CN205584910U - 封闭式空气水农业系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种封闭式空气水农业系统，包括农业温室、二氧化碳提供源和水收集装置。农业温室具有封闭的腔室，腔室的周壁至少有一部分为透光材料，透光材料件被构造成使得腔室内外形成有温度差；二氧化碳提供源设在腔室内以对腔室内植物生长提供二氧化碳；水收集装置与腔室内相连以收集因内外温差而形成的冷凝水。根据本实用新型的封闭式空气水农业系统，可以防止农田土壤蒸发和植物蒸腾出来的气态水直接进入自由大气，在系统内部就实现对气态水进行冷凝液化并回收利用，实现了农田用水的循环利用，在腔室内设置二氧化碳提供源以保障植物光合作用所需的二氧化碳供给，以极少的水资源消耗实现农业的可持续发展，节约了水资源且对环境起到保护作用。

Description

封闭式空气水农业系统

技术领域

本实用新型涉及农业灌溉技术领域，尤其是涉及一种封闭式空气水农业系统。

背景技术

空气水农业系统是将目前农业依赖于气候系统的大尺度水循环模式转变为在农田尺度的水循环模式。即是将农田上空气中的气态水直接转化为液态灌溉水，解除水资源对农业生产的限制。在实践中，尤其是干旱沙漠地区，主要是将农田生态系统自身蒸腾和蒸发的气态水加以循环回收利用，以最小的水资源消耗实现可持续农业生产。因此如何利用环境条件实现对蒸腾和蒸发的气态水进行冷凝、并将冷凝水进行有效回收利用成为空气水农业系统由概念走向实用化的关键。

实用新型内容

本申请是基于实用新型人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

相关技术的空气水农业系统公开了两种采集冷凝水的方式：第一种是采用土壤层对空气进行降温进而收集其产生的凝结水，第二种是利用多种热交换(如空气-空气、空气-水或压缩机等)对含有蒸发和蒸腾水汽的空气进行降温形成凝结水，再实施水雾拦截以提高水分回收效率。

对于第一种采集方式，实用新型人经过大量的实验发现，在换热的过程中，管道附近土壤层温度迅速升高，由于土壤层温度较为稳定，因此升温后的土壤的温度降低速度缓慢，从而气温和地温差距会很快缩小，导致利用土壤层对空气降温在植物生长期的多数时间内失效。

对于第二种采集方式，实用新型人经过大量的实验发现，该种采集方式具有如下不足：一是水分回收环节十分复杂，不易操作。二是水雾拦截效率和能耗成正相关关系，难以降低运行成本。三是系统与外界保持空气交换，必然存在水分丢失，在作物光合作用盛期系统内二氧化碳的补给量仅通过内外气体交换亦不一定能够满足光合作用需求。因此只依靠水雾拦截实现水循环，目前的在技术上、成本上和可操作性上是难以满足在沙漠等干旱地区充分实现可持续农业生产的。

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种可实现农业温室中水资源循环利用的封闭式空气水农业系统。

根据本实用新型实施例的封闭式空气水农业系统，包括：农业温室，所述农业温室具有封闭的腔室，所述腔室的周壁至少有一部分为透光材料件，所述透光材料件被构造成使得所述腔室内外形成有温度差；二氧化碳提供源，所述二氧化碳提供源设在所述腔室内以对所述腔室内植物生长提供二氧化碳；水收集装置，所述水收集装置与所述腔室相连以收集所述腔室内的气态水在内外温差作用下冷凝形成的液态水。

根据本实用新型实施例的封闭式空气水农业系统，通过将农业温室设置成封闭性的，以防止蒸发和蒸腾出来的气态水直接进入自由大气，通过设置的透光材料件使得腔室内外具有温差以对农业温室中的气态水进行冷凝液化，通过水收集装置回收上述冷凝液化得到的液态水，并将此液态水再次施放到农业温室内以供植物生长，从而实现了农田用水的循环利用，同时在腔室内设置二氧化碳提供源以保障二氧化碳的供给，以极少的水资源消耗实现农业的可持续发展，节约了水资源且对环境起到保护作用。

具体地，所述透光材料件为透光膜或者玻璃。

根据本实用新型的一些实施例，所述腔室的周壁连接有热交换材料件。

可选地，所述热交换材料件为透光件、金属片和热管中的至少一种。

根据本实用新型的一些实施例，所述空气水农业系统还包括用于促进所述腔室内空气流动的动力装置。

可选地，所述动力装置为风机。

根据本实用新型的一些实施例，所述空气水农业系统还包括空气进管、空气出管和热交换装置，所述热交换装置的进风侧通过空气进管与所述腔室连通，所述热交换装置的出风侧通过空气出管与所述腔室连通。

