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一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統.pdf

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一種 溫室 用亞常 低溫 相變 放熱 系統
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摘要
申請專利號:

CN201810047608.8

申請日:

20180118

公開號:

CN108243795A

公開日:

20180706

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01G9/14,A01G9/24 主分類號: A01G9/14,A01G9/24
申請人: 中國農業大學
發明人: 趙淑梅,莊云飛,馬承偉,王平智,程杰宇,宋衛堂,郭斗戰,陳小文,張天柱
地址: 100193 北京市海淀區圓明園西路2號
優先權: CN201810047608A
專利代理機構: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 代理人: 陳波
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201810047608.8

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明屬于設施農業溫室環境控制技術領域,特別涉及一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統。該系統采用與溫室環境特征和作物需求相匹配的、具有不同相變溫度的亞常低溫相變材料,并將其組合使用,實現了溫室中白天富余熱量的充分收集、存儲,夜間需要熱量的梯度供給,將相變儲熱技術、亞常低溫相變材料組合技術以及太陽能利用技術有機融合,解決了系統后半夜放熱后勁不足或放熱延遲時間過長等問題,能更好的應對不良天氣條件,從而保證溫室內適宜的作物生長環境。

權利要求書

1.一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統,其特征在于,所述系統為兩端設置有管頭(1)的相變材料管(2)水平或豎直間隔均勻安裝在溫室北墻或山墻(7)上,并在相鄰相變材料管(2)之間、相變材料管(2)與溫室北墻或山墻(7)之間均設置保溫隔熱層(5);所述相變材料管(2)、保溫隔熱層(5)共同通過固定架(6)固定在溫室北墻或山墻(7)上;所述相鄰相變材料管(2)中填裝有不同相變溫度的相變材料,不同相變溫度的相變材料管(2)數目相同。2.根據權利要求1所述系統,其特征在于,所述相變材料管(2)中等量填裝單組分或多組分配比的固-液相變材料,相變溫度為8~20℃,最高相變溫度與最低相變溫度之差>5℃。3.根據權利要求2所述系統,其特征在于,所述相變材料為石蠟、月桂醇、癸醇、六水合氯化鈣、聚乙二醇、硬脂酸丁酯、羊脂酸、月桂酸中的一種或多種。4.根據權利要求1所述系統,其特征在于,選擇超過三種相變溫度相變材料時,不同相變溫度的相變材料管(2)按照相變溫度由低到高排列,或由高到低排列,并按相同順序循環排列。5.根據權利要求1所述系統,其特征在于,所述相變材料管(2)管材表面刷涂黑色涂料,保溫隔熱層(5)的材料選擇泡沫塑料或橡膠墊。6.一種基于權利要求1~5任一項所述系統的分級儲熱放熱方法,其特征在于,所述方法具體為:白天,隨著溫室中太陽輻射的增強、空氣溫度的上升,溫室內溫度的升高,相變材料管(2)中相變溫度較低的相變材料首先相變、吸收熱量,相變材料按相變溫度由低到高的順序依次發生相變,將白天溫室內熱量分級儲存;夜晚,隨著溫室內空氣溫度的逐漸降低,相變溫度較高的相變材料首先相變、放出熱量,相變材料按相變溫度由高到低的順序依次發生相變,將白天儲存的熱量分級、接力放出,保證夜晚溫室內溫度。7.根據權利要求6所述分級儲熱放熱方法,其特征在于,白天低溫天氣、陰雨或霧霾時,相變溫度較低的相變材料也能夠發生相變,吸收和釋放熱量。

說明書

技術領域

本發明屬于設施農業溫室環境控制技術領域,特別涉及一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統。

背景技術

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的提高,人民群眾對農產品的需求快速增長,對反季的農產品的需求量與日俱增,所以溫室在農業中的作用越來越大。

溫室作物生產是現代農業生產的一種重要方式,相較于大田作物生產,其生產過程受外界氣候變化的影響較小,同時溫室中的小氣候環境可以根據作物生長的需要進行控制。但是在實際生產中,即使是冬天,白天也往往因為溫室升溫快,存在溫度過高的問題;夜晚在沒有主動加溫措施的情況下,因溫室自身熱穩定能力較弱,往往又存在溫度過低的問題,不利于作物的生長。

在抑制高溫方面,目前溫室生產中最主要的方式就是進行通風,將白天富余的熱量排除室外,雖然方法比較有效,但也是一種能源的浪費;在夜間加溫方面,傳統加溫方式能耗大、成本高、污染大,因此溫室生產中亟需清潔、節能的溫度調控技術。太陽能相對來說就是一種取之不盡、用之不竭的清潔廉價能源,但要將白晝富余的太陽熱用于夜間加溫,必須解決熱能貯存和釋放的問題。利用一般蓄熱材料,如水或土壤、建筑材料等,將白晝富余的太陽熱能以顯熱方式貯存的方法,需要較大體積的蓄熱材料和蓄熱裝置,其放熱溫度也不夠穩定。相變材料是一種高效、穩定的儲熱介質,其潛熱大、相變溫度明確、穩定,如將相變材料用于太陽能收集、存儲和釋放,可開發出緊湊、高效和穩定放熱的蓄熱裝置,為解決溫室白天高溫和夜間低溫問題提供一條新的途徑。

