CN101111145B - 温室、温室气候控制系统和控制温室气候的方法 - Google Patents

温室、温室气候控制系统和控制温室气候的方法 Download PDF

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Abstract

本发明中既涉及一种封闭的温室又涉及一种系统，该系统用于采用冷却水来冷却温室空气，从而调节温室的气候，该用于调节气候的系统包括(喷射)冷凝器(10)，该冷凝器具有用于引导冷却水进入该冷凝器中的装置(13)。该冷凝器(10)具有传送来自温室的温暖空气到冷凝器(10)中进行冷却的鼓风机(12)和将来自冷凝器(10)的并且被冷凝器(10)中的温室空气加热的水引出的在冷凝器中的出口(14)。在本发明的方法中，温室的温暖空气被吹进冷凝器(10)，冷却水被引导到冷凝器(10)中，在冷凝器(10)内，当水流向下流动时，引导进冷凝器的空气向上升起，引导进冷凝器的冷却水与引导进冷凝器的空气相遇，以便冷却该空气。

Description

温室、温室气候控制系统和控制温室气候的方法
技术领域
本发明包括温室、温室气候控制系统和控制温室气候的方法。 
技术背景
先前已知的温室是其中由风门或鼓风机控制气候的那些温室。在那些温室中，过量的太阳能和过量的湿气通过通风的方法排出温室。在最理想的生长环境中，温度大约在18至25℃之间、空气湿度大约在70至90％之间并且二氧化碳的浓度超过1000ppm。最理想的生长环境要求对空气温度、湿气和二氧化碳的浓度有很好的控制。很明显地，在开放的温室里满足不了最理想的生长环境的要求。由于开放的温室内通过外部的空气降温，温室的温度将会上升超过目标值，这种现象在最好的生长期间尤其明显。在夏天，由于供应的二氧化碳能从设有通风装置的温室里流出来，所以过量二氧化碳(超过外部350ppm的水平)的使用不会起作用。开放的温室在考虑到能量消耗时也是不希望的。当过量的太阳能在白天排出时，温室需要在夜晚加热。而且，在春天和秋天，必须通过通风排出湿气，这需要额外的加热。 
封闭的温室的内部空气几乎与外部的空气隔绝。外部的空气不允许通过风门进入，也不能通过鼓风机吹进温室；但是，过量的热可以通过技术手段导出，而植物需要的二氧化碳也可以通过技术手段产生，并且其浓度可以更适宜地上升到至少500至1500ppm之间的水平。由于为了植物的生长，气候能被最理想的控制，所以封闭的温室被认为是植物生长的理想的解决方案。封闭的温室的使用首先受到劣质的功能性或早期解决方案的高成本的限制。 
有几个涉及温室系统的国际专利已经被发明，在这些专利中是采用封闭系统控制气候的。WO 00/76296专利提供了一种基于利用地下储存水的解决方案。由于通常没有地下水池可以利用，所以这个解决方案只能在有限的情形下才能利用。而且，为了减少对冷却水的需要，水蓄热器用在了这种解决方案中，其中在每天积累的太阳能的一半用于在晚上加热温室。然而，这些蓄热器的尺寸很大，例如，对于1000平方米的温室而言，需要大约200立方米的蓄热器。由于这种系统所需的成本与上述重要原因有关，所以，还没有被广泛地推广应用。 
EP 0 517 432 A1专利提供了一种蓄热器，该蓄热器每天吸收太阳能的热量；夜间，蓄热器的一部分被用来加热温室，一部分被导向较冷的空气。在这种情况下，对于1000平方米的温室而言，蓄热器必须有大约400立方米的大小。蓄热器所需的这么大的容积使整个温室系统的价格昂贵，因此，这种系统也没有广泛地使用。 
参考作为现有技术的US 4,044,078专利，该专利提供了一种用于冷却储藏的改进设备，其中冷水从上面通过网格结构逆着空气流喷射下来，而加热的水由外部的冷却器冷却。由于结构原因，空气和水的入射速度非常小，因此，如果用于温室的冷却，该设备将是非常大的。而且，该设备不适合冷凝空气中的湿气，因为这里只有水的入口而没有出口。由于上面提及的原因，这种解决方案也不适用于温室的使用。 
US 2003/0188477 A1专利包含了一种传统的开放的温室冷却系统，其中干燥的外部空气引导到该系统，该系统随着喷射到其上的环境温度的水的蒸发而降温。由于空气和水采用的这种混合的方式，其速度慢，所以热交换效果不好。由于外部的空气吹进系统并且进到温室内，所以不适用于冷却封闭的温室。不但过量的湿气不能用这种方法从温室里排出，而且被吹进去的空气所带有的潮湿也增加了通过通风将湿气排出温室的需要。 
