CN1389095A - 地－气热交换水蒸气回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水蒸气回收系统,该系统是通过排风扇、地上管道、地下管道及集水装置而实现的。本节水系统适合于温室及大棚的水蒸气回收利用。

Description

地-气热交换水蒸气回收系统
技术领域：
本发明涉及一种水蒸气回收系统，特别是涉及一种适用于日光温室、塑料大棚等封闭式农业设施的水蒸气回收方法。
背景技术：
设施农业也称保护地农业，是指在设施内(温室、大棚等)进行的作物、蔬菜、花卉、水果等生产活动。是现代化农业的重要组成部分。由于日光温室、塑料大棚等农业设施在结构上具有封闭性，使得其内部因土壤蒸发和植物蒸腾所产生的水蒸气被限制在有限空间内，这将使温室内空气湿度增加，而长时间、持续地维持过高的空气湿度，不仅会对植株产生伤害，还容易诱发各种作物病害。因此，目前国内外采取的温室空气湿度控制办法是强制通风，使水蒸气被排放到温室外部。
在温室和塑料大棚内进行的农业生产是与灌溉联系在一起的，随着全球水资源的日益短缺，如何提高设施农业的水资源利用率将成为令人关注的问题。目前尽管有喷灌、滴灌等先进的灌溉技术，但它只是侧重在“节流”方面，而集聚在温室内的水蒸气也是水资源的一种形式，以往的将其排放到温室外部的做法，实际上是对水资源的一种浪费，如果能将其回收利用起来，将会从“开源”的侧面进一步提高水资源利用率。由于这部分水蒸气是经过土壤蒸发和作物蒸腾产生的，几乎不含任何污染成分，所以也是非常宝贵的水资源。
从水的相变原理可知，水的固态、液态、气态之间的转换要伴随有能量的吸收和释放过程，从气态向液态的转变凝结过程是一种能量释放过程，只要能通过一种机制使水蒸气中含有的能量释放出来，气态水就能转变为液态水。从农业气象学原理可知，“温室效应”的结果是使温室内的气温要高于温室外的气温许多，并表现出更加明显的日变化特征，但温室内的土壤温度，特别是20cm深度以下的地中温度，并不像气温那样变化剧烈，而是基本上维持在一个较小的范围内做缓慢的波动。这就使温室内的气温和地温之间出现了较大的温度差，如果将温室内聚积的水蒸气引入到地下来，高温高湿空气所具有的能量将在那里释放，与此同时水蒸气会逐渐凝结成为液态水。
技术内容：
本发明目的在于提供一种提高温室或大棚灌溉用水利用率的水蒸气回收系统；本发明的目的还在于提供一种提高灌溉用水利用率的温室或大棚。
本发明的目的是通过建立节水系统实现的：在温室内并列铺设若干排管道，管道分地上空气吸入部分和地下地-气热交换部分；管道的一端伸出地面，在管道的地面出口处安装排风扇；管道地下部分安装呈倾斜状态；管道的地下出口处连接设置在地下的水分回收部分集水桶或(水窖、水槽)。
本发明能源供应部分可以采用三种形式，即太阳能电池、风力发电机和农电和市电。由于系统耗能仅仅是在排风扇和通风扇上，而其所需电力很少，因此这三种形式的能源都能满足系统运转需要。
本发明系统的地上空气吸入部分的设置高度不低于1m，也可以是温室高度的1/3～1/2之间，可采用高低错落的方式排列，排风扇的功率范围在1.4m3/s-2.2m3/s。
本发明系统的地下地-气热交换部分有若干并排埋设的管道组成，各管道之间的距离不小于30cm，地-气热交换部分的管道在地下的安置长度可根据温室的长度作调节，一般以15～20m左右为佳，管道在地下呈倾斜状态，其埋设的深度平均不低于40cm，以保证不影响温室内作物根系的发育。
本发明管道可采用内壁光滑的PVC制品，管道为双层结构，内管直径为160cm～200cm，外管直径为200cm～240cm，内、外管之间可注入冰水或充填干冰，在内管的内部隔若干距离安装有半园形开口向下的阻尼网，阻尼网为聚乙烯制品，网眼大小为2mm×2mm。
本发明系统的水分回收部分为四壁不透水的地下水窖、水槽或水桶，其设置深度要与系统的地-气热交换的设置深度相当，其容积大小不小于1m3。
本发明系统的通风部分要设置在与空气吸入部分相反的温室内的另一侧，其设置高度可略高于空气吸入部分排风扇的高度，通风扇的扇叶直径为40～60cm，通风扇出口处的风速为4～6m/s。
在白天，太阳辐射使温室内迅速增温，作物和土壤蒸发强烈，水蒸气在温室内弥漫聚集，此时启动系统，排风扇和通风扇的共同作用使温室内的水蒸气或湿空气被吸入管道中，顺着管道被导入地下，由于地下温度低，高温高湿的空气在这里产生热量交换，在损失热量的同时水蒸气凝结在管道的内壁上，所形成的水珠将顺着倾斜的管道流入集水桶中。
