侯彬 范云 梁濤 張龍 薛金金 劉向東 張程賓

劉向東，1984年6月生，博士研究生，揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主持了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)防專項(xiàng)、江蘇省優(yōu)秀青年基金等多項(xiàng)課題，在國(guó)內(nèi)外權(quán)威刊物上發(fā)表了SCI論文80多篇，出版教材/著作3部，獲授權(quán)發(fā)明專利10余件。入選江蘇省高校青藍(lán)工程學(xué)術(shù)帶頭人、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程，兼任中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì)傳熱傳質(zhì)分會(huì)青年委員會(huì)委員、中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)工程熱物理專業(yè)委員會(huì)理事等職。

摘要：文章采用相變材料谷時(shí)儲(chǔ)熱（冷）、峰時(shí)供熱（冷）的策略將相變材料應(yīng)用至植物工廠建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，計(jì)算了植物工廠的冷、熱負(fù)荷及相變材料用量，并對(duì)有無(wú)采用相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的植物工廠進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，探討了相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗效果。研究結(jié)果表明，占地面積29.72 m2的40尺高柜集裝箱植物工廠，采用相變材料完全承擔(dān)日間負(fù)荷的運(yùn)行方式，最多需要1348.74 kg的相變材料，采用高密度聚乙烯平板狀容器封裝相變材料后，需要75.03 m2的內(nèi)表面積進(jìn)行布置。使用相變材料的植物工廠每年可節(jié)省4016.92元的運(yùn)行費(fèi)用，可在11.8年回收投資。

關(guān)鍵詞：相變材料；節(jié)能；植物工廠；經(jīng)濟(jì)分析

中圖分類號(hào)： TK501??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?Ａ

0?引言

植物工廠是一種在創(chuàng)造封閉環(huán)境中以人工方式種植植物的新型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，通過(guò)精準(zhǔn)控制溫度、濕度、光照等因素為植物提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。植物工廠對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、空氣流動(dòng)等條件有較高的控制要求，導(dǎo)致植物工廠的空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的能耗。相變材料由于能夠通過(guò)相變儲(chǔ)存和釋放能量，在建筑墻體［1-2］、紡織服裝［3］、制冷設(shè)備［4］、冷鏈物流［5］、通信［6］等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用能夠有效降低建筑能耗［7-8］。

目前，研究者在建筑相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗方面已開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［9］提出將相變材料集成到建筑墻體中，通過(guò)Energy Plus仿真研究這種復(fù)合相變墻體對(duì)間歇采暖室內(nèi)熱環(huán)境和能耗的影響。結(jié)果表明，與參考?jí)w相比，復(fù)合相變墻體年采暖能耗可降低4.74 %。文獻(xiàn)［10］通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，分析了添加石蠟對(duì)建筑室內(nèi)舒適度和節(jié)能效果的影響。結(jié)果表明，相變房間室內(nèi)空氣和墻體內(nèi)壁溫度分別降低了1.4 ℃和2.7 ℃，節(jié)能率高達(dá)57%。文獻(xiàn)［11］將相變儲(chǔ)熱泡沫混凝土應(yīng)用于建筑墻體圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，借助Energy Plus模擬軟件對(duì)采用不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑進(jìn)行能耗模擬，對(duì)比分析相變墻體

的節(jié)能效果。研究表明，采用相變墻體的辦公樓節(jié)能效果顯著，設(shè)計(jì)日逐時(shí)負(fù)荷變化降低。文獻(xiàn)［12］研究相變材料在夏熱冬冷地區(qū)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的性能，將所用的相變材料以高密度聚乙烯球封裝，并嵌入XPS保溫板，形成XPSPCM板。研究結(jié)果顯示，綜合考慮全年工況，當(dāng)XPSPCM板安裝至建筑物墻體靠近內(nèi)表面時(shí)能源使用強(qiáng)度值最?。粚?duì)于熔點(diǎn)為25 ℃的相變材料，相變材料集中布置在西外墻時(shí)建筑能耗最低。

然而，目前關(guān)于相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能降耗的研究主要集中在住宅、辦公樓等常規(guī)建筑物。植物工廠的冷、熱負(fù)荷特性與常規(guī)建筑有較大差異，對(duì)其相變材料的供能設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步地進(jìn)行定量研究。因此，本文提出將相變材料應(yīng)用在植物工廠系統(tǒng)中，并對(duì)植物工廠相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗效果進(jìn)行了分析，計(jì)算了植物工廠的冷、熱負(fù)荷及相變材料用量，對(duì)有無(wú)采用相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的植物工廠進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，探討相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗效果。

