CN103314838A - 蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用 - Google Patents

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Abstract

一种温室水耕栽培植物领域的蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用，该装置包括：集热装置、埋入地下的蓄热体、设置于温室中的地上供热系统和保温水箱，其中：蓄热体的进水端和出水端分别与集热装置的出水端和进水端相连，集热装置的热水循环至蓄热体中实现热量的储存；保温水箱的第一进水端与集热装置的出水端相连，第二进水端与蓄热体的出水端相连，保温水箱分别从集热装置和蓄热体中获得热水；地上供热系统设置于苗床水耕栽培槽内，其进水端和出水端分别与保温水箱的出水端和回水端相连，从保温水箱中获得植物的供热。本发明能够在夏季集热蓄热并在冬季向温室提供热量；不仅蓄热量大、热损失小，而且无论阴雨天、夜间都可以实现连续性供热，实现了温室周年集热-蓄热-供热。

Description

蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用
技术领域
本发明涉及的是一种农业种植技术领域的方法，具体是一种蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用。
背景技术
为保证蔬菜、花卉的周年供应，经常采用保护地温室栽培方法。目前，广泛选择文洛型智能玻璃温室作为种苗生产工厂，需要在寒冷的冬季为温室供热，其冬季供热方式主要有以下六种：
电热丝加温供热：即通过对铺设在苗床底部的电热丝加温，达到对栽培基质直接供热的目的。其优点是投资省、布置灵活、升温快，更适合苗床加温。缺点是温度分布不均匀、耗电量大、安全性差，不易控制、植物周围空气未得到加温。
燃煤空气加温热风管供热：即通过燃烧煤，对空气加温，然后通过薄膜风管带向温室送风，实现温室增温。其优点是设备结构简单、投资省、热效率高，缺点是烟尘污染大(不符合环保要求)、易发生煤气中毒、运行费用大、加温不均匀(风口往往温度过高易烧苗)、叶面易结露(易感病)，审批手续繁杂、需要配备1-2人看管。
燃油风机热风供热：其原理与燃煤空气加温热风管供热方法接近，只不过燃料改成煤油、风管送风改成风扇。优点是设备结构简单、投资省、热效率高，缺点是污染大(不符合环保要求)、燃料成本高、加温不均匀、叶面易结露(易感病)，审批手续繁杂、需要配备专人看管。
燃煤(油)锅炉热水管道供热：其优点是供热温度稳定均匀，缺点是设备安装复杂工程量大、烟尘污染大、使用限制多(环保)、审批手续繁杂、需要配备2-3人看管、燃料成本高；
太阳能热水供热，即太阳能热水集热器(镀膜真空管)的热水，通过铺设在温室热水管道，向温室供热。其优点是运行费用低、无污染、安装简单，其缺点是受气候影响较大、保证率低、需要辅助能源；
地源热泵供热，其优点是运行费用低、无污染、不受气候影响、供热稳定，缺点是前期建设费用高、安装复杂工程量大、供热量无法满足植物生长需要(保证率仅30-35％)、需要大量辅助能源、审批受到严格控制。
上述六种温室供热方式，虽然热源不同，但普遍存在一些不足之处。无法满足农业低投入、低成本、高效率的要求，在实际生产应用方面均受到一定限制。
经过对现有技术的检索发现，中围专利文献号CN 101485268，公开日2009-07-22，记载了一种节能型育苗温室，包括棚室，棚室后部具有保温墙，保温墙顶部设有太阳能热水器，棚室内设有若干组暖气片，棚室地平面下方设有热水蓄水池，热水蓄水池顶部铺设有盖板，盖板上方土层里盘绕地铺设有散热管网，热水蓄水池右端连接有热水出水管，热水出水管出水口与输水管进水口相连，输水管上串联有循环泵，输水管出水口分别通过串联有电动截门管路与太阳能热水器、散热管网和若干组暖气片进水口相连，太阳能热水器、散热管网和若干组气片出水口分别通过管路与回水管进水口相连，回水管出水口与热水进水管进水口相连，热水进水管出水口与热水蓄水池左端相连。但该技术的缺陷或不足在于：(1)将热水蓄水池作为蓄热体，体积有限、供热不足，连续阴雨天或寒冷的冬季仍然需要辅助供热；(2)采用暖气片组供热，主要是对温室空气加温，达不到植物生长所需≥12℃活动积温的要求(在上海冬季夜间室外最低温度-6℃、玻璃温室无内保温膜的条件下，室温也只能达到8℃)。