一种相变蓄能温室及工作方法

技术领域

本发明涉及农业温室技术领域，具体为一种相变蓄能温室及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

温室是农作物工业化种植中必不可少的设施，温室通过采集室内外温度、湿度基于当地天气预报调整温室内部的温度和湿度，使得满足农作物的生长环境，从而实现全天候、反季节的工业化农作物生产。

要确保温室内部维持在稳定的温度，通常利用日光、锅炉、水帘或冷风机等设备/设施的相互配合实现温度控制，此种方式耗能较高且设备繁多控制复杂。一些温室使用相变材料制成蓄能模块虽然解决了耗能高的问题，但蓄能模块的换热效率和结构优化设计不理想。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种相变蓄能温室及工作方法，将相变蓄能模块埋入地下，利用水作为传热介质，在接收太阳光辐射升温后将温度转移给地下的相变蓄能模块，减少了温室支架的结构强度从而降低成本，地下的相变蓄能模块能够根据地区差异增加或减少模块的数量，又不会影响温室的结构强度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种相变蓄能温室，包括框架和位于框架顶部的拱顶，拱顶包括位于靠近阳光照射一侧的南拱顶和远离阳光照射一侧的北拱顶，拱顶到南侧山墙之间设置斜撑,斜撑朝向南拱顶的一侧连接换热组件,斜撑及换热组件将温室物理分割为生产腔和调温腔，调温腔靠近阳光照射一侧，调温腔内部设有通风风机；斜撑与地面呈设定角度范围，角度范围A为：X≤A≤X+23.5°，X为温室所在地的纬度值；换热组件通过管道连接位于温室地下的相变蓄能组件；

换热组件内的工作介质将阳光中的热量通过管道转移给相变蓄能组件实现蓄热，蓄能组件中的热量通过经管道传输的工作介质传递给换热组件实现放热。

框架包括至少两组立柱和位于立柱顶部的拱顶，拱顶的最高点位置为北拱顶和南拱顶的连接点。

南拱顶靠近阳光照射一侧，北拱顶远离阳光照射一侧，北拱顶和南拱顶呈半径不同的弧形，北拱顶的弧形半径大于南拱顶，北拱顶覆盖的面积大于南拱顶覆盖的面积。

拱顶外表面设有保温层，南拱表面的顶保温层能够以卷绕的方式收起。

调温腔内设有通风风机，生产腔内设有扰流风机。

换热组件连接在斜撑朝向调温腔一侧，换热组件倾斜布置，倾斜角度与斜撑相同。

换热组件顶部设有喷水管，底部设有集水槽，集水槽通过管道连接相变蓄能组件。

集水槽至相变蓄能组件的管道上连接外援水出口，喷水管至相变蓄能组件的管道上连接外援水入口。

本发明的第二个方面提供上述相变蓄能温室的工作方法，包括以下步骤：

设定相变蓄能组件的相变温度；

蓄热：换热组件受阳光照射，温度升高，水泵启动，喷水管向换热组件喷水，水沿换热组件流下，换热组件将自身吸收的热量传递给水，使水温升高，升温后的水沿集水槽经管道进入相变蓄能组件，将其携带的部分热量传递给相变蓄能组件，降温后的水在水泵的作用下再次流入喷水管继续向换热组件喷水，实现蓄能循环；

放热：水沿着喷水管—换热组件—集水槽—管道—相变蓄能组件—水泵—喷水管的路径流动，水在相变蓄能组件升温后，喷洒到换热组件上，扰流风机吹动生产腔内空气流动，与换热组件接触的空气被辐射升温，提高生产腔的温度；

蓄冷：通风风机启动，抽吸外部冷空气进入调温腔，冷空气与换热组件辐射换热降温，冷空气促使水蒸发吸热，降低水和换热组件的温度，水泵启动，水沿着水泵—喷水管—换热组件—集水槽—管道—相变蓄能组件—水泵的路径循环流动，相变蓄能组件内的热量随着水和空气被排到温室外部完成蓄冷；

放冷：通风风机关闭，启动水泵，水沿着水泵—喷水管—换热组件—集水槽—管道—相变蓄能组件—水泵的路径循环流动，生产腔内的高温空气通过换热组件释放到水中，水将热量带入相变蓄能组件后水温降低，再次在水泵的作用下回到换热组件，实现放冷循环。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、相变蓄能组件位于温室地下，减少了温室吊顶的结构强度需求，节省安装施工成本，相变蓄能组件自身也能够利用地下环境的天然保温效果。

