CN104165425A - 一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温室夏季降温方法，具体是一种采用风能和太阳能相互补充驱动强制通风系统的降温方法。在温室顶部安装的风光互补强制通风系统与室内微喷雾化系统组合对温室降温，所述风光互补强制通风系统由若干个等间距布置在温室拱顶最高点的风光互补强制通风装置构成；所述风光互补强制通风装置包括太阳能直接驱动的排风扇部分和风力直接驱动的风轮部分两个部分；所述室内微喷雾化系统由连接自来水管的微喷管构成，在微喷管上等间隔地安装若干微喷头，所述微喷头所喷雾化水的方向向上。基于风光互补强制通风系统的温室降温方法，设备安装简单，符合温室内热力分布和空气流动规律，降温效果好，运行时无需电力能源消耗，无运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种温室夏季降温方法及装置，尤其涉及一种采用风光互补无动力通风系统的降温方法，可用于现代温室或其他厂房建筑的夏季通风降温。
背景技术
现代温室作为现代农业的标识之一，正广泛推广使用于种植业、养殖业等现代农林业规模化生产中。我国通过引进、消化和技术的再创新，现代温室设计制造与生产管理，自上世纪90年代末，特别是近10年来有了飞速发展。对温室的生产管理而言，温室内的环境调控，特别是温度、湿度、气体含量的调控是重要内容之一。目前智能温室的夏季降温，一般采用自然通风，遮阳幕布、水幕风机强制通风、地源热泵、电力空调，甚至相变材料储能调节等方法，这些方法的原理主要是采用通风方式促进空气流通，使得温室内温度与气温相同的方式，或是利用物质形态变化吸热原理进行的降温方法，如微喷、湿垫或者湿帘，综合强制通风方式，使蒸发的物质（主要是水），排走的方式，或者使用相变材料根据环境温度吸热与释放热量，另外一种方法就是降低有效光照面积，采用内外遮阳的方式。
有研究表明，基于自然通风与遮阳网综合运用的降温系统下温室内的气温最多降低2.2℃，白天平均降低1.4℃，室内地温平均降低3.8℃，最多可降低4.5℃；基于自然通风与微喷降温系统下温室内气温最多降低3.2℃，平均降低2.4℃，地温最多降低2.0℃，平均降低0.9℃；在自然通风情况下联合运用遮阳网和微喷降温系统室内气温最多降低5.4℃，平均降低室外气温最多高7.2℃，平均高5.1℃。基于自然通风的降温效果受气候条件的影响比较大，无风条件下，降温效果不明显。水帘风机的降温效果非常好，但是受生产制造与日常运行成本高、不环保等因素的影响，广泛推广存在障碍一般可占到温室运行成本的30%~40%。
其他降温方法采用如电力空调：这是最常规的方式，其主要原理是采用卡洛循环，通过电力压缩机，借以冷媒介质将温室内的热量转移至温室外。该方法降温效果可控，但是对于容积大，透光率高、散热大的温室而言，其电力消耗相当大。
其次降温方法采用水幕空调：该方法在温室的一侧安装湿帘，并向其中通水，湿帘是多孔，大面积的纸质材料，通水后，水的蒸发面积很大，通过水气化吸收热量从而使周围空气大幅降温。然后在温室的另一侧安装大功率排气扇，在温室中形成空气流动，将湿帘处的低温空气吸入温室内从而降温。该方法的降温效果也很好，但是设备前期安装成本高，运行的动力成本也很高。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提出一种适合长江中下游地区大规模推广的现代温室，以太阳能、风能等自然能源为纽带，基于风光互补系统，综合生态能源技术、电子信息与控制技术，以自然生态的调控方式，低建设成本与运行成本地构建设施农业生态能源系统，重点解决现代温室夏季降温问题的温室降温方法及装置。