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用，利用温室内的土体(1m2温室面积配蓄热土体体积1.74m3)蓄热，通过埋入(埋深度10.5m)大量U型热交换管，吸储太阳能热水器的光热，不仅蓄热量大、且保温性能好，可以实现周年蓄热、冬季供热，供热不受连续阴雨天影响，无需辅助供热，解决了一般供热系统无法做到夏季蓄热、冬季供热的问题。并采用水耕栽培技术，将对空气加温改进为直接对营养液加温，保证了植物根部生长所需的温度≥15℃，在不增加辅助能的情况下，仍然能够保证植物的正常生长发育，大幅提高了太阳能供热系统的热能利用效率，供热效果明显提高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种蓄热-供热系统，该系统包括：集热装置、埋入地下的蓄热体、设置于温室中的地上供热系统和保温水箱，其中：蓄热体的进水端和出水端分别与集热装置的出水端和进水端相连，集热装置的热水循环至蓄热体中实现热量的储存；保温水箱的第一进水端与集热装置的出水端相连，第二进水端与蓄热体的出水端相连，保温水箱分别从集热装置和蓄热体中获得热水；地上供热系统设置于苗床的水耕栽培槽内，其进水端和出水端分别与保温水箱的出水端和回水端相连，直接对植物根系周围的营养液进行供热，从保温水箱中获得植物生长所需的热量。
所述的集热装置包括：热源、分别设置于热源进水端和出水端的第一阀门和第二阀门以及室外循环泵，其中：第一阀门与蓄热体的出水端相连，第二阀门分别与蓄热体和保温水箱相连，室外循环泵设置于热源的出水端。
所述的热源为太阳能集热器。
所述的保温水箱的第一进水端设置与集热装置相连的第三阀门，第二进水端设置连接有加热泵的第四阀门，加热泵与蓄热体相连。
所述的蓄热体包括：热交换盘管、第五阀门、第六阀门、分别设置于热交换盘管进水端和出水端的分水器和集水器，其中：第五阀门一端与分水器相连，另一端分别与集热装置的出水端和保温水箱的第一进水端相连，第六阀门一端与集水器相连，另一端分别与集热装置的进水端和保温水箱的第二进水端相连。
所述的热交换盘管的结构是U形。
2300m2温室面积配蓄热土体体积4000m3；土壤蓄热体的年蓄热量8.0×1011J、损失率30％；供暖的热负荷值为2.7×105W、夜间单位面积供热负荷为157W/m2；蓄热体中U型PE盘管孔径0.032m、长度为1m；蓄热体中U型PE盘管排布数量为200、排布间距为2m、埋深度10.5m(含0.5m的保护层)；温室内部每个苗床下各设一个蓄热体中U型PE盘管观察井及数据自动采集系统；蓄热体中与循环泵自动启闭联动的U型PE盘管热交换的水温35-40℃。
所述的地上供热系统包括：若干相互连接并均匀布置于每个苗床水耕栽培槽内的散热盘管、与散热盘管的进水端相连的室内循环泵，其中：散热盘管的出水端与保温水箱的回水端相连。
所述的散热盘管采用PERT(耐热聚乙烯)材质制成，其内径0.01m；该散热盘管架设在距地0.5m的水栽培槽内；每个水槽内布置4根散热盘管，管间距离0.1m；每个散热盘管组设置独立控制阀，管道内平均水流速度为0.6-0.9m/s；循环泵自动启闭联动的地上供热系统的供水温度35-40℃、出水温度25-30℃。
本发明涉及上述系统的应用，具体用于在夏季集热蓄热并在冬季向温室提供热量。
所述的应用具体步骤包括：
集热蓄热步骤：当太阳能集热器的出水温度超过控制系统设定的水循环上限时，室外循环泵启动，开启第一阀门、第二阀门、第五阀门和第六阀门，将热水泵入地埋式蓄热体的热交换盘管，以提高土体温度；当土体与太阳能集热器之间的出水温差小于控制系统设定水循环下限时停止室外循环泵；
供热步骤：当温室需要供热时，地面加温靠地埋式蓄热体的散热，除依靠室内地坪散热外，在晴天通过太阳能集热器制热水，通过室外循环泵将热水注入保温水箱中；启动室内循环泵，将保温水箱中的热水注入苗床水耕栽培槽内的散热盘管供热；当保温水箱中热量不够时，开启加热泵、第四阀门、第五阀门和第六阀门，提取地埋式蓄热体的热量供保温水箱的水升温。
技术效果
1、本发明利用土体建立庞大的地埋式蓄热体(经过3月至11月九个月的蓄热过程，蓄热体内的平均温度能达到35℃以上)，不仅蓄热量大、热损失小，而且无论阴雨天、夜间都可以实现连续性供热，真正实现了太阳能育苗温室周年集热、冬季供热的目标，在安装内保温膜的情况下，无需补充辅助能。而一般太阳能温室无法做到在连阴雨天气候条件下实现连续性供热，仍然需要大量的辅助能(一般情况下辅助能占60-65％)。