US 4,707,995专利包括一种控制温室的温度和空气湿度的系统，该系统基于利用盐水除去湿气。在上述的处理方案中，空气是通过水的喷射输送的，而处理后的水在设备外进行收集和回收。该设备不能广泛地适用于温室的冷却和湿气的除去。 
一个相似的解决方案也提供在JP 4148123A 19920521专利公开文献中。水从上面喷射，设备中也有通风装置，而由通风装置吹进的风准备与喷射进来的水汇合进行热交换。 
在JP 2104222A 19900417专利公开文献中，也叙述了用水和空气之间的热交换冷却温室的空气。该设备包括利用冷地下水工作的热交换器，夜间通过上部的空气入口进入的冷地下水冷却温室，而湿气从装置下端排出。这个系统的效率不足以将每天的热量从封闭的温室内排除。 
发明目的
本发明的目的是提供可以在不同的环境下实现的温室和方法，这种温室和方法特别适用于封闭的应用环境，并且通过这种温室和方法，封闭的温室所需要的额外投资仅是上述解决方案的额外投资中的一小部分。 
发明概述
本发明涉及用于采用冷却水控制温室气候的系统。该系统包括冷凝器，用于引导冷却水进入冷凝器中的装置和设在冷凝器内并且用于将由温室的空气加热的水引出冷凝器的出口。其中，该系统还包括用于引导来自冷凝器的水的主要部分返回到该装置中而循环利用的水泵，用于将温暖空气吹进冷凝器进行冷却的鼓风机，蒸发器，用于将由包含在温室空气加热的所述水中的热量加热的水传送到所述蒸发器中的装置，以及，用来将在所述蒸发器中冷却的水引导进所述系统的水循环的水泵，以便用包含在由来自所述冷凝器的所述 温室空气加热的所述水中的热量进行加热。 
本发明还涉及具有用于采用冷却水控制温室气候的系统的温室，该系统包括冷凝器，用于引导冷却水进入冷凝器中的装置和设在冷凝器内并且用于将由温室的空气加热的水引出冷凝器的出口。温室内的系统还包括用于引导来自冷凝器的水的主要部分返回到该装置中而循环利用的水泵，蒸发器，用于将由包含在温室空气加热的所述水中的热量加热的水传送到所述蒸发器中的装置，以及，用来将在所述蒸发器中冷却的水引导进所述系统的水循环的水泵，以便用包含在由来自所述冷凝器的所述温室空气加热的所述水中的热量进行加热。 
用于控制在温室内的温室气候的本发明的方法与一个系统相关联，该系统包括冷凝器，用于引导冷却水进入冷凝器中的装置和设在冷凝器内并且用于将由温室的空气加热的水引出冷凝器的出口。在该方法的步骤中，引导冷却水到冷凝器内，在冷凝器内，引导进冷凝器的冷却水与引导进冷凝器的空气相遇用于冷却空气，其中，该步骤中的冷却水来自蒸发器，所述蒸发器与所述冷凝器相连。被温室的空气加热的水引出冷凝器。从温室里排出的水的主要部分输送到冷凝器的上端用于循环。 
本发明有利的实施例具有独立权利要求的特征。在一些有利的实施例中，温室的墙可以是待与温室连接的冷凝器和蒸发器的结构的一部分。 
在一些有利的实施例中，本发明实施为封闭的温室。 
本发明的温室不需要任何的具有正常的功能的风门或其它的传统的通风系统。而是，其包括： 
用于排出过量的热量或提供额外的热量的热控制装置； 
用于保持最理想的湿度的湿度控制装置； 
导入二氧化碳的装置。 
本发明的温室系统具有以下优点： 
由于最理想化的温度、湿度、尤其二氧化碳浓度的控制和可以更好地利用光能，而提高了20至50％的产量； 
对加热能量的基本上更小的需求； 
植物保护物质的使用的基本减少； 
在一些应用中，基于植物蒸发的水在冷凝器中的回收，基本上节约了用水； 
由于具有较好的调节，生产时间可以提前设定，因而后面的结果可以达到最理想化； 
可以很好地利用人造光； 
与解决同样问题的早期的解决方案相比，所需的构造和使用成本基本降低。 
下面，利用附图参考不同的实施例对本发明作更详细的说明。本发明不应受到这些实施例中细节的限制。 
附图
图1显示了本发明的实施例，其中在温室的气候控制系统中有冷凝器。 
图2是本发明的实施例，其中温室的气候控制系统有冷凝器和蒸发器。 
图3是本发明的另外一种具有冷凝器和蒸发器的实施例。 
发明详述
考虑到温室的气候控制，在一年的不同季节中的情况基本上是互相不同的。本发明的设备和方法尤其适用在仲夏，也适用在春天和秋天。当仲夏太阳的辐射能量最大时，将从温室中排出的热量也达到了最大值，而另一方面，夜间需要的加热的能量最小。 
图1提供了本发明实施例，其中其作为例子说明了根据本发明的温室的冷却，并且在温室的气候控制系统中有冷凝器10。 
