纯净水 吸光改性水 以及竹炭粉 松墨粉 碳 纳米管等碳基悬浮液在日光温室中的蓄热性能 监测日照时间各整点温度 利用升温期蓄热量 降温期放热量及蓄热保 持效率等指标表征样品蓄热情况 探究不同碳基悬浮液在日光温室中光热转换与蓄热释放规律 结果表明 所有碳基悬 浮液性能指标在数值上均高于纯净水 其中5 浓度碳纳米管悬浮液蓄热保持效率高达76 3 综合性能最优 10 浓度 松墨粉悬浮液温升幅度最大 展现良好升温能力 综合分析 浓度优化后的碳纳米管悬浮液 是一种可有效提升蓄热与 热能利用效率的潜在介质 研究结果为日光温室节能设计提供材料学相关理论依据 关键词 碳基悬浮液 蓄热性能 日光温室 竹炭粉 松墨粉 碳纳米管 蓄热保持效率 中图分类号 S625 文献标识码 A 文章编号 2095 1795 2026 04 0048 05 DOI 10 19998 ki 2095 1795 202511039 Comparison on heat storage performance of different carbon based suspensions in solar greenhouse SONG Xinran1 NIE Jingtao1 WU Yifan1 HUANG Xinyue2 ZHANG Ziyi2 YANG Zidong2 1 College of Horticultural Sciences Zhejiang A F University Hangzhou Zhejiang 311300 China 2 College of Optical Mechanical and Electrical Engineering Zhejiang A F University Hangzhou Zhejiang 311300 China Abstract To optimize active heat storage system in solar greenhouse and screen for high efficiency heat storage media a comparative analysis was conducted to evaluate thermal storage performance of purified water light absorbing modified water and carbon based suspension media including bamboo charcoal powder lampblack ink powder and carbon nanotubes in solar greenhouse By monitor ing temperature at hourly intervals from sunrise to sunset heat storage performance was characterized using metrics such as heat storage capacity during heating phase heat release capacity during cooling phase and heat retention efficiency to investigate photothermal con version and heat release patterns of different carbon based suspensions in solar greenhouse Results indicated that all carbon based sus pensions exhibited performance metrics numerically superior to those of purified water Among them carbon nanotube suspension at a 5 concentration achieved a heat storage retention efficiency of 76 3 demonstrating the best overall performance Lampblack ink powder suspension at a 10 concentration exhibited the largest temperature rising amplitude indicating excellent