CN217986106U - 一种水气内循环花盆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种水气内循环花盆，该水气内循环花盆包括花盆本体，所述花盆本体的盆壁内部设置有多组各自独立的第一管路、第二管路和第三管路，所述第一管路、第二管路和第三管路沿盆壁内部竖向设置。本实用新型实现了花盆具备既能可靠透气又能有效保水保湿的性能。

Description

一种水气内循环花盆

技术领域

本实用新型属于花卉种植技术领域，尤其涉及一种水气内循环花盆。

背景技术

盆栽植物能够改善室内空气质量，提高氧气含量，降低二氧化碳含量，调节空气湿度，也具有观赏价值，因此能够营造宜人的工作和生活环境，有益于人体身心健康。

由花盆和土壤构成了盆栽植物根系部分存活生长的独立生态环境，可以视为一个人工的盆栽系统。这个人为构建的生态系统虽然方便人类搬运、摆放，但是从植物生长的角度来说弊端很多，显然并不利于植物长期存活生长。

与自然环境中的生态系统相比较，盆栽系统最明显的弊端在于土壤体量方面的巨大差异和花盆的物理隔离这两个方面，并对植物生长造成以下的不利情况：

1)、盆栽系统的蓄水能力大幅降低。

在适宜植物生长的自然环境中大地是个规模巨大的蓄水体。土地天然的透水性能和保水性能可以长期保障无数植物能够从不同深度的土层中汲取水份，在漫长的生命周期中植物所需要的水份也完全依赖地层中的水份供给。而盆栽系统显然不具备土壤的体量优势，蓄水能力不足。由于花盆的物理隔离，除自然降雨之外，盆土不能从周围环境中自动获得充足的水份，只能依赖人工不断的供水，才能满足植物生存需要。一旦人工供水不足，则会直接导致植物缺水打蔫、枯萎死亡。

2)、盆栽系统的排涝能力和保水能力大幅降低。

与适宜植物生长的自然环境相比较，盆土的排涝性能取决于盆土的土质属性和花盆的排涝结构，并且直接与人工供水量有着紧密关联。如果人工浇灌量过多，花盆的排水通道出现堵塞或者盆土板结都能导致盆栽系统的疏水性降低，就会造成花盆内积水。植物根系长期浸泡水中，就会出现沤根、烂根，进而造成植物死亡。而在自然环境中，大地土壤的构成元素丰富多样，有疏有密，再加上地下生物种类繁多，构筑有各种复杂的生态孔洞系统，因此土壤中遍布有大大小小的孔隙通道，并且广泛具有连通性，所以大地土壤的疏水能力很强。自然降水能够快速渗入到土壤中，在重力作用下沿着地面下各种孔隙通道进入到地下水饱和地层中蓄存起来。因此大地土壤的孔隙结构既保证了疏水性，又具备了储水性，提供了植物根系生存的必要条件。而盆栽系统由于土壤体量的大幅减少，其保水能力因此随之降低。在自然环境中，植物根系没有隔离性的物理约束，能够在土壤中自由生长至最佳的汲水土层获取水份。但花盆壁约束了植物根系生长的物理空间，使得植物对于盆栽系统环境变化的适应能力也相应变弱。

3)、盆栽系统的供氧能力大幅降低。

与适宜植物生长的自然环境相比较，盆土体量大幅减少导致土壤中的气态氧总量有限，再由于花盆的物理封闭和隔离，导致土壤换氧效率也大幅削弱。盆土的总体含氧量取决于土壤的孔隙率、疏松程度以及与外部环境空气的交换效率。由于花盆的物理包裹结构限制了植物根系的伸展空间，因此植物根系自主生长的获氧能力也一并受到限制，只能依赖盆栽系统自身的氧气交换性能。当盆土内部的透气性变差，盆土的换氧通道被封闭，植物根系就会呼吸不畅，造成无氧呼吸，产生不利于根系存活的酒精物质，进而导致根系腐烂死亡。另外在缺氧环境中，也容易滋生细菌、霉菌等有害微生物，进一步消耗盆土中的氧气，侵蚀植物根系导致根系坏死。

4)、盆栽系统的储热能力大幅降低。

在昼夜更替和气候变化过程中，自然环境的温度会不断变化形成温差。与适宜植物生长的自然环境相比较，盆土体量大幅减少导致盆栽系统储热能力不足，盆土的保温、恒温能力下降。一般情况下大多数植物根系生长的适宜土温(5～10厘米土层中)为15～28℃，土壤温度低于12℃或高于35℃都不利于根系的生长。由于花盆和盆土的导热系数较大(加草粘土导热系数：0.58～0.76W/(m·K)，常规陶瓷花盆导热系数：0.8～1.5W/(m·K)，因此外部环境温度对盆栽植物根系的影响更加显著。例如夏天阳光长时段照射花盆，花盆就会升温发烫，贴近盆壁的植物外围根系就会被烫死烫伤，而在低温冰冻天气时，植物根系则容易被冻死冻伤。

5)、盆栽系统无法自动获取水肥养料。

在适宜植物生长的自然环境中，遍布着各种无机物元素和天然的有机物肥料，经过自然雨水稀释、流动都会渗透到土壤中，植物根系再从土壤中吸收这些营养物质。对于盆栽系统，植物的肥料只能依赖人工补充供给。如果不施肥或欠施肥，植物生长就不茂盛，但如果施肥不当，施肥次数频繁，或者化学肥料的浓度太高，就会烧伤植物根系，直接导致根系坏死腐烂。

结合以上分析，花盆作为构成盆栽系统的关键部分，除了容纳土壤的基本功能外，还需要针对上述五个方面的弊端进行优化和完善，进而提高花盆-盆土构成的盆栽系统的生态适宜性，提高盆栽土培植物的成活率，提高花盆对于多种应用场景和气候环境的普遍适用性。

