CN109673339A - 基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于土壤‑空气换热的日光温室用热湿处理系统，包括新风进风口、室内回风口、风机、新风主管、竖直分配管、埋地换热管、水平汇合管、送风管、积水槽，新风进风口及室内回风口与风机入口连接，风机出口与新风主管的进口连接，新风主管的出口与竖直分配管的进口连接，竖直分配管的出口与埋地换热管的进口连接，埋地换热管的出口与水平汇合管的进口连接，水平汇合管的两端出口分别与两侧送风管连接。本发明根据不同纬度地区合理布置埋地换热管管径、间距、埋深，通过多单元水平旋流风管串联，解决了土壤‑空气换热系统效率低下的问题，使白天最大限度蓄热，夜间充分放热，能满足温室内周年生产通风及温湿度调控，具有很好的使用价值。

Description

基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统

技术领域

本发明涉及能源科学节能技术，具体属于农林及园艺设施生产领域，特别为一种基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统。

背景技术

近年来，日光温室在中国得到迅速的发展和普及。随着对日光温室结构、保温、采光等进行研究和优化设计的同时，日光温室的配套设施以及生产管理水平得到完善和改进。但是传统日光温室具有夏季高温高湿和冬季低温高湿的环境特征，温湿度调控的不完善，限制了日光温室高效优势的发挥，制约了日光温室的可持续发展，急需研发投资少、运行费用低、环保节能的热湿环境调控装置。

浅层地热能是一种可再生的新型环保能源，它主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。土壤热惯性大，是良好的蓄放热体，在高温高湿环境下，可以利用土壤中的地热能冷却空气，从而达到温室内降温除湿的效果；在低温环境下，利用储存在土壤中的地热能来加热空气，以维持温室内相对稳定的热湿环境，因此需要设计一种利用浅层地热能调控日光温室内热湿环境的系统，做到白天储热夜间用、夜间储冷白天用，晴天储热阴天用、阴天储冷晴天用。

目前，土壤-空气换热系统中，埋地换热管热管道布置不合理，空气和管壁换热系数低，造成土壤与空气换热器效率低、温室内温湿度调控不当、温室内通风换气不好和安装及运行成本高等问题。

发明内容

为了解决背景技术中所提出的问题，本发明提出了基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，该日光温室用热湿处理系统不仅能够减少一次能源的消耗及病虫害的发生，而且能合理调控温室内的热湿环境，提高温室通风换气效率。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，包括位于日光温室地面以上横向设置的新风主管，所述新风主管的进风口安装有风机，所述风机进风口通过管路并接设有新风进风口和室内回风口；所述新风主管的各个出风口与相应并列设置的各个竖直分配管进风口连接，每根竖直分配管下部位于日光温室地面以下、且其上出风口与相应的第一层埋地换热管进风口连接，每根竖直分配管的下出风口与相应的第二层埋地换热管进风口连接，所有第一层埋地换热管的出风口与第一层水平汇合管的相应进风口连接，所有第二层埋地换热管的出风口与第二层水平汇合管的相应进风口连接；所述第一层水平汇合管的两端分别与第一送风管和第二送风管的上进风口连接，所述第二层水平汇合管的两端分别与第一送风管和第二送风管的下进风口连接；所述第一送风管和第二送风管的出风口位于日光温室地面以上。

具体实施时，新风进风口及室内回风口与风机的入口连接，风机的出口与新风主管的进风口连接，新风主管的出口与竖直分配管的进口连接，竖直分配管的出口与埋地换热管的进口连接，埋地换热管的出口与水平汇合管的进口连接，水平汇合管的两端分别与所述第一送风管及所述第二送风管的进口连接。水平汇合管的数量与埋地换热管的层数相同，竖直分配管的数量及埋地换热管的数量与温室跨度和地区纬度有关。埋地换热管设置为两层，分为第一层埋地换热管和第二层埋地换热管，第一层埋地换热管的进口与竖直分配管的上出风口连接，第二层埋地换热管的进口与竖直分配管的下出风口连接，第一层埋地换热管的出口与第一层水平汇合管进风口连接，第二层埋地换热管的出风口与第二层水平汇合管的进风口连接，第一层埋地换热管与第二层埋地换热管平行设置，埋地换热管与水平汇合管垂直设置。每根埋地换热管是由多单元水平旋流风管串联而成，埋地换热管管径、间距、埋深随不同纬度地区的日光温室应用各不相同，且每根埋地换热管设置有一定的坡度，坡向竖直分配管。