heating capacity A comprehensive analysis revealed that carbon nanotube suspensions under optimized concentrations was a promising medium cap able of effectively enhancing heat storage and thermal energy utilization efficiency A theoretical basis in materials science was provided for energy efficient design of solar greenhouse Keywords carbon based suspension heat storage performance solar greenhouse bamboo charcoal powder lampblack ink powder carbon nanotube heat storage retention efficiency 收稿日期 2025 11 14 修回日期 2026 01 25 基金项目 浙江省大学生创新创业训练计划项目 S202510341077 作者简介 宋欣然 本科生 专业方向为设施农业 E mail 3380671260 杨自栋 通信作者 博士 教授 主要从事丘陵山地智能农林装备研究 E mail yzd66 第 16 卷 第 4 期农 业 工 程Vol 16 No 4 2026 年 4 月AGRICULTURAL ENGINEERING Apr 2026 0 引言 设施农业作为保障食物安全与周年生产供应的关 键途径 面临环境适应性差 能耗高等问题 1 日光 温室以太阳辐射为热源 通过最大化采光 并借助后 墙蓄热和其他保温御寒设备实现最小化散热 从而充 分利用光热资源 降低不利气象因子影响 2 日光温 室北侧墙体作为核心蓄热与放热体 其热工性能直接 决定温室内微气候的稳定性 3 然而 传统砖混或土 墙结构存在蓄热能力有限 热惰性不足等问题 导致 温室内昼夜温差大 尤其在寒冷季节夜间易发生冷害 与冻害 4 针对以上问题 国内外研究人员围绕蓄热模式 墙体构造与蓄热系统对日光温室墙体进行深入探索 在蓄热模式方面 研究内容从传统的被动蓄热向主动 主被动结合方向发展 传统的被动蓄热墙体完全依赖 太阳辐射自然加热 5 蓄放热速率与总蓄热量 总放 热量受限于材料自身热物理性质 调控能力弱 6 但 是 在日光温室后墙结构增设主动蓄热系统可使后墙 的蓄热和保温性能均得到进一步提升 7 8 在蓄热系统 设计方面 刘晗意等 9 对平板填充式相变蓄热水箱放 热特性的研究表明 通过优化蓄热单元结构可显著提 升系统蓄热性能和运行稳定性 为日光温室主动蓄热 系统的设计优化提供有益借鉴 李文龙 6 设计以水为 介质的主被动显热蓄热供热系统 通过数值模拟证实 该系统可显著提升墙体蓄热量和夜间放热量 使温室 内有效积温提升超过50 揭示主动干预在提升日光 温室热环境方面的巨大潜力 陈瑾萱等 10 构建带重力 循环环形管的主动蓄放热复合墙体 结合数值模拟确 定 该墙体可以将日间多余的太阳能高效转移至夜间 使用 提升温室内夜间气温的同时 显著降低气温日 较差 促进作物生长 近年来 相变储能材料在节能建筑中的应用进展 为日光温室蓄热技术发展提供新思路 段学彤等 11 在 相变储能材料的应用综述中提出 通过可逆相态转变 过程中能量交换机制 可实现热惯性的动态调节 对 降低日光温室能耗具有重要参考价值 NAZIR H等 12 在评述相变材料的能源存储应用进展中强调 纳米封 装技术和纳米材料添加剂对提升相变材料热物性具有 重要作用 ALVA G等 13 详细阐述包括显热 潜热和 化学热存储在内的多种储能方式 及其在可再生能源 整合中的应用潜力 SHU C等 14 开发具有高热导率的 各向异性石墨烯 纤维素纳米纤维杂化气凝胶相变复合 材料 实现高效温度调控的同时 进行太阳能 热 电 能量转换 为开发兼具蓄热和能量转换功能的日光温 室墙体材料提供新思路 综上所述 主动蓄热技术在提升能量利用效率方 面已得到初步验证 然而 现有研究多集中于对已成 型的固体蓄热材料或复杂系统进行宏观性能测试与模 拟 对蓄热系统的基础构成蓄热介质 特别是低成本 高纯度的碳基悬浮液在日光温室光照环境下的光热转 换与蓄热释放规律 尚缺乏系统性对比研究 将来源 广泛 成本低廉的生物质炭 如竹炭 