花盆长期以来都是带底孔的单层陶泥盆，采用陶瓷烧结工艺制作。这种单层带底孔花盆的结构方案除了上述五个方面的弊端之外，对于淡水资源的有效利用比较低，普遍造成淡水资源浪费。为了防止浇花后水流到地面或桌面上，人们又使用塑料托盘将富余的自由水收集起来。但是托盘内的水并没有再次利用，全部蒸发耗散到空气中。而且塑料托盘的款式和颜色比较单调乏味，与花盆搭配使用后往往显得很不协调，降低了盆栽植物的观赏价值和美感。塑料托盘大多采用PVC塑料注塑成型，风吹日晒后容易老化、发黄、变脆，因此耐用性也比较差。

在此之后花盆的结构得到了一定的改良，出现了有夹层花盆、双层花盆、套装式花盆等具备较好的存水保湿功能的花盆，但是花盆的透气性能被削弱了，对于有些不耐潮湿环境的植物品种不适合使用。

有的设计方案是在花盆盆壁上直接开设一定数量的透气孔洞，固然提高了盆土的透气性，但是却降低了盆土的保水、保湿能力，导致盆土浇水后干燥速度过快，水资源的有效利用率大幅降低，增加了人工浇灌的频次，无形中增加了水资源的消耗，而且在高温高热的夏季和强通风环境中容易导致盆土干旱过快、植物缺水萎蔫。这种盆壁上开设孔洞的方案同时也降低了盆栽系统的储热能力，盆土升温、降温过快，在昼夜温差较大的地区反而对植物根系的生长更加不利。

中国实用新型专利CN210275218U公开了一种花盆，包括外花盆，外花盆中设有一个内花盆，内花盆与外花盆的形状相同，内花盆底部与外花盆底部是一体结构的盆底，盆底上设有排水孔，内花盆侧壁与外花盆侧壁之间设有用来放置水或者营养液的空腔，所述内花盆外部设有一个套筒，套筒内孔与内花盆外壁配合转动连接，套筒侧壁与内花盆侧壁上一同设有进水孔，分别记为第一进水孔和第二进水孔，进水孔可以将空腔内的水或者营养液导入内花盆中，快速充分对土壤进行湿润，通过转动套筒可以调节第一进水孔和第二进水孔的重合孔大小来调节水流量的大小。

上述技术方案通过控制套筒和内层花盆壁上的浇灌孔开闭大小来控制浇水量，但是其并没有解决现实中如何判断浇水量的问题。当花盆内部被盆土填充以后，用户根本无法透视了解花盆内部进水孔开闭大小的具体情况，仅从盆土表面湿润状况也无法解读盆土内部水量具体有多少，或者水量是否合适。并且花盆空腔隔层储水体积也十分有限，会存在存水量不足的情况，这样便无法保障土壤湿润。

其次，上述技术方案的花盆空腔隔层内储存有水或营养液，当套筒开孔对位开通时，水会自动流入盆土内，同时水位降低。此时，花盆空腔层内部空间由空气填充，但由于空腔上口结构开放，因此外部环境空气将通过内层花盆壁上的小孔直接与盆土接触，无法形成盆土内部的湿空气内循环。由于外部环境空气的流动性，通常情况下空气湿度远低于浇水后湿润盆土中的空气湿度，外部环境的空气温度在白昼时也普遍高于盆土内的空气温度，此时由于内层花盆壁上较多孔洞的存在，花盆透气性能提高，但花盆保湿性能降低，将导致盆土内的水份过快蒸发耗散，盆土温度也会升温过快，容易导致盆土过热干旱，反而不利于植物根系生长。在夏季高温环境中极易导致盆栽植物缺水打蔫的情况。在秋冬季大幅降温环境中又容易导致盆土降温过快而冻伤植物根系。因此该技术方案便落入花盆结构设计中的瓶颈问题——即“透气不保水，保水不透气”的困境之中。

以上现有的花盆结构方案只着眼于解决盆栽系统的单一问题，对于解决盆栽系统的诸多弊端缺乏一个比较系统性和全面性的解决方案。由于受限于花盆制造材料和工艺的限制，花盆的结构方案出现了设计瓶颈，造成了“保水不透气，透气不保水”的困境。

面对如何解决盆栽系统的单一问题，还有的解决方案是在花盆中增加电动泵送装置和自动检测装置，通过电动泵送装置和自动检测装置，能够从花盆底部的水源容器中抽吸提灌，实现循环浇灌。这种方案虽然向着智能花盆的方向在进步，但是这样做也意味着需要增加额外的电能消耗，加装相应的电子仪器和电动设备，也意味着花盆的制造成本和维护成本的上升，实际的市场表现也差强人意。

因此对于花盆结构的创新和发展，不能局限于只考虑花盆与外部环境的空气、水之间的相互作用，而是要对花盆和盆土之间的关联性以及系统性进行更加深入、全面的认知和分析。把花盆—盆土视作一个整体的盆栽系统，该盆栽系统中空气、水的相互作用关系和变化过程，以及外部环境变化对盆栽系统的影响都需要进行系统梳理。外部环境对于盆栽系统的影响也不仅仅是一个简单的透气问题，不能忽视了在外部环境的作用下盆土内部发生的复杂的水—空气—土壤三者之间的热湿交换情况，忽略了植物在盆栽土培过程中的人—机互动环节，忽略了气候变化和昼夜温差对于盆栽系统施加的重要作用和影响。同时，在观赏价值方面，花盆结构的创新依然具有挖掘潜力。

实用新型内容

为进一步提高盆栽系统结构的保水透气性，解决目前花盆结构存在的不足，本实用新型提供一种既能可靠透气又能有效保水保湿的花盆。

为解决上述技术问题，本实用新型的具体技术方案如下：

一种水气内循环花盆，该水气内循环花盆包括花盆本体，所述花盆本体的盆壁内部设置有多组各自独立的第一管路、第二管路和第三管路，所述第一管路、第二管路和第三管路沿盆壁内部竖向设置；

