CN107047330A - 一种零能耗太阳能牛床供暖系统及供暖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种零能耗太阳能牛床供暖系统及供暖方法，该零能耗太阳能牛床供暖系统包括集热系统和蓄热系统；集热系统包括太阳能集热器、集热工质箱和蓄热工质箱；蓄热系统包括短期蓄热子系统和/或长期蓄热子系统；短期蓄热子系统包括至少在牛床地面下变温层内设置的短期蓄热板；长期蓄热子系统包括设置在短期蓄热板之下、恒温层之上的长期蓄热板。本发明利用热压作用，形成无动力循环，实现供暖系统近零能耗运行，经济效益和社会效益明显。本发明利用太阳能资源，将太阳能利用与奶牛饲养设施—牛床相结合，实现饲养设施与供暖设施一体化，符合国家节能减排，绿色发展的大方向，是造福民生的绿色技术发明。

Description

一种零能耗太阳能牛床供暖系统及供暖方法

技术领域

本发明涉及牛舍供暖系统，特别涉及一种近零能耗的高寒地区太阳能牛舍一体化供暖系统及供暖方法。

背景技术

牛舍是奶牛场中牛群的饲养和休息场所，牛舍温度对奶牛身体和产奶量有着重要的影响。从工艺角度，奶牛在10-20℃的温度下产奶量更多，质量更好。但在高寒地区(如拉萨)的冬季，室外气温较低，室内温度无法满足奶牛休息和产奶的要求，需要对牛舍进行供暖。目前常用的牛舍供暖采用在牛舍内设置取暖装置的方法，这种牛舍供暖技术能耗大，存在大量能源的消耗，还会损害养牛场的空气品质和周围的生态环境。如何设计节能绿色且保证牛场的空气品质和周围的生态环境的供暖系统系统是一个亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种一种零能耗太阳能牛床供暖系统及供暖方法，解决现有技术中牛舍供暖技术能耗大且损害养牛场的空气品质和周围的生态环境的问题。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种零能耗太阳能牛床供暖系统，其包括集热系统和蓄热系统；所述集热系统包括太阳能集热器、集热工质箱和蓄热工质箱；所述太阳能集热器的入口与集热工质箱的第一出口相连，所述太阳能集热器的出口与集热工质箱的第一入口相连；所述集热工质箱的第二出口与蓄热工质箱的第一入口相连且在连接管路上设置有第三阀门，所述集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口相连且在连接管路上设置有第四阀门；所述蓄热系统包括短期蓄热子系统和/或长期蓄热子系统；所述短期蓄热子系统包括至少在牛床地面下变温层内设置的短期蓄热板，所述短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，所述短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口相连；所述短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第五阀门，所述短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口的连接管路上设置有第七阀门；所述长期蓄热子系统包括设置在短期蓄热板之下、恒温层之上的长期蓄热板，所述长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，所述长期蓄热板的出口与蓄热高工资箱的第二入口相连；所述长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第六阀门，所述长期蓄热板的出口与蓄热工资箱的第二入口的连接管路上设置有第八阀门。

本发明利用太阳能资源，将太阳能利用与奶牛饲养设施—牛床相结合，实现饲养设施与供暖设施一体化，符合国家节能减排，绿色发展的大方向，是造福民生的绿色技术发明。

本发明在循环系统上，分为集热循环和蓄热循环，利用热压作用，形成无动力循环，实现供暖系统近零能耗运行，经济效益和社会效益明显。

本发明涵盖集热、蓄热、释热三大环节。在收集环节，通过热压自然循环，实现太阳能集热器与屋顶集热工质箱的联合集热。在蓄热环节，利用牛床下面不同深度的土壤存储太阳能，其中通过表层土壤(变温层)进行冬季白天太阳能的短期蓄存；下层土壤(恒温层)进行夏秋两季太阳能的长期季节蓄存。在释热环节，利用表层土壤白天蓄存的太阳能为牛床提供稳定的表面温度分布，实现奶牛所在的牛床区域温度10-20℃的局部供暖。下层土壤蓄存的夏秋两季太阳能，源源不断地补充到表层土壤，确保牛床整个冬季节温度满足要求。

