CN113170687A - 一种大棚供暖系统及供暖方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种大棚供暖系统，包括依次连接成闭合回路的储热系统、循环系统、换热系统和集热系统，所述换热系统安装在大棚的土壤内。系统可利用太阳能补充根系热量以及利用根系热量补充空气热量，不仅能满足根系所需温度，也能同时满足空气所需温度，实现热量的高效利用、灵活调配，极大节约能量消耗，弥补了传统供暖系统只能提高空气温度的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种大棚供暖系统及供暖方法。
背景技术
我国设施农业起步较晚，但发展很快，主要以玻璃温室大棚、普通塑料大棚、塑料日光温室等形式为主。
玻璃温室大棚骨架主要为镀锌钢管，门窗框架、屋脊主要为铝合金材质，主要以透明玻璃为覆盖材料。从目前玻璃温室的生产状态看，普遍存在安装维护不方便，经营成本高。很多都用在培养花卉、蔬菜种苗及农业科研上种植和观赏性示范。
普通塑料大棚和塑料日光温室在北方运用广泛，与玻璃温室相比，其骨架结构轻便、造价低、使用寿命长，运行成本低。塑料日光温室北墙具备保温功能，在环境控制上也基本能满足用户需求，所以，用户接受度较高。
我国设施农业普遍存在诸如土地利用率低、盲目引进温室、设施结构不合理、能源浪费严重、运营管理成本高、管理技术水平低劳动生产率低等问题。温室普及率低，高中档温室基本被机关、团体、农场和科研机构采用，很少被个体及一般农户采用，普通农户基本使用的是自建拱棚，占我国温室总量的60%。
目前大棚供暖多为供暖炉、热风炉、空气源热泵、水源热泵等热源作为大棚供暖的热源，末端采用外置式散热器、风机、风盘等，通过循环泵将热水循环至末端，使大棚空气温度得以提高。
这几类供暖热源能耗高、污染大，消耗的能量与产出的热量差比大，浪费资源；同时所需设备较多导致占地面积大、稳定性差、不方便维修，大多数已不符合国家战略规划及作物生长的需求，能效利用率太低。外置式散热器、风机、风盘等，虽然能控制提高空气温度，但无法提升作物根系所需温度，导致作物生长不良，使作物无法及时可靠的达标达产，这也造成冬天大部分大棚都是闲置状态。
为此找到一种经济、环保、合理、先进的大棚供暖技术及系统已迫在眉睫。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种大棚供暖系统及供暖方法，应用平板或真空管太阳能，设备少、结构简单，通过各个系统合理控制热能，满足作物生长需要。本发明采用的技术方案为：
一种大棚供暖系统，包括依次连接成闭合回路的储热系统、循环系统、换热系统和集热系统，所述换热系统安装在大棚的土壤内。
上述大棚供暖系统，还包括可产热的多能互补系统，所述多能互补系统连通储热系统。
上述大棚供暖系统，所述多能互补系统利用电加热、电锅炉、空气源热泵、水源热泵、地源热泵、燃气锅炉、清洁煤或生物质中的任意一种或几种作为能源产出热能。
上述大棚供暖系统，还包括控制系统，所述控制系统用于控制多能互补系统的启停、储热系统的温度采集、集热系统的温度采集、循环系统的启停、大棚内根系温度采集和大棚内空气温度采集。
上述大棚供暖系统，所述储热系统为储热水箱或换热系统周围的土壤。
一种利用上述大棚供暖系统的供暖方法，包括以下步骤：
S1)通过控制系统中设定好大棚中作物所需的根系温度、空气温度以及达到上述温度所需要的时间等；
S2)集热系统将光能转换成介质的热能，介质经储热系统、循环系统将热能传至换热系统，之后换热系统内介质降温再回至集热系统，集热系统连续产生热能直至达到控制系统设定的根系土壤所需温度。
上述供暖方法，当大棚内的空气温度低于控制系统所设定的温度时，热能经储热系统、循环系统和换热系统输送至集热系统中，直至达到控制系统所设定的空气温度。
