CN110024600A - 一种大棚太阳能集放热系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大棚太阳能集放热系统及控制方法，该系统同时以水和空气作为传热媒介，包括地下空气循环管路系统、水循环管路系统、地面集热器和控制系统，地下空气循环管路系统和水循环管路系统均通过地面集热器进行换热；控制系统包括处理器和与处理器连接的空气温度传感器、水温传感器、基质温度传感器、土壤温度传感器、风机和增压泵，处理器以接收到的空气温度传感器、水温传感器、基质温度传感器、土壤温度传感器的信号通过风机和增压泵对地下空气循环管路系统和水循环管路系统实施控制。本发明的系统以水和空气同时作为传热媒介，将太阳能利用效率提高了至少30％。

Description

一种大棚太阳能集放热系统及控制方法

技术领域

本发明属于农业工程技术领域，涉及大棚保温技术，具体涉及一种大跨度塑料大棚太阳能集放热系统及控制方法。

背景技术

大跨度保温型塑料大棚具有土地利用率高、内部作业空间大、建造成本低的优势，具有很好的发展前景，但存在夜间温度低、同时晴天条件下，棚内白天气温过高(温度可达到30℃以上)，存在富余太阳热能没有充分利用的问题。如能将白昼富余的太阳热能有效地收集、储存起来，用于夜间的室内增温，则有望在保持大跨度保温型塑料大棚优点的情况下，改善夜间的温度状况。

一般塑料大棚内仅有地下土壤可贮存少量白天富余太阳热能，不过这种被动蓄热方式，太阳能利用效率低，夜间放热量不足以解决温度过低的问题，因此必须开发专用的蓄热系统，强化“削峰填谷”的作用。目前研究的热点集中在土壤-空气热交换系统，该系统它是以空气为传热媒介，以埋入地下的塑料或铝质管道作为热交换器，利用风机将温室内白天多余热空气输送到地下进行热量储存，夜间再将冷空气输送到地上以提高空气温度。但由于土壤传热缓慢，仅仅依靠土壤-空气热交换系统白昼储存热量有限，在严寒季节，尤其是连阴天气的情况下，储存的太阳热能不足以维持多日夜间放热所需，造成夜间室内气温过低，植物受冻的情况仍较为普遍，因此发展新的蓄热系统势在必行。

现有的热交换系统在运行管理过程中也存在很多问题，目前系统运行的控制方式主要是根据固定时间点或固定温度来调控，这两种控制方式的不足之处在于不能准确控制集放热系统在合适的时机运行，这是由于塑料大棚受外界气候影响，不同天气条件下塑料大棚内气温、土温在不同时间是不同的，仅仅考虑气温是不够的，还需要考虑土壤温度的高低。目前急需一种动态的调控系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种大跨度塑料大棚太阳能集放热系统及控制方法，解决现有热交换系统蓄热能力不足以及系统的控制方法不能在准确时机调控温度的技术问题。

为此，本发明采用的技术手段如下：

一种大棚太阳能集放热系统该系统同时以水和空气作为传热媒介，包括地下空气循环管路系统、水循环管路系统、地面集热器和控制系统，地下空气循环管路系统和水循环管路系统均通过地面集热器进行换热；

控制系统包括处理器和与处理器连接的空气温度传感器、水温传感器、基质温度传感器、土壤温度传感器、风机、增压泵，处理器以接收到的空气温度传感器、水温传感器、基质温度传感器、土壤温度传感器的信号通过风机和增压泵对地下空气循环管路系统和水循环管路系统实施控制。

作为地面集热器优选的实施方式，地面集热器包括风道和集热器边框，风道位于集热器边框外的一侧的顶部；集热器边框内由外至内依次设置有玻璃盖板、水管和微热管阵列，微热管阵列的冷凝端位于风道内部，微热管阵列的蒸发端位于集热器边框内部，风道内有翅片，翅片与微热管阵列的冷凝端相连。

