CN109028253A - 一种温室大棚太阳能加温系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于温室大棚的太阳能加温系统，包括太阳能集热蓄热单元、土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元、温室大棚末端加温单元、太阳能光伏发电单元以及运行监测与控制单元。在运行监测与控制单元的控制下，各子单元联动有序运行，实现太阳能光热“昼存夜用”和“夏存冬用”、加温系统用电“自给自足”，以及加温系统运行调节“无人值守”。本发明可有效解决现有温室大棚加温能力有限，加温系统运行不稳定、运行费用高等问题，可实现温室大棚低成本清洁稳定加温供暖，并具有耕地资源空间利用率高、环境友好、易于规模化推广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能在农业生产中的应用，尤其涉及一种温室大棚太阳能加温系统。
背景技术
近年来，我国广大地区深受雾霾的侵袭，严重威胁着人们的健康，降低了人们生活品质。大量研究表明，燃煤供暖是导致PM2.5的重要来源之一。对此，国家出台相关政策，致力于推广无煤化清洁能源供暖，并在建筑供暖领域取得了显著的环保效益。然而，在农业供暖领域，燃煤清洁替代进程较为缓慢。其原因在于，当前广泛推广“煤改气”和“煤改电”工程的固定投资成本和运行经费都较高，经济性较差，难以在农业领域推广。因此，急需开发新型清洁供暖技术，减少固定投资成本、降低运行费。
在农业领域，利用太阳能对温室大棚进行供暖应用非常广泛。传统的日光温室大棚大多是被动式加温，在夜间和寒冷季节加温能力有限。随后不少人提出利用温室的墙体、温室内土壤或水池、以及增加蓄水箱等方式，可实现太阳能“昼存夜用”，有效提升了夜间供暖能力。但该技术仍然无法克服寒冷季节因太阳辐照强度低而导致加温能力不足的问题。近年来随着空气源热泵技术进步，采用空气源热泵对日光温室进行辅助加热可有效克服这一问题。但空气源热泵机组性能受环境温度影响显著，空气源热泵COP随环境温度降低而降低，而温室大棚所需供热负荷随环境温度降低而升高。这使得空气源热泵供暖用电费用较高，对电网输电量需求也大。此外，有人提出采用地源热泵对温室大棚加温供暖。但多年运行后存在因地温下降导致地源热泵COP显著下降的问题，使得运行费用显著升高，甚至无法正常运行。
综上，现有温室大棚存在加温能力有限、加温系统运行不稳定、运行费用高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温室大棚太阳能加温系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的温室大棚太阳能加温系统，包括太阳能集热蓄热单元、土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元、温室大棚末端加温单元、太阳能光伏发电单元以及运行监测与控制单元；
所述太阳能集热蓄热单元包括储热水箱、太阳能平板集热器、循环水泵一、循环水泵二、地埋管管网；
所述土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元包括储热水箱、地埋管管网、热泵机组、循环水泵一、循环水泵三、循环水泵四；
所述温室大棚末端加温单元包括换热风机、翅片管；
所述太阳能光伏发电单元包括光伏太阳能电池板、蓄电模块；
所述运行监测与控制单元包括室外温度传感器、太阳光辐照仪、储热水箱进出口水温传感器、温室大棚中室温监测装置、地埋管管网进出口水温传感器及信息反馈与处理模块。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的温室大棚太阳能加温系统，通过短期和长期蓄热对太阳能进行时空转移，实现太阳能光热“昼存夜用”、“夏存冬用”；通过太阳能光伏单元基本保证温室大棚用电“自给自足”，从而实现温室大棚低成本清洁稳定加温。
