CN107960167A - 一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成；实施时，发挥作用主要在于其核心构件——内部填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管；密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中。通过管的“下部吸热‑上部散热”这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤由于“热岛效应”产生的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减黑土滩热岛效应的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种消减装置，具体讲是一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置。
背景技术
江河源区位于青藏高原腹地，被誉为“中华水塔”，区域内富含有机质的土壤对我国甚至全球的碳源汇管理和生态安全起着举足轻重的作用。高寒草甸是江河源区草地的主体部分，占江河源区草地面积的79.64%。近年来，由于人类活动和气候暖干化的双重作用，区域内产生了大面积的“黑土滩”退化草地。草地退化过程伴随着土壤碳排放及水土流失等环境效应，又进一步加速草地退化，从而形成恶性循环。
由于高寒退化草地“黑土滩”地表裸露，在草地中出现局部高温孤岛的现象被称为热岛现象，热岛现象的强弱由特定时间内＞0℃积温值反映，称为热岛强度，而由热岛现象所引起的一系列环境效应，则称为热岛效应。高寒退化草地黑土滩热岛现象有以下几个特点：具有极高的地表温度、升温（降温）速率快及地表温度日较差大（图1），是引起“黑土滩热岛效应”的重要原因。
“黑土滩热岛效应”是黑土滩退化草地形成的重要诱因，主要表现在两方面。一方面，“黑土滩热岛效应”改变了土壤有机碳的转化模式。因黑土滩上存在热岛现象，造成其局部温度高于周边区域，周边植被为了维持适宜的生长温度，通过加强土壤根呼吸等新陈代谢作用来降低生境温度，在与生境高温胁迫反复抗争过程中，植物根系呼吸强度加剧直接加速了有机碳分解和CO2释放。同时，温度升高增强了地下微生物的代谢活性，加速了土壤有机碳的分解和CO2的扩散溢出。再次，温度升高加速了土壤水分蒸散，土壤孔隙度增大，促进了有机碳矿化分解。有数据显示，秃斑地逐渐扩大为黑土滩的退化过程中，表层土总有机碳流失达62.86%，严重退化草地CO2的排放量是未退化草地的1.11～1.78倍。另一方面，“黑土滩热岛效应”增大了土壤可蚀性。受热岛现象的影响，黑土滩土壤的容积热容量和导热率增加，热扩散率增大，在近地表形成持续加热状态，黑土滩周边植被为了维持其适宜的生长温度，蒸腾作用增强。再次，放牧践踏等外力造成土壤孔隙减少，容重增加，渗透率减小，持水能力降低，继而土层逐渐干化，土壤可蚀性增大。因此，如何缓解“黑土滩热岛效应”，已成为恢复和治理黑土滩退化草地亟待解决的问题。
发明内容
因此，为了解决上述问题，本发明在此提供一种一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置；由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成；实施时，发挥作用主要在于其核心构件——内部填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管。密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中。通过管的“下部吸热-上部散热”这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤中多余的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减黑土滩热岛效应的效果。
本发明是这样实现的，构造一种一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，其特征在于：该消减装置由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成；
所述螺丝盖的上部是一个直六棱柱，下部是一个有螺纹的圆柱体，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；螺丝盖的作用是密封顶部开口的中空螺管，能够防止雨雪雹、风沙、杂物混入以及家畜踩踏等外力对中空螺管中的十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料造成破坏，从而使其失效；
所述中空螺管的上部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱，用于和螺丝盖对接；下部为试管状的物体，其底部为圆锥体，外部有螺纹，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；中空螺管是本装置的核心构件，其作用是放置十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料，并在十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）发生相变时，将土壤中的热量传导到大气中去，达到土壤降温的效果；在安装时应把中空螺管的上部暴露于大气中；
所述安装杆的上部是横向实心圆柱体手柄，中部是实心圆柱体杆，下部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱，用于和整个密封后的中空螺管对接，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；安装杆的作用是以对退化高寒草地破坏最小和最省时省力的办法将密封后的中空螺管安装进黑土滩土壤中。
