《Case Studies in Thermal Engineering》：Metal-foam skeleton effects on PCM thermal storage for greenhouse microclimate Control: A numerical study
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本研究聚焦于解决炎热干旱地区日光温室白昼高温与夜间低温波动剧烈的问题。为构建低能耗的被动式温控系统，研究人员将相变材料（PCM）集成于温室北墙，并引入开孔金属泡沫（MF）以强化其热传导性能。通过建立二维瞬态CFD微气候模型（ANSYS Fluent），本文量化比较了铜、铝、钢三种金属泡沫骨架（固定为20 PPI，孔隙率ε = 0.93）对PCM储热模块充放热行为及室内温湿度场的影响。研究结果表明，嵌入金属泡沫可显著改善PCM内部的热量扩散，降低局部过热，提升潜热利用率。其中，高导热的铜泡沫效果最佳，能将PCM日间峰值温度降低约5–7 K，并使日最大液相分数从无泡沫时的约0.22提升至约0.35。这一发现为设计高效、节能的MF–PCM温室储热模块提供了关键的材料级指导。
在人口增长、气候变化和粮食安全压力日益增大的全球背景下，发展可持续、资源高效利用的农业技术成为当务之急。温室能够为作物提供可控的微气候环境，实现全年种植，这对于应对极端或剧烈波动的室外条件尤为宝贵。然而，维持适宜的温湿度往往需要消耗大量的供暖与制冷能源，导致高昂的运行成本并对环境造成显著影响。因此，近年来，研究能够以最小资源消耗维持适宜微气候的节能型温室系统成为一个重要方向。
在众多被动式热管理方案中，相变材料（Phase Change Material, PCM）因其在熔化和凝固过程中能够吸收和释放大量潜热，从而平抑室内温度波动、延迟热峰出现，减少对主动式温控系统的依赖，在温室应用中备受关注。PCM已被广泛应用于温室北墙储热层、增强型砖块/涂层、顶板及根区模块等场景，其核心效果是削弱昼夜室内温度变化，提升夜间温度，减少辅助供暖/制冷的需求。但一个普遍存在的瓶颈是：许多PCM的热导率较低（通常为0.2–0.6 W·m-1·K-1），这会减缓其熔化/凝固速度，并在内部产生较大的温度梯度，从而限制其储放热效率。
为了解决PCM热导率低的问题，一个有效的方案是嵌入金属泡沫（Metal Foam, MF）。金属泡沫具有相互连通的韧带结构，能极大地增强热量扩散，可将复合材料有效热导率提升至102W·m-1·K-1数量级。这有助于改善日间充电（吸热）、减少分层、增强峰值温度“削峰”能力，并提供更平滑、更持久的夜间放热。以往的研究多关注PCM本身的选择、放置位置、厚度或泡沫孔密度（PPI）的影响，而泡沫骨架材料（如铜、铝、钢）在相同几何与运行条件下对系统性能的独立影响却鲜有被深入量化评估。本研究正是为了填补这一空白而展开。
为了探究不同金属泡沫骨架材料对PCM储热模块性能及温室微气候的具体影响，研究人员开展了一项系统的数值模拟研究，相关论文发表在《Case Studies in Thermal Engineering》期刊上。
本研究主要采用了以下关键技术方法：研究人员建立了一个面向南的日光温室二维瞬态计算流体力学（CFD）微气候模型，该模型在ANSYS Fluent软件中实现。模型将土壤层和作物冠层处理为多孔介质，以考虑其对气流的阻力及与空气的热交换。温室北墙集成了有机PCM面板，并辅以嵌入开孔金属泡沫（铜、铝、钢）的过冷盐水合物单元。PCM的相变过程采用焓-孔隙率法进行模拟，而PCM-金属泡沫复合材料则在局部热平衡假设下，使用混合有效热物性进行处理。模型中考虑了通过覆盖层的太阳短波辐射传输、与外界环境的长波辐射和对流换热、以及室内表面间的长波辐射。瞬态模拟采用了基于实测气象数据的小时变化环境温度与太阳辐射强度作为边界条件，并使用非均匀网格和经过验证的数值设置（如RNG k-ε湍流模型、离散坐标法辐射模型）来确保结果的准确性。
研究结果
5.1. 温度场
通过在t = 15000 s（日间）对比有无金属泡沫增强的温室温度云图发现，在不使用金属泡沫时，温室屋顶附近会形成较大的高温区，且PCM模块周围的温度梯度更为显著，这表明储热单元内部热量扩散较慢，对室内空气的缓冲作用较弱。而使用铜泡沫后，温度场变得更加平滑均匀，高温区域的范围在同一时刻有所减小，反映出PCM模块内部热量再分配更快，对入射热量的吸收更有效。
5.2. PCM热响应