图1具有冷凝器10，其在此是喷射冷凝器，来自温室的温暖空气由鼓风机12吹到冷凝器的下端，温暖空气向上流经冷凝器10，并被送回到温室内。温室外的寒冷或凉爽的水被引导到冷凝器上端的装置13中，在这里装置13是洒水装置，寒冷或凉爽的水部分来自其它的贮水设备(如来自海、河等)而经过管道21进到管道20中，并且作为循环水从冷凝器下端经过管道20。冷水经过洒水装置13上的小孔引导下来。速度大约为2m/s的细水流遇到速度大约为5m/s向上流动的空气，有效的热交换于是在水和空气之间发生。返回到温室的空气的温度降低到接近流到冷凝器中的水的温度。水的温度和水量决定了返回空气的温度和湿度。冷凝器底部收集的水由水泵15又引导到洒水装置13中用于实现热交换。根据来自外部的水源或其它水源的水量进行调节的水量通过冷凝器下端的出口14排出系统并且返回到其它的水系统。冷凝到水里的温室空气的湿气也通过这种方法排出。出口14是必要的，因为如果没有出口14，设备的某处就会溢出水。主要的水进行循环利用，即使有99％的水被循环利用，其它部分在夏天也是重要的，一天需要量超过5l/m2，也就是说，对于2000平方米的中型的芬兰花园来说，每日需要量超过10000升。 
在图2的实施例中，有冷凝器和蒸发器。解释了本发明的温室的冷却。图2中显示了冷凝器10，其在此是喷射冷凝器，来自温室的温暖空气由鼓风机12吹到(或者，温暖空气从冷凝器的上端抽吸)冷凝器的下端，温暖空气向上流经冷凝器10，并在冷却后被送回到温室内。从温室1外的蒸发器16来的寒冷或较凉爽的水被引导到冷凝器上端的洒水装置13。冷水经过洒水装置13上的小孔引导下来。速度大约为2m/s的细水流遇到速度大约为5m/s向上流动的空气，有效的热交换于是在水和空气之间发生。水的温度和水量决定了返回空气的温度和湿度。冷凝器下端14收集的水由水泵15引导到外部的蒸发器16中。 
蒸发器16的结构与冷凝器10的结构相似。蒸发器内加热的水和从冷凝器10中来的水被引导到其内的洒水装置18，而水从那里象淋浴一样的喷下。通过鼓风机17吹进来的外部的空气在蒸发器16与水流相遇。外部的空气经常比内部的空气冷，但无论如何也比内部空气干燥，因此，外部的空气冷却蒸发时流入蒸发器的水。冷却的水另外由水泵引导到冷凝器内部的洒水装置13中。必要的时候，按照关于在蒸发器蒸发的水量和在冷凝器中冷凝的水量的差异引导水进入系统内。 
相对于温室中从湿气中冷凝出的水量，蒸发器蒸发的水量至少并且通常大约是其两倍，因此水要被补充到循环系统中，或者在有中间热交换器的情况下补充到蒸发器自己的循环系统(例如补充的水可以是海水)。在图2中，也提供了补充水的地方(没有标号)。从原理上讲，蒸发器只要水的进口，不需要水的出口，但实际上，由于污垢和积累的盐需要天天的不断的洗涤和清洁，所以必须有出口。在图2中，水的出口位于水进口的下面(没有标号)。 
在控制方法中，冷凝器的水流的热容必须是空气流的的热容的3至6倍；这样，由于吹进和泵出空气所需的能量，冷凝器的热交换是尽可能有利的。喷射冷凝器的热交换效果完全与循环水的水量、喷射的高度、空气和水的进入速度和设计的喷射的总的表面积成正比。因此，本发明优选的冷凝器和蒸发器是，冷凝器的高度在2至4m之间，喷射流的直径在1至3mm之间，而水流和空气的进入速度在5至8m/s之间。例如，在横截面为1m2的冷凝器中，要求的空气流动速度大约为5m3/s，而水的流动速度大约为10l/s。 
如果在温室的附近有足够冷的冷却水(0至15℃)可以利用，系统可以不需要蒸发器，而冷却水可以直接引导到冷凝器的洒水装置中。然而，无论如何也要保证冷凝器内部的水循环是充分的。当没有优质的灌溉用水时，这个水循环系统可以用图3中所示的中间热交换器分开。例如，内部管道的冷凝水可以用于灌溉植物，而相 对地，从外部环境流进来劣质水(例如海水)可以用在外部管道中，也就是说，用在蒸发器中。温室中需要大量的用于灌溉的清洁水。通常，温室植物蒸发了吸收的水的90％以上。于是，在没有足够水的地方，从植物中蒸发出的水能被上面提及的的设备回收去再利用。 
图3展示了本发明的封闭温室的另一个实施例，该温室具有冷凝器和蒸发器，但是其中水循环被中间热交换装置31隔开。 
