CN106818299B - 一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，包括固定骨架，固定骨架自前墙至后墙的方向上分为上升段和下降段，其中上升段为弧形结构，上升段上设置有屋面；所述的屋面包括固定屋面和比固定屋面位置高的活动屋面，其中活动屋面的一端铰接在固定骨架上，活动屋面的另一端由电机驱动以改变活动屋面与水平面之间的夹角；所述的后墙内部填充有相变固化土层，并在相变固化土层中铺设有蓄热通道；所述的后墙上设置有轴流风机，温室下部设置有热交换系统。本发明的提出的温室与现有日光温室相比可以大幅降低建造成本和加快施工速度，而可以大大提高温室的自动化水平；具有蓄热保温效果好，制造、操作简单，使用寿命长等优点。

Description

一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室

技术领域

本发明涉及一种轻简化的日光温室，具体涉及一种能够通过墙体和地下风道进行热量交换并完成温室新风导入，以及集成了日光温室主动采光等技术的蓄热温室。

背景技术

夯土墙在当前的温室大棚的构建过程中有着普遍的应用，多用作温室的后墙，具有取材方便、施工简单、节能环保、造价低等特点。版筑夯土墙是我国最早采用的构筑城墙的方法，它是以木板作模，内填粘土或灰石，层层用杵夯实修筑成的。有的是用粘土和砂，再夹以红柳或芦苇的枝条夯筑成的，也有的地方是用土，砂，石灰加以碎石的版筑夯土墙，墙体的高度一般是底厚的一倍左右，顶部宽度为墙高的四分之一至五分之一，所以传统的夯土墙体有明显的收分，这种墙有一定的承载能力。

目前，常规的夯土墙施工中采用的一般工艺均为以下几个步骤：步骤一，模板的设计与制作，模板由螺栓将竹胶板、角钢连接而成。模板之间采用拉结螺杆、圆盘螺母以及锚钉使其相互组合连接可形成T形、L形、一字形模板，模板组装时，模板上下两排每隔600mm插入1根拉接螺杆，穿透模板并在其两端加木条用圆盘螺母拧紧；步骤二，采用小型可移动式稳定土拌合站或固定式稳定土拌合站；步骤三，运土车或装载机将混合土倒入墙体模板中；步骤四，采用捣固机将虚土夯实。由于当前的夯土建筑方法一般均只考虑墙体的强度，墙体的蓄热和绝热性能一般都不在考虑之列，因此导致墙体的绝热蓄热条件不但差，而且还很难提高。

从夯土墙背景分析可知，不管是传统夯土墙体施工工艺，还是现在进行改造升级的现代夯土墙体施工新工艺均未能实现夯土墙体的快速施工，制约了夯土墙体的推广和应用。然而在构造温室大棚的过程中，要求夯土墙的建造尽可能低成本、高效率，同时在建造方法上进行改良，以适应当前的高效化建造需求；另外，作为构成温室大棚的一部分，当前对夯土墙提出的新要求就是，夯土墙需要具有足够的绝热、蓄热性能。另外，当前的大棚温室还存在换热能力差、通风效果不佳、只能进行被动式采光蓄热等不足之处，这些都是现有技术所未能解决的问题，在一定程度上影响着当前温室的整体性能。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，以提升温室的光温效果，不仅具有一般温室的保温蓄热功能，而且能跟随外界光照进行主动采光，同时能够在一定程度上进行墙体的主动蓄热放热，以及进行温室内外气体和能量的交换。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，包括固定骨架，固定骨架的前端、后端分别支撑在前墙、后墙上，温室的两侧设置有山墙；所述的固定骨架自前墙至后墙的方向上分为上升段和下降段，其中上升段为弧形结构，上升段上设置有屋面；所述的屋面包括固定屋面和比固定屋面位置高的活动屋面，其中活动屋面的一端铰接在固定骨架上，活动屋面的另一端由电机驱动以改变活动屋面与水平面之间的夹角；