5.2.1. 金属泡沫类型的影响
对比无泡沫、铜泡沫、铝泡沫和钢泡沫四种情况下的PCM平均温度日变化曲线发现，金属泡沫的插入显著改变了PCM的热行为。在日间充电期，无泡沫的PCM会出现最高的温度平台，表明热量在内部分布不均，容易产生局部过热。而嵌入金属泡沫后，温度平台降低，曲线更平滑，因为泡沫的导电网络能更有效地重新分配热量。其稳定效果与泡沫材料的热导率直接相关：铜泡沫效果最强，可将峰值/平台温度相较于无泡沫情况降低约5–7 K；铝泡沫次之，降低约3–5 K；钢泡沫效果最小，降低约2–3 K。
5.2.2. 平均PCM温度
在特定日间高温（Tex= 45 °C）和夜间低温（Tnight= 15 °C）的日循环下，对比PCM单元的平均温度演变。结果显示，在日间，填充泡沫的案例温升更陡，且日间温度水平更高。钢泡沫案例在夜间过渡前达到最高峰值（约25.65–25.70 °C），其次是铝（约25.48–25.52 °C）和铜（约25.45–25.48 °C），而无泡沫案例的平台温度最低（约25.28–25.32 °C）。夜间，填充泡沫的案例在大部分时间里保持比无泡沫案例略高的温度，表明其在白天吸收了更多能量并在夜间更有效地释放。
5.2.3. 平均液相分数
在相同的日循环条件下，对比PCM的平均液相分数演变。结果显示，金属泡沫显著加速了熔化过程，并提高了日间结束时所达到的熔化分数。在约20:00时，无泡沫情况下的液相分数峰值约为0.22，而使用铜泡沫时约为0.35，铝泡沫约为0.33，钢泡沫约为0.29。这表明高导热性的泡沫促进了内部热量扩散，使得在可用的日间窗口内有更大体积的PCM参与相变。
5.2.4. 监测点位置的影响
通过分析铜泡沫增强情况下，室内空气、地面、PCM和灰砖等不同区域监测点的温度演变发现，铜泡沫改善了PCM与其周围环境的热耦合，限制了充电期间的局部热点，并在冷却阶段提供了更平滑、更持续的热释放。室内空气温度相对混合良好，地面温度响应滞后且存在明显的垂直梯度，PCM点温度则聚集度更高，表明泡沫增强了其内部热均匀性。
5.3. 气流响应
5.3.1. 速度场随日间温度的演变
通过展示不同日间温度下（298 K至318 K）四个时间点的速度云图和流线图发现，温室内的气流主要是浮力驱动的，并逐渐发展成一个主要的回流循环。提高日间温度会增强浮力，导致更高的峰值速度和更广的高速区，尤其是在温室上部区域和屋顶沿线，从而增强了PCM表面的外部对流更新。
5.3.2. 沿分析线的速度剖面
通过对比无泡沫及三种泡沫材料情况下，沿两条取样线（线1和线3）的速度分布发现，插入金属泡沫改变了PCM模块内部的热量再分配，从而修改了其周围的浮力驱动，并重塑了温室内的自然对流循环。铜和铝泡沫通常能保持相对更高、更平滑的速度水平，并减少停滞区域，而钢泡沫的效果介于中间，无泡沫情况则显示出更明显的低速区。
研究结论与意义
本研究通过瞬态CFD模拟，系统评估了在炎热干旱昼夜条件下，采用北墙PCM储热并经开孔金属泡沫增强的南向温室的被动热调节性能。主要结论如下：
- 1.
MF的插入显著改善了PCM模块内部的热量扩散，产生了更平滑的温度场，减少了日间充电时的局部过热，并使PCM体积得到更有效的潜热存储利用。
- 2.
泡沫材料强烈控制着增强效果的水平。其稳定效果遵循热导率排序：铜泡沫对降低PCM日间峰值或平台温度的效果最大（相对于无泡沫约降低5–7 K），铝泡沫产生中等降低（约3–5 K），钢泡沫产生的改善最小（约2–3 K）。
- 3.
泡沫增强加速了熔化过程，并在可用的日间窗口内提高了潜热利用率。在所考察的循环下，最大日液相分数从无泡沫时的约0.22增加到铜泡沫的约0.35、铝泡沫的0.33和钢泡沫的0.29。
- 4.
气流保持以浮力驱动为主，并朝着主导的再循环流动发展。储热模块与周围空气之间改善的热耦合修改了浮力驱动，减少了停滞区域，并促进了更均匀的循环，其中铜和铝泡沫通常比钢泡沫支持更平滑的速度分布。
这项研究的意义在于，它首次在相同的几何和操作条件下，隔离并量化比较了不同金属泡沫骨架材料对温室PCM储热系统性能的影响，建立了泡沫材料特性与耦合热流场响应之间的直接联系。研究结果为旨在实现最小能耗输入的被动式温度缓冲的MF–PCM温室储热模块设计，提供了切实的材料选择指导。尽管本研究基于二维模型和一系列简化假设，但其揭示的规律为后续更复杂（如三维、多日循环、多参数优化）的研究以及技术经济性评估奠定了重要基础，对推动低能耗、高稳定性的智能温室农业发展具有积极的参考价值。
