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1、论文编号:(钊八M州日一卜()2一呢陀玻化微珠相变保温蓄热材料在日光温室中的应用及其育*王蕊,旨耗分析姚轩,李珠入原理丁少、学建筑与土木工程学院,山l叫太原030024)摘要:本文依据相变原理,结合 玻化微珠保温材料,研制J一种新型无机保温蓄热材料;采用模型试验法,对辽沈I型和采用该材料的超低能耗温室的温度进行犷对比测试,根据测试 结果,并以稳定传 热理论为基础的简易估算法对温室的能耗进行了计算。研究结果表 明,将该材料应用于温室中,小仅可以减小墙体厚度,还 可在消耗较低能量的基础卜,满足冬暖型温室对室内温度要求。关键字:玻化微珠,日光温室,相变,保温蓄热,节能APPlic atio nand
2、Ene rgyCo nsumPtionAn alysis ofThermalInsulationandHeatStor agePha seCha ngeMate rialw ithGlazedHollowBe adsinGre e nho useWang Rui,物0Xuan,LiZhu(T alyuanUn一 ver s一t yofT eehn ology,Co】legeofArehlteetu re a ndC一v一1 Eng一 nee r一ng,Sha nx 一几,yuan030024)Abstra et:Ae eord ingtoPha seehangePrin ciPleandint
3、egratingwitllther mal insula tionm a terialwith Gla zedHol lowBe ads(G.H.B.),thePaPerPresentsthedeveloPme ntofanewk indofther malin sula tionand hea tstorageor ga niema terial.B yme ansofthemodalexPerime nta tion,thee omParingtestof indo ortemPe ra tu reofLia o she n1g r ee nhou sea ndultr alowen er
4、 gyeo n sumPtiongre e nho u sewhieh15posse ssedwithther malin sula tio nand hea tstoragePha seeha ngem a terialwithGla z edHollowBeads,a ndonba sisofte stingre sultsandsim Pleestima tio nwhieh 15ba sedo nste adyhe attransf erthe ory,thePaPe rProvide sthee aleula tio nofen er gyeonsumPtionofLiaoshen1
5、g r ee nho u sea ndultralowene电yeo n sumPtio ngree nho u se.Re se arehingresultsshowtha tundertheutiliza tionofther mal in sulatio na ndhea tstoragePha secha ngematerialwithG la zedHollowBeadsintheg r eenho u se,notonly15deerea sedthewallthiekne ss ofthegre e nhouse,butalso15f illedther e quirement
6、toindo ortemPera ture ofwa rmwintertyPegree nhousewithlowener gyeonsumPtion.K ey wo rds:Gla zedHollowBe adS,gree nhouse,Phaseehange,ther malinsula tionandheatstorage,ener gysa ving月 l J舀日光温室的设计宗旨就是利用太阳辐射产土 的热量来提高塑料人棚或玻璃房内的温度,用 以满足植物生长的需要。在实际应用中,当 自大太阳辐射强烈时,由于温室效应的影响温室人棚 内一般温度较高,需通过换气等措施降低室内温度;当夜晚太阳辐
