CN209676970U - 一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了属于设施农业工程环境控制领域的一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统。在温室屋架太阳能集放热系统中，增加地面管网系统，地下蓄水池及控制系统；将温室屋架太阳能集放热系统分成屋架上弦、下弦以及地面管网三个独立的管网系统，各具有独立的水泵，能够单独运行；将屋架上弦的功能调整为仅具有集热功能；避免热量容易通过屋面损失；该集放热系统既用于白天蓄热、同时又用于夜间放热，实现分时分段调控；地面管网和屋架下弦管网的组合放热方式，使得放热位置更加合理，实现了对作物根部和冠层空间的针对性加热，提高了所蓄积热量的利用效率。针对性地解决了作物苗期等特定时期系统蓄热不足的问题。

Description

一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统

技术领域

本实用新型属于设施农业工程环境控制领域，特别涉及一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统。

背景技术

自改革开放以来，经济持续快速发展，人们对设施种植产品需求大大增加，我国温室建设进入了一个快速发展的时期。日光温室是我国自主研发的温室形式，其构造特点是南侧屋面以透明塑料薄膜为主要透光覆盖材料，东西山墙、北墙以及北侧屋顶为保温蓄热构造。白天，通过透光面进入温室的太阳能一部分被墙体和土壤吸收并储存起来；夜间，随着室内气温下降，当室内气温低于墙面和土壤温度时，墙体和土壤就会将白天储存的热量逐渐释放出来，从而起到了维持室内气温恒定的作用。

据不完全统计，目前日光温室约占设施园艺总面积的四分之一，大部分分布在北方地区，用于冬季蔬菜、花卉等作物的生产。由于它可以充分利用太阳能资源，相比于其他温室，具有较好的自保温及蓄放热性能，很少消耗化石燃料，因此以较低的成本，解决了我国北方冬季长期无法生产蔬菜的现状。它的低廉成本和巨大效益的优势，也带动了农民生产的积极性，在增加农民收入的同时，带动了设施农业整个行业的发展，为我国经济社会发展做出了突出贡献。

然而，日光温室在使用过程中，仍存在着诸多问题，比如由于墙体和地面蓄热能力有限，进入温室的大部分太阳能得不到有效利用，白天往往需要通风缓解室内高温问题，而另一方面，虽然在北方很多地区可以实现不加温条件下的越冬生产，但是低温现象仍然频发；再者，为保温需求，温室夜间通常会注重密封性，加之低温影响，相对湿度很大，有时候接近100％，这种环境容易诱发病害，影响植物生长和产量。

在如何充分利用太阳能，将白天温室富余的热量存储起来用于夜间加温，以提高温室太阳能利用效率方面，马承伟等人发明了屋架太阳能集热式日光温室，里面包含了一种基于屋架管网的构件集放热系统。该系统将温室承重屋架做成水管，由下弦管、上弦管和地下蓄水池形成一个水循环回路，白天照射到屋架上的太阳辐射热，通过其中循环流动的水带到地下水池并储存在水中，夜间通过同样循环流动的水，再由屋架将热量释放出来，起到温室加温的作用。马承伟等人发明的技术，集热放热效果明显，且因为利用了现有温室屋架，投资成本低，不影响温室正常采光、不占任何室内种植空间、不影响温室生产管理，是一种非常好的设计思路。但是使用中发现，该系统还存在两方面的问题，一是温室屋架数量有限，白天集热量有待提升；二是屋架位于温室顶部，夜间放热位置过高，对温室下部作物冠层空间加热效果不理想，热量利用效率不高；三是屋架上弦与透光面的薄膜相接触，透光面是夜间保温能力最弱的地方，因此会导致屋架上弦散发的热量，很大一部分热量直接通过屋面散发到室外，造成热量的浪费。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提出一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统；所述温室屋架太阳能集放热系统，其屋架是在上弦管和下弦管的中间由腹杆连接而成，屋架固定在东西山墙及北墙上，屋架顶面及南侧屋面以透明塑料薄膜的透光材料覆盖，组成日光温室，即是所述温室屋架太阳能集放热系统；其特征在于，

