專利名稱：一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫室模擬裝置領(lǐng)域，具體涉及一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室。
背景技術(shù)：
植物溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施是集生物工程、農(nóng)業(yè)工程、環(huán)境工程、自動化控制為一體，多學(xué)科綜合應(yīng)用的系統(tǒng)工程。利用工程技術(shù)手段和工業(yè)化生產(chǎn)方式，通過各種設(shè)施調(diào)控溫室內(nèi)部環(huán)境，為作物營造適宜的生長環(huán)境，進而獲得高產(chǎn)優(yōu)產(chǎn)。由于植物生長對環(huán)境溫度具有高度依賴性，能耗優(yōu)化及溫度調(diào)控技術(shù)一直以來是植物溫室領(lǐng)域研究的重點。傳統(tǒng)植物溫室設(shè)施依賴煤炭、柴油、電能等常規(guī)能源供應(yīng)能量，隨著常規(guī)能源的日益緊張，太陽能等可再生能源的應(yīng)用成了新的研究熱點。
現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施中，溫度控制技術(shù)大多借鑒建筑供熱方面的研究成果，以建筑熱負 荷為基礎(chǔ)進行能耗計算得到了較為廣泛的研究。植物溫室與民用建筑在不僅在建筑結(jié)構(gòu)、溫度需求等方面存在的差異，植物溫室供能系統(tǒng)設(shè)計還必須遵循作物生長與溫度之間的規(guī)律。針對不同植物溫室的類型、朝向、結(jié)構(gòu)以及作物種類，從植物溫室的選址、外形設(shè)計、覆蓋材料的選擇，到植物溫室的負荷計算、供熱系統(tǒng)設(shè)計和運行控制，以及植物溫室的保溫節(jié)能系統(tǒng)的選擇和使用管理，都需要考慮能耗優(yōu)化，才能達到最高效率的能量利用。以色列、希臘等國家從經(jīng)濟方面對溫室地熱能利用進行了分析，對幾種供熱系統(tǒng)進行了比較研究，給出了高效可行的供熱方案。而在我國，溫室供熱方面研究較少，隨著能源的綜合開發(fā)和應(yīng)用，新能源在溫室供熱方面的高效利用將成為亟待解決的問題。因此，需要提供一種模擬實驗溫室，研究各種能源的供應(yīng)和使用規(guī)律，根據(jù)作物的生長機理，得到溫室微氣候環(huán)境溫度控制的模型，提高各種能源的利用效率，達到能耗優(yōu)化和節(jié)能減排的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，建立多種能源轉(zhuǎn)化的冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，根據(jù)溫室內(nèi)部栽培作物的生長需要，提供適宜的環(huán)境溫度，可以大大減少常規(guī)能源的消耗，達到能耗優(yōu)化的效果。一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，包括用于圍成溫室內(nèi)部空間的側(cè)壁和頂棚，設(shè)置在溫室外部的氣象站，以及用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部空間環(huán)境參數(shù)的溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括用熱單元、向用熱單元供熱的熱源以及協(xié)調(diào)熱源和用熱單元能量傳遞的控制單元，其特征在于，所述熱源為太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐，所述太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，三者的水循環(huán)管路并聯(lián)的接入一集熱水箱，該集熱水箱向各個用熱單元供熱。所述熱源為太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐用于提供溫室所需要的能源，地熱集熱裝置所提供的能量較為穩(wěn)定，但是，在需要供熱的季節(jié)(外界溫度較低，難以滿足溫室內(nèi)作物的生長需要)，單一的地熱集熱裝置難以滿足能量供應(yīng)需求，太陽能集熱器集熱效率較高，可用于補償?shù)責峒療嵫b置的供能不足，如果太陽能集熱裝置、地熱集熱裝置的能量供給仍不能滿足溫室內(nèi)作物的生長需要，則啟動鍋爐。太陽能集熱裝置、地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，所述控制單元采集溫室內(nèi)部溫度，太陽能集熱裝置的出水口和回水口、地熱集熱裝置出水口和回水口以及鍋爐的出水口和回水口的溫度以及用熱單元的溫度，依據(jù)溫室內(nèi)部的設(shè)定溫度(設(shè)定溫度依據(jù)作物的類型及生長周期設(shè)置)，當溫室內(nèi)部溫度高于設(shè)定溫度時，所述集熱水箱向用熱單元供熱，降低溫室內(nèi)部溫度，當溫室內(nèi)部溫度低于設(shè)定值時，熱源向集熱水箱供應(yīng)熱水，提高溫室內(nèi)部溫度。當太陽能集熱裝置和地熱集熱裝置不足以提供所需熱水時，開啟鍋爐向集熱水箱供水。
