專利名稱：地－氣熱交換水蒸氣回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水蒸氣回收系統(tǒng)，特別是涉及一種適用于日光溫室、塑料大棚等封閉式農(nóng)業(yè)設(shè)施的水蒸氣回收方法。
背景技術(shù)：
設(shè)施農(nóng)業(yè)也稱保護(hù)地農(nóng)業(yè)，是指在設(shè)施內(nèi)(溫室、大棚等)進(jìn)行的作物、蔬菜、花卉、水果等生產(chǎn)活動(dòng)。是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要組成部分。由于日光溫室、塑料大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施在結(jié)構(gòu)上具有封閉性，使得其內(nèi)部因土壤蒸發(fā)和植物蒸騰所產(chǎn)生的水蒸氣被限制在有限空間內(nèi)，這將使溫室內(nèi)空氣濕度增加，而長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)地維持過高的空氣濕度，不僅會(huì)對(duì)植株產(chǎn)生傷害，還容易誘發(fā)各種作物病害。因此，目前國(guó)內(nèi)外采取的溫室空氣濕度控制辦法是強(qiáng)制通風(fēng)，使水蒸氣被排放到溫室外部。
在溫室和塑料大棚內(nèi)進(jìn)行的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是與灌溉聯(lián)系在一起的，隨著全球水資源的日益短缺，如何提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的水資源利用率將成為令人關(guān)注的問題。目前盡管有噴灌、滴灌等先進(jìn)的灌溉技術(shù)，但它只是側(cè)重在“節(jié)流”方面，而集聚在溫室內(nèi)的水蒸氣也是水資源的一種形式，以往的將其排放到溫室外部的做法，實(shí)際上是對(duì)水資源的一種浪費(fèi)，如果能將其回收利用起來，將會(huì)從“開源”的側(cè)面進(jìn)一步提高水資源利用率。由于這部分水蒸氣是經(jīng)過土壤蒸發(fā)和作物蒸騰產(chǎn)生的，幾乎不含任何污染成分，所以也是非常寶貴的水資源。
從水的相變?cè)砜芍墓虘B(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之間的轉(zhuǎn)換要伴隨有能量的吸收和釋放過程，從氣態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變凝結(jié)過程是一種能量釋放過程，只要能通過一種機(jī)制使水蒸氣中含有的能量釋放出來，氣態(tài)水就能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水。從農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理可知，“溫室效應(yīng)”的結(jié)果是使溫室內(nèi)的氣溫要高于溫室外的氣溫許多，并表現(xiàn)出更加明顯的日變化特征，但溫室內(nèi)的土壤溫度，特別是20cm深度以下的地中溫度，并不像氣溫那樣變化劇烈，而是基本上維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)做緩慢的波動(dòng)。這就使溫室內(nèi)的氣溫和地溫之間出現(xiàn)了較大的溫度差，如果將溫室內(nèi)聚積的水蒸氣引入到地下來，高溫高濕空氣所具有的能量將在那里釋放，與此同時(shí)水蒸氣會(huì)逐漸凝結(jié)成為液態(tài)水。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種提高溫室或大棚灌溉用水利用率的水蒸氣回收系統(tǒng)；本發(fā)明的目的還在于提供一種提高灌溉用水利用率的溫室或大棚。
本發(fā)明的目的是通過建立節(jié)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的在溫室內(nèi)并列鋪設(shè)若干排管道，管道分地上空氣吸入部分和地下地-氣熱交換部分；管道的一端伸出地面，在管道的地面出口處安裝排風(fēng)扇；管道地下部分安裝呈傾斜狀態(tài)；管道的地下出口處連接設(shè)置在地下的水分回收部分集水桶或(水窖、水槽)。
本發(fā)明能源供應(yīng)部分可以采用三種形式，即太陽(yáng)能電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)和農(nóng)電和市電。由于系統(tǒng)耗能僅僅是在排風(fēng)扇和通風(fēng)扇上，而其所需電力很少，因此這三種形式的能源都能滿足系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)需要。