在本实施例中，从冷凝器10中出来的水被位于蒸发器16和冷凝器10之间的中间热交换装置31冷却，并且到蒸发器16的水被加热。中间热交换装置31将冷凝器10和蒸发器16的水循环相互隔离开。由此，在冷凝器10的水循环过程中，从冷凝器10下端过来的被温室空气加热的水，在中间热交换器内被蒸发器内的水循环系统冷却后，引导到冷凝器10的洒水装置13上。由外部空气冷却并且从蒸发器10的下端过来的水，在中间热交换器内被冷凝器内的水循环系统加热后，引导到蒸发器16的洒水装置18上。当温室空气的潮气被冷凝到冷水里时，更多的水积聚在冷凝器中。积聚的水是完全不含盐的，并且它能通过出口14回收例如用作灌溉植物或湿润空气。相对应地，根据冷凝器传递的热能，水必须增加到蒸发器(举例来说，即使海水也可以)中，增加的水的量可以是冷凝在冷凝器中的水的两倍。 
在不同的实施例中，冷凝器的外壳可以采用薄膜或纺织品制作，或者温室的墙可以形成系统的结构的一部分。 
在温室中，尤其是在封闭的温室中，除去温度调节外，湿度的调节是优选的生长环境的基本条件。在温暖的环境下，一小时内每一平方米植物蒸发0.4(-1)升水。如果空气的循环量是20l/m2/s，则其为72m3/h，也可以说93kg/h。当即将进到喷射冷凝器的空气的温度是26℃且相对湿度是80％时，空气中包含有17g/kg的水。为了要保证温室空气中的湿度稳定，在数量与从植物中蒸发的水量一致的湿气必须从温室排出，400/m2/h，也就是每立方米空气400/93 g/kg，即4.3g/kg，这也是与18℃的空气的冷凝点相一致，排出的空气的湿度必须是12.7g/kg的原因。于是进入冷凝器循环的冷却水的温度至多可以是18℃。如果水的温度非常低，而在温室内要求保持的湿度是80％，则水流必须进行限制或不得不通过喷射增加湿度。而且，在较低温下，当植物蒸发发生的程度很低时，温室的湿度通过调节冷凝器的冷凝表面的温度来调节。 

Claims (22)

1.一种用于用冷却水调节温室的气候的系统，所述系统包括：
冷凝器(10)；
用于引导冷却水进入所述冷凝器中的第一洒水装置(13)；
出口(14)，其设在所述冷凝器内，用于将由所述温室的空气加热的水引出所述冷凝器(10)；
其特征在于，所述系统还包括：
第一水泵(15)，其用于引导来自所述冷凝器的水的主要部分返回到所述第一洒水装置中用于循环；
第一鼓风机(12)，其用于将待冷却的温暖空气传送到所述冷凝器(10)中；
蒸发器(16)；
第二洒水装置(18)，其用于将由包含在温室空气加热的所述水中的热量加热的水传送到所述蒸发器(16)中；以及
第二水泵(19)，其用来将在所述蒸发器(16)中冷却的水引导进所述系统的水循环，以便用包含在由来自所述冷凝器(10)的所述温室空气加热的所述水中的热量进行加热。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括贮水设备，所述贮水设备的水引导进入冷凝器(10)内。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述出口(14)还用于引出所述温室空气冷凝成的水。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于引导冷却水的第一洒水装置(13)位于所述冷凝器的上端。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，属于所述系统的所述第一鼓风机(12)设置成用来将温暖空气吹进冷凝器的下端。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于将外部的空气传送到所述蒸发器(16)中的第二鼓风机(17)。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，第二洒水装置(18)用于引导从所述冷凝器(10)中出来的且被所述温室空气加热的水进入到所述蒸发器(16)中，进入到所述蒸发器(16)中的水流与从外部流入的空气流相遇后立即被外部空气冷却，而第二水泵(19)用来引导在所述蒸发器(16)中冷却的水进入到冷凝器(10)内的第一洒水装置(13)中。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，与所述冷凝器(10)连接的所述第一水泵(15)用于将积聚在所述冷凝器(10)的底部水引导到所述蒸发器(16)内。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述蒸发器上设有入水口。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述蒸发器(16)和所述冷凝器(10)之间设有中间热交换器(31)，所述中间热交换器(31)用于冷却从所述冷凝器(10)排出的水并且用于加热到蒸发器(16)中的水，所述中间热交换器(31)将所述蒸发器(16)和所述冷凝器(10)之间的水循环相互隔开，借此，从所述冷凝器过来的被温室空气加热的水，在被在所述蒸发器内循环的水冷却后，被所述中间热交换器(31)引导到所述冷凝器(10)的所述第一洒水装置(13)中；而从所述蒸发器过来的被外部空气冷却的水，在被在所述冷凝器内循环的水加热后，被所述中间热交换器(31)引导到所述蒸发器(16)的所述第二洒水装置(18)中。
