CN213907883U - 一种立体水培作物的根温智能调控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种立体水培作物的根温智能调控系统，属于温室装备与技术领域。本实用新型包括根部供液单元和液温控制单元，根部供液单元包括营养液精准供给系统和营养液加热储存装置，营养液精准供给系统和营养液加热储存装置通过根部对靶供液管与作物的根部相对；液温控制单元包括隔热保温层和相变材料加热储存装置，隔热保温层位于作物栽培槽外侧，且隔热保温层与作物栽培槽外侧之间形成控温层，控温层与相变材料加热储存装置连通。本实用新型能够实现立体水培作物根温的低能耗、均匀、精准高效控制。

Description

一种立体水培作物的根温智能调控系统

技术领域

本实用新型属于温室装备与技术领域，特别涉及一种立体水培作物的根温智能调控系统。

背景技术

水培又称为营养液栽培，是指作物根系直接生长在营养液中的设施无土栽培方式，其可根据作物生长发育的需求，调节养分、温度等根际环境条件，具有集约化、清洁化、智能化生产的良好基础。但常见的以A型架为代表的立体水培方式，存在冬季作物根部积温不足且不均匀的问题，大大降低了作物营养与干物质的积累，导致作物口感等高品质不如土壤栽培，严重影响了水培作物的市场效益和水培技术的快速推广。

中国专利(CN201110298064.0)提出了一种电动立体栽培架，可根据作物不同生长期对温度要求，调节栽培槽高度来改变作物感温层，但实际效果并不理想，且大大降低了设施的土地利用率。陈一飞在《日光温室草莓立体栽培智能控制系统》中提出了适用于土壤栽培的滴灌管和半导体加热线组合的作物根温调控系统，但土培的冬季保温性远优于水培，故该系统难以适用于水培作物。中国专利(CN201620709747.9)提出了一种温室植株根部自动加温装置，通过营养液的供前温度调控和导热管直接对栽培槽内基质或培养液加温的方式，达到控制植株根部温度的目标，但能耗高，且也无法解决栽培槽长度所带来的液温不均匀问题。针对常见温室作物根部自动加温装置的高能耗问题，中国专利(CN110447436A)提出了一种基于低温相变材料储热及辅助电加热的温室栽培架，可通过相变材料和热风循环系统结合，实现作物周围空气温度的低能耗控制，但这种作物加温方式的合理性有待商榷，并且热能传到作物根部的基质或营养液的效率也非常低。综上可见，现有的温室装备与技术，都无法高效地解决立体水培作物所面临的冬季根部积温不足且不均匀的问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在不足，本实用新型提供了一种立体水培作物的根温智能调控系统，以低成本、高效能、均匀、高品质为生产目标，实现立体水培作物全生长周期的根温的低能耗、均匀、精准高效控制。