所述第一管路为水气内循环腔，第一管路的上下两端封闭，在第一管路的管壁上开设有多个内循环支管，该内循环支管将水气内循环腔与花盆本体的内腔连通；

所述第二管路为底部透气通管，所述底部透气通管的上端贯穿花盆顶面并与外界连通，所述底部透气通管的下端与所述花盆本体底部空间连通；

所述第三管路包括中部透气通管，所述中部透气通管的上端贯穿花盆顶面并与外界连通，所述中部透气通管的下端贯穿所述花盆内侧面的中部并与花盆本体的内腔连通。

由此，本实用新型花盆本体的盆壁内部设置水气内循环腔将盆土的上层、中层和底层连通，利用管道空腔中湿空气与各层盆土的热湿交换，建立盆土内部水和空气的内部循环通道。利用盆土不同土层之间的焓差以及外部环境对于盆壁的显热传导，通过内部循环通道结构来增加盆土内部的热湿交换量，进而提高土壤孔隙中湿空气的流动量和交换效率，使得盆土内部土壤的氧气含量，二氧化碳含量，和水蒸气含量能够动态均衡，从而优化盆土环境更加适宜植物根系生长。水气内循环腔和内循环支管设置在花盆盆壁厚度空间内，使得盆壁具备空气夹层，从而提高了花盆的热阻，具备保温隔热性能，在高纬度、高海拔地区、太阳光照强烈地区以及气候严寒、昼夜温差较大等自然生态环境相对恶劣的地区，将会比传统花盆具备更好的气候适应能力，提高盆栽植物的成活率。

同时，底部透气通管一端管道口在花盆本体顶面，管道口另一端在盆壁内侧面底部连通花盆本体底部空间，形成一个连接花盆内部与花盆外部空气的可靠透气通道。底部透气通管能够有效保证外部空气接触盆土存水区的土壤，及时补充新鲜空气，增加该区层盆土的空气含氧量。同时，当花盆内重力水积存较多时，也能够加速积存重力水的蒸发，控制盆内重力水的水量。

而中部透气通管一端管道开口在盆壁顶面，另一端开口在盆壁内侧面中部，形成一个连接花盆内部根系土培区与花盆外部的可靠透气通道。中部透气通管能够有效保证外部空气接触花盆内部根系土培区层的土壤，及时补充新鲜空气，增加该区层盆土的空气含氧量。

为了提高花盆壁厚空间的利用率将辅助调湿管设计在中部透气通管下方。辅助调湿管的主要功能是利用调湿管空腔内湿空气的热湿交换加速盆土存水区底部与根系土培区底部土壤的热湿交换，利用盆内底部积存重力水自身潜热所蕴含的较大焓差，加速花盆底部区层湿空气的局部热湿交换效率，让两个盆土土层之间的湿度更加均衡。辅助调湿管其一端管道开口在盆壁内侧面下部偏上位置，另一端开口在盆壁内侧面底部连通花盆本体底部空间，形成一个连接花盆内部盆土存水区上层与底层的辅助调湿通道。辅助调湿管能够提高花盆底部的重力水与盆土存水区层上部土壤湿空气的热湿交换效率，特别是当花盆内部的重力水接近干涸或者是外部环境温度升高时，能够加快向根系土培区补充水份的效率，应对高温高热时段植物需要大量及时补充水份的生物需求，防止植物高温打蔫。当外部环境温度下降或盆土内部湿度过大时，也能将根系土培区层内富余的凝结水份引导至花盆本体底部空间，防止根系土培区土壤出现过于潮湿而导致的缺氧状况。由于盆土土壤孔隙分布的随机性和不均匀性，因此盆土内部有效水的分布也是不均匀的。在辅助调湿管内的湿空气持续不断的热湿交换作用下，盆土存水区层内部的湿空气也在不断进行内部循环，在水气内循环腔整体的盆土湿空气内循环协同作用下，从而调整土壤内部的湿度更加均衡，有利于植物根系全方位吸收盆土中的有效水。从底部透气通管和中部透气通管进入盆土的富氧新鲜空气也会参与到上述内循环过程中，从而提供土壤稳定的含氧量。

进一步，所述内循环支管的轴线相对于水平面均向下倾斜15°～60°，在装填盆土时可以防止泥土倒灌。

进一步，上下相邻两个内循环支管中，上面一个内循环支管的轴线的倾斜角大于或等于下面一个内循环支管的轴线的倾斜角。

再进一步，所述第二管路和第三管路在盆壁内相互间隔设置，且所述第二管路和第三管路之间设置所述第一管路，以保障盆土内部空气—水蒸气混合的湿空气进行以焓差为动力的内循环更加均衡，提高盆土热湿交换的效率和流通量。

更进一步，所述底部透气通管和中部透气通管的弯管角度设计为120°～150°。采用这种钝角的设计便于用户日常操作，避免出现工具在通管内“卡死”的情况。

此外，所述花盆本体内部底面的中心处向上凸起形成导流坡面，所述花盆本体内部底面低于所述凸起的部分为存水沟。

由此，存水沟为花盆内部底面边缘位置设置环形的底面凹槽结构，用于蓄存花盆内部富余的重力水，在提高花盆自身的保水能力的同时，也能保持盆土存水区层土壤温度的稳定，使得盆土内部热湿交换方向总体保持不变。同时存水沟与辅助调湿管相互配合均衡盆土存水区层的湿度，提高盆土内的热湿交换效率。

此外，所述第三管路还包括辅助调湿管，所述辅助调湿管设置在所述中部透气通管的下方，所述辅助调湿管上开设有连通花盆本体下部空间的第一管口和连通所述花盆本体底部空间的第二管口。

