CN112586237A - 一种潮汐式自然光人工气候温室及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮汐式自然光人工气候温室及控制方法，包括温室本体、粒料充排装置，所述温室本体设置双层中空透光顶棚，所述温室本体设置双层中空透光墙面，所述透光墙面、透光顶棚的中空空腔与粒料充排装置连接，所述温室配套设置低温空调、保温水桶、冷水桶，所述低温空调具有产生冷热水、冷热气四种功能。本发明是通过隔热粒料进出中空空腔进行隔热与透光转换、空调运作蓄热制冷、冷水湿帘强化蒸发降温的综合应用，实现对温室的环境温度有效而精确地控制，温室空间大，既能为试验植物创造理想的目标温度，又保留自然光照，克服了植物生长受天气变化和四季气候刚性约束的弊端，便于大量推广使用。

Description

一种潮汐式自然光人工气候温室及控制方法

技术领域

本发明属于人工气候温室设备技术领域，具体涉及一种潮汐式自然光人工气候温室及控制方法。

背景技术

植物生长发育受光照、温度和湿度等环境因子的影响，日照长度、昼夜温差、光照强度等对植物生理生化状态和发育方向有显著影响。在科学研究中人们常用人工气候温室或气候箱来获得植物理想生长发育条件。然而，纯粹的人工气候不仅非常耗能，也难以获得强壮生长的植物。比如现有的人工栽培气候箱使用人工光照、空调和弥雾机来调节气候，主要缺陷为空间小，不合适较为高大的农作物；光照强度多在5000lux左右，难以满足高光照植物的连续正常开花30000lux的要求；所使用的荧光灯光谱也不适合植物开花需要，难以获得太阳光的类似效果；隔热效果差，能源消耗大，制冷时低于8度以下的低温很难实现。比如在小孢子诱导培养中，就难以实现连续开花和获得发育良好的胚性小孢子，严重影响了诱导培养效果。而大型人工气候温室大多采用玻璃温室，空调降温，单位能耗很高，难以在地区和基层科研单位普及推广。

为此，研究开发一种结构简单，空间大，能耗低，能满足植物特定生长发育需要的潮汐式自然光人工气候温室及控制方法是解决上述问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，空间大，能耗低，既能为试验植物创造理想的目标温度，又保留自然光照，满足植物特定生长发育需要的潮汐式自然光人工气候温室及控制方法。既能满足科学研究需要和种植目标，又能种植原产不同气候带的植物。

本发明的第一目的是这样实现的，包括温室本体、粒料充排装置，所述温室本体设置双层中空透光顶棚，所述温室本体设置双层中空透光墙面，所述透光墙面、透光顶棚的中空空腔与粒料充排装置连接，所述粒料充排装置可以对中空空腔进行充填或抽排隔热粒料，所述北墙内侧中部设置空调的室内机，所述空调室内机内设置换热管A，所述换热管A与冷水桶连接。

第二目的是这样实现的：基于温室可自然光照射植被，通过隔热粒料进出温室双层透光层中空空腔，空调运作升降温，热交换储热放热，湿帘蒸发降温，风机带动空气流动的方式，实现对温室的环境温度控制。

本发明具有以下技术效果：

1、采用中空的透光墙面、顶棚和轻质隔热粒料，通过控制轻质粒料进出中空空腔，解决了一般温室隔热与遮光的矛盾、控温与保光的矛盾；

2、采用保温水桶、冷水桶的换热装置与低温空调的组合，使空调具有产生冷热水、冷热气四种功能，突破了冷库机组不能制热的局限，将空调制冷时外机（压缩机）产生的热能收集，反向实施空气能加热时再利用，达到双向节能的功能；

3、利用空调+冷却水+湿帘的组合，突破了普通湿帘降温只能使室温比气温降低5度左右的局限，可以达到15度以上，能根据植被温度需要调整到相应温度；

4、本发明可以通过人工低温自然光诱导单倍体细胞组织培养，也可用于通过减少昼夜温差诱导植物矮化栽培试验，还可以用于通过提高夜温缩短植物开花时间。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明墙体与粒料充排装置一种连接俯视示意图；

图3为本发明顶棚与粒料充排装置一种连接俯视示意图；

图4为本发明温室本体与粒料存储仓另一种连接示意图；

图5为本发明空调室内机换热工作原理图；

图6为本发明之控制逻辑关系图；

图中：1-顶棚，2-东墙，3-粒料充排装置，301-粒料存储仓，302-粒料输送管，303-粒料风机，304-粒料阻隔网，4-室内机，5-室外机，6-保温水桶，7-湿帘，8-换气风机，9-透明隔板，10-透光墙面，11-顶棚，12-隔热粒料，13-换热管A，虚箭头-充填气流流向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