目前相變材料在溫室實際生產中的應用有限,存在許多問題。一般地,相變溫度在-50~90℃范圍內的材料劃為常低溫相變材料,此類材料在建筑和日常生活中應用較為廣泛,其中,相變溫度低于15℃的材料主要用于空調制冷,高于15℃的材料用于太陽能儲熱和熱負載領域。溫室與一般建筑的需求不同,比如常見溫室果菜類作物的夜間最低溫度不宜低于10~15℃,上述常低溫相變材料中可根據溫室的需要進行篩選;而目前溫室中常用的多為相變溫度20℃以上的相變材料,與溫室需要補溫的區間匹配性較差,往往造成白天蓄熱時相變率較低,夜晚放熱時,放熱時間過早、后半夜放熱不足,或放熱時間滯后等問題。另一方面,目前溫室領域常用的單一種類的相變材料往往也無法完全匹配溫室夜間溫度變化過程的特點,若進行材料改性又難以兼顧對其多方面性能的要求,同時大大增加了成本,且存在一定風險。

因此,現有生產中亟需一種能夠與溫室環境特征和種植需求相匹配的適宜的低溫相變儲熱放熱系統。

發明內容

本發明的目的在于一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統,所述系統為兩端設置有管頭1的相變材料管2水平或豎直間隔均勻安裝在溫室北墻或山墻7上,并在相鄰相變材料管2之間、相變材料管2與溫室北墻或山墻7之間均設置保溫隔熱層5;

所述相變材料管2、保溫隔熱層5共同通過固定架6固定在溫室北墻或山墻7上;

所述相鄰相變材料管2中填裝有不同相變溫度的相變材料,不同相變溫度的相變材料管2數目相同。

所述相變材料管2中等量填裝單組分或多組分配比的固-液相變材料,相變溫度為8~20℃,最高相變溫度與最低相變溫度之差>5℃。

所述相變材料為石蠟、月桂醇、癸醇、六水合氯化鈣、聚乙二醇、硬脂酸丁酯、羊脂酸、月桂酸中的一種或多種。

選擇超過三種相變溫度相變材料時,不同相變溫度的相變材料管2按照相變溫度由低到高排列,或由高到低排列,并按相同順序循環排列,使得相變材料管2整體放熱均勻,減小溫室內溫度梯度、提高溫室內溫度分布均勻性。

所述相變材料管2管材表面刷涂黑色涂料,保溫隔熱層5的材料選擇泡沫塑料或橡膠墊。

一種基于所述系統的分級儲熱放熱方法具體為:

白天,隨著溫室中太陽輻射的增強、空氣溫度的上升,溫室內溫度的升高,相變材料管2中相變溫度較低的相變材料首先相變、吸收熱量,相變材料按相變溫度由低到高的順序依次發生相變,將白天溫室內熱量分級儲存;

夜晚,隨著溫室內空氣溫度的逐漸降低,相變溫度較高的相變材料首先相變、放出熱量,相變材料按相變溫度由高到低的順序依次發生相變,將白天儲存的熱量分級、接力放出,保證夜晚溫室內溫度。

白天低溫天氣、陰雨或霧霾時,相變溫度較低的相變材料也能夠發生相變,吸收和釋放熱量。

本發明的有益效果為:

(1)本發明選用相變溫度8~20℃的亞常低溫相變材料,相變溫度與溫室環境特征和作物需求相匹配;相比于其他技術所用相變材料,本發明的相變溫度更加符合溫室夜間種植作物的需溫范圍,保證熱量在溫室最需要加溫的時候釋放,避免了熱量浪費;

(2)本發明采用具有不同相變溫度的亞常低溫相變材料進行組合,確保夜間溫室內溫度下降過程中,相變材料的放熱過程具有分級放熱的特點,實現夜晚放熱“接力”,避免了前半夜放熱過快、后半夜放熱不足以及不放熱等問題;

(3)本發明提供的溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統,通過收集溫室白天富余熱量并在夜晚釋放,降低了白天高溫,夜晚低溫問題的發生,并延長了溫室夜間相變材料的放熱時間,解決了現有太陽能利用系統后期放熱能力不足的問題;

(4)本發明采用的固-液相變材料蓄熱簡便易行,蓄熱效率高,蓄熱量穩定,封裝完畢不產生任何污染,在夜晚可以有效補溫;與傳統加溫設備相比,無能源消耗,成本低,同時理論上講可以永久重復使用;

(5)本發明提供的溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統,系統形式多樣,安裝方式簡便、安全、快捷,且對溫室內生產不產生任何不利影響,可根據不同溫室的結構條件和溫度需求進行改變,有著很高的適用性。

(6)本發明提供的技術方案是相變材料與溫室生產結合的新途徑,裝置高效便捷、使用壽命長、易于拆裝、適用于新舊及改造溫室,具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1為本發明溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統正視圖;

圖2為本發明溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統側視圖;

