CN101781549B - 一种园艺复合相变管材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种园艺复合相变管材及其制备方法，制得的该园艺复合相变管材以无机相变材料为主材，封装在聚乙烯管材中，无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：8.8％～10.6％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％～74％，CaCl₂：1.5％～3.5％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％；CMC：0～1％，余量为水，上述无机相变材料的百分比之和为100％。其制法是先按照不同的相变温度和潜热要求配制混合无机相变主材；然后将混合后的无机相变主材无机加热到超过其相变温度点的温度，然后让其变成液态；使其成为饱和溶液；利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小调整封装的实际管径和长度，即可得到园艺复合相变管材。

Description

一种园艺复合相变管材及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑节能材料领域，涉及用于园艺生产领域的节能保温材料，特别涉及一种园艺复合相变管材及其制备方法，本发明制得的园艺复合相变管材以复合无机相变材料为主材，以有聚乙烯管材封装，安装在温室建筑内部，园艺复合相变管材在充分的光照条件下，和室内植物生长层面相配合，适合于满足大多数园艺作物对生长最适温度的要求。

背景技术

利用物质在固液、固固相变过程中吸收或释放能量的特性可以将暂时不用的能量储存起来，待需要时再加以利用，这类材料统称为相变储能材料，被广泛应用于空调节能、建筑节能、甚至空间技术等方面。随着节能减排和低碳经济的要求，大量的农业设施也开始应用相变材料来达到建筑节能的目的，特别是作为园艺生产建筑的温室，更是急需通过新的高性能的相变材料来大幅度提高其生产性能。

相变储能材料包括无机类(结晶水合盐、熔融盐等)、有机类(石蜡类、酯酸类等)以及无机有机复合类。有机相变材料具有具有合适的相变温度和较高的潜热，并且无毒、无腐蚀性、无过冷、无分层等问题，稳定性强，相变过程可逆性好，适合在建筑领域中应用。但有机相变材料的缺点是导热性差、价格高，有些材料在高温或强氧化剂存在时会燃烧分解等。

利用相变材料的潜热来进行热能的储存或释放，可以制造出各种提高能源利用率的设施，同时，利用相变材料在相变过程中温度近似恒定的特性，可以达到控制温度的目的。目前，这类材料已被广泛应用于太阳能利用、余热废热回收、智能化自动空调建筑物、玻璃暖房、相变储能型空调、保温服装等民用和军用领域，而且范围在不断扩大。

常用的高能相变材料是通过固液相变进行能量的存储和释放的，由于储能时材料为液态，必须有容器密封封装，不仅容易泄露还增大了传热介质和材料间的热阻，且成本亦会相应提高，使得传统的材料在太阳能利用和建筑领域推广应用存在一定的困难。同时，单一的相变材料，相变温度一般都不符合园艺作物的温度要求，因此不能直接应用于园艺生产的温室建筑。

相变复合材料的耐久性始终是一个制约其广泛使用的因素，包括相变材料多次相变循环后热物理性质的下降、相变材料泄露、相变材料载体破坏，相变材料的热物理性质在多次融解-凝固循环后开始退化。

除此之外，相变材料的相变温度也是制约相变材料在园艺生产中应用的一个很大的制约因素。无机相变材料大都存在不同程度的过冷现象，无机相变材料的这一特性有时会影响相变材料的应用。但是，如果通过相变材料的复合，控制过冷温度，则该物理特性会极大地拓展无机相变材料在园艺生产中的用途。针对园艺产品的生长特点，结合温室的实际温度曲线，复合相变材料，能够实现在园艺产品的最适温度上限时开始大量储能，在最适温度下限时开始大量放能。

在已公开的专利技术中涉及了将相变材料封装在多孔建筑材料中的方法，但其生产工艺复杂，而且由于要将相变材料封装在多孔的建筑材料中(如珍珠岩等)，然后再将封装有相变材料的该类多孔轻质材料作为骨料加入在建筑材料中，因此在施工过程中不得不影响建筑材料的强度，而且除此之外还面临封装材料的渗漏问题，在实践推广中有一定的难度。珍珠岩等孔隙材料虽然可以大量吸附相变材料，但是最终的成型材料由于强度较低，不能够单独应用于建造，因此会大大增加建筑的成本和构造施工的难度。