如附图1～6所示本发明包括温室本体、粒料充排装置3，所述温室本体设置双层中空透光顶棚1，所述温室本体设置双层中空透光墙面，所述透光墙面、透光顶棚的中空空腔与粒料充排装置3连接，所述粒料充排装置3可以对空腔进行充填或抽排隔热粒料，所述北墙内侧上设置空调的室内机4，所述空调室内机内设置换热管A，所述换热管A与冷水桶连接，热交换水在换热管与冷水桶之间形成循环。

所述粒料充排装置3包括粒料存储仓301、粒料输送管302、粒料风机303、轻质隔热粒料，所述粒料存储仓301通过粒料输送管302与空腔连通形成密闭循环环路，所述粒料风机303设置在密闭循环环路上，所述轻质隔热粒料设置在粒料存储仓301内，所述粒料存储仓一端的密闭循环环路设置粒料阻隔网304。

所述风机与粒料存储仓之间设置粒料阻隔网。

所述北墙为不透光固定墙体。

所述透光墙面至上而下由透光隔板9间隔成多个相互独立的腔体，每个腔体分别通过粒料输送管302与粒料存储仓301连通形成环路，所述透光顶棚的空腔由透光隔板9横向间隔成多个腔体，每个腔体分别通过粒料输送管302与粒料存储仓301连通形成环路。充填时，粒料风机运转形成环形气流，气流带动粒料存储仓中的轻质隔热粒料通过粒料输送管进入到温室本体的双层中空空腔中，在粒料阻隔网的阻挡下在中空空腔聚集形成隔热层；抽排时，粒料风机反向运转形成反向环形气流，双层中空空腔中的轻质隔热粒料在反向气流作用下通过粒料输送管返回到粒料存储仓中，多通道进出，提升效率。

所述粒料存储仓301呈漏斗状设置在温室本体的侧后方或下方，所述温室本体的顶部中空空腔通过料料输送管与粒料存储仓内部连接，所述温室本体的底部中空空腔与粒料存储仓连接，所述粒料存储仓301与温室本体顶部、底部环路连接处均设置粒料阻隔网304，所述粒料阻隔网为阻隔阀门。充填时，粒料风机进风口的粒料阻隔网阀门开启，温室本体与粒料存储仓连接处的粒料阻隔网阀门关闭，粒料风机运转形成环形气流，粒料存储仓中的轻质隔热粒料通过粒料输送管进入到温室本体的双层中空空腔中，在关闭的粒料阻隔网阀门的阻挡下在中空空腔由下而上聚集形成隔热层；抽排时，粒料风机进风口的粒料阻隔网阀门关闭，温室本体与粒料存储仓连接处的粒料阻隔网阀门开启，粒料风机运转形成环形气流，双层中空空腔中的轻质隔热粒料在气流作用下通过由下而上返回到粒料存储仓中。

所述空调的室外机5内设置换热管B，所述换热管B与保温水桶6连接。空调对温室降温时，保温水桶贮蓄热水；空调对温室室升温时，保温水桶的热水回流通过空调使温室升温，实施空气能加热，双向循环利于节能。

所述空调室外机、保温水桶设置在北墙外侧。

所述北墙2上设置湿帘7，所述湿帘长度方向上覆盖北墙，所述湿帘上方设置喷淋管，所述喷淋管与冷水桶连通，所述冷水桶的冷却水可通过喷淋管喷洒在湿帘上。

所述冷水桶通过管道与水源连接。

所述南墙上设置有换气风机8。

所述换气风机至少有一个负压风机。

所述空调、保温水桶、冷水桶与温室智能控制系统电连接。利于对空调的制冷水、制冷气、制热水和制热气四种功能相互转换的统一控制。当空调对室内制冷气或通过换热管A制冷水降温时，空调压缩产生的热能通过换热管B在保温水桶中储存；当空调对室内制热气升温时，实施空气能反补模式，储存在保温水桶中的热能通过换热管B反向补入空调升温，制冷制热通过控制器统一控制协同，达到节能高效的目的。

包括制冰机，所述制冰机设置在温室外或温室内，所述制冰机所制冰块可加入冷水桶中，弥补换热管A热交换后水温不够的不足。

所述温室本体透光材质为玻璃、PC板、中空阳光板和薄膜中的一种或组合。

所述温室双层透光材质的中空间距为3－30cm。

所述轻质隔热粒料为隔热泡沫颗粒。常见的隔热泡沫颗粒隔热效果好、价格低、但透光性差，充填使用时一般需要人工补光。

所述轻质隔热粒料为轻质透光隔热粒料。透光隔热粒料充填使用时自然光基本可以满足植被的光照需求，一般不需要人工再补光。

所述轻质透光隔热粒料可为透光的EPS再生泡沫颗粒、聚苯乙烯颗粒等。

所述温室本体内设置补光灯。

一种低能耗自然光人工气候温室的控制方法，所述方法是基于温室可自然光照射植被，通过隔热粒料进出温室双层透光层中空空腔、空调运作升降温、换热管热交换储热放热、湿帘蒸发降温、换气风机带动空气流动的方式，实现对温室的环境温度控制，其特征在于具体调控模式为：