松墨 与高性 能 成本较高的碳纳米材料 置于相同条件进行蓄热 性能精细对比的研究仍属空白 因此 本研究系统探 究日光温室中不同碳基悬浮液的蓄热与放热性能 为 日光温室主动蓄热系统优化提供参考 1 材料与方法 1 1 试验材料与试验设置 1 1 1 试验材料 设置竹炭粉 松墨粉 碳纳米管3种碳基悬浮液为 试验组 以相同质量的纯净水 包裹黑膜的纯净水为 对照组 各试验材料参数如表1所示 表 1 试验材料参数 Tab 1 Experimental materials parameters 材料名称 规格 生产企业 竹炭粉 粒径 50 m 纯度 99 东海县钰丰源秸秆加工厂 松墨粉 粒径 50 m 纯度 95 阜阳市集粹斋书画店 碳纳米管 多壁 内径3 5 nm 外 径8 15 nm 长度3 12 m 纯度 97 深圳市穗衡科技有限公司 纯净水 1 5 L娃哈哈桶装纯净水 杭州娃哈哈集团有限公司 密封袋 PE材质 10 cm 15 cm 石家庄恩罕贸易有限公司 亚克力试 验箱 透明 长89 mm 宽 20 mm 高127 mm 宁波红柿子建材有限公司 1 1 2 试验设置 为保证碳基悬浮液浓度精确 采用精密电子天平 进行称量 以配制总质量为150 g的1 竹炭粉悬浮液 为例 首先称取1 50 g竹炭粉 随后加入148 50 g纯净 水 为改善疏水性碳基材料颗粒在水中的分散性 防 止因颗粒团聚及沉降而影响悬浮液的稳定性与均一性 在混合过程中添加0 1 g市售餐具洗洁精 主要成分为 十二烷基苯磺酸钠 作为分散剂 其主要作用是显著 降低液体的表面张力 使碳颗粒能够被充分润湿并均 匀分散于水中 从而形成相对稳定的悬浮体系 随后 将混合物置于烧杯中强力搅拌10 min使其充分混合均 匀后 迅速装入密封袋 试验共设置两组对照组 每组对照组分别设置 3组重复处理 第1组对照组为纯净水空白处理 CKW 处理 包括CKW1 CKW2 CKW3处理 第2组对照 组为包裹黑膜纯净水处理 CKB处理 包括CKB1 CKB2 CKB3处理 每组对照组中各处理均采用相同 宋欣然 等 日光温室中不同碳基悬浮液蓄热性能对比 49 批次材料 相同制备流程制备 以降低偶然误差对试 验结果的影响 其中 CKB1 CKB2 CKB3处理在密封 袋外添加单层黑色塑料膜 试验组包括竹炭粉处理 TB1 TB2 TB3处理 松墨粉处理 TL1 TL2 TL3处 理 和碳纳米管处理 TC1 TC2 TC3处理 共计9组 其中 所有试验组编号1 2 3分别对应1 5 10 质量浓度 每个处理均添加0 1 g分散剂 本试验旨在进行初步筛选 以快速评估不同材料 及浓度组合的性能表现 故未对竹炭粉 松墨粉 碳 纳米管悬浮液各浓度组设置平行重复处理 未来将在 拓展研究中补充重复样品以验证结果稳定性 1 2 试验方法与数据采集 1 2 1 试验环境与同步对比方法 试验于2025年9月22日在杭州市的普通日光温室 进行 由于测试过程中 太阳辐射强度与湿度等参数 均随当日天气状况呈动态变化 测量时段温室内气温 23 0 30 0 C 未对其进行人工控制或实时监测 为消 除环境非恒定因素对试验结果的干扰 采用同步对比 法开展单日测试 该方法下 各组样品所受光热环境 参数基本一致 因此 通过横向对比各组样品在相同 环境输入下的升降温数据 可有效规避环境波动影响 准确反映材料本身的蓄热性能差异 为模拟蓄热后墙的工作状况 将封装好的样品 竖直置于透明无盖的亚克力试验箱 并放置在日光温 室中部地面 下层垫有厚度2 cm的泡沫板以减少样品 的热量损失 同时避免周边遮挡 1 2 2 数据采集流程 采用高精密水银温度计 领新 10 50 C 探 头精度 0 1 C 每次测量时 将探头插入各样品密封 袋内部中心位置 以确保测量悬浮液的核心温度 测 量时段固定为6 00 18 00 杭州市理论日照时间区 间 每隔1 h记录一次所有样品的温度数据 每次测 量顺序相同 保证太阳辐射强度波动及数据间隔时间 差异对试验结果干扰最小 1 3 性能评价指标与数据处理 1 3 1 性能评价指标 为定量评价不同悬浮液在日间的蓄热与后续的降 温特性 选择升温期蓄热量 降温期放热量和蓄热保 持效率作为核心性能指标 1 升温期蓄热量 指样品从试验起始时刻升温 至测量期间内达到峰值温度所吸收的总热量 升温期 蓄热量Qrise计算公式为 式中 m 样品总质量 kg cp 样品等效比热容 J kg K 根据悬 浮液浓度按混合法则估算 Tpeak 测量期间样品最高温度 C Tinitial 试验初始温度 C 2 