大棚土壤跨季度儲供熱系統及太陽能光熱儲能供熱溫室的製作方法

2024-04-16 07:32:05

1.本發明涉及溫室大棚技術領域，尤其是涉及一種大棚土壤跨季度儲供熱系統及太陽能光熱儲能供熱溫室。


背景技術：

2.設施農業生產作為現代農業生產的一項重要組成部分，在實際操作過程中通常採用設施內的環境溫度、溼度、光照、co2等影響作物生長的要素數據採集系統來對農作物進行控制從而實現連續生產的方式。
3.溫室大棚是一種重要的農業設施，其主要作用是在反季節的冬季或春秋為農作物提供一個溫度、溼度適宜的生長環境，提高農作物的產量或品質，使人們在反季節也能吃到新鮮蔬菜。
4.目前中國溫室大棚以傳統塑料薄膜拱棚為主，雖然在一定程度上增強農業抗風險能力，提高種植效率，增加了農戶的收入，但是其蓄熱和保溫性能不佳。在我國大部分地區的冬季以及秋冬和冬春之交，氣候寒冷且晝夜溫差較大。在寒冷冬季，特別是在連續降雪和極端寒冷的天氣條件下，傳統設施農業的土壤溫度變化受到棚內空氣溫度和環境溫度雙重影響，很易造成凍害、冷害甚至農作物植株枯死、凍死等現象，給設施農業種植帶來風險。
5.我國北方地區冬季寒冷而漫長，太陽能的輻射強度較弱，夏季太陽能的輻射強度較強，存在太陽能的間歇性短缺問題。為保證冬季大棚種植的作物的有效生長，需要在大棚內部添加制熱設備進行制熱，而在制熱的過程中會消耗大量的化石能源，不僅運行成本和維護費用高，而且會導致大量的碳排放，進而對環境造成汙染。目前傳統的制熱設備主要提高了設施農業棚內的空氣溫度，隨著溫度的升高，空氣密度減小，主要聚集於設施農業的上半部空間，伴隨設施農業除溼和通風作業而散失到環境中，造成熱量的損失和系統熱效率的降低。而設施農業內種植的作物除了需要適宜的氣溫，更重要的需要適宜的種植土壤溫度。
6.人們提出了各種解決方案，例如，專利號為201820296772.8提出了及一種太陽熱地熱互補能源設施農業大棚，包括若干溫室大棚，在溫室大棚間內安裝有水力模塊和水源熱泵機組，通過直接太陽光熱和電驅動水/地源熱泵等自然清潔可再生能源，利用布置在大棚管溝內的管群完成冷熱量的輸配，全天候地滿足大棚的能源需求。通過散熱器、水環熱泵、屋頂噴淋裝置及地埋熱管等設備調節大棚室內溫度，能夠為大棚內的種植物提供適宜的生長環境。
7.上述方案雖然在一定程度上解決了傳統大棚能耗大，不夠環保的問題，然而上述農業大棚在使用的過程中，如遇到連續陰霾天氣會影響大棚的儲供熱效果，且該方案沒有考慮到作物生長所需地溫的需求，同時存在著初期設備投資大，後期運行成本高等問題。
8.為解決當冬季使用大棚進行種植時，夜間棚內的溫度驟然下降，會影響種植作物的生長周期或者是使作物受到嚴重的凍害，以及冬季氣溫低與植物生長慢的矛盾，就需要給大棚進行供暖，然而在給大棚進行供暖的過程中，傳統的供暖方式不僅無法滿足作物種
植土壤的溫度需求還會對空氣造成汙染，而利用清潔能源供暖，存在初期設備投資大，後期運行成本高，並且也是無法滿足作物生長所需的地溫要求，不適合在傳統農業大棚上改造等諸多問題。


技術實現要素：

9.有鑑於此，為了解決現有技術中存在的太陽能的間歇性短缺問題、大棚內使用的供暖方式制熱時會消耗大量的能源，無法滿足作物生長所需的地溫要求的技術問題，本發明的目的在於提供一種大棚土壤跨季度儲供熱系統及太陽能光熱儲能供熱溫室。
10.為了實現上述目的，本發明提供了一種大棚土壤跨季度儲供熱系統，包括跨季度儲熱單元、太陽能集熱單元以及空氣循環控制單元，其中：
11.所述跨季度儲熱單元，設置於大棚土壤層內，用於跨季度儲存熱量，以便與所述大棚土壤層內的土壤進行熱交換；
12.所述太陽能集熱單元，設置於大棚外部，用於將太陽能轉化為熱能，且所述太陽能集熱單元與所述跨季度儲熱單元相連接形成換熱循環迴路，以便於所述跨季度儲熱單元將熱量儲存於土壤層內部，供作物生長所需；
