CN209824626U - 一种日光温室水幕集热地暖加温设施 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于设施栽培领域，具体涉及一种日光温室水幕集热地暖加温设施。本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施由安装在日光温室后墙室内一侧的水幕集热装置、埋入日光温室种植区地下的地暖管、水泵，以及将三者串联的水管构成，串联后三者形成水循环回路。本实用新型还提供用于所述日光温室水幕集热地暖加温设施的一种水幕集热装置。本实用新型的水幕集热地暖加温系统以太阳辐射产生的热量为能源、水幕为集热器、水为媒介、地暖管为介质、温室土壤为储热体，白天可将温室中热量通过水幕提升的热量通过利用水循环通过地暖管传递到温室深层土壤中储存起来；夜间通过温室深层土壤热量的传导与释放，增加植物根区温度和温室气温。

Description

一种日光温室水幕集热地暖加温设施

技术领域

本实用新型属于设施栽培领域，具体涉及一种日光温室水幕集热地暖加温设施。

背景技术

日光温室是中国特有的一种温室型式，在东北、华北和西北地区发展迅速并大面积推广，为冬季蔬菜生产做出了重要贡献。日光温室具有良好的保温蓄热和透光性能，白天通过前屋面透过的太阳辐射，利用后墙、山墙和土壤等自身结构蓄积热量，夜晚通过这些结构与室内空气进行对流换热以提高室内温度。然而，仅仅依靠厚重的后墙以及受墙体材质的限制，导致后墙的蓄热能力有限。在寒冷的冬季尤其是后半夜温室内气温、地温往往较低，低温冷害现象经常发生，严重的影响到植物高效生产，特别是对依靠设施园艺“精准扶贫”的农户带来极大的损失。为了增加日光温室夜间温度，最大化的将白天的热量截留在温室内，科研工作者进行了长期的试验探索。

张峰等利用卵石作为蓄热体，应用于南疆地区的日光温室中，取得了蓄热增温的效果。李天来等利用太阳能水循环系统得出颜色深、厚度为8mm、水流量为4.4～4.5L/h的后墙阳光板集热效果最好，冬季晴天夜晚可提高温室内温度3～5℃，夏季中午可降低温室内温度5～8℃。

杨其长、张义等利用工程学方法，以水为媒介，通过在温室后墙悬挂蓄放热集热水帘，白天主动的将进入温室内的太阳辐射截获，并储存在水池中，夜晚释放出来提高室内温度。方慧等以浅层土壤为蓄热体，水为热量交换媒介，引入地源热泵，通过数学模拟结合地埋管试验的方式来提高温室后半夜的温度，得出浅层土壤最佳管埋深度为36cm最为合适。戴巧丽等利用太阳能空气集热器将白天室内的高热空气通过风机吹入地下管道中以此来蓄积在土壤中。

实用新型内容

本实用新型设计了一种用于日光温室的水幕集热地暖加温设施，简称水幕地暖，系统以太阳辐射产生的热量为能源、水幕为集热器、水为媒介、地暖管为介质、温室土壤为储热体，白天将温室中的热量通过水幕提升的热量通过利用水循环通过地暖管传递到温室深层土壤中储存起来；夜间通过温室深层土壤热量的传导与释放，增加植物根区温度和温室空气温度。

本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施，由安装在日光温室后墙室内一侧的水幕集热装置、埋入日光温室种植区地下的地暖管、水泵，以及将三者串联的水管构成，串联后三者形成一个水循环回路。

所述水循环回路，水流方向按顺序流经水泵-地暖管-水幕集热装置-水泵形成水循环回路，以减少水流对水幕集热装置的冲击，降低由此损坏水幕集热装置的概率。

所述水泵优选安装在一个水桶内。

所述水泵的功率优选为0.5-1.5kw。

所述地暖管，铺设在日光温室种植区地下20-50cm深处，来回铺设多排。

所述地暖管采用PE管，PVC管，或EVA管，优选PE管。

所述地暖管直径10-16mm。

本实用新型所述日光温室水幕集热地暖加温设施的使用方法具体如下：以水泵驱动水沿着日光温室水幕集热地暖加温设施的水循环回路流动，流经水幕集热装置时水吸收太阳能蓄热升温，流经地暖管时水将热量传导给种植区土壤，提升种植区土壤温度，进而通过土壤与空气接触提升空气温度。