更优选的，集热器边框下表面依次设置有背板和保温板。地面集热器固定在倾斜的支架上使得地面集热器在地面呈倾斜状。

其中，水循环管路系统位于大棚的地面基质下，水循环管路系统的管道与地面基质直接接触。

更具体的，地面集热器的进水口和出水口分别与水循环管路系统连通，地面集热器的进风口和出风口分别与地下空气循环管路系统连通；空气温度传感器位于地下空气循环管路系统的管道内，水温传感器位于水循环管路系统的管道内，基质温度传感器位于地面基质内，土壤温度传感器位于地下土壤与空气温度传感器等高的位置，风机位于地下空气循环管路系统上，增压泵位于水循环管路系统上。

针对该系统，本发明还公开了一种大棚太阳能集放热系统的控制方法，该控制方法基于上述的大棚太阳能集放热系统，将空气温度Tair与土壤温度Tsoil的差值Tair-Tsoil作为控制风机运转的条件，将水温Twater与基质温度Tsub的差值Twater-Tsub作为控制增压泵运转的条件。

更优选的是，白天：当(Tair-Tsoil)≥5～7℃时启动风机，直至(Tair-Tsoil)<5℃时关闭风机；当(Twater-Tsub)≥3～5℃时启动增加泵，直至(Twater-Tsub)<3℃或Tsub≥15℃～18℃时关闭增加泵；

夜间：当Tair≤12℃～15℃且(Tair-Tsoil)≤3～5℃时启动风机，直至Tair≤6℃～8℃或者(Tair-Tsoil)>3℃时关闭风机。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明的大跨度塑料大棚太阳能集放热系统，首次创新性的引入水温这一指标，综合考虑了土温、基质温度、水温和空气温度四个因素，以水和空气同时作为传热媒介，将太阳能利用效率提高了至少30％。

2.本发明的大跨度塑料大棚太阳能集放热系统，热水储存在水循环管道中，直接加温作物根部温度，减少蓄水池的投入，不同于现有的集换热系统，设计初期即考虑了简化系统占地这一问题。

3.本发明的大跨度塑料大棚太阳能集放热系统，地面集热器基于微热管技术，导热性能佳。

4.本发明的大跨度塑料大棚太阳能集放热系统的控制方法，利用气温与土温差值、水温与基质温度差值控制风机、泵的运行，与单一的控制指标相比，可以准确控制集放热系统在合适的时机运行，提高了系统运行效率，避免了无效运行，节省能源。

附图说明

图1、图2、图3是三个不同视角下大跨度塑料大棚太阳能集放热系统及控制结构示意图；

图4是地面集热器结构示意图；

图5是地面集热器分解图；

图6是地面集热器剖面图；

图7是水循环管道注水原理图。

图8是图7的局部放大图。

图中的标号为：

1.地面集热器；2.管道；3.增压泵；4.空气循环管道；5.风机；6.空气温度传感器；7.水温传感器；8.土壤温度传感器；9.基质温度传感器；10.控制系统；11.进风口；12.出风口；14.进水口；15.出水口；17.地面基质；19.地平面；20.支架；21.保温板；22.背板；23.集热器边框；24.微热管阵列；25.翅片；26.水管；27.玻璃盖板；28.风道。

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。

实施例1：

本实施例提供一种大跨度塑料大棚太阳能集放热系统，包括地面集热器1、水循环的管道2、增压泵3、空气循环管道4、风机5、气温传感器6、水温传感器7、土壤温度传感器8、基质温度传感器9和控制系统10；其中地面集热器1上端出水口15与管道2连接，管道2铺设在地面基质17底部；地面集热器1下端进水口14与增压泵3出水口连接，增压泵3进水口与管道2连接；地面集热器1的风道28的出风口12与风机5连接；地面集热器的风道28出风口12与铺设在地下的空气循环管道4连接；控制系统10分别与气温传感器6、土温传感器8、水温传感器7、基质温度传感器9、风机5以及增压泵3连接；气温传感器6布置在风道28内；土温传感器8布置在土壤内，与地下空气循环管道深度相同，距离水循环管道0.5m；水温传感器布7置在管道2内部；基质温度传感器9安装在地面基质17内部。该系统能实现实现水与空气同时作为传热媒介。关于处理器的控制部分属于本领域的常规设计，在此不做详细说明。