在本发明的一种优选实施方式中，所述太阳能集热器设置在牛舍屋顶。充分利用牛舍斜坡屋顶的建筑特点，实现太阳能的高效收集。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述集热工质箱设置在牛舍屋顶且集热工质箱的第一入口高于太阳能集热器的出口，所述集热工质箱的第一出口高于太阳能集热器的入口。通过热压自然循环，实现太阳能集热装置与屋顶集热工质箱的联合集热。

在本发明的再一种优选实施方式中，所述蓄热工质箱设置于土壤恒温层。蓄存夏秋两季太阳能，在冬季时源源不断地补充到表层土壤，确保牛床整个冬季节温度满足要求。

在本发明的再一种优选实施方式中，所述集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口的连接管路上设置有工质泵。保证工质的顺利高效输送。

在本发明的再一种优选实施方式中，在每个牛床下设置有一块短期蓄热板，相邻短期蓄热板之间通过管路连接。利用表层土壤白天蓄存的太阳能为牛床提供稳定的表面温度分布，实现奶牛所在的牛床区域温度10-20℃的局部供暖。

在本发明的再一种优选实施方式中，所述长期蓄热板至少设置在牛床区域之下，其为一个整体结构或者分为多块且每一块设置在一个牛床区域之下。实现夏秋两季太阳能的长期季节蓄存。

在本发明的再一种优选实施方式中，所述短期蓄热板位于地面下大致0.1m，所述长期蓄热板位于地面下大致1.5m，所述蓄热工质箱位于地面2m以下。蓄热工质箱设置于恒温层内，易于保持工质箱内的工质温度。设置以上高度，在热压自然循环作用下形成无动力循环，节约能源，有利于牛舍内的环境。

在本发明的再一种优选实施方式中，所述工质为水。利用水作为循环工质，低成本、方便又环保。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种零能耗太阳能牛床供暖系统的供暖方法，其包括以下步骤：

S1，搭建本发明的零能耗太阳能牛床供暖系统；

S2，在早晨日出后，开启第四阀门和工质泵，为太阳能集热器和集热工质箱充工质，充工质完毕后关闭工质泵和第四阀门，太阳能集热器中的工质吸收太阳辐射后，温度升高，密度减小，在浮升力作用下进入集热工质箱上部热工质层，集热工质箱下部的冷工质层在重力作用下进入太阳能集热器，形成无动力集热循环，实现对太阳能的收集；

S3，日落之后，开启第三阀门，集热工质箱中的高温工质在重力作用下流到蓄热工质箱，完毕后关闭第三阀门；

S4，冬季夜间，开启第五阀门和第七阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将蓄热工质箱中的热量输运至短期蓄热板，并通过与表层土壤的换热作用，将热量存储在牛床下的表层土壤中；在夏秋两季，关闭第五阀门和第七阀门，停止短期蓄热模式；

夏秋季夜间，开启第六阀门和第八阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将工质箱中的热量输运于长期调节蓄热板，并通过与恒温层土壤的换热作用，将热量存储在牛舍下的恒温层土壤中，作为冬季补充热源；在冬季时，关闭第六阀门和第八阀门，停止季节蓄热模式。

本发明的太阳能供暖牛床涵盖集热、蓄热、释热三大环节。在收集环节，充分利用牛舍斜坡屋顶的建筑特点，通过热压自然循环，实现太阳能集热装置与屋顶集热工质箱的联合集热。在蓄热环节，利用牛床下面不同深度的土壤存储太阳能，其中通过表层土壤进行冬季白天太阳能的短期蓄存；下层土壤进行夏秋两季太阳能的长期季节蓄存。在释热环节，利用表层土壤白天蓄存的太阳能为牛床提供稳定的表面温度分布，实现奶牛所在的牛床区域温度10-20℃的局部供暖。下层土壤蓄存的夏秋两季太阳能，源源不断地补充到表层土壤，确保牛床整个冬季节温度满足要求。

本发明在循环系统上，分为集热循环和蓄热循环，利用热压作用，形成无动力循环，实现供暖系统近零能耗运行，经济效益和社会效益明显。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种优选实施方式中零能耗太阳能牛床供暖系统的示意图；