采用以上技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明由于设置了新风进风口、室内回风口、新风主管、竖直分配管、埋地换热管、水平汇合管、送风管、积水槽、风机，夏季日间用风机驱动室外空气通过新风进风口和新风主管进入埋地换热管道中，与管道周围土壤换热降温后，再通过送风管送入温室降温除湿；夏季夜间环境适宜植物生长时，风机停止运行，管周围土壤进行自然热恢复，为下一阶段的土壤制冷提供了更大的空间，同时还减少了一次能源的消耗；早春晚秋甚至冬天的日间，室内气温超过植物生长的适宜温度时，关闭新风进风口，打开室内回风管，风机驱动室内空气通过室内回风口和新风主管进入埋地换热管道中，与管道周围土壤换热降温后，再通过送风管送入温室降温除湿，同时地下土壤进行蓄热；夜间低温时用蓄积在土壤中的地热能对管内空气进行加热，最后送入温室内加温，同时降低了温室内的湿度，对减少温室内病虫害的发生作用很大。因此本发明能够合理调控温室内热湿环境，减少煤、天然气和石油等一次能源的消耗量及病虫害的发生。

2、本发明由于使温室内空气不断循环，使作物周围的空气组成有所变化，二氧化碳浓度比较均匀，改变了温室内的通风换气效率，有益于作物的生长。

3、本发明由于设有一定的管道坡度，使系统换热时产生的冷凝水能够全部汇集到积水槽内，之后通过水泵将冷凝水排到蓄水池中，因此本发明能够减少系统中细菌和真菌的滋生，同时提高了系统的换热性能。

4、本发明由于合理布置管道，因此本发明不仅能够保证温室内良好的气流组织，确保土壤与空气的最佳换热效果，而且能最大限度降低安装及运行成本。

本发明设计合理，具有很好的市场应用及推广价值。

附图说明

图1表示基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统的结构示意图。

图2表示基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统的剖面结构示意图。

图3表示旋流管的横截面示意图。

图中：1-新风进风口，2-室内回风口，3-风机，4-新风主管，5-竖直分配管，6-第一层埋地换热管，7-第二层埋地换热管，8-第一层水平汇合管，9-第二层水平汇合管，10-第一送风管，11-第二送风管，12-旋流管段，13-直管段，14-风阀，15-检查口，16-积水槽，17-日光温室。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，包括新风进风口1、室内回风口2、风机3、新风主管4、竖直分配管5、第一层埋地换热管6、第二层埋地换热管7、第一层水平汇合管8、第二层水平汇合管9、第一送风管10、第二送风管11、旋流管段12、直管段13、积水槽16、日光温室17。

如图1、2所示，新风进风口1及室内回风口2与风机3的入口连接，风机3的出风口与新风主管4的进风口连接，新风主管4的出风口与竖直分配管5的进风口连接，竖直分配管5的出风口与埋地换热管的进风口连接，埋地换热管的出风口与水平汇合管的进风口连接，水平汇合管的两端分别与第一送风管10和第二送风管11的进风口连接。

如图1、2所示，具体为，埋地换热管设置为两层，包括第一层埋地换热管6和第二层埋地换热管7，第一层埋地换热管6的进风口与竖直分配管5的上出风口连接，第二层埋地换热管7的进风口与竖直分配管5的下出风口连接，第一层埋地换热管6的出风口与第一层水平汇合管8的进风口连接，第二层埋地换热管7的出风口与第二层水平汇合管9的进风口连接，第一层水平汇合管8的两端分别与第一送风管10和第二送风管11的上进风口连接，第二层水平汇合管9的两端分别与第一送风管10和第二送风管11的下进风口连接，第一层埋地换热管6与第二层埋地换热管7水平设置，第一层埋地换热管6、第二层换热管7与第一层水平汇合管8、第二层水平汇合管9垂直设置。为便于换热管内产生的冷凝水顺畅排出，换热管间需设有一定的坡度，冷凝水汇集到系统的最低点积水槽16中，即第二送风管11的底端，最后通过水泵排到蓄水池中。

室外空气通过新风进风口1（室内空气通过室内回风口2）经风机3驱动进入新风主管4，通过调节竖直分配管5上风阀14平均分配风量，竖直分配管5内一部分空气通过第一层埋地换热管6换热后汇合到第一层水平汇合管8，竖直分配管5内另一部分空气通过第二层埋地换热管7换热后汇合到第二层水平汇合管9，第一层水平汇合管8内一部分空气通过第一送风管10、另一部分空气通过第二送风管11，第二层水平汇合管9内一部分空气通过第一送风管10、另一部分空气通过第二送风管11，最后通过第一送风管10和第二送风管11将换热后的空气送入日光温室17。