本发明的具体技术方案是：一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，采用在温室顶部安装的风光互补强制通风系统与室内微喷雾化系统组合对温室降温，所述风光互补强制通风系统由若干个等间距布置在温室拱顶最高点的风光互补强制通风装置构成；所述风光互补强制通风装置包括太阳能驱动的排风扇部分和风力驱动的风轮部分两个部分；所述室内微喷雾化系统由连接自来水管的微喷管构成，在微喷管上等间隔地安装若干微喷头，所述微喷头所喷雾化水的方向向上。
所述风光互补强制通风装置每隔L米等距离均匀布置，其中，3米≤ L≤6米 。
所述微喷管的安装位置包括两处，分别是位于每个温室拱顶最高点的正下方安装微喷管，微喷管距离拱顶的距离为h1其中，0.3米≤h1≤0.5米；和位于温室肩正下方处布置微喷管，微喷管距离温室肩的距离为h2，其中，1米≤h2≤1.5米。
对于密闭的温室，当不要求降温到环境温度以下时，单独开启风光互补强制通风装置上由风力驱动的风轮部分；当温室内温度高于环境温度时，风光互补强制通风装置上由太阳能驱动的排风扇部分通过温控开关自动开启。
对于密闭的温室，当要求降温到环境温度以下时，风光互补强制通风系统开启的同时开启室内微喷系统；首先开启位于拱顶最高点正下方的微喷管喷嘴，在温度还不能达到预想降温效果时，同时开启位于温室肩正下方处微喷管的喷嘴，喷水量与温室内温度与设定降温的温度差成正比，比例系数k可以通过式（1）调整：
S = k*（Tin-Tset） ； （1）
Tin为温室内平均温度，单位为℃；
Tset为预设降温目标温度，单位为℃；
S为喷管供水的流量, 单位为m3/s；
k为比例系数，单位为m3/℃*s，k的参考值按照下式计算：
K= 空气的比热容*温室单跨截面积*喷管距离*空气密度*（Tin-Tset）+太阳辐射强度*温室单跨距离*喷嘴间距离*t/｛【水的比热容*（100-Tin）+水的汽化热】*t*水的密度｝；式中，温室单跨截面积的单位为m2 ，喷管距离单位为m，温室单跨距离单位为m，喷嘴间距离单位为m，t为降温速度，单位为S。
所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，包括太阳能驱动的排风扇部分和风力驱动的风轮部分，所述太阳能驱动的排风扇部分包括：太阳能板、太阳能基板、支撑柱、排气通道桶、方接圆底座及电扇装置，所述太阳能板敷设在太阳能基板上，太阳能板及太阳能基板通过支撑柱与所述排气通道桶外周固定相连，所述排气通道桶的底部连接所述方接圆底座，方接圆底座上设有电扇装置，所述电扇装置通过电缆线及温控开关与太阳能板发电装置相连；所述风轮部分包括风轮中心轴及风轮，所述太阳能板基板的中心处设有圆孔，所述圆孔内连接风轮中心轴，所述风轮中心轴上通过轴承连接所述风轮。
所述风轮包括：风轮顶支撑板、弧形叶片部分、叶片固定环、固定支架及固定支架法兰，所述风轮顶支撑板的中心开有圆孔，圆孔内连接所述轴承；所述弧形叶片部分的上端与风轮顶支撑板固定连接，弧形叶片部分的下端与所述叶片固定环固定连接，所述固定支架法兰的中间支撑固定所述固定支架，固定支架法兰的外周固定连接所述叶片固定环。
所述排气通道桶的内侧壁上设有用于将所述风轮中心轴底部固定的排气通道桶固定支架，所述排气通道桶固定支架上设有连接孔，所述风轮中心轴的底端连接在所述连接孔内。
所述风轮中心轴是圆管形管件，电缆线从圆管形管件中穿过并将所述太阳能板发电装置与所述电扇装置相连。
在排气通道桶的外周固定连接有裙型密封薄膜。
本发明带来的有益效果：基于风光互补无动力通风系统的温室降温方法，设备安装简单，符合温室内热力分布和空气流动规律，降温效果好，运行时无需电力能源消耗，无运行成本。
附图说明
图1为葡萄种植温室内结构及风光互补通风系统安装示意图；
图2为风光互补通风系统布置图；
图3 为微喷管的布置及喷嘴分布俯视图；
图4 为微喷管的布置及喷嘴分布侧视图；
