CN107896747A - 日光温室内热能利用装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及日光温室内热能利用领域，特别涉及日光温室内热能利用装置及方法。该装置包括集热***、植物增温***；集热***包括：设置于日光温室内的集热板和地下蓄热水桶，集热板和地下蓄热水桶间通过水管建立循环回路，水管穿过集热板；植物增温***包括：设置于对植物的根际和/或冠层加温的加热管，加热管与地下蓄热水桶建立加热回路。本发明白天利用循环的流体收集到达日光温室后墙的太阳辐射能，节能效果明显，且单位面积装置成本低，具有环保可持续的特点。为提高该热能的利用效率，通过植物增温***对日光温室内低温时段的作物根际和作物冠层进行精准加热，整体提高日光温室作物产量和经济效益。

Description

日光温室内热能利用装置及方法
技术领域
本发明涉及日光温室内热能利用领域，特别是涉及日光温室内热能利用装置及日光温室内热能利用方法。
背景技术
日光温室是中国北方蔬菜生产的重要设施，近年来节能环境调控技术的研发与应用受到了越来越多的关注。温度作为重要的环境因子，合理的温度调控在日光温室中尤为重要。日光温室内无土栽培过程中对温度的调控可分为基质温度调控和空气温度调控，其中基质温度主要影响作物的根区温度，可调节作物的根际生长、根际呼吸作用、水分及养分的吸收、根际内物质合成以及根际微生物活性、近根的分生组织生长分化等。空气温度通过改变作物体内酶的活性影响作物光合作用、呼吸作用等，也可以调节作物的形态建成和器官分化。但是由于传统日光温室的环境调控能力弱，冬季日光温室内的基质温度、空气温度均较低，低温胁迫已成为蔬菜生产的重要桎梏。
目前生产上可以使用的根区增温设备主要有燃煤(油)锅炉加散热管道、地源热泵、地下蓄热***、燃池加散热管道、电加热等。以上加热方式中，燃煤(油)锅炉加散热管道和电加热方式能耗大，水源热泵设施设备投入过大，地下蓄热***效率低，难控制，燃池加散热管道的方式会产生空气污染问题且该方式受地域地质限制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供日光温室内热能利用装置及日光温室内热能利用方法，解决现有温室内控温装置结构复杂，成本高，不可持续，控制准确性差的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种日光温室内热能利用装置，其包括集热***、植物增温***；
所述集热***包括：设置于日光温室内的集热板和地下蓄热水桶，所述集热板和所述地下蓄热水桶间通过水管建立循环回路，水管穿过所述集热板；
所述植物增温***包括：设置于对植物的根际和/或冠层加温的加热管，所述加热管与所述地下蓄热水桶建立加热回路，。
在一些实施例中，优选为，所述水管上设置潜水泵。
在一些实施例中，优选为，多个所述集热板并联接入所述水管。
在一些实施例中，优选为，所述植物增温***包括：根际增温***，所述根际增温***包括：由根际加热管道、根际送水管、根际回水管、所述地下蓄热水桶构成的根际加热回路；其中，
所述根际加热管道置于根际之下，所述根际送水管、所述根际回水管分别***与所述地下蓄热水桶内，所述根际送水管、所述根际回水管之间设置所述根际加热管道。
在一些实施例中，优选为，所述根际加热管道以同程并联方式布置于温室内植物的根际之下。
在一些实施例中，优选为，所述根际加热回路上设置循环泵。
在一些实施例中，优选为，当土壤栽培所述植物时，所述根际加热管道置于地下25-35厘米深处。
在一些实施例中，优选为，当所述植物为基质栽培时，所述根际加热管道置于基质袋下方。
在一些实施例中，优选为，所述植物增温***包括：冠层增温***，所述冠层增温***包括：冠层增温管道、可伸缩波纹软管、冠层送水管、冠层回水管、所述地下蓄热水桶构成的冠层加热回路；其中，
所述冠层增温管道设置于植物茎尖周边；
所述冠层增温管道和所述冠层送水管之间设置可伸缩波纹软管；所述冠层增温管道和所述冠层回水管之间也设置可伸缩波纹软管；
所述冠层送水管、所述冠层回水管均***所述地下蓄热水桶内。
在一些实施例中，优选为，所述冠层加热回路上设置循环泵。
