CN115191279B - 一种跨季节储能供暖及生态种植的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跨季节储能供暖及生态种植的方法，涉及跨季节储能供暖与生态种植技术领域，包括：构建跨季节储能供暖系统；控制太阳能光热热站在第一设定周期吸收太阳能中的热量，并将太阳能光热热站内存储的流体加热至第一设定温度，并控制储热井将加热后的流体注入微渗层中存储；控制储热井在第二设定周期抽取微渗层中存储的流体，并控制输热管道将抽取的流体输送至住户进行供暖；经过设定个数的储热周期后，在施工区域的地表上方建设跨季节大棚种植基地；跨季节大棚种植基地用于利用微渗层向上层土壤传导的热量进行生态种植。本发明能够兼顾为住户供暖和为大棚植物供热，造价低廉，可用于农村大面积推广。
Description
技术领域
本发明涉及跨季节储能供暖与生态种植技术领域，特别是涉及一种跨季节储能供暖及生态种植的方法。
背景技术
利用太阳能进行可再生能源跨季储能供暖近年来已经成为了行业共识，各国诸多刊物对夏季利用太阳能进行储能方式方法以及设备等进行了报道，也形成了一些成果。夏热冬用是清洁供暖的大方向之一，然而增加普适性和应用成本是其中的难题。
现在的水源热泵普遍利用地下恒温层水源进行供暖制冷，用电负荷较高，温差利用程度低。而现在的农业大棚普遍是利用太阳能作为能源，对植物暴露在空气中的部分进行保温，个别生态种植则在土壤中埋设了大量管道用于保温，成本高且不宜于推广。可见，现有的储能供暖及生态种植方法均存在成本高、资源利用率低、不宜推广的缺陷。
因此，亟需提供一种兼顾跨季节储能供暖与生态种植的方法，以降低冬季供暖和农业大棚生态种植的成本，实现大范围推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种跨季节储能供暖及生态种植的方法，以实现太阳能的跨季节储能利用，降低冬季供暖和农业大棚生态种植的成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种跨季节储能供暖及生态种植的方法，所述方法包括：
构建跨季节储能供暖系统；所述跨季节储能供暖系统包括：太阳能光热热站、储热井和输热管道；所述太阳能光热热站位于施工区域的地表上方；所述储热井位于施工区域的地表至地下的微渗层之间；所述输热管道位于所述储热井与距离施工区域设定范围内的住户之间；
控制所述太阳能光热热站在第一设定周期吸收太阳能中的热量，将所述太阳能光热热站内存储的流体加热至第一设定温度，并控制所述储热井将加热后的流体注入所述微渗层中存储；
控制所述储热井在第二设定周期抽取所述微渗层中存储的流体，并控制所述输热管道将抽取的流体输送至所述住户进行供暖；所述第一设定周期与所述第二设定周期构成一个储热周期；
经过设定个数的所述储热周期后，在所述施工区域的地表上方建设跨季节大棚种植基地；所述跨季节大棚种植基地用于利用所述微渗层向上层土壤传导的热量进行生态种植。
可选地，所述施工区域的确定方法为：
探测不同区域地下的微渗层的深度；
将所述微渗层的深度在设定范围的区域确定为施工区域。
可选地，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
探测所述施工区域地下的所述微渗层至上层土壤的传导地温；
根据所述传导地温及所述微渗层的深度确定所述跨季节大棚种植基地的待种植植株。
可选地，所述流体为水；所述流体的来源为地表水或浅井取水。
可选地，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
判断供暖后的流体是否降温至第二设定温度；
若是，则采用送水管道将供暖后的流体由所述住户输送至所述跨季节大棚种植基地中进行灌溉；所述送水管道位于所述跨季节大棚种植基地与所述住户之间。
可选地，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
根据所述传导地温及所述待种植植株的根深确定耕植层土壤温度；
比较所述待种植植株的根部适宜温度与所述耕植层土壤温度的大小；
若所述耕植层土壤温度小于所述根部适宜温度，则通过提高第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量提高所述微渗层的储热温度；
若所述耕植层土壤温度大于所述根部适宜温度，则通过降低第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量降低所述微渗层的储热温度。
可选地，所述设定范围为30-50m。
可选地，所述第一设定周期为夏季，所述第二设定周期为冬季。
可选地，所述设定个数的所述储热周期为1-2年。