具体地，所述热交换装置包括空气-空气热交换器，所述空气-空气热交换器包括相互换热的交叉风道，其中一个风道的两端分别与所述空气进管和所述空气出管相连。

具体地，所述热交换装置包括水-气热交换器，所述水-气热交换器包括相互换热的风道和水管，所述风道的两端分别与所述空气进管和所述空气出管相连。

根据本实用新型的一些实施例，所述腔室内设有栽培基质，所述栽培基质下设有防渗层。

进一步地，所述腔室内设有用于排出所述栽培基质内超出需求水量的部分水的排水装置。

根据本实用新型的一些实施例，所述腔室外侧设有用于收集雨水的集雨装置，所述集雨装置与所述腔室内的灌溉系统相连。

根据本实用新型的一些实施例，采用堆放分解释放二氧化碳的有机物料和微生物作为所述腔室内植物所需的二氧化碳提供源。

在本实用新型的一些实施例中，采用燃烧含碳物质作为所述腔室内植物所需的二氧化碳提供源。

附图说明

图1是根据本实用新型实施例的空气水农业系统的示意图；

图2为实用新型人利用土壤层降温收集凝结水时土壤温度与时间的关系示意图。

附图标记：

封闭式空气水农业系统100，

农业温室1，腔室11，二氧化碳提供源2，水收集装置3，热交换装置4，空气进管41，空气出管42，栽培基质5，防渗层6。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

相关技术的空气水农业系统公开了两种采集冷凝水的方式：第一种是采用土壤层对空气进行降温进而收集其产生的凝结水，第二种是利用多种热交换(如空气-空气、空气-水或压缩机等)对含有蒸发和蒸腾水汽的空气进行降温形成凝结水，再实施水雾拦截以提高水分回收效率。

对于第一种采集方式：在2014年10月，实用新型人在宁夏中卫进行土壤-空气热交换实验。将金属管道埋入1.2米深度地下，以水为介质进行热交换。如图2所示，从10月24日开始实验，我们发现管道附近土壤层温度迅速升高。在短短的4天时间内，实用新型人发现日最高温升高了5℃，日最低温度亦升高了2℃。由于土壤层温度较为稳定，温度降低速度缓慢，在90天以上的单季生育期内，由于气温和地温差距会很快缩小，导致利用土壤层对空气降温在生育期内的多数时间内失效。由此可见，相关技术中提出的在地下铺设管道利用土壤层降温方法的持续性难以得到保障。

另外相关技术(专利号为02240122.9)并没有提出有效的水雾拦截措施，而是将温室内空气直接排出到大气中。而实用新型人经过大量实验发现，空气在管道降温后，绝大多数都是以细微的水雾形式与气流混合运动并直接进入大气，能够截留并形成有效灌溉水的比例非常低。因此采用土壤层与管道换热的方式采集凝结水的实用性不足。

对于第二种采集方式：实用新型人经过大量的实验发现，该种采集方式具有如下不足：一是水分回收环节十分复杂，不易操作。二是水雾拦截效率和能耗成正相关关系，难以降低运行成本。三是系统与外界保持空气交换，如果只依靠水雾拦截实现水循环，实际上在当前的技术上、成本上和可操作性上都难以在沙漠等干旱地区充分实现可持续农业生产的。

基于上述问题，实用新型人经过大量的实验发现，采用封闭式的空气水农业系统解决了系统水分丢失问题，通过避开高温季节，安装适当的材料件提高气态水的冷凝和收集效率，可以实现在沙漠地区的可持续农业生产。当热交换材料件效率足够高时，可以在无动力条件下实现可持续农业生产。

下面参考图1描述根据本实用新型实施例的封闭式空气水农业系统100。

参照图1，根据本实用新型实施例的封闭式空气水农业系统100，包括农业温室1、二氧化碳提供源2和水收集装置3。其中，空气水为空气中所含的气态水。

具体而言，农业温室1具有封闭的腔室11，二氧化碳提供源2设在腔室11内。通过将农业温室1进行封闭设置，即将整个作物种植空间进行密闭，由此可以将农业温室1中蒸发和蒸腾出来的气态水与自然大气隔绝，以防止或减少系统内部的水分以气态或液态形式排放到系统之外，为气态水的回收和循环利用提供良好的条件。