降温期放热量 指样品从峰值温度降至试验 结束时刻温度所释放的总热量 这一指标表征材料在 达到峰值温度后 在日照减弱至日落期间 可保留并 缓慢释放的热量 值越高 表明材料的日间保温性能 越好 热量散失越慢 降温期放热量Qfall计算公式为 Qfall mcp Tpeak Tfinal 2 式中 Tfinal 试验结束时温度 C 3 蓄热保持效率 用于综合评价材料吸收日间 热量后的保持能力 值越高 表明材料不仅蓄热能力 强 而且能有效地保留吸收的热量 蓄热保持效率 Q 计算公式为 Q QfallQ rise 100 3 1 3 2 数据分析方法 利用Excel软件绘制各组温度随时间变化的平滑曲 线图 采用SPSS 27 0软件进行独立样本t检验 比较 CKW处理与CKB处理的差异显著性 以P 0 05作为具 有统计学意义的判断标准 2 结果与分析 2 1 不同碳基悬浮液温度动态变化特征 通过对试验期间整点温度数据的采集与处理 15 组样品温度随时间变化平滑曲线如图1所示 所有样 品温度变化曲线均呈现 单峰 形态 遵循日出至午 时随太阳辐射增强而升温 午后随辐射减弱而降温的 规律 然而 不同材料在升温速率 峰值温度及午后 降温趋势上表现出显著差异 该结果与陈瑾萱等 10 通过数值模拟发现主动蓄热 墙体可调节昼夜温差的结果相似 试验中不同碳基悬 图1 不同碳基悬浮液温度变化曲线 Fig 1 Temperature variation curves of different carbon based suspension 50 农业工程设施农业工程 浮液在温度变化方面表现的差异性 可作为蓄热系统 调节日光温室微气候潜力的直接体现 2 2 不同材料蓄热 放热性能对比 对照组蓄热性能指标对比结果如表2所示 经过 独立样本 t 检验 CKB处理的蓄热量显著高于CKW处 理 P 0 05 表明试验装置对于捕捉光热转换性能 的差异具有较高灵敏度 同时 两组对照组的组间标 准差较小 表明试验方法具有较高的重复性与稳定性 为后续评价碳基材料性能提供可靠基准 表 2 对照组蓄热性能指标对比 Tab 2 Comparison of thermal storage performance indexes of control groups 对照处理 升温蓄热量 J 降温放热量 J 蓄热保持效率 CKW 8 652 513 4 085 963 46 9 8 CKB 10 742 721 6 802 1 040 63 1 5 注 表示差异具有统计学意义 P 0 05 进一步分析不同碳基悬浮液蓄热性能 各指标对 比结果如表3所示 除TC3处理以外 其他处理的蓄热 量较CKW处理提升主要集中在 17 40 差异幅度 远超两组对照组组间标准差 表明添加材料对蓄热性 能具有提升效果 表 3 不同碳基悬浮液蓄热性能指标对比 Tab 3 Comparison of thermal storage performance indexes of different carbon based suspensions 试验 处理 升温蓄热 量 Qrise J 降温放热 量 Qfall J 蓄热保持效率 Q 蓄热量相 对CK W 处理提升率 TB1 11 378 0 7 709 7 0 678 31 51 TB2 10 944 6 7 456 7 0 681 26 50 TB3 11 372 6 8 204 1 0 721 31 44 TL1 10 756 3 7 088 0 0 659 24 32 TL2 10 403 4 7 035 8 0 676 20 24 TL3 11 712 1 8 487 0 0 725 35 37 TC1 10 134 5 7 025 8 0 693 17 13 TC2 12 447 9 9 501 3 0 763 43 87 TC3 8 656 7 6 054 1 0 699 0 05 2 2 1 升温期蓄热量对比 由表2可知 CKB处理升温期蓄热量较CKW处理 平均提高24 2 表明增强对太阳辐射的吸收是提升蓄 热系统性能的有效途径 由表3可知 在碳基悬浮液 中 TC2处理升温期蓄热量最高 为12 447 9 J 优于其 他处理 松墨粉悬浮液整体表现优异 TL3处理升温期 蓄热量与TB1处理相近 但高于TB2处理 TB3处理 此 外 TC3处理升温期蓄热量低于TC2处理 这可能与高 浓度下纳米颗粒更易发生团聚 从而影响悬浮液稳定 性和光热转换过程有关 15 2 2 2 降温期放热量与蓄热保持效率对比 由表3可知 