7、射减弱时,由于温室围护结构保温性和蓄热性较斧,在冬季时常需要通过外加热能来满足室内作物的生 民需求。日前,在我 国土要采用燃煤热风炉为温室提供补充热能,但由于燃煤热风炉本身的发热率低,温室保温性和蓄热性斧等原因,导致冬季燃煤量较大;并且在燃雄金项日:山西省青年科技研究草金J刘20!0 02 020一2)作者简介:中工蕊(197 9一),女,山西人,g l J 教授.硕!一一泞师.一要从事结构T程和建筑,能研究(一ma:1w an gn j lma oyaho oc omc n):姚轩(1985一),男,山西人,在读硕卜.卜要从事建筑竹能研究:李珠(!95 9一),男,河南人,教授.博一导帅1
8、要从事结构丁_程和建筑竹能研究。11一585.烧过程中伴随产生较多的温室气体,严重污染环境。据调杏,北京地区采用燃煤热风炉加热过冬的单个温室每年的耗煤量高达9一20吨。这样高能耗的日光温室有悖于其建设私l设计初衷,太阳能未被充分有效地利用。如何有效地转移温室内白大多余的太阳能为夜间使用,即实现能量的时间转移,减少供暖能耗,实现建筑节能,以成为建造低能耗日光温室新的研究和发展方向。本文,针对上述问题,研发了一种新型无机相变保温蓄热材料,采用模型试验的方法,测量井得到了目前我国大量使用的辽沈工型温室和采用本材料温室的温度变化 曲线,对比了两者的能耗指标。研究结果表明,将本文研制的新型无机相变保温蓄
9、热材料应用于日光温室中时,不仅可以减小墙体厚度,还可以采用较低的能耗,满足冬暖烈温室人棚对室内温度要求。相变材料的研发1.1材料主要成分(1)相变材料:石蜡。(2)玻化微珠:选用国家高新技术企业一一太原市思科达科技发展有限公司的产 品。(3)水泥:山西太原狮头水泥厂生产的普通硅酸盐水泥,强度等级 4 2.SMPa。(4)外加剂。1.2试验仪器(l)砂浆专用搅拌机。(2)导热系数测定仪:大津市建仪试验机有限责任公司生产的O R P一SW型导热系数测定仪。(4)压力试验机:浙江 十l一仪器制造有限公司生产的10 0K N压力试验机。(5)差示扫描量热仪。(6)其他辅助工具:制作与拆卸试块用的玻璃板
10、;电子称2台(量程1 0乡3ok g一台,量程0.0 1牙500 9一台);1个比的容量筒:插捣棒;砌筑抹刀。1.3材料热物理参数的测定(l)导热系数测定:本文中导热系数仪采用双平板法,因此试件制作个数最少为两个,本试验取用4组共8个薄板试件进行测试,4组测试结果的平均值为0.10 24w/(m K)。(2)抗压强度测定:取用3组共9个试块进行试验。试验时,由于玻化微珠相变保温砂浆早期强度较低,因此本试验采取本课题组通用 的做法取用养护龄期为2 8大的试块进行抗压强度的测试。加载过程采用分级加载的方式,当试块外观接近破坏时则采用慢速连续加载。测试结果值的取用标准按照:以3个试件的算数平均值作为
11、该组试件的抗压强度值,测试结果平均值为O.62 3MP a。(3)表观干密度测定:在制作试块和试件前,利用容量筒前后取用2份干掺拌成品料进行称量,根据密度公式计算2份干掺拌成 品料的密度,最后止者平均值为3ook留m,。图1测导热系数所用薄板试件采用差示扫描量热仪对材料进行了D SC,相变潜热值为 2 5.8 3kz/kg。图2测抗少长强度所用试块(4)测试,本文研制的玻化微珠相变保温蓄热材料的相变温度为 2 6.3.1卜5 86-表1材料热物理性能参数测定结果玻玻化微珠相变保温蓄热材料料热物理性能参数数导导热系数/W/(mK)0.102 4 4 4抗抗)长强度/MPa a a0.623 3
12、3表表观+密度/k岁m,30 0 0 0相相变温度/(o C)2 6 3 3 3相相变潜热值,/kJ/k g g g125.83 3 32日光温室热工性能模型试验2.1模型的制作本文采用模型试验的方法,对第_代竹能刑日光温室的典型代表辽沈I型和采用本文研制的保温蓄热材料的超低能耗日光温室(简称超低能耗日光温室)的室内温度进行 了对比测试。模型尺寸按照辽沈I型原型尺寸按比例进行缩小确定,其中长度尺寸的缩小比例为1:5 0,跨度、围护墙体高度和厚度的缩小比例为1:10,原型和模型的具体尺寸见表2。墙体厚度的换算按照等热阻的原则计算确定。超低能试验模型除墙体厚度外,其他尺寸均与辽沈I型一致,模型均能
