顧金壽

（甘肅自然能源研究所，甘肅蘭州730000）

隨著我國科學技術的飛速發(fā)展，農業(yè)科技水平得到顯著提高，現(xiàn)代化建設正在向“科技興農”的方向邁進[1]。溫室大棚作為農業(yè)生產的重要工具，具有保溫、儲熱的特點，已經在世界各地普及，在我國北方地區(qū)最為普遍。它利用太陽能來提高室內溫度，從而為農作物生長提供適宜的溫度及環(huán)境，推動農作物增產，提升生產質量。但溫室大棚在實際應用過程中仍無法滿足農作物生長的必需條件，也對一些不可再生資源造成了浪費，污染了生態(tài)環(huán)境，因此需要對溫室大棚建設進行優(yōu)化。在溫室大棚后墻應用復合相變墻體材料可以達到節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的目的。

1 相變材料在溫室大棚中的應用

1.1 溫室大棚蓄熱相變材料

溫室大棚中使用的復合相變材料主要分為3類，共晶化合物材料（45.3%尿素+54.7%NH4NO3、74.9%棕櫚酸+25.1%丙酰胺酸等）、無機材料（Na2HPO4·12H20、CaCl2·6H20、KF·4H20 等）和有機材料（石蠟、正十六烷、脂肪酸、聚乙二醇等）[2]。

復合相變材料具有潛熱性，與顯熱儲能相比，其蓄熱儲能密度更高，蓄放熱范圍更小，實際效果更加有效。除此之外，相變溫度范圍能夠為農作物帶來良好的生長環(huán)境。

1.2 溫室蓄熱無機相變材料

在溫室大棚蓄熱材料中，無機相變材料熔點范圍較寬，因此應用極為廣泛。目前，CaCl2·6H20、Na2SO4·10H20、CH3COONa·3H20 等無機相變材料在溫室大棚后墻建設應用最廣，主要原因是其具備導熱性好、潛熱值大、相變形態(tài)變化小、相變溫度范圍符合作物生長條件、廉價經濟等優(yōu)點。除此之外，無機相變材料還可以合理控制溫室大棚內的溫度及濕度，節(jié)約能源和費用，對植物生長大有裨益。但該材料的使用也存在一定不足，一是無機水合鹽會產生過冷現(xiàn)象；二是會發(fā)生相分離現(xiàn)象，嚴重影響相變過程。因此使用中應添加防過冷劑和防相分離劑。

1.3 溫室蓄熱有機相變材料

目前，在溫室大棚中經常使用石蠟、烷烴、脂肪酸等有機相變材料。一般情況下，同系有機物碳鏈長度與相變焓值和相變溫度呈正比關系，因此有機相變材料的相變溫度范圍極廣，隨著碳鏈長度的不斷增加，相變溫度的增長趨勢逐步減緩并趨于平穩(wěn)。該材料在固體形態(tài)時具有良好的成型性，且性能穩(wěn)定、毒性小、腐蝕性小、成本低，但在使用期間過冷、相分離等現(xiàn)象發(fā)生率較大[3]。與此同時，有機相變材料單位體積內僅能存儲少量熱量，因此相變過程中會出現(xiàn)明顯的體積膨脹或收縮變化，且熔點較低。當處于高溫環(huán)境時，極易出現(xiàn)氧化、揮發(fā)性現(xiàn)象，甚至還會導致燃燒、爆炸，給農業(yè)帶來經濟損失。目前，在溫室大棚中通常將有機相變材料和無機相變材料組合使用，使2 種材料的缺陷能夠相互彌補，有效提升材料性能，從而使其應用范圍更加廣泛。