在一些实施例中，优选为，所述冠层加热管道以同程并联方式布置于温室内植物茎尖下方30-40厘米。
在一些实施例中，优选为，所述的日光温室内热能利用装置还包括：控制器，所述控制器分别与所述根际增温***、所述冠层增温***相连；
所述控制器与计时器、地下蓄热水桶内的水温传感器、日光温室内的气温传感器分别相连。
本发明还提供了一种日光温室内热能利用方法，其包括：
根据第一预设条件开启集热***，将太阳能转化为地下蓄热水桶内的水的热能；
根据第二预设条件开启植物增温***，对植物根际进行加温；
根据第三预设条件开启植物增温***，对植物冠层进行加温；
所述第一预设条件包括：24小时计时制下，8:00-17:30，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶内水的温度；
所述第二预设条件包括：24小时计时制下，9:30-16:00，且地下蓄热水桶内水的温度高于日光温室内气温；
所述第三预设条件包括：24小时计时制下，00:00-8:00，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶内水的温度。
(三)有益效果
本发明提供的技术方案将日光通过集热板收集后，热量转入集热***的水中，在循环回路中流动，进入地下蓄热水桶中，植物增温***从地下蓄热水桶中引出温度较高的水，高温水在植物增温***中流动，为植物的根际或冠层的加温。整体结构简单，经测试，集热***在晴天收集的热量可达182～223MJ/d，该方法白天利用循环的流体收集到达日光温室后墙的太阳辐射能，节能效果明显，且单位面积装置成本低，具有环保可持续的特点。为提高该热能的利用效率，通过植物增温***对日光温室内低温时段的作物根际和作物冠层进行精准加热，整体提高日光温室作物产量和经济效益。
附图说明
图1为本发明一个实施例中日光温室内热能利用装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。
基于现有温室内控温装置结构复杂，成本高，不可持续控制准确性差的问题，本发明给出了日光温室内热能利用装置及方法。
下面将通过基础设计、扩展设计及替换设计对产品、方法等进行详细描述。
本发明提供一种日光温室内热能利用装置，如图1所示，其包括集热***、植物增温***；集热***包括：设置于日光温室内的集热板1和地下蓄热水桶2，集热板1和地下蓄热水桶2间通过水管建立循环回路，水管穿过集热板1；植物增温***包括：设置于对植物的根际和/或冠层加温的加热管，加热管与地下蓄热水桶2建立加热回路。
其中集热***中，集热板1用于收集太阳能，其中一种为平板太阳能集热器是一种吸收太阳辐射能量并向工质传递热量的装置，它是一种特殊的热交换器，集热器中的工质与远距离的太阳进行热交换。平板太阳能集热器是由吸热板芯、壳体、透明盖板、保温材料及有关零部件组成。在加接循环管道，保温水箱后，即成为能吸收太阳辐射热，使水温升高。保温水箱可以理解为地下蓄热水桶2。
地下蓄热水桶2处于地下，能够达到更好的保温效果，且不会占用地上空间。
需要理解，为了促进循环回路中的水流动，需要在循环回路中设置潜水泵3。该潜水泵3同样可以设置于地下，且配有自动控制、手动控制组件，进行开启、关闭的操作。
植物增温***可以将高温水供向作物根际部位，也可以供向作物冠层部位，增温更具备针对性，增温效果更好。
考虑到日光温室空间大，需要配备集热板1
多个集热板1并联接入水管，尽量达到集热板1收集的热量直接进入水管，无需流入其他的集热板1，减少与其他集热板1内水混合的可能，能提高太阳能的吸收效果。
为了对根际进行增温，该植物增温***包括：根际增温***，该根际增温***包括：由根际加热管道4、根际送水管、根际回水管、地下蓄热水桶2构成的根际加热回路；其中，根际加热管道4置于根际之下，根际送水管、根际回水管分别***与地下蓄热水桶2内，根际送水管、根际回水管之间设置根际加热管道4。
根际送水管从地下蓄热水桶2中抽出水供给根际增温管道，根际增温管道对根际周边进行加热，进而对根际进行增温，水从根际增温管道流出到根际回水管，随后重新流入地下蓄热水桶2，完成一次增温循环。
