專利名稱：溫室高效地中熱交換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于設(shè)施園藝環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種溫室熱交換裝置。
地中熱交換裝置是一種有效利用太陽(yáng)能的溫室加溫裝置，它可將白晝溫室中富余的太陽(yáng)熱能貯蓄起來(lái)，到夜間釋放回溫室內(nèi)給溫室加溫。
在溫室或塑料大棚等園藝設(shè)施中，由于其內(nèi)部具有良好的集熱性，即使是氣溫在0℃以下的嚴(yán)寒冬季，在不加溫的情況下，白晝室內(nèi)氣溫仍可達(dá)到25℃以上，甚至超過(guò)30℃，高于植物生長(zhǎng)的適宜溫度，需通風(fēng)向室外排除多余的熱量。但是一到夜間，如不加溫，室內(nèi)氣溫又將迅速降低到0℃左右或更低。夜間采用燃料加溫雖可滿足種植的要求，但燃料的大量消耗會(huì)使生產(chǎn)成本大幅度增加。據(jù)調(diào)查，我國(guó)大型溫室生產(chǎn)的加溫年耗煤量約為60～100噸／畝，其冬季加溫耗能費(fèi)用約占總生產(chǎn)成本的50～70％，運(yùn)行費(fèi)用高，經(jīng)濟(jì)效益差，這是制約我國(guó)現(xiàn)代設(shè)施園藝發(fā)展的最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。我國(guó)設(shè)施園藝必須避免國(guó)外高能耗的發(fā)展模式，這不僅是我國(guó)自然資源條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況下的現(xiàn)實(shí)需要，也有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。
因此，白晝熱量過(guò)剩與夜間熱量的不足是溫室環(huán)境控制中一個(gè)突出的矛盾，解決這個(gè)矛盾的一個(gè)思路就是將白晝通風(fēng)向室外排除的多余熱量貯蓄起來(lái)，夜間使之釋放到溫室內(nèi)進(jìn)行加溫。地中熱交換裝置就是實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想的貯能加溫裝置，可以較好地解決溫室白晝熱量過(guò)剩與夜間熱量不足的矛盾。地中熱交換裝置由溫室土壤中埋設(shè)的管道與風(fēng)機(jī)組成。當(dāng)白晝溫室內(nèi)氣溫升高到一定程度(一般為20～25℃)時(shí)，開(kāi)動(dòng)風(fēng)機(jī)使空氣流過(guò)管道，這時(shí)空氣溫度高于土壤的溫度，熱風(fēng)將加熱管道及管周的土壤，把熱量蓄積到土壤中。到夜間溫室內(nèi)氣溫降低到設(shè)定點(diǎn)(低于10℃)時(shí)再開(kāi)動(dòng)風(fēng)機(jī)，使空氣從管道中流過(guò)，這時(shí)空氣溫度低于土壤的溫度，空氣被加熱而帶出蓄積的熱量。加溫的熱量可使室內(nèi)氣溫提高3-7℃，可全部或部分代替燃料加溫。同時(shí)由于地下管道的蓄熱，可使地溫提高4-8℃，這一點(diǎn)對(duì)于保證蔬菜等植物的生長(zhǎng)和提高其產(chǎn)量具有尤為顯著的作用。由于地下土壤熱容量大，放熱穩(wěn)定持久，故在連陰天氣下仍可保持一定的效果。
地中熱交換裝置的最早期的研究可追溯到六十年代，但這項(xiàng)研究真正受到重視并逐漸應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)是在七十年代相繼爆發(fā)二次世界性的能源危機(jī)以后。在日本的試驗(yàn)研究較多，美、法、希臘等國(guó)學(xué)者也相繼開(kāi)展了這項(xiàng)研究，到八十年代初已基本達(dá)到實(shí)用化。近幾年仍有不少研究者就該裝置的性能、應(yīng)用方式和優(yōu)化完善等方面繼續(xù)進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)研究者從1984年開(kāi)始開(kāi)展了此項(xiàng)研究，目前已在華北、東北地區(qū)一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。
