一種基於土壤全熱交換風道的輕簡化主動採光蓄熱溫室的製作方法
2023-06-12 06:25:26
本發明涉及一種輕簡化的日光溫室，具體涉及一種能夠通過牆體和地下風道進行熱量交換並完成溫室新風導入，以及集成了日光溫室主動採光等技術的蓄熱溫室。
背景技術：
夯土牆在當前的溫室大棚的構建過程中有著普遍的應用，多用作溫室的後牆，具有取材方便、施工簡單、節能環保、造價低等特點。版築夯土牆是我國最早採用的構築城牆的方法，它是以木板作模，內填粘土或灰石，層層用杵夯實修築成的。有的是用粘土和砂，再夾以紅柳或蘆葦的枝條夯築成的，也有的地方是用土，砂，石灰加以碎石的版築夯土牆，牆體的高度一般是底厚的一倍左右，頂部寬度為牆高的四分之一至五分之一，所以傳統的夯土牆體有明顯的收分，這種牆有一定的承載能力。
目前，常規的夯土牆施工中採用的一般工藝均為以下幾個步驟：步驟一，模板的設計與製作，模板由螺栓將竹膠板、角鋼連接而成。模板之間採用拉結螺杆、圓盤螺母以及錨釘使其相互組合連接可形成T形、L形、一字形模板，模板組裝時，模板上下兩排每隔600mm插入1根拉接螺杆，穿透模板並在其兩端加木條用圓盤螺母擰緊；步驟二，採用小型可移動式穩定土拌合站或固定式穩定土拌合站；步驟三，運土車或裝載機將混合土倒入牆體模板中；步驟四，採用搗固機將虛土夯實。由於當前的夯土建築方法一般均只考慮牆體的強度，牆體的蓄熱和絕熱性能一般都不在考慮之列，因此導致牆體的絕熱蓄熱條件不但差，而且還很難提高。
從夯土牆背景分析可知，不管是傳統夯土牆體施工工藝，還是現在進行改造升級的現代夯土牆體施工新工藝均未能實現夯土牆體的快速施工，制約了夯土牆體的推廣和應用。然而在構造溫室大棚的過程中，要求夯土牆的建造儘可能低成本、高效率，同時在建造方法上進行改良，以適應當前的高效化建造需求；另外，作為構成溫室大棚的一部分，當前對夯土牆提出的新要求就是，夯土牆需要具有足夠的絕熱、蓄熱性能。另外，當前的大棚溫室還存在換熱能力差、通風效果不佳、只能進行被動式採光蓄熱等不足之處，這些都是現有技術所未能解決的問題，在一定程度上影響著當前溫室的整體性能。
技術實現要素：
針對上述現有技術中存在的問題，本發明的目的在於，提供一種基於土壤全熱交換風道的輕簡化主動採光蓄熱溫室，以提升溫室的光溫效果，不僅具有一般溫室的保溫蓄熱功能，而且能跟隨外界光照進行主動採光，同時能夠在一定程度上進行牆體的主動蓄熱放熱，以及進行溫室內外氣體和能量的交換。
為了實現上述任務，本發明採用以下技術方案：
一種基於土壤全熱交換風道的輕簡化主動採光蓄熱溫室，包括固定骨架，固定骨架的前端、後端分別支撐在前牆、後牆上，溫室的兩側設置有山牆；所述的固定骨架自前牆至後牆的方向上分為上升段和下降段，其中上升段為弧形結構，上升段上設置有屋面；所述的屋面包括固定屋面和比固定屋面位置高的活動屋面，其中活動屋面的一端鉸接在固定骨架上，活動屋面的另一端由電機驅動以改變活動屋面與水平面之間的夾角；
所述的後牆內部填充有相變固化土層，並在相變固化土層中鋪設有蓄熱通道；所述的相變固化土層是由相變固化劑與基土混合後採用夯實工藝製成，所述的相變固化劑以重量份數記，由以下組分構成：
氧化鋁：5份，普通矽酸鹽水泥：80份，生石灰：16份，磷酸氫二鈉：80份，無水硫酸鈉：40份，水玻璃5份；