13.所述空氣循環控制單元，設置於大棚側牆上，用於控制所述換熱循環迴路。
14.作為本發明的進一步改進，所述太陽能集熱單元包括集熱器、集熱管和安裝基架，所述集熱器為開口狀結構，所述集熱器通過所述安裝基架上安裝在大棚土壤層外面，所述集熱器內部穿設有所述集熱管，所述集熱器的開口處設置有玻璃蓋板，光線可以透過所述玻璃蓋板照射在所述集熱管上。
15.作為本發明的進一步改進，所述安裝基架包括混凝土平臺和固定支架，所述固定支架固定於所述混凝土平臺上，所述集熱器固定安裝於所述固定支架上，所述混凝土平臺安裝於所述大棚土壤層上，所述集熱器的側壁內表面設置有反射鋁層，所述反射鋁層能將部分光線反射至所述集熱管。
16.作為本發明的進一步改進，所述集熱器為太陽能槽式集熱器，包括半拋物反射壁和圓弧反射壁，其中，所述圓弧反射壁設置於兩個所述半拋物反射壁之間且兩個所述半拋物反射壁相對於所述圓弧反射壁對稱設置，所述半拋物反射壁和所述圓弧反射壁圍設成具有開口的所述太陽能槽式集熱器，所述集熱器上的開口處為入光口，所述玻璃蓋板設置於所述集熱器上的開口處。
17.作為本發明的進一步改進，所述集熱管包括管罩本體以及吸熱體，所述吸熱體設置於所述管罩本體內部且能將穿過所述管罩本體的光線轉化為熱能，所述管罩本體穿設於所述集熱器內部且所述管罩本體與所述集熱器之間密封連接。
18.作為本發明的進一步改進，所述吸熱體上垂直於其軸線方向的截面形狀呈「米」字形，所述吸熱體的表面塗覆有吸熱塗層。
19.作為本發明的進一步改進，所述固定支架包括包括支撐杆、立杆和底板，所述立杆與所述支撐杆相連接，所述支撐杆與所述立杆均與所述混凝土平臺固定，且所述支撐杆與所述立杆的底部均連接有所述底板，所述支撐杆、所述立杆和所述底板構成三角形結構，所述集熱器可拆卸的安裝於所述支撐杆上，所述支撐杆的下部設置有用於支撐所述集熱器的託片，所述底板與所述混凝土平臺相連接。
20.作為本發明的進一步改進，所述跨季度儲熱單元包括有高溫輸氣管、低溫輸氣管、中央儲熱管、高溫聯箱、分流三通和耐高溫軟管，所述集熱管通過所述耐高溫軟管與所述分流三通相連通，所述分流三通連接動力風機，所述動力風機與所述低溫輸氣管相連，所述低溫輸氣管通過所述中央儲熱管與所述高溫輸氣管相連通，所述高溫輸氣管與所述高溫聯箱相連通，所述高溫聯箱連通所述集熱管，所述集熱管、所述低溫輸氣管、所述高溫輸氣管和所述高溫聯箱之間形成換熱循環迴路。
21.作為本發明的進一步改進，所述空氣循環控制單元包括控制單元、輻照儀、高溫端溫度變送器、低溫端溫度變送器、第一溫度變送器、第二溫度變送器、第三溫度變送器、室內溫度變送器和室外溫度變送器，其中，所述控制單元與所述動力風機相連接，所述控制單元安裝於大棚的日光溫室側牆上，所述輻照儀安裝於所述集熱器上以採集太陽輻射於大地上的能量信號值；所述高溫端溫度變送器安裝於所述高溫輸氣管上，所述低溫端溫度變送器安裝於所述低溫輸氣管上；所述第一溫度變送器、所述第二溫度變送器和第三溫度變送器分別安裝於大棚土壤層的不同深度處，用於採集大棚土壤層內不同深度的土壤溫度模擬信號；所述室內溫度變送器安裝於大棚內部，所述室外溫度變送器安裝於大棚外側。
22.一種太陽能光熱儲能供熱溫室，包括大棚以及所述的大棚土壤跨季度儲供熱系統，其中，所述大棚包括保溫牆體、大棚前梁、大棚支架和透明防護罩，所述保溫牆體和所述大棚前梁均固定在大棚土壤層上，所述保溫牆體與所述大棚前梁之間設置有所述大棚支架，所述大棚支架上方罩有所述透明防護罩，所述透明防護罩的一側設置有棚門，所述溫室大棚內部設置有固定在大棚土壤層上的隔風牆，且所述隔風牆面向所述棚門設置。