为综合考虑日光温室17内热湿环境与外界空气温湿度以及土壤的具体情况等各种因素，为灵活选择室内空气或室外空气，满足不同季节对不同进风工况的需求，设置双进风口，即新风进风口和室内回风口，各自通过阀门控制启闭。

为合理调控温室内温湿度及改变温室的通风换气效率，在第一层水平汇合管8和第二层水平汇合管9的两端分别设有第一送风管10和第二送风管11，在每个送风管的出风口连接有活动弯头，起到调节送风口方向作用的同时也遮挡了温室内凝水的滴入。

为避免不必要的热损失，第一层水平汇合管8和第二层水平汇合管9及第一送风管10和第二送风管11的管外壁均采用10mm厚的聚氨酯泡沫进行热绝缘，减少换热后的空气与周围土壤的二次换热。

为避免气流分配不均匀对第一层埋地换热管6与第二层埋地换热管7换热性能造成的影响，在每根竖直分配管5上设有风阀14，从而可以调节系统风量并控制换热管入口风速，并且在每根竖直分配管上设置检查口15。

为避免太小的风速造成换气量减少和太大的风速造成系统换热不充分及风机3能耗的增加，第一层埋地换热管6与第二层埋地换热管7内的推荐风速为5~10m/s。

为合理利用温室内能源，保证不同太阳高度角下系统的能量回收率，综合考虑冬夏两用以得到最佳的换热效果，在北纬37度地区，换热系统布置于日光温室17地表以下，为减少太阳辐射对埋地换热管的影响，第一层埋地换热管6布置在日光温室17地面以下1m处，为避免较小管间距造成更大的土壤升温和较大的管间距造成地热资源的浪费及初始投资的增加，第二层埋地换热管7布置在第一层埋地换热管6下方1m处，相同层埋地换热管的管间距均设为1m。其他条件相同下，埋地换热管直径越小，能够获得更好的换热效果，但同时也会造成换气量的减少，过大的管径导致间距太近又会造成土壤升温的增加，为使系统得到最佳运行工况，竖直分配管5、第一层埋地换热管6与第二层埋地换热管7的管径均设为90mm~110mm。埋地换热管采用短管埋设会造成更多中间土壤浪费，但是能够获得更加均匀的室内温湿度场，长管埋设出口气温稳定但是管道过长不利于温室的温湿度均匀，从技术及经济方面考虑，每根埋地换热管的长度设为20~30m，温室长度较长时，该系统宜按两段或多段埋设。为保证气流组织良好以及减少对温室内种植的影响，第一送风管10和第二送风管11的出风口高出地面400mm~500mm。

为防止管道的腐蚀、减少微生物的产生以及减小系统的运行阻力，新风进风口1、室内回风口2、竖直分配管5、第一层埋地换热管6与第二层埋地换热管7、第一水平汇合管8和第一水平汇合管9以及第一送风管10和第二送风管11均是由聚氯乙烯塑料管制成，新风主管4由镀锌铁皮制成。

新风进风口1及室内回风口2构成的三通式双进风口通过软接与风机3入口连接，风机3出风口与新风主管4进风口之间的连接处采用风机软接头连接，以达到减震的目的；新风主管4的各个出风口均与竖直分配管5的进风口之间采用法兰连接；为防止土壤中水分及气体渗入管道，竖直分配管5底部的上出风口与第一层埋地换热管6的进风口连接处、第一层埋地换热管6的出风口与第一层水平汇合管8的进风口连接处、第二层埋地换热管7的出风口与第二层水平汇合管9的进风口连接处、第一层水平汇合管8的出风口与第一送风管10和第二送风管11的上进风口连接处以及第二送风管11的底部均通过三通连接；竖直分配管5底部的下出风口与第二层埋地换热管7的进风口连接处以及第二层水平汇合管9的两端与第一送风管10的下进风口连接处均通过弯头连接。

如图1所示，每根埋地换热管均由旋流管段12与直管段13串联构成多单元水平旋流风管，即每根埋地换热管均由多个旋流管和直管通过连接件连接而成，如图3所示，旋流管内壁布置有多个旋片，使气流呈旋流状态。埋地换热管管径、间距、埋深、风速随不同纬度地区的日光温室应用各不相同。

为减少系统运行中产生的噪声及震动，同时也为增加风机3的寿命，风机3的安装，新风进风口1及室内回风口2管段的安装均采用混凝土基础，风机3的底座与混凝土基础之间采用弹簧减震垫。