本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种立体水培作物的根温智能调控系统，包括：

根部供液单元，包括营养液精准供给系统和营养液加热储存装置，营养液精准供给系统和营养液加热储存装置通过根部对靶供液管与作物的根部相对；

液温控制单元，包括隔热保温层和相变材料加热储存装置，隔热保温层位于栽培槽外侧，且隔热保温层与栽培槽外侧之间形成控温层，控温层与相变材料加热储存装置连通；

控制系统，控制营养液精准供给系统的营养液精准配比、营养液加热储存装置的液温以及相变材料加热储存装置的开闭。

所述营养液加热储存装置与根部对靶供液管连接的管道上设有第一供液控制阀，第一供液控制阀的开闭由控制系统控制。

所述营养液精准供给系统与根部对靶供液管连接的管道上设有第二供液控制阀，第二供液控制阀的开闭由控制系统控制。

所述相变材料加热储存装置与控温层连接的管路上设有供料控制阀，供料控制阀的开闭由控制系统控制。

所述控温层内部设有温度传感器。

所述营养液加热储存装置和相变材料加热储存装置由热源提供热能。

所述作物栽培槽设置在立体栽培架上。

本实用新型具有的有益效果为：

本实用新型中，营养液精准供给系统在温室内温度高于适宜作物生长的根部温度T₁时，通过根部对靶供液管对栽培槽中作物根部添加营养液；在温室内温度低于适宜作物生长的根部温度T₁时，营养液加热储存装置内温度为T₁的营养液通过根部对靶供液管添加到作物根部；根据夜晚时间段内n个营养液更换周期内栽培槽热量总损失量，相变材料加热储存装置向控温层中注入液态相变材料，依靠材料相变潜热，栽培槽内营养液的温度被维持在T₁。本实用新型保证给作物提供的营养液温度始终维持的最优根部温度，有利于作物的健康生长，低成本、高效地解决立体水培作物所面临的冬季根部积温不足且不均匀的问题，实现了水培作物均质、高品质的生产目标。

附图说明

图1为本实用新型所述立体水培作物的根温智能调控系统结构示意图；

图2为本实用新型液温控制单元的原理示意图。

图中：1.热源，2.营养液加热储存装置，3.第一供液控制阀，4.营养液精准供给系统，5.第二供液控制阀，6.根部对靶供液管，7.作物，8.供料控制阀，9.相变材料加热储存装置，10.立体栽培架，11.控制系统，12.隔热保温层，13.控温层，14.温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明，但本实用新型的保护范围不限于此。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，一种立体水培作物的根温智能调控系统，由立体栽培架10、根部供液单元、液温控制单元及控制系统11组成；立体栽培架10用于实现作物7在温室内立体空间上的水培栽培作业，根部供液单元的根部对靶供液管6、液温控制单元均安装于立体栽培架10上。

如图1所示，根部供液单元包括营养液精准供给系统4(王雅芳.一种全自动水肥一体化系统的设计与实现[D])、营养液加热储存装置2(CN201920090615.6，一种农田专用水肥一体化加氧加温灌溉设备)、若干根部对靶供液管6、第一供液控制阀3和第二供液控制阀5；营养液精准供给系统4的营养液精准配比、营养液加热储存装置2的液温控制以及第一供液控制阀3和第二供液控制阀5的开闭，均由控制系统11实现。根部对靶供液管6与立体栽培架10上栽培槽中的作物7位置对应分布，每条根部对靶供液管6的出液口对准每个作物7的根部位置；根部对靶供液管6分别与营养液精准供给系统4、营养液加热储存装置2的供液管道连接，营养液精准供给系统4与根部对靶供液管6连接的管道上设有第二供液控制阀5，营养液加热储存装置2与根部对靶供液管6连接的管道上设有第一供液控制阀3，通过第二供液控制阀5、第一供液控制阀3分别控制供液管道的开闭。

如图2所示，液温控制单元包括控温层13、隔热保温层12、相变材料、相变材料加热储存装置9(王宏丽.温室中应用相变储热技术研究进展[J])和温度传感器14；隔热保温层12位于作物栽培槽外侧，且隔热保温层12与栽培槽外侧之间留有空间，形成控温层13；控温层13一侧上边缘设有液态相变材料加注口，液态相变材料加注口与相变材料加热储存装置9连接，且液态相变材料加注口与相变材料加热储存装置9连接的管路上设有供料控制阀8，实现由供料控制阀8控制控温层13液态相变材料的进料量，供料控制阀8的开闭由控制系统11控制。温度传感器14位于控温层13内部的两侧和底部，温度传感器14采集的温度数据传输给控制系统11。

如图1所示，营养液加热储存装置2与相变材料加热储存装置9的热能均来自于热源1(马坤茹.新型太阳能/空气能直膨式热泵与空气源热泵供热性能对比[J])，热源1将温室内的空气能与太阳能转化为热能。

一种立体水培作物的根温智能调控系统按照如下步骤进行实现：

步骤(1)，根据农艺要求，确定水培作物在特定生长周期的最优根部温度为T₁；测定栽培槽一个营养液更换周期内，营养液的热量损失Q；由以上述条件为依据，获取满足最优根部温度T₁和营养液的热量损失Q的相变材料，其相变温度为T₁、比热容为C、相变潜热为H；将确定的相变材料置于相变材料加热储存装置9中；