图2是本发明一种优选实施方式中牛舍的横立面图；

图3是本发明一种优选实施方式中牛舍的平面布置图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种零能耗太阳能牛床供暖系统，如图1所示，其包括集热系统和蓄热系统，集热系统包括太阳能集热器、集热工质箱和蓄热工质箱。太阳能集热器的入口与集热工质箱的第一出口相连，太阳能集热器的出口与集热工质箱的第一入口相连。集热工质箱的第二出口与蓄热工质箱的第一入口相连且在连接管路上设置有第三阀门，集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口相连且在连接管路上设置有第四阀门。

在本实施方式中，蓄热系统包括短期蓄热子系统和/或长期蓄热子系统。短期蓄热子系统包括至少在牛床地面下变温层内设置的短期蓄热板，短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口相连；短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第五阀门，短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口的连接管路上设置有第七阀门；长期蓄热子系统包括设置在短期蓄热板之下、恒温层之上的长期蓄热板(之下、之上均是指相应参照物所在的水平面之下，从纵剖面上看，短期蓄热板和长期蓄热板所处的位置可以是上下对应也可以上下不对应)，长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，长期蓄热板的出口与蓄热高工资箱的第二入口相连；长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第六阀门，长期蓄热板的出口与蓄热工资箱的第二入口的连接管路上设置有第八阀门。

在本实施方式中，入口、出口均是按照工质的流向设定，即工质流出的口味出口，工质流入的口为入口。

本发明利用太阳能资源，将太阳能利用与奶牛饲养设施—牛床相结合，实现饲养设施与供暖设施一体化，符合国家节能减排，绿色发展的大方向，是造福民生的绿色技术发明。

本发明在循环系统上，分为集热循环和蓄热循环，利用热压作用，形成无动力循环，实现供暖系统近零能耗运行，经济效益和社会效益明显。

本发明涵盖集热、蓄热、释热三大环节。在收集环节，通过热压自然循环，实现太阳能集热器与屋顶集热工质箱的联合集热。在蓄热环节，利用牛床下面不同深度的土壤存储太阳能，其中通过表层土壤(变温层)进行冬季白天太阳能的短期蓄存；下层土壤(恒温层)进行夏秋两季太阳能的长期季节蓄存。在释热环节，利用表层土壤白天蓄存的太阳能为牛床提供稳定的表面温度分布，实现奶牛所在的牛床区域温度10-20℃的局部供暖。下层土壤蓄存的夏秋两季太阳能，源源不断地补充到表层土壤，确保牛床整个冬季节温度满足要求。

在本实施方式中，如图1和图2所示，太阳能集热器设置在牛舍屋顶。充分利用牛舍斜坡屋顶的建筑特点，实现太阳能的高效收集。在本发明的另一种优选实施方式中，集热工质箱设置在牛舍屋顶且集热工质箱的第一入口高于太阳能集热器的出口，集热工质箱的第一出口高于太阳能集热器的入口。通过热压自然循环，实现太阳能集热装置与屋顶集热工质箱的联合集热。

在本实施方式中，蓄热工质箱设置于土壤恒温层。蓄存夏秋两季太阳能，在冬季时源源不断地补充到表层土壤，确保牛床整个冬季节温度满足要求。

在本实施方式中，集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口的连接管路上设置有工质泵。保证工质的顺利高效输送。

在本发明的再一种优选实施方式中，如图3所示的多个牛床，在每个牛床下设置有一块短期蓄热板，相邻短期蓄热板之间通过管路连接。利用表层土壤白天蓄存的太阳能为牛床提供稳定的表面温度分布，实现奶牛所在的牛床区域温度10-20℃的局部供暖。

在本实施方式中，长期蓄热板至少设置在牛床区域之下，其为一个整体结构或者分为多块且每一块设置在一个牛床区域之下。实现夏秋两季太阳能的长期季节蓄存。

在本实施方式中，短期蓄热板位于地面下大致0.1m，所述长期蓄热板位于地面下大致1.5m，所述蓄热工质箱位于地面2m以下。蓄热工质箱设置于恒温层内，易于保持工质箱内的工质温度。设置以上高度，在热压自然循环作用下形成无动力循环，节约能源，有利于牛舍内的环境。

