CN110749125A

CN110749125A - 一种利用太阳能制冷给地下土体降温结霜和储水的技术

Info

Publication number: CN110749125A
Application number: CN201910965042.1A
Authority: CN
Inventors: 牛柏童; 牛伟民; 魏佳忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-02-04

Abstract

一种通过太阳能制冷给地下土体降温结霜储水的装置，如摘要附图所示，太阳能制冷设备蒸发段1，重力式热管2，重力式热管蒸发段冷凝液3，重力式热管冷凝段4，连接接头5，泵6，泵7，地面8，地下冷凝制水结构组件9，土壤18，冷凝液输出管19，通气通水管14的接入段20，回气管21，单向阀22，太阳能制冷设备蒸发段冷凝液23，重力式热管2的蒸发段24，冷凝液输出管25，重力式热管2的过渡段26，泵27，连接接头28，通气通水管29。

Description

一种利用太阳能制冷给地下土体降温结霜和储水的技术

技术领域

本发明属于太阳能制冷领域，涉及一种利用太阳能制冷给地下土壤和空气降温的技术，具体为利用太阳能制冷给地下土体降温结霜和储水的装置，其中和冷凝液体连通的管道位于地下土壤中并通过对其周围的土体和空气降温将冷凝水用于周围土体储水的装置。

背景技术

地球表面虽然有其71%的表面积覆盖水。其实，地球上97.5%的水是咸水，只有2.5%是淡水。而在淡水中，将近70%冻结在南极和格陵兰的冰盖中，其余的大部分是土壤中的水分或是深层地下水，难以开采供人类使用。江河、湖泊、水库及浅层地下水等来源的水较易于开采供人类直接使用，但其数量不足世界淡水的1%，约占地球上全部水的0.007%，因此用地表淡水完全实现对地球表面土壤的浇灌是非常困难的事。

全世界陆地面积为1.62亿平方千米，占地球总面积的30.3%，其中约1/3(4800万平方千米)是干旱、半干旱荒漠地区，而且每年以6万平方千米的速度扩大着。而沙漠面积已占陆地总面积的20%，还有43%的土地正面临着沙漠化的威胁。

没有植物地带(年降水量100 mm以下，全年无降雨、降雨无周期性)，其面积占全球陆地的4.2%；指季节性地长草但不生长树木的地带(蒸发量比降水量大，年降水量在250 mm以下)，其面积占全球陆地的14.6%；半干地区有250-500毫米雨水，是可生长草和低矮树木的地带。

世界上现有耕地13.7亿公顷，但每年损失500万-700万公顷。在许多发展中国家，人口众多且增长迅速，而可供开垦的土地资源已十分有限，人与土地资源的矛盾日益突出。联合国环境规划署(UNEP)主持的一份新的研究报告中指出，过去的45年中，由于农业活动、砍伐森林、过度放牧而造成中度和极度退化的土地达12亿公顷，约占地球上有植被地表面积的11%。据UNEP统计，世界旱地面积32.7亿公顷，受沙漠化影响的就有20亿公顷，占61%之多。世界每年有600万公顷土地变成沙漠，另有2100万公顷土地丧失经济价值。在我国截至1996年10月31日全国有旱地73919.84千公顷（110 879.7万亩），占耕地总面积的56.8%。

最新研究表明，在未来温室气体高排放情景下，全球旱地面积可能会加速扩张，在本世纪末达到全球陆地面积的50%以上。

解决地球荒漠化最根本的问题就是解决土壤地下含水量的问题，一旦地表土壤附近含水量保持到能够满足地表植物对水的需求，则地表植被覆盖率的大幅提高将彻底改变地球表面的生态条件，同时地球表面“靠天吃饭”的土地耕种条件会大大改善。

到目前为止对于上述现状还没有切实可行的技术方案能够从根本上解决地下水资源的问题，而我们可以通过太阳能制冷技术改善地表附近的水环境以确保植物对水的需求，彻底改变干旱和半干旱地区因土壤缺水而导致的沙漠化或经济作物种植产量过低的现状，通过太阳能技术促使地球表面的绿色化水平大大提高的同时，使生态环境逐步恢复到更好的水平，同时依赖于太阳能制冷发展起来的绿色经济将进一步提高人类的生存条件和经济水平。