Na₂SO₄·10H₂O具有价廉，高储热密度和适宜熔解温度等优点，缺点是在相变过程中存在相分离现象。研究表明，Na₂SO₄·10H₂O在1000次相变循环后，其熔解热降低达73％。升温过程中Na₂SO₄·10H₂O有明显的相变点，相变温度为33℃左右。但降温过程中则没有明显的相变温度点，这不是说降温过程中不存在相变，正是由于液固相变，有大量白色沉淀物析出，溶液出现明显的固液分层现象，而温度计所测的位置没有达到固相中，测得的只是脱出的结晶水随温度变化的曲线，因此，也就不能反映出Na₂SO₄·10H₂O降温时的真实相变情况。

Na₂HPO₄·12H₂O体系的升温曲线和降温曲线，升温过程中相变温度明显，为35.2℃，降温过程中没有发现分层现象，但过冷现象严重，过冷度为8.5℃左右；

CaCl₂·6H₂O的相变温度约在26℃～29℃，熔解热为190kJ/kg，不易分解，价格低，易得，安全无毒。CaCl₂·6H₂O具有良好的储热节能和除湿效果，但同时发现CaCl₂·6H₂O有严重的过冷问题(其过冷度达20℃)和对湿度的敏感性，对应用不利。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明目的是提供一种具有稳定性高、相变潜能大、相变温度容易控制、工艺简单、成本低、易于实施的园艺复合定型相变管材的制备方法。

为了实现上述任务，本发明通过以下技术方案得以实现：

一种园艺复合相变管材，其特征在于，制得的该园艺复合相变管材以无机相变材料为主材，封装在聚乙烯管材中，所述的无机相变材料由以下质量百分比的原料混合制成：Na₂SO₄：8.8％～10.6％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％～74％，CaCl₂：1.5％～3.5％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％；CMC：0～1％，余量为水，上述无机相变材料的百分比之和为100％。

上述园艺复合相变管材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：按照不同的相变温度和潜热要求配制混合无机相变主材；

步骤二：将混合后的无机相变主材无机加热到超过其相变温度点的温度，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小调整封装的实际管径和长度，即可得到园艺复合相变管材。

针对不同园艺作物的生长要求，同时，考虑建筑的实际热负荷，生产设备可以生产不同尺寸和不同热容量的预封装相变材料管材。

将本发明的园艺复合相变管材安装在温室建筑内部，安装的过程中需注意将园艺复合相变管材充分暴露在光照条件下，并且和室内植物生长层面相配合。

本发明具有如下优点：

1、相变材料主材为无机类相变材料，因此具有来源广泛、价格低廉、相变导热能力强、储热能力强等特点。

2、采用建筑中广泛应用的聚乙烯管作为相变材料的封装材料，具有生产率高、产品质量稳定、价格低廉等特点，加之采用了分管包装和热塑封口技术，有效地避免了渗漏的风险，同时也可以有效地改善复合相变材料的过冷和相变分离等热物理性质。

3、该发明材料既可以在新建各类绿色、生态建筑或者农业室建筑中使用，也可以用来改造已经建成的各类绿色和生态建筑，由于采用了成熟的建筑安装施工工艺，因此，基本不会对现有的施工增加难度，因此极具推广和应用的价值。

4、本发明涉及的四种复合相变材料配方，其熔解温度为26℃左右，凝固温度约为10℃。因此可以达到在园艺温室建筑内部高温时，吸收夏季温度高时的太阳辐射热，降低温室内气温；而在园艺温室建筑内部温度降低时，防止冬季过冷时室内结冰。使复合相变材料兼备储热和除湿双重效果，对改善建筑内部环境和节能环保有重大意义。特别是，该相变材料的相变温度介于大多数园艺作物的最适生长温度，因此，也可以保证大多数园艺作物的最佳生长状态。

附图说明

图1为配比-1DSC曲线图。

图2为配比-2DSC曲线图。

图3为配比-3DSC曲线图。

图4为配比-4DSC曲线图。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明制备的园艺复合相变管材，其特点是以无机相变材料为主要相变材料，以聚乙烯管材封装，无机相变材料存在于聚乙烯管材内部。

衡量一种复合相变材料的重要指标是其相变焓高、相变温度稳定易控。对于，满足园艺生产的相变材料来说，同时要具备合适的相变温度，和较高的热容量。

实施例1：

本实施例制备的园艺复合相变管材，具体包括以下步骤：

步骤一：无机相变材料配方

按质量比取下列无机相变材料混合：

Na₂SO₄：8.8％，Na₂HPO₄·12H₂O：74％，CaCl ₂：2.5％，H₂O：13.6％，硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)：1％，CMC：0.1％；以下称为配比-1。