上述供暖方法，若在控制系统中所设定的时间内仍没有达到所需根系温度或空气温度时，多能互补系统启动以补给储热系统热能，直到达到所需根系温度或空气温度后，多能互补系统停止运行。
本发明的有益效果是：
其一，系统可利用太阳能补充根系热量以及利用根系热量补充空气热量，不仅能满足根系所需温度，也能同时满足空气所需温度，实现热量的高效利用、灵活调配，极大节约能量消耗，弥补了传统供暖系统只能提高空气温度的缺陷。
其二，在农闲期间启动该系统，实现土壤杀菌消毒功能，避免下一季病虫害的发生。也可以在采暖前45天启动系统，使深层土壤预热，提前蓄能。
其三，多能互补系统能够进一步补充空气热量，提高空气升温速度，能够模拟作物生长所需的自然环境温度，有利于作物产量的提高，大棚在冬天也能种植作物不会闲置。
其四，充分利用太阳能和土壤热能，有良好的经济效益和环境效益；系统占地面积小、污染小、使用寿命长，便于维护、能节省人力劳动，满足国家战略规划。
附图说明
图1为本发明实施例的系统构成示意图。
图中：1为多能互补系统、2为储热系统、3为循环系统、4为换热系统、5为控制系统、6为集热系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步解释说明。
本实施例的主要改进技术点如下：
1、首创太阳能集热、蓄热、供热一体化系统及内置安装技术；
2、采用新型温室种植地暖循环系统，根、温双控技术；
3、集集热、蓄热、供热为一体，利用当前信息技术系统还可以集成有智能温控技术；
4、大棚独立运行、无需二次供热管网；使用寿命达12年之久；
5、集热器安装在大棚内，无需保温和防冻；
6、采暖前35~45天可启动系统，使深层土壤预热，提前蓄能；太阳能系统贡献率达到70％以上；
7、集热器为非真空系统，如果大棚内空气温度低，系统启动循环，由集热器散热加热大棚内空气温度。
8、多能互补系统1的辅助能源宜电则电、宜生物质则生物质，根据当地资源情况适当选择。
以上技术点具体通过下述实施方式实现。
本实施例的大棚供暖系统，包括依次连接形成闭合管路的储热系统2、循环系统3、换热系统4和集热系统6，还包括控制系统5和多能互补系统1，所述集热系统6主要包括太阳能集热器、散热器、支架、数个阀门以及管件；储热系统2可以是储热箱及或其他储热体，比如所述换热系统4周围的土壤均可作为储热体，利用土壤热能实现节约能源的效果；换热系统4主要包括换热管和换热器；循环系统3主要包括循环泵及系统主管道；控制系统5主要包括主控器、传感器和电动阀门。该供暖系统结构精简，非常便于施工、维护，节约成本。
所述集热系统6安装在大棚相应位置，所述储热系统2的储热箱可安装在地表或地下，换热系统4安装在大棚土壤的地下。储热系统2连通有多能互补系统1；所述控制系统5分别控制多能互补系统1的启停、储热系统2的温度采集、集热系统6的温度采集、循环系统3的启停、大棚内根系温度采集和大棚内空气温度采集等。
由于多数蔬菜和水果的生长根系主要分布地表以下40~50cm，侧根系分布在5~20cm深处，侧根一般长30~40cm，因而在40cm以下深处埋设管道等系统，不会影响蔬菜根系的生长。这种采暖方式无遮阴，无占地，提高温室利用率，不影响耕作。
多能互补系统1可以利用电、燃气或固体材料产热，比如电加热、电锅炉、空气源热泵、水源热泵、地源热泵、燃气锅炉、清洁煤或生物质等。
本供暖系统的供暖原理是：
S1)通过控制系统5中设定好大棚中作物所需的根系温度、空气温度以及达到上述温度所需要的时间等；
S2)集热系统6将光能转换成热能，经储热系统2、循环系统3将热能传至换热系统4，对换热系统4周围的根系土壤进行提温，此时换热系统4内降温再回至集热系统6，集热系统6连续产生热能直至达到控制系统5设定的根系土壤所需温度；
