CN1276505A - 天然冷热的开发及农业生产应用技术 - Google Patents

Abstract

本发明利用地球能大量贮存冷热的特性,充分利用土壤和岩石既能吸收贮存在大量的冷热又能起到良好的隔热保温的特点,在地下深处挖出长洞,洞内置以卵石和塑料水袋等二传介质,以冬天的冷空气、夏天的热空气等为一传介质,用风机送入洞内将冷热首先传递给二传介质,之后再逐步传递给调整深层土壤或岩石,在地下建造地下室,用冷热贮存将地下室调控成生产所需的不同温度的恒温室,即可促成流水式的温农业生产。

Description

天然冷热的开发及农业生产应用技术

本发明涉及新能源开发和农业生产两方面技术

目前在新能源开发利用方面太阳能的利用最为广泛，但多为现集现用，特别是在农业生产的用热方面，受自然气候冷热晴阴的直接影响仍然很大，仍然摆脱不了靠天吃饭的被动局面。与太阳能相对应的冬天的冷能源的开发利用几乎处于空白，巨大的冷能资源年复一年自生自灭。

本发明要解决的问题是将夏天的热能、周年的太阳能和工农业余热；将冬天的冷能大量长期贮存于地下，反季再将被贮冷热取出用于农业的降温和升温生产。

地球本身就是一个巨大的贮存库，夏季能吸收贮存大量的太阳能，既缓解了夏天的炎热，也能在冬天放出热能缓解寒冷，反之亦然，冬天吸收贮存冷能换出热能既能缓和严冬的寒冷，又能在夏天放出冷能缓和炎热，地球冷热交替贮进换出的结果，起到了调节四季气候的辅助作用。但地球贮存冷热是自然的，也是被动的，大量冷热只能贮存于极浅的表层，特别是冷热贮存互为交替进行，从而使得很难向地层深处大量贮存。本发明就是利用地球既能大量贮存冷热，同时又有良好的保温隔热的特性，在地下深层建造贮存库，即在地下挖一长洞，在洞下顺洞长设一通风道并在洞末端与主洞相通，洞内填满卵石、铁球和塑料水袋等介质材料，既做贮存介质，更起二传作用。冷贮存的过程是：将冬季夜间冷空气做为一传介质，用通风机将其从通风道送入洞末端，再经洞内介质之间的空隙排出洞外，从而使洞内介质和洞四周首先吸收冷能，换出热能。其后洞内介质做为二传介质再将冷能传递给洞壁四周深层的土壤或岩石，并换出热能。如此反复用冷换热直至向洞壁深层大量贮存冷能。贮热的过程与之相同，只是将一传介质换为夏天的热空气、经太阳能集热装置集热后的更高温度的热空气和除尘后的工农业余热等热空气。

由于贮存库建在地下深处，深层土壤或岩石能大量吸收贮存冷热，而浅层土壤或岩石又能起到很好的保温隔热作用，加之冷热贮存分开，地下深层贮存冷热不受外界气候冬冷夏热和夜冷昼热的抵消损耗，所以地下贮存冷热是一种既方法简单投资小，又能大量贮存冷热的有效方法。