将腔室11的周壁的至少一部分设置为透光材料件，由于透光材料件允许太阳的光合有效辐射进入到腔室11内，因此透光材料件被构造成使得腔室11内外形成有温差。

利用腔室11内外具有的温差，可以使腔室11内的气态水遇到透光材料件后冷凝液化为液态水。由此可知，透光材料件为热交换介质。可选地，透光材料件可以为透光膜、塑料件、玻璃件等，但不限于此。在本实用新型的具体示例中，透光材料件可以为保温性好的透光膜或玻璃等，利于寒冷季节为作物保温。在本实用新型的另一些具体示例中，透光材料件可以为对光合有效辐射波段(波长为380～710纳米)的透光率高、但对其它波段辐射能阻挡率高的膜或玻璃等材料，利于外界气温较高时作物能够正常光合作用且不受高温胁迫。

水收集装置3与腔室11相连以收集腔室11内的气态水在内外温差作用下冷凝形成的液态水，也就是说，水收集装置3用于收集液态水，该液态水是腔室11内的气态水在内外温差作用下冷凝形成的。优选地，水收集装置3设在腔室11内。当然可以理解的是，水收集装置3还可以设在腔室11外，只要水收集装置3可以收集上述液态水即可。

具体地，透光材料件可以将腔室11内的热量传导至系统外，其原理是太阳辐射进入系统后，部分长波辐射不能穿过透光材料件，导致腔室11内的温度高于外界的温度。腔室11内的空气受热后上升，遇较冷的透光材料件后降温并下沉，由此可以形成系统内的空气循环。与此同时，气态水在透光材料件上凝结成为液态水，该液态水可以通过水收集装置3进行收集，由此可以实现系统内部的水分循环利用。另外，腔室11内的气态水凝结为液态水，还可以降低腔室11内的相对湿度，维持植物的叶片蒸腾拉动力，保障植物根系水分吸水能力。

可以将水收集装置3收集的冷凝水通过传统的漫灌、喷灌、滴灌、膜下滴灌等方式再次施放到农业温室1内以供植物生长，从而实现了农田用水的循环利用。

二氧化碳提供源2设在腔室11内以对腔室11内植物生长提供二氧化碳。可以理解的是，由于农业温室1是密闭的，需要为植物生长提供足够的二氧化碳以维持正常的光合作用，而通过在腔室11内设置二氧化碳提供源2，可以保障二氧化碳的供给。

其中可以理解的是，可以采用任何手段对腔室11提供二氧化碳，例如，可以采用堆放分解释放二氧化碳的有机物料和微生物作为腔室11内植物生长所需的主要二氧化碳提供源2，可以通过控制有机物料的湿度和碳氮比例等，调节微生物的繁殖速率、活性和有机物料的分解速率，保障二氧化碳的供给，其中有机物料可以为秸秆、粪料、木屑等物质。又例如，在农业温室1的土壤中施加有机肥，利用土壤微生物对有机碳分解作用而产生的二氧化碳作为二氧化碳提供源2。又例如，在腔室11内燃烧含碳物质产生的二氧化碳作为二氧化碳提供源2，其中含碳物质可以无机碳、石化材料、木炭、煤炭和天然气等。再例如，利用碳酸氢铵与硫酸反应生成硫酸铵(化肥主要成分)和二氧化碳，其中化学反应产生的二氧化碳可以供给系统使用。再例如，可以利用工业产品液态二氧化碳或者固态的二氧化碳(即干冰)直接作为二氧化碳提供源2等。上述列举的二氧化碳提供源2可以单独使用，也可以配合使用。

需要在这里说明的是，该封闭式空气水农业系统100并非完全杜绝与外界进行空气和水分交换。该封闭式空气水农业系统100是允许太阳辐射进入驱动植物光合作用，也允许外界水源进入，也允许与外界进行能量交换。例如，耕作管理过程中劳动者进出农业温室1会导致系统内外空气交换，腔室11内温度太高时可适当打开腔室11，向外界直接排放热量等。但绝大多数时间需维持系统封闭，以维持水分循环利用。