所述日光温室水幕集热地暖加温设施在白天运行，优选在太阳辐射较强的时段运行4-6小时，新疆地区优选晴天14:00-18:00运行4小时。

晚上一般情况下为土壤被动散热，热量传导由储存到深层土壤的热量，传递到浅层土壤，再传递到表层土壤加热温室空气，只有在极端寒冷的条件下才在晚上开启日光温室水幕集热地暖加温设施，从水幕集热装置向空气中释放热量，协助提高温室夜间气温。

本实用新型还提供用于所述日光温室水幕集热地暖加温设施的一种水幕集热装置，其由一个或数个水幕集热单元构成，各单元之间通过水管相连；所述集热单元以除接水管的位置之外四边封闭形成内腔的两层方形塑料外膜为主体；在内腔中沿方形的上边水平设置一条管状塑料内膜，管状塑料内膜底部打有多个小孔；在内腔中、管状塑料内膜的下方，设有竖放的导流片；管状塑料内膜的一端连接水管进水，内腔底部连接水管出水。

所述集热单元，平展地挂在日光温室内后墙前方。为了实现将集热单元平展地挂在日光温室内后墙前方，可在两层方形塑料外膜封闭的上边设数个挂孔，以便以挂钩或者绳子等挂起来。

所述管状塑料内膜底部打有多个小孔，为沿管状延伸方向等间距在管状塑料内膜底部打小孔。

所述方形包括正方形和长方形。

所述导流片以PE，PVC，EVA等材质中的一种或多种制成，优选以PE材质制成。

所述导流片为网状导流片优选为多层复合的网状结构，例如菱形编制的多层复合网状结构，一次成型，水的透过性好。

本实用新型所述水幕集热装置的使用方法具体如下：

水管将水导入水幕集热装置水幕集热单元的管状塑料内膜，水沿着管状塑料内膜流动时从其底部的小孔流到内腔中的导流片上，沿着导流片流到内腔底部，并沿水管流出。

本实用新型的有益效果如下：

1)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施以太阳辐射产生的热量为能源、水幕为集热器、水为媒介、地暖管为介质、温室土壤为储热体，白天将温室中的热量通过水幕提升的热量通过利用水循环通过地暖管传递到温室深层土壤中储存起来；夜间通过温室深层土壤热量的传导与释放，增加植物根区温度和温室空气温度。

2)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施利用了地暖面积大、土壤储热放热缓慢的特点，使得温室内温度均匀缓慢地变化。经试验，在新疆地区没有加温设备的日光温室中安装本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施，升温需要3-5天，降温也需要多日，变化平缓，冬至时温室内地温维持在20℃以上，气温维持在10℃以上，避免了冷害的发生。

3)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施优选将水泵装在水桶内，以减少水流对地暖管或水幕集热装置的冲击。本实用新型优选水流方向按顺序流经水泵-地暖管-水幕集热装置-水泵形成水循环回路，以减少水流对更容易损坏的水幕集热装置的冲击。由此可大大降低本实用新型日光温室水幕集热地暖加温设施的损坏率。

4)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施采用改进的水幕集热装置，利用流到内腔底部的水的重量，将水幕集热单元的两层外膜坠直，相互紧贴，压着内部从管状塑料内膜底部小孔中流出的水沿着两层外膜之间的导流板流动，不回出现水流冲坏薄膜的情况，且水流均匀，在水幕中形成一层薄薄的均匀的水膜，快速带走塑料膜表面阳光加热的热量，低成本的实现了太阳光的集热。