在本实施方式中，工质为水。利用水作为循环工质，低成本、方便又环保。

本发明提供了一种零能耗太阳能牛床供暖系统的供暖方法，其包括以下步骤：

S1，搭建本发明的零能耗太阳能牛床供暖系统；

S2，在早晨日出后，开启第四阀门和工质泵，为太阳能集热器和集热工质箱充工质，充工质完毕后关闭工质泵和第四阀门，太阳能集热器中的工质吸收太阳辐射后，温度升高，密度减小，在浮升力作用下进入集热工质箱上部热工质层，集热工质箱下部的冷工质层在重力作用下进入太阳能集热器，形成无动力集热循环，实现对太阳能的收集；

S3，日落之后，开启第三阀门，集热工质箱中的高温工质在重力作用下流到蓄热工质箱，完毕后关闭第三阀门；

S4，冬季夜间，开启第五阀门和第七阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将蓄热工质箱中的热量输运至短期蓄热板，并通过与表层土壤的换热作用，将热量存储在牛床下的表层土壤中；在夏秋两季，关闭第五阀门和第七阀门，停止短期蓄热模式；

夏秋季夜间，开启第六阀门和第八阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将工质箱中的热量输运于长期调节蓄热板，并通过与恒温层土壤的换热作用，将热量存储在牛舍下的恒温层土壤中，作为冬季补充热源；在冬季时，关闭第六阀门和第八阀门，停止季节蓄热模式。

在本发明的一种优选实施方式中，具体结构和工作流程为：

集热系统：在牛舍坡屋顶布置平板集热器，在屋顶最高处布置集热水箱，在土壤恒温层(2m以下)设置蓄热水箱。在早晨日出后，开启第四阀门4和水泵，通过水泵提升蓄热水箱中的低温水，为太阳能集热器和集热水箱充水，充水完毕后关闭水泵和第四阀门。(第一阀门1和第二阀门2是检修用，正常运行中保持常开)。集热器中的水吸收太阳辐射后，温度升高，密度减小，在浮升力作用下进入集热水箱上部热水层，水箱下部的冷水层在重力作用下进入集热器，形成无动力集热循环，实现对太阳能的收集。无日照时集热系统内的水从底部自流回蓄热水箱。

短期蓄热系统：在牛床地面下部区域(约0.1m深)埋设冬季短期调节蓄热板(日调节蓄热板)，蓄热板内部结构灵活多样，可以采用现有的任何设计，具体可以设置水流通道的散热板或者中空的散热板。冬季晴朗的白天，通过集热模式采集太阳能。日落之后，开启第三阀门3，集热器中的高温水在重力作用下流到蓄热水箱，完毕后关闭第三阀门3。夜间，开启第五阀门5和第七阀门7，由于蓄热水箱标高低于短期调节蓄热板，且水温比短期调节蓄热板中的水温要高，于是在热压作用下形成无动力蓄热循环，将水箱中的热量输运至短期调节蓄热板，并通过与表层土壤的换热作用，将热量存储在牛床下的表层土壤中，在当日夜间为牛床供暖。在夏秋两季，关闭第五阀门5和第七阀门7，停止短期蓄热模式。

季节蓄热系统：在大地恒温层之上土壤内(约1.5m深)埋设长期调节蓄热板(全年调节蓄热板)，蓄热板内部结构灵活多样，可以采用现有的任何设计，具体可以设置水流通道的散热板或者中空的散热板。长期调节蓄热板埋深小于蓄热水箱。夏秋季时，通过集热模式在白天采集太阳能。日落之后，开启第三阀门3，集热器中的高温水在重力作用下流到蓄热水箱，完毕后关闭第三阀门3。夜间，开启第六阀门6和第八阀门8，由于蓄热水箱低于全年调节蓄热板，且水温比长期调节蓄热板中的水温要高，于是在热压作用下形成无动力蓄热循环，将水箱中的热量输运于全年调节蓄热板，并通过与恒温层土壤的换热作用，将热量存储在牛舍下的恒温层土壤中，作为冬季补充热源。在冬季时，关闭第六阀门6和第八阀门8，停止季节蓄热模式。