23.本發明提供的大棚土壤跨季度儲供熱系統，利用安裝在大棚外側的高效的太陽能集熱單元，產生高溫空氣，通過設置於大棚土壤層內的所述跨季度儲熱單元將高溫空氣送入地下儲存起來，用於跨季度儲存熱量，以便與所述大棚土壤層內的土壤進行熱交換；太陽能集熱單元用於將太陽能轉化為熱能，跨季度儲熱單元對地下土壤夏秋儲熱冬季使用，實現了太陽能轉化為熱能的跨季度儲存，解決我國北方地區冬季太陽能的間歇性短缺問題，所述太陽能集熱單元與所述跨季度儲熱單元相連接形成換熱循環迴路，以便於所述跨季度儲熱單元將熱量儲存於土壤層內部，滿足了冬季設施農業茄果類作物生長所需地溫要求，有利用促進作物根系生長，提高農作物產量，這是傳統設施農業大棚和其他可再生能源設施農業所無法達到的土壤溫度條件。另外，本發明可以有效減少冬季設施農業增溫所消耗的化石能源，改善種植區域大氣質量，減少二氧化碳排放，運行費用低，特別適合於嚴寒地區。
附圖說明
24.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
25.圖1是本發明實施例提供的溫室大棚一張結構示意圖；
26.圖2是本發明實施例提供的溫室大棚的另一結構示意圖(未示出透明防護罩和玻璃蓋板)；
27.圖3是本發明實施例提供的太陽能集熱單元的整體結構示意圖；
28.圖4是圖3中a部分的放大示意圖；
29.圖5是本發明實施例提供的集熱器的部分結構示意圖；
30.圖6是本發明實施例提供的太陽能集熱單元的背部結構示意圖；
31.圖7是本發明實施例提供的吸熱體的結構示意圖；
32.圖8是本發明實施例提供的安裝基架的整體結構示意圖；
33.圖9是圖8中b部分的放大示意圖；
34.圖10是圖8中c部分的放大示意圖；
35.圖11是本發明實施例提供的跨季度儲熱單元與太陽能集熱單元的配合示意圖；
36.圖12是本發明實施例提供的跨季度儲熱單元的結構示意圖；
37.圖13是本發明實施例提供的跨季度儲熱單元的局部放大示意圖。
38.附圖標記：1、大棚土壤層；2、太陽能集熱單元；21、集熱器；211、半拋物反射壁；212、圓弧反射壁；22、反射鋁層；23、管罩本體；24、吸熱體；25、玻璃蓋板；26、密封圈；27、連接套；28、固定支架；281、支撐杆；282、立杆；283、底板；284、託片；285、螺栓孔；286、倒刺孔；29、混凝土平臺；3、跨季度儲熱單元；31、高溫輸氣管；32、低溫輸氣管；33、中央儲熱管；34、高溫聯箱；35、分流三通；36、耐高溫軟管；4、空氣循環控制單元；5、保溫牆體；6、透明防護罩；7、棚門；8、大棚前梁；9、大棚支架；10、動力風機。
具體實施方式
39.為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬於本發明所保護的範圍。
40.在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上；術語「上」、「下」、「左」、「右」、「內」、「外」、「前端」、「後端」、「頭部」、「尾部」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
41.在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對於本領域的普通技術人員而言，可視具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
42.參見圖1～圖13，本發明提供了一種大棚土壤跨季度儲供熱系統，包括跨季度儲熱單元3、太陽能集熱單元2以及空氣循環控制單元4。
43.跨季度儲熱單元3，設置於大棚土壤層1內，用於跨季度儲存熱量，以便與大棚土壤層1內的土壤進行熱交換；太陽能集熱單元2，設置於大棚外部，用於將太陽能轉化為熱能，且太陽能集熱單元2與跨季度儲熱單元3相連接形成換熱循環迴路，以便於跨季度儲熱單元3將熱量儲存於土壤層內部，供作物生長所需；空氣循環控制單元4，設置於大棚側牆上，用
於控制換熱循環迴路。