所述的后墙内部填充有相变固化土层，并在相变固化土层中铺设有蓄热通道；所述的相变固化土层是由相变固化剂与基土混合后采用夯实工艺制成，所述的相变固化剂以重量份数记，由以下组分构成：

氧化铝：5份，普通硅酸盐水泥：80份，生石灰：16份，磷酸氢二钠：80份，无水硫酸钠：40份，水玻璃5份；

所述的相变固化土层中，相变固化剂与基土的重量比为5％～10％，所述的基土为沙土和/或砾石土；

所述的后墙位于温室内部的一侧设置有预制孔道楼板，预制孔道楼板的孔道与所述的蓄热通道连通，在所述的孔道上安装有轴流风机；所述的后墙位于温室外部的一侧设置有与蓄热通道连通的进风口；

所述的温室下部设置有热交换系统，热交换系统包括铺设在温室内地下的进风管道和出风管道，其中进风管道位于出风管道的上部，进风管道上贯连有多根与温室内部连通的换热管，进风管道的一端穿出山墙；出风管道的一端位于温室内部，另一端穿出山墙。

进一步地，所述的夯实工艺包括以下步骤：

步骤一，确定后墙的建筑参数，在靠近温室的一侧设置吸热材料层，靠近温室外部的一侧设置绝热保温材料层，然后组装夯实模具；

步骤二，将变化固化剂与基土进行混合并搅拌均匀，得到搅拌混合物；

步骤三，在步骤二得到的搅拌混合物中加水并搅拌，调整搅拌混合物使其达到最优含水率；

步骤四，将步骤三中的搅拌混合物添加到步骤一搭建好的夯实模具中，进行平整并夯实，在夯实的过程中，依次铺设所述的蓄热通道；

步骤五，夯实完成后，拆除夯实模具，保留吸热材料层和绝热保温材料层，得到后墙；并在后墙的外部砌筑砖墙。

进一步地，所述的后墙内部的相变固化土层中设置有与所述的蓄热通道连接的蓄热通风主管，温室内地下铺设有蓄热通风支管，蓄热通风支管的一端与温室内部连通，另一端与蓄热通风主管连接。

进一步地，所述的活动屋面与水平面之间的夹角范围为26°±10°，安装活动屋面的固定骨架部分与水平面之间的夹角范围为15°±10°。

进一步地，所述的后墙顶部设置有顶圈梁，顶圈梁的上部设置有钢筋混凝土封板，顶圈梁中设置有用于支撑固定骨架的后部预埋件；所述的固定骨架的下降段上铺设有钢筋混凝土层。

进一步地，所述的固定骨架的上升段和下降段之间设置有支撑架，所述的电机安装在支撑架上；所述的活动屋面的前端侧面通过转动件安装在固定骨架上，活动屋面的后端设置有横跨温室两侧山墙的顶部连梁，在顶部连梁上安装有齿条，所述的电机通过齿轮驱动所述的齿条。

进一步地，所述的转动件包括连接在固定骨架上的转轴，转轴上套装有U形的固定卡，固定卡的两端向外侧翘起形成凹陷部；利用一根螺杆穿过固定卡，使转轴位于螺杆与固定卡之间，然后对螺杆两端通过螺母固定，使螺母位于凹陷部中；所述的活动屋面连接在固定卡上。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

其一，在阳光温室结构设计上,创新性地将温室的固定骨架与温室的主动采光活动屋架结合起来设计，达到了即节省建造成本也同时提高了温室结构的整体性，同时适应新建温室和对原由温室的升级改造，实践意义巨大；

其二，在温室后墙建造的材料上首次采用了相变固化土技术，所利用的储能材料为添加了硫酸钠和磷酸氢二钠的黄土、沙子或者戈壁砾石土等，这些材料均可以就地取材，成本低廉；并且由于加入了本发明提出的相变固化剂材料，使得温室后墙的蓄热量大幅增大，而且能在设计的温度点进行热量的吸收和释放。

本发明的自主蓄热相变固化土装配式后墙温室，由于建筑材料的宽泛要求，使得该结构的日光温室能够适应不同地区不同地质条件的温室建设要求，因此可以极大地推动日光温室标准化的进程，为新型日光温室的科学设计提供了样板。