释热系统：在冬季晴朗的白天，作为短期热源，冬季短期调节蓄热板将热量存储在牛床下面的土壤中，在整个冬季持续向牛床供暖，保持牛床及其上面奶牛所处空间温度在10-20℃范围。在冬季风雪天无太阳期间，用恒温层土壤的季节蓄热补充日调节蓄热的不足。通过太阳能的双重时空转移，为牛床表面维持15℃左右的供暖温度提供可靠保障，实现冬季牛床区域稳定的供暖需求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，包括集热系统和蓄热系统；所述集热系统包括太阳能集热器、集热工质箱和蓄热工质箱；所述太阳能集热器的入口与集热工质箱的第一出口相连，所述太阳能集热器的出口与集热工质箱的第一入口相连；所述集热工质箱的第二出口与蓄热工质箱的第一入口相连且在连接管路上设置有第三阀门，所述集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口相连且在连接管路上设置有第四阀门；

所述蓄热系统包括短期蓄热子系统和/或长期蓄热子系统；

所述短期蓄热子系统包括至少在牛床地面下的变温层内设置的短期蓄热板，所述短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，所述短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口相连；所述短期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第五阀门，所述短期蓄热板的出口与蓄热工质箱的第二入口的连接管路上设置有第七阀门；

所述长期蓄热子系统包括设置在短期蓄热板之下、恒温层之上的长期蓄热板，所述长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口相连，所述长期蓄热板的出口与蓄热高工资箱的第二入口相连；所述长期蓄热板的入口与蓄热工质箱的第二出口的连接管路上设置有第六阀门，所述长期蓄热板的出口与蓄热工资箱的第二入口的连接管路上设置有第八阀门。

2.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述太阳能集热器设置在牛舍屋顶。

3.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述集热工质箱设置在牛舍屋顶且集热工质箱的第一入口高于太阳能集热器的出口，所述集热工质箱的第一出口高于太阳能集热器的入口。

4.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述蓄热工质箱设置于土壤恒温层。

5.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述集热工质箱的第二入口与蓄热工质箱的第一出口的连接管路上设置有工质泵。

6.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，在每个牛床下设置有一块短期蓄热板，相邻短期蓄热板之间通过管路连接。

7.根据权利要求1所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述长期蓄热板至少设置在牛床之下，其为一个整体结构或者分为多块且每一块设置在一个牛床之下。

8.根据权利要求7所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述短期蓄热板位于地面下大致0.1m，所述长期蓄热板位于地面下大致1.5m，所述蓄热工质箱位于地面2m以下。

9.根据上述权利要求之一所述的零能耗太阳能牛床供暖系统，其特征在于，所述工质为水。

10.一种利用权利要求1-9之一所述的零能耗太阳能牛床供暖系统的供暖方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，搭建权利要求1-9之一所述的零能耗太阳能牛床供暖系统；

S2，在早晨日出后，开启第四阀门和工质泵，为太阳能集热器和集热工质箱充工质，充工质完毕后关闭工质泵和第四阀门，太阳能集热器中的工质吸收太阳辐射后，温度升高，密度减小，在浮升力作用下进入集热工质箱上部热工质层，集热工质箱下部的冷工质层在重力作用下进入太阳能集热器，形成无动力集热循环，实现对太阳能的收集；

S3，日落之后，开启第三阀门，集热工质箱中的高温工质在重力作用下流到蓄热工质箱，完毕后关闭第三阀门；

S4，冬季夜间，开启第五阀门和第七阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将蓄热工质箱中的热量输运至短期蓄热板，并通过与表层土壤的换热作用，将热量存储在牛床下的表层土壤中；在夏秋两季，关闭第五阀门和第七阀门，停止短期蓄热模式；

夏秋季夜间，开启第六阀门和第八阀门，在热压作用下形成无动力蓄热循环，将工质箱中的热量输运于长期调节蓄热板，并通过与恒温层土壤的换热作用，将热量存储在牛舍下的恒温层土壤中，作为冬季补充热源；在冬季时，关闭第六阀门和第八阀门，停止季节蓄热模式。