2、相变蓄能组件中的相变蓄能模块增减、更换更方便，温度调节范围更广，以适应多种不同作物或品种的生产需要。

3、相变蓄能组件中的相变蓄能模块可以分高低不同的温度的组合，一方面能利用的自然环境的温度范围更广，以应对极端的温度变化；另一方面通过能源的阶梯利用，满足不同农作物在不同阶段的温度需求。

4、斜撑的角度设置减少了调温腔占用的温室体积，使生产腔能够种植更多的农作物。

5、换热组件的角度设置能够吸收更多的太阳辐射，从而使生产腔的换热效率更高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的保温层展开状态下的侧面结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的保温层部分收起状态下的侧面结构示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；

图中：1、立柱，20、保温层，21、北拱顶，22、南拱顶，31、生产腔，32、调温腔，4、斜撑，41、换热组件，42、喷水管，43、集水槽，44、水泵，51、通风风机，52、扰流风机，61、第一电动阀，62、第二电动阀，63、第三电动阀，64、第四电动阀，65、第五电动阀，66、第六电动阀，71、第一相变蓄能模块，72、第二相变蓄能模块，73、第三相变蓄能模块，74、第四相变蓄能模块，75、第五相变蓄能模块，76、第六相变蓄能模块，81、外援水入口，82、外援水出口。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中所描述的，要确保温室内部维持在稳定的温度，通常利用日光、锅炉、水帘或冷风机等设备/设施的相互配合实现温度控制，此种方式耗能较高且设备繁多，控制复杂。一些温室使用相变材料制成蓄能模块虽然解决了耗能高的问题，但蓄能模块的换热效率和结构优化设计不理想。

例如，申请人已公开的专利(CN202010567131.3)中，利用相变蓄能体将温室分为上下布置的两个腔室，下腔用于生产，上腔用于调温，使剧烈温度的调控过程作用在相变蓄能材料上，缓冲温度调控过程对农作物造成的影响，而这种方式中需要占用较大的调温腔来容纳蓄能体，使得蓄能体无法根据各地区、各农作物种植需求的差异调整换热能力，同时蓄能体挂接在温室顶部上，又会使得温室支架的结构承担额外的载荷，造成温室的制造成本高。

因此，以下实施例给出了一种相变蓄能温室的硬件结构和工作方法，针对上述温室进行再次升级改进，将相变蓄能模块埋入地下，利用水作为传热介质，在接收太阳光辐射升温后将温度转移给地下的相变蓄能模块，减少了温室支架的结构强度从而降低成本，地下的相变蓄能模块能够根据地区差异增加或减少模块的数量，又不会影响温室的结构强度，并且通过相变蓄能模块的分组管理实现不同温度的组合应用，一方面能利用的自然环境的温度范围更广，以应对极端的温度变化；另一方面通过能源的阶梯利用，满足不同类型农作物在不同阶段的温度需求。

本实施例中的温室为阴棚，阴棚温室的南拱顶短而北拱顶长，阳棚则相反，阴棚能够获得的阳光直射面积相对阳棚更少，阳棚与阴棚取决于温室所在的地形环境。

阳棚温室朝向南侧的拱坡面积更长，则拥有更长的阳光照射时间，因此传统的阳棚通过遮阳和通风进行降温，而传统的阴棚温室由于光照面积更小，多使用空调进行升温和降温。

实施例一：

如图1-3所示，一种相变蓄能温室，包括框架和位于框架顶部的拱顶，拱顶包括位于靠近阳光照射一侧的南拱顶22和远离阳光照射一侧的北拱顶21，拱顶到南侧山墙之间设置斜撑4将温室物理分割为生产腔31和调温腔32，调温腔32靠近阳光照射一侧，调温腔32内部设有通风风机51；斜撑4与地面呈设定角度范围，具体为：不低于温室所在地的纬度值且不高于温室所在地纬度值23.5度；斜撑4朝向调温腔32的一侧表面连接换热组件41，换热组件41通过管道连接位于温室地下的相变蓄能组件；

换热组件41内的工作介质将阳光中的热量通过管道转移给相变蓄能组件实现蓄热，蓄能组件中的热量通过经管道传输的工作介质传递给换热组件41实现放热。

框架包括竖直布置的至少两组立柱1和位于立柱1顶部的拱顶，南拱顶22靠近阳光照射一侧，北拱顶21远离阳光照射一侧，北拱顶21和南拱顶22呈半径不同的弧形，北拱顶21的弧形半径大于南拱顶22，北拱顶21覆盖的面积大于南拱顶22覆盖的面积。拱顶外表面设有保温层20，南拱顶保温层能够以卷绕的方式收起，实现通过改变接收太阳光辐射面积的方式实现温度调节，保温层20收起状态下，南拱顶22覆盖的区域先暴露在阳光下。