管道内有阻尼网时，气体在管道内受阻尼网的作用降低流速，以利于水蒸气与管道之间进行热交换，注入回收管道内、外管之间的冰水或干冰会促进水蒸气降温，在内管壁上产生凝结，凝结水顺着管道流入水槽，回收的水分可以再次用于温室作物生产。
系统运行对温室生产活动不产生任何影响，温室内可按生产计划种植各种作物、蔬菜或花卉，作物所需水分由灌溉补给。温室内由作物蒸散和土壤蒸发所产生的水蒸气，在系统运行时被吸入地-气热交换部分，凝结汇聚后可被再次利用。本发明主要依靠自然能源-太阳辐射，系统的耗能量很小，回收的水分没有污染，可以直接用于农业生产或饮用，回收率可达到灌溉水量的30％～40％，对温室内的作物生产无不良影响。
实验例1：不同管道口径与水蒸气回收量的关系
系统设置条件：选择直径为160mm、100mm、75mm、50mm四种规格的PVC管材，呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，管道平均铺设深度为35～40cm；管道地下部分长度为12m，湿空气吸入口距地面1m，各管道之间的间距为0.5m，各管道排风扇的功率均为1.4m3/s，试验时间是2001年12月29日～2002年1月4日，试验地点在北京市郊区，试验结果见附图5。从图5中可见，管道直径越大，回收量就越多。
实验例2：不同空气吸入量与水蒸气回收量的关系
系统设置条件：选择4根长12m、直径160mm的PVC管材呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，管道平均铺设深度为35～40cm，各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面1m，各管道湿空气吸入口处分别安装进气量为2.0m3/s、1.7m3/s、1.4m3/s、1.2m3/s的排风扇。试验时间是2002年2月23日～2月28日，试验地点在北京市郊区，试验结果见附图6。从图6中可见，空气吸入量越多，回收量就越多。
实验例3：不同管道长度与水蒸气回收量的关系系统设置条件：选择直径为160mm、长度分别为12m、10m、8m、6m的4根PVC管材呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，管道平均铺设深度为35～40cm，各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面1m，各管道湿空气吸入口处安装同一功率为1.7m3/s。的排风扇，试验时间是2002年3月7日～3月10日，试验地点在北京市郊区，试验结果见附图7。从图7中可见，管道越长，回收量就越多。
实验例4：强制通风与水蒸气回收量的关系
系统设置条件：选择直径为160mm、长度分别为12m、10m、8m、6m的4根PVC管材呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，管道平均铺设深度为35～40cm，各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面1m，排风扇功率为2.0m3/s，另外在温室内距离空气吸入部分12m处安装两台通风扇，风扇开动后0.5m处的风速分别为4.9m/s(立式)、3.7m/s(台式)，8m处的风速为0.2m/s。试验时间是2002年4月18日、19日和23日、24日，试验地点在北京市郊区，试验结果见附表1。从表1得知，实行强制通风时的回收量，是未实行强制通风时的1～1.5倍。
附图说明：
附图1是本发明的系统运行示意图；
附图2是系统地下埋设部分断面示意图；
附图3是地-气热交换部分内部结构示意图；
附图4是不同管道口径与水蒸气日回收量的关系；
附图5是不同空气吸入量与水蒸气回收量的关系；
附图6是不同管道长度与水蒸气回收量的关系。
附表1是强制通风与水蒸气回收量的关系
                     附表1  强制通风对水蒸气回收的影响
    日期  开动风扇台数 日平均地-气温度差(℃)   浇水量(L)     回收量(L)     回收率(％)
  4月18日     0     3.8     20     3.35     16.8
  4月19日     1     2.3     20     8.10     40.5
