CN106718355A - 一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚 - Google Patents

一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，包括温室蔬菜大棚、暖气系统、地源热泵供热系统和PLC控制系统。在气温低的冬季和阴雨天，单独依靠太阳能不能维持温室大棚所需的热能时，由PLC控制系统通过控制地源热泵系统、暖气系统为温室大棚提供热能，使大棚保持蔬菜生长所需的温度；在炎热的夏季和阳光充足时，关闭地源热泵系统，采用温室大棚的遮阳附件遮挡阳光，降低大棚内的气温。本发明解决了北方地区冬季气温低或阴雨天光照不足导致的温室大棚内气温达不到蔬菜生长要求的问题，充分利用了太阳能和地源能清洁能源，可操作性高，安全可靠，节约了运行成本，具有显著的经济效益、社会效益、环境效益。

Description

一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜 大棚
技术领域
本发明涉及节能环保领域，特别涉及一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚。
背景技术
太阳能是一种全世界公认的清洁能源，国内外有诸多学者对太阳能利用的机理、应用工程进行了广泛研究，用太阳能代替常规能源来提供建筑物的热水供应、供暖空调、供电等是太阳能研究的目的与方向。目前太阳能应用比较广泛的是生活热水供应、光伏发电、太阳能蔬菜大棚等。太阳能大棚恒温系统是目前使用较为广泛的大棚恒温系统，但此系统还存在一定不足，如在阴雨天该系统无法提供恒温，或需要消耗巨大的电能来维持恒温。如何在太阳能蔬菜大棚恒温系统的基础上，提供一种辅助热源，保持蔬菜大棚恒温，也是目前农业种植、新能源技术研究领域的研究热点。
地源热泵技术作为一种利用地下浅层地热能源的技术，具有环保、节能、能耗低等特点。地源热泵技术是地热能应用的主要方向之一，但从多年的运行实践来看，地源热泵系统存在土壤温度场的恢复问题，系统连续运行多年后不能满足冷热负荷，运行效果差。
地源热泵技术和太阳能技术自身存在的这些局限性，造成这两种技术推广举步维艰。若将这两种技术联合使用，就可做到优势互补，提高资源利用率，增加系统稳定性，从而使两种能源都能得到最大限度的开发和利用。因此，采用地源热泵技术作为辅助热源，发明一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，满足大棚内植物的正常生长需要，对温室蔬菜大棚的进一步推广应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以地源热泵为辅助热源，利用太阳能和地源热泵耦合利用调控实验室型温室蔬菜大棚的温度，通过地源热泵的辅助应用，减少阴冷季节期间温室大棚的温度波动，从而使温室大棚内的植物正常生长。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，包括温室大棚墙体、温室大棚太阳能集热结构、暖气系统、地源热泵主机、地埋管、PLC控制系统，其特征是：所述的温室大棚墙体和温室大棚太阳能集热结构组成实验室型温室蔬菜大棚的主体，并通过太阳能集热结构为温室大棚提供热能，以保证大棚的气温；所述的地源热泵主机分别与地源热泵地埋管和暖气系统循环水箱中的换热管相连接；所述的暖气系统由盘管式换热器+工业风扇、带换热管的循环水箱、管道循环水泵组成，分别与温室蔬菜大棚和地源热泵供热系统相连接；所述PLC控制系统通过温室大棚中温度、光照强度的变化控制地源热泵供热系统和暖气系统为温室大棚提供热能。
所述温室大棚墙体采用国产墙体保温材料，所述墙体保温材料的厚度为60-120mm。
所述温室大棚太阳能集热结构采用塑料薄膜或玻璃板或阳光板构成，所述塑料薄膜采用高温棚专用膜，专用膜的厚度0.008mm-0.30mm；所述玻璃板采用无色的中空钢化玻璃，厚度为4.0-5.0mm；所述阳光板为国产透明阳光板，厚度8.0-10.0mm。
所述温室大棚太阳能集热结构带有遮阳附件。
所述地源热泵地埋管采用水平埋管方式，所述地埋管埋在地下500mm-2000mm处。
所述暖气系统的散热装置由盘管式换热器+工业风扇组成，以使其传热更快更均匀。
所述暖气系统的循环水箱与管道循环水泵、盘管式换热器相连接，循环水箱中设置换热管。
所述PLC控制系统与光照强度测定仪、温度传感器相连；所述光照强度测定仪设置在温室大棚中间位置，距温室大棚太阳能集热结构的高温棚专用膜垂直距离150-200mm处；所述温度传感器设置于温室大棚中间位置，距地面距离1500mm处。