44.具體的，參見圖3，本實施例中的太陽能集熱單元2包括集熱器21、集熱管和安裝基架，集熱器21為開口狀結構，集熱器21通過安裝基架上安裝在大棚土壤層1外面，集熱器21內部穿設有集熱管，集熱器21的開口處設置有玻璃蓋板25，光線可以透過玻璃蓋板25照射在集熱管上。
45.安裝基架包括混凝土平臺29和固定支架28，固定支架28固定於混凝土平臺29上，集熱器21固定安裝於固定支架28上，混凝土平臺29安裝於大棚土壤層1上，集熱器21的側壁內表面設置有反射鋁層22，反射鋁層22能將部分光線反射至集熱管。
46.集熱管包括管罩本體23以及吸熱體24，吸熱體24設置於管罩本體23內部且能將穿過管罩本體23的光線轉化為熱能，集熱器21中間穿過管罩本體23，管罩本體23與集熱器21通過密封圈26實現密封作用；管罩本體23中間放置有吸熱體24，管罩本體23與管罩本體23之間通過連接套27進行串聯且外部纏繞有第一橡塑保溫。
47.作為本實施例可選的實施方式，集熱器21為太陽能槽式集熱器，如圖5所示，包括兩段半拋物反射壁211和一段圓弧反射壁212，其中，圓弧反射壁212設置於兩段半拋物反射壁211之間且兩段半拋物反射壁211相對於圓弧反射壁212對稱設置，半拋物反射壁211和圓弧反射壁212圍設成具有開口的太陽能槽式集熱器21，集熱器21上的開口處為入光口，玻璃蓋板25設置於集熱器21上的開口處。
48.本實施例中，管罩本體23和玻璃蓋板25均為透明材質，光線可以透過玻璃蓋板25並照射在透明管罩本體23上；反射鋁層22可以將沒有照射至管罩本體23之上的光線反射至管罩本體23，起到提高光照利用率的作用；吸熱體24可以將穿過管罩本體23的光線轉化為熱能，同時吸熱體24能將熱能儲存在其周圍的空氣之中。
49.如圖7所示的吸熱體24上垂直於其軸線方向的截面形狀呈「米」字形，吸熱體24塗雙面塗覆有吸熱塗層，提高熱轉化效率。
50.結合圖8和圖9，固定支架28包括包括支撐杆281、立杆282和底板283，立杆282與支撐杆281相連接，支撐杆281與立杆282均與混凝土平臺29固定，且支撐杆281與立杆282的底部均連接有一個底板283，支撐杆281、立杆282和兩個底板283構成三角形結構。支撐杆281的長度可根據實際設計要求進行選擇，支撐杆281表面開有螺栓孔285，螺栓孔285呈現兩列，位於支撐杆281表面的左右兩側；支撐杆281的側邊開有三排「倒刺孔286」結構，方便與立杆282的滑動安裝，也起到調節支撐杆281與水平地面角度的作用，支撐杆281與立杆282之間通過位於倒刺孔286內的連接件進行連接。
51.另外，在支撐杆281的下端設有託片284，託片284起到支撐集熱器21的作用，減少集熱器21固定螺栓的使用，並減輕勞動力，提高安裝效率；底板283分成前、後兩個，分別與支撐杆281、立杆282相連；兩個底板283均與混凝土平臺29相連；混凝土平臺29內部預埋緊固螺栓，與大棚土壤層1形成連接。
52.參見圖12，本實施例中的跨季度儲熱單元3包括有高溫輸氣管31、低溫輸氣管32、中央儲熱管33、高溫聯箱34、分流三通35和耐高溫軟管36，跨季度儲熱單元3位於大棚土壤層1內，與土壤進行熱交換。
53.其中，本實施例中的管罩本體23有上下兩排，每排串聯起來的透明管罩本體23又水平並聯放置，其兩排管罩本體23的一端分別通過承插式連接有耐高溫軟管36，兩個耐高