附图说明
图1为本发明实施例提供的温室大棚太阳能加温系统结构示意图；
图2为本发明实施例的加温系统过渡季节模式运行图；
图3为本发明实施例的加温系统夏季蓄热模式运行图；
图4为本发明实施例的加温系统冬季供暖模式一运行图；
图5为本发明实施例的加温系统冬季供暖模式二运行图。
图中各部件名称：
E1、储热水箱，E2、太阳能平板集热器，E3、换热风机，E4、翅片管，E5、光伏太阳能电池板，E6、温室大棚，E7、地埋管管网，E8、热泵蒸发器，E9、节流膨胀阀，E10、热泵冷凝器，E11、热泵压缩机，P1、循环水泵一，P2、循环水泵二，P3、循环水泵三，P4、循环水泵四，V1、阀门一，V2、阀门二，V3、阀门三，V4、阀门四，V5、阀门五，V6、阀门六，V7、阀门七，V8、阀门八，V9、阀门九，V10、阀门十，V11、阀门十一，V12、阀门十二，V13、阀门十三。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的温室大棚太阳能加温系统，其较佳的具体实施方式是：
包括太阳能集热蓄热单元、土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元、温室大棚末端加温单元、太阳能光伏发电单元以及运行监测与控制单元；
所述太阳能集热蓄热单元包括储热水箱、太阳能平板集热器、循环水泵一、循环水泵二、地埋管管网；
所述土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元包括储热水箱、地埋管管网、热泵机组、循环水泵一、循环水泵三、循环水泵四；
所述温室大棚末端加温单元包括换热风机、翅片管；
所述太阳能光伏发电单元包括光伏太阳能电池板、蓄电模块；
所述运行监测与控制单元包括室外温度传感器、太阳光辐照仪、储热水箱进出口水温传感器、温室大棚中室温监测装置、地埋管管网进出口水温传感器及信息反馈与处理模块。
春、夏、秋，尤其是夏季，光辐照强度适宜时均可打开地上储热循环，利用储热水箱进行热量收集。水箱下部温度传感器达到设定温度时，通过信息反馈与处理模块控制自动开启地下储热循环，利用土壤蓄热体继续储热。
所述地上储热循环包括：储热水箱、循环水泵二、太阳能平板集热器。
通过本循环有效克服了多变天气及实时云量对系统集热造成的不利影响。
所述地下储热循环包括：储热水箱、循环水泵一、地埋管管网。
通过本循环进行土壤蓄热，为供暖季收集热量，实现太阳能光热的“时间转移”。
供暖季运行初期，土壤存储热能丰富，当地埋管进出口水温高于设定界限温度时，信息反馈与处理模块自动调控采取供暖方式一：
通过由翅片管、循环水泵三、地埋管管网组成的供热循环，直接从土壤中提取热量，对温室大棚进行供暖。
所述供暖方式一对土壤高温热源利用结束以后，地埋管进出口水温降至设定界限温度以下，信息反馈与处理模块自动调控采取供暖方式二：
通过翅片管、热泵机组、循环水泵三、循环水泵四、地埋管管网组成的供热循环，利用热泵机组对土壤中热量进行热能提升，对温室大棚进行供暖。
白天，根据太阳光辐照仪输出实时光照强度给信息反馈与处理模块进行终端调控，在室外光照条件适宜的时候自动打开地上储热单元，通过储热水箱与太阳能平板集热器的循环作业，对室外光热能源进行有效的存储；
夜间，当温室大棚有供热需求时，优先选择利用储热水箱内部存储热能对温室大棚加温。
所述光伏太阳能电池板为加温系统提供运行所需的电能，根据太阳光辐照仪输出实时光照强度和信息反馈与处理模块的终端调控，使太阳能电池板对太阳光照进行实时跟踪，富余电能存储在蓄电模块当中，供其它时段用电需求。
系统本身处于自动化运行状态，所述信息反馈与处理模块对各处传感器采集数据进行分析整合，输出控制信号，对加温系统整体进行控制如下：