本发明就是为了解决地表可种植土壤的含水量而提出的技术方案，其源于以下原理：

在每个季节地表以下30cm～100cm深度范围的土壤温度相对比较稳定，受气温日较差影响较小，且土壤热传导率低，通过太阳能制冷对这一深度范围地层降温所消耗的功率较小，如果对这一深度范围土壤年平均温度降低5℃以上，会使得地表附近土壤水分的年蒸发量会大大降低，地表附近的水分会聚集在除表层外距地表20cm～100cm深度范围，为植物提供更多的水分。在世界范围少水地区，大量的植被和森林都分布在阴坡就是这个道理，阴坡土体的温度低，蒸发量少而潮湿，植物获得水分的机会多。同时森林覆盖的地区地下水资源也比较丰富，植物的覆盖不仅会降低地表温度，同时会减少地表土壤的水分蒸发，同时植物根系也有很强的存水和固水能力，地下制冷技术一旦帮助完成地表植物的大面积覆盖，则这个区域对太阳能制冷的依赖性会大大降低。

太阳能制冷温度低于0℃时，制冷管通过从周围气体及通气管中获得水分并在制冷管表面结霜，在季节冻土的融季，太阳能制冷管表面会在昼夜交替过程中完成结霜和化霜的循环，化霜后的水分通过导流结构对附近土壤完成浇灌，通过这样的循环，在一年四季的交替过程中，水分在冷凝区聚集的特性会使得大量土体中的水分会不断聚集在冷凝层附近，满足植物根系对水的需求。

另一方面，利用太阳能制冷进一步增加土壤的蓄冷量，结果会在季节冻土地区使得季节冻土深度增加，便于降低土体年平均温度，减少蒸发量。

太阳能地下冷冻系统同时敷设通水通气管，通水通气管输入湿气供地下结霜，同时通气管也是滴水灌溉管，在对地下输送湿冷空气的同时用于雨季收集地表水，完成地下滴灌。

由于太阳能制冷技术已经发展的较为成熟，目前普遍应用于太阳能空调，但是应用于地下制冷系统的太阳能制冷机主要在野外，其对制冷机工况的要求条件更加宽松，包括太阳能制冷机的形状、体积、震动、噪音以及工作时间等等，从而有可能开发出比传统技术更加经济、制冷效率更高的制冷机，成本价格也可以大大降低，为太阳能地下制冷技术的发展提供了更大的发展空间。

发明内容

为了实现太阳能地下制冷储水的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，包括太阳能制冷设备蒸发段1，重力式热管2，重力式热管2蒸发段冷凝液3，重力式热管冷凝段4，连接接头5，泵6，泵7，地下冷凝制水结构组件9，导流板10，透气孔11，渗水孔12，冷凝管13，通气通水管14，制冷总管15，通气孔16，通气孔17，冷凝液输出管19，通气通水管14接入段20，回气管21，单向阀22，太阳能制冷设备蒸发段冷凝液23，重力式热管2的蒸发段24，冷凝液输出管25，重力式热管2的过渡段26，泵27，连接接头28，通气通水管29。

其特征在于：所述的太阳能制冷设备蒸发段1的冷凝液23内埋设有重力式热管2的冷凝段4；所述的重力式热管2的a点以上部分为冷凝段4，重力式热管2的a点与b点之间为过渡段26，重力式热管2的b点以下部分为重力式热管2的蒸发段24，重力式热管2的蒸发段24内装有冷凝液3，过渡段26管壁设置有回气管21，冷凝液输出管25位于重力式热管2的蒸发段24紧靠底部的位置。

所述的回气管21上连接有泵7，单向阀22，其中单向阀22与泵7是并联关系，它们共同连接在回气管21上，回气管21通过连接接头28与安装在地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13相连。

所述的冷凝液输出管25和19通过泵6连接在一起，冷凝液输出管19通过连接接头5与安装在地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13相连。

所述的通气通水管14通过连接接头5与通气通水管14的接入段20相接，通气通水管14的接入段20与泵27相接，泵27的另一端接入管为通气通水管29，通气通水管14的另一端在连接接头28的位置为封闭端。