與本專利最接近的地中熱交換裝置如下①日本神奈川縣藤澤市的一座二連棟溫室中的地中熱交換裝置溫室長(zhǎng)19．8米，跨度9米，二跨相連寬度共18米。采用直徑φ100mm的聚乙烯圓管作地中熱交換裝置管道，管道沿溫室長(zhǎng)度方向埋設(shè)，埋設(shè)深度分0．5米與0．8米二層，每層以0．5米的間距排列36根。管道的一端通至溫室的一面山墻后，轉(zhuǎn)為豎直方向通出地面，所有管道另一端均通至溫室的另一面山墻處的溝道中，溝道上方安裝3臺(tái)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，吸引室內(nèi)空氣，將其壓送入溝道，通過(guò)溝道送入圓管內(nèi)，空氣流過(guò)管道，向管道放熱(白晝)或(吸熱)，然后從其另一端的出口流出返回溫室內(nèi)。參見(jiàn)山本雄二郎，地中熱交換溫室，《(日)農(nóng)業(yè)氣象》1985年，41卷3期，P273-280②日本大坂農(nóng)林技術(shù)中心一座葡萄溫室中的地中熱交換裝置溫室長(zhǎng)41米，跨度5．4米，三連跨，總寬度16．2米。采用直徑φ100mm、壁厚3mm的聚乙烯圓管作地中熱交換裝置管道。管道沿溫室長(zhǎng)度方向埋設(shè)，由于溫室較長(zhǎng)，管道在長(zhǎng)度方向上分成二段，每段長(zhǎng)18米，二段管道分別在溫室二面山墻處通出地面，在溫室中部的一端通至溝道中，溝道上方共安裝8臺(tái)風(fēng)機(jī)。管道埋設(shè)深度分0．4米與0．6米二層，上層排列2×28根，下層排列2×25根。裝置運(yùn)行時(shí)，位于溫室中部的風(fēng)機(jī)吸引室內(nèi)空氣，將其壓送入溝道，然后分別向二邊送入圓管內(nèi)，空氣流過(guò)管道，向管道放熱(白晝)或(吸熱)，然后分別從位于二面山墻處的出口流出返回溫室內(nèi)。參見(jiàn)段正幸，設(shè)施葡萄節(jié)能栽培的溫度管理與保溫，《(日)農(nóng)業(yè)及園藝》1988年，63卷2期，P321-324地中熱交換裝置雖然節(jié)能效果顯著，但還存在熱交換效率低、裝置建造費(fèi)用高的缺點(diǎn)。這是因?yàn)榭諝馀c管道的換熱強(qiáng)度低、土壤傳熱慢，為了達(dá)到所需的換熱量，需要采用大量的管道，因此其費(fèi)用大大增加。這是目前地中熱交換裝置還未能得到更廣泛的推廣的最主要原因之一。
本實(shí)用新型的目的就是要提高地中熱交換裝置的熱交換效率，盡可能減少管道的用量，降低裝置的費(fèi)用。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種溫室地中熱交換裝置，本實(shí)用新型由雙向風(fēng)機(jī)1、PVC波紋管道2、自動(dòng)控制裝置3和進(jìn)排風(fēng)口5、6組成，PVC波紋管道2與進(jìn)排風(fēng)口5、6相連，并位于溫室土壤0．5-1米深度之間；雙向風(fēng)機(jī)1通過(guò)電源線與自動(dòng)控制裝置3相連。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下①本實(shí)用新型減少了管道原材料，降低了成本。由于本實(shí)用新型采用PVC薄壁波紋管作換熱管道，波紋狀的管壁很薄(1毫米左右)即可滿足強(qiáng)度和剛度的要求，減少了塑料材料的用量，降低了管道費(fèi)用。
②提高了換熱效率。波紋管采用混鋁PVC材料制作，提高了管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)。加之本實(shí)用新型波紋管管壁薄，減小了管壁的導(dǎo)熱熱阻，同時(shí)波紋狀的管道內(nèi)壁有助于提高氣流與管道內(nèi)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)，因此管道換熱效率高。經(jīng)試驗(yàn)，本裝置比過(guò)去的裝置提高換熱效率一倍以上。
③本裝置蓄熱與放熱均勻。白晝蓄熱和夜間放熱運(yùn)行中，使風(fēng)機(jī)正、反向交替運(yùn)行，避免了風(fēng)機(jī)單向運(yùn)行時(shí)，管道進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口(如附圖中5、6二處)蓄熱與放熱不均的現(xiàn)象，可顯著地提高土壤的蓄、放熱量。因此采用了專門(mén)研制的正反向運(yùn)行均具有較高效率的雙向軸流風(fēng)機(jī)。
由于采用了以上技術(shù)方案，本裝置比過(guò)去的裝置提高換熱效率一倍以上。在達(dá)到相同蓄放熱的效果時(shí)，本方案可減少埋設(shè)的管道50％以上，可顯著降低裝置的費(fèi)用。


圖1為溫室高效地中熱交換裝置示意
圖1、雙向風(fēng)機(jī)，2、PVC波紋管道，3、自動(dòng)控制裝置，4、溫室，5、6、進(jìn)排風(fēng)口。
下面敘述本實(shí)用新型的實(shí)施例本實(shí)用新型由雙向風(fēng)機(jī)1、PVC波紋管道2、自動(dòng)控制裝置3和進(jìn)排風(fēng)口5、6組成，PVC波紋管2與進(jìn)排風(fēng)口5、6相連，并位于溫室土壤0．5-1米深度之間；雙向風(fēng)機(jī)1通過(guò)電源線與自動(dòng)控制裝置3相連。