此外，所述花盆本体内部底面的中心处向上凸起形成导流坡面，所述花盆本体内部底面低于所述凸起的部分为存水沟；所述底部透气通管的下端及第二管口均与所述存水沟连通。

通过本实用新型的花盆构造，花盆、盆土与外部环境持续不间断地进行着复杂的热湿交换过程。花盆内部盆土存水区的重力水大部分会逐渐渗入盆土孔隙，在土壤孔隙的毛细作用以及盆土内部湿空气和外部环境湿空气的热湿交换作用下，从盆土底层向上层不断转移。除了被植物根系吸收外，其余水份将随着与外部湿空气热湿交换而逐渐蒸发耗散。由于花盆内部盆土存水区的重力水可以流入底部透气通管接触外部空气，因此小部分重力水也会沿着底部透气通管与外部湿空气发生直接热湿交换，形成对流耗散。这就有效保证了外部富氧的新鲜空气能够持续不断地进入底层盆土，保障植物根系进行有氧呼吸，并将呼吸作用产生的废气及时对流排出，从而增加盆土的透气性和含氧量，为植物根系的生长提供充沛的氧气。

底部透气通管还能够促使花盆内积存的重力水自然干涸，防止高温、高湿天气植物根系长时期处于过度潮湿环境而导致的“沤根、烂根”，优化植物的根系生长环境，大幅提高植物的存活率。

在花盆内部根系土培区部位设置了单独的中部透气通管，能够可靠保障根系土培区的的土壤获得充足的外部新鲜空气，强化根系土培区盆土的透气性和含氧量，应对不同季节天气变化和盆土土质变化等导致的不利于植物生长的极端情况。

由于底部透气通管和中部透气通管组成了盆栽系统的多层次、多部位的直接通风管道系统，因此可以用封堵透气通管上部开口的方式来控制透气通管有效数量，进而控制外部环境空气进入盆土内部的通气量。对于不同品种的植物，喜湿热或者喜阴凉等生物属性有所不同，采用上述方式能够提高花盆的适用性，营造与植物生态属性更加匹配的盆栽环境。

本实用新型根据湿空气热湿交换的科学原理，利用焓差和热质交换为动力，采用3D打印制造工艺，构建一套由多组独立通道、管系、造型盆体。利用3D打印技术一体成形的优势，将多组独立的通道、管系与花盆主体结构融合，形成一个底面封闭的、四周全封闭、顶面开口的花盆结构。针对盆栽土培植物生长周期全过程的多个关键环节，系统性地实现对花盆盆土的透气供氧、存水保湿、防涝排涝、内部自动循环保湿功能和内部自动循环透气功能，同时对于根部施肥、根部消毒和盆土湿度探查提供简单有效的便捷方案。利用3D打印制造工艺特有的内部网格填充结构和新型3D打印材料PLA(聚乳酸)、光敏树脂和TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)等新型环保高分子材料，大幅提高花盆的保温隔热性能，使得花盆内部盆土的温度变化幅度变小、变慢，盆土储热性能提升，更加有利于植物根系生长。同时对花盆的结构进行优化设计，符合3D打印容易打印、少量支撑的制造需求，便于用户使用家用3D打印机制造实物，也便于批量化进行3D打印生产。

本实用新型通过以下原理和技术方案来解决前述中分析过的问题：

一、盆栽系统中的有效水

根据土壤学相关理论将花盆盆土中的水分进行以下分类：

1)汽态水——存在于土壤空气中的水蒸汽；

2)吸湿水(紧束缚水)；

3)膜状水(松束缚水)；

4)悬着水——盆土土壤孔隙中所吸持的液态水，在盆土土层内部不规则分布，不受外部水源的直接影响；

5)支持毛管水——盆土土壤孔隙中所吸持的液态水，在盆土土层底部，受到底部水源支持并沿着盆土孔隙毛细管上升到一定高度的那一部分液态水；

6)重力水——指盆土吸水饱和后，富余的液态水在重力作用下通过土壤中较大的孔隙向下流动汇聚的自由水。

以上六类土壤水中对于植物根系能够直接有效利用的水统称为“有效水”。盆土中的有效水主要为4)悬着水、5)支持毛管水和6)重力水。

汽态水和吸湿水不能被植物根系直接有效利用则统称为“无效水”。无效水虽然不能被植物吸收，但是会参与到盆栽系统内部以及盆栽系统与外部环境的热湿交换物理过程之中。

在现实中膜状水虽然有一部分也能被植物根系吸收，但由于水量微小，对于植物生长的影响可以忽略不考虑，因此在本实用新型技术方案中膜状水也视为无效水，仅参与盆栽系统内部的热湿交换。

重力水的来源通常为自然降雨或人工浇灌，以液态自由水形式积存在花盆底部。过多的重力水会导致植物根系浸泡缺氧，不利于植物正常生长，因此对于重力水需要控制水量并采取及时可靠的排涝措施。同时重力水也是宝贵的淡水资源，应该采取措施提高利用效率，避免淡水资源的浪费。

二、盆栽系统持续性的热湿交换

当盆土浇灌吸水饱和之后，盆土、植物根系、花盆所构成的盆栽系统与外部环境中的空气充分接触，间歇性地接受阳光或灯光的照射。随着昼夜更替和环境气温变化，盆栽系统与外部环境之间进行着持续不间断的热质交换，该热质交换过程的特征是以空气和水作为换热介质的热湿交换，同时还伴随着花盆和盆土内部以及与外部环境之间的显热传递。

在此物理过程中，动力和能量均来自外部环境与盆栽系统的焓差变化以及热质交换过程中湿空气的显热能量、潜热能量传递交换，过程中盆栽系统所有能量的输入总体可视为外部环境中太阳光辐射能以不同形式的输入，所有能量的输出总体视为盆栽系统与外部环境发生湿空气的热质交换，以及盆栽系统内部的显热能量和潜热能量持续向着外部环境空气不断释放和耗散。

整个能量转换过程不可逆，且遵循热力学第一定律和热力学第二定律，即盆栽系统内部在一个浇灌周期内主要通过湿空气将输入的太阳能、水的重力势能以及水的潜热能持续地输出到外部环境的空气中，并最终与外部环境空气达到等焓状态，整个能量转换过程中始终保持能量守恒，并且其转换过程的方向总体不可逆。被植物吸收的水份进入植物体内存留或蒸腾扩散可视为进入独立的生物系统中，该部分水亦视作盆栽系统某种形式的热能消耗，不再本方案中进一步考虑阐述。