1?工程基本資料

1.1?工程概況

本文所設(shè)計(jì)的植物工廠為40尺高柜集裝箱植物工廠，位于江蘇省揚(yáng)州市，占地面積29.72 m2，長(zhǎng)12.192 m，寬2.438 m，高2.896 m。植物工廠包含操作區(qū)、種植區(qū)和動(dòng)力設(shè)備區(qū)3部分。其中，操作區(qū)包括環(huán)境控制面板、操作臺(tái)；種植區(qū)包括種植架、種植籃、生菜、植物生長(zhǎng)LED燈等；動(dòng)力設(shè)備區(qū)包括EC、pH控制器、營(yíng)養(yǎng)液儲(chǔ)存等。植物工廠由于占地1 m2，無(wú)需供冷供暖。植物工廠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用50 mm厚聚氨酯夾芯金屬壁板，金屬壁板的內(nèi)外層鋼板厚度為5 mm。

1.2?氣象資料

1.2.1?室外氣象資料

室外氣象資料［13］如表1所示。

1.2.2?室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

2?植物工廠負(fù)荷計(jì)算

2.1?植物工廠空調(diào)冷負(fù)荷

本文采用負(fù)荷系數(shù)法計(jì)算夏季空調(diào)冷負(fù)荷，通過(guò)冷負(fù)荷溫度與冷負(fù)荷系數(shù)直接從各種擾量值求得各分項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷，各項(xiàng)逐時(shí)冷負(fù)荷之和的最大值即為植物工廠的冷負(fù)荷［13-15］。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的冷負(fù)荷Q1為：

Q1=K·F［（t1+td）-tn］（1）

式中，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/（m2·K），取0.57；F為圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面積，m2；t1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷溫度的逐時(shí)值，℃；td為逐時(shí)冷負(fù)荷溫度的地點(diǎn)修正值，揚(yáng)州地區(qū)為0 ℃； tn為植物工廠內(nèi)設(shè)計(jì)溫度，取18 ℃。

（2）人體散熱形成的冷負(fù)荷Q2：取植物工廠栽培區(qū)2人，進(jìn)入房間時(shí)刻13：00，進(jìn)入后小時(shí)數(shù)為1。

（3）照明散熱形成的冷負(fù)荷Q3：供植物生長(zhǎng)的LED燈具每平方米功率80 W，其中60 %以熱量或輻射形式散失到室內(nèi)。

（4）新風(fēng)冷負(fù)荷Q4：新風(fēng)量應(yīng)取下列2項(xiàng)的最大值。

補(bǔ)償室內(nèi)排風(fēng)量和保持室內(nèi)正壓值所需新風(fēng)量之和；保證供給潔凈室內(nèi)每人每小時(shí)的新鮮空氣量不小于40 m3。

植物工廠空調(diào)冷負(fù)荷QC=Q1+Q2+Q3+Q4，匯總?cè)绫?所示。

2.2?植物工廠空調(diào)熱負(fù)荷

植物工廠空調(diào)熱負(fù)荷［13-14］包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量Qf以及照明散熱量Qg。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量：

Qi=αKF（tn+tw）（2）

（2）附加耗熱量：

Qf=Qj（1+βch+βf+βlang）·（1+βfg）·（1+βjan）（3）

（3）照明散熱量Qg：植物燈具每平方米功率80 W，其中60%以熱量或輻射形式散失到室內(nèi)。

植物工廠空調(diào)總熱負(fù)荷Qr=Qf-Qg，則植物工廠總熱負(fù)荷Qr為253 W，熱負(fù)荷指標(biāo)為8.8 W/m2。

3?相變材料用量計(jì)算

相變材料的物性參數(shù)如表4所示。

為達(dá)到移峰填谷的目的，本文采取谷時(shí)（21：00—8：00）開空調(diào)給植物工廠供冷（供暖）并使相變材料凝固（熔化），峰時(shí)（8：00—21：00）利用相變材料熔化（凝固）?？紤]到生菜的生長(zhǎng)適宜溫度為18℃左右，相變材料的相變溫度范圍應(yīng)當(dāng)接近此溫度，因此，本文最終選擇了石蠟類相變材料，相變溫度范圍為18～22℃。

3.1?夏季

將峰時(shí)（8：00—21：00）劃分成13個(gè)時(shí)間區(qū)間，分別計(jì)算在各個(gè)區(qū)間內(nèi)所需的相變材料量。例如計(jì)算第一區(qū)間［8：00—9：00］：

Qc1=5396 W=19425.6 kJ（4）

mx1=Qc1Δh=19425.6200=97.13 kg（5）

同理，可以計(jì)算出其他時(shí)間段所需相變材料的質(zhì)量［16］，如表5所示。

因此，（8：00—21：00）時(shí)間段內(nèi)需移出熱量以及相變材料的質(zhì)量為：

Qc=74930 W=269748.0 kJ（6）

mx=QcΔh=269748.0200=1348.74 kg（7）

3.2?冬季

峰時(shí)（8：00—21：00）時(shí)間段內(nèi)需補(bǔ)充的熱量以及相變材料的質(zhì)量為：

Qr=3289 W=11840.4 kJ（8）

mx=QrΔh=11840.4200=59.20 kg（9）

為同時(shí)滿足夏季蓄冷、冬季蓄熱需求，計(jì)算得相變材料質(zhì)量為1348.74 kg?？紤]到植物工廠運(yùn)行的靈活性，本文采用了宏封裝的方式將相變材料裝在長(zhǎng)方體高密度聚乙烯容器內(nèi)，尺寸分別為12.09×2.794×0.022（m）、11.09×2.794×0.022（m）、2.336×2.794×0.022（m）、1.336×2.794×0.022（m），貼在植物工廠內(nèi)壁，需要75.03 m2。