13、采用木_仁板制作,对超低能耗和辽沈I型日光温室分别编号为I号和n号模型。表2日光温室原型和模型尺寸日日光温室名称称原型尺寸寸模型尺寸寸辽辽沈I型日光温室室长度度60m m m长度度1.2m m m跨跨跨度度7m m m跨度度0.7m m m后后后坡仰角角!350 0 0后坡仰角角13 50 0 0前前前坡面角角300 0 0前坡面角角3 00 0 0山山山墙脊高高3,6m m m山墙脊高高0.36m m m后后后墙高高3.om m m后墙高高0.30m m m墙墙墙厚(夹心墙)0.6m m m墙厚厚24m m m m超超低能耗l_l光温室室墙厚(粘土砖墙)0.24m m m墙厚厚IZmm m
14、m制作时以木一工板为模型主材,采用气钉连接,接缝处用乳胶填塞。制作超低能耗日光温室时,为了方便砂浆与木板的粘勃,将水泥砂浆与乳胶拌合,然后甩撒于木板面上,尔后将黄土添置于模型内铺平压实。水掺拌玻化微珠相变保温砂浆和玻化微珠保温砂浆,涂抹于超低能耗日光温室内外侧(墙内侧抹SOm m厚玻化微珠相变保温砂浆,外部3 0m m厚的保温隔热层),待蓄热层和保温隔热层风千硬化后,利用铁丝固定模型棚膜,沿南北方 向以间距s cm一6 cm布置,沿模烈东西方向拉紧铁丝并用螺丝钉固定。覆膜时,前坡面埋置 于土中,最终试验模烈见 卜 图:图3辽沈I型日光温室模型(Il号模型)图4超低能耗日光温室模型(I一号模型)
15、.11一5 87-2.2测试仪器温度记录仪:采用衡欣温湿度记录仪,型号为AZ 8829,温湿度测量范围分别在一0一8 5,O%10 0%,准确度对于温度士0.6(一O一5 0),士1.2(拼O一20,51一8 5);对于湿度为士3%,采样间隔从15一2 h,采样数据量为16000笔。试验地点选定在太原市晋源区罗城棘针村,模型坐北朝南。由于模型采用木工板制作,为了不影响木工板的性能,同时也考虑到本次试验的目的是对比处 于冬季相同外界环境的情况一Fl号模型和1 1号模型室内温度的差异,因此模型设计末设置模型室内加热装置,由此也忽略模型室内温度低于实际日光温室室内温度的情况。在模型试验保温控制方面,
16、模型棚膜全大覆盖不打开,这样不仅可以使模型室内白天充分接受阳光照射的同时,能够有效防_l卜由于模型室内长波辐射热量透过塑料薄膜散失到外界。夜间将保温棉被覆盖与模型棚面,防止夜间热量透过棚膜造成模型室内在夜间温度剧烈波动。由于是在冬季,根据农村惯用做法,晴天早上9:3 0揭被,一卜午16:3 0盖被,若遇阴大或下雪大气则不揭被,每日在盖被之前用干布擦拭模型棚膜的灰尘。2.3测试结果及分析试验时间选定20 10年l月18日到l月24日,全天数据采集时刻为0:00、2:00、3:00、6:00、9:00、11:00、12:00、13:00、15:00、17:00、19:00、21:00、23:00共
17、13个时刻点。试验测试指标选定I号模型与11号模型室内温度以及当天相同时刻的室外温度。用于测量工号模型与H号模型室内温度的温度自动记录仪放置于模型室内中央,测量室外温度的温度计放置于与前者同一水平位置处。根据试验采集的测量结果,以时间作为坐标横轴,温度作为坐标纵轴,将同一大内1 3个时刻工号模型与H号模型室内温度以及室外温度标记于图中,并用直线将各点连接,作出数据对比折线图。图5给出了典型的结果 曲线图。通过对测试数据的计算和对比可以得到:1月1 8日到2 4日,测量到的I号模型1 3个时刻的室 内温度的平均值比H号模型1 3个时刻室 内温度平均值分别高3.4 8、2.5 8、2、2.7 2、
18、2.2 8、2.5 8和1.7 1。1 8日、1 9日和2 3日,I号模刑1 3个时刻的室内温度从最高值变化到最低值所用时间比H号模型多用7h、g h和lh。在2 0日和2 1日这两大中I号模型1 3个时刻的室内温度从最高值变化到最低值所用时间比 1 1号模型少4h和3h。22日不1124日则用时相同。从总体上来分析,由于I号模型室内采用玻化微珠相变保温砂浆和玻化微珠保温砂浆作为蓄热层和保温隔热层,与木工板相结合构成复合围护墙板,使得I号模型室内温度达到最高值的时刻比H号模型平均延迟lh,I号模型室内温度最高值也比 n号模型平均要高1.8,工号模型室内温度下降到值的时刻比 11号模型逐渐提前,