三、盆栽系统的技术方案

(一)、盆栽系统的热湿交换原理

根据上述原理，引入热质交换麦凯尔(Merkel)方程式

h_w(t_i-t_w)＝h_md[c_p(t-t_i)+(d-d_i)r]＝h_md(i-i_i)

式中h_w为冷却剂侧的对流换热系数，W/(m²·℃)；

t为湿空气主流的温度，℃

t_i为凝结水膜的温度，℃；

t_w为冷却剂侧主流的温度，℃；

d为湿空气主流的含湿量，kg/kg干空气；

d_i为紧靠水膜饱和空气的含湿量，kg/kg干空气；

h_md为以含湿量为基准的传质系数，kg/(m²·s)；

i为湿空气主流的比焓，kJ/kg；

i_i为边界层饱和空气的比焓，kJ/kg；

c_p为h/h_md(刘易斯关系式)；

r为温度t时水的汽化潜热。

可以得知湿空气的热湿交换方向以盆栽系统中土壤水膜边界饱和空气与外部环境湿空气主流的焓差变化而改变。而盆栽系统内盆土的冷却剂就是浇灌后盆土中存留的液态水，因此系统的热湿交换在其内部也伴随着固态物质土壤颗粒和液态水的显热传导过程，并且遵循焓差梯度推进的传递方向。

(二)、盆栽系统的热湿交换过程分析

如图7所示，将盆栽系统的盆土按照高度坐标划分为：

Ⅰ.盆土蒸发区——盆土上层区域(土层厚度一般为30～50mm，视具体土质而定)，该区层主要以盆土中的湿空气直接与环境湿空气发生不间断的对流热湿交换。同时，由于盆土表层与环境空气充分接触以及昼时太阳光的直接照射，因此土壤固体颗粒和盆土湿空气的显热交换也相对显著。

在盆土湿空气与环境湿空气进行的对流热湿交换过程中，当盆土蒸发区的湿空气比焓总体大于环境湿空气比焓时，例如常温干燥的春秋季节，盆土蒸发区总体上减焓减湿，盆土水蒸汽向外部蒸发。当盆土蒸发区的湿空气比焓总体小于环境湿空气比焓时，例如高温潮湿的夏天雨季，则盆土蒸发区总体上增焓增湿，盆土吸收外部水蒸汽。

Ⅱ.根系土培区——盆土中间区域，该区层为植物根系生长发育空间，盆土孔隙中的湿空气湿度高于上方的盆土蒸发区，同时该区层盆土中的水以吸湿水、膜状水和悬着水为主。由于盆土土壤的孔隙体系繁杂，在根系土培区内部同时发生着复杂的湿空气热湿交换和悬着水的位置变动。在这个过程中，一部分水通过土壤孔隙向上扩散至湿度较低的盆土蒸发区，一部分水通过植物根茎与土壤之间的空隙直接与外部环境空气发生热湿交换，还有一部分水被植物根系吸收进入植物的生物系统供其生长所需。因此对于根系土培区层，我们仍然可以看做该区层内不间断发生着更加复杂的以焓差驱动的热湿交换，在每一个浇灌周期内总体上根系土培区与上方的盆土蒸发区之间是减焓减湿的过程，对于下方的盆土存水区是增焓增湿的过程。

位于盆土中间区层的根系土培区与上、下盆土区层之间的显热交换媒介除了盆土内的湿空气外，大部分是通过紧密连接的土壤固体、植物根茎以及花盆壁来进行显热传导，由于土壤和花盆盆壁的导热能力远大于空气、水和植物根茎，因此盆土内部的热湿交换过程中，显热交换主导性更强烈，对于盆土内部的热湿交换影响更大。

Ⅲ.盆土存水区——盆土底层区域，该区层由于浇灌后重力水在花盆底部汇聚、积存，并在土壤孔隙中充满了大量的支持毛管水。在盆土存水区内部，前期土壤孔隙空间被液态水占据，随着支持毛管水在土壤孔隙毛细作用下持续不断地进入上层的根系土培区逐渐消耗，重力水量就会不断减少直至干涸，土壤孔隙空间逐渐失水，被空气替换。

由于盆土存水区层在盆土底部，显热交换完全通过土壤和花盆壁的热传导实现，而由于支持毛管水和重力水的大量积存以及土壤固体显热的衰减，因此盆土存水区层内部的温度变化幅度相对不大，热湿交换过程中显热交换不明显，湿交换的主导性更大，但以湿空气为媒介的热湿交换总量是随着重力水积存量的不断减少而呈逐渐增加然后又逐渐减少的变化。

本实用新型的一种水气内循环花盆具有以下优点：

1、将湿空气的热湿交换原理和土壤学知识引入花盆结构设计领域，结合麦凯尔方程式来分析盆土内部、盆栽系统与外部环境之间发生的焓差变化和湿空气的热湿交换，并通过称重法观测实验验证了将上述科学理论应用在花盆技术方案中的可行性和适用性。

2、根据湿空气的热湿交换科学原理，通过对花盆结构的创新设计，在花盆壁厚空间内设置水气内循环腔、内循环支管、底部透气通管、中部透气通管和辅助调湿管，在花盆底部设置导流坡面和存水沟，以上独立结构既各司其责，又相互配合，借助外部自然环境的热能变化和焓差动力，形成盆土内部水—空气自动循环的花盆结构系统，有效提升盆栽系统的透气性和保水保湿性能。实现外部新鲜空气先进入盆土内部充分湿热交换，然后再输出到外部环境这一空气路径的有效性，即外部空气输入→盆土湿空气→输出到外部空气，解决了以往花盆结构设计中“透气不保水、保水不透气”的难题，改变了以往花盆结构设计中外部空气较难进入盆土，或者盆土内部湿空气热湿交换不充分等情况导致的一系列盆土不透气、不保湿问题，实现了花盆具备既能可靠透气又能有效保水保湿的性能。