步骤二：将无机相变混合材料加热到70℃，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小来调整封装的实际管径和长度，一般为每根0.3m³左右，得到园艺复合相变管材；

园艺复合相变管材的尺寸大小还可以根据建筑的实际情况来调整。

将本实施例制备的园艺复合相变管材安装在温室建筑内部，安装的过程中需注意将园艺复合相变管材充分暴露在光照条件下，并和室内植物生长层面相配合。

通过试验，本实施例的园艺复合相变管材的性能由图1的DSC曲线表示，从图1的DSC曲线可以知道，当外界温度升高时，该园艺复合相变管材从22.70℃开始大量吸热，在28.88℃达到第一个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了47.49J/g；从41.00℃开始再次大量吸热，在53.97℃达到第二个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了58.91J/g；从54.00℃之后，该园艺复合相变管材的吸热速度开始减慢，到66℃之后，该园艺复合相变管材处于保存能量阶段，吸热趋于平缓。

当外界温度降低时，该园艺复合相变管材从10℃开始大量放热，在9℃左右达到放热的峰值，该阶段的放热达到了124.4J/g；从5.00℃之后，该园艺复合相变管材的放热速度开始减慢，放热趋于平缓。

该园艺复合相变管材采用配比-1的无机相变材料，适合于喜凉园艺作物对生长最适温度的要求；同时也可以作为温室在冬季保证维持植物生长，是一种应对极端天气的复合相变材料。

实施例2：

本实施例制备的园艺复合相变管材，包括以下步骤：

步骤一：无机相变材料配方

按质量比取下列无机相变材料混合：Na₂SO₄：8.8％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％，CaCl₂：3.5％，H₂O：14.6％，硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)：1％，CMC：0.1％；以下称为配比-2。

步骤二：将无机相变混合材料加热到70摄氏度，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小来调整封装的实际管径和长度，一般为每根0.3m³左右，得到园艺复合相变管材；

园艺复合相变管材的尺寸大小还可以根据建筑的实际情况来调整。

将本实施例制备的园艺复合相变管材，安装在温室建筑内部，安装的过程中需注意将园艺复合相变管材充分暴露在光照条件下，并和室内植物生长层面相配合。

通过试验，该园艺复合相变管材的性能由图2的DSC曲线表示；从图2的DSC曲线可以知道，当外界温度升高时，该园艺复合相变管材从20.87℃开始大量吸热，在26.96℃达到第一个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了38.18J/g；从39.11℃开始再次大量吸热，在52.04℃达到第二个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了52.90J/g；从56.00℃之后，该园艺复合相变管材的吸热速度开始减慢，到60℃之后，该园艺复合相变管材处于保存能量阶段，吸热趋于平缓。

当外界温度降低时，该园艺复合相变管材从10.77℃开始大量放热，在10℃左右达到放热的峰值，该阶段的放热达到了93.71J/g；从5.00℃之后，该园艺复合相变管材的放热速度开始减慢，放热趋于平缓。

园艺复合相变管材由于采用配比-2的无机相变材料，适合于大多数园艺作物对生长最适温度的要求，因此，具有很大的推广应用价值。

实施例3：

本实施例制备的园艺复合相变管材，包括以下步骤：

步骤一：无机相变材料配方

按质量比取下列无机相变材料混合：Na₂SO₄：10.6％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％，CaCl₂：1.5％，H₂O：14.9％，硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)：1％；以下称为配比-3。

步骤二：将无机相变混合材料加热到70摄氏度，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小来调整封装的实际管径和长度，一般为每根0.3m³左右，得到园艺复合相变管材。

具体的园艺复合相变管材的尺寸大小还可以根据建筑的实际情况来调整。

将本实施例制备的园艺复合相变管材安装在温室建筑内部，安装的过程中需注意将园艺复合相变管材充分暴露在光照条件下，并和室内植物生长层面相配合。

通过试验，该实施例制备的园艺复合相变管材的性能由图3的DSC曲线表示，从图3的DSC曲线可以知道，当外界温度升高时，该园艺复合相变管材从18.00℃开始大量吸热，在29.33℃达到第一个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了68.19J/g；从38.00℃开始再次大量吸热，在50.00℃达到第二个吸热的峰值；从55.00℃之后，该园艺复合相变管材的吸热速度开始减慢，到60℃之后，该园艺复合相变管材处于保存能量阶段，吸热趋于平缓。