拱顶的最高点位置为北拱顶21和南拱顶22的连接点，该位置离南侧山墙间距较小，圆弧半径也较小，拱顶的最高点至北侧山墙间距较大，圆弧半径也更大，从而避免联排温室(联排棚)的保温层卷起时，南侧温室部分的保温层对换热组件形成遮阴，影响相邻北侧温室冬季采暖。

斜撑4连接在拱顶上一点与南侧山墙之间，换热组件41连接在斜撑4朝向南拱顶22一侧，斜撑4和换热组件41一起将温室内部的空间划分为左右布置的生产腔31和调温腔32，斜撑4与地面的夹角如图1中的角度A，角度范围为30-60°，本实施例中，斜撑角度选为45°，斜撑中点与南拱顶22中点间距不小于50cm，以便在此调温腔32的空间内设置通风风机51。

调温腔32内设有通风风机51，生产腔31靠近拱顶的一侧设有扰流风机52，斜撑的角度使得生产腔的体积远远大于调温腔，例如本实施例中当斜撑为45°时，调温腔只有南拱顶22和斜撑4形成的近似三角形截面的空间内，而这个空间的体积远小于生产腔，并且在内部集成了多个通风风机1，能够获得一个体积足够大的生产腔从而满足作物生长，因而设置扰流风机辅助热空气的循环。

换热组件31可以为深色换热隔板或深色换热膜中的任意一种，厚度远小于传统相变蓄能材料所使用的相变蓄能板，使得热导率更大，对生产腔的换热效率更高；换热组件41同样倾斜布置，倾斜角度与斜撑相同，换热组件顶部设有喷水管42，底部设有集水槽43，集水槽43通过管道连接相变蓄能组件，连接喷水管42的管道上设有水泵44作为动力设施，连接水泵44的管道与相变蓄能组件连接。

本实施例中选用水作为工作介质，实现热量在换热组件和相变蓄能组件之间转移，换热组件吸收阳光中的热量，喷水管喷出水被升温后进入集水槽，通过管道进入相变蓄能组件实现蓄热，蓄热后的降温水被水泵送回至喷水管，当需要放热时，水在相变蓄能组件外部的循环路径不变，相变蓄能组件内部，水的循环路径逆转，将水加热，水泵送至喷水管喷出的为热水，扰流风机52吹动生产腔内空气流动，和换热组件41接触的空气被辐射升温，从而提高生产腔的温度。

极端天气下，如果相变蓄能组件的蓄热能力不足，则在集水槽至相变蓄能组件的管道上连接第五电动阀65和外援水出口82，在喷水管至相变蓄能组件的管道上连接第六电动阀66和外援水入口81，外援水为热水，通过第六电动阀66的开启加大热水流量应对极端天气，通过第五电动阀65的关闭排出热交换后的外援水。还可以预先改变至相变蓄能组件的管道上连接的相变蓄能模块的数量来应对。

相变蓄能组件包括至少一组与阀门连接的相变蓄能模块，相变蓄能模块和对应的阀门数量及连接方式不做限制，确保相变蓄能组件位于温室地下即可，地下环境具有天然的保温功能，有利于相变蓄能模块的封装，同时位于地下的方式也能够减少温室框架的结构强度需求，间接的使相变蓄能模块的封装强度要求下降，进而节省温室的建造成本和保温施工成本。

相变蓄能模块可以分高低不同的温度的组合，一方面能利用的自然环境的温度范围更广，以应对极端的温度变化；另一方面通过能源的阶梯利用，满足不同类型的农作物在不同阶段的温度需求。此外，相变蓄能模块的增加、减少、维修和更换等工作不会影响温室的正常运行，也不会影响温室结构。

本实施例给出了六组相变蓄能模块和四组电动阀门组成的相变蓄能组件，包括依次串联连接的第一至第六相变蓄能模块71-76，第一相变蓄能模块71一侧分别连接第一电动阀61和第二电动阀62，第六相变蓄能模块76一侧分别连接第三电动阀63和第四电动阀64，第一电动阀61与第四电动阀64连接，且两者连接的管道与水泵44的入口相连；第二电动阀62与第三电动阀63连接，且两者连接的管道与集水槽43的出口相连。

