CN108617348A - 一种应用于温室的毛细管系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于温室的毛细管系统，包括太阳能集热器、蓄热保温水箱、蒸发器、冷凝器、循环水箱、毛细管末端、毛细管前端、热泵机组、温室、水泵及阀门。由三个循环系统组成，毛细管前端10％乙二醇水溶液循环系统，制冷机组的R22循环系统，温室内水循环系统。阳光充足时利用太阳能集热器和毛细管前端将水加热至供热温度，阴雨天或夜晚时，关闭太阳能集热器同时开启毛细管前端收集热量，热水同蓄热保温水箱内的低温水混合，然后进入换热器进行换热。本发明专利适用于温室内采暖，充分利用太阳能并结合使用地热能，节能环保，设备简单易控，运行费用低，温室内温度较有利于农作物生长。
Description
技术领域
本发明涉及一种温室供热系统，尤其是涉及一种毛细管利用浅层地热能并耦合利用太阳能热泵系统，进行温室供热的可再生能源利用系统。
背景技术
温室内的气温、地温，影响到植物的光合作用、呼吸作用。低于作物的生理最低温度，作物会停止生长发育，且产生不同程度的危害，甚至导致死亡。因此，寻找一种有效的温室供热系统，对冬季温室内作物生长发育意义重大。
传统日光温室供热设备大多基于石油、煤炭等能源的消耗产生热量。传统加热方式有热风供热、热水供热、电热供热，这些方法目前应用广泛，但是均存在着不足。三种传统温室加热方式通过消耗化石能源供热，能源消耗巨大且释放出大量有害气体，从节能和环保的角度不利于设施农业的可持续发展；而利用太阳能和浅层地热能被认为是最具潜力的可再生能源。
由间距小、分布均匀的毛细管网栅，结构简单，换热面积大且散热均匀，管内阻力小，换热效率高，连接方便，安装便捷并且在结构上比较合理，可利用和回收大量的低品质热能；同时毛细管网与室内通过辐射方式换热，使室内温度分布均匀，且提供了最佳的热舒适性。
但目前毛细管主要应用在民用建筑的空调系统末端方面，少数应用于热泵或者其他热源，将毛细管作为能量采集来应用，未能充分发挥毛细管有效的利用自然能源以提高能源利用效率的优势。
目前学者们对毛细管利用太阳能的系统形式做了大量的实验研究。青岛理工大学于慧俐等(2013年)研究了闭式毛细管污水源热泵空调系统，用该系统回收污水中的热能。刘国丹等人(2013年)提出一种应用于海水养殖的毛细管海水源热泵系统，将毛细管网前端换热系统置于海水中，从海水中提取能量的闭式循环系统。王刚等(2013年)提出一种应用于工业废水热回收的毛细管网热泵，毛细管直接从工业废水中取热。施志钢等(2013年)提出一种采用毛细管前端换热的热泵空调系统，采用4.3×0.85mm的毛细管，可以置于海洋、江河湖泊、工业废水、生活污水中，高效提取热量。施志钢等(2016年)提出一种利用太阳能的毛细管网辐射供热系统，在阳光充足时利用太阳能集热器将水加热至供热温度，阴雨天或夜晚水温达不到供热要求时，开启辅助电加热。但是，这些对于毛细管热泵的研究应用在海水养殖领域、用户末端领域、地铁隧道、工业废水热回收等方面。并未涉及到应用在温室中供暖，解决作物冬季正常生长的需要。
对于毛细管在温室中的应用研究，农业部规划设计研究院丁小明等人(2013年)提出栽培用毛细管供暖设备、栽培床及栽培温室，通过毛细管实现高效均匀散热保证作物生长均匀的栽培温室。同光(江苏)新材料科技有限公司陈重光等人(2016年)研究一种太阳能毛细管集热散热系统，将毛细管网竖向布设于日光温室后墙上的隔热板上，通过连接蓄水池，应用于日光温室中。但是，这些毛细管只是单独作为热泵系统末端装置在温室中应用，并未考虑热泵机组前端能量采集系统。
毛细管在空调系统中应用的研究，目前体现在室内中央空调系统及电动空调汽车系统方面。华北理工大学龚凯等(2017年)提出了一种毛细管网土壤源热泵中央空调系统，将毛细管安装在室内，用来实现室内环境的健康舒适与节能环保。西安交通大学金立文等(2017年)提出一种采用毛细管网辐射末端的电动汽车空调系统，保证乘员舱较低的空气温度梯度、低紊流度且高度的热舒适性。上海理工大学曹双华等人(2017年)提出用于分区空调的负荷自适应毛细管送风末端系统，对室外负荷进行实时隔断的毛细管送风末端装置，减少了空气在换热箱内的滞留，加快了空气与水的换热速率，提高了换热效率。但是，这些毛细管仅体现在空调系统的末端应用，未涉及利用毛细管热泵前端装置采集热量。