3、花盆结构中的底部透气通管和中部透气通管除了为盆栽系统提供可控的通风保障之外，还具备盆土水量探查、盆土施肥以及花盆内部消毒灭菌功能，能够提高施肥效率，避免施肥造成的盆土板结，还能够有效降低用户在盆栽植物养培过程中的劳动强度，降低操作难度。

4、采用3D打印常用材料PLA(聚乳酸)、TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)和光敏树脂等新型材料制造完成，都是容易降解的绿色环保新型高分子材料，丢弃后不会对环境造成严重污染，与传统PVC塑料花盆相比更加环保。

5、PLA材料的导热系数为0.025W/m·K，TPU材料的导热系数约为0.035W/m·K，约为盆土土壤(砂土导热系数约0.58W/m·K)的1/20，是传统陶质花盆(烧结陶瓷导热系数约0.8W/m·K)的1/30，与空气(导热系数为0.023W/m·K)隔热性能接近，对盆栽植物根系保温隔热效果更佳，非常适合气温变化较大的高海拔地区和昼夜温差变化较大的高纬度地区。

6、花盆本体基于3D打印制造技术进行创新设计，符合3D打印容易打印、少量支撑的制造需求，便于用户使用家用3D打印机制造实物，也便于批量化进行3D打印生产。

附图说明

图1为为本实用新型的花盆本体正视图；

图2为本实用新型的花盆本体结构示意图；

图3为本实用新型的花盆本体俯视图；

图4为本实用新型的第一管路结构示意图；

图5为本实用新型的第二管路结构示意图；

图6为本实用新型的第三管路结构示意图；

图7为本实用新型的盆土划分示意图。

图中标记说明：1、花盆本体；1-1、花盆外侧面；1-2、花盆内侧面；1-3、花盆顶面；1-4、花盆内底面；1-5、导流坡面；1-6、存水沟；1-8-1、水气内循环腔；1-8-2、内循环支管；1-9、底部透气通管；1-10、中部透气通管；1-11、辅助调湿管；1-12、第一管口；1-13、第二管口。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能，下面结合附图，对本实用新型做进一步详细的描述。

如图1至图3所示，作为实施例的花盆本体1为一个底部封闭不漏水的花盆。花盆主体1由盆壁和花盆底部闭合构成，开口朝上，内部中空，形成一个花盆容器，花盆底部和盆壁均有一定的厚度，其中如图4至图7所示，盆壁的厚度为H。

如图4至图6中的所述花盆本体1内部底面的中心处向上凸起形成导流坡面1-5，所述花盆本体1内部底面低于所述凸起的部分为存水沟1-6。所述花盆本体1的盆壁内部设置有多组各自独立的第一管路、第二管路和第三管路，所述第一管路、第二管路和第三管路沿盆壁内部竖向设置。

如图4所示，所述第一管路为水气内循环腔1-8-1，所述水气内循环腔1-8-1沿着竖直方向开设有多个内循环支管1-8-2，所述内循环支管1-8-2将水气内循环腔1-8-1与花盆本体1的内腔连通。上下相邻两个内循环支管中，上面一个内循环支管的轴线的倾斜角大于或等于下面一个内循环支管的轴线的倾斜角。如内循环支管的轴线的倾斜角从上到下依次为60°、50°、40°、30°、20°。或者作为本实用新型的另一个实施例，如图4和图7所示，盆土蒸发区的内循环支管的轴线倾斜角为30°，根系土培区的内循环支管的轴线倾斜角为20°，盆土存水区的内循环支管的轴线倾斜角为15°。

如图5所示，所述第二管路为底部透气通管1-9，所述底部透气通管1-9的上端贯穿花盆顶面1-3并与外界连通，所述底部透气通管1-9的下端与所述存水沟1-6连通。所述底部透气通管1-9的弯管角度设计为130°的钝角。

如图6所示，所述第三管路包括中部透气通管1-10和辅助调湿管1-11，所述中部透气通管1-10的上端贯穿花盆顶面1-3并与外界连通，所述中部透气通管1-10的下端贯穿所述花盆内侧面1-2的中部并与花盆本体1的内腔连通，所述辅助调湿管1-11设置在所述中部透气通管1-10的下方，所述辅助调湿管1-11上开设有连通花盆本体1下部的第一管口1-12和连通所述存水沟1-6的第二管口1-13。所述中部透气通管1-10设计直径为6mm，弯管角度设计为130°的钝角，便于用户日常操作，避免出现工具在通管内“卡死”的情况。

如图2和图3所示，所述第二管路和第三管路在盆壁内相互间隔设置，且所述第二管路和第三管路之间设置所述第一管路。在本实施例中，第二管路、第三管路设计各有四组，所述第二管路和第三管路之间设置两组所述第一管路，沿着球形花盆圆周均布，以保障盆土内部空气—水蒸气混合的湿空气进行以焓差为动力的内循环更加均衡，提高盆土热湿交换的效率和流通量。

本实用新型所提供的水气内循环花盆使用时，包括如下步骤：

步骤一、在植物入盆前，先用陶粒混合盆土后在花盆底部铺设，铺设的厚度至中部透气通管1-10下端通孔处。

步骤二、在步骤一的基础上再填充盆土，埋设植物根系，填土压紧、压实后，就完成了植物的栽植入盆环节。在盆土装填时适当喷水湿润，一方面有利于植物适应入盆移植期的生长，另一方面也可以有效防止盆土过干，干土粉尘大量倒灌进入水气内循环腔1-8-1。

步骤三、在日常的盆栽植物养培阶段，从花盆上部敞口处浇水。浇水本着“干透浇透”的原则，从花盆上部敞口处浇水。

步骤四、在步骤三的过程中，用户可以用较细的棉签、竹签、木棍、塑料吸管、照明电线等简易工具从底部透气通管1-9的上方管道口插入其中，通过简易工具末端的水浸高度来评估花盆内部积存水的水量。这样就能够对于花盆内的水量有一个相对直观、简便的测量，方便用户把握下次浇灌的水量和频率。若发现水浇多了，使用者可以倾斜花盆倒出多余的水。水会从底部、中部透气通管中流出。