步骤(2)，白天时段，当温室内温度(由设置在温室内的温度传感器实时获取，并传输给控制系统11)高于T₁时，控制系统11开启营养液精准供给系统4进行营养液精准配比，并控制第二供液控制阀5开启，通过根部对靶供液管6，对栽培槽中的作物7根部位置添加营养液；同时，控制系统11开启热源1将温室内的空气能与太阳能转化为热能，给营养液加热储存装置2、相变材料加热储存装置9提供热能，控制系统11通过控制热源1的开闭，保证营养液加热储存装置2内营养液温度为T₁，并获取相变材料加热储存装置9内液态相变材料的温度T₂(T₁和T₂分别由设置在营养液加热储存装置2和相变材料加热储存装置9内部的温度传感器获取)；

步骤(3)，夜晚时段，当温室内温度低于T₁时，控制系统11控制第二供液控制阀5关闭、第一供液控制阀3开启，通过根部对靶供液管6将营养液加热储存装置2内温度为T₁的营养液添加到栽培槽中的作物7根部位置；

步骤(4)，同时，控制系统11获取夜晚时间段内n个营养液更换周期内栽培槽热量总损失量为nQ，并开启供料控制阀8，控制控温层13中液态相变材料的进料量为m，栽培槽热量总损失量和进料量满足如下关系式：nQ＝mC(T₂-T₁)+mH；夜晚时间段，栽培槽内营养液热量损失较快，营养液加热储存装置2提供的营养液温度会逐渐低于T₁，当液态相变材料被注入控温层13后，由于隔热保温层12存在，液态相变材料会单一向栽培槽内营养液传递热能，将栽培槽内营养液的温度升高至T₁；同时，液态相变材料逐渐固化，其温度降至T₁，并依靠材料相变潜热，栽培槽内营养液的温度被维持在T₁；

步骤(5)，当控温层13空间无法满足进料量m的需求时，控制系统11通过温度传感器14实时获取控温层13内相变材料的温度，当其温度低于T₁时，发出预警信号，人工快速拆卸隔热保温层12，并拆除已经固化的液态相变材料m₁，清空控温层13，并重复步骤(4)的操作，重新注进液态相变材料，其量为m-m₁，如此，低成本、高效能地实现了立体水培作物全生长周期的根温精准高效控制。

所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，包括：

根部供液单元，包括营养液精准供给系统(4)和营养液加热储存装置(2)，营养液精准供给系统(4)和营养液加热储存装置(2)通过根部对靶供液管(6)与作物(7)的根部相对；

液温控制单元，包括隔热保温层(12)和相变材料加热储存装置(9)，隔热保温层(12)位于作物栽培槽外侧，且隔热保温层(12)与作物栽培槽外侧之间形成控温层(13)，控温层(13)与相变材料加热储存装置(9)连通。

2.根据权利要求1所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，还包括控制系统(11)，控制营养液精准供给系统(4)的营养液精准配比、营养液加热储存装置(2)的液温以及相变材料加热储存装置(9)的开闭。

3.根据权利要求2所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述营养液加热储存装置(2)与根部对靶供液管(6)连接的管道上设有第一供液控制阀(3)，第一供液控制阀(3)的开闭由控制系统(11)控制。

4.根据权利要求2所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述营养液精准供给系统(4)与根部对靶供液管(6)连接的管道上设有第二供液控制阀(5)，第二供液控制阀(5)的开闭由控制系统(11)控制。

5.根据权利要求2所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述相变材料加热储存装置(9)与控温层(13)连接的管路上设有供料控制阀(8)，供料控制阀(8)的开闭由控制系统(11)控制。

6.根据权利要求1所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述控温层(13)内部设有温度传感器(14)。

7.根据权利要求1所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述营养液加热储存装置(2)和相变材料加热储存装置(9)由热源(1)提供热能。

8.根据权利要求1所述的立体水培作物的根温智能调控系统，其特征在于，所述作物栽培槽设置在立体栽培架(10)上。

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