以下结合附图和具体实施方法对本发明做进一步的详细说明。图1是贮存洞结构示意图，图中1为冷热传递二传介质，可以是卵石，也可以是塑料袋装水纵横叠放，当用水袋做介质时，洞顶要做成平直型，洞两壁要进行砖砌防护，表面平滑，叠加水袋时，预留出因冷热膨胀的余地。2为洞下通风道，末端与主洞相通。3为土隔层，4为冷热传递孔，为了克服土壤岩石导热性能差的贮能弱点，可在洞四周密打小孔，孔内可置水袋和金属等导热性能好的三传介质，以促进冷热的快速贮进和取出。当用金属做三传介质时，需用土将孔内空隙填实，孔口密封隔氧防氧化。地下贮存库既可建在任何地下，更适合建在山内，建在山内的形式有两种，其一为直接在山底向山内挖洞，如同上述方法一样在洞内设置二传、三传介质进行冷热贮存。其二为利用自然界长期形成的峡谷、壕沟等进行贮存库建造与冷热贮存。图2是利用浅沟地形建造贮存库示意图。图中A为山体部分，B为壕沟部分，将山体上部的土回填入沟内，在回填的同时逐层建造贮存冷热的贮存通道和用于植物休眠贮存的“土冷库”及生产所用地下栽培室等设施，最终形成地上为平地，地下为贮存冷热库及其它生产场地。图中1为建于山体内的贮存洞，其构造可以是如同图1所示的人工开挖内填介质的形式，也可以是应用非开挖铺管技术用机械先打孔，然后向孔内铺设管道和介质材料。最为合理的是在沟两侧向山内横向挖洞，如图中6、7所示。2为贮存道，所谓贮存道是在向沟内回填土时，逐层铺设的贮冷贮热通道，其结构如图3所示，可以是用卵石垒成的a型道，也可以是用砖或混凝土预制板砌成通道，其道下放置部分塑料水袋做介质，上部留有通风换冷换热空间的b型道，还可以是不放二传介质，以加大通道密度促进快存快取的c型道。所有贮存道既可单独建造，一端进风一端排风，又可串联成如图4所示的s型，每两条贮存道的连通处还可以任意设置无二传介质的c型道，即图中a、b，设置多条进出通道的作用在于，可通过控制每条通道的开关进行分段贮进和分段取出，特别是对于贮冷库取出冷源时可克服因冷凝霜堵塞，而增设的专用道。取冷道为中间无任何二传介质的净空管道，其末端与其它多条贮存道互通，换出冷空气时，湿热空气从取冷道送入，从贮存道排出，逐步降温冷凝，可克服冷凝霜堵塞，之后则可将湿热空气从取冷升温后的贮存道送入从温度低的贮存道排出，如此逐道提取出冷源。贮冷贮热时还可将冷热空气集中从取冷道送入，从多条贮存道排出可提高贮存效率。贮存道既可顺沟长方向排列，也可垂直沟长方面排列。由于贮存道是露天铺设好后再回填土，逐层铺设，所以在两条贮存道之间还可埋入导热性能好的金属材料以进一步促进快存快取。土壤的导热和贮存冷热与其含水量成正比；含水量大，冷热传递快，贮存量也大，所以在整个贮存库内均匀设置补水道，补水道的四周做成均匀布置的小通孔，补水时将水灌入补水道，再经小通孔渗入土中。设有补水道的贮存库，其贮存道需密封，以防水渗入道内。在贮存库的土壤中设置温度和湿度探测器，随时监测温度和湿度以指导水份补充和冷热贮进取出。图2中的4为“土冷库”，其构造为大容积的长洞，库外四周建有贮存道，冬天将大量冷能贮存于“土冷库”四周的土壤内，使“土冷库”内达到0℃以下，可用于植物根茎延长休眠贮存、冷藏贮存和其它需0℃以下的贮存，当用做需0℃以上的果蔬保鲜时可通过库壁四周土壤冷、热、存、取加以调节。“土冷库”的建筑结构可以是顶部覆盖混凝土的平顶结构，也可以是用料石砌成的拱形结构，拱形构造的好处在于承压能力强，5为回填土，8为建于回填土内的用于养植种作所用的地下室。9为建成后的顶部平地面。图5是将冷热贮存库建在既深又陡的土质峡谷内的示意图。贮存库构造与图2所示的完全相同，其中A为山体。B为峡沟。1为贮存道。2为贮存洞或贮存道。3为回填土取土部位，将陡壁取土后变为缓坡，可进行种草植树以保水土流失。4为回填土，也是贮存土。5为排水沟。当峡沟纵向较长时，冷热贮存库可建在峡沟的前端或中段，后段还可做蓄水坝。上述冷热贮存库既可建在土山里。也可建在石山里，在石山建造时，可将均匀的较大的石块在沟谷垒成多条大断面的贮存道，道与道之间用土、砂或其它细碎物隔开，可多层建贮存道，最上层用碎石、表层用土厚覆盖保温。冷热贮存库建在平地下时，既可用挖出深沟逐层建贮存洞的方法建造，也可先打出竖井，然后再水平向四周挖建成放射状的贮存道，还可以利用非开挖铺管技术，无需开挖大量土方即可在地下9米深处挖出最长达300米的通道，通道内再铺入防护管或只以空气做介质、或在管内再设置卵石等二传介质，即可进行贮冷贮热。无开挖铺管方法可在地下同一水平多条通道并列，垂直方向多层通道布置。为增加贮存土的含水量也可设置补水管道。利用非开挖铺管技术进行冷热库建设和贮存方法最适合于已建成住宅的周围空地下甚至地基下建造，特别适用于农村自建冷热库，冬天取暖夏天降温之用，当用于居室冷暖空调时可将室外自然空气送入冷热库降温和升温后直接输送入居室，将居室排出空气再送入冷热库换冷换热后再送居室循环式调温，既节省居室换热器的投入又能高效利用冷热源。不同结构的贮存库其冷热贮存的方法是一样的，热贮存时，以夏天的自然热空气、周年的太阳能集热升温的热空气、将工业余热除尘后的高温空气为一传介质，用风机送入贮存洞或贮存道内换冷降温后从洞或道的另一端排出，对于贮存道内无二传介质的，热源首先被道四周土壤或岩石吸收，然后再向深处传递，对于有二传和三传介质的，大量热源首先被二传介质吸收，然后再传递给三传介质和四周深层土壤或岩石，通过日复一日地贮存，从而达到能向土壤和岩石更深层更高温度的大量热贮存。冷贮存的方法与热贮存的不同点在于二传介质为冬季夜间低温空气。为了获得比自然冷空气更低温度的冷源，可在地下或地上建造空气压缩制冷室，室内设置换热器，室外设置空气压缩机，利用夜间低温空气和低峰用电、用空气压缩机将室外冷空气高压压缩进制冷室，使其增压升温，然后将室外空气或水，常压送入制冷室内的换热器中换出因增压升温的热量，待室内高压空气与室外常压空气的温度相近时，将室内高压空气减压降温即可得到比室外空气低三十多度的更低温度的冷空气，用此法可促成更低温度的大量冷能贮存。冷热贮存库既适用于长期贮存，也适用于短期贮存，特别是以水袋为二传介质的贮存库，短期贮存效果更佳。在我国，北方冬季取暖用热量大，南方则是夏季降温用电量大，为了充分开发利用夜间低峰电能源，南方可在夏日的夜间利用压缩空气制冷的方法获得冷源并短期贮存，以用于白天或短期内降温所用，北方则可在冬天的夜间低峰用电期将电能转换成热能并短期贮存，同样用于之后短期内的升温所用。此法也是开发利用低峰电能源的一个有效途径。