首先，在温室屋架太阳能集放热系统中，增加地面管网系统，地下蓄水池中及控制系统；

其次，将温室屋架太阳能集放热系统分成屋架上弦、下弦管网以及地面管网三个独立的管网系统，各具有独立的水泵，能够单独运行，形成地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统。

所述屋架上、下弦管网由上弦管、下弦管、上弦供水干管、下弦供水干管、上弦供水支管、下弦供水支管、屋架回水干管，上弦管网、下弦管网均与蓄水池水泵连接、以及相应的独立控制阀组成；其中屋架上弦、下弦管网：在上弦管1 和下弦管2的中间由腹杆连接而成屋架，屋架固定在东西山墙及北墙22上，屋架顶面及南侧屋面以透明塑料薄膜的透光材料覆盖，在上弦管1、下弦管2的靠近地面段分别连接上弦管电磁控制阀3和下弦管电磁控制阀4；屋架集热系统上水主管5通过屋架连接软管6分别连接上弦管电磁控制阀3和下弦管电磁控制阀 4；屋架上水主管控制阀8和水压流量一体计21连接在下弦管电磁控制阀4和蓄水池水泵14之间；屋架上弦上水主管电磁控制阀18和水压流量一体计21连接在上弦管电磁控制阀3和蓄水池水泵14之间；屋架集热系统上弦上水主管道19 连接在上弦管电磁控制阀3和蓄水池水泵14之间；蓄水池水泵14；屋架回水主管17连接屋架管回水口13，并插入蓄水池15；控制箱16固定在北墙22上，控制系统的温湿度监测模块20支撑在增强型温室屋架下面；保温被23固定在屋架顶面。

所述上弦管、下弦管的表面需要进行涂黑处理，以增强吸热能力。

所述地面管网部分包括地面供水干管、回水干管、行间支管、干管控制阀、支管控制阀、以及蓄水池水泵组成；其中地面散热主管控制阀7和水压流量一体计21连接在地面回水主管9和蓄水池水泵14之间；地面支管10将地面上水主管11和地面回水主管9连接成地面管网，并通过地面管回水口12插入蓄水池15。

所述控制系统包括：控制箱、测温湿度模块、电磁控制阀和管道控制阀

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型将屋架管网系统和地面管网系统结合起来，可更大限度地收集进入温室的太阳辐射热，克服了现有技术中蓄热面积不足的问题。

(2)本实用新型将屋架集热系统的上弦管网和下弦管网分开独立控制，上弦管网仅作为集热系统使用，下弦管网兼具集热和放热系统使用。避免了上弦管网作为放热系统时，因为与透光面的薄膜接触而导致热量损失的问题。

(3)增加的地面管网系统，尤其在作物低矮的幼苗阶段，对于室内温度需要较高的时期，白天具有蓄热功能，提高了系统特定时期的蓄热能力。

(4)增加的地面管网系统，位于栽培行间作物根部，作为放热系统首先启动，可以将散发的热量直接释放到作物根部，一部分向上加热根部空气，并因为热空气上浮的原理，逐渐加热上部作物冠层空间；一部分因为与地面接触，散发到土壤中，提高根部土壤温度，显著提高了所需热量的利用效率。

(5)增加的地面管网系统，与屋架上、下弦管网组合，使得蓄热和放热功能更加分工明确，放热位置更加合理，可实现分时分段调控，满足不同生长期和不同天气的环境需求。

附图说明

图1是地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统结构图；

图2是地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统侧视图。

图3是地面管网系统示意图。

图中标号说明：1-上弦管；2-下弦管；3-上弦管电磁控制阀；4-下弦管电磁控制阀；5-屋架集热系统下弦上水主管道；6-屋架管软管；7-地面散热主管电磁控制阀；8-屋架下弦上水主管电磁控制阀；9-地面回水主管；10-地面支管；11-地面上水主管；12-地面管回水口；13-屋架管回水口；14-水泵(三组)；15-蓄水池；16-控制箱；17-屋架回水主管；18-屋架上弦上水主管电磁控制阀；19-屋架集热系统上弦上水主管；20-温湿度监测模块；21-水压流量一体计；22-北墙；23-保温被；