依据室外阳光辐照仪以及温度传感器监测控制地上储热循环的开闭、光伏太阳能电池板的朝向；
依据储热水箱进出口水温传感器输出信息控制地下储热循环开闭；
依据温室大棚内温度监测装置控制换热风机实际运行功率以及翅片管加热功率；
依据地埋管管网进出口水温信号控制选择加温方式。
本发明温室大棚太阳能加温系统，通过短期和长期蓄热对太阳能进行时空转移，实现太阳能光热“昼存夜用”、“夏存冬用”；通过太阳能光伏单元基本保证温室大棚用电“自给自足”，从而实现温室大棚低成本清洁稳定加温。解决了现有温室大棚加温能力有限、加温系统运行不稳定、运行费用高等问题，实现了温室大棚低成本清洁稳定加温供暖的目的。
具体实施例：
如图1所示，温室大棚太阳能加温系统由太阳能集热蓄热单元、土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元、温室大棚末端加温单元、太阳能光伏发电单元，以及运行监测与控制单元组成。太阳能集热蓄热单元由储热水箱E1、太阳能平板集热器E2、循环水泵一P1、循环水泵二P2、地埋管管网E7组成；土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元由储热水箱E1、地埋管管网E7、热泵机组E8、E9、E10、E11、循环水泵一P1、循环水泵三P3、循环水泵四P4组成；温室大棚末端加温单元由翅片管E4组成；太阳能光伏发电单元由光伏太阳能电池板E5、蓄电模块组成；运行监测与控制单元由室外温度传感器、太阳光辐照仪、储热水箱E1进出口水温传感器、温室大棚E6中室温监测装置、地埋管管网E7进出口水温传感器及信息反馈与处理模块组成。
如图2所示，当系统处于“过渡季节模式”运行时，白天利用光伏太阳能电池板E5进行光伏发电，为系统运行提供电能，富余电能存储在蓄电模块中；光照条件适宜时开启循环水泵二P2，通过由储热水箱E1、循环水泵二P2、太阳能平板集热器E2组成的地上蓄热单元循环储热；夜间利用蓄电模块中存储电能，通过信息反馈与处理模块，开启循环水泵一P1，开启阀门一V1、阀门二V2、阀门三V3、阀门四V4，关闭阀门五V5、阀门六V6，由储热水箱E1、循环水泵一P1、翅片管E4组成的循环系统对温室大棚E6进行加温供暖。
如图3所示，当系统处于“夏季蓄热模式”运行时，白天利用光伏太阳能电池板E5进行光伏发电，为系统运行提供电能，富余电能存储在蓄电模块中；光照条件适宜时开启循环水泵二P2，通过由储热水箱E1、循环水泵二P2、太阳能平板集热器E2组成的地上蓄热单元循环储热，当储热水箱出口温度达到设定值时，信息反馈与处理模块自动关闭循环水泵二P2，开启阀门一V1、阀门二V2、阀门五V5、阀门六V6、阀门九V9、阀门十V10、阀门十三V13，关闭阀门三V3、阀门四V4、阀门七V7、阀门八V8、阀门十一V11、阀门十二V12，开启循环水泵一P1，进行地下储热循环；全天利用温室大棚内室温监测装置传输给信息反馈与处理模块的温度信号控制换热风机E3开启功率，对室内进行降温。
如图4所示，当系统处于“冬季供暖模式(1)”运行时，白天利用光伏太阳能电池板E5进行光伏发电，为系统运行提供电能，富余电能存储在蓄电模块中；基于夏季土壤热量存储热量较为充足，地埋管进出口水温在设定界限温度以上，在信息反馈与处理模块的控制下自动运行供暖方式一，即开启阀门三V3、阀门四V4、阀门五V5、阀门六V6、阀门九V9、阀门十V10，关闭阀门一V1、阀门二V2、阀门七V7、阀门八V8、阀门十一V11、阀门十二V12、阀门十三V13，开启循环水泵三P3，利用循环水使土壤中存储热能对温室大棚E6进行热能直供。