其中，100、风光互补强制通风系统；200、内微喷系统；300、塑料薄膜；400、葡萄种植页面区；500、大棚立柱;600、温室肩；700、微喷管位置一及其喷嘴分布；800、微喷管位置二及其喷嘴分布；900、外部供水管；L、风光互补强制通风装置间隔距离；l2、喷嘴距离；h1、微喷管距离拱顶的距离；h2、微喷管距离温室肩的距离；
图5为温室内空气流动仿真图；
图6为风光互补强制通风装置的内部结构主视图；
图7为风光互补强制通风装置的内部剖视图；
其中，1、太阳能板；2、太阳能基板；3、风轮；4、风轮顶支撑板；5、中心固定轴；6、轴承；7、叶片固定环；8、固定支架；9、固定支架法兰；10、排气通道桶；11、方接圆底座；12、排气通道桶固定支架；13、排气通道桶固定支架法兰；14、直流电机；15、排风扇叶片；16、太阳能板基板加强支架；17、裙型密封薄膜；18、大棚薄膜；19、大棚钢管骨架；20、大棚钢管固定件；21、支撑钢管；22、尼龙扎带；（23、24、25）螺钉；26、垫片；27、螺母；28、电缆线。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4及图5所示，本发明一种基于风光互补无动力通风系统的温室降温方法，采用在温室顶层安装风光互补通风系统与室内微喷雾化系统组合对温室降温，所述风光互补通风系统由若干个等间距布置在温室拱顶最高点的太阳能通风装置构成；所述室内微喷雾化系统由连接自来水管的微喷管构成，在微喷管上等间隔地安装若干微喷头，喷水方向向上。
所述太阳能通风装置每隔L米等距离均匀布置，其中，优选的，3米≤ L≤6米 。
对于密闭的温室，不要求降温到环境温度以下，只需开启风光互补通风系统。一般情况下只需运行风力通风部分，在温度高于环境温度时，太阳能风力部分由温控开关自动开启，通风量与阳光辐射强度呈成比例关系。
对于密闭的温室，要求降温到环境温度以下，需风光互补系统中风力通风部分和太阳能通风部分均开启，并同时开启微喷管。首先开启图3（或图4）中位于位置1的微喷管喷嘴，在温度还不能达到预想降温效果时，同时开启位于位置1和位置2的微喷管的喷嘴。喷水量与温室内温度与设定降温的温度差成正比，比例系数可以通过实际运行进行调整。即如式（1）所示。
S = k*（Tin-Tset） （1）
Tin为温室内平均温度，单位为℃；
Tset为预设降温目标温度，单位为℃；
S为喷管供水的流量, 单位为m3/s；
k(m3/℃*s)为比例系数，该数为实测经验值，参考值为k= 空气的比热容[（1.003kJ/(kg*℃).）*温室单跨截面积（m2）*喷管距离（m）*空气密度（1.29 kg/m3）*（Tin-Tset）+太阳辐射强度（kJ/ m2*s）*温室单跨距离（m）*喷嘴距离(m)*t(s)]/{[(水的比热容（4.2 kJ/(kg*℃)*（100-Tin）+水的气化热（2260kJ/kg）]*t(s)*水的密度（1000kg/m3）}, t为降温时间，即在指定t时间内达到预定的温度。
由上述计算公式可知，对于密闭的温室，要求降温到环境温度以下，需风光互补系统中风力通风部分和太阳能通风部分均开启，并同时开启微喷管。首先开启图3中位于位置1的微喷管喷嘴，在温度还不能达到预想降温效果时，同时开启位于位置1和位置2的微喷管的喷嘴。
根据仿真计算的结果，在顶层进行强制排风时，温室内空气流动如图5所示。在温室顶跨最高处的正下方和温室肩部的正下方气流较强。在该两处位置布置微喷管，并向上喷水，可使得雾化的水可以比较长时间的停留在温室内，增加气化时间，从而充分气化吸收更多的热量，快速降温。另外，该两处位置是葡萄叶冠层的缝隙处，气体流动基本是垂直向上，避免雾化的水气化不充分在重力的作用下滴落在葡萄页面上，或者水蒸气大量进入葡萄叶冠区增加叶冠区的湿度。