1）降温模式和升温模式的区分：当温度高于所需种植温度时对温室进行降温模式，当温度低于所需种植温度时对温室进行升温模式；

2）降温模式：当夜温高于所需种植温度时，启动夜间降温模式，将隔热粒料充填到温室本体的双层中空空腔，温室与外界隔热，启动空调对温室降温，换热管A内热交换水不流动，利于节能，换热管B循环水在空调室外机内热交换并在保温水桶中储热待用，直到温度达到要求；白天将隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射温室内植被，保障植被对光照需求，启动空调对温室降温，换热管A内的循环水流动，循环水在空调室内机内热交换降温，冷却后的循环水喷淋到湿帘经蒸发降温，开启换气风机带动温室内空气流动，加速蒸发降温和排湿，同时空调运转时室外机产生的热能，通过换热管B的热交换在保温水桶储热；若遇到极端高温天气难以达到降温要求时，还可将制冰机所制冰块加入到湿帘喷淋水中实施降温，直到温度达到要求；也可采用透光性的隔热粒料，白天对双层中空空腔充填透光隔热粒料，太阳光可穿透隔热粒料照射温室内植被，在保障植被对光照需求的同时，实现温室与外界隔热，从而减小室外对室内的热传递，降低室内的降温能耗；

3）升温模式：当夜温低于所需种植温度时，启动夜间升温模式，对双层中空空腔充填隔热粒料，温室与外界隔热，开启空调空气能功能，保温水桶储热回流通过换热管B将热能与空调外机热交换，对温室进行升温，换热管A内循环水不流动，直到温度达到要求。白天将隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射温室内植被，保障植被对光照需求，同时温度升高，达到所需温度；若温度还达不到要求，则开启空调加热，直到温度达到要求。

根据室内外温差及光照需要，对温室双层中空空腔进行充填隔热保温或抽排隔热粒料保障光照，如同潮汐涨落。

本发明可以通过程序控制（如PLC）模式，能够实现本发明智能调控温室环境，以最优化地满足植物种植与生长的需要。

本发明工作原理和工作过程：本发明将冷库隔热保温、隔热粒料、湿帘蒸发降温，制冰机、低温空调与空气能热水器等的原理与功能有机组合起来，实现冷库＋温室，低温空调＋空气能，换热器＋空调，双层透光层＋隔热材料，冷却水＋湿帘蒸发降温的有机结合，实现对温室的环境温度有效而精确地控制。巧妙利用了自然光源，又克服了植物生长受天气变化和四季气候刚性约束的弊端，解决了人工气候箱空间小，缺乏自然光照，单纯使用空调降温困难，能耗过高，难以大量推广使用的问题。

试验例：

建一个面积60平方米的长方形试验温室，地区气温夜间温度12－18度，白天18－28度。

低温栽培模式：低温栽培模式为将温室气温控制在夜间5-10度，白天15度以下，用于单倍体细胞组织培养材料的诱导。温度整体高于同期低温栽培所需温度需要降温，夜间向温室本体中空空腔充填隔热粒料，温室保温减少与外界热交换，通过空调运转冷库模式对温室降温，同时空调运转时室外机热能通过换热管B热交换在保温水桶储热，也可配合风机实施降温。白天将隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射温室内植被，保障植被对光照需求，启动空调降温，并采用低温喷淋水湿帘降温，此时将空调室内机内换热管A热交换后的冷却水喷淋到湿帘蒸发降温，配合风机加速蒸发实施降温和排湿，同时空调运转室外机产生的热能通过换热管B热交换在保温水桶储热，保障空调夜间升温使用；若遇到极端高温天气时难以达到降温要求时，向温室本体中空空腔充填隔热粒料，视情开启补光灯临时补光，也可将制冰机所制冰块放置温室内或加入到湿帘喷淋水中进一步降温。