4?植物工廠負(fù)荷校核計(jì)算

加入相變材料后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)變小，需對(duì)空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行校核，校核結(jié)果如表6所示。

植物工廠總冷負(fù)荷QC為6007 W，冷負(fù)荷指標(biāo)為209 W/m2。植物工廠總熱負(fù)荷Qr為166 W，熱負(fù)荷指標(biāo)為5.8 W/m2。

5?谷時(shí)空調(diào)設(shè)備冷量、熱量計(jì)算

植物工廠需要空調(diào)提供的冷量Ql應(yīng)包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、照明散熱等形成的冷負(fù)荷QC以及使相變材料凝固所需的潛熱Qyn。植物工廠需要空調(diào)提供的熱量Qh應(yīng)包含圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量、照明散熱量形成的熱負(fù)荷Qr以及使相變材料熔化所需的潛熱Qrn，如表7—8所示。

6?經(jīng)濟(jì)分析

根據(jù)江蘇省電價(jià)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)可以計(jì)算出使用相變材料儲(chǔ)能和不使用相變材料儲(chǔ)能的電費(fèi)，如表9所示。

從表中可以看出，使用相變材料電費(fèi)比不使用相變材料每年電費(fèi)減少4016.92元，相變材料按35元/kg計(jì)算，相變材料共計(jì)47205.90元。每年運(yùn)行節(jié)省費(fèi)用4016.92元，投資回收期為11.8年。

綜上可知，采用相變材料儲(chǔ)能雖然在初投資上比不采用相變材料儲(chǔ)能高出47205.90元，但是利用谷時(shí)電價(jià)低的特點(diǎn)進(jìn)行蓄冷（儲(chǔ)熱），減少了運(yùn)行費(fèi)用，平衡了電網(wǎng)用電負(fù)荷。在相變材料不損失的情況下，相變石蠟至少可循環(huán)1萬(wàn)次，按每天循環(huán)1次計(jì)算，設(shè)計(jì)使用壽命為27.4年，因此，使用相變材料11.8年回收投資成本是一個(gè)可行的方案。

7?結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前在用電高峰期電網(wǎng)壓力過(guò)大以及社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，本文針對(duì)植物工廠相變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能降耗開展了研究，并計(jì)算了這一供能策略的經(jīng)濟(jì)性，為植物工廠供熱供冷提供新途徑。

（1）根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和植物工廠參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可知，植物工廠總冷負(fù)荷為6081 W，冷負(fù)荷指標(biāo)為212 W/m2，總熱負(fù)荷為253 W。

（2）加入相變材料后，植物工廠總冷負(fù)荷為6007 W，冷負(fù)荷指標(biāo)為209 W/m2，總熱負(fù)荷為166 W，冷負(fù)荷減少了74 W，熱負(fù)荷減少了87 W。

（3）植物工廠所使用的1348.74 kg相變材料成本共計(jì)47205.90元，設(shè)計(jì)使用壽命27.4年，通過(guò)每年可節(jié)省4016.92元的植物工廠運(yùn)行費(fèi)用，可在11.8年回收投資。

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（編輯?王雪芬）

Research on energy-saving and consumption reducing performances of

phase change enclosure structures in plant factories

HOU ?Bin1， ?FAN ?Yun1， ?LIANG ?Tao2， ?ZHANG ?Long2， ?XUE ?Jinjin3， ?LIU ?Xiangdong3*， ?ZHANG ?Chengbin4

（1.Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha 410004， China; 2.Shandong Electric Power Engineering Consulting

Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China; 3.College of Electrical， Energy and Power Engineering，

Yangzhou University， Yangzhou 225127， China; 4.School of Energy and Environment，

Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： ?This paper proposes a strategy of storing heat energy （cold energy） during off-peak hours and supplying heat energy （cold energy） during peak hours by using phase change materials （PCM） in the building envelopes of a plant factory. The cooling and heating loads of the plant factory were calculated and the maximum amount of PCM required were estimated. An economic comparison was conducted between plant factories with and without PCM envelopes to investigate the energy saving and consumption reduction effect of PCM envelopes in plant factories. The results show that the operation mode by using PCM to fully undertake the daytime load requires 1348.74 kg of PCM at most for a 40-foot high-cube container plant factory with an occupied area of 29.72 m2. After encapsulating the PCM in high-density polyethylene flat plate containers， 75.03 m2 of inner surface area of the plant factory is needed for arrangement of the containers. At least， 4016.92 yuan can be saved in annual operation cost for a plant factory using PCM. Thus， the investment can be recovered in 11.8 years.

Key ?words： phase change materials; energy-saving; plant factory; economic analysis