2、由于玻璃温室阻热效率低、容易散热，一般的地源热泵在冬季所供热量无法满足植物的正常生长，供热保证率较低。本发明太阳能集热器的利用效率提高，在满足植物冬季生长、相同温室面积条件下，太阳能集热器热水阵面积可以减少10％左右，从而节约了建设费用。同时，在同等条件下，工程建设费用也低于地源热泵供热系统。
3、与一般供热方法不同，本发明将散热盘管均匀分别于每个水耕栽培槽内，通过对营养液加温，供热由下而上，植物根部直接受温，供热不受天气的影响，可以持续进行，能满足植物周年生长的要求。克服了一般太阳能供热系统对空气加热、温度过低(植株周围空气温度仅7-8℃)、冬季无法满足植物正常生长的要求，仍然需要提供大量的辅助能的问题。
4、本发明系统结构和控制方法都比较简单、人员操作容易、几乎不需要辅助能源，因而运行成本较低廉(供热成本节约75-80％)。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为地埋式蓄热体太阳能温室水耕栽培营养液的供热方法示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例工程设施地点在上海交通大学低碳农林实践基地(浦江镇联民村)。
如图1所示，本实施例栽培装置包括：集热装置、埋入地下的蓄热体、设置于温室中的地上供热系统和保温水箱5，其中：蓄热体的进水端和出水端分别与集热装置的出水端和进水端相连，集热装置的热水循环至蓄热体中实现热量的储存；保温水箱5的第一进水端与集热装置的出水端相连，第二进水端与蓄热体的出水端相连，保温水箱5分别从集热装置和蓄热体中获得热水；地上供热系统设置于苗床水耕栽培槽内，其进水端和出水端分别与保温水箱5的出水端和回水端相连，从保温水箱5中获得植物生长所需的供热。
所述的集热装置包括：热源1、分别设置于热源1进水端和出水端的第一阀门2和第二阀门3以及室外循环泵4，其中：第一阀门2与蓄热体的出水端相连，第二阀门3分别与蓄热体和保温水箱5相连，室外循环泵4设置于热源1的出水端。
所述的热源1为太阳能集热器。
所述的保温水箱5的第一进水端设置与集热装置相连的第三阀门6，第二进水端设置连接有加热泵7的第四阀门8，加热泵7与蓄热体相连。
所述的蓄热体包括：热交换盘管9、第五阀门10、第六阀门11、分别设置于热交换盘管9进水端和出水端的分水器12和集水器13，其中：第五阀门10一端与分水器12相连，另一端分别与集热装置的出水端和保温水箱5的第一进水端相连，第六阀门11一端与集水器13相连，另一端分别与集热装置的进水端和保温水箱5的第二进水端相连。
所述的热交换盘管9的结构是U形。
选择在玻璃温室中间位置，立钻打孔，用U型PE管(DN 0.32m)垂直埋深10.5m(含0.5m的保护层)，排布间距为2m，共计200根，占地400m2、土体空间为400*10＝4000m3。地埋热交换盘管9的冷热水出头与循环泵驳接。
所述的地上供热系统包括：若干相互连接并均匀布置于每个苗床水耕栽培槽内的散热盘管15、与散热盘管15的进水端相连的室内循环泵14，其中：散热盘管15的出水端与保温水箱5的回水端相连。
如图2所示，散热盘管15布置于各个苗床水耕栽培槽内、上盖生长浮板，槽内是循环的植物营养液，散热盘管15起到加热的作用。
所述的散热盘管15为：内径0.01m的PERT材质制成，在距地面0.5m水耕栽培槽内位置，每个水槽内布置4根加热管，管间距0.1m，设置独立控制阀门，供水温度35-40℃，管道内平均水流速度保持0.6-0.9m/s。
所述的散热盘管15的表面温度为输入热水温度的95％。
对上海地区气候环境进行分析，12、1、2、3月份日平均气温低于9℃，而温室栽培的茄果类蔬菜，夜间室内温度要求不能低于13-15℃，考虑到文洛型温室玻璃的传热损失、冷风渗透热损失、地面热损失等因素，经过计算温室(2300m2)供暖的热负荷值为5.3×105-5.4×105W。
根据上述要求，工程实施如下：
1、玻璃温室面积2306m2，集热装置配四季沐歌牌MGQBMK58/1800/50型太阳能模块60组，太阳能集热面积计504m2，单组集热器的主要技术参数：面积8.4m2、真空管长1.8m、直径0.058m、50支，主循环管DN 0.04-0.05m、出水管DN 0.04-0.05m、进水管DN 0.04m，采用阻燃橡胶保温、铝皮保护。