作为上述技术方案的改进，所述一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，其特征在于：工作方式为；
密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中；通过管的下部吸热-上部散热这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤中由于“热岛效应”产生的多余的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减黑土滩热岛效应的效果。
本发明具有如下优点：本发明在此提供一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成；具有如下改进及优点：
其一：螺丝盖的作用是密封顶部开口的中空螺管，以防止雨雪雹、风沙、杂物混入以及家畜踩踏等外力对中空螺管中的十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料造成破坏，从而使其失效。因为十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）外的包膜一旦遭到破坏，纯度自然下降，使得其相变过程中的吸放热能力大大减弱，并且污染环境。
其二：中空螺管是本装置的核心构件，其作用是放置十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料，并在十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）发生相变时，将土壤中的热量传导到大气中去，达到土壤降温的效果。在安装时应把中空螺管的上部暴露于大气中，否则起不到散热作用，这一点十分关键。
其三：安装杆的作用是以对退化高寒草地破坏最小和最省时省力的办法将密封后的中空螺管安装进黑土滩土壤中。
实施时，一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置发挥作用主要在于其核心构件——内部填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管。密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中。通过管的“下部吸热-上部散热”这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤中由于“热岛效应”产生的多余的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减黑土滩热岛效应的效果。
用此装置后的效果：
（1）降低黑土滩土壤温度，消除高温对其周边植物的胁迫，从而防止因植物根呼吸过强而导致的黑土滩土壤中额外的有机碳分解和CO2释放。
（2）降低黑土滩土壤温度，减弱地下微生物的代谢活性，减缓黑土滩土壤有机碳的分解和CO2的扩散溢出。
（3）降低黑土滩土壤温度，保持黑土滩的土壤水分，防止黑土滩土壤有机碳矿化分解。
（4）降低黑土滩土壤温度，减小黑土滩土壤的容积热容量、导热率和热扩散率，从而减小黑土滩土壤可蚀性。
综上所述，本装置通过降低黑土滩土壤温度，改变黑土滩土壤及其周边植物的有机碳分解和CO2释放的状态，从而消减“黑土滩热岛效应”，实现恢复和治理黑土滩退化草地的效果。
本装置的优点：
（1）十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）的固液相变潜热极大，储存同样的环境热量所需的蓄热介质少，热传输效率极高。
（2）十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）较之液氮等其它材料便宜，容易获得。
（3）结构简单，安装方便，无需外加动力，靠温差驱动，专用于黑土滩退化草地恢复。
（4）无运动部件，运行时无噪音，对环境无污染。
（5）无需日常维修养护，无需管理操作人员。
附图说明
图1为“黑土滩”秃斑热岛现象日变化曲线图（图1秃斑“热岛现象”日变化
注：A表示未退化样地低坡The low slope of non-degraded meadow；B表示未退化样地中坡Middle slope of non-degraded meadow；C表示中度退化样地中坡Middle slopeof moderately degraded meadow；D表示黑土滩退化样地低坡The low slope of blacksoil degraded meadow；E表示黑土滩退化样地中坡Middle slope of black soildegraded meadow）；
图2-1为螺丝盖俯视图；
图2-2为螺丝盖正视图；
图2-3为螺丝盖侧视图；
图3-1为中空螺管俯视图；
图3-2为中空螺管侧视图；
图3-3为中空螺管正视图；
图4-1为螺丝盖俯视图；
图4-2为螺丝盖正视图；
图4-3为螺丝盖侧视图；
图5是本发明所述消减装置的整体安装正视图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为缓解高寒退化草地上的黑土滩热岛效应，利用十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）相变吸放热原理，设计了一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，其实施方式如下：
首先，十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）相变吸放热原理