为防止杂物、雨水及温室内凝水进入换热系统，新风进风口1处及室内回风口2处设置防雨帽或过滤保护装置。

另外，本发明提出一种简化的方式对各种埋管进行评估，即， 其中为当量流量、为长度流量、为直径流量、为风速流量。

本发明基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统包括两种工作模式：夏季模式和早春、晚秋及冬季模式，分别如下：

1、夏季模式：

关闭室内回风口2，打开新风进风口1。日间，室外新风经过新风进风口1，由风机3送入新风主管4、竖直分配管5、第一层埋地换热管6和第二层埋地换热管7、第一层水平汇合管8和第二层水平汇合管9进行冷却降温，同时土壤进行蓄热升温，然后经过第一送风管10和第二送风管11送入温室内，对日光温室17内高温高湿空气进行降温除湿；

2、早春、晚秋及冬季模式：

关闭新风进风口1，打开室内回风口2。早春、晚秋甚至冬季日间，室内气温超过植物生长的适宜温度时，室内空气经过室内回风口2，由风机3送入新风主管4、竖直分配管5、第一层埋地换热管6和第二层埋地换热管7、第一层水平汇合管8和第二层水平汇合管9进行冷却降温，同时土壤进行蓄热升温，然后经过第一送风管10和第二送风管11送入温室内，日光温室17降温；夜间室温低于植物生长适宜温度下限时，室内空气经过室内回风口2，由风机3送入新风主管4、竖直分配管5、第一层埋地换热管6和第二层埋地换热管7、第一层水平汇合管8和第二层水平汇合管9进行升温，提取日间储存于地热能，同时土壤放热降温，然后经过第一送风管10和第二送风管11送入温室内，日光温室17升温。

总之，本发明根据不同纬度地区合理布置埋地换热管管径、间距、埋深，通过多单元水平旋流风管串联，解决了土壤-空气换热系统效率低下的问题，使白天最大限度蓄热，夜间充分放热，能满足温室内周年生产通风及温湿度调控，具有很好的使用价值。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：包括位于日光温室（17）地面以上横向设置的新风主管（4），所述新风主管（4）的进风口安装有风机（3），所述风机（3）进风口通过管路并接设有新风进风口（1）和室内回风口（2）；所述新风主管（4）的各个出风口与相应并列设置的各个竖直分配管（5）进风口连接，每根竖直分配管（5）下部位于日光温室（17）地面以下、且其上出风口与相应的第一层埋地换热管（6）进风口连接，每根竖直分配管（5）的下出风口与相应的第二层埋地换热管（7）进风口连接，所有第一层埋地换热管（6）的出风口与第一层水平汇合管（8）的相应进风口连接，所有第二层埋地换热管（7）的出风口与第二层水平汇合管（9）的相应进风口连接；所述第一层水平汇合管（8）的两端分别与第一送风管（10）和第二送风管（11）的上进风口连接，所述第二层水平汇合管（9）的两端分别与第一送风管（10）和第二送风管（11）的下进风口连接；所述第一送风管（10）和第二送风管（11）的出风口位于日光温室（17）地面以上。

2.根据权利要求1所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述第二送风管（11）底端作为最低点设有积水槽（16）。

3.根据权利要求1或2所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：每根竖直分配管（5）上均设有风阀（14）。

4.根据权利要求3所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：每根竖直分配管（5）上均设有检查口（15）。

5.根据权利要求1所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述第一送风管（10）和第二送风管（11）的出风口处安装有活动弯头。

6.根据权利要求1所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述第一层水平汇合管（8）、第二层水平汇合管（9）和第一送风管（10）、第二送风管（11）的管外壁均采用10mm厚的聚氨酯泡沫进行热绝缘。

7.根据权利要求1所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述第一层埋地换热管（6）布置在日光温室（17）地面以下1m处，所述第二层埋地换热管（7）布置在第一层埋地换热管（6）下方1m处，位于相同层的埋地换热管的管间距为1m。

8.根据权利要求7所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述竖直分配管（5）、第一层埋地换热管（6）和第二层埋地换热管（7）的管径均为90mm~110mm。

9.根据权利要求7所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：每根埋地换热管均由旋流管段（12）与直管段（13）串联构成，长度均为20~30m。

10.根据权利要求5所述的基于土壤-空气换热的日光温室用热湿处理系统，其特征在于：所述第一送风管（10）和第二送风管（11）的出风口高出日光温室（17）地面400mm~500mm。