第一电动阀61、第二电动阀62、第三电动阀63和第四电动阀64。

实施例二：

上述结构的相变蓄能温室的工作方法如下：

设定：第一相变蓄能模块71的相变温度为10℃，第二至四相变蓄能模块72、73、74的相变温度为20℃，第五相变蓄能模块75的相变温度为25℃，第六相变蓄能模块76的相变温度为30℃；

栽培的作物品种为平菇，其菌丝生长温度范围为5-32℃，最佳温度为20-22℃，子实体生长温度为2-30℃，最佳温度为16-20℃。

蓄热：

在晴朗的天气上午9点左右，卷起南拱顶保温被，换热隔板(膜)受到阳光照射，温度升高，为避免温度过高及蓄积热能，水泵启动，喷水管向换热隔板(膜)喷水，水沿换热隔板流下，换热隔板(膜)将自身吸收的热量传递给水，使水温升高，升温后的水沿集水槽进入下水管，电动阀61、63打开，62、64关闭，水通过电动阀63进入相变蓄能模块76，将其携带的部分热量，依次传递给相变蓄能模块76--75--74--73--72--71，降温后的水通过电动阀61，进入水泵进水口，在水泵的作用下，水再次流入喷水管，喷水管向换热隔板(膜)喷水，实现一次蓄能循环。

放热：

夜间温度较低，温室生产腔需要补充热量时，电动阀62、64打开，61、63关闭，水沿着喷水管—换热隔板(膜)—集水槽—下水管—电动阀62—相变蓄能模块71—72—73—74—75—76—电动阀64—水泵—喷水管，将水在相变蓄能模块依次加热升温后，喷洒到换热隔板(膜)上，使换热隔板(膜)升温，扰流风机吹动生产腔内空气流动，和换热隔板(膜)接触的空气被辐射升温，从而提高生产腔的温度。

极端严寒天气或连阴天时，相变蓄能模块蓄积的热量释放完毕，或者不能满足生产需要，可以关闭电动阀61、62、63、64，打开电动阀65、66，将外部的高温热水通过外援水入口和电动阀66，流入喷水管，在泵的作用下，水通过换热隔板(膜)，和生产腔内空气进行热交换，降温后的水通过集水槽—下水管—电动阀65—外援水出口，回流到外援热源处。

蓄冷：

夜间温室外温度低于需要储存的能量温度时，打开调温腔东西两侧的风门，开启通风风机51，抽吸外部冷空气进入调温腔，一方面冷空气和换热隔板(膜)的表层水进行辐射换热降温，另一方面风吹水促使水蒸发吸热，降低水和换热隔板(膜)的温度，从而降温。为了降低调温腔内空气温度，也可以同时卷起卷帘(保温层20)，增加调温腔和外界环境之间的热量传导，对调温腔辅助降温。

通风风机启动后，开启电动阀61、63，关闭电动阀62、64，启动水泵，使水按水泵—喷水管—换热隔板(膜)—集水槽—下水管—电动阀62—相变蓄能模块71—72—73—74—75—76—电动阀64—水泵循环流动，相变蓄能模块内的热量随着水和空气被排到温室外部，当相变蓄能模块内温度达到相变点以下时，相变材料完全凝固，完成蓄冷过程。

放冷：

当温室外温度和温室内温度高于生产需要的最佳温度，需要进行降温时，使生产腔的封口和通风风机保持关闭状态，卷帘保温被保持下放状态，开启电动阀61、63，关闭电动阀62、64，启动水泵，使水按水泵—喷水管—换热隔板(膜)—集水槽—下水管—电动阀63—相变蓄能模块76—75—74—73—72—71—电动阀61—水泵循环流动，生产腔内的高温空气通过换热隔板(膜)释放到流动的水里，使水变热，水将热量带入相变蓄能模块，依次放热融化相变蓄能材料后，水温降低，再次在水泵的作用下喷洒到换热隔板(膜)上，开启新一轮的放冷循环。

极端高温天气或夜间温度也高于生产所需温度时，相变蓄能模块蓄积的冷量释放完了，或者不能满足生产需要了，可以关闭电动阀61、62、63、64，打开电动阀65、66，将外部的低温冷水通过外援水入口和电动阀66，流入喷水管，在泵的作用下，水通过换热隔板(膜)，和生产腔内空气进行热交换，升温后的水通过集水槽—下水管—电动阀65—外援水出口，回流到外援冷源处。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。