本發(fā)明系統(tǒng)的地上空氣吸入部分的設(shè)置高度不低于1m，也可以是溫室高度的1/3～1/2之間，可采用高低錯(cuò)落的方式排列，排風(fēng)扇的功率范圍在1.4m3/s-2.2m3/s。
本發(fā)明系統(tǒng)的地下地-氣熱交換部分有若干并排埋設(shè)的管道組成，各管道之間的距離不小于30cm，地-氣熱交換部分的管道在地下的安置長(zhǎng)度可根據(jù)溫室的長(zhǎng)度作調(diào)節(jié)，一般以15～20m左右為佳，管道在地下呈傾斜狀態(tài)，其埋設(shè)的深度平均不低于40cm，以保證不影響溫室內(nèi)作物根系的發(fā)育。
本發(fā)明管道可采用內(nèi)壁光滑的PVC制品，管道為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)管直徑為160cm～200cm，外管直徑為200cm～240cm，內(nèi)、外管之間可注入冰水或充填干冰，在內(nèi)管的內(nèi)部隔若干距離安裝有半園形開口向下的阻尼網(wǎng)，阻尼網(wǎng)為聚乙烯制品，網(wǎng)眼大小為2mm×2mm。
本發(fā)明系統(tǒng)的水分回收部分為四壁不透水的地下水窖、水槽或水桶，其設(shè)置深度要與系統(tǒng)的地-氣熱交換的設(shè)置深度相當(dāng)，其容積大小不小于1m3。
本發(fā)明系統(tǒng)的通風(fēng)部分要設(shè)置在與空氣吸入部分相反的溫室內(nèi)的另一側(cè)，其設(shè)置高度可略高于空氣吸入部分排風(fēng)扇的高度，通風(fēng)扇的扇葉直徑為40～60cm，通風(fēng)扇出口處的風(fēng)速為4～6m/s。
在白天，太陽(yáng)輻射使溫室內(nèi)迅速增溫，作物和土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈，水蒸氣在溫室內(nèi)彌漫聚集，此時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)，排風(fēng)扇和通風(fēng)扇的共同作用使溫室內(nèi)的水蒸氣或濕空氣被吸入管道中，順著管道被導(dǎo)入地下，由于地下溫度低，高溫高濕的空氣在這里產(chǎn)生熱量交換，在損失熱量的同時(shí)水蒸氣凝結(jié)在管道的內(nèi)壁上，所形成的水珠將順著傾斜的管道流入集水桶中。
管道內(nèi)有阻尼網(wǎng)時(shí)，氣體在管道內(nèi)受阻尼網(wǎng)的作用降低流速，以利于水蒸氣與管道之間進(jìn)行熱交換，注入回收管道內(nèi)、外管之間的冰水或干冰會(huì)促進(jìn)水蒸氣降溫，在內(nèi)管壁上產(chǎn)生凝結(jié)，凝結(jié)水順著管道流入水槽，回收的水分可以再次用于溫室作物生產(chǎn)。
系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)溫室生產(chǎn)活動(dòng)不產(chǎn)生任何影響，溫室內(nèi)可按生產(chǎn)計(jì)劃種植各種作物、蔬菜或花卉，作物所需水分由灌溉補(bǔ)給。溫室內(nèi)由作物蒸散和土壤蒸發(fā)所產(chǎn)生的水蒸氣，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)被吸入地-氣熱交換部分，凝結(jié)匯聚后可被再次利用。本發(fā)明主要依靠自然能源-太陽(yáng)輻射，系統(tǒng)的耗能量很小，回收的水分沒有污染，可以直接用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或飲用，回收率可達(dá)到灌溉水量的30％～40％，對(duì)溫室內(nèi)的作物生產(chǎn)無不良影響。
實(shí)驗(yàn)例1不同管道口徑與水蒸氣回收量的關(guān)系系統(tǒng)設(shè)置條件選擇直徑為160mm、100mm、75mm、50mm四種規(guī)格的PVC管材，呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，管道平均鋪設(shè)深度為35～40cm；管道地下部分長(zhǎng)度為12m，濕空氣吸入口距地面1m，各管道之間的間距為0.5m，各管道排風(fēng)扇的功率均為1.4m3/s，試驗(yàn)時(shí)間是2001年12月29日～2002年1月4日，試驗(yàn)地點(diǎn)在北京市郊區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見附圖5。從圖5中可見，管道直徑越大，回收量就越多。