高夜温栽培模式：高夜温栽培模式为将温室夜间气温控制在夜间18-25度之间，白天15-25度，可以实现负温差，用于矮化栽培。夜间温度低于栽培所需温度时需要升温，向温室本体中空空腔充填隔热粒料，保温减少与外界热交换，通过空调运转空气能加温模式对温室升温，保温水桶储热通过换热管B与空调外机热交换将热能反补，减少空调耗能。白天将温室本体中空空腔隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射植被自然升温达到要求，或是通过空调升温达到要求；若室温过高，采用喷淋水湿帘降温，配合风机加速蒸发实施降温和排湿，也可采用空调配合降温，空调运转室外机产生的热能通过换热管B热交换在保温水桶储热，保障空调升温时使用。

Claims (10)

1.一种潮汐式自然光人工气候温室，包括温室本体、粒料充排装置（3），其特征在于：所述温室本体设置双层中空透光顶棚（1），所述温室本体设置双层中空透光墙面，所述透光墙面、透光顶棚的中空空腔与粒料充排装置（3）连接，所述粒料充排装置（3）可以对空腔进行充填或抽排隔热粒料，所述北墙内侧设置空调的室内机（4），所述空调室内机内设置换热管A，所述换热管A与冷水桶连接。

2.根据权利要求1所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述粒料充排装置（3）包括粒料存储仓（301）、粒料输送管（302）、粒料风机（303）、轻质隔热粒料，所述粒料存储仓（301）通过粒料输送管（302）与空腔连通形成密闭循环环路，所述粒料风机（303）设置在密闭循环环路上，所述轻质隔热粒料设置在粒料存储仓（301）内，所述温室本体与粒料存储仓一端的粒料输送管连接处设置粒料阻隔网（304）。

3.根据权利要求2所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述透光墙面至上而下由透光隔板间隔成多个相互独立的腔体，每个腔体分别通过粒料输送管（302）与粒料存储仓（301）连通形成环路，所述透光顶棚的空腔由透光隔板（9）横向间隔成多个腔体，每个腔体分别通过粒料输送管（302）与粒料存储仓（301）连通形成环路。

4.根据权利要求2所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述粒料存储仓（301）呈漏斗状设置在温室本体的侧后方或下方，所述温室本体的顶部中空空腔通过粒料输送管与粒料存储仓内部连接，所述温室本体的底部中空空腔与粒料存储仓连接，所述粒料存储仓（301）与温室本体顶部、底部环路连接处均设置粒料阻隔网（304），所述粒料阻隔网为粒料阻隔阀门。

5.根据权利要求1所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述空调的室外机（5）内设置换热管B，所述换热管B与保温水桶（6）连接。

6.根据权利要求1所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述北墙（2）上设置湿帘（7），所述湿帘长度上覆盖北墙，所述湿帘上方设置喷淋管，所述喷淋管与冷水桶连通，所述冷水桶的冷却水可通过喷淋管喷洒在湿帘上。

7.根据权利要求6所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述温室本体的南墙上设置有换气风机（8）。

8.根据权利要求7所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述换气风机（8）至少有一个负压风机。

9.根据权利要求1所述潮汐式自然光人工气候温室，其特征在于：所述温室本体内设置补光灯。

10.一种实现对权利要求1－9任一项所述潮汐式自然光人工气候温室之控制方法，所述方法是基于温室可自然光照射植被，通过隔热粒料进出温室双层透光层中空空腔、空调运作升降温、热交换储热放热、湿帘蒸发降温、换气风机带动空气流动的方式，实现对温室的环境温度控制，其特征在于具体调控模式为：

1）降温模式和升温模式的区分：当温度高于所需种植温度时对温室进行降温模式，当温度低于所需种植温度时对温室进行升温模式；

2）降温模式：当夜温高于所需种植温度时，启动夜间降温模式，将隔热粒料充填到温室本体的双层中空空腔，温室与外界隔热，启动空调对温室降温，换热管A内热交换水不流动，换热管B循环水在空调室外机内热交换并在保温水桶中储热待用，直到温室温度达到要求；白天将隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射温室内植被，保障植被对光照需求，启动空调对温室降温，换热管A内的循环水流动，循环水在空调室内机内热交换降温，冷却后的循环水喷淋到湿帘经蒸发降温，开启换气风机带动温室内空气流动，加速蒸发降温和排湿，同时空调运转时室外机产生的热能，通过换热管B的热交换在保温水桶储热；若遇到极端高温天气难以达到降温要求时，向温室本体中空空腔充填隔热粒料，视情开启补光灯临时补光；

3）升温模式：当夜温低于所需种植温度时，启动夜间升温模式，对双层中空空腔充填隔热粒料，温室与外界隔热，开启空调空气能功能，保温水桶储热回流通过换热管B将热能与空调外机热交换，对温室进行升温，直到温度达到要求；白天将隔热粒料抽排回粒料存储仓，太阳光照射温室内植物，保障植物对光照需求，同时温度升高，达到所需温度；若温度还达不到要求，则开启空调加热，直到温度达到要求。

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