19、同时I号模型室内温度最低值也比n号模型平均提高3.9。工号模型1 3个时刻的室内温度从最高值变化到最低值所用时间也比 H号模型平均偏长,而且I号模型1 3个时刻的室内温度的平均值也比H号模型1 3个时刻的室 内温度的均值平均提高2.4 7。:一付刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻刻一一护尸一从、比折线图一号模型室内温度度一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一,1 1号模型室 内温度度态态态_二一_二沂了一二不二二瓦从板、,叹一_,室外温度度奋奋奋户衬,一、尸,权、卫份,一呻呻呻二二二一一一一我/奋份二抽抽抽一一一、一,、.尸;图51月1 9测试数据结果 及对比折线图.11一5 8
20、8二氧化碳、二氧化硫和烟尘的排放量比后者分别减少0.9 1 3 t,9.7k g和4.0 4k g。若按原煤价格每吨63 0元计算,超低能耗日光温室围护墙体和辽沈I型日光温室围护墙体采暖期所需的费用分别为23 48.6 4元和2 60 3.1 6元。因此用于超低能耗日光温室围护墙体的采暖费用比辽沈I型日光温室围护墙体的采暖费要 节省254.5元。4结论】.本文研制的新型无机相变保温蓄热材料的导热系数为。.l02 4W/(m2K),抗压强度为0.6 23MPa,干表观密度为3 0Ok留m3,相变温度为2 6.3,相变潜热值为12 5.8 3k J/k g,能够满足在温室大棚和建筑房屋内使用的热物
21、理参数的要求。2.在相同的外界环境条件中,通过模型试验对超低能耗日光温室和辽沈I型日光温室的室内温度测试结果表明:超低能耗日光温室模型的室 内温度均值比辽沈I刑日光温室模型相同时刻的温度均值平均提高2.4 7,超低能耗日光温室模型会比辽沈I型日光温室模型室室内温度延时出现峰值,通过两项指标显示 了超低能耗日光温室具备较强的蓄热能力。3.根据200 9年1 1月一201 0年2月超低能耗日光温室和辽沈工型日光温室的围护墙体 的热负荷,采用度时法计算得出用于超低能耗日光温室围护墙体热负荷的燃煤需求量比辽沈工型日光温室围护墙体热负荷的燃煤需求量要少0.4 04 t,二氧化碳、二氧化硫和烟尘的排放量分
22、别减少0.9 1 3t、9.7k g和4.O4 kg,相应的围护墙体专项采暖费节省25 4.5元。参考文献:1 1王云冰,邹志荣,杨建军.高效保温材料在日光温室后屋面中的应用研究 J l.西北农林科技大学学报,2ol0,38(l):I7 3一17 9.Wa ngYun一bing,ZouZhi一rong,Ya ng Ja n一u n.APPl ieatio nrese a rehofhighlyef f eetivethe rmalin s ula tionm a terials o nsola rgree nhou sebaek一roo几J.Jo umalofNor thwe stA&FUni
23、versity.2010,38(l):173一179.2 1白青,张亚红,傅理.极端低温条件下光温室保温性能分析I J.西北农业学报,2010,l9(ll)二巧丰16 0B月Qing,Z HANGYa honga nd FU Li.AnAn al ysisofThermalProPer tyof sola rGre enhouseu nde rExtremeLow一temPeratu reJl.Ac t aAg rieultu ra eBoreali一Oe eide ntalissinea,20lO,19(川:15冬16 0.口李天来,张昆,韩亚东.辽沈I型日光温室西山墙热通量!变化及分布规律
24、的研究【J l.沈阳农业大学学报,2 010,4l(2):1 3不14 1.LlTia n一lai,Z HANGKun,HA N Ya一do ng.D iur nalVariatio nandD istributionofwesrWal He atFluxinLia o shenISola rGre enhouseJ.Jo ur nalofshe nya ngAgrie ultur alUniversity,2010,4 1(2):137一14 1.【4 1孙心心.日光温室新型保温墙体材料的制各及其应用效果的研究【0.杨凌:西北农林科技大学,20 10.SLNX in一xin.Stu勿0nTh
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