冷热贮存应用于农业生产的方法是：在冬暖夏凉四季温度相对恒定的地下建造地下室，利用冷热贮存将地下室分别调控成微生物、植物和动物不同生长期所需最适温度的不同温度的恒温室进行流水生产。为满足植物栽培中对“昼夜”温差的需求，可再将同一生长期的两个地下室调控成一个适合于光合作用时的相对高温室，一个调控成光周期黑暗时的相对低温室，两室植物24小时内互换即可解决植物对日温差的需求。植物生育速度最快的是在自生长活动起点温度至上限温度前的3-4℃内昼夜温度相同的恒温条件下，将地下室调控成最适温度的恒温室则能促成最快发育栽培。在生产过程中的通风换气和温湿度调节方法是：利用外界自然气温昼高夜低的日温差资源再经冷热贮存库进一步调节后用于通风换气和调温调湿。调节地下室二氧化碳和氧气含量的另一途径是：将农村砖瓦石灰等工业炉排气除尘和除去有害气体后送贮存库进行热贮存，然后将贮热库换冷降温的高二氧化碳低氧含量的气体进一步调温后用地下室植物栽培所用，高二氧化碳能促进光合作用，低氧能抑制植物呼吸和病虫害发生。将农作物秸杆和杂草树叶等焚烧也可获得热能贮存、低氧和高二氧化碳含量气体及草木灰肥料的综合资源开发利用。地下室的光照采用人工光源，由于地下室不受外界昼明夜暗的影响，所以更有利于对光照的强弱、长短、波长和颜色的调控和利用。利用冷热贮存在地上进行植物栽培的方法是：在半地下式日光温室的前后墙内增设以塑料袋装水为介质的冷热贮存床，将冷热贮存库的冷热源送入贮存床内短期贮存，可起到调节室内温度之作用，顶部覆盖物热季为反射阳光薄膜，可反射80％的太阳热，在炎夏和中午自然气温较高时，还可增设遮阳幕进一步遮阳降温，半地下室的地温又相对较低，多方作用可促成地上热季低温种作的目的，冷季则将顶上薄膜更换为一般塑料薄膜又可起到增温保温作用，利用热贮存库的热能对温室贮存床二次贮热调温，对温室内适温换气，加之半地下的地温和保温作用，同样也可促成冷季高温种作，图6为半地下式日光冷暖室示意图，图中1为随季节变化而可调换的塑料膜，2为以塑料袋装水为介质的贮存床，3为加厚保温墙，4为砖墙，5为加固兼隔离带，6为支柱。