所述的相變固化土層中，相變固化劑與基土的重量比為5％～10％，所述的基土為沙土和/或礫石土；
所述的後牆位於溫室內部的一側設置有預製孔道樓板，預製孔道樓板的孔道與所述的蓄熱通道連通，在所述的孔道上安裝有軸流風機；所述的後牆位於溫室外部的一側設置有與蓄熱通道連通的進風口；
所述的溫室下部設置有熱交換系統，熱交換系統包括鋪設在溫室內地下的進風管道和出風管道，其中進風管道位於出風管道的上部，進風管道上貫連有多根與溫室內部連通的換熱管，進風管道的一端穿出山牆；出風管道的一端位於溫室內部，另一端穿出山牆。
進一步地，所述的夯實工藝包括以下步驟：
步驟一，確定後牆的建築參數，在靠近溫室的一側設置吸熱材料層，靠近溫室外部的一側設置絕熱保溫材料層，然後組裝夯實模具；
步驟二，將變化固化劑與基土進行混合併攪拌均勻，得到攪拌混合物；
步驟三，在步驟二得到的攪拌混合物中加水並攪拌，調整攪拌混合物使其達到最優含水率；
步驟四，將步驟三中的攪拌混合物添加到步驟一搭建好的夯實模具中，進行平整並夯實，在夯實的過程中，依次鋪設所述的蓄熱通道；
步驟五，夯實完成後，拆除夯實模具，保留吸熱材料層和絕熱保溫材料層，得到後牆；並在後牆的外部砌築磚牆。
進一步地，所述的後牆內部的相變固化土層中設置有與所述的蓄熱通道連接的蓄熱通風主管，溫室內地下鋪設有蓄熱通風支管，蓄熱通風支管的一端與溫室內部連通，另一端與蓄熱通風主管連接。
進一步地，所述的活動屋面與水平面之間的夾角範圍為26°±10°，安裝活動屋面的固定骨架部分與水平面之間的夾角範圍為15°±10°。
進一步地，所述的後牆頂部設置有頂圈梁，頂圈梁的上部設置有鋼筋混凝土封板，頂圈梁中設置有用於支撐固定骨架的後部預埋件；所述的固定骨架的下降段上鋪設有鋼筋混凝土層。
進一步地，所述的固定骨架的上升段和下降段之間設置有支撐架，所述的電機安裝在支撐架上；所述的活動屋面的前端側面通過轉動件安裝在固定骨架上，活動屋面的後端設置有橫跨溫室兩側山牆的頂部連梁，在頂部連梁上安裝有齒條，所述的電機通過齒輪驅動所述的齒條。
進一步地，所述的轉動件包括連接在固定骨架上的轉軸，轉軸上套裝有U形的固定卡，固定卡的兩端向外側翹起形成凹陷部；利用一根螺杆穿過固定卡，使轉軸位於螺杆與固定卡之間，然後對螺杆兩端通過螺母固定，使螺母位於凹陷部中；所述的活動屋面連接在固定卡上。
本發明與現有技術相比具有以下技術特點：
其一，在陽光溫室結構設計上,創新性地將溫室的固定骨架與溫室的主動採光活動屋架結合起來設計，達到了即節省建造成本也同時提高了溫室結構的整體性，同時適應新建溫室和對原由溫室的升級改造，實踐意義巨大；
其二，在溫室後牆建造的材料上首次採用了相變固化土技術，所利用的儲能材料為添加了硫酸鈉和磷酸氫二鈉的黃土、沙子或者戈壁礫石土等，這些材料均可以就地取材，成本低廉；並且由於加入了本發明提出的相變固化劑材料，使得溫室後牆的蓄熱量大幅增大，而且能在設計的溫度點進行熱量的吸收和釋放。
本發明的自主蓄熱相變固化土裝配式後牆溫室，由於建築材料的寬泛要求，使得該結構的日光溫室能夠適應不同地區不同地質條件的溫室建設要求，因此可以極大地推動日光溫室標準化的進程，為新型日光溫室的科學設計提供了樣板。