地面集热器1为太阳能热水—空气集热器，包括玻璃盖板27、铜制的水管26、微热管阵列24、保温板21、背板22、集热器边框23和风道28；太阳能热水—空气集热器固定在支架20上，放置在大棚中间走道附近；水管26安装在集热器边框23内部；风道28安装在集热器边框23顶部；微热管阵列24冷凝端安装在风道28内部，微热管阵列24蒸发端安装在集热器边框23内部，微热管阵列24冷凝端与翅片25连接，翅片25安装在风道28内部，翅片25主要是增加微热管阵列24冷凝端与空气的热交换面积，提高空气与微热管阵列24的热交换效率。

如图7或图8，水循环管道注水流程：阀门1为出水口，阀门2为注水口，注水前关闭阀门3(关闭阀门3是为了避免注水口在注水时，由于外界过大的压力差导致水从阀门1出水口处直接出水而影响判断水循环管道内是否已完全注满水，也可以理解为阀门3是为了阻隔阀门1和阀门2之间的直接连通)，打开阀门1和阀门2，从阀门2将外界的水注入到水循环管道内，在注水时水循环管道内的水会由于外界的压力差通过注水口进入到水循环管道内各个部位，直至出水口处溢出水，在待阀门1出水后停止注水，关闭阀门1和阀门2，打开阀门3，此时水循环管道内的水已注满。

实施例2：

本实施例基于实施例1，提供一种该系统的控制方法，利用空气温度与土壤温度差值控制风机运转和利用基质温度与水温差值控制增压泵运转，使太阳能集放热系统在合适的时间运行，具体运行按照如下步骤进行：

(1)白天蓄热过程

1)设置风机启动条件：在自动控制系统中，设置空气温度Tair与土温Tsoil差值作为启动条件，其中(Tair-Tsoil)≥5～7℃；

2)设置增压泵3启动条件：在自动控制系统中，设置水温Twater与基质温度Tsub差值作为启动条件，其中(Twater-Tsub)≥3～5℃；

3)风机5启动：白天，太阳辐射增强，风道28内气温升高。当控制系统10通过气温传感器6、土温传感器8监测到达到设置的风机5启动条件时，启动运行风机5，蓄热开始；

4)增压泵3启动：白天，太阳辐射增强，水管26内水温升高。当控制系统10通过水温传感器7、基质温度传感器9监测到达到设置的增压泵启动条件时，启动运行增压泵，蓄热开始；

5)蓄热过程：系统风机5启动后，温室内的空气不断流过风道，吸收微热管阵列24传递过来的太阳辐射热量，进入地下空气循环管道4中；空气循环管道4与土壤进行热交换，通过空气的不断循环，土壤中土壤温度逐渐升高，从而将大棚内富余能量收集并储存在土壤内；系统增压泵3启动后，管道2中的水不断流过太阳能集放热器，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回管道2中；管道2与基质进行热交换，通过水的不断循环，地面基质17的基质袋中基质温度温逐渐升高，从而将大棚内富余能量收集并储存在基质内；

4)蓄热结束：当(Tair-Tsoil)<5℃时，集放热系统关停风机5，蓄热结束；当(Twater-Tsub)<3℃或基质温度Tsub≥15℃～18℃，集放热系统关停增压泵3，蓄热结束。

(2)夜间放热过程

1)设置风机5启动条件：在控制系统10中，设置空气温度Tair≤12℃～15℃，且空气温度Tair与土温Tsoil差值作为启动条件，其中(Tair-Tsoil)≤3～5℃；

2)风机5启动：夜间，室内气温不断降低，通过气温传感器6、土温传感器8监测达到设置的风机启动条件时，启动运行风机5，放热开始；

3)放热过程：风机5启动后，室内空气不断流过地下空气循环管道4，将白天蓄积的热量通过管道表面与土壤的导热等换热作用传递给室内空气，再返回大棚内中；通过空气的不断循环，土壤中土温逐渐降低，从而将白天收集的能量释放到空气中，实现集放热系统在夜间的放热加温作用；