十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）是一种典型的无机水合盐相变吸放热材料，常温下以结晶形式存在，十个结晶水以不同的层次排列于晶体之中，并处于不同的能态，有较高的潜热(254kJ/kg)，即温度每升高1℃，储热可达254kJ。其潜热除来源于结晶水脱离外，还包括固相物质熔解，液相浓度梯度变化的热效应等。十水硫酸钠的熔点约32.4℃（相变点），当环境温度达到相变点温度后，结晶体开始熔解，环境温度进一步升高之后就会全部熔解成液体，由固态转变为液态，从而以显热和潜热的形式贮存热能。反之，在相变点温度下，慢慢析出结晶物质，由液态转变为固态，从而释放热能到环境中。每一公斤Na2SO4·10H2O升高1℃的吸热量约为60千卡，在理论上其吸热量是同重量水的60倍。其吸放热循环过程可表示为：
十水硫酸钠相变的过程中有一系列的中间产物，但并不形成稳定的化合物，材料各组分也不起化学反应，因此这个转换是完全可逆的，理论上可以无限反复循环下去。这一过程的可逆性使该材料具有相当长的使用寿命。
本发明所述一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置的设计及其工作原理如下：
所述一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成，各构件的设计及作用分别阐述如下：
所述螺丝盖的上部是一个直六棱柱，下部是一个有螺纹的圆柱体（图2-1至图2-3），整个构件由导热性能好的金属浇筑而成。螺丝盖的作用是密封顶部开口的中空螺管，以防止雨雪雹、风沙、杂物混入以及家畜踩踏等外力对中空螺管中的十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料造成破坏，从而使其失效。因为十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）外的包膜一旦遭到破坏，纯度自然下降，使得其相变过程中的吸放热能力大大减弱，并且污染环境。
所述中空螺管的上部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱，用于和螺丝盖对接；下部是类似于试管状的物体，不过其底部为圆锥体，外部有螺纹（图3-1至图3-3），整个构件由导热性能好的金属浇筑而成。中空螺管是本装置的核心构件，其作用是放置十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料，并在十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）发生相变时，将土壤中的热量传导到大气中去，达到土壤降温的效果。在安装时应把中空螺管的上部暴露于大气中，否则起不到散热作用，这一点十分关键。
所述安装杆的上部是横向实心圆柱体手柄，中部是实心圆柱体杆，下部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱（图4-1至图4-3），用于和整个密封后的中空螺管对接，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成。安装杆的作用是以对退化高寒草地破坏最小和最省时省力的办法将密封后的中空螺管安装进黑土滩土壤中。
最后，整个装置安装后的效果为图5。
其中，本发明所述一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置的工作原理如下：
一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置发挥作用主要在于其核心构件——内部填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管。密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中。通过管的“下部吸热-上部散热”这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤中多余的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减‘黑土滩热岛效应’的效果。
其工作机制为：在白天时，黑土滩存在热岛现象，密封螺管吸热段周围土壤的温度显著高于填充管内十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）的相变点温度，因此密封螺管吸热段所填充的十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）从周围土壤吸热并全部液化，并以显热和潜热的形式贮存热能。随后，因密封螺管散热段暴露在大气中，而大气温度又低于十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）的相变点温度，二者间的温差使得十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）开始进行逆相变，并保持由液体变成晶体的趋势，源源不断向大气中散热，从而达到给黑土滩土壤降温的效果。整个填充有十水硫酸钠晶体的密封螺管就像一架水泵一样，源源不断的将黑土滩土壤中的热量泵到大气中，水泵的动力即是密封螺管中十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）的相变点温度与土壤及大气之间的温差。在夜晚时，外部大气温度和密封螺管附近土壤温度都低于十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）相变点，密封螺管的吸热段和放热段都在进行逆相变，但因外部大气温度要低于密封螺管附近土壤温度，十水硫酸钠液体（Na2SO4·10H2O）所存热量大部分均散到大气中，十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）又转化为固态晶体，次日继续循环使用。更为重要的是，十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）在白天的相变和逆相变是持续进行的，而在夜晚其逆相变只是将填充于螺管内的十水硫酸钠液体转化为晶体后便停止反应，不再放热。另外，由于青藏高原地区全年均温均低于十水硫酸钠（Na2SO4·10H2O）的相变点温度32.4℃，使得这个吸放热过程并不受季节变化的影响而保持相对稳定。