2、当太阳能集热器与保温水箱5温差≥7℃时，室外循环泵4启动将集热器的热水打入保温水箱5，当太阳能集热器与保温水箱5温差≤2℃时，室外循环泵4停止工作。在非供热期，太阳能集热器与地埋式蓄热体盘管系统连接，通过循环将热量存储与土体中。
3、温室供热主要在冬季进行，而本系统在夏季运行时，主要功能为集热、蓄热，即利用夏季的强日照，当太阳能集热器的出水温度超过控制系统设定的水循环上限时，室外循环泵4启动，开启第一阀门2、第二阀门3、第五阀门10和第六阀门11，将热水泵入地埋式蓄热体的热交换盘管9，以提高土体温度，直至土体与太阳能集热器之间的出水温差小于控制系统设定水循环下限时，室外循环泵4自动停止。入冬后，当温室需要供热时，地面加温靠地埋式蓄热体的散热，散热量约45W/(m2h)，除依靠室内地坪散热外，在晴天通过太阳能集热器制热水，通过室外循环泵4将热水注入保温水箱5中。启动室内循环泵14，将保温水箱5中的热水注入苗床水耕栽培槽内的散热盘管15供热。当保温水箱5中热量不够时，开启加热泵7、第四阀门8、第五阀门10和第六阀门11，提取地埋式蓄热体的热量供保温水箱5的水升温。
4、将育好的苗移栽到栽培盘上，栽培盘固定在苗床上，并用专门的夹子固定植物根部，保证植株根部浸泡在营养液里，在冬季室外温度很低的时候，检测到本实施例中地上供热系统的供水温度38℃、出水温度27℃，植物根部营养液温度可达到15℃，植物生长状况较好，本供热系统能保证植株生长所需的热能。

Claims (7)

1.一种蓄热-供热系统及其在水耕栽培上的应用，其特征在于，包括：集热装置、埋入地下的蓄热体、设置于温室中的地上供热系统和保温水箱，其中：蓄热体的进水端和出水端分别与集热装置的出水端和进水端相连，集热装置的热水循环至蓄热体中实现热量的储存；保温水箱的第一进水端与集热装置的出水端相连，第二进水端与蓄热体的出水端相连，保温水箱分别从集热装置和蓄热体中获得热水；地上供热系统设置于苗床水耕栽培槽内，其进水端和出水端分别与保温水箱的出水端和回水端相连，从保温水箱中获得植物的供热。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的集热装置包括：热源（即太阳能集热器）、分别设置于热源进水端和出水端的第一阀门和第二阀门以及室外循环泵，其中：第一阀门与蓄热体的出水端相连，第二阀门分别与蓄热体和保温水箱相连，室外循环泵设置于热源的出水端。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的保温水箱的第一进水端设置与集热装置相连的第三阀门，第二进水端设置连接有加热泵的第四阀门，加热泵与蓄热体相连。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的蓄热体包括：热交换盘管、第五阀门、第六阀门、分别设置于热交换盘管进水端和出水端的分水器和集水器，其中：第五阀门一端与分水器相连，另一端分别与集热装置的出水端和保温水箱的第一进水端相连，第六阀门一端与集水器相连，另一端分别与集热装置的进水端和保温水箱的第二进水端相连。
5.根据权利要求5所述的装置，其特征是，所述的热交换盘管的结构是U形。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的地上供热系统包括：若干相互连接并均匀布置于每个苗床水耕栽培槽内的散热盘管、与散热盘管的进水端相连的室内循环泵，其中：散热盘管的出水端与保温水箱的回水端相连。
7.一种根据上述任一权利要求所述系统的应用，其特征在于，用于在夏季集热蓄热并在冬季向温室提供热量；
所述的应用具体步骤包括：
集热蓄热步骤：当太阳能集热器的出水温度超过控制系统设定的水循环上限时，室外循环泵启动，开启第一阀门、第二阀门、第五阀门和第六阀门，将热水泵入地埋式蓄热体的热交换盘管，以提高土体温度；当土体与太阳能集热器之间的出水温差小于控制系统设定水循环下限时停止室外循环泵；
供热步骤：当温室需要供热时，地面加温靠地埋式蓄热体的散热，除依靠室内地坪散热外，在晴天通过太阳能集热器制热水，通过室外循环泵将热水注入保温水箱中；启动室内循环泵，将保温水箱中的热水注入苗床水耕栽培槽内的散热盘管供热；当保温水箱中热量不够时，开启加热泵、第四阀门、第五阀门和第六阀门，提取地埋式蓄热体的热量供保温水箱的水升温。
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