其三，本發明的自主蓄熱相變固化土裝配式後牆溫室在建築結構上採用了快速成型結構設計和施工技術，可以結合日光溫室的後牆進行一體化建造，因此大大降低溫室土建的建築成本，同時還可以增強日光溫室後牆的穩定性。另外，本發明的固化土中加入了硫酸鈉和磷酸氫二鈉，因此該固化土可以實現部分相變，進而達到最大限度地提高固化土的蓄熱容量。
其四，創新性地在溫室後牆建造中採用了絕熱維護材料與牆體主體一次快速成型技術，在蓄熱風道的構造上也採取鋼絲網+土工布或無紡布的設計，使得換熱風道在大幅降低造價的基礎上，提升了換熱能力並具有了除溼的功能。同時在地下構造溫室全熱交換通風系統，使得溫室能夠在損失極少熱量的同時實現溫室的換氣需求。因此，不但主動蓄熱通風系統幾乎沒有材料的消耗，而且進一步提高了傳熱的效率和穩定性。
其五，運行採用光伏板直接驅動直流風機，而且採用了生態智能控制策略，因此相比一般的風機驅動省去了控制系統和電力供應系統等機構，系統構造簡化，運行穩定和低能耗，安裝調試完成後，不需要運行費用。
其六，本發明的基於土壤全熱交換風道的輕簡化主動採光蓄熱溫室，結構合理，與現有日光溫室相比可以大幅降低建造成本和加快施工速度，而可以大大提高溫室的自動化水平。具有蓄熱保溫效果好，製造、操作簡單，使用壽命長等優點。
附圖說明
圖1為本發明的整體結構示意圖；
圖2為活動屋面打開後的結構示意圖；
圖3為後牆中採用鋼絲網通道的結構示意圖；
圖4為本發明的俯視結構示意圖；
圖5為本發明的內部結構示意圖(溫室內部朝向後牆方向)；
圖6為轉動件的結構示意圖；
圖中標號代表：1—前牆，2—前部預埋件，3—固定屋面，4—上升段，5—固定骨架，6—活動屋面，7—支撐架，8—齒條，9—電機，10—下降段，11—鋼筋混凝土層，12—鋼筋混凝土封板，13—頂圈梁，14—蓄熱通道，15—磚牆，16—後牆，17—相變固化土層，18—轉動件，181—固定卡，182—轉軸，183—螺母，184—螺杆，185—凹陷部，19—鋼絲網通道，20—山牆，21—頂部連梁，22—進風口，23—預製孔道樓板，24—軸流風機，25—出風管，26—進風管，27—換熱管，28—蓄熱通風主管，29—蓄熱通風支管。
具體實施方式
遵從上述技術方案，如圖1至圖6所示，本發明提出了一種基於土壤全熱交換風道的輕簡化主動採光蓄熱溫室，包括固定骨架5，固定骨架5的前端、後端分別支撐在前牆1、後牆16上，溫室的兩側設置有山牆20，固定骨架5的兩側與山牆20頂部相接；所述的固定骨架5自前牆1至後牆16的方向上分為上升段4和下降段10，其中上升段4為弧形結構，上升段4上設置有屋面；如圖1所示，固定骨架5自前牆1起始向後牆16方向延伸，上升段4整體呈弧形結構，而靠近前牆1的部分斜率較其餘上升段4部分的斜率更大一些；上升段4和下降段10相交處為整個固定骨架5的最高處，下降段10最終支撐在後牆16上。
所述的屋面包括固定屋面3和比固定屋面3位置高的活動屋面6，固定屋面3和活動屋面6整體構成完整的屋面，覆蓋在溫室上部，活動屋面6在曲線設計上貼合固定骨架5，因此適合對已有的溫室進行針對性的改造和提升。固定屋面3整體固定布設在骨架上，固定屋面3的長度(自前牆1向後牆16方向)為整個屋面長度的1/4～1/2；活動屋面6的一端鉸接在固定骨架5上，活動屋面6的另一端由電機9驅動以改變活動屋面6與水平面之間的夾角，即活動屋面6在電機9驅動時，能遠離或靠近固定骨架5，從而實現跟隨外界光照進行主動採光的功能。
