【研究背景】
太阳能温室建筑墙体的配置和建筑材料的热性能直接影响墙体的保温、蓄热特性，从而影响温室内的热环境。为了解决太阳能温室在设计和建造过程中墙体蓄热的变化，本研究旨在将太阳能与相变蓄热技术有效地结合起来。利用Energy Plus，本研究模拟并验证了相变材料在温室后墙上的蓄热和放热性能。该研究还探讨了这些材料对黄瓜生长的增温效应。复合相变温室的蓄热能力优于传统温室。蓄热壁有效地改善了黄瓜的整体热环境、保温性能和蓄热性能，最终提高了黄瓜的产量和品质。
目前，相关成果以“Application of phase change material on solar-greenhouse back
wall and its effects on indoor thermal environment and cucumber production in winter”为题发表在《Biosystems Engineering》(IF2023=6.7, CiteScore=10.0)上。文章第一单位为宁夏大学酿酒与园艺学院，文章通讯作者为张雪艳教授。
【文章解读】
图1. 复合相变材料与温室后墙示意图.
相变温室北墙采用了由北京工业大学研制的复合相变材料、水泥砂浆、建筑垃圾、水按0.35:0.39:0.26:0.23的比例组成的涂料。后墙表面的涂层厚度为40毫米。为了尽量减少两个温室之间的对流，PC板被放置在间隔500毫米的地方，形成一个封闭的空气中间层。对照温室管壁不作处理，在对照温室和试验温室中栽培黄瓜作物。绝缘材料大约在上午8点打开，在16:30到17:00之间关闭。对照温室和试验温室的通风和种植管理模式基本一致。
图2. 温室截面及传感器布置（a为控制温室，b为相变温室）.
相变温室和对照温室的墙体吸热和放热测量均在距离墙体2 m的高度进行。这一测量发生在距离墙壁0.5厘米处，其中一侧与墙壁直接接触，另一侧暴露在空气中。同样，热流板被放置在离墙1.5米的高度，遵循上述相同的条件。为了测量两个温室的土壤吸热和放热，评估是在距离后墙3.5米的地方进行的。这项测量是在位于地表以下0.5厘米的土壤中进行的，其中一侧与地面完全接触，另一侧暴露在空气中。此外，在距后壁相同距离的垄断下放置了一个热流板。关于室内环境测量，在温室内选择了一个中心墙位置，距离后墙4米，距离地面1.5米。在此位置安装各种温度传感器，包括空气温度、湿度、土壤温度、湿度传感器，每10分钟记录一次数据。温室温度测量点设置在温室纵向与跨度的交叉处，距地面高度分别为0.5 m、1.0 m和2.0 m。同样地，光、湿测点设置在纵向与跨度的交点处，但测点高度为距地面0.5 m。
表1. 温室组成部分的主要热工性能参数.
图3. 复合相变蓄热墙温室室内空气温度变化模拟（2022年12月16日~ 20日）.
为了研究复合相变材料对温室热环境的影响，我们利用Energy Plus软件构建了温室模型。该模型计算了2022年12月16日至20日温室内的空气温度和壁面温度。模拟的室内空气温度（见图3）和墙体表面温度（见图4）与实验值吻合较好，室内温度最大误差为4.1℃，墙体温度最大误差为2.6℃。这些模拟误差仍然在农业工程建设可接受的范围内。因此，对定日镜模型的分析表明，相变材料后壁对定日镜具有良好的储热和隔热性能。
图4. 温室复合相变蓄热墙壁面温度变化模拟（2022年12月16日至20日）.
此外，该研究还对不同天气下的后墙温度、室内气温和热流密度分布等因素进行了数据分析。
表2. 不同温室后墙材料对植物生长指标的影响.
表3. 不同温室后墙材料对果实品质的影响.
【文章总结】
室内空气温度和墙体表面温度的模拟值与实验值接近，室内温度的最大误差为4.1℃，墙体温度的最大误差为2.6℃。该水平的仿真误差被认为是可以接受的，可以满足农业工程建设的要求。在典型晴天的夜间，相变温室比常规温室始终保持较高的温度。三个月的平均温度分别为12.17°C、11.46°C和14.73°C，比传统温室的平均夜间温度增加了2.37°C、1.7°C和2.58°C。此外，相变温室在夜间表现出较慢的平均冷却速率，分别为0.5、0.7和0.45°C /h。在一个典型的阴天，相变温室在白天比传统温室高3.1℃，2.1℃和1.5℃。在拆除隔热材料之前的上午8点，室内温度最低，比传统温室的温度高2.5℃，2.3℃和1.9℃。这些发现表明，当阴天室外温度较低时，温室的后墙涂有复合相变材料，可以有效地保持热量，并为定日镜提供隔热。2月份温室平均供热能力最高，其次是12月和1月。在这三个月里，相变温室一直表现优异，从12月到2月，相变温室的平均供热值分别比传统温室高45.9%、44%和43.7%。与常规温室相比，相变温室黄瓜茎粗增加24.8%，株高增加31.9%，叶片数增加21.8%，果实重增加28.5%，SPAD增加13.6%，叶面积增加34.7%。此外，相变温室黄瓜的有机酸含量下降了1.6%，这是果实营养品质的重要指标。可溶性糖含量提高26.9%，硝酸盐含量降低4.5%，维生素C含量提高6.2%，可溶性固形物含量提高23.5%，糖酸比提高25.9%。试验结果表明，复合相变材料增强的温室环境对植株生长和果实品质均有积极影响。
【文献来源】
Xueting Bi, Qiang Ma, Xiaozhuo Wang, et al. Application of phase change material on solar-greenhouse back wall and its effects on indoor thermal environment and cucumber production in winter. Journal of Building Engineering, 2024; 93: 109883.
https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109883
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