可选地，所述第一设定温度为65-70℃；所述第二设定温度为20-25℃。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将地下微渗层作为储能空间，利用其所具有的微渗流、低热导的土壤特性，进行可再生能源跨季节储能供热，储热效果好。一方面，储存的热量通过输热管道可以实现为设定范围内的住户供暖，另一方面，通过微渗层向上传导的热量可以实现对上部覆盖地层进行加热，地层缓慢变热传导至地表适宜于农业大棚植物根系的养护。本发明造价低廉，可用于农村大面积推广，充分利用了原生地质条件，且能够对生态农业种植提供热源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的跨季节储能供暖及生态种植的方法的流程图；
图2为不同地层的渗水性能对比示意图；
图3为不同地层持续加热时的增温曲线变化示意图；
图4为不同地层停止增温后的回温曲线变化示意图；
图5为本发明提供的跨季节储能供暖及生态种植的方法的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种跨季节储能供暖及生态种植的方法，以实现太阳能的跨季节储能利用，降低冬季供暖和农业大棚生态种植的成本，实现兼顾可再生能源跨季节储能与农业种植的新式综合利用技术方法。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的跨季节储能供暖及生态种植的方法的流程图，如图1所示，所述方法包括：
步骤100：构建跨季节储能供暖系统；所述跨季节储能供暖系统包括：太阳能光热热站、储热井和输热管道；所述太阳能光热热站位于施工区域的地表上方；所述储热井位于施工区域的地表至地下的微渗层之间；所述输热管道位于所述储热井与距离施工区域设定范围内的住户之间。优选地，所述微渗层为粉土、粉砂层；所述微渗层的涌水量为0.1-1m3/(h·m)。
步骤200：控制所述太阳能光热热站在第一设定周期吸收太阳能中的热量，将所述太阳能光热热站内存储的流体加热至第一设定温度，并控制所述储热井将加热后的流体注入所述微渗层中存储。优选地，所述第一设定温度为65-70℃。
步骤300：控制所述储热井在第二设定周期抽取所述微渗层中存储的流体，并控制所述输热管道将抽取的流体输送至所述住户进行供暖；所述第一设定周期与所述第二设定周期构成一个储热周期。优选地，所述第一设定周期为夏季(即6月-9月)，所述第二设定周期为冬季(即12月-次年3月)。
步骤400：经过设定个数的所述储热周期后，在所述施工区域的地表上方建设跨季节大棚种植基地；所述跨季节大棚种植基地用于利用所述微渗层向上层土壤传导的热量进行生态种植。优选地，所述设定个数的所述储热周期为1-2年。
其中，所述施工区域的确定方法为：探测不同区域地下的微渗层的深度；将所述微渗层的深度在设定范围的区域确定为施工区域。所述设定范围优选为30-50m。所述流体优选为水；所述流体的来源为地表水或浅井取水。
进一步地，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：探测所述施工区域地下的所述微渗层至上层土壤的传导地温。根据所述传导地温及所述微渗层的深度确定所述跨季节大棚种植基地的待种植植株。
进一步地，当所述流体为水时，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：判断供暖后的流体是否降温至第二设定温度。若是，则采用送水管道将供暖后的流体由所述住户输送至所述跨季节大棚种植基地中进行灌溉；所述送水管道位于所述跨季节大棚种植基地与所述住户之间。优选地，所述第二设定温度为20-25℃。
进一步地，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：首先，获取所述待种植植株的根部适宜温度，并根据所述传导地温及所述待种植植株的根深确定耕植层土壤温度。然后，比较所述待种植植株的根部适宜温度与所述耕植层土壤温度的大小。若所述耕植层土壤温度小于所述根部适宜温度，则通过提高第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量提高所述微渗层的储热温度。若所述耕植层土壤温度大于所述根部适宜温度，则通过降低第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量降低所述微渗层的储热温度。
下面以应用于黄泛平原地区为例，对本发明提供的方法进行详细论述：
首先，利用本发明提供的方法进行跨季节储能，需对地层特性有一个清晰的了解，以菏泽地区为例，大多区域地下800m埋深以内皆为黄河冲积形成的松散岩类如粘土、粉质粘土、粉土、粉砂、细砂等地层，局部区域含有钙质结核层。