溫軟管36的另一端與分流三通35相連，分流三通35和耐高溫軟管36外側設有第二橡塑保溫；如圖13所示，分流三通35的第三端再與動力風機10相連；動力風機10與低溫輸氣管32相連，低溫輸氣管32上部分區段的外表面設有第二橡塑保溫，一般是露在大棚外面的低溫輸氣管32路段會設置第二橡塑保溫；低溫輸氣管32與中央儲熱管33相連，中央儲熱管33視具體項目而定，可以是一組，也可以是兩組或多組；中央儲熱管33與高溫輸氣管31相連，高溫輸氣管31與高溫聯箱34的第一通氣口相連；高溫聯箱34是由發泡聚氨酯為填充保溫材料、金屬支架做為外保護層的一種特殊形式的三通結構，高溫聯箱34的第二通氣口和第三通氣口再分別與集熱器21中透明管罩的另一端相連，比如高溫聯箱34的第二通氣口可以與上排透明管罩的另一端相連，高溫聯箱34的第三通氣口可以與下排透明管罩的另一端相連。
54.空氣循環控制單元4包括控制單元、輻照儀、高溫端溫度變送器、低溫端溫度變送器、第一溫度變送器、第二溫度變送器、第三溫度變送器、室內溫度變送器和室外溫度變送器。這裡的高溫端溫度變送器、低溫端溫度變送器、第一溫度變送器、第二溫度變送器、第三溫度變送器、室內溫度變送器和室外溫度變送器採用傳感器，具體的說是採用溫度傳感器，用來採集溫度。其中，控制單元根據輸入控制信號判斷是否滿足邏輯條件，如滿足則控制動力風機10啟動，系統開始運行，將熱能存儲至土壤層內。控制信號有輻照值信號、高溫端溫度信號和低溫端溫度信號。動力風機10安裝於低溫輸氣管32之上，控制單元安裝於日光溫室側牆之上；輻照儀安裝於集熱器21之上，採集太陽輻照於大地上的能量信號值；高溫端溫度變送器和低溫端溫度變送器分別安裝於高溫輸氣管31、低溫輸氣管32上，採集對應的管內空氣溫度模擬信號；第一溫度變送器、第二溫度變送器、第三溫度變送器分別安裝於大棚土壤層1不同深度內，採集土壤層內不同深度的土壤溫度模擬信號；室內溫度變送器、室外溫度變送器分別安裝於日光溫室內和日光溫室外，採集溫度信號。
55.控制單元包括有櫃體、電源開關、24v直流電源、控制電路板總成、dtu模塊、繼電模組、顯示屏、手動控制啟停按鈕、外部設備埠組；其中，24v直流電源給整個控制電路供電，控制系統判斷外部傳感器將採集到的輸入信號，通過繼電模組，控制輸出電路的開閉；dtu模塊是將採集到的傳感器數據上傳至雲端，客戶端可以直接在電腦或手機小程序實時觀測數據和調取歷史數據，與此同時可以實現遠程控制的作用；外部設備埠組是通過連接導線的形式，快速將輸入設備和輸出設備接入控制系統的作用。
56.此外，本發明還提供了一種太陽能光熱儲能供熱溫室，包括大棚以及上述的大棚土壤跨季度儲供熱系統，該溫室大棚能夠滿足現代農業大棚的能源與控溫需求。
57.參見圖1和圖2，大棚包括保溫牆體5、大棚前梁8、大棚支架9和透明防護罩6，保溫牆體5和大棚前梁8均固定在大棚土壤層1上，保溫牆體5與大棚前梁8之間設置有大棚支架9，大棚支架9上方罩有透明防護罩6，透明防護罩6的一側設置有棚門7，大棚前梁8的前側設有太陽能集熱單元2。透明防護罩6上可根據當地環境條件增設大棚棉被。大棚棉被為9層防雨被(4層夾心棉、2層花氈、2層黑氈、1層珍珠棉)，以保證大棚的保溫性、抗風性。
58.太陽能光熱儲能供熱溫室內部設置有固定在大棚土壤層1上的隔風牆，且隔風牆面向棚門7設置。大棚內距棚門7約2米處設置有隔風牆，以減少冬季寒氣通過棚門7直接進入大棚內，迅速降低大棚內溫度，同時設置上下放風口。
59.該溫室大棚利用高效的太陽能集熱單元2，產生溫度大於60℃的高溫空氣，將高溫空氣送入地下儲存起來，然後將設施農業冬季種植土壤溫度控制在作物適宜生長範圍，通
過對地下土壤夏秋儲熱冬季使用，實現了太陽能轉化為熱能的跨季度儲存，解決我國北方地區冬季太陽能的間歇性短缺問題，同時滿足了冬季設施農業茄果類作物生長所需地溫要求，有利用促進作物根系生長，提高農作物產量，這是傳統設施農業大棚和其他可再生能源設施農業所無法達到的土壤溫度條件。本發明可以有效減少冬季設施農業增溫所消耗的化石能源，改善種植區域大氣質量，減少二氧化碳排放，系統投資成本低，特別適合於嚴寒地區。
60.以上，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。