1.4 石蠟類相變材料

石蠟是原油的重要組成物質，屬于混合物，主要代表成分為直鏈烷烴（通式：CnH2n+2）。烷烴鏈條長度直接決定了石蠟的熔點和熔解熱，兩者呈正比關系，但當碳鏈長度超過一定范圍時，其熔點和熔解熱變化會逐漸趨于定值[4]。在同樣的環(huán)境條件下，石蠟類相變材料的熔點和熔解熱比無機相變材料更為理想化。為了得到合適的相變溫度，應該根據(jù)實際情況挑選含有不同數(shù)量碳原子的石蠟類物質。一般情況下，石蠟的化學性質較為穩(wěn)定，當其與酸堿性物質相遇時，僅與硝酸發(fā)生反應。在140℃環(huán)境中，石蠟不易碳化分解和開裂，但其表面硬度小，軟化點較低。石蠟基本不會發(fā)生過冷和相分離現(xiàn)象，沒有腐蝕性，成本相比較而言更為親民。但石蠟也存在一定缺點，如密度小、導熱系數(shù)低等。為了有效提升石蠟的導熱性能，在使用期間通常會添加一定比例的石墨、金屬網(wǎng)、金屬屑等成分。

1.5 脂肪酸類相變材料

常見的溫室大棚脂肪酸類相變材料為醇、酯、脂肪酸等，通式為CH3（CH2）2nCOOH，熔點和熔化熱的范圍較大，在蓄熱領域應用頻繁。該類材料具有腐蝕性小、不易燃、凝固和熔化性能可逆等優(yōu)勢，不易發(fā)生過冷和相分離現(xiàn)象，但也存在定形封裝困難、導熱性能差等劣勢，導致其在相變儲熱的應用推廣上受到了一定阻礙[5]。

2 北方溫室大棚后墻相變材料的選擇

2.1 作物生長溫度要求

對于作物生長而言，溫度能夠影響其在生長過程中的代謝過程，包括有機物合成及運輸、呼吸、光合、蒸騰等，因此氣溫的調節(jié)對于作物生長而言尤為重要[6]。在溫室大棚內，主要是通過調節(jié)室內溫度影響水分的吸收和疏導，從而為作物生長帶來促進作用。不同溫度、不同植物種類、新陳代謝酶數(shù)量等都是影響作物活性的要素，因此對溫度的要求也各不相同。植物生長的溫度要求分別為最低溫度、最高溫度和最適溫度。在作物生長期間，溫度環(huán)境不能低于最低溫度，也不能高于最高溫度[7]。理論上來講，促使作物生長最快的溫度環(huán)境即為最適生長溫度，但該溫度下生長作物并不能保證其健壯程度，因為作物在生長最快時會加速體內有機物的消耗，植株的生命力反而不會過于強壯。因此在培育植株的過程中，通常將溫度環(huán)境調節(jié)至最適溫度以下，該溫度被稱為最適協(xié)調溫度。

因氣候條件、植物種類各不相同，所以溫度三基點也具有明顯的差異性[8]。按照氣候地帶的作物生長三基點進行劃分，寒帶最適溫度一般不超過10℃，有些植物甚至在0℃以下也能正常生長；溫帶處于中等溫度，最適溫度為25～30℃；亞熱帶或熱帶最高，最適溫度為30～35℃。全球范圍內，植株的平均最適生長溫度為15～30℃，因此選用相變溫度在15～30℃的溫室相變材料砌筑大棚后墻最為理想。

2.2 地區(qū)氣候分析

地區(qū)氣候也可以對作物生長產生嚴重影響。由于我國北方是農業(yè)生產的重要基地，因此溫室大棚的使用頻次位于全球首位。本研究以北方地區(qū)的典型代表—遼寧省沈陽市為例，探究該地區(qū)氣候對溫室大棚農作物生長的實際影響。遼寧省沈陽市屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明。冬季時長且寒冷，晝夜溫差大，近三年（2017—2019 年）冬季平均氣溫為-11.2℃，年日照2 531 h 左右，太陽輻射年均量高達5 000 MJ/m2以上，太陽能資源十分豐富。

據(jù)調查，沈陽地區(qū)近三年（2017—2019 年）來的氣溫變化較為穩(wěn)定，11 月至次年4 月的溫度持續(xù)低于15℃，這樣的溫度環(huán)境不利于農作物生長，再加上該地區(qū)晝夜溫差大，只有搭設溫室大棚才能確保農作物的成活概率。這就為復合相變材料的溫室大棚后墻應用提供了基礎條件。