用此装置后的效果：
（1）降低黑土滩土壤温度，消除高温对其周边植物的胁迫，从而防止因植物根呼吸过强而导致的黑土滩土壤中额外的有机碳分解和CO2释放。
（2）降低黑土滩土壤温度，减弱地下微生物的代谢活性，减缓黑土滩土壤有机碳的分解和CO2的扩散溢出。
（3）降低黑土滩土壤温度，保持黑土滩的土壤水分，防止黑土滩土壤有机碳矿化分解。
（4）降低黑土滩土壤温度，减小黑土滩土壤的容积热容量、导热率和热扩散率，从而减小黑土滩土壤可蚀性。
综上所述，本装置通过降低黑土滩土壤温度，改变黑土滩土壤及其周边植物的有机碳分解和CO2释放的状态，从而消减“黑土滩热岛效应”，实现恢复和治理黑土滩退化草地的效果。
本装置的优点：
（1）十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）的固液相变潜热极大，储存同样的环境热量所需的蓄热介质少，热传输效率极高。
（2）十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）较之液氮等其它材料便宜，容易获得。
（3）结构简单，安装方便，无需外加动力，靠温差驱动，专用于黑土滩退化草地恢复。
（4）无运动部件，运行时无噪音，对环境无污染。
（5）无需日常维修养护，无需管理操作人员。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，其特征在于：该消减装置由螺丝盖、中空螺管、安装杆三个构件组成；
所述螺丝盖的上部是一个直六棱柱，下部是一个有螺纹的圆柱体，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；螺丝盖的作用是密封顶部开口的中空螺管，能够防止雨雪雹、风沙、杂物混入以及家畜踩踏等外力对中空螺管中的十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料造成破坏，从而使其失效；
所述中空螺管的上部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱，用于和螺丝盖对接；下部为试管状的物体，其底部为圆锥体，外部有螺纹，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；中空螺管是本装置的核心构件，其作用是放置十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料，并在十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）发生相变时，将土壤中的热量传导到大气中去，达到土壤降温的效果；在安装时应把中空螺管的上部暴露于大气中；
所述安装杆的上部是横向实心圆柱体手柄，中部是实心圆柱体杆，下部是中间掏去一个圆柱体的直六棱柱，用于和整个密封后的中空螺管对接，整个构件由导热性能好的金属浇筑而成；安装杆的作用是以对退化高寒草地破坏最小和最省时省力的办法将密封后的中空螺管安装进黑土滩土壤中。
2.根据权利要求1所述一类高寒退化草地黑土滩热岛效应消减装置，其特征在于：密封螺管在工作时可分为两部分：管的上部暴露在大气中，称为散热段，其作用是将管中的热量散发到大气中去；管的下部深埋在土壤中，称为吸热段，其作用是将螺管周围黑土滩土壤中热量吸进管中；通过管的下部吸热-上部散热这一过程，填充有十水硫酸钠晶体（Na2SO4·10H2O）包膜材料的密封螺管就相当于一个散热窗口，将黑土滩土壤中多余的热量传导到大气中去，起到降温作用，从而实现消减黑土滩热岛效应的效果。
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| FR2913487A1 (fr) * | 2007-03-07 | 2008-09-12 | Climatisation Par Puits Canadi | Amelioration aux echangeurs gaz/sol ou liquides/sol et installations de chauffage ou de climatisation utilisant de tels echangeurs ameliores. |
| CN205580267U (zh) * | 2016-03-28 | 2016-09-14 | 大连熵立得传热技术有限公司 | 一种自动融雪热管 |
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| FR2913487A1 (fr) * | 2007-03-07 | 2008-09-12 | Climatisation Par Puits Canadi | Amelioration aux echangeurs gaz/sol ou liquides/sol et installations de chauffage ou de climatisation utilisant de tels echangeurs ameliores. |
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180427 |