综合目前已经公布的研究成果，开展毛细管系统应用于温室实验研究，除了利用可再生能源问题受到一定重视外，在考虑土壤浅层地热能利用特性耦合太阳能集热器对于温室冬季供热问题缺乏研究。另外，利用毛细管耦合太阳能集热器系统作为热泵装置前端能量采集装置，提高了可再生能源的利用。虽然目前对温室冬季供暖进行了研究，采用单独利用太阳能或者单独利用土壤源热泵系统，再加上电采暖的型式技术，或者在温室内部独立布置毛细管装置的方式。
但是，毛细管利用浅层地热能耦合太阳能作为热泵机组前端热量采集装置，是否适用于温室中，至今并未有过相关研究。因此，针对是否应该在温室中应用毛细管系统，促进冬季温室作物生长发育需要进行大量的研究。这种毛细管系统利用浅层地热能及太阳能技术，对减少温室供热能源消耗，提高温室内冬季的能源利用效率意义重大。于是我们设计了应用于温室的毛细管系统，以弥补研究的空白
发明内容
本发明目的是：提供一种清洁廉价、适合大规模推广的冬季温室供热毛细管系统，该系统不仅有效利用太阳能，而且有效利用浅层地热能，提高温室的能源利用效率，解决冬季寒冷天气温室夜间温度过低影响作物生长问题。
本发明的技术方案是：一种应用于温室的毛细管系统，该系统由三组循环系统组成。在温室内的末端毛细管放热系统，设置于中部的制冷循环管路系统，设置于前端的毛细管耦合太阳能采集器热量采集系统。系统内的毛细管网由两根干管通过侧面开孔方式实现上下两端同时与多根支管直接相连。
该系统包括太阳能集热器1、阀门a2、蓄热保温水箱3、冷凝器4、水泵a5、毛细管前端6、阀门b7、阀门c8、膨胀阀9、压缩机10、蒸发器11、水泵b12、毛细管末端13、阀门d14、温室15和循环水箱16。太阳能集热器1与蓄热保温水箱3之间通过阀门a2连接，毛细管前端6通过阀门b7与太阳能集热器1的入口连接，毛细管前端6通过阀门c8与蓄热保温水箱3的出口连接；蓄热保温水箱3的出口通过冷凝器4与压缩机10连接，压缩机10与蒸发器11连接，然后经膨胀阀9、冷凝器4、水泵a5与毛细管前端6连接；温室15内的毛细管末端13经过阀门d14、蒸发器11、循环水箱16、水泵b12后组成循环系统。
作为优选的技术方案，在前端毛细管耦合太阳能采集器循环系统中，毛细管前端6埋置于土壤中，距离土壤表面50cm，前端毛细管耦合太阳能采集器循环系统中的毛细管网作为热量采集前端装置，其换热系数达258W/㎡·K，适合耦合太阳能采集器进行搭配使用。阳光充足时利用太阳能采集器将10％乙二醇水溶液加热至供热温度，阴雨天或夜晚水温达不到供热要求时，开启毛细管前端供热，热水同蓄热水箱内的低温10％乙二醇水溶液混合进入冷凝器进行换热。
使用热泵机组与毛细管前端换热，同时使用热泵机组与毛细管末端换热。末端系统中，毛细管设置在温室的顶棚及地面，且相邻毛细管网间隔1.0m。
作为优选的技术方案，在所述温室顶棚、地面及四周壁面上设有隔热层。作为优选的技术方案，所述毛细管的外径为3.4mm，壁厚为0.55mm，网栅长度为4.0m，宽度为1.0m，相邻毛细管间隔10mm。
与现有技术比较，本发明的优点是：
1.本发明毛细管前端系统有效地结合太阳能集热器收集太阳能浅层地热能。夜间温室需要热量补充时，毛细管将浅层地热能及水箱中存储的热量提取出来。
2.温室内毛细管末端以辐射换热和对流换热的方式加热空气，散热均匀，解决冬季温室温度过低、作物无法生长的问题，对提高作物产量有重要意义。
3.本系统充分结合热泵机组的形式，结构简单，操作灵活方便，运行效果好，减少对电能等化石能源消耗，具有利用可再生能源且实用的特点。
4.本系统利用毛细管，具有造价低、换热效率高、经济高效、环保等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1为太阳能集热器，2为阀门a，3为蓄热保温水箱，4为冷凝器，5为水泵a，6为毛细管前端，7为阀门b，8为阀门c，9为膨胀阀，10为压缩机，11为蒸发器，12为水泵b，13为毛细管末端，14为阀门d，15温室，16循环水箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种应用于温室的毛细管系统的具体操作方法如下：