具体实施方式

本实用新型提出一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统；下面结合附图图对地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统的结构及运行作详细描述：

本实用新型在温室屋架太阳能集放热系统中，增加地面间管网系统、地下蓄水池及控制系统。将地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统分成屋架上弦、下弦管网系统以及地面管网系统三个独立的管网系统，各具有独立的水泵，能够单独运行；将屋架上弦管网的功能，由原来的兼具集热和放热功能，调整为仅具有集热功能，解决原技术中放热位置过高、且热量容易通过屋面损失的问题。改进和完善屋架太阳能集热式日光温室中提到的集热放热系统，增大其蓄热面积、改进放热方式，提高所放热量的温室利用效率。

如图1、图2所示，地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统结构图；其中屋架上弦、下弦管网：在上弦管1和下弦管2的中间由腹杆连接而成屋架，屋架固定在东西山墙及北墙22上，屋架顶面及南侧屋面以透明塑料薄膜的透光材料覆盖，在上弦管1、下弦管2的靠近地面段分别连接上弦管电磁控制阀3和下弦管电磁控制阀4；屋架集热系统上水主管5通过屋架连接软管6分别连接上弦管电磁控制阀3和下弦管电磁控制阀4；屋架上水主管控制阀8和水压流量一体计21连接在下弦管电磁控制阀4和蓄水池水泵14之间；屋架上弦上水主管电磁控制阀18和水压流量一体计21连接在上弦管电磁控制阀3和蓄水池水泵14之间；屋架集热系统上弦上水主管道19连接在上弦管电磁控制阀3和蓄水池水泵 14之间；蓄水池水泵14；屋架回水主管17连接屋架管回水口13，并插入蓄水池 15；控制箱16固定在北墙22上，控制系统的温湿度监测模块20支撑在增强型温室屋架下面；保温被23固定在屋架顶面。

如图1、图3所示。地面管网包括：地面散热主管控制阀7和水压流量一体计21连接在地面回水主管9和蓄水池水泵14之间；地面支管10将地面上水主管11和地面回水主管9连接成地面管网，并通过地面管回水口12插入蓄水池15；地面管网增强了整个系统的集热能力，针对性地解决了作物苗期等特定时期系统蓄热不足的问题。地面管网和屋架下弦管网的组合放热方式，使得放热位置更加合理，实现了对作物根部和冠层空间的针对性加热，提高了所蓄积热量的利用效率。

上弦管1，下弦管2是由通常钢制水管加工而成。屋架下弦上水主管5主要负责将水送到下弦管2中。电磁控制阀3控制上弦管1的开关。屋架上弦上水主管19主要负责将水送到上弦管1中。在北墙22位置，有屋架回水主管17，负责将屋架上弦管1，下弦管2中的水循环到蓄水池15中。在控制系统让屋架管网电磁控制阀打开状态以及连接屋架上下管和下弦管连接的蓄水池水泵14接通情况下，屋架水流循环为蓄水池15→屋架下弦上水主管8/屋架上弦上水主管19→下弦管2/上弦管1→屋架回水主管17→蓄水池15。在控制箱16让连接地面管网的蓄水水泵14打开情况下，地面管网水流循环为蓄水池15→地面上水主管11→地面支管10→地面回水主管9→蓄水池15。

本实用新型除了对屋架上弦、下弦管网的材质有要求外，对其他系统构件的材料及尺寸不做具体要求，可根据需要确定长度、管径。对所有集热管道进行涂黑处理，或者采用表面黑色管材，以增强吸热效果。所有管材除了接头处能够承受必要水压的要求外，其他不作具体规定。