如图5所示，当系统处于“冬季供暖模式(2)”运行时，白天利用光伏太阳能电池板E5进行光伏发电，为系统运行提供电能，富余电能存储在蓄电模块中；供暖方式一对土壤热源利用结束以后，地埋管进出口水温降至设定界限温度以下时传递给信息反馈与处理模块的温度信号控制系统运行供暖方式二，即开启阀门三V3、阀门四V4、阀门五V5、阀门六V6、阀门七V7、阀门八V8、阀门十一V11、阀门十二V12，关闭阀门一V1、阀门二V2、阀门九V9、阀门十V10、阀门十三V13，开启循环水泵三P3，通过热泵机组E8、E9、E10、E11对土壤中热能进行提升对温室大棚E6进行加温供热。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种温室大棚太阳能加温系统，其特征在于，包括太阳能集热蓄热单元、土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元、温室大棚末端加温单元、太阳能光伏发电单元以及运行监测与控制单元；
所述太阳能集热蓄热单元包括储热水箱E1、太阳能平板集热器E2、循环水泵一P1、循环水泵二P2、地埋管管网E7；
所述土壤源热泵跨季节蓄热供暖单元包括储热水箱E1、地埋管管网E7、热泵机组E8、E9、E10、E11、循环水泵一P1、循环水泵三P3、循环水泵四P4；
所述温室大棚末端加温单元包括换热风机E3、翅片管E4；
所述太阳能光伏发电单元包括光伏太阳能电池板E5、蓄电模块；
所述运行监测与控制单元包括室外温度传感器、太阳光辐照仪、储热水箱E1进出口水温传感器、温室大棚E6中室温监测装置、地埋管管网E7进出口水温传感器及信息反馈与处理模块。
2.根据权利要求1所述的温室大棚太阳能加温系统，其特征在于，供暖季运行初期，土壤存储热能丰富，当地埋管进出口水温高于设定界限温度时，信息反馈与处理模块自动调控采取供暖方式一：
通过由翅片管E4、循环水泵三P3、地埋管管网E7组成的供热循环，直接从土壤中提取热量，对温室大棚E6进行供暖。
3.根据权利要求2所述的温室大棚太阳能加温系统，其特征在于，所述供暖方式一对土壤高温热源利用结束以后，地埋管进出口水温降至设定界限温度以下，信息反馈与处理模块自动调控采取供暖方式二：
通过翅片管E4、热泵机组E8、E9、E10、E11、循环水泵三P3、循环水泵四P4、地埋管管网E7组成的供热循环，利用热泵机组E8、E9、E10、E11对土壤中热量进行热能提升，对温室大棚进行供暖。
4.根据权利要求3所述的温室大棚太阳能加温系统，其特征在于：
白天，根据太阳光辐照仪输出实时光照强度给信息反馈与处理模块进行终端调控，在室外光照条件适宜的时候自动打开地上储热单元，通过储热水箱E1与太阳能平板集热器E2的循环作业，对室外光热能源进行有效的存储；
夜间，当温室大棚有供热需求时，优先选择利用储热水箱E1内部存储热能对温室大棚E6加温。
5.根据权利要求4所述的温室大棚太阳能加温系统，其特征在于，所述光伏太阳能电池板E5为加温系统提供运行所需的电能，根据太阳光辐照仪输出实时光照强度和信息反馈与处理模块的终端调控，使太阳能电池板对太阳光照进行实时跟踪，富余电能存储在蓄电模块当中，供其它时段用电需求。
6.根据权利要求5所述的温室大棚太阳能加温系统，其特征在于，系统本身处于自动化运行状态，所述信息反馈与处理模块对各处传感器采集数据进行分析整合，输出控制信号，对加温系统整体进行控制如下：
依据室外阳光辐照仪以及温度传感器监测控制地上储热循环的开闭、光伏太阳能电池板的朝向；
依据储热水箱进出口水温传感器输出信息控制地下储热循环开闭；
依据温室大棚E6内温度监测装置控制换热风机E3实际运行功率以及翅片管E4加热功率；
依据地埋管管网E7进出口水温信号控制选择加温方式。
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2018
- 2018-07-11 CN CN201810758725.5A patent/CN109028253A/zh active Pending
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