因此，微喷管的安装位置一、位于每个温室拱顶最高点的正下方安装微喷管，微喷管距离拱顶的距离为h1其中，0.3米≤h1≤0.5米。
微喷管的安装位置二、位于温室肩正下方处布置微喷管，微喷管距离温室肩的距离为h2，其中，1米≤h2≤1.5米。
本发明的降温原理：温室增温主要是太阳光辐射情况下的温室效应，及温室顶部的塑料薄膜波长短的可见光可以透入，但是温室内物体吸收太阳光后辐射的红外波不能透过薄膜出去，从而积累热量，实现增温。夏季气温高，加上温室效应，可使温室内温度轻而易举地超过室温10℃。温室内温度的分布根据热气上升的原理，一般是上层温度高，下层温度低。在葡萄大棚内，因为夏季葡萄叶片茂盛，对于水平架势的葡萄温室，葡萄叶冠层透光率很低，因而葡萄叶冠层以下的区域光照很少，其有位于温室下层，所以温度不叶冠层上层温度要低很多，也就是温室内上层温度远高于下层温度。因而在温室顶层采取风光互补通风系统进行强制通风，可以很高效的降低温室温度，因为首先抽走的是高温气体，且温室下层的低温气体可以迅速补充到温室上层区，使得温室内整体温度降低。
强制通风最佳的效果就是使得温室内温度降到环境温度，当环境温度过高，而超高预先设定的温室降温目标时，需要再温室内增加微喷管，将雾化的水喷入温室内，气化后吸走大量的热从而降温。
一种基于风光互补强制通风装置，见图6和图7，本装置基于风光互补强制通风装置，包括将太阳能作为驱动能源的电扇部分和由风力直接驱动的风轮部分两个部分，包括：太阳能板1，太阳能板1与太阳能板基板2用螺钉固定，太阳板基板2中心有一个圆孔，风轮中心轴5与太阳板基板2用螺母固定，风轮中心轴5是圆管形钢管，电缆线28从风轮中心轴穿过，风轮顶支撑板4中心有一个圆孔，风轮中心轴5从风轮顶支撑板4中心穿过；
风轮3包括弧形叶片、风轮顶支撑板4、叶片固定环、风轮固定支架8及风轮固定支架法兰9，所述弧形叶片的上端与风轮顶支撑板4用螺钉固定，弧形叶片的下端与叶片固定环固定连接，风轮固定支架8与风轮固定支架法兰9用螺钉固定，叶片固定环再通过螺钉与固定支架8和固定支架法兰9固定，风轮固定支架法兰9中心有一个圆孔，风轮中心轴5从风轮固定支架法兰9中心穿过，排气通道桶固定支架法兰13中心有一个圆孔，排气通道桶固定支架12与排气通道桶固定支架法兰13螺母固定；风轮中心轴5从排气通道桶固定支架法兰13中心穿过，排气通道桶固定支架12与排气通道桶10用螺钉固定，排气通道桶10与方接圆底座11用螺钉固定，方接圆底座11两侧焊接固定有支撑钢管21，所述支撑钢管21与大棚钢管骨架19通过管管卡固件固定连接。直流电机14与方接圆底座11用螺钉固定，直流电机14有一个中心轴，排风扇叶片15与直流电机14的中心轴用螺母固定。
Claims (10)
1. 一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，其特征在于，采用在温室顶部安装的风光互补强制通风系统与室内微喷雾化系统组合对温室降温，所述风光互补强制通风系统由若干个等间距布置在温室拱顶最高点的风光互补强制通风装置构成；所述风光互补强制通风装置包括太阳能驱动的排风扇部分和风力驱动的风轮部分两个部分；所述室内微喷雾化系统由连接自来水管的微喷管构成，在微喷管上等间隔地安装若干微喷头，所述微喷头所喷雾化水的方向向上。
2.根据权利要求1所述的一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，其特征在于，所述风光互补强制通风装置每隔L米等距离均匀布置，其中，3米≤ L≤6米 。
3.根据权利要求1所述的一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，其特征在于，所述微喷管的安装位置包括两处，分别是位于每个温室拱顶最高点的正下方安装微喷管，微喷管距离拱顶的距离为h1其中，0.3米≤h1≤0.5米；和位于温室肩正下方处布置微喷管，微喷管距离温室肩的距离为h2，其中，1米≤h2≤1.5米。