5)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施可采用可实现水幕集热的现有技术装置，更优选采用本实用新型改进的水幕集热装置，该水幕集热装置以塑料膜和导流片构成，利用塑料的加热粘合的工艺可一体成型，原料成本低廉，加工方式简单，后期维护更换的成本低，易于在全国推广。

6)本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施采用改进的水幕集热装置，直接平展地挂在日光温室内后墙前方即可，安装方式简单，易于推广。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中日光温室水幕集热地暖加温设施结构示意图。

图2为本实用新型实施例2中水幕集热单元的结构示意图，左图为正面图，右图为侧面图。

其中，1为水幕集热装置，11为水幕集热单元，111为方形塑料外膜，1111为挂孔，112为管状塑料内膜，1121为小孔，113为导流片，2为地暖管，3为水泵，31为水桶，4为水管。

具体实施方式

以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

本实施例设计了一种水幕集热地暖加温系统简称水幕地暖，系统以太阳辐射产生的热量为能源、水幕为集热器、水为媒介、地暖管为介质、温室土壤为储热体，白天将温室中的热量通过水幕提升的热量通过利用水循环通过地暖管传递到温室深层土壤中储存起来；夜间通过温室深层土壤热量的传导与释放，增加植物根区温度和温室空气温度。

试验温室位于新疆维吾尔自治区和田县和谐新村设施农业科研基地(北纬28.7°、东经79.8°)。日光温室东西走向，坐北朝南，温室方位角为0°。温室长度60m，跨度8.5m，脊高3.95m，后墙高2.55m，后墙与两侧山墙为厚度0.48m的砖墙，砖墙外贴0.1cm厚的泡沫板保温。温室透明覆盖材料为PO膜，前坡面夜间用棉被进行覆盖保温，冬季无加温设施。

本实施例的日光温室水幕集热地暖加温设施结构示意图见图1。

本实施例的日光温室水幕集热地暖加温设施，由安装在日光温室后墙室内一侧的水幕集热装置1、埋入日光温室种植区地下的地暖管2、水泵3，以及将三者串联的水管4构成，串联后三者形成一个水循环回路。

所述水循环回路，水流方向按顺序流经水泵3-水幕集热装置1-地暖管2-水泵3形成水循环回路，或水流方向按顺序流经水泵3-地暖管2-水幕集热装置1-水泵2形成水循环回路。本实施例选水流方向按顺序流经水泵3-地暖管2-水幕集热装置1-水泵3形成水循环回路，以减少水流对水幕集热装置的冲击，降低由此损坏水幕集热装置的概率。

水泵3装在一个水桶31内。本实施例所用的为1立方米的水桶。

本实施例所用水泵3为潜水泵，功率为1.5kW，流量18立方米/h，扬程15m。

所述地暖管2，铺设在日光温室种植区地下40cm深处。采用PE管，直径16mm粗。

本实施例所用水幕集热装置1可参考现有技术已有的装置，也可使用实施例2中的水幕集热装置。

本实施例日光温室水幕集热地暖加温设施的使用方法具体如下：以水泵3驱动水沿着日光温室水幕集热地暖加温设施的水循环回路流动，流经水幕集热装置1时水吸收太阳能蓄热升温，流经地暖管2时水将热量传导给种植区土壤，提升种植区土壤温度，进而通过土壤与空气接触提升空气温度。

日光温室水幕集热地暖加温设施在白天运行，选在太阳辐射较强的时段运行，新疆地区一般晴天14:00-18:00运行4小时。

实施例2

本实施涉及用于所述日光温室水幕集热地暖加温设施的一种水幕集热装置1，其由2个水幕集热单元11构成，各单元之间通过水管相连；所述集热单元的结构示意图见图2，其以除接水管4的位置之外四边封闭形成内腔的两层方形塑料外膜111为主体；在内腔中沿方形的上边水平设置一条管状塑料内膜112，管状塑料内膜112底部打有多个小孔1121；在内腔中、管状塑料内膜112的下方，设有竖放的导流片113；管状塑料内膜112的一端连接水管4进水，内腔底部连接水管4出水。