有益效果：本发明利用太阳能为主、地源热泵为辅的耦合利用供热系统，解决了北方地区冬季气温低、阴天太阳光照不足而导致的温室蔬菜大棚内气温降低的问题；太阳能和地热能均属于清洁能源，在利用的过程中不会产生污染物而破坏环境；本发明充分利用太阳能和地源能清洁能源，通过调节温室蔬菜大棚内的温度，实现蔬菜一年四季的正常生长，为温室蔬菜大棚提供了一种节能高效的温室调温系统，解决了蔬菜在冬季因温度太低生长缓慢的问题，节约了资源，提高了清洁能源利用效率，增加了农民的收入。本发明对于地源热泵的推广和普及起到了很大的积极作用，具有显著的经济效益、社会效益、环境效益。
附图说明
图1 是本发明的结构示意图；
图中的附图标记为：1-温室蔬菜大棚；2-温室大棚太阳能集热结构；3-温室大棚墙体；4-盘管式换热器；5-暖气系统的循环水箱；6-换热管；7-地源热泵主机；8-地源热泵地埋管；9-PLC控制系统；10-温度传感器；11-光照强度测定仪；12-暖气系统循环水泵；13-暖气系统阀门1；14-暖气系统阀门2；15-地源热泵供热系统循环水泵；16-地源热泵供热系统阀门1；17-地源热泵供热系统阀门2；18-工业风扇。
具体实施方案
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1 是本发明的结构示意图。
如图1所示，本实施例所涉及的一种太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，包括温室蔬菜大棚1、暖气系统、地源热泵供热系统、PLC控制系统9，其特征在于：所述温室蔬菜大棚1设有温室大棚太阳能集热结构2、墙体3、盘管式换热器4、工业风扇18及温度传感器10、光照强度测定仪11；所述太阳能集热结构2通过吸收太阳能为蔬菜大棚提供热量，保持蔬菜大棚的合适气温；所述墙体3带有保温层，以减少温室蔬菜大棚的热能损失；所述温度传感器10与PLC控制系统9相连接，并将温室蔬菜大棚的温度信息输送到PLC控制系统9；所述光照强度测定仪11与PLC控制系统9相连接，并将温室蔬菜大棚的光照强度信息输送到PLC控制系统9；所述盘管式换热器4与暖气系统的循环水箱5相连接，二者与换热管6、暖气系统循环水泵12、暖气系统阀门1-13、暖气系统阀门2-14共同组成暖气系统，该暖气系统通过盘管式换热器4和工业风扇18为温室蔬菜大棚1提供热能；所述暖气系统的循环水箱5内设换热管6；所述换热管6通过地源热泵供热系统循环水泵15、地源热泵供热系统阀门1-16、地源热泵供热系统阀门2-17与地源热泵主机7相连接；所述地源热泵主机7与地源热泵地埋管8相连接，二者与换热管6共同组成地源热泵供热系统，该供热系统通过换热管6为暖气系统提供热能。所述PLC控制系统9，通过导线与温室蔬菜大棚1的温度传感器10和光照强度测定仪11、暖气系统循环水泵12、暖气系统阀门1-13、暖气系统阀门2-14、地源热泵供热系统循环水泵15、地源热泵供热系统阀门1-16、地源热泵供热系统阀门2-17及地源热泵主机7相连接；通过逻辑控制，优先采用太阳能保证温室蔬菜大棚的气温要求；当太阳能光照强度不足或温室蔬菜大棚温度低于设计时，启动地源热泵供热系统，提供热能，辅助提供温室蔬菜大棚的供热需求。所述的所有水泵、阀门以及温度传感器、光照强度测定仪均通过PLC控制系统9启停。
本发明的工作方式：
在气温、光线适宜的春、夏、秋季和阳光充足时，单独依靠温室大棚太阳能集热结构2为温室蔬菜大棚1提供热能，维持温室蔬菜大棚中蔬菜生长所需的温度；此时，由PLC控制系统9通过导线控制来关闭地源热泵供热系统、暖气系统，即关闭地源热泵主机7、暖气系统循环水泵12、暖气系统阀门1-13、暖气系统阀门2-14、地源热泵供热系统循环水泵15、地源热泵供热系统阀门1-16、地源热泵供热系统阀门2-17，仅开启温度传感器10、光照强度测定仪11控制开关，监控温室蔬菜大棚1的温度和光照强度。这一阶段的实验室型温室蔬菜大棚与传统的温室蔬菜大棚一样，只依靠太阳能提供热能来保证温室蔬菜大棚的正常运行。当夏季温度过高、阳光充足时，会引起温室蔬菜大棚2内温度过高，不利于蔬菜生长；此时，可采用温室大棚太阳能集热结构2配备的遮阳附件遮挡阳光的射入，降低温室蔬菜大棚1的气温。
在气温较低的冬季和阴雨天，单独依靠太阳能不能维持温室蔬菜大棚1所需的热能，此时温室蔬菜大棚1内的光照强度、温度低于设计值。PLC控制系统9收到温度传感器10、光照强度测定仪11传递过来的信息后，启动地源热泵供热系统循环水泵15、地源热泵供热系统阀门1-16、地源热泵供热系统阀门2-17、地源热泵主机7和换热管6组成的地源热泵供热系统，抽取地下热能，并通过换热管将热能传递到暖气系统的循环水箱中。然后启动暖气系统循环水泵12、暖气系统阀门1-13、暖气系统阀门2-14，通过温室蔬菜大棚1中的盘管式换热器4和工业风扇18为温室蔬菜大棚1供暖，保持温室蔬菜大棚1的适宜气温。PLC控制系统9可根据温度传感器10、光照强度测定仪11传递的信息调控地源热泵供热系统的供热量，以减少能源浪费。
本发明上述实施方案，只是举例说明，不是仅有的，所有在本发明范围内或等同本发明的范围内的改变均被本发明包围。