其三，本发明的自主蓄热相变固化土装配式后墙温室在建筑结构上采用了快速成型结构设计和施工技术，可以结合日光温室的后墙进行一体化建造，因此大大降低温室土建的建筑成本，同时还可以增强日光温室后墙的稳定性。另外，本发明的固化土中加入了硫酸钠和磷酸氢二钠，因此该固化土可以实现部分相变，进而达到最大限度地提高固化土的蓄热容量。

其四，创新性地在温室后墙建造中采用了绝热维护材料与墙体主体一次快速成型技术，在蓄热风道的构造上也采取钢丝网+土工布或无纺布的设计，使得换热风道在大幅降低造价的基础上，提升了换热能力并具有了除湿的功能。同时在地下构造温室全热交换通风系统，使得温室能够在损失极少热量的同时实现温室的换气需求。因此，不但主动蓄热通风系统几乎没有材料的消耗，而且进一步提高了传热的效率和稳定性。

其五，运行采用光伏板直接驱动直流风机，而且采用了生态智能控制策略，因此相比一般的风机驱动省去了控制系统和电力供应系统等机构，系统构造简化，运行稳定和低能耗，安装调试完成后，不需要运行费用。

其六，本发明的基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，结构合理，与现有日光温室相比可以大幅降低建造成本和加快施工速度，而可以大大提高温室的自动化水平。具有蓄热保温效果好，制造、操作简单，使用寿命长等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为活动屋面打开后的结构示意图；

图3为后墙中采用钢丝网通道的结构示意图；

图4为本发明的俯视结构示意图；

图5为本发明的内部结构示意图(温室内部朝向后墙方向)；

图6为转动件的结构示意图；

图中标号代表：1—前墙，2—前部预埋件，3—固定屋面，4—上升段，5—固定骨架，6—活动屋面，7—支撑架，8—齿条，9—电机，10—下降段，11—钢筋混凝土层，12—钢筋混凝土封板，13—顶圈梁，14—蓄热通道，15—砖墙，16—后墙，17—相变固化土层，18—转动件，181—固定卡，182—转轴，183—螺母，184—螺杆，185—凹陷部，19—钢丝网通道，20—山墙，21—顶部连梁，22—进风口，23—预制孔道楼板，24—轴流风机，25—出风管，26—进风管，27—换热管，28—蓄热通风主管，29—蓄热通风支管。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图6所示，本发明提出了一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，包括固定骨架5，固定骨架5的前端、后端分别支撑在前墙1、后墙16上，温室的两侧设置有山墙20，固定骨架5的两侧与山墙20顶部相接；所述的固定骨架5自前墙1至后墙16的方向上分为上升段4和下降段10，其中上升段4为弧形结构，上升段4上设置有屋面；如图1所示，固定骨架5自前墙1起始向后墙16方向延伸，上升段4整体呈弧形结构，而靠近前墙1的部分斜率较其余上升段4部分的斜率更大一些；上升段4和下降段10相交处为整个固定骨架5的最高处，下降段10最终支撑在后墙16上。

所述的屋面包括固定屋面3和比固定屋面3位置高的活动屋面6，固定屋面3和活动屋面6整体构成完整的屋面，覆盖在温室上部，活动屋面6在曲线设计上贴合固定骨架5，因此适合对已有的温室进行针对性的改造和提升。固定屋面3整体固定布设在骨架上，固定屋面3的长度(自前墙1向后墙16方向)为整个屋面长度的1/4～1/2；活动屋面6的一端铰接在固定骨架5上，活动屋面6的另一端由电机9驱动以改变活动屋面6与水平面之间的夹角，即活动屋面6在电机9驱动时，能远离或靠近固定骨架5，从而实现跟随外界光照进行主动采光的功能。