4)放热结束：当空气温度值Tair≤6℃～8℃，或者(Tair-Tsoil)>3℃时，集放热系统关停风机，放热结束。

实施例3：

本实施例以基地长80m，跨度17m的非对称大跨度塑料大棚为例阐明本发明的应用模式。

如图1-8所示，本系统在结构上主要包括太阳能热水—空气集热器、管道2、增压泵3、空气循环管道4、风机5、气温传感器6、水温传感器7、土温传感器8、基质温度传感器9和控制系统10；其中太阳能热水—空气集热器上端出水口15与水循环管道2连接，并安装在有一定倾斜角度的支架20上，以最大化利用太阳能，管道2铺设在基质袋底部，以此来实现对基质袋内基质温度的提升，解决了冬季大棚内夜间基质袋内基质温度较低的现状；太阳能热水—空气集热器下端进水口14与增压泵3出水口连接，增压泵3进水口与水循环管道连接；太阳能热水—空气集热器的风道28出风口12与风机5连接；太阳能热水—空气集热器的风道出风口12与铺设在地下的空气循环管道4连接，实现冬季大棚内土壤的蓄热，以此来应对夜间大棚内温度的提升；控制系统10分别与气温传感器6、土温传感器8、水温传感器7、基质温度传感器9、风机5以及增压泵3连接，控制系统可以实现对整个太阳能集放热系统的自动运行，以此来提高太阳能的利用效率，避免了系统的无效运行；其中气温传感器6布置在风道28内，实现对风道内空气的实时监测；土温传感器8布置在土壤内，与地下空气循环管道深度相同，距离水循环管道0.5m；水温传感器7布置在管道2内部；基质温度传感器9安装在基质袋内部。

在本具体实施中，20组太阳能热水—空气集热器布置在大棚中间走道南侧，每组太阳能热水—空气集热器的边框长度2.0m、宽度1.0m、厚度为0.1m，风道长度为2.5m、宽度为0.15m、厚度为0.15m。水循环管道由4排直径为20的PPR管道并联组成，地面共有PPR管道80排，每排水换热管道长度为17m，空气循环管道布置在地下0.5m，由4排直径为50的PVC管道并联组成，地下共有PVC管道80排，每排空气换热管道长度为17m。

(1)白天蓄热过程

1)设置风机启动条件：在自动控制系统中，设置空气温度与土温差值5℃作为启动条件；

2)设置增压泵启动条件：在自动控制系统中，设置水温与基质温度差值3℃作为启动条件；

3)风机启动：白天，太阳辐射增强，风道内气温升高。当自动控制系统通过气温传感器、土温传感器监测到达到设置的风机启动条件时，启动运行风机，蓄热开始；

4)增压泵启动：白天，太阳辐射增强，铜管内水温升高。当自动控制系统通过水温传感器、基质温度传感器监测到达到设置的增压泵启动条件时，启动运行增压泵，蓄热开始；

5)蓄热过程：系统风机启动后，温室内的空气不断流过风道，吸收微热管阵列传递过来的太阳辐射热量，进入地下空气循环管道中；空气循环管道与土壤进行热交换，通过空气的不断循环，土壤中土壤温度温逐渐升高，从而将大棚内富余能量收集并储存在土壤内；系统增压泵启动后，水循环管道中的水不断流过太阳能集放热器，吸收太阳辐射热量和对流传热量，再返回水循环管道中；水循环管道与基质进行热交换，通过水的不断循环，基质袋中基质温度温逐渐升高，从而将大棚内富余能量收集并储存在基质内；

4)蓄热结束：当空气温度与土温差值不高于风机启动值5℃时，集放热系统关停风机，蓄热结束；当水温与基质温度差值不高于增压泵启动值3℃时，或基质温度高于设定值15℃时，集放热系统关停增压泵，蓄热结束。

(2)夜间放热过程

1)设置风机启动条件：在自动控制系统中，设置空气温度低于设定值15℃，且空气温度与土温差值3℃作为启动条件；

2)风机启动：夜间，室内气温不断降低，通过气温传感器、土温传感器监测达到设置的风机启动条件时，启动运行风机，放热开始；

3)放热过程：风机启动后，室内空气不断流过地下空气循环管道，将白天蓄积的热量通过管道表面与土壤的导热等换热作用传递给室内空气，再返回大棚内中；通过空气的不断循环，土壤中土温逐渐降低，从而将白天收集的能量释放到空气中，实现集放热系统在夜间的放热加温作用；