步骤五、在步骤四的过程中，如果出现底部透气通管1-9和中部透气通管1-10内部有泥沙淤塞情况，用户也可以用照明电线、细钢丝绳、细铁丝等不易折断的辅助工具对透气通管和盆土内部进行疏通、松透等操作，恢复盆土的透气性能。

步骤六、在步骤三的过程中，盆栽植物在日常养护活动中，盆土施肥是比较重要的养护操作。常见的植物肥料分为无机肥料、有机肥料以及各类混合肥、复合肥，形态方面有固态颗粒肥或液态的营养液等，还有利用家居厨余残渣等用户自制的有机肥料。固态的颗粒肥料可以通过底部透气通管1-9或中部透气通管1-10直接放入至花盆内部，再进行浇水稀释，让肥料在盆土中充分与水混合、稀释，然后让植物根系自然吸收。

步骤七、在步骤三的过程中，盆栽植物在日常养护活动中，盆土消毒和植物根系灭菌也是常见的养护操作。将植物消毒液稀释后用注射器通过底部透气通管1-9或中部透气通管1-10直接注入到盆土中，即可完成对花盆内部盆土和植物根系的灭菌、消毒。

步骤八、可以用封堵第二管路或第三管路上部开口的方式来控制透气通管有效数量，进而控制外部环境空气进入盆土内部的通气量。

由此，步骤一中花盆底部存水区的陶粒混合填料形成的土壤孔隙较大、毛细管系发达，兼备存水和透气的作用，为浇灌后积存的重力水和支持毛管水提供较好的流动性。当花盆内积存水逐渐干涸后，较大的孔隙也有利于花盆内部湿空气的热湿交换和氧气交换。

步骤六中，通过底部透气通管或中部透气通管将固态的颗粒肥料放入至花盆内部，这样可以避免肥水浓度过高，直接接触植物根系，烧伤植物根系组织。同时也能降低用户盆栽施肥方式的工作量和劳动强度，让盆栽施肥变得简单轻松，能够提高施肥效率，避免施肥造成的盆土板结，也能提高植物根系对肥料的吸收效率，生长更加旺盛。液态的肥料或营养液等借助注射器采用上述方法施肥，即可达到施肥效果。

步骤七中，利用盆土内部的“毛细作用”和湿空气的热湿交换，完成花盆容器内部和植物根系的消毒、灭菌。相较于用户以往需要将植物从花盆内移出，对植物根系直接喷洒消毒药水的操作方案，本实用新型提供的消毒灭菌操作方式更加简单方便，减轻了用户的操作难度和劳动强度，也减少了移盆操作中对植物本身造成的伤害。

本实用新型在使用中，太阳光的照射会引发外部环境温度的昼夜变化，在此过程中辅助调湿管1-11内的湿空气会比盆土率先升温或降温，形成的焓差将促进盆土内部的湿空气加速热湿交换。当辅助调湿管1-11内的湿空气温度升高时，湿空气的湿度也会随之提高，水蒸气浓度增加，并将显热能传递给盆土土壤和液态水。当湿空气温度降低时，湿空气的湿度降低，水蒸气凝结成液态水，将盆土土壤和液态水中的显热能传递到花盆盆壁，再释放到外部空气中耗散直至与环境温度相同。

由于盆土土壤孔隙分布的随机性和不均匀性，因此盆土内部有效水的分布也是不均匀的。在辅助调湿管1-11内的湿空气持续不断的热湿交换作用下，盆土存水区内部的湿空气也在不断进行内部循环，从而调整土壤内部的湿度更加均衡。从底部透气通管1-9和中部透气通管1-10进入盆土的富氧新鲜空气也会参与到上述内循环过程中，从而提供土壤稳定的含氧量。

由于辅助调湿管1-11设置在盆土存水区，盆土中积存的重力水能够直接流入调湿管，因此辅助调湿管1-11对于底部土层的盆土湿度调节作用会更加显著。

如图2至图6所示，在本实施例中，沿着球形花盆盆壁圆周均布其内的16组水气内循环腔1-8-1和内循环支管1-8-2构成了花盆的水气内循环系统。内循环支管1-8-2从上到下连接盆土各个土层，盆土下层湿度较大的湿空气进入水气内循环腔1-8-1内与盆土上层较干燥的湿空气进行热湿交换，进而推动盆土内部各个土层的湿空气进行热湿循环交换，促进盆土内部湿空气整体的湿度更加均衡，同时也同步完成氧气、二氧化碳气体浓度与外部空气保持均衡一致。

外部环境的温度变化将导致盆土温度随之发生变化，将进一步引起水气内循环腔1-8-1内湿空气的焓差变化，从而加强花盆内部盆土中湿空气的这种热湿循环交换，自动均衡盆土内的湿度以及氧气、二氧化碳气体浓度。水气内循环腔1-8-1结构底部封闭，当夜晚来临或气温降低时盆土温度也会相应降低，湿空气中的水蒸气将不断凝结为液态水并积存在水气内循环腔1-8-1内。当白昼阳光照射或气温升高时盆土温度也会相应升高，水气内循环腔1-8-1内积存的凝结水又会加剧蒸发，通过盆土湿空气的热湿循环交换，进入盆土补充水份。因此水气内循环腔1-8-1和内循环支管1-8-2构成的花盆水气内循环系统就能够提高花盆的保水保湿性能。

水气内循环腔1-8-1和内循环支管1-8-2设置在花盆盆壁厚度空间内，使得盆壁具备空气夹层，从而提高了花盆的热阻，具备保温隔热性能，在高纬度、高海拔地区、太阳光照强烈地区以及气候严寒、昼夜温差较大等自然生态环境相对恶劣的地区，将会比传统花盆具备更好的气候适应能力，提高盆栽植物的成活率。

对实施例进行水-空气热湿交换理论的实验测试

本实用新型是基于花盆—盆土构成的盆栽系统在内部进行着持续不间断的水—空气热湿交换这一科学理论为基础完成方案架设和花盆系统结构设计的，因此对于本实用新型的技术方案和结构设计有必要进行实验性的测试和检验，通过实验结果进一步验证技术方案的可行性和花盆结构创新的合理性、有效性。