如图1至图3所示，活动屋面6与水平面之间的夹角范围为26°±10°，优选为26°；这里的夹角是指活动屋面6起始端和末端的连线与水平面之间的夹角；安装活动屋面6的固定骨架5部分与水平面之间的夹角范围为15°±10°，优选为15°，这里的夹角为安装活动屋面6的固定骨架5部分的起始端和末端连线与水平面之间的夹角。

如图所示，本方案中，固定骨架5的上升段4和下降段10之间设置有支撑架7，所述的电机9安装在支撑架7上，通过齿轮齿条8传动副来驱动活动屋面6以调整活动屋面6的位置；所述的活动屋面6的前端侧面通过转动件18安装在固定骨架5上，活动屋面6的后端设置有横跨温室两侧山墙20的顶部连梁21，如图4所示；在顶部连梁21上安装有齿条8，所述的电机9通过齿轮驱动所述的齿条8；即活动屋面6的前端两侧通过转动件18进行安装，活动屋面6的后端由于需要整体升降，为了保证稳固性，设置了顶部连梁21，通过驱动顶部连梁21上下移动，顶部连梁21在移动过程中将带动活动屋面6运动。

如图6所示，本方案中提出了一种具体的转动件18结构，转动件18包括连接在固定骨架5上的转轴182，转轴182上套装有U形的固定卡181，固定卡181的两端向外侧翘起形成凹陷部185；利用一根螺杆184穿过固定卡181，使转轴182位于螺杆184与固定卡181之间，然后对螺杆184两端通过螺母183固定，使螺母183位于凹陷部185中；所述的活动屋面6连接在固定卡181上。这种转动件18结构，不仅与活动屋面6能有更加的连接面积，以保证连接的稳固性，而且由于设置了U形结构，使得端部螺母183可以得到有效保护，能有效防止在使用过程中出现松动的情况，并且拆装方便，便于调整。

本方案中，为了提高温室的蓄热性能和稳定性能，提出了一种新型后墙16结构：

所述的后墙16内部填充有相变固化土层17，并在相变固化土层17中铺设有蓄热通道14；所述的相变固化土层17是由相变固化剂与基土混合后采用夯实工艺制成，所述的相变固化剂以重量份数记，由以下组分构成：

氧化铝：5份，普通硅酸盐水泥：80份，生石灰：16份，磷酸氢二钠：80份，无水硫酸钠：40份，水玻璃5份；

所述的相变固化土层17中，相变固化剂与基土的重量比为5％～10％，所述的基土为沙土和/或砾石土；即，基土可以采用沙土，也可以采用砾石土，如戈壁砾石土，或采用沙土、砾石土的混合物，这些基土材料能很方便地就地取材，有效降低了建筑成本。

所述的后墙16位于温室内部的一侧设置有预制孔道楼板23，如图5所示，预制孔道楼板23即为在楼板制作时预制了若干个孔道，用于安装风机；预制孔道楼板23的孔道与所述的蓄热通道14连通，在所述的孔道上安装有轴流风机24；所述的后墙16位于温室外部的一侧设置有与蓄热通道14连通的进风口22；蓄热通道14内部安装有主动蓄热鼓风机。轴流风机24、主动蓄热鼓风机、蓄热通风主管28、蓄热通风支管29、蓄热通道14连通，共同构成了土壤全热交换风道。温室外部设置有太阳能板，通过太阳能发电系统为轴流风机24提供电能，省去了控制系统和电力供应系统等机构。这样，当阳光升起后，温室内的温度开始升高，光伏发电量也随之增加，风机的风量也会和温室内的温度实现正向耦合；当光照减弱时，风机风量伴随电量的减少而降低，进而实现了完全无单片机的生态智能耦合系统。温室后墙16的内部构造采用相变固化土层17填充，在保证后墙16的质量基础上，可大大降低后墙16的建筑成本。另外，后墙16中的蓄热通道14也可以采用钢丝网通道19。