根据本实用新型实施例的封闭式空气水农业系统100，通过将农业温室1设置成封闭性的，以防止农田土壤蒸发和植物蒸腾出来的气态水直接进入自由大气，通过设置的透光材料件使得腔室11内外具有温差以对农业温室1中的气态水进行冷凝液化，通过水收集装置3回收上述冷凝液化得到的液态水，并将此液态水再次施放到农业温室1内以供植物生长，在系统内部就实现对气态水进行冷凝液化并回收利用，从而实现了农田用水的循环利用，同时在腔室11内设置二氧化碳提供源2以保障植物光合作用所需的二氧化碳供给，以极少的水资源消耗实现农业的可持续发展，节约了水资源且对环境起到保护作用。

根据本实用新型的一些实施例，腔室11的周壁连接有热交换材料件，优选地，腔室11的周壁的除去透光材料件的部分设有热交换材料件。由此，提高气态水的冷凝速度，以降低腔室11内的相对湿度、维持腔室11内环境的干燥度、保障植物正常的蒸腾作用，同时在腔室11内的温度过高时，可以通过热交换材料件与外界进行高效的热交换，从而可以将系统内多余的热量释放到系统之外，进而可以使腔室11内的温度保持在植物正常生长所需的温度范围内。也就是说，热交换材料件也是热交换介质。可选地，热交换材料件可以为透光件、金属片(例如铝箔片)和热管中的至少一种。

在透光材料件为具有低温室效应的透明材料件时，例如这些具有低温室效应的透明材料件可以通过防止或减少长波辐射进入封闭式空气水农业系统100，也可以通过增加系统内部的长波辐射穿透到系统外部的效率，由此在不采用动力降温的条件下可使得腔室11内的温度稍微高于外界环境温度，且同时可以将腔室11内的温度维持在植物正常生长所需温度范围内。由于存在内热外冷的温度差，透光材料件可以成为凝结水产生、汇集和回收利用的场所。当外界环境温度过低时，可适当外加保温材料件，防止植物发生冻害。

而在透光材料件为具有高温室效应的透明材料件时，封闭式空气水农业系统100在太阳辐射作用下迅速升温。当腔室11内的温度接近植物生长的上限温度时，可以利用热交换材料件(例如铝箔等金属片或热管)将多余热量释放到系统之外，以使腔室11内的温度保持在植物正常生长所需的温度范围内。此时，农业温室1的内外温度差可使得透光材料件和热交换材料件的表面产生凝结水，并通过水收集装置3不断回收这些凝结水，实现系统内部的水分循环利用。在外界环境温度进一步降低时，可使用保温材料件以减小系统向外释放的热量，防止植物发生冻害。

由于闭式的腔室11内部空气流动微弱，空气与热交换介质接触量小，可适当增加动力促进系统内空气流动。因此根据本实用新型的一些实施例，封闭式空气水农业系统100还包括用于促进腔室11内空气流动的动力装置(图未示出)。由此，可以促进腔室11内空气的流动和热交换，从而可以促进腔室11内的水分循环回收利用。例如，利用动力装置可以驱动腔室11内的空气朝透光材料件或热交换材料件流动，增加单位时间内透光材料件或热交换材料件所接触的风量，提高系统内外的热交换效率，从而可以加速腔室11内水分的回收利用。

需要说明的是，与传统的空气水农业系统所采用的动力装置(例如，压缩机)相比，该封闭式空气水农业系统100所采用的动力装置，可以是只需要通过能耗很低的动力来驱动腔室11内的空气流动，加速热交换，促进水分的循环回收利用。可选地，动力装置可以为风机，该风机可以由电力驱动，也可以由外界风力驱动。还需要进行说明的是，当封闭式空气水农业系统100的热交换介质具有较高的热交换能力时，可以只在封闭的腔室11内设置动力装置以驱动空气朝向热交换介质流动即可。

为了节省热交换介质(如透光材料件或热交换材料件)所需材料，可利用动力装置将腔室11内的空气驱动到特定的热交换区域进行热交换，因此在本实用新型的一些实施例中，参照图1，封闭式空气水农业系统100还包括空气进管41、空气出管42和热交换装置4，热交换装置4的进风侧通过空气进管41与腔室11连通，热交换装置4的出风侧通过空气出管42与腔室11连通。由此，利用动力装置可以驱动腔室11内的空气通过空气进管41进入热交换装置4中进行热交换，将热量释放到系统外，其中气态的水凝结成冷凝水。经过热交换后的空气连同冷凝水通过空气出管42再回到腔室11内，以便对该冷凝水予以回收利用。这样可以省略水雾拦截环节，防止封闭式空气水农业系统100内的水分释放到周围大气环境中，且能维持系统的水分平衡。