標號說明:1-管頭;2-相變材料管;3-一級相變材料;4-二級相變材料;5-保溫隔熱層;6-固定架;7-溫室北墻或山墻。

具體實施方式

本發明提供了一種溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統,下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。

圖1、2分別為本發明提供的溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統正視圖和側視圖,根據圖1、2所示,本發明提供的溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統包括管頭、相變材料管2、一級相變材料3、二級相變材料4、保溫隔熱層5、固定架6、溫室北墻或山墻7;其中一級相變材料3為相變溫度較高的相變材料,二級相變材料4為相變溫度較低的相變材料。

相變材料管2兩端設有管頭1,實現密封作用;相變材料管2的管材耐腐蝕、高熱阻,并在管材表面刷涂利于吸收太陽輻射的黑色涂料,以提高白天管體表面的集熱能力,充分保證相變材料吸熱、相變;夜晚熱阻較高,高熱阻管材能夠延遲放熱開始時間,從而拉長放熱區間,讓熱量盡可能多的在溫度更低的后半夜釋放,避免溫度過低造成凍害。

相變材料管2的尺寸根據溫室尺寸、生產需要和經濟成本確定,且所有相變材料管2尺寸相同;相變材料管2間隔均勻、豎直排列,并安裝在溫室北墻或山墻7上。

一根相變材料管2僅填裝一種相變溫度的相變材料,在相鄰的2根相變材料管2中分別等量填裝一級相變材料3和二級相變材料4,并按照相同排列順序依次循環放置相變材料管;其中一級相變材料3和二級相變材料4為單組分材料或多組分配比的固-液、高潛熱的亞常低溫相變材料,種類可以不同但應是無毒無害無惡劣氣味,如石蠟、月桂醇、癸醇、六水合氯化鈣、聚乙二醇、硬脂酸丁酯、羊脂酸、月桂酸等;同時為匹配溫室溫度特征和作物溫度需求,相變溫度選擇8~20℃,相變溫度差>5℃。

若選擇了超過兩種相變溫度的相變材料,則填裝有不同相變溫度相變材料的相變材料管2排列順序按照相變溫度由低到高排列,或由高到低排列,然后按照相同順序循環排列,保證有規律地間隔排列,使得白天或夜晚不同溫度、不同時間段的吸熱、散熱均勻,盡可能提高溫室內溫度分布均勻性。

對相變材料管2中相變材料的相變溫度調整時,選用已有材料不同配比、混合的方法,調整相變溫度至目標值,不包括復雜的材料改性技術。

在相鄰相變材料管2之間、相變材料管2與溫室北墻或山墻7之間均設置保溫隔熱層5,保溫隔熱層5的材料可以選擇泡沫塑料或橡膠墊。

固定架6可以采用現場裝配方式,直接設置在溫室山墻、北墻、北側屋頂以及部分立柱等結構表面上,以將固定相變材料管2、保溫隔熱層5共同固定在溫室北墻或山墻7上。

相變材料管2、保溫隔熱層5、固定架6的尺寸均根據溫室內部的空間合理布局。

基于上述溫室用亞常低溫相變儲熱放熱系統的分級儲熱放熱方法是針對溫室實際生產所需的白天降溫、夜間補溫區間和作物溫度需求制定的,具體為:

按照所用相變材料的相變溫度高低進行分級,相變溫度較高的為一級相變材料,相變溫度較高的為二級相變材料,依次類推;

白天,隨著溫室中太陽輻射的增強、空氣溫度的上升,溫室內溫度的升高,相變材料管2中相變溫度較低的相變材料首先相變、吸收熱量,相變材料按相變溫度由低到高的順序依次發生相變,將白天溫室內多余熱量充分收集、儲存,抑制溫室內的高溫水平,減少溫室內的高溫時間;

夜晚,溫室外溫度逐步降低,但初期溫室外氣溫相對較高,室內向外散失熱量不多,無需補充過多熱量,此時相變溫度最高的一級相變材料開始相變、放出熱量;隨著溫室內空氣溫度的逐漸降低,室內向外的熱量損失逐漸增大,相變溫度更低的二級、三級相變材料逐步開始放熱,實現“接力”放熱,提升室內溫度水平,控制室內低溫時間,來保證溫室內的溫度水平不低于作物生長最低溫度;即相變材料放熱溫度與溫室夜間溫度特征和作物夜間需溫范圍相匹配,按相變溫度由高到低的順序依次發生相變,保證將白天儲存的熱量在最該釋放的時候分級、接力放出,避免了熱量浪費。

當出現不良天氣條件時,如白天溫度不高、陰雨、霧霾等,相變溫度較低的二級或三級相變材料可以在白天較低溫度下吸收熱量,夜晚仍然可以進行放熱。

上述分級儲熱放熱方法充分利用亞常低溫相變材料特性,將白天富余的熱量收集存儲,以減少白天高溫危害,在夜晚釋放熱量減緩溫度的降低,同時利用不同低溫相變材料的特性,實現夜晚“接力”放熱,達到熱量分級調控的目的,從而更有利于應對不良天氣條件。

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