A.系统运行前对蓄热水箱(3)进行注10％乙二醇水溶液，同时打开阀门(2)，10％乙二醇水溶液进入太阳能集热器(1)，打开阀门(7)、(8)，10％乙二醇水溶液进入(6)毛细管前端，开启低速循环泵(5)，蓄热水箱(3)水位达到低水位时停止注10％乙二醇水溶液。
B.打开阀门(14)，对循环水箱(16)注水，温室内的毛细管末端(13)循环系统充满水时，停止注水。
C.中部循环系统部件压缩机(10)，蒸发器(11)，膨胀阀(9)，冷凝器(4)中流动的介质为R22制冷剂，制冷剂流动速度为0.02kg/s。
D.冬季晴朗天气下，每天8:30左右，系统开始运行关闭阀门(8)，打开阀门(2)、(7)，在光照强度较低的时间段保持(0.20kg/s)较低的水流流速，在光照强度较高的时间段保持(0.34kg/s)较高的水流流速；
E.每天16:30左右，太阳光照强度减弱，系统关闭；
F.冬季夜间，当温室内气温高于作物适合生长温度1℃时，关闭阀门(2)、(7)，打开阀门(8)，系统开始运行；当温室内的气温高于作物适合生长温度4℃时，系统停止运行；当在循环水箱(16)中的水温下降到11℃内时，系统关闭。
每年冬季，根据温室(15)所在地理位置、气候条件以及当年的实际状况调整，每天重复步骤D～F。
应当指出，对于本技术领域内的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，做出的若干改进和润饰都应视为本专利的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于温室的毛细管系统，其特征在于：该系统由三组循环系统组成；在温室内的末端毛细管放热系统，设置于中部的制冷循环管路系统，设置于前端的毛细管耦合太阳能采集器热量采集系统；系统内的毛细管网由两根干管通过侧面开孔方式实现上下两端同时与多根支管直接相连；
该系统包括太阳能集热器(1)、阀门a(2)、蓄热保温水箱(3)、冷凝器(4)、水泵a(5)、毛细管前端(6)、阀门b(7)、阀门c(8)、膨胀阀(9)、压缩机(10)、蒸发器(11)、水泵b(12)、毛细管末端(13)、阀门d(14)、温室(15)和循环水箱(16)；太阳能集热器(1)与蓄热保温水箱(3)之间通过阀门a(2)连接，毛细管前端(6)通过阀门b(7)与太阳能集热器(1)的入口连接，毛细管前端(6)通过阀门c(8)与蓄热保温水箱(3)的出口连接；蓄热保温水箱(3)的出口通过冷凝器(4)与压缩机(10)连接，压缩机(10)与蒸发器(11)连接，然后经膨胀阀(9)、冷凝器(4)、水泵a(5)与毛细管前端(6)连接；温室(15)内的毛细管末端(13)经过阀门d(14)、蒸发器(11)、循环水箱(16)、水泵b(12)后组成循环系统。
2.根据权利要求1所述的一种应用于温室的毛细管系统，其特征在于：在前端毛细管耦合太阳能采集器循环系统中，毛细管前端(6)埋置于土壤中，距离土壤表面50cm，前端毛细管耦合太阳能采集器循环系统中的毛细管网作为热量采集前端装置，其换热系数达258W/㎡·K，适合耦合太阳能采集器进行搭配使用；阳光充足时利用太阳能采集器将10％乙二醇水溶液加热至供热温度，阴雨天或夜晚水温达不到供热要求时，开启毛细管前端供热，热水同蓄热水箱内的低温10％乙二醇水溶液混合进入冷凝器进行换热。
3.根据权利要求1所述的一种应用于温室的毛细管系统，其特征在于：使用热泵机组与毛细管前端换热，同时使用热泵机组与毛细管末端换热；末端系统中，毛细管设置在温室的顶棚及地面，且相邻毛细管网间隔1.0m。
4.根据权利要求1所述的一种应用于温室的毛细管系统，其特征在于：在所述温室顶棚、地面及四周壁面上设有隔热层。
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