当外界温度降低时，该园艺复合相变管材从15.18℃开始大量放热，该阶段的放热达到了161.00J/g；从5.00℃之后，该园艺复合相变管材的放热速度开始减慢，放热趋于平缓。

本实施例的园艺复合相变管材由于采用了配比-3的无机相变材料，适合于对于园艺建筑内部温度要求较高的喜温园艺作物的要求。

实施例4：

制备的园艺复合相变管材，包括以下步骤：

步骤一：无机相变材料配方

按质量比取下列无机相变材料混合：Na₂SO₄：9.3％，Na₂HPO₄·12H₂O：74％，CaCl₂：1.5％，H₂O：13.2％，硼砂(Na₂B₄O₇·10H₂O)：1％，CMC：1％；以下称为配比-4。

步骤二：将无机相变混合材料加热到70摄氏度，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小来调整封装的实际管径和长度，一般为每根0.3m3左右；得到园艺复合相变管材，

具体园艺复合相变管材尺寸的大小还可以根据建筑的实际情况来调整。

将本实施例制备的园艺复合相变管材安装在温室建筑内部，安装的过程中需注意将园艺复合相变管材充分暴露在光照条件下，并且和室内植物生长层面相配合。

通过试验，本实施例的园艺复合相变管材的性能由图4的DSC曲线表示，从图4的DSC曲线可以知道，当外界温度升高时，该园艺复合相变管材从20.00℃开始大量吸热，在30.00℃达到第一个吸热的峰值；从35.00℃开始再次大量吸热，在44.07℃达到第二个吸热的峰值，该阶段的吸热达到了202.80J/g；从56.00℃之后，该园艺复合相变管材的吸热速度开始减慢，到60℃之后，该园艺复合相变管材处于保存能量阶段，吸热趋于平缓。

当外界温度降低时，该园艺复合相变管材从12.00℃开始大量放热，在11.33℃左右达到放热的峰值，该阶段的放热达到了156.20J/g；从5.00℃之后，该园艺复合相变管材的放热速度开始减慢，放热趋于平缓。

本实施例的园艺复合相变管材由于采用了配比-4的无机相变材料，适合于大多数园艺作物对生长最适温度的要求，因此，具有很大的推广应用价值。

复合体系的研究表明，复合相变温度符合园艺温室建筑内部对环境控制的实际需求，因此在一定程度上是有利的。重复实验结果表明该体系重复性好，相变温度稳定。

Claims (6)

1.一种园艺复合相变管材，其特征在于，制得的该园艺复合相变管材以无机相变材料为主材，封装在聚乙烯管材中，所述的无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：8.8％～10.6％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％～74％，CaCl₂：1.5％～3.5％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％；CMC：0～1％，余量为水，上述无机相变材料的百分比之和为100％。

2.如权利要求1所述的园艺复合相变管材，其特征在于，所述的无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：8.8％，Na₂HPO₄·12H₂O：74％，CaCl₂：2.5％，H₂O：13.6％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％，CMC：0.1％。

3.如权利要求1所述的园艺复合相变管材，其特征在于，所述的无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：8.8％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％，CaCl₂：3.5％，H₂O：14.6％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％，CMC：0.1％。

4.如权利要求1所述的园艺复合相变管材，其特征在于，所述的无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：10.6％，Na₂HPO₄·12H₂O：72％，CaCl₂：1.5％，H₂O：14.9％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％。

5.如权利要求1所述的园艺复合相变管材，其特征在于，所述的无机相变材料由以下质量百分比的无机相变材料混合制成：Na₂SO₄：9.3％，Na₂HPO₄·12H₂O：74％，CaCl₂：1.5％，H₂O：13.2％，Na₂B₄O₇·10H₂O：1％，CMC：1％。

6.权利要求1所述的园艺复合相变管材的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：按照不同的相变温度和潜热要求配制混合无机相变主材；

步骤二：将混合后的无机相变主材加热到超过其相变温度点的温度，然后让其变成液态；加热过程中充分搅拌，使其成为饱和溶液；

步骤三：利用液体灌装设备将饱和溶液用聚乙烯管材封装，在封装的过程中需按照不同的建筑墙体承载能力和所需热负荷的大小调整封装的实际管径和长度，即可得到园艺复合相变管材。

Images