本项实验采用称重法，对盆栽系统进行实际的植物栽种，在植物养培过程中对盆栽系统的失水重量进行观测和记录。在自然环境的常温常压下，盆土内部的土壤孔隙中耗散的部分液态水将会被外部环境的空气等体积置换填充，因此通过对盆土内部液态水蒸发耗散量的计算，就可以计算出进入盆土内土壤孔隙中的外部新鲜空气体积，从而量化计算出盆栽系统的通风量。

本项实验采用底部封闭模式的原理验证版3D打印花盆，花盆容器内部设计容积为：10.2×10.2×10.2＝1061.21cm³,实际容积约等于1000cm³。采用普通园土与中粒砂按7:3混合配置盆土，栽种仙人掌科属“仙人指”作为实验观测对象，在室内正常环境下完成栽种浇灌后进行称重观测。室内环境中没有阳光照射条件，室内气温与外部环境气温基本一致，稳定在20℃左右，由于在封闭房间内观测，没有强烈的空气流动和显著气流扰动。在此条件下，对于盆栽植物初次浇灌后不再添加水量，持续进行称重和观测，具体观测记录和分析计算见下表。

水气内循环花盆实施例称重法观测实验数据表

在为期20日的暗室栽植实验观测过程中，由于室内温度相对稳定，没有较大幅度的变化和波动，也没有阳光照射，因此对于环境气温导致的显热传递可以忽略不考虑。从称重记录数据可以看出，整个盆栽系统每日保持着相对稳定的水份蒸发量，日均失水重量为3.78g。按照常温常压下液态水比重1g/cm³计算，即可得出进入盆栽系统中的新鲜空气量日均为3.78cm³。由于观测期间室内空气湿度因降雨天气影响有所波动，以及盆土内部土壤孔隙的复杂性和植物生长吸收水份等因素的影响，盆栽系统每日的失水重量不尽相同。但是在实验总周期内基本呈现线性缓慢减少的趋势，短周期内相对连续稳定的失水量。

由此可以确定盆栽系统持续与外部环境空气进行热湿交换的事实，并且热湿交换量在实验条件下是相对稳定的。在为期20日的观测实验过程中，盆栽系统中累计有75.5g(空气质量忽略不计)的水由液态转变为气态，蒸发耗散到外部环境空气中，进入盆栽系统完成置换的新鲜空气体积为75.5cm³，占花盆容积的7.55％。(浇灌周期内实验盆栽系统最终失水216g，置换空气体积216cm³，占花盆容积的21.6％。)

上述实验结果对于盆栽系统为阶段性的静态描述，并不严格表示盆栽系统的真实换气量，但是也足以证明湿空气的热湿交换理论适用于盆栽系统的真实物理过程。即在没有外部能量输入的情况下，在盆栽系统内部的盆土中发生着持续且复杂的湿空气的热湿交换，以焓差为动力将液态水的潜热能通过热湿交换释放到外部环境空气中，并最终与外部环境空气达到等焓状态。

在实验过程中，“仙人指”植物生长正常，没有出现枯萎、衰败等死亡迹象，而且还表现出盆土上表面始终呈现潮湿状态，花盆底部的重力水量逐渐减少、下降直至干涸的现象。因此上述实验结果也验证了本实用新型花盆结构设计的合理性和有效性，为科学种植的花盆技术探索一个新方向。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (8)

1.一种水气内循环花盆，包括花盆本体（1），其特征在于，所述花盆本体（1）的盆壁内部设置有多组各自独立的第一管路、第二管路和第三管路，所述第一管路、第二管路和第三管路沿盆壁内部竖向设置；

所述第一管路为水气内循环腔（1-8-1），第一管路的上下两端封闭，在第一管路的管壁上开设有多个内循环支管（1-8-2），该内循环支管（1-8-2）将水气内循环腔（1-8-1）与花盆本体（1）的内腔连通；

所述第二管路为底部透气通管（1-9），所述底部透气通管（1-9）的上端贯穿花盆顶面（1-3）并与外界连通，所述底部透气通管（1-9）的下端与所述花盆本体（1）底部空间连通；

所述第三管路包括中部透气通管（1-10），所述中部透气通管（1-10）的上端贯穿花盆顶面（1-3）并与外界连通，所述中部透气通管（1-10）的下端贯穿花盆内侧面（1-2）的中部并与花盆本体（1）的内腔连通。

2.根据权利要求1所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述内循环支管（1-8-2）的轴线相对于水平面均向下倾斜15°～60°。

3.根据权利要求1所述的水气内循环花盆，其特征在于，上下相邻两个内循环支管中，上面一个内循环支管的轴线的倾斜角大于或等于下面一个内循环支管的轴线的倾斜角。

4.根据权利要求1所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述第二管路和第三管路在盆壁内相互间隔设置，且所述第二管路和第三管路之间设置所述第一管路。

5.根据权利要求1所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述底部透气通管（1-9）和中部透气通管（1-10）的弯管角度设计为120°～150°。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述花盆本体（1）内部底面的中心处向上凸起形成导流坡面（1-5），所述花盆本体（1）内部底面低于所述凸起的部分为存水沟（1-6）。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述第三管路还包括辅助调湿管（1-11），所述辅助调湿管（1-11）设置在所述中部透气通管（1-10）的下方，所述辅助调湿管（1-11）上开设有连通花盆本体（1）下部空间的第一管口（1-12）和连通所述花盆本体（1）底部空间的第二管口（1-13）。

8.根据权利要求7所述的水气内循环花盆，其特征在于，所述花盆本体（1）内部底面的中心处向上凸起形成导流坡面（1-5），所述花盆本体（1）内部底面低于所述凸起的部分为存水沟（1-6）；所述底部透气通管（1-9）的下端及第二管口（1-13）均与所述存水沟（1-6）连通。

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