11.如权利要求2所述的系统，其特征在于，在所述贮水设备和所述冷凝器(10)之间还设有中间热交换器，用于冷却从所述冷凝器(10)出来的水并且引导其回到所述冷凝器(10)中。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器的外壳由薄膜或纺织品制作而成。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温室的墙是所述系统结构的一部分。
14.一种具有用于用冷却水调节温室的气候的系统的温室，所述系统为权利要求1至13中任意一项所要求保护的技术方案中的系统。
15.一种用于调节温室的气候的方法，所述温室与一个系统连接，所述系统包括冷凝器(10)、用于引导冷却水进入所述冷凝器中的第一洒水装置(13)和设在所述冷凝器内并且用于将由所述温室的空气加热的水引出所述冷凝器(10)的出口(14)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)引导冷却水到所述冷凝器(10)内，在所述冷凝器(10)内，引导进所述冷凝器的冷却水与引导进所述冷凝器的空气相遇用于冷却所述空气，其中，所述空气被鼓风机传送到所述冷凝器(10)内或者所述空气从所述冷凝器(10)的上端抽吸；
b)将被温室的空气加热的水引出所述冷凝器(10)；
c)将从温室里排出的水的主要部分输送到冷凝器(10)的上端用于循环到步骤a)，
其中，步骤a)中的冷却水来自蒸发器(16)，所述蒸发器(16)与所述冷凝器相连。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述温室空气冷凝成的水从冷凝器(10)的下端引出。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤a)中的冷却水来自温室外的贮水设备。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，外部空气被吹进或吸进所述蒸发器(16)，所述冷凝器(10)内加热的水被引导进所述蒸发器(16)内，在所述蒸发器(16)内，当水流向下流动时，引导进蒸发器(16)内的水与引导进蒸发器(16)内的外部空气相遇，用来冷却所述蒸发器内的水。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，积聚在冷凝器(10)的底部的水引导进所述蒸发器(16)内。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，积聚在所述蒸发器(16)的底部的水引导进所述冷凝器(10)内。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于，从所述冷凝器(10)出来的水被所述蒸发器(16)和所述冷凝器(10)之间的中间热交换器(31)冷却，并且到蒸发器(16)中的水被所述中间热交换器(31)加热。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述蒸发器(16)和所述冷凝器(10)的水循环被在所述蒸发器(16)和所述冷凝器(10)之间的中间热交换器(31)相互隔开，用于冷却从所述冷凝器(10)排出的水并且用于加热到所述蒸发器(16)中的水，借此，在所述冷凝器的水循环过程中，从所述冷凝器(10)过来的被温室空气加热的水，在被在蒸发器内循环的水冷却后，引导到所述冷凝器(10)的第一洒水装置(13)中；而在所述蒸发器的水循环过程中，从所述蒸发器(16)过来的被外部空气冷却的水，在被在所述冷凝器内循环的水加热后，引导到蒸发器(16)的第二洒水装置(18)中。
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