  4月23日     0     -0.1     20     6.15     30.1
  4月24日     2     1.7     20     11.50     57.5
其中：1为排风扇，2为地上管道，3为地下管道，4为集水装置，5为通风扇，6为冰水或干冰，7为内管，8为外管，9为阻尼网。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明
实施例1：选择4根长12m、直径160mm的PVC管材呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，地下管道3平均铺设深度为35～40cm，地下管道3出口端连接集水装置水槽4，各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面1m，各地上管道2湿空气吸入口处分别安装进气量为2.0m3/s的排风扇1。
实施例2：选择直径为100mm、长度分别为10m的4根PVC管材呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，在地下管道3管的内部隔2m距离安装有半园形开口向下的阻尼网9，阻尼网9为聚乙烯制品，网眼大小为1mm×1mm，地下管道3平均铺设深度为1m，地下管道3出口端连接集水装置水槽4，各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面1m，排风扇1功率为2.0m3/s，另外在温室内距离空气吸入部分12m处安装通风扇5，通风扇5开动后0.5m处的风速分别为4.9m/s。
实施例3：选择长度分别为12m的4根PVC管材，管道采用内壁光滑的PVC制品，管道为双层结构，内管7直径为160cm～200cm，外管8直径为200cm～240cm，内、外管之间可充填冰水或干冰6，在内管7的内部隔2m距离安装有半园形开口向下的阻尼网9，阻尼网9为聚乙烯制品，网眼大小为2mm×2mm，管道呈直线形铺设在面积为75平米的温室内，管道出口端连接集水装置水槽4，水槽距地面1m各管道之间的间距为0.5m，湿空气吸入口距地面2m，排风扇1功率为2.0m3/s。

Claims (10)

1、一种用于日光温室或塑料大棚等封闭式农业设施的水蒸气回收系统，其特征在于该系统由空气吸入部分、地-气热交换部分、水分回收部分构成。
2、如权利要求1所述的水蒸气回收系统，其特征在于该系统空气吸入部分是指安置在地表以上的地上管道(2)和与之连接的排风扇(1)。
3、如权利要求1所述的水蒸气回收系统，其特征在于该系统地-气热交换部分是指安置在地表以下的呈倾斜状态的地下管道(3)。
4、如权利要求1所述的水蒸气回收系统，其特征在于该系统水分回收部分是指安置在地表以下的与地-气热交换管道相连接的集水装置水桶、水槽或水窖(4)。
5、如权利要求1、2或3所述的水蒸气回收系统，其特征在于该系统还可以在地表以上设置与空气吸入部分相对应的通风扇(5)作为通风部分。
6、根据权利要求2的水蒸气回收系统，其空气吸入部分的设置高度为距地表1m以上和距日光温室或塑料大棚等封闭式农业设施的顶部1m以下的空间或在农业设施总高度的1/3～1/2处，空气吸入所需其排风扇(1)的功率范围为1.4m3/s～2.2m3/s。
7、根据权利要求3的水蒸气回收系统，其地-气热交换部分的埋设深度为不低于地表向下40cm，地-气热交换部分的地下管道3在地下的安置长度为15～20m。
8、根据权利要求3的水蒸气回收系统，其地-气热交换部分的地下管道(3)可以在日光温室或塑料大棚内并排埋设多根，管道之间的间距不小于30cm。
9、根据权利要求5的水蒸气回收系统，其通风部分要安置在空气吸入部分的相反一侧，通风扇(5)出口处的风速为4～6m/s。
10、如权利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的水蒸气回收系统，其特征在于该系统空气吸入部分和地-气热交换部分使用的管道为为双层结构，内管(7)直径为160cm～200cm，外管(8)直径为200cm～240cm，内、外管之间可注入冰水或充填干冰(6)，在内管(7)的内部隔若干距离安装有半园形开口向下的阻尼网(9)。
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