所述的温室下部设置有热交换系统，热交换系统包括铺设在温室内地下的进风管26道和出风管25道，进风管26道和出风管25道内部有钢丝网，可以实现对温室内部热量的最大存储；其中进风管26道位于出风管25道的上部，进风管26道上贯连有多根与温室内部连通的换热管27，进风管26道的一端穿出山墙20，穿出山墙20的这一端比换热管27的端部位置高；出风管25道的一端位于温室内部，另一端穿出山墙20，且穿出山墙20的一端比位于温室内部一端的位置低。通过热交换系统的设置，可实现对温室内外空气和能量的进一步交换，进而实现温室换气而保存热量的目的，从而进一步提升温室的蓄热保温能力和提升温室内的温度指标。

在构筑所述的后墙16时，采用以下技术工艺：

步骤一，确定后墙16的建筑参数，建筑参数包括后墙16的长度、宽度以及高度；在靠近温室的一侧设置吸热材料层，靠近温室外部的一侧设置绝热保温材料层，然后组装夯实模具；夯实模具的搭建过程参考背景技术的过程；

步骤二，将变化固化剂与基土按照重量比为5％～10％的比例进行混合并搅拌均匀，得到搅拌混合物；

步骤三，在步骤二得到的搅拌混合物中加水并搅拌，调整搅拌混合物使其达到最优含水率；这里的最优含水率可通过标准击实试验进行确定，也可以采用重量百分比为11％～18％的最优含水率；当基土中的土为黏土、细粒土时，最优含水率采用15～18％，基土中粗粒，如砂石较多时，含水率采用11％～14％。

步骤四，将步骤三中调整好含水率的搅拌混合物添加到步骤一搭建好的夯实模具中，进行平整并夯实，在夯实的过程中，根据夯实的层次，依次铺设所述的蓄热通道14；

步骤五，夯实完成后，松开用于固定夯实模具的液压装置，拆除夯实模具，保留吸热材料层和绝热保温材料层，得到后墙16；并在后墙16的外部砌筑砖墙15。

在完成一部分后墙16的构筑后，可将整个用于夯土成型工艺的装置，包括夯实模具、液压装置、平整设备、夯实设备等，利用拖动装置拖动到下一部分后墙16构筑位置，重复上述步骤，进行下一段后墙16的构筑。采用这种模块化的构筑方式，有效地提高了后墙16的建造效率。

另外，本发明在构件夯土墙时，后墙16内部的相变固化土层17中设置有与所述的蓄热通道14连接的蓄热通风主管28，温室内地下铺设有蓄热通风支管29，蓄热通风支管29的一端与温室内部连通，另一端与蓄热通风主管28连接。后墙16顶部设置有顶圈梁13，顶圈梁13的上部设置有钢筋混凝土封板12，顶圈梁13中设置有用于支撑固定骨架5的后部预埋件；所述的固定骨架5的下降段10上铺设有钢筋混凝土层11，构成后坡结构；前墙1顶部埋设有前部预埋件2，用于支撑固定骨架5的前端。

因此，本发明中采用了以项目地土地本身作为主要建筑材料，提出了一种效果理想的相变土壤固化剂，进而实现最大限度降低成本的同时有效提升夯土后墙16的强度和蓄热能力；采用了在土地材料里加入相变固化组分，从而可以使混合土壤可以在较低的夯实力下达到较高的强度，而且同时可以高效提高温室后墙16体的蓄热容量的设计理念和方法；在建造方法上采用了模块化组件式干法快速建造技术，为我国夯土墙体的革新提供一种新的发展思路。

Claims (4)

1.一种基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，其特征在于，包括固定骨架(5)，固定骨架(5)的前端、后端分别支撑在前墙(1)、后墙(16)上，温室的两侧设置有山墙(20)；所述的固定骨架(5)自前墙(1)至后墙(16)的方向上分为上升段(4)和下降段(10)，其中上升段(4)为弧形结构，上升段(4)上设置有屋面；所述的屋面包括固定屋面(3)和比固定屋面(3)位置高的活动屋面(6)，其中活动屋面(6)的一端铰接在固定骨架(5)上，活动屋面(6)的另一端由电机(9)驱动以改变活动屋面(6)与水平面之间的夹角；