(1)渗水能力简述
通过对菏泽市、聊城市、济宁市等黄泛平原地区浅层地温能进行调查评价，得到不同地层的渗水性能对比示意图，如图2所示：
细砂地层的水渗透性最好，可达10-50m3/小时。
粘土地层水渗透性最差，基本不渗流，可视为隔水层。
粉质粘土地层渗透性稍好于粘土地层，但不加压回灌，亦难以储水。
粉土、粉砂地层特性介于粉质粘土和细砂之间，是弱透水层，根据长时间周期(2个月)回灌试验表明，该类地层根据含粉砂量不同回灌量可达2-10m3/小时。
(2)地层导热能力简述
图3为不同地层持续加热时的增温曲线变化示意图，图4为不同地层停止增温后的回温曲线变化示意图。如图3及图4所示，根据热响应试验资料，对约0.4m3水体持续施加6千瓦功率的加热增温，以约1.6m3/小时的循环速度，持续对100m垂向的地层施加线性增温，结果显示：
粉土粉砂层在低渗流的的时候增温速率和停止增温后的回温速率都较慢，即热传导较慢，水的流动是影响热传导的主要因素。
无渗流情况下，土体越致密，热传导越快，土体较松散时，热传导较慢。
根据监测和试验资料显示在不同岩性地层交界处存在热受阻和热反射现象。
传导导热远小于水渗流导热。传导导热由于速度较慢可控可调节，所以只要控制了渗流流场，就可以控制储能空间。
以黄泛平原区这么一种微渗流和低热导的地层(粉土、粉砂层)作为储能空间，进行可再生能源跨季储能供暖。黄泛平原区，以菏泽为例，夏季水位埋深一般深度为8-15m，夏季温度最高可达38、39℃。
图5为本发明提供的跨季节储能供暖及生态种植的方法的示意图，如图5所示，本发明主要包括以下技术步骤：
技术步骤一：勘查确定施工区。首先通过物探或浅井钻探等工作手段确定小区域浅表层土壤类型。需探查到微渗流、低热导的粉土、粉砂层。并且，由于植物根系发育分布在地表以下50m内最为聚集，根据监测资料，30m以上地下温度容易受季节变化影响，30米以下温度四季恒定，多为16-18℃，因此，粉土层深度应为30-50m最佳。
技术步骤二：施工储热井，利用砂石管固井，节省经济成本；建立太阳能光热热站，以水为介质，吸收太阳能中热量注入微渗层。在本实施例中，由于渗流速度快，热量会随水流流动被带走，则无法达到预期的储热目的，因此需确保微渗层涌水量处于0.1-1m3/(h·m)。根据后续建设农业大棚的面积需求，在本实施例中，按照500m3/眼施工储热井。
技术步骤三：太阳能光热热站建设规格应满足可将水由20℃提热至70℃，根据农业大棚建设面积需求，按照每百平方米大棚需要30m3/天的热水储存量。持续不断的将太阳热站加热后的热水注入微渗层。注水周期为6月-9月，共计120天；最佳注水时间为12点至下午15点。注水水体来源为地表水或浅井取水。储水温度优选为70℃。
技术步骤四：利用微渗层储能，并建设管道为农村住户供暖。按照每百平米住宅面积，需要5m3/天，持续进行120天注水储能，储水温度为70℃。在本实施例中，可以按照不同住宅供暖面积和大棚面积的比例，调节每天的注水量。
技术步骤五：经过1-2年光热储热，逐步对地温背景温度值进行调校改变，在30-50m储热层形成“热窝”，并通过自然热传导和对流，形成由“热窝”向浅表土层逐步热输送梯度。放入温度探测计，探测传导地温。在本实施例中，监测地下温度，有利于进行温度调节，从而选择植株适宜温度或根据温度选择适宜植株。
技术步骤六：在勘查并储热的土体上方建设跨季节大棚种植基地，结合太阳能蔬菜大棚及底部土壤散热，从空气温度、土壤温度等方面延长高温持续时间，模拟热带温度规律，种植跨季节热带经济作物。经济作物根系到达深度应结合勘查储层温度相适宜。例如：经勘查施工区域的微渗储热层(即所述微渗层)处于地下30m，则采用矮株短根植株，可采用粮食作物。如该微渗储热层处于地下50m，则采用木本深根植株，如无花果、芒果等经济作物。
本发明提供的方法能够广泛应用于黄泛平原地区，利用特殊的地层地质特性作为储能载体，以开放式水流为循环媒介，开展可再生能源跨季节储能。利用储能的热量和热传导与对流的原理，缓慢作用于植物根系，使得北方地区土壤温度达到南方地区的温度状况，与现有农业大棚相结合，促使北方地区一季玉米一季小麦或两年三季向南方地区一年两季、一年三季农业增产。并起到利用农业进行固碳的效果。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)黄泛平原区微渗层水力梯度小，在不施加人为水力梯度的情况下，地下水基本呈不流动状态，低热导-微渗层储热能力强，如在下伏地层为粘土层的情况下，向下部热传导速率慢，储热效果更佳。
(2)向上部热传导的热量可以对上部覆盖地层进行加热，地层缓慢变热传导至地表适宜于冬季蔬菜大棚植物根系的养护。
(3)第四系松散岩层热传导速率慢，容易形成热堆积，因此：