由于日光温室内的作物按垄种植，为了促使每一垄，至少每一个区域温度相似，根际加热管道4以同程并联方式布置于温室内植物的根际之下；自根际送水管排出的水进入多个并联的根基加热管道支管，随后从根际加热管道4支管流入根际回水管。
需要明确的是，为了促使高温水在根际加热回路中循环，需要在根际加热回路上设置循环泵。循环泵可以设置在地上，也可以设置在地下。
考虑到作物种植方式不同，根际加热管道4的设置位置也不尽相同，比如：当土壤栽培植物时，根际加热管道4置于地下25-35厘米深处；又比如：当植物为基质栽培时，根际加热管道4置于基质袋下方。
为了对作物冠层进行增温，该植物增温***包括：冠层增温***，该冠层增温***包括：由冠层增温管道、可伸缩波纹软管6、冠层送水管、冠层回水管、地下蓄热水桶2构成的冠层加热回路；其中，冠层增温管道设置于植物茎尖周边；冠层增温管道和冠层送水管之间设置可伸缩波纹软管6；冠层增温管道和冠层回水管之间也设置可伸缩波纹软管6；冠层送水管、冠层回水管均***地下蓄热水桶2内。
由于冠层增温管道高于地面，因此需要通过可伸缩波纹软管6进行冠层增温管道与冠层送水管、冠层回水管的转换。
冠层送水管从地下蓄热水桶2中抽出温度较高的水，送入可伸缩波纹软管6、冠层增温管道，在作物冠层区域散热后，自可伸缩波纹软管6、冠层回水管流回地下蓄热水桶2。
需要明确的是，为了促使高温水在冠层加热回路中循环，需要在冠层加热回路上设置循环泵。循环泵可以设置在地上，也可以设置在地下。
由于日光温室内的作物按垄种植，为了促使每一垄，至少每一个区域温度相似，冠层加热管道5以同程并联方式布置于温室内植物茎尖下方30-40厘米，比如35厘米。
在本技术中，日光温室内热能利用装置会对根际和冠层进行加温，考虑到白天，冠层会直接受到太阳光照射，无需加热，而晚上没有太阳光照射，温度下降，所以，通常在晚上对冠层进行加温。而根际在白天温度与冠层差别较大，为了缩减温度差，白天对根际进行加温。而且，白天有太阳光，集热***开启，晚上没有太阳光，所以，为了进行有效控制该装置还包括：控制器，控制器分别与根际增温***、冠层增温***相连；控制器与计时器、地下蓄热水桶2内的水温传感器、日光温室内的气温传感器分别相连。
控制器的控制方式包括：
1、白天08:30后且室内空气温度高于地下蓄热水桶2内水温时，集热***开启，进行集热，当气温低于水温或到达16:30时，集热***关闭。2、白天10:00后且水温高于作物根际温度时，根际增温***开启，对作物根际进行加热，当水温低于作物根际温度或到达15:00时，根际增温***关闭。3、夜间00:00后且空气温度低于地下蓄热水桶2内水温时，冠层增温***开启，对冠层进行加热，当气温高于水温或到达08:00时，冠层增温***关闭。
热能利用策略的主导因素是冬季日光温室内一天的温度变化规律和作物对温度的需求。由于北方冬季早晨气温较低，打开日光温室保温被时间为08:00-08:30，开棚后日光温室气温开始上升，当室内空气温度高于地下蓄热水桶2内水温时可进行集热，当气温低于水温或到达16:30时已无法集热，应关闭集热***。作物根际温度一般高于气温，10:00后根际温度较低，但是光合作用渐强，此时加温一是利于作物进行光合作用，二是利用将部分能量存储于土壤或基质中，利用土壤的保温性提高夜间根际温度，三是降低地下蓄热水桶2内水温，提高集热***集热效率。夜间日光温室气温较低，作物冠层中的茎尖分生组织对温度较为敏感，为了提高能量利用效率，将热能主要应用于冠层特别是茎尖分生组织的增温，将冠层加热管道55位于作物茎尖下方30cm-40cm处。
接下来，本发明给出一种日光温室内热能利用方法，其包括：
根据第一预设条件开启集热***，将太阳能转化为地下蓄热水桶2内的水的热能；
根据第二预设条件开启植物增温***，对植物根际进行加温；
根据第三预设条件开启植物增温***，对植物冠层进行加温；
第一预设条件包括：24小时计时制下，8:00-17:30，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶2内水的温度；
第二预设条件包括：24小时计时制下，9:30-16:00，且地下蓄热水桶2内水的温度高于日光温室内气温；