4.根据权利要求1所述的一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，其特征在于，对于密闭的温室，当不要求降温到环境温度以下时，单独开启风光互补强制通风装置上由风力驱动的风轮部分；当温室内温度高于环境温度时，风光互补强制通风装置上由太阳能驱动的排风扇部分通过温控开关自动开启。
5.据权利要求3所述的一种基于风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法，其特征在于，对于密闭的温室，当要求降温到环境温度以下时，风光互补强制通风系统开启的同时开启室内微喷系统；首先开启位于拱顶最高点正下方的微喷管喷嘴，在温度还不能达到预想降温效果时，同时开启位于温室肩正下方处微喷管的喷嘴，喷水量与温室内温度与设定降温的温度差成正比，比例系数k可以通过式（1）调整：
S = k*（Tin-Tset） ； （1）
Tin为温室内平均温度，单位为℃；
Tset为预设降温目标温度，单位为℃；
S为喷管供水的流量, 单位为m3/s；
k为比例系数，单位为m3/℃*s，k的参考值按照下式计算：
K= 空气的比热容*温室单跨截面积*喷管距离*空气密度*（Tin-Tset）+太阳辐射强度*温室单跨距离*喷嘴间距离*t/｛【水的比热容*（100-Tin）+水的汽化热】*t*水的密度｝；
式中，温室单跨截面积的单位为m2 ，喷管距离单位为m，温室单跨距离单位为m，喷嘴间距离单位为m，t为降温速度，单位为S。
6.如权利要求1所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，其特征在于，包括太阳能驱动的排风扇部分和风力驱动的风轮部分，所述太阳能驱动的排风扇部分包括：太阳能板、太阳能基板、支撑柱、排气通道桶、方接圆底座及电扇装置，所述太阳能板敷设在太阳能基板上，太阳能板及太阳能基板通过支撑柱与所述排气通道桶外周固定相连，所述排气通道桶的底部连接所述方接圆底座，方接圆底座上设有电扇装置，所述电扇装置通过电缆线及温控开关与太阳能板发电装置相连；所述风轮部分包括风轮中心轴及风轮，所述太阳能板基板的中心处设有圆孔，所述圆孔内连接风轮中心轴，所述风轮中心轴上通过轴承连接所述风轮。
7.根据权利要求6所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，其特征在于，所述风轮包括：风轮顶支撑板、弧形叶片部分、叶片固定环、固定支架及固定支架法兰，所述风轮顶支撑板的中心开有圆孔，圆孔内连接所述轴承；所述弧形叶片部分的上端与风轮顶支撑板固定连接，弧形叶片部分的下端与所述叶片固定环固定连接，所述固定支架法兰的中间支撑固定所述固定支架，固定支架法兰的外周固定连接所述叶片固定环。
8.根据权利要求7所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，其特征在于，所述排气通道桶的内侧壁上设有用于将所述风轮中心轴底部固定的排气通道桶固定支架，所述排气通道桶固定支架上设有连接孔，所述风轮中心轴的底端连接在所述连接孔内。
9.根据权利要求7所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，其特征在于，所述风轮中心轴是圆管形管件，电缆线从圆管形管件中穿过并将所述太阳能板发电装置与所述电扇装置相连。
10.根据权利要求6所述一种风光互补强制通风系统的温室夏季降温方法的通风装置，其特征在于，在排气通道桶的外周固定连接有裙型密封薄膜。
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