所述的地下冷凝制水结构组件9由制冷总管15内设通气通水管14，冷凝管13以及安装在制冷总管15下部的导流板10组成。

所述的制冷总管15的管壁上设置有通气孔16，制冷总管15与导流板10相接的位置设置有渗水孔12。

所述的通气通水管14管壁上设置有通气孔17。

所述的导流板10上设置有透气孔11。

所述的通气通水管29螺旋状缠绕在重力式热管2的过渡段26上。

本发明一种通过太阳能制冷给地下土体降温结霜储水的装置，所述的重力式热管2顶部为冷凝段4，紧邻下方为过渡段26，最下端为蒸发段24；所述的重力式热管2的冷凝段4埋设于太阳能制冷设备蒸发段1的冷凝液23内，重力式热管2的蒸发段24与冷凝液输出管25相连，冷凝液输出管25与马达6相连，马达6与冷凝液输出管19相连，冷凝液输出管19通过连接接头5与安装在地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13相连，地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13通过连接接头28与回气管21相连，回气管21上连接有泵7以及单向阀22，其中单向阀22与泵7是并联关系，它们共同连接在回气管21上，回气管21与重力式热管2的过渡段26连通，上述连接关系构成一个完整的冷冻液循环通路，重力式热管2蒸发段冷凝液3在上述通路中流动和汽化过程实现了对地下土壤的降温和冷冻；所述的通气通水管29螺旋状缠绕在重力式热管2的过渡段26上，通气通水管29与泵27相连，泵27的另一接头连接通气通水管14接入段20，通气通水管14接入段20通过连接接头5与通气通水管14相连，通气通水管14的另一端在连接接头28的位置为封闭端，上述连接通路实现了水或湿冷空气从外界导入地下土壤，进而被结霜化霜，达到了土壤储水的目的；所述的地下冷凝制水结构组件9由制冷总管15内设通气通水管14，冷凝管13以及安装在制冷总管15下部的导流板10组成；所述的制冷总管15的管壁上设置有通气孔16，制冷总管15与导流板10相接的位置设置有渗水孔12；所述的通气通水管14管壁上设置有通气孔17；所述的导流板10上设置有透气孔11。

本发明的有益效果在于：提供了一项利用太阳能制冷技术，实现地下土壤储水的目的，为地表植被提供丰富的水分，改善地球的生态条件。

附图说明

图1 为本发明的结构示意图。

图2 为本发明的地下冷凝制水结构。

图3 为实施例2结构示意图。

图中：太阳能制冷设备蒸发段1，重力式热管2，重力式热管蒸发段冷凝液3，重力式热管冷凝段4，连接接头5，泵6，泵7，地面8，地下冷凝制水结构组件9，导流板10，透气孔11，渗水孔12，冷凝管13，通气通水管14，制冷总管15，通气孔16，通气孔17，土壤18，冷凝液输出管19，通气通水管14的接入段20，回气管21，单向阀22，太阳能制冷设备蒸发段冷凝液23，重力式热管2的蒸发段24，冷凝液输出管25，重力式热管2的过渡段26，泵27，连接接头28，通气通水管29。

具体实施方式

以下结合附图1、附图2对本发明的结构及其有益效果进一步说明。

实施例1

一种通过太阳能制冷给地下土体降温结霜储水的装置，如图1所示，包括所述的重力式热管2顶部为冷凝段4，紧邻下方为过渡段26，最下端为蒸发段24；所述的重力式热管2的冷凝段4埋设于太阳能制冷设备蒸发段1的冷凝液23内，重力式热管2的蒸发段24与冷凝液输出管25相连，冷凝液输出管25与马达6相连，马达6与冷凝液输出管19相连，冷凝液输出管19通过连接接头5与安装在地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13相连，地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13通过连接接头28与回气管21相连，回气管21上连接有泵7以及单向阀22，其中单向阀22与泵7是并联关系，它们共同连接在回气管21上，回气管21与重力式热管2的过渡段26连通，上述连接关系构成一个完整的冷冻液循环通路，重力式热管2蒸发段冷凝液3在上述通路中流动和汽化过程实现了对地下土壤的降温和冷冻；所述的通气通水管29螺旋状缠绕在重力式热管2的过渡段26上，通气通水管29与泵27相连，泵27的另一接头连接通气通水管14接入段20，通气通水管14接入段20通过连接接头5与通气通水管14相连，通气通水管14的另一端在连接接头28的位置为封闭端，上述连接通路实现了水或湿冷空气从外界导入地下土壤，进而被结霜或化霜，达到了土壤储水的目的。

如图2所示，所述的地下冷凝制水结构组件9由制冷总管15内设通气通水管14，冷凝管13以及安装在制冷总管15下部的导流板10组成；所述的制冷总管15的管壁上设置有通气孔16，制冷总管15与导流板10相接的位置设置有渗水孔12；所述的通气通水管14管壁上设置有通气孔17；所述的导流板10上设置有透气孔11。

作业时，太阳能制冷设备开始制冷工作，太阳能制冷设备蒸发段2内的冷凝液23温度下降，同时重力式热管2开始启动工作，重力式热管蒸发段冷凝液3温度随即下降；当启动泵6时，重力式热管蒸发段冷凝液3通过冷凝液输出管25进入泵6，进一步，进入冷凝液输出管19，再进一步，通过连接接头5进入安装在地下冷凝制水结构组件9中的冷凝管13，再进一步，通过连接接头28进入回气管21，再进一步，进入单向阀22，再进一步，通过回气管21进入重力式热管2的过渡段26，通过上述流动过程，冷凝液23又回到重力式热管2，通过上述过程，地下的热量被带入重力式热管2，通过工质的循环，由太阳能制冷设备排出。