控制系统包括：控制箱、测温湿度模块、电磁控制阀和管道控制阀。

本实用新型实现分时分段调控的具体原理如下：

(1)在苗期等作物植株低矮阶段，对周围环境温度的需求较高，鉴于此，白天启动屋架上弦、下弦以及地面三个管网系统同时集热，其中，地面管网集热系统主要是将透射到地面上的部分太阳辐射收集并蓄积到水池中，起到增加集热面积的效果，满足特殊时期的需求。夜间，首先启动地面管网放热系统，实现根部加热；释放的热量，一部分基于热空气上浮的原理，会逐渐传递覆盖至整个作物冠层，另一部分因为与土壤接触，会直接加热根部土壤，改善根圈温度环境，因此全部热量都被利用，而不会浪费；当温度较低，地面放热不足时，启动屋架下弦管网参与放热，这部分热量会提升作物冠层顶部生长点附近的温度。既可用于白天蓄热、解决幼苗等作物低矮时期蓄热面积不足的问题，同时也可用于夜间放热，解决放热位置过高、热量利用不充分的问题；

(2)在作物生长旺期，作物对低温环境的抵抗力相应增强。此时高大植株对地面的遮挡导致地面接收的太阳辐射减少，因此白天集热主要通过屋架上、下弦管网进行；而夜间放热，则仍然以地面管网优先，不足的情况下，再启动屋架下弦管网参与放热。

实际操作是在白天蓄热阶段，当室内气温高于水温，且温差大于等于2℃时，启动地面管网(作物低矮、地面能够接收太阳辐射的条件下)、和屋架上、下弦管网控制水泵，通过管网内水的循环流动，将照射到地面管网以及屋架管网上的太阳辐射热收集并带到地下蓄水池中，水体被加热，热量得到蓄积；当室内空气温度和水温之差小于2℃时，屋架集热系统运行停止。夜间放热阶段，当室内气温低于设定温度，且低于水温2℃时，首先启动地面管网控制水泵，水池中温热的水在地面管网中循环，热量通过地面管网释放到地表附近区域，即作物的根部；在加热根部土壤及空气环境的同时，因为热空气上浮的原理，也会逐渐加热上部冠层空间；在极端寒冷天气情况下，室内环境温度持续降低，地面散热系统不足以维持温室内部温度恒定时，同时启动屋架下弦管网控制水泵，热量可以通过地面管网和屋架下弦管网同时散发到室内，提高作物根部和冠层顶部温度。由于在屋架下弦与上弦及透光面有30cm以上的间距，可以有效避免原专利技术中上弦管网放热方式下、一部分热量从屋面直接耗散出去的问题，有利于提高蓄积热量的利用效率。

本系统可以针对不同作物以及作物不同阶段生长采取不同的调控方式，总共有四种调控方法：

(1)集热(地面管网+屋架上、下弦管网)/放热(地面管网)。该种调控模式，优势在于充分利用了照射到地面的太阳能。适用于作物生长幼苗期或植株矮小的作物。白天，幼苗期或者植株矮小的作物，遮荫小，温室地面走道依然可以接收到大量太阳光，位于此处的地面管网可以吸收太阳辐射热，通过水循环，蓄积到水池中；屋架集热采用上弦、下弦同时供水的方法，同样通过水循环，将其吸收的太阳能转化为内能，蓄积到水池中。夜间，在系统检测到温室内气温低于 10℃，且低于水温2℃时，地面管网系统启动，通过水循环将白天蓄积在水池中的热量释放到温室地面附近，起到加热作用。

(2)集热(地面管网+屋架上、下弦管网)/放热(地面管网+屋架下弦管网)。该种调控模式，优点在于白天能够最大限度地收集存储太阳能，夜间也能够最大限地将蓄积的热量释放到温室内。白天集热方式与(1)中的白天集热方式相同；夜间散热，在系统检测到温室内气温低于10℃；且低于水温2℃时，首先启动地面管网系统，通过水循环将白天蓄积在水池中的热量释放到温室地面附近，起到加热作用；当地面散热系统运行时不足以维持温室内部温度时，系统检测到温室内气温低于8℃时，启动屋架散热系统。