如公式(1)所示，通过持续向地下储层注入热量，即可以实现地下储层温度增高的效果。
∑Q夏注＞∑Q冬用+∑Q热散 (1)
如公式(2)所示，通过减少热量注入，即可以根据用热平衡达到控制调节地下储层温度的效果。
∑Q夏注＜∑Q冬用+∑Q热散 (2)
(4)根据计算和测试结果，在涌水量为5m3/小时，厚度为12m的低热导-微渗层，夏季注入65℃水储能，可对至少500m3空间进行冬季供暖。冬季抽取出的热水经过供暖后，降至20℃可对农业大棚进行灌溉。
(5)该可再生能源跨季储能方法造价低廉，可用于农村大面积推广，充分利用了原生地质条件，且可对生态农业种植提供热源。
(6)夏季向地下储存的温度是以函数的方式向浅地表对流和传导的，其对流和传导过程是缓慢的，也是渐变的，储能深度与向上传导和对流的速度也是呈函数关系的。通过试验确定传导和对流速率，可确定到达植物根部-耕值层的温度和能量，通过调节注热量和注热深度，能够确保植物根部温度提高数值为固定值，配合农业大棚可形成地表地下整体热量模拟。
(7)本发明提供的方法通过可再生能源跨季节储能实现了兼顾为住户供暖和为大棚植物供热，是一种新式综合利用技术方法。但需要注意的是，供给农业大棚植物根系的温度是储热的热扩散余热利用综合效应，而不是主要的储热热量。主要的储热热量被储存于微渗储热层，供于农村供暖。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，所述方法包括：
构建跨季节储能供暖系统；所述跨季节储能供暖系统包括：太阳能光热热站、储热井和输热管道；所述太阳能光热热站位于施工区域的地表上方；所述储热井位于施工区域的地表至地下的微渗层之间；所述输热管道位于所述储热井与距离施工区域设定范围内的住户之间；所述施工区域的确定方法为：探测不同区域地下的微渗层的深度；将所述微渗层的深度在设定范围的区域确定为施工区域；所述设定范围为30-50m；所述微渗层为粉土、粉砂层；
控制所述太阳能光热热站在第一设定周期吸收太阳能中的热量，将所述太阳能光热热站内存储的流体加热至第一设定温度，并控制所述储热井将加热后的流体注入所述微渗层中存储；
控制所述储热井在第二设定周期抽取所述微渗层中存储的流体，并控制所述输热管道将抽取的流体输送至所述住户进行供暖；所述第一设定周期与所述第二设定周期构成一个储热周期；
经过设定个数的所述储热周期后，在所述施工区域的地表上方建设跨季节大棚种植基地；所述跨季节大棚种植基地用于利用所述微渗层向上层土壤传导的热量进行生态种植。
2.根据权利要求1所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
探测所述施工区域地下的所述微渗层至上层土壤的传导地温；
根据所述传导地温及所述微渗层的深度确定所述跨季节大棚种植基地的待种植植株。
3.根据权利要求1所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，所述流体为水；所述流体的来源为地表水或浅井取水。
4.根据权利要求3所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
判断供暖后的流体是否降温至第二设定温度；
若是，则采用送水管道将供暖后的流体由所述住户输送至所述跨季节大棚种植基地中进行灌溉；所述送水管道位于所述跨季节大棚种植基地与所述住户之间。
5.根据权利要求2所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，在建设跨季节大棚种植基地之后，还包括：
根据所述传导地温及所述待种植植株的根深确定耕植层土壤温度；
比较所述待种植植株的根部适宜温度与所述耕植层土壤温度的大小；
若所述耕植层土壤温度小于所述根部适宜温度，则通过提高第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量提高所述微渗层的储热温度；
若所述耕植层土壤温度大于所述根部适宜温度，则通过降低第一设定温度和/或第一设定温度的流体的注入量降低所述微渗层的储热温度。
6.根据权利要求1所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，所述第一设定周期为夏季，所述第二设定周期为冬季。
7.根据权利要求1所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，所述设定个数的所述储热周期为1-2年。
8.根据权利要求4所述的跨季节储能供暖及生态种植的方法，其特征在于，所述第一设定温度为65-70℃；所述第二设定温度为20-25℃。
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