Claims (7)

1.一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，包括温室蔬菜大棚、温室大棚太阳能集热结构、暖气系统、地源热泵供热系统、PLC控制系统，其特征在于：所述的温室蔬菜大棚设有太阳能集热结构和遮阳板附件、盘管式换热器和工业风扇，该盘管式换热器通过暖气水管与设有换热管的循环水箱相连接；所述换热管通过暖气管道与温室蔬菜大棚中的盘管式换热器相连接；所述循环水箱通过所设有的换热管、循环管道与地源热泵主机相连接；所述地源热泵主机通过循环管道与地埋管相连接；所述温室大棚中的温度传感器和光照强度测定仪、暖气系统中的循环泵和泵阀、地源热泵供热系统中的主机和泵阀均与PLC控制系统相连接。
2.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述温室蔬菜大棚中设有光照强度测定仪。
3.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述温室蔬菜大棚的墙体采用国产墙体保温材料，保温材料的厚度为60-120mm。
4.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述太阳能集热结构设有遮阳板附件。
5.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述的暖气系统的散热装置由盘管式换热器+工业风扇组成来替代传统的暖气片，以使其传热更快更均匀。
6.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述循环水箱设有换热管。
7.根据权利要求1 所述的一种基于太阳能和地源热泵耦合利用的实验室型温室蔬菜大棚，其特征在于：所述的PLC控制系统设有光照强度信息处理程序。
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