(3)集热(屋架上、下弦管网)/放热(地面管网)。该种调控模式，适用于作物植株较高、且夜间室内加热负荷相对较小的场合。高大植株易形成遮阴作用，影响地面集热装置的集热效率，故此阶段只采用屋架集热。屋架集热方式与(1) 中屋架集热方式相同，白天上、下弦管网同时供水，循环蓄热，夜晚仅采用地面管网散热，散热调控方式与(1)相同，适用于作物植株较高、且夜间室内温度较高的季节。

(4)集热(屋架上、下弦管网)/放热(屋架下弦管网+地面管网)。该种调控方法适用于作物植株较高、且夜间室内加热负荷相对较大的场合。高大植株易形成遮阴作用，影响地面集热装置的集热效率，故此阶段只采用屋架集热。夜间散热则采用屋架管网和地面管网共同启动的方式，调控方法与(2)相同。

Claims (4)

1.一种地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统，所述温室屋架太阳能集放热系统，其屋架是在上弦管和下弦管的中间由腹杆连接而成，屋架固定在东西山墙及北墙上，屋架顶面及南侧屋面以透明塑料薄膜的透光材料覆盖，组成日光温室，即是所述温室屋架太阳能集放热系统；其特征在于，

首先，在温室屋架太阳能集放热系统中，增加地面管网系统，地下蓄水池及控制系统；既用于白天蓄热、同时又用于夜间放热；

其次，将温室屋架太阳能集放热系统分成屋架上、下弦管网以及地面管网三个独立的管网系统，各具有独立的水泵，能够单独运行，形成地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统；将屋架上弦的功能调整为仅具有集热功能；避免热量容易通过屋面损失。

2.根据权利要求1所述地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统，其特征在于，所述屋架上、下弦管网由上弦管、下弦管、上弦供水干管、下弦供水干管、上弦供水支管、下弦供水支管、屋架回水干管，与上弦管网、下弦管网连接的蓄水池水泵、以及相应的独立控制阀组成；其中屋架上弦、下弦管网组成：在上弦管(1)和下弦管(2的中间由腹杆连接而成屋架，屋架固定在东西山墙及北墙(22)上，屋架顶面及南侧屋面以透明塑料薄膜的透光材料覆盖；在上弦管(1)、下弦管(2)的靠近地面段分别连接上弦管电磁控制阀(3)和下弦管电磁控制阀(4)；屋架集热系统上水主管(5)分别连接上弦管电磁控制阀(3)和下弦管电磁控制阀(4)；屋架上水主管通过屋架连接软管(6)分别连接上弦管电磁控制阀(3)和下弦管电磁控制阀(4)；屋架上水主管控制阀(8)和水压流量一体计(21)连接在下弦管电磁控制阀(4)和蓄水池水泵(14)之间；屋架上弦上水主管电磁控制阀(18)和水压流量一体计(21)连接在上弦管电磁控制阀(3)和蓄水池水泵(14)之间；屋架集热系统上弦上水主管道(19)连接在上弦管电磁控制阀(3)和蓄水池水泵(14)之间；蓄水池水泵(14)；屋架回水主管(17)连接屋架管回水口(13)，并插入蓄水池(15)；控制箱(16)固定在北墙(22)上，控制系统的温湿度监测模块(20)支撑在增强型温室屋架下面；保温被(23)固定在屋架顶面；上弦管和下弦管除了满足结构要求之外，应能够承受水循环所需要的必要压力，且表面需要进行涂黑处理，以增强吸热能力。

3.根据权利要求1所述地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统，其特征在于，所述地面管网部分包括地面供水干管、回水干管、行间支管、干管控制阀、支管控制阀、以及水泵组成；其中，地面散热主管控制阀(7)和水压流量一体计(21)连接在地面回水主管(9)和蓄水池水泵(14)之间；地面支管(10)将地面上水主管(11)和地面回水主管(9)连接成地面管网，并通过地面管回水口(12)插入蓄水池(15)；地面管网增强了整个系统的集热能力，管材除了接头处能够承受必要水压的要求。

4.根据权利要求1所述地面辅助增强型温室屋架太阳能集放热系统，其特征在于，所述控制系统包括：控制箱、测温湿度模块、电磁控制阀和管道控制阀。