TC2处理不仅在吸热能力方面领先 其降温期放热量和蓄热保持效率同样居所有样品之首 表明该处理不仅能吸收更多热量 还可以将绝大部分 热量有效保留 并缓慢释放 这有利于加强日光温室 后墙蓄热能力 同时提高夜间放热能力 7 相比之下 TL3处理虽具有最高峰值温度 但蓄热 保持效率略低于TC2处理 表明其午后热量散失相对较 快 竹炭粉悬浮液各浓度组的蓄热保持效率表现稳定 均未超过75 显示出其可靠但非最优的保温性能 CKW的蓄热保持效率普遍低于60 表明传统单一水 介质在热量保持方面具有局限性 2 2 3 浓度效应分析 由数据分析结果可知 不同碳基材料的浓度与其 蓄热性能之间并非简单的线性正相关关系 而是根据 材料的微观结构与光学特性呈现出不同的演变规律 竹炭粉悬浮液3种浓度的升温期蓄热量维持在约 11 000 J的饱和水平 随浓度增加呈现先下降后上升趋 势 这种非线性的数值波动表明 竹炭粉作为微米级 颗粒 在1 浓度下其流体吸热能力已趋于饱和 在饱 和区间内 增加浓度并不能稳定提升性能 反而可能 因为颗粒在流体中分散状态的随机性 导致光热转换 效率出现小幅振荡 这一特性表明 在日光温室蓄热 材料应用中 使用1 浓度竹炭粉可获得稳定的蓄热 收益 松墨粉悬浮液的蓄热性能在高浓度下表现最优 在 10 浓度下升温期蓄热量达到 11 712 1 J 优于其他 浓度 这说明松墨粉在较高浓度下仍能保持较好的分 散稳定性 未出现严重的团聚沉降现象 可以通过增 加吸热介质密度提升蓄热效果 碳纳米管悬浮液的蓄热性能随浓度变化呈现先上 升后下降趋势 在5 浓度时 表现出优异的光热转换 性能 当浓度提升至10 时 升温期蓄热量较CKW处 理仅提升0 05 这表明碳纳米管在日光温室蓄热应用 中存在基于流体流动性的最佳浓度区间 超过该浓度 区间 流变性质的改变将抵消材料的光热优势 这一 结论与薛可历 16 在研究复合蓄热材料时提出材料存在 最佳应用浓度的观点一致 2 3 综合性能评价与应用潜力分析 综合温度曲线与3项性能指标分析 TC2处理具备 最佳综合蓄热性能 高效的吸热和保温能力 表明其 具有作为主动蓄热介质的潜力 TL3处理也表现出较好 的升温能力 优势在于可快速提升温度 竹炭粉悬浮 液性能均衡 原料来源广泛且成本低廉 作为经济型 选项具有一定的推广价值 结合本试验结果进一步明确 通过在日光温室后 墙主动蓄热系统中填充高性能悬浮液 如5 浓度碳纳 米管悬浮液 有望在单位体积内实现更大蓄热量和 宋欣然 等 日光温室中不同碳基悬浮液蓄热性能对比 51 更长放热时间 为优化当前主动蓄热日光温室设计提 供新的材料选型思路 3 结束语 本研究在日光温室环境下 对纯净水 吸光改性 水及3种不同浓度的碳基悬浮液进行系统的蓄热性能 对比研究 结果表明 各碳基悬浮液在升温期蓄热量 与降温期放热量上均明显优于纯净水 其中 5 浓度 碳纳米管悬浮液展现最优的综合性能 蓄热保持效率 高达76 3 表明其不仅能吸收大量太阳能 还可以将 热量有效地保持至傍晚 这对于维持日光温室夜间温 度稳定具有突出的应用价值 此外 10 浓度松墨粉 悬浮液表现出卓越的快速升温能力 达到最高的峰值 温度 同时 研究发现蓄热材料性能与浓度并非全部 基于正相关关系 碳纳米管悬浮液升温期蓄热量随浓 度增加呈现先上升后下降趋势 表明碳纳米管的应用 可能存在更优浓度阈值 同时 竹炭粉悬浮液凭借其 均衡的性能和低廉的成本 展现作为经济型备选方案 的潜力 综上所述 本研究证实在日光温室主动蓄热系统 中 采用优化后的碳基悬浮液替代传统纯净水 在提 升单位体积的蓄热能力和热能利用效率方面具有极佳 潜力 该结果为新一代节能日光温室 特别是装配式 日光温室 3 与主被动结合蓄热系统 7 的设计与优化 提供了坚实的试验数据和关键的材料选型依据 针对试验中不同浓度试验组缺乏平行重复的局限 性 未来需在不同季节和天气条件下通过对试验组设 置平行重复样 进一步验证碳基悬浮液的蓄热性能 明确不同材料 不同浓度对蓄热性能影响的显著性差 异 为碳基悬浮液在日光温室蓄热系统中的应用提供 更详实的试验依据 参考文献 何勇 设施农业 推动现代农业发展的重要力量 J 人民论坛 2025 13 63 67 1 李式军 设施园艺学 M 北京 中国农业出版社 2002 2 杨定伟 荆海薇 景炜婷 等 不同墙体材料的装配式日光温室 的热性能对比分析 J 中国农业大学学报 2023 28 10 194 205 YANG Dingwei JING Haiwei JING Weiting et al Comparative