實(shí)驗(yàn)例2不同空氣吸入量與水蒸氣回收量的關(guān)系系統(tǒng)設(shè)置條件選擇4根長(zhǎng)12m、直徑160mm的PVC管材呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，管道平均鋪設(shè)深度為35～40cm，各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面1m，各管道濕空氣吸入口處分別安裝進(jìn)氣量為2.0m3/s、1.7m3/s、1.4m3/s、1.2m3/s的排風(fēng)扇。試驗(yàn)時(shí)間是2002年2月23日～2月28日，試驗(yàn)地點(diǎn)在北京市郊區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見附圖6。從圖6中可見，空氣吸入量越多，回收量就越多。
實(shí)驗(yàn)例3不同管道長(zhǎng)度與水蒸氣回收量的關(guān)系系統(tǒng)設(shè)置條件選擇直徑為160mm、長(zhǎng)度分別為12m、10m、8m、6m的4根PVC管材呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，管道平均鋪設(shè)深度為35～40cm，各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面1m，各管道濕空氣吸入口處安裝同一功率為1.7m3/s。的排風(fēng)扇，試驗(yàn)時(shí)間是2002年3月7日～3月10日，試驗(yàn)地點(diǎn)在北京市郊區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見附圖7。從圖7中可見，管道越長(zhǎng)，回收量就越多。
實(shí)驗(yàn)例4強(qiáng)制通風(fēng)與水蒸氣回收量的關(guān)系系統(tǒng)設(shè)置條件選擇直徑為160mm、長(zhǎng)度分別為12m、10m、8m、6m的4根PVC管材呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，管道平均鋪設(shè)深度為35～40cm，各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面1m，排風(fēng)扇功率為2.0m3/s，另外在溫室內(nèi)距離空氣吸入部分12m處安裝兩臺(tái)通風(fēng)扇，風(fēng)扇開動(dòng)后0.5m處的風(fēng)速分別為4.9m/s(立式)、3.7m/s(臺(tái)式)，8m處的風(fēng)速為0.2m/s。試驗(yàn)時(shí)間是2002年4月18日、19日和23日、24日，試驗(yàn)地點(diǎn)在北京市郊區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見附表1。從表1得知，實(shí)行強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)的回收量，是未實(shí)行強(qiáng)制通風(fēng)時(shí)的1～1.5倍。


附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)運(yùn)行示意圖；附圖2是系統(tǒng)地下埋設(shè)部分?jǐn)嗝媸疽鈭D；附圖3是地-氣熱交換部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4是不同管道口徑與水蒸氣日回收量的關(guān)系；附圖5是不同空氣吸入量與水蒸氣回收量的關(guān)系；附圖6是不同管道長(zhǎng)度與水蒸氣回收量的關(guān)系。
附表1是強(qiáng)制通風(fēng)與水蒸氣回收量的關(guān)系附表1 強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)水蒸氣回收的影響

其中1為排風(fēng)扇，2為地上管道，3為地下管道，4為集水裝置，5為通風(fēng)扇，6為冰水或干冰，7為內(nèi)管，8為外管，9為阻尼網(wǎng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明實(shí)施例1選擇4根長(zhǎng)12m、直徑160mm的PVC管材呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，地下管道3平均鋪設(shè)深度為35～40cm，地下管道3出口端連接集水裝置水槽4，各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面1m，各地上管道2濕空氣吸入口處分別安裝進(jìn)氣量為2.0m3/s的排風(fēng)扇1。
實(shí)施例2選擇直徑為100mm、長(zhǎng)度分別為10m的4根PVC管材呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，在地下管道3管的內(nèi)部隔2m距離安裝有半園形開口向下的阻尼網(wǎng)9，阻尼網(wǎng)9為聚乙烯制品，網(wǎng)眼大小為1mm×1mm，地下管道3平均鋪設(shè)深度為1m，地下管道3出口端連接集水裝置水槽4，各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面1m，排風(fēng)扇1功率為2.0m3/s，另外在溫室內(nèi)距離空氣吸入部分12m處安裝通風(fēng)扇5，通風(fēng)扇5開動(dòng)后0.5m處的風(fēng)速分別為4.9m/s。