2.3 復合相變材料性能要求

北方溫室大棚后墻的砌筑工程要以滿足農作物生長為基礎要求，因此復合相變材料的選取應滿足以下幾個條件：一是體積穩(wěn)定、蓄熱效率高、相變潛熱大[9]；二是相變溫度在15～30℃；三是相變過程可逆、無毒無害、化學性能穩(wěn)定；四是相變材料來源豐富、價格低廉。

3 復合相變材料在溫室大棚后墻中的應用效果

3.1 微氣候變化影響

普通溫室大棚全天室內溫度變化趨勢隨外界溫度變化而變化，雖不會影響作物正常生長，但變化浮動過高，波動嚴重可超過50℃。使用復合相變材料砌筑后墻的溫室大棚全天室內溫度變化趨勢相對穩(wěn)定，相變溫度波動在1.7～42.5℃，相比之下，其溫度波動幅度遠沒有普通溫室大棚高。

相變材料常用來儲存太陽能熱量，其儲熱特性呈現(xiàn)隱性，與顯熱儲熱相比，該材料的儲熱密度更大、儲熱效率更高，溫度變化波動也相對平緩。白天的外界溫度變化對棚內溫度不會產生太大影響，當大棚內溫度達到一定數(shù)值后將不會繼續(xù)升高，從而使多余的太陽能儲存下來，以供夜晚使用。夜晚太陽照射消失，溫室內白日儲存的太陽能被釋放，使室內溫度維持在相變溫度范圍內，促進農作物生長[10]。

3.2 內環(huán)境影響

為了彌補相變材料的不足之處，在砌筑溫室大棚后墻的過程中，會在相變材料中添加一定物質，膨脹金屬、膨脹石墨等物質也可以將相變材料的性能進行強化，但由于造價成本過高，因此并未實行推廣，而是采用金屬屑來強化導熱。

為了探究金屬屑對相變材料導熱性能的影響，本研究在相變溫度范圍為15～30℃的珍珠巖顆粒相變材料中添加質量相同但粒徑不同（1.8～5 mm）的鐵粉，以室內溫度最先達到30℃為參照標準，結果發(fā)現(xiàn)摻雜的鐵粉粒徑越小，相變材料的導熱性能越好。由于摻入相變材料中的鐵粉體積相同，因此粒徑越小的鐵粉摻入量越多，這樣與珍珠巖顆粒的接觸面積就會增加，使其熱量迅速傳遞給珍珠巖顆粒，促使相變材料導熱性能得到強化。此外還具體研究了相變溫度范圍為15～30℃的珍珠巖顆粒相變材料中添加體積不同（0%、10%、15%）的鐵粉對相變材料導熱性能的影響。結果表明，鐵粉滲入量越多，相變材料溫度升高越快，導熱效果越好。

3.3 農作物生長影響

本研究分別在相變溫室和普通溫室中種植等量、同種類的作物種子，觀察并記錄其生長狀態(tài)。在觀察中發(fā)現(xiàn)，升溫階段相變溫室的平均溫度大于普通溫室，差距可達到4.2℃；降溫階段相變溫室的平均溫度同樣大于普通溫室，差距可達到2.3℃，但其溫度降幅小于普通溫室。在出苗成活率方面，100 株種子中相變溫室出苗成活率超過80%，且成長狀態(tài)良好；普通溫室出苗成活率僅為45%左右，成長狀態(tài)整體欠佳。說明采用復合相變材料砌筑溫室大棚后墻能夠有效改善溫室蓄熱性能，減緩環(huán)境溫度變化，提高太陽能利用率，對農作物生長環(huán)境具有良好的調節(jié)作用。

4 結束語

復合相變材料具有良好的蓄能特性，將其運用在溫室大棚后墻的砌筑上能夠將太陽能進行合理利用，使溫室全天都處于適合作物生長的環(huán)境中，還能夠在一定程度上保護生態(tài)環(huán)境，是促進農業(yè)發(fā)展、保護社會環(huán)境的重要舉措。