analysis of thermal performance of fabricated solar greenhouses with dif ferent wall materials J Journal of China Agricultural University 2023 28 10 194 205 3 薛可历 刘聪聪 贾鸿源 等 日光温室墙体保温蓄热技术的探 索与展望 J 区域供热 2024 2 96 102 141 XUE Keli LIU Congcong JIA Hongyuan et al Practice and pro 4 spect of wall insulation and heat storage technology in solar greenhouse J District Heating 2024 2 96 102 141 张纪涛 史向远 李永平 等 优化日光温室热环境与建构的工 程技术研究进展 J 农学学报 2021 11 9 72 78 ZHANG Jitao SHI Xiangyuan LI Yongping et al Engineering technology for optimizing the thermal environment and the construction of solar greenhouse research progress J Journal of Agriculture 2021 11 9 72 78 5 李文龙 日光温室主被动显热蓄热供热系统传热模型构建及其传 热特性分析 D 兰州 兰州交通大学 2023 6 佟国红 白义奎 赵荣飞 等 日光温室复合墙与土墙热性能对 比分析 J 沈阳农业大学学报 2011 42 6 718 722 TONG Guohong BAI Yikui ZHAO Rongfei et al Thermal prop erty investigations for layered walls and earth walls in Chinese solar greenhouses J Journal of Shenyang Agricultural University 2011 42 6 718 722 7 刘晨霞 马承伟 孙国涛 山西曲沃3种类型日光温室热环境现 状测试与分析 J 中国农业大学学报 2016 21 3 96 103 LIU Chenxia MA Chengwei SUN Guotao Thermal environmental status testing and analysis of three types of solar greenhouse in Quwo of Shanxi J Journal of China Agricultural University 2016 21 3 96 103 8 刘晗意 张良 杨洋 等 平板填充式相变蓄热水箱蓄放热特性 研究 J 制冷学报 2025 46 3 39 47 LIU Hanyi ZHANG Liang YANG Yang et al Heat storage and discharge characteristics of flat filling phase change thermal energy stor age tank J Journal of Refrigeration 2025 46 3 39 47 9 陈瑾萱 杜震宇 新型主动蓄放热墙体改善日光温室内热环境的 数值研究 J 太阳能学报 2024 45 5 431 440 CHEN Jinxuan DU Zhenyu Numerical investigation on enhancing in door thermal environment of solar greenhouses through novel active heat storage and release wall J Acta Energiae Solaris Sinica 2024 45 5 431 440 10 段学彤 龙永 张加庆 等 相变储能材料在节能建筑中的应 用研究进展与展望 J OL 精细化工 1 20 2025 11 12 https doi org 10 13550 j jxhg 20250406 11 NAZIR H BATOOL M BOLIVAR 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