所述集热单元11，以挂孔1111平展地挂在日光温室内后墙前方。

所述管状塑料内膜112底部打有多个小孔1121，为沿管状延伸方向等间距在管状塑料内膜112底部打小孔1121。

本实施例的方形采用的是长方形，长30m，宽1.5m，共两个长方形。本实施例中的温室长60m。

导流片113为菱形编制的多层复合网状结构，PE材质制成。

本实施例所述水幕集热装置的使用方法具体如下：

水管4将水导入水幕集热装置1水幕集热单元11的管状塑料内膜112，水沿着管状塑料内膜112流动时从其底部的小孔1121流到内腔中的导流片113上，沿着导流片113流到内腔底部，并沿水管4流出。

实施例3

采用实施例1中安装了水幕集热地暖加温设施的试验温室为处理，所用水幕集热装置采用实施例2中的装置，以经测定与试验温室安装水幕集热地暖加温设施之前温室性能参数基本一致的温室为对照。

试验期间处理和对照温室内12月14日定植整齐一致的番茄苗，严格按照番茄越冬季栽培技术进行管理。

试验时间是2018年12月7日至2019年l月29日，晴天时试验温室冬季棉被开放。根据当天气温及光照，12月12日(典型晴天)10：30开棉被，20：00关棉被，风口开关时间为15：30～16：10，水幕地暖系统运行时间为14：00～18：00，对照温室棉被与风口开闭时间与试验温室管理相同，每间隔10min记录各测点的温度。

土壤分层温度测量：在试验温室与对照温室的中部布置土壤温度测点，试验温室中土壤温度测点深度分别是10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm和40cm处，对照温室土壤温度测点深度分别是10cm、20cm、30cm和40cm，热电偶传感器探头用锡纸进行包裹。

空气温度测量：在试验温室与对照温室的中部布置空气温度测点，测点高为1m，室外空气温度测点距离温室前沿1m处，高度为1m，热电偶传感器探头用锡纸进行包裹。

进出水口温度：在试验温室地暖管2与水幕集热装置1连接处将热电偶传感器探头伸入测量进水口温度，在水幕集热装置1下方水管出水口放入热电偶传感器探头测量出水口温度，热电偶传感器探头用锡纸进行包裹。

番茄株高、茎粗测量:试验与对照温室各随机选取30株番茄，于1月28日进行测量。株高测定是从植株子叶节到主茎顶端(即生长点)的距离，采用卷尺测量，茎粗测定为用游标卡尺测量番茄第2～3片叶间茎粗，采用十字交叉法取其平均值。

数据处理

温度测试选用常州安柏(Applent)AT4808型温度自动记录仪，温度传感器探头为热电偶型，温度精度±0.2℃，测量范围-200℃～1300℃。采用Excel2010和DPS7.05进行数据分析。

结果与分析

水幕集热地暖加温系统对地温的影响

在地暖管深埋40cm时，对试验温室各土层温度进行连续15天的跟踪测量。12月8日到12月17日属于晴天，各层土壤温度整体呈现缓慢上升的趋势，然后趋于稳定，说明温度在逐渐的蓄积在土壤中。12月18日到12与20日属于阴天(多云)，各层土壤温度整体呈现缓慢下降的趋势，说明晴天蓄积在土壤中的热量正在缓慢的释放出来。本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施利用了地暖面积大、土壤储热放热缓慢的特点，使得温室内温度均匀缓慢地变化。经试验，在新疆地区没有加温设备的日光温室中安装本实用新型的日光温室水幕集热地暖加温设施，升温需要3-5天，降温也需要多日，变化平缓，冬至时温室内地温维持在20℃以上，气温维持在10℃以上，避免了冷害的发生。