第三预设条件包括：24小时计时制下，00:00-8:00，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶2内水的温度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种日光温室内热能利用装置，其特征在于，包括集热***、植物增温***；
所述集热***包括：设置于日光温室内的集热板和地下蓄热水桶，所述集热板和所述地下蓄热水桶间通过水管建立循环回路，水管穿过所述集热板；
所述植物增温***包括：设置于对植物的根际和/或冠层加温的加热管，所述加热管与所述地下蓄热水桶建立加热回路。
2.如权利要求1所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述水管上设置潜水泵；
和/或，
多个所述集热板并联接入所述水管。
3.如权利要求1所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述植物增温***包括：根际增温***，所述根际增温***包括：由根际加热管道、根际送水管、根际回水管、所述地下蓄热水桶构成的根际加热回路；其中，
所述根际加热管道置于根际之下，所述根际送水管、所述根际回水管分别***与所述地下蓄热水桶内，所述根际送水管、所述根际回水管之间设置所述根际加热管道。
4.如权利要求3所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述根际加热管道以同程并联方式布置于温室内植物的根际之下；
和/或，所述根际加热回路上设置循环泵。
5.如权利要求3所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，当土壤栽培所述植物时，所述根际加热管道置于地下25-35厘米深处；
或，
当所述植物为基质栽培时，所述根际加热管道置于基质袋下方。
6.如权利要求1-5任一项所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述植物增温***包括：冠层增温***，所述冠层增温***包括：冠层增温管道、可伸缩波纹软管、冠层送水管、冠层回水管、所述地下蓄热水桶构成的冠层加热回路；其中，
所述冠层增温管道设置于植物茎尖周边；
所述冠层增温管道和所述冠层送水管之间设置可伸缩波纹软管；所述冠层增温管道和所述冠层回水管之间也设置可伸缩波纹软管；
所述冠层送水管、所述冠层回水管均***所述地下蓄热水桶内。
7.如权利要求6所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述冠层加热回路上设置循环泵。
8.如权利要求6所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，所述冠层加热管道以同程并联方式布置于温室内植物茎尖下方30-40厘米。
9.如权利要求6所述的日光温室内热能利用装置，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器分别与所述根际增温***、所述冠层增温***相连；
所述控制器与计时器、地下蓄热水桶内的水温传感器、日光温室内的气温传感器分别相连。
10.一种日光温室内热能利用方法，其特征在于，包括：
根据第一预设条件开启集热***，将太阳能转化为地下蓄热水桶内的水的热能；
根据第二预设条件开启植物增温***，对植物根际进行加温；
根据第三预设条件开启植物增温***，对植物冠层进行加温；
所述第一预设条件包括：24小时计时制下，8:00-17:30，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶内水的温度；
所述第二预设条件包括：24小时计时制下，9:30-16:00，且地下蓄热水桶内水的温度高于日光温室内气温；
所述第三预设条件包括：24小时计时制下，00:00-8:00，且日光温室内气温高于地下蓄热水桶内水的温度。
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