所述的后墙(16)内部填充有相变固化土层(17)，并在相变固化土层(17)中铺设有蓄热通道(14)；所述的相变固化土层(17)是由相变固化剂与基土混合后采用夯实工艺制成，所述的相变固化剂以重量份数记，由以下组分构成：

氧化铝：5份，普通硅酸盐水泥：80份，生石灰：16份，磷酸氢二钠：80份，无水硫酸钠：40份，水玻璃5份；

所述的相变固化土层(17)中，相变固化剂与基土的重量比为5％～10％，所述的基土为沙土和/或砾石土；

所述的后墙(16)位于温室内部的一侧设置有预制孔道楼板(23)，预制孔道楼板(23)的孔道与所述的蓄热通道(14)连通，在所述的孔道上安装有轴流风机(24)；所述的后墙(16)位于温室外部的一侧设置有与蓄热通道(14)连通的进风口(22)；

所述的温室下部设置有热交换系统，热交换系统包括铺设在温室内地下的进风管(26)道和出风管(25)道，其中进风管(26)道位于出风管(25)道的上部，进风管(26)道上贯连有多根与温室内部连通的换热管(27)，进风管(26)道的一端穿出山墙(20)；出风管(25)道的一端位于温室内部，另一端穿出山墙(20)；

所述的后墙(16)内部的相变固化土层(17)中设置有与所述的蓄热通道(14)连接的蓄热通风主管(28)，温室内地下铺设有蓄热通风支管(29)，蓄热通风支管(29)的一端与温室内部连通，另一端与蓄热通风主管(28)连接；

所述的固定骨架(5)的上升段(4)和下降段(10)之间设置有支撑架(7)，所述的电机(9)安装在支撑架(7)上；所述的活动屋面(6)的前端侧面通过转动件(18)安装在固定骨架(5)上，活动屋面(6)的后端设置有横跨温室两侧山墙(20)的顶部连梁(21)，在顶部连梁(21)上安装有齿条(8)，所述的电机(9)通过齿轮驱动所述的齿条(8)；

所述的转动件(18)包括连接在固定骨架(5)上的转轴(182)，转轴(182)上套装有U形的固定卡(181)，固定卡(181)的两端向外侧翘起形成凹陷部(185)；利用一根螺杆(184)穿过固定卡(181)，使转轴(182)位于螺杆(184)与固定卡(181)之间，然后对螺杆(184)两端通过螺母(183)固定，使螺母(183)位于凹陷部(185)中；所述的活动屋面(6)连接在固定卡(181)上。

2.如权利要求1所述的基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，其特征在于，所述的夯实工艺包括以下步骤：

步骤一，确定后墙(16)的建筑参数，在靠近温室的一侧设置吸热材料层，靠近温室外部的一侧设置绝热保温材料层，然后组装夯实模具；

步骤二，将变化固化剂与基土进行混合并搅拌均匀，得到搅拌混合物；

步骤三，在步骤二得到的搅拌混合物中加水并搅拌，调整搅拌混合物使其达到最优含水率；

步骤四，将步骤三中的搅拌混合物添加到步骤一搭建好的夯实模具中，进行平整并夯实，在夯实的过程中，依次铺设所述的蓄热通道(14)；

步骤五，夯实完成后，拆除夯实模具，保留吸热材料层和绝热保温材料层，得到后墙(16)；并在后墙(16)的外部砌筑砖墙(15)。

3.如权利要求1所述的基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，其特征在于，所述的活动屋面(6)与水平面之间的夹角范围为26°±10°，安装活动屋面(6)的固定骨架(5)部分与水平面之间的夹角范围为15°±10°。

4.如权利要求1所述的基于土壤全热交换风道的轻简化主动采光蓄热温室，其特征在于，所述的后墙(16)顶部设置有顶圈梁(13)，顶圈梁(13)的上部设置有钢筋混凝土封板(12)，顶圈梁(13)中设置有用于支撑固定骨架(5)的后部预埋件；所述的固定骨架(5)的下降段(10)上铺设有钢筋混凝土层(11)。