再下一步，泵6停止工作，泵7启动工作，存留在管道中的冷凝液在管内因蒸汽压力降低而汽化，蒸汽进入回气管21，通过泵6进而回到重力式热管2的过渡段26，在上述过程中，管中存留的冷凝液在汽化过程中吸收热量，地下热量被进一步排出；通过上述过程的不断循环，实现太阳能的地下制冷过程。

另外，当通气通水管29入口处外界空气或水满足设定条件时，泵27启动工作，缠绕在重力式热管2的过渡段26上的通气通水管29吸入空气或水，经过重力式热管2的过渡段26的冷却，再经过泵27，进一步，进入通气通水管14接入段20，再进一步，进入通气通水管14，通气通水管14的另一端在连接接头28的位置为封闭端，通气通水管14内的水或空气经通气孔17排入制冷总管15，制冷总管15的管壁上设置有通气孔16，制冷总管15与导流板10相接的位置设置有渗水孔12，管内的空气经通气孔16排入土壤，管内的水经渗水孔12流入导流板10，并进一步渗入周围土壤18，在上所述过程中，从外界导入的湿冷空气被冷却结霜，在其后的化霜过程中水分进入周围土壤；在上所述过程中，从外界导入的水在结霜化霜的过程中进入制冷总管15内的水经渗水孔12流入导流板10，并进一步渗入周围土壤18。

实施例2

一种通过太阳能制冷给地下土体降温结霜储水的装置，如图3所示，其特征在于重力式热管2的冷凝段4顶部设置有开口30，重力式热管2的冷凝段4的空间与太阳能制冷设备蒸发段1空间连通，其它结构及工作过程与实施例1相同。

Claims

1.一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，包括太阳能制冷设备蒸发段（1），重力式热管（2），重力式热管（2）蒸发段冷凝液（3），重力式热管冷凝段（4），连接接头（5），泵（6），泵（7），地下冷凝制水结构组件（9），导流板（10），透气孔（11），渗水孔（12），冷凝管（13），通气通水管（14），制冷总管（15），通气孔（16），通气孔（17），冷凝液输出管（19），通气通水管（14）接入段（20），回气管（21），单向阀（22），太阳能制冷设备蒸发段冷凝液（23），重力式热管（2）的蒸发段（24），冷凝液输出管（25），重力式热管（2）的过渡段（26），泵（27），连接接头（28），通气通水管（29），其特征在于：所述的太阳能制冷设备蒸发段（1）的冷凝液（23）内埋设有重力式热管（2）的冷凝段（4）；所述的重力式热管（2）的a点以上部分为冷凝段（4），重力式热管（2）的a点与b点之间为过渡段（26），重力式热管（2）的b点以下部分为重力式热管（2）的蒸发段（24），重力式热管（2）的蒸发段（24）内装有冷凝液（3），过渡段（26）管壁设置有回气管（21），冷凝液输出管（25）位于重力式热管（2）的蒸发段（24）紧靠底部的位置；所述的回气管（21）上连接有泵（7），单向阀（22），其中单向阀（22）与泵（7）是并联关系，它们共同连接在回气管（21）上，回气管（21）通过连接接头（28）与安装在地下冷凝制水结构组件（9）中的冷凝管（13）相连；所述的冷凝液输出管（25）和（19）通过泵（6）连接在一起，冷凝液输出管（19）通过连接接头（5）与安装在地下冷凝制水结构组件（9）中的冷凝管（13）相连；所述的通气通水管（14）通过连接接头（5）与通气通水管（14）的接入段（20）相接，通气通水管（14）的接入段（20）与泵（27）相接，泵（27）的另一端接入管为通气通水管（29），通气通水管（14）的另一端在连接接头（28）的位置为封闭端。

2.如权利要求1所述的一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，其特征在于，所述的地下冷凝制水结构组件（9）由制冷总管（15）内设通气通水管（14），冷凝管（13）以及安装在制冷总管（15）下部的导流板（10）组成。

3.如权利要求1或2所述的一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，其特征在于，所述的制冷总管（15）的管壁上设置有通气孔（16），制冷总管（15）与导流板（10）相接的位置设置有渗水孔（12）。

4.如权利要求1或2所述的一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，其特征在于，所述的通气通水管（14）管壁上设置有通气孔（17）；所述的导流板（10）上设置有透气孔（11）。

5.如权利要求1所述的一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，其特征在于，所述的通气通水管（29）螺旋状缠绕在重力式热管（2）的过渡段（26）上。

6.如权利要求1所述的一种利用太阳能制冷技术给地下土体降温结霜和储水的装置，还包括如实施例2所述的结构，其特征在于重力式热管（2）的冷凝段（4）顶部设置有开口（30），重力式热管（2）的冷凝段（4）的空间与太阳能制冷设备蒸发段（1）空间连通。