本裝置的工作過(guò)程①白晝溫室內(nèi)氣溫升高到設(shè)定的蓄熱啟動(dòng)溫度時(shí)，自動(dòng)控制裝置3啟動(dòng)雙向風(fēng)機(jī)1向PVC波紋管道2內(nèi)送風(fēng)蓄熱。這時(shí)管道內(nèi)氣流的方向是由5到6，氣流在管道里的流動(dòng)過(guò)程中向管道周?chē)寥婪艧幔瑲鉁赜?到6逐漸降低，因此向管道周?chē)寥赖男顭崃坑?到6是逐漸減少的。
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，PVC波紋管道2氣流進(jìn)口5端管周的土壤蓄積熱量較多，土壤溫度上升較大，而接近氣流出口6端的管周土壤蓄積熱量較少，土壤溫升較小，在管道長(zhǎng)度方向上形成較大的土壤溫度差異。
這時(shí)由自動(dòng)控制裝置3改變雙向風(fēng)機(jī)1的運(yùn)行方向，改為從波紋管道2中吸風(fēng)，管道6端成為進(jìn)風(fēng)口，管道5端成為排風(fēng)口，管道內(nèi)氣流的方向由6到5。這樣氣流與管道熱交換量沿管長(zhǎng)度方向的變化情況與風(fēng)機(jī)變換方向前相反，6端蓄熱量多，向5端逐漸減少。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，6端土壤溫度升高，并逐漸超過(guò)5端，形成6端高、5端低的溫度分布，達(dá)到一定程度時(shí)再由自動(dòng)控制裝置3改變雙向風(fēng)機(jī)1的運(yùn)行方向。如此循環(huán)反復(fù)，直至溫室內(nèi)氣溫低于設(shè)定的蓄熱的氣溫時(shí)，最后，使管道全長(zhǎng)范圍內(nèi)的土壤能夠較為均勻地蓄熱。
②夜間溫室內(nèi)氣溫降低到設(shè)定的放熱溫度時(shí)，自動(dòng)控制裝置3啟動(dòng)雙向風(fēng)機(jī)1向PVC波紋管道2內(nèi)送風(fēng)，交換出白晝蓄積的熱量。這時(shí)管道內(nèi)氣流的方向是由5到6，氣溫由5到6逐漸升高，5端土壤放熱量高于6端，因此溫度下降較快。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，形成5端低于6端的溫度分布。
這時(shí)由自動(dòng)控制裝置3改變雙向風(fēng)機(jī)1的運(yùn)行方向，管道內(nèi)氣流的方向由6到5，則6端放熱較多，向5端逐漸減少。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，6端土壤溫度降低，而5端由于放熱較少，并且較遠(yuǎn)處土壤傳來(lái)熱量補(bǔ)充，溫度逐漸有所回升。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，形成6端低于5端的溫度分布，達(dá)到一定程度時(shí)再由自動(dòng)控制裝置3改變雙向風(fēng)機(jī)1的運(yùn)行方向。如此循環(huán)反復(fù)，直至溫室內(nèi)氣溫高于設(shè)定的放熱的氣溫時(shí)，使管道全長(zhǎng)范圍內(nèi)的土壤能夠較為均勻地放熱。
權(quán)利要求1.一種溫室地中熱交換裝置，其特征在于本實(shí)用新型由雙向風(fēng)機(jī)1、PVC波紋管道2、自動(dòng)控制裝置3和進(jìn)排風(fēng)口5、6組成，PVC波紋管道2與進(jìn)排風(fēng)口5、6相連，并位于溫室土壤0．5-1米深度之間；雙向風(fēng)機(jī)1通過(guò)電源線與自動(dòng)控制裝置3相連。
專利摘要一種溫室地中熱交換裝置,本實(shí)用新型由雙向風(fēng)機(jī)1、PVC波紋管道2、自動(dòng)控制裝置3和進(jìn)排風(fēng)口5、6組成,PVC波紋管道2與進(jìn)排風(fēng)口5、6相連,并位于溫室土壤0.5—1米深度之間;雙向風(fēng)機(jī)1通過(guò)電源線與自動(dòng)控制裝置3相連。本實(shí)用新型具有熱效率高,減少原材料用量,降低成本,蓄熱與放熱均勻等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)A01G9/24GK2428969SQ00235830
公開(kāi)日2001年5月9日 申請(qǐng)日期2000年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月8日
發(fā)明者馬承偉, 黃之棟, 穆麗君 申請(qǐng)人:北京市富通環(huán)境工程公司