试验温室典型晴天各土层温度日变化

试验温室冬季棉被开放根据当天气温及光照，12月12日(典型晴天)10：30开棉被，20：00关棉被，风口开关时间为15：30～16：10，水幕地暖系统运行时间为14：00～18：00。开棉被前，土壤温度从深到浅依次降低；开棉被后由于凌晨室内外气温差和室内气温与土壤温差导致15cm～40cm地温急剧降低，但10cm处土壤温度却短暂上升，由此说明深层土壤温度向表层土壤进行了热传导。水幕地暖系统运行期间，深层40cm处土壤温度逐渐升高，表层地温由于太阳辐射温度也在升高，但低于深层地温，25cm处的土壤温度是最低的，土壤温度在垂直剖面上呈现两头高，中间低的趋势。风口打开期间，由于温室内热辐射降低导致各层土壤温度出现短暂下降。水幕地暖系统关闭后到关棉被前，各层土壤温度呈现下降趋势。关棉被后，表层15cm以内的土壤温度下降最快，而深层地温变化较平缓，夜间土壤各层温度又呈现从上到下依次增大的梯度。

试验温室与对照温室典型晴天温度日变化

试验温室冬季棉被开放依据当天气温及光照，12月12日(典型晴天)10：30开棉被，20：00关棉被，风口开关时间为15：30～16：10，水幕地暖系统运行时间为14：00～18：00，对照温室日常管理与试验温室相同。夜间在室外温度零下5℃左右时，试验温室内空气温度保持在10℃以上，说明白天通过水幕地暖系统储存在土壤中的热量在夜间缓慢的释放到空气中以此来提高夜间温室内空气温度，而对照温室夜间温度低于试验温室。开棉被后，由于室内外温差导致试验温室内空气温度和水温出现短暂下降，对照温室内空气温度出现短暂下降。当试验温室内温度开始回升时运行系统，水温急剧上升，但上升趋势滞后于试验温室内空气温度。开风口后，由于试验温室内太阳辐射降低导致气温和水温下降，水温下降趋势滞后于空气温度，空气温度下降趋势低于对照温室。

试验温室与对照温室土壤分层温度变化比较

试验与对照温室20cm处土壤温度整体变化趋势相近。夜间，试验温室土壤温度下降趋势大于对照温室，但是却高于对照温室，说明试验温室白天土壤储存的热量夜间正在释放出来以弥补温室内温度。11：00开棉被后，由于室内外温差导致温室土壤温度下降，但是试验温室下降趋势明显小于对照温室，且下降的最低温度也高于对照温室。白天，土壤温度在系统运行前期试验温室与对照温室差异不大，但是在系统运行后期试验温室土壤温度明显高于对照温室。

试验与对照温室30cm处土壤温度整体变化趋势相近。夜间，试验温室土壤温度下降趋势大于对照温室，但是却高于对照温室，说明试验温室白天土壤储存在深层的热量夜间正在向上进行热传导。11：00开棉被后，由于室内外温差导致温室土壤温度下降，但是最低温度高于对照温室。白天，土壤温度在系统运行前期试验温室与对照温室差异不大，但是在系统运行后期试验温室土壤温度明显高于对照温室。

试验温室40cm处土壤温度整体变化幅度明显，而对照温室变化趋势较平缓。夜间，试验温室土壤温度下降趋势明显大于对照温室，但是对应夜间温度却高于对照温室，说明试验温室白天土壤储存在深层的热量夜间正在向上进行热传导。11：00开棉被后，由于室内外温差导致温室土壤温度下降，但是最低温度高于对照温室。白天，系统运行期间土壤温度明显高于试验温室。

试验与对照温室典型晴天同一时刻各层土壤温度对比

10：00(开棉被前)，试验与对照温室地温从深层到地表依次降低，但是由于试验温室地暖管深埋在40cm，因此35cm～40cm地温高于对照温室。16：00(水幕地暖系统运行期间)，试验温室土壤温度变化在垂直剖面上近似于二次函数模型，25cm处土壤温度最低。对照温室土壤温度变化较平缓且对应测点位置土壤温度低于试验温室。