實(shí)施例3選擇長(zhǎng)度分別為12m的4根PVC管材，管道采用內(nèi)壁光滑的PVC制品，管道為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)管7直徑為160cm～200cm，外管8直徑為200cm～240cm，內(nèi)、外管之間可充填冰水或干冰6，在內(nèi)管7的內(nèi)部隔2m距離安裝有半園形開口向下的阻尼網(wǎng)9，阻尼網(wǎng)9為聚乙烯制品，網(wǎng)眼大小為2mm×2mm，管道呈直線形鋪設(shè)在面積為75平米的溫室內(nèi)，管道出口端連接集水裝置水槽4，水槽距地面1m各管道之間的間距為0.5m，濕空氣吸入口距地面2m，排風(fēng)扇1功率為2.0m3/s。
權(quán)利要求
1.一種用于日光溫室或塑料大棚等封閉式農(nóng)業(yè)設(shè)施的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由空氣吸入部分、地-氣熱交換部分、水分回收部分構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)空氣吸入部分是指安置在地表以上的地上管道(2)和與之連接的排風(fēng)扇(1)。
3.如權(quán)利要求1所述的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)地-氣熱交換部分是指安置在地表以下的呈傾斜狀態(tài)的地下管道(3)。
4.如權(quán)利要求1所述的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)水分回收部分是指安置在地表以下的與地-氣熱交換管道相連接的集水裝置水桶、水槽或水窖(4)。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)還可以在地表以上設(shè)置與空氣吸入部分相對(duì)應(yīng)的通風(fēng)扇(5)作為通風(fēng)部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的水蒸氣回收系統(tǒng)，其空氣吸入部分的設(shè)置高度為距地表1m以上和距日光溫室或塑料大棚等封閉式農(nóng)業(yè)設(shè)施的頂部1m以下的空間或在農(nóng)業(yè)設(shè)施總高度的1/3～1/2處，空氣吸入所需其排風(fēng)扇(1)的功率范圍為1.4m3/s～2.2m3/s。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的水蒸氣回收系統(tǒng)，其地-氣熱交換部分的埋設(shè)深度為不低于地表向下40cm，地-氣熱交換部分的地下管道3在地下的安置長(zhǎng)度為15～20m。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的水蒸氣回收系統(tǒng)，其地-氣熱交換部分的地下管道(3)可以在日光溫室或塑料大棚內(nèi)并排埋設(shè)多根，管道之間的間距不小于30cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的水蒸氣回收系統(tǒng)，其通風(fēng)部分要安置在空氣吸入部分的相反一側(cè)，通風(fēng)扇(5)出口處的風(fēng)速為4～6m/s。
10.如權(quán)利要求1、2、3、4、6、7、8或9所述的水蒸氣回收系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)空氣吸入部分和地-氣熱交換部分使用的管道為為雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)管(7)直徑為160cm～200cm，外管(8)直徑為200cm～240cm，內(nèi)、外管之間可注入冰水或充填干冰(6)，在內(nèi)管(7)的內(nèi)部隔若干距離安裝有半園形開口向下的阻尼網(wǎng)(9)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水蒸氣回收系統(tǒng),該系統(tǒng)是通過排風(fēng)扇、地上管道、地下管道及集水裝置而實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)水系統(tǒng)適合于溫室及大棚的水蒸氣回收利用。
文檔編號(hào)A01G9/24GK1389095SQ02123968
公開日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月10日
發(fā)明者顧衛(wèi), 劉楊 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)