4)放热结束：当空气温度值低于设置值8℃，或者空气温度与土温差值不高于风机系统启动设置值3℃，集放热系统关停风机，放热结束。

本实施例系统在运行一段时间后，发现相比原有的只利用地下管道通风传热的大棚系统，太阳能利用率提高至少30％，白天进入地下管道内部的空气温度可提高25℃左右，夜间空气温度与根系温度可分别提高2-3℃，效果显著。

上文具体实施方式和实例仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下，在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (8)

1.一种大棚太阳能集放热系统，其特征在于，该系统同时以水和空气作为传热媒介，包括地下空气循环管路系统、水循环管路系统、地面集热器(1)和控制系统(10)，地下空气循环管路系统和水循环管路系统均通过地面集热器(1)进行换热；

控制系统(10)包括处理器和与处理器连接的空气温度传感器(6)、水温传感器(7)、土壤温度传感器(8)、基质温度传感器(9)、风机(5)、增压泵(3)，处理器以接收到的空气温度传感器(6)、水温传感器(7)、基质温度传感器(9)、土壤温度传感器(8)的信号通过风机(5)和增压泵(3)对地下空气循环管路系统和水循环管路系统实施控制。

2.如权利要求1所述大棚太阳能集放热系统，其特征在于，地面集热器(1)包括风道(28)和集热器边框(23)，风道(28)位于集热器边框(23)外的一侧的顶部；集热器边框(23)内由外至内依次设置有玻璃盖板(27)、水管(26)和微热管阵列(24)，微热管阵列(24)的冷凝端位于风道(28)内部，微热管阵列(24)的蒸发端位于集热器边框(23)内部，风道(28)内有翅片(25)，翅片(25)与微热管阵列(24)的冷凝端相连。

3.如权利要求2所述大棚太阳能集放热系统，其特征在于，集热器边框(23)下表面依次设置有背板(22)和保温板(21)。

4.如权利要求1所述大棚太阳能集放热系统，其特征在于，地面集热器(1)固定在倾斜的支架(20)上使得地面集热器(1)在地面呈倾斜状。

5.如权利要求1所述大棚太阳能集放热系统，其特征在于，水循环管路系统位于大棚的地面基质(17)下，水循环管路系统的管道(2)与地面基质(17)直接接触。

6.如权利要求1所述大棚太阳能集放热系统，其特征在于，地面集热器(1)的进水口(14)和出水口(15)分别与水循环管路系统连通，地面集热器(1)的进风口(11)和出风口(12)分别与地下空气循环管路系统的空气循环管道(4)连通；空气温度传感器(6)位于空气循环管道(4)内，水温传感器(7)位于水循环管路系统的管道(2)内，基质温度传感器(9)位于地面基质(17)内，土壤温度传感器(8)位于地下土壤与空气温度传感器(6)等深的位置，风机(5)位于空气循环管道(4)内，增压泵(3)位于水循环管路系统的管道(2)内。

7.一种大棚太阳能集放热系统的控制方法，其特征在于，该控制方法基于权利要求1所述的大棚太阳能集放热系统，将空气温度Tair与土壤温度Tsoil的差值Tair-Tsoil作为控制风机运转的条件，将水温Twater与基质温度Tsub的差值Twater-Tsub作为控制增压泵运转的条件。

8.如权利要求7所述大棚太阳能集放热系统的控制方法，其特征在于，白天：当(Tair-Tsoil)≥5～7℃时启动风机，直至(Tair-Tsoil)<5℃时关闭风机；当(Twater-Tsub)≥3～5℃时启动增加泵，直至(Twater-Tsub)<3℃或Tsub≥15℃～18℃时关闭增加泵；

夜间：当Tair≤12℃～15℃且(Tair-Tsoil)≤3～5℃时启动风机，直至Tair≤6℃～8℃或者(Tair-Tsoil)>3℃时关闭风机。