如圖1至圖3所示，活動屋面6與水平面之間的夾角範圍為26°±10°，優選為26°；這裡的夾角是指活動屋面6起始端和末端的連線與水平面之間的夾角；安裝活動屋面6的固定骨架5部分與水平面之間的夾角範圍為15°±10°，優選為15°，這裡的夾角為安裝活動屋面6的固定骨架5部分的起始端和末端連線與水平面之間的夾角。
如圖所示，本方案中，固定骨架5的上升段4和下降段10之間設置有支撐架7，所述的電機9安裝在支撐架7上，通過齒輪齒條8傳動副來驅動活動屋面6以調整活動屋面6的位置；所述的活動屋面6的前端側面通過轉動件18安裝在固定骨架5上，活動屋面6的後端設置有橫跨溫室兩側山牆20的頂部連梁21，如圖4所示；在頂部連梁21上安裝有齒條8，所述的電機9通過齒輪驅動所述的齒條8；即活動屋面6的前端兩側通過轉動件18進行安裝，活動屋面6的後端由於需要整體升降，為了保證穩固性，設置了頂部連梁21，通過驅動頂部連梁21上下移動，頂部連梁21在移動過程中將帶動活動屋面6運動。
如圖6所示，本方案中提出了一種具體的轉動件18結構，轉動件18包括連接在固定骨架5上的轉軸182，轉軸182上套裝有U形的固定卡181，固定卡181的兩端向外側翹起形成凹陷部185；利用一根螺杆184穿過固定卡181，使轉軸182位於螺杆184與固定卡181之間，然後對螺杆184兩端通過螺母183固定，使螺母183位於凹陷部185中；所述的活動屋面6連接在固定卡181上。這種轉動件18結構，不僅與活動屋面6能有更加的連接面積，以保證連接的穩固性，而且由於設置了U形結構，使得端部螺母183可以得到有效保護，能有效防止在使用過程中出現鬆動的情況，並且拆裝方便，便於調整。
本方案中，為了提高溫室的蓄熱性能和穩定性能，提出了一種新型後牆16結構：
所述的後牆16內部填充有相變固化土層17，並在相變固化土層17中鋪設有蓄熱通道14；所述的相變固化土層17是由相變固化劑與基土混合後採用夯實工藝製成，所述的相變固化劑以重量份數記，由以下組分構成：
氧化鋁：5份，普通矽酸鹽水泥：80份，生石灰：16份，磷酸氫二鈉：80份，無水硫酸鈉：40份，水玻璃5份；
所述的相變固化土層17中，相變固化劑與基土的重量比為5％～10％，所述的基土為沙土和/或礫石土；即，基土可以採用沙土，也可以採用礫石土，如戈壁礫石土，或採用沙土、礫石土的混合物，這些基土材料能很方便地就地取材，有效降低了建築成本。
所述的後牆16位於溫室內部的一側設置有預製孔道樓板23，如圖5所示，預製孔道樓板23即為在樓板製作時預製了若干個孔道，用於安裝風機；預製孔道樓板23的孔道與所述的蓄熱通道14連通，在所述的孔道上安裝有軸流風機24；所述的後牆16位於溫室外部的一側設置有與蓄熱通道14連通的進風口22；蓄熱通道14內部安裝有主動蓄熱鼓風機。軸流風機24、主動蓄熱鼓風機、蓄熱通風主管28、蓄熱通風支管29、蓄熱通道14連通，共同構成了土壤全熱交換風道。溫室外部設置有太陽能板，通過太陽能發電系統為軸流風機24提供電能，省去了控制系統和電力供應系統等機構。這樣，當陽光升起後，溫室內的溫度開始升高，光伏發電量也隨之增加，風機的風量也會和溫室內的溫度實現正向耦合；當光照減弱時，風機風量伴隨電量的減少而降低，進而實現了完全無單片機的生態智能耦合系統。溫室後牆16的內部構造採用相變固化土層17填充，在保證後牆16的質量基礎上，可大大降低後牆16的建築成本。另外，後牆16中的蓄熱通道14也可以採用鋼絲網通道19。