S3)当大棚内的空气温度低于控制系统5所设定的温度时，热能经储热系统2、循环系统3和换热系统4输送至集热系统6中，此时集热系统6作为散热器散热，使大棚内空气温度提升，直至达到控制系统5所设定的空气温度；
S4)如果在控制系统5中所设定的时间内仍没有达到所需根系温度或空气温度时，多能互补系统1启动，补给储热系统2热能，直到达到所需根系温度或空气温度后，多能互补系统1停止运行。
本实施例带来的技术进步如下：
其一，传统的北墙土墙蓄热方式为被动蓄热，通过夏季太阳光照射，使北墙温度提升，冬季土墙缓慢释放热量，保证棚内有一定温度。应用本大棚由土墙被动蓄热变成了太阳能系统主动蓄热，夜间根据棚内温度变化进行主动的热量补偿，达到棚内温度可控。
其二，该系统针对北方冬季日光温室中的菜、果、花等作物根区温度达不到适宜生长要求的问题，解决了作物长期处于亚健康的状态，同时取代单纯利用煤炭、电、生物质等常规能源加温的现有方案，避免了污染重、能耗大、热值低、成本高等问题。
其三，在农闲期间实现土壤杀菌消毒功能，可在8月份农闲时期，使系统保持50℃-60℃高温运行20天，达到土壤杀菌消毒的目的，避免下一季病虫害的发生。
其四，采暖前45天可启动系统，使深层土壤预热，提前蓄能；加热土壤比加热大棚空气，更利于作物生长。
其五，冬季用40~50度的低温水循环加热，可设置自动控制混流器和温控分水器，埋设感温探头并与混流器相连，实现人为设定出水温度，便于控制室内和地面温度。按照大棚温度区分，可分为低温棚和中温棚。低温大棚土壤温度要求9℃-10℃，适合叶类蔬菜以及草莓等，中温大棚土壤温度要求14℃-16℃，适合果类蔬菜，如西红柿、辣椒、黄瓜等。
Claims (8)
1.一种大棚供暖系统，其特征在于：包括依次连接成闭合回路的储热系统（2）、循环系统（3）、换热系统（4）和集热系统（6），所述换热系统（4）安装在大棚的土壤内。
2.根据权利要求1所述的大棚供暖系统，其特征在于：还包括可产热的多能互补系统（1），所述多能互补系统（1）连通储热系统（2）。
3.根据权利要求2所述的大棚供暖系统，其特征在于：所述多能互补系统（1）利用电加热、电锅炉、空气源热泵、水源热泵、地源热泵、燃气锅炉、清洁煤或生物质中的任意一种或几种作为能源产出热能。
4.根据权利要求2所述的大棚供暖系统，其特征在于：还包括控制系统（5），所述控制系统（5）用于控制多能互补系统（1）的启停、储热系统（2）的温度采集、集热系统（6）的温度采集、循环系统（3）的启停、大棚内根系温度采集和大棚内空气温度采集。
5.根据权利要求1所述的大棚供暖系统，其特征在于：所述储热系统（2）为储热水箱或换热系统（4）周围的土壤。
6.一种利用如权4所述大棚供暖系统的供暖方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)通过控制系统（5）中设定好大棚中作物所需的根系温度、空气温度以及达到上述温度所需要的时间等；
S2)集热系统（6）将光能转换成介质的热能，介质经储热系统（2）、循环系统（3）将热能传至换热系统（4），之后换热系统（4）内介质降温再回至集热系统（6），集热系统（6）连续产生热能直至达到控制系统（5）设定的根系土壤所需温度。
7.根据权利要求6所述的供暖方法，其特征在于：当大棚内的空气温度低于控制系统（5）所设定的温度时，热能经储热系统（2）、循环系统（3）和换热系统（4）输送至集热系统（6）中，直至达到控制系统（5）所设定的空气温度。
8.根据权利要求7所述的供暖方法，其特征在于：若在控制系统5中所设定的时间内仍没有达到所需根系温度或空气温度时，多能互补系统（1）启动以补给储热系统（2）热能，直到达到所需根系温度或空气温度后，多能互补系统（1）停止运行。
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