可以理解的是，热交换装置4可以为任何结构，例如，热交换装置4可以包括空气-空气热交换器，空气-空气热交换器包括相互换热的交叉风道，其中一个风道的两端分别与空气进管41和空气出管42相连。具体而言，腔室11内温度较高的空气通过空气进管41通入空气-空气热交换器的其中一个风道内，空气-空气热交换器的另一个风道内流动的是温度较低的冷空气，上述冷空气与腔室11内排出的空气在空气-空气热交换器的交叉风道内进行热交换，从而通过冷空气对腔室11内排出的空气进行降温，在热交换的过程中空气中的气态水冷却凝结成冷凝水，经过热交换后的空气连同冷凝水通过空气出管42再回到腔室11内，以便对该冷凝水予以回收利用，同时可以促进腔室11内的空气循环。

再例如，热交换装置4可以包括水-气热交换器，水-气热交换器包括相互换热的风道和水管，风道的两端分别与空气进管41和空气出管42相连。具体而言，腔室11内温度较高的空气通过空气进管41通入水-气热交换器的风道内，水-气热交换器的水管内流动的是温度较低的液态水，从腔室11排出的空气进入到水-气热交换器的风道内以与水管内的液态水进行热交换，从而降低空气的温度以形成冷空气，经过热交换后的空气连同冷凝水通过空气出管42再回到腔室11内，以便对该冷凝水予以回收利用，同时经过热交换的空气由于温度降低而下沉，可以促进腔室11内的空气循环。

根据本实用新型的一些实施例，参照图1，腔室11内还设有栽培基质5(例如土壤)，栽培基质5下设有防渗层6。通过设置的防渗层6，一方面可以防止栽培基质5内的水渗漏到地下造成系统水分失衡，另一方面可以防止栽培基质5的盐碱化。

进一步地，腔室11内设有用于排出栽培基质5内超出需求水量的部分水的排水装置。由此，可以防止栽培基质5水分过饱和而影响植物的根系发育。

根据本实用新型的一些实施例，腔室11外侧设有用于收集雨水的集雨装置(图未示出)，集雨装置与腔室11内的灌溉系统相连。由此，可以将集雨装置收集的雨水用于补充植物生长所需的水分，进一步提高水资源的利用率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种封闭式空气水农业系统，其特征在于，包括：

农业温室，所述农业温室具有封闭的腔室，所述腔室的周壁至少有一部分为透光材料件，所述透光材料件被构造成使得所述腔室内外形成有温度差；

二氧化碳提供源，所述二氧化碳提供源设在所述腔室内以对所述腔室内植物生长提供二氧化碳；

水收集装置，所述水收集装置与所述腔室相连以收集所述腔室内的气态水在内外温差作用下冷凝形成的液态水。

2.根据权利要求1所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述透光材料件为透光膜或者玻璃。

3.根据权利要求1所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述腔室的周壁连接有热交换材料件。

4.根据权利要求3所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述热交换材料件为透光件、金属片和热管中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，还包括用于促进所述腔室内空气流动的动力装置。

6.根据权利要求5所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述动力装置为风机。

7.根据权利要求5所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，还包括空气进管、空气出管和热交换装置，所述热交换装置的进风侧通过空气进管与所述腔室连通，所述热交换装置的出风侧通过空气出管与所述腔室连通。

8.根据权利要求7所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述热交换装置包括空气-空气热交换器，所述空气-空气热交换器包括相互换热的交叉风道，其中一个风道的两端分别与所述空气进管和所述空气出管相连。

9.根据权利要求7所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述热交换装置包括水-气热交换器，所述水-气热交换器包括相互换热的风道和水管，所述风道的两端分别与所述空气进管和所述空气出管相连。

10.根据权利要求1所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述腔室内设有栽培基质，所述栽培基质下设有防渗层。

11.根据权利要求10所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述腔室内设有用于排出所述栽培基质内超出需求水量的部分水的排水装置。

12.根据权利要求1所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，所述腔室外侧设有用于收集雨水的集雨装置，所述集雨装置与所述腔室内的灌溉系统相连。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，采用堆放分解释放二氧化碳的有机物料和微生物作为所述腔室内植物所需的二氧化碳提供源。

14.根据权利要求1-12中任一项所述的封闭式空气水农业系统，其特征在于，采用燃烧含碳物质作为所述腔室内植物所需的二氧化碳提供源。