所述的溫室下部設置有熱交換系統，熱交換系統包括鋪設在溫室內地下的進風管26道和出風管25道，進風管26道和出風管25道內部有鋼絲網，可以實現對溫室內部熱量的最大存儲；其中進風管26道位於出風管25道的上部，進風管26道上貫連有多根與溫室內部連通的換熱管27，進風管26道的一端穿出山牆20，穿出山牆20的這一端比換熱管27的端部位置高；出風管25道的一端位於溫室內部，另一端穿出山牆20，且穿出山牆20的一端比位於溫室內部一端的位置低。通過熱交換系統的設置，可實現對溫室內外空氣和能量的進一步交換，進而實現溫室換氣而保存熱量的目的，從而進一步提升溫室的蓄熱保溫能力和提升溫室內的溫度指標。
在構築所述的後牆16時，採用以下技術工藝：
步驟一，確定後牆16的建築參數，建築參數包括後牆16的長度、寬度以及高度；在靠近溫室的一側設置吸熱材料層，靠近溫室外部的一側設置絕熱保溫材料層，然後組裝夯實模具；夯實模具的搭建過程參考背景技術的過程；
步驟二，將變化固化劑與基土按照重量比為5％～10％的比例進行混合併攪拌均勻，得到攪拌混合物；
步驟三，在步驟二得到的攪拌混合物中加水並攪拌，調整攪拌混合物使其達到最優含水率；這裡的最優含水率可通過標準擊實試驗進行確定，也可以採用重量百分比為11％～18％的最優含水率；當基土中的土為黏土、細粒土時，最優含水率採用15～18％，基土中粗粒，如砂石較多時，含水率採用11％～14％。
步驟四，將步驟三中調整好含水率的攪拌混合物添加到步驟一搭建好的夯實模具中，進行平整並夯實，在夯實的過程中，根據夯實的層次，依次鋪設所述的蓄熱通道14；
步驟五，夯實完成後，鬆開用於固定夯實模具的液壓裝置，拆除夯實模具，保留吸熱材料層和絕熱保溫材料層，得到後牆16；並在後牆16的外部砌築磚牆15。
在完成一部分後牆16的構筑後，可將整個用於夯土成型工藝的裝置，包括夯實模具、液壓裝置、平整設備、夯實設備等，利用拖動裝置拖動到下一部分後牆16構築位置，重複上述步驟，進行下一段後牆16的構築。採用這種模塊化的構築方式，有效地提高了後牆16的建造效率。
另外，本發明在構件夯土牆時，後牆16內部的相變固化土層17中設置有與所述的蓄熱通道14連接的蓄熱通風主管28，溫室內地下鋪設有蓄熱通風支管29，蓄熱通風支管29的一端與溫室內部連通，另一端與蓄熱通風主管28連接。後牆16頂部設置有頂圈梁13，頂圈梁13的上部設置有鋼筋混凝土封板12，頂圈梁13中設置有用於支撐固定骨架5的後部預埋件；所述的固定骨架5的下降段10上鋪設有鋼筋混凝土層11，構成後坡結構；前牆1頂部埋設有前部預埋件2，用於支撐固定骨架5的前端。
因此，本發明中採用了以項目地土地本身作為主要建築材料，提出了一種效果理想的相變土壤固化劑，進而實現最大限度降低成本的同時有效提升夯土後牆16的強度和蓄熱能力；採用了在土地材料裡加入相變固化組分，從而可以使混合土壤可以在較低的夯實力下達到較高的強度，而且同時可以高效提高溫室後牆16體的蓄熱容量的設計理念和方法；在建造方法上採用了模塊化組件式幹法快速建造技術，為我國夯土牆體的革新提供一種新的發展思路。