Claims (3)

1.一项地下贮存天然冷热及其应用技术，其中贮存洞的构造为：在地下或山内深处挖出一条条型长洞，洞底下顺洞长方向建有通风道，并在末端与贮存洞相通，洞内填满卵石(或块石)和塑料水袋等介质材料，洞壁四周垂直于洞长方向密打细长小孔洞，小孔洞内或通入通风管，或置入塑料水袋，或埋入金属材料；贮存道则是建在两山之间的峡沟内，其结构为：(1).用卵石或块石垒成中间留有不少于30％空隙的条状型，(2).用砖或混凝土预制板砌成矩型长洞，洞的下部放置塑料水袋，(3).用砖或混凝土预制管铺砌成的其内不放任何介质的空道，贮存道可顺峡沟方向，也可垂直峡沟方向水平并列布置，然后用沟两侧山顶之土回填并夯实，并使贮存道覆土达到一定厚度，其上再建贮存道再覆土夯实，可多层叠建，最上层顶部用厚土覆盖用以隔热保温，贮存道最少需两道末端相通，使两道口成为一进风口一排风口，也可多条贮存道首尾互通成S状；在平地或山内用非开挖铺管技术打出横向并列竖向隔土叠加的贮存道组合；在地下建造地下室；在地上建造半地下式日光温室，其顶部覆盖物热季为反射阳光薄膜；其特征在于：所有贮存库都是建在地下深处，贮冷时，在冬季夜间以夜间低温空气为一传介质，用风机将冷空气送入贮存洞或贮存道内，并经库内卵石、水袋等二传介质之间的空隙排出，从而使二传介质和四周土壤(岩石)吸收冷热，白天气温升高时停止通风，留出半天时间让充分吸收冷源的二传介质和四周土壤(岩石)再向较深层土壤(岩石)和洞四周小孔洞内设置的水袋、金属等三传介质向更深处传入冷源换出热源，晚上气温下降时重复上述过程，日复一日直至将外界自然冷源大量贮入贮存洞和贮存道四周更深层的土壤和岩石中；热贮存的原理和方法与冷贮存相同，所不同的是一传介质为夏天的热空气、周年的太阳能集热升温后的热空气和除尘后的工农业炉窑高温热空气；冷热贮存库的主要冷热能是贮存在库内贮存洞和贮存道四周深层的土壤和岩石中，而距地面一定厚度的土壤或岩石则是贮存库的隔热保温层；利用冷热贮存，向地下室通入冷空气或热空气再向地下室四周土壤贮入冷或热，将多个地下室在原有的地温基础上调控成生产所需的不同温度的恒温室，通过流水作业的方式即可达到食用菌、种作和养殖等农业生产最适温度环境的生产，在生产过程中的通风换气则是利用一日中昼高夜低的日温差资源，再经冷热贮存库进一步调温就可得到所需温度的换气空气用以换气，对有工业炉余热贮存的生产地，将工业炉高温排气除尘和过滤掉有害气体并贮热降温后，利用自然空气和冷贮存进一步调整温度和氧气与二氧化碳的含量后可用于地下室植物栽培所用，高二氧化碳能促进光合作用，低氧则能抑制植物呼吸和病虫害发生，还可减少通风换气量；地上半地下式日光温室反季生产过程是：热季用反射阳光薄膜覆盖，既可反射掉80％的太阳热，又能保证光合作用所需光源，利用冷贮存对温室内进行换气和调温，中午和炎夏再利用常用的遮阳幕进行遮阳降温，多方作用即可促成较为理想的适温栽培环境，冷凉季节则将反射阳光膜更换为一般塑料薄膜，可起到增温保温作用，利用热贮存可对温室进行进一步调温和适温换气，同样能达到较为理想的栽培环境。

2.根据权利要求1所述的地下贮存天然冷热及其应用，其特征在于：冷热库是建在山谷内的。

3.根据权利要求1所述的地下贮存天然冷热及其应用，其特征在于：半地下式日光温室热季用反射阳光薄膜覆盖，冷季则用一般塑料薄膜覆盖，温室前后墙内设有贮冷贮热床。

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