表1不同区域番茄生长指标

区域	株高/cm	茎粗/cm
			试验温室	57a	0.33a
对照温室	40b	0.28b

注：相同列的不同字母表示处理间差异显著(P≤0.05)。

从表1可得，番茄定植45天后，试验温室番茄平均株高为57cm，茎粗为0.33cm；对照温室番茄平均株高为40cm，茎粗为0.28cm。试验温室与对照温室株高和茎粗存在显著差异，采用水幕集热地暖加温系统的温室番茄植株长势明显好于对照温室。

结论与讨论

应用水幕集热地暖加温系统的提温效果是明显的，通过本次试验可以得出以下结论：

1)在地暖管深埋40cm处土壤时，经过水幕集热地暖加温系统多天运行得出，在晴天条件下各层土壤温度随时间呈现整体上升趋势，说明土壤温度正在慢慢储存在土壤中。阴天条件下，各层土壤温度不是急剧下降而是随时间呈现缓慢下降趋势，说明晴天储存在土壤中的温度正在缓慢释放出来。

2)在白天，水幕集热地暖加温系统运行期间，土壤温度不断升高，在垂直剖面上，呈现两头高，中间25cm处土壤温度低的分布。在夜间，储存在深层土壤中的温度通过热传导缓慢的释放出来，各层土壤温度基本保持在12℃以上，作物根区温度基本维持在16℃以上。

3)采用水幕集热地暖加温系统的温室番茄植株长势明显好于对照温室，说明冬季在不加温的情况下使用水幕集热地暖加温系统可以进行果菜类植物的越冬栽培，增加效益。

水幕集热地暖加温系统不仅成本低最重要的是冬季加温效果明显，传统日光温室在不加温的情况下夜间增温热源主要依靠后墙(另一热源是温室内的地面)来被动的提高温室空气温度，而温室内地面温度反降不升，植物根温流失造成逆境。温室内的地面由于接受太阳辐射较低导致热量蓄积较少，长期以来被忽略。厚重的后墙不仅占地面积大、建设成本高，而且蓄热潜力也不及地面。水幕集热地暖加温系统巧妙的解决了传统温室依靠后墙蓄热功能，有效的利用了温室地面这个巨大的蓄热体，将热量进行时间与空间的转移。白昼通过水幕主动的将进入室内的太阳辐射进行截获，通过水循环系统将热量传导到温室深层土壤并储存起来，夜间储存在深层土壤中的热量被动的从下到上释放出来，主动的提高植物根系温度与室内空气温度，在解决植物越冬生产中应用前景广阔。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种日光温室水幕集热地暖加温设施，其特征在于，由安装在日光温室后墙室内一侧的水幕集热装置、埋入日光温室种植区地下的地暖管、水泵，以及将三者串联的水管构成，串联后三者形成一个水循环回路。

2.如权利要求1所述的日光温室水幕集热地暖加温设施，其特征在于，所述水循环回路，水流方向按顺序流经水泵-地暖管-水幕集热装置-水泵形成水循环回路。

3.如权利要求1所述的日光温室水幕集热地暖加温设施，其特征在于，所述水泵安装在一个水桶内。

4.如权利要求1所述的日光温室水幕集热地暖加温设施，其特征在于，所述地暖管，铺设在日光温室种植区地下20-50cm深处。

5.用于权利要求1-4任一项所述日光温室水幕集热地暖加温设施的一种水幕集热装置，其由一个或数个水幕集热单元构成，各单元之间通过水管相连，其特征在于，所述集热单元以除接水管的位置之外四边封闭形成内腔的两层方形塑料外膜为主体；在内腔中沿方形的上边水平设置一条管状塑料内膜，管状塑料内膜底部打有多个小孔；在内腔中、管状塑料内膜的下方，设有竖放的导流片；管状塑料内膜的一端连接水管进水，内腔底部连接水管出水。

6.如权利要求5所述的水幕集热装置，其特征在于，所述集热单元，平展地挂在日光温室内后墙前方。

7.如权利要求5所述的水幕集热装置，其特征在于，所述管状塑料内膜底部打有多个小孔，为沿管状延伸方向等间距在管状塑料内膜底部打小孔。