作為優(yōu)選，所述溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，所述控制單元接收氣象站信號，同時協(xié)調(diào)這些子系統(tǒng)；所述溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一溫度傳感器和空調(diào)機組，所述控制單元根據(jù)第一溫度傳感器采集的溫室內(nèi)部溫度信號控制空調(diào)機組；所述濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一濕度傳感器、噴淋裝置和蒸發(fā)裝置；所述控制單元根據(jù)第一濕度傳感器采集的溫室內(nèi)部濕度信號控制噴淋裝置和蒸發(fā)裝置；所述通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一通風傳感器和通風裝置；所述控制單元根據(jù)第一通風傳感器采集的溫室內(nèi)部風速和風向信號控制通風裝置；所述光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一光照傳感器、光源和遮陽裝置，所述控制單元根據(jù)第一光照傳感器采集的溫室內(nèi)部光強信號控制光源和遮陽裝置。所述氣象站用于收集溫室外部溫度、濕度、風向、風速、日照輻射和雨量等信息，可以采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專用的小型氣象站。所述控制單元收集所述氣象站以及室內(nèi)溫度、濕度、通風以及光照信號，控制所述的空調(diào)機組、噴淋裝置、蒸發(fā)裝置、通風裝置、光源以及遮陽裝置，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的微氣候，以適應(yīng)不同作物的不同的需求。也可以通過人為輸入相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)(例如溫度、濕度等)，對控制單元的輸入信號做調(diào)整，增加控制單元工作的合理性。所述控制單元根據(jù)不同植物生長的需求參數(shù)，根據(jù)機理模型計算得到植物生長的理想環(huán)境參數(shù)。作為優(yōu)選，所述空調(diào)機組和蒸發(fā)裝置作為所述的用熱單元與集熱水箱中的熱水換熱或直接通過管路與集熱水箱連通。模擬實驗溫室內(nèi)部的溫度高于設(shè)定溫度時，集熱水箱中的熱水向空調(diào)機組供應(yīng)熱水，空調(diào)機組制冷，當溫室內(nèi)部濕度小于設(shè)定濕度(設(shè)定濕度依據(jù)作物種類及生長周期設(shè)定)時，集熱水箱向蒸發(fā)裝置供水，用于增加溫室內(nèi)部空氣濕度。作為優(yōu)選，所述集熱水箱的熱水出口還連接有溫控水箱，所述溫控水箱向蒸發(fā)裝置供水。當溫室內(nèi)部溫度高于設(shè)定溫度時，溫控水箱作為用熱單元，由集熱水箱供水。作為優(yōu)選，模擬實驗溫室還包括殺菌裝置和干燥裝置，所述溫控水箱向殺菌裝置和干燥裝置供水。所述溫控水箱向殺菌裝置和干燥裝置供水，增加能量的利用途徑，提高能量的利用效率。作為優(yōu)選，所述通風裝置包括設(shè)置在溫室內(nèi)的風機以及設(shè)置在側(cè)壁和/或頂棚部位的自動窗，所述風機以及自動窗均受控于所述控制單元。所述自動窗設(shè)置在溫室的側(cè)壁或者頂棚，也可側(cè)壁和頂棚均設(shè)置自動窗，所述控制單元依據(jù)溫室內(nèi)部第一通風傳感器以及氣象站中采集到的通風信息，控制自動窗的打開和關(guān)閉，來控制溫室內(nèi)部的通風。作為優(yōu)選，所述遮陽裝置為遮光幕以及控制該遮光幕張合的驅(qū)動電機，所述驅(qū)動電機受控于所述控制單元。所述遮光幕用于遮擋外界光線，所述控制單元依據(jù)氣象站采集的光照信號以及第 一光照傳感器采集的室內(nèi)光照信號，控制遮光幕的打開和關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的光照。為了控制溫室內(nèi)部微環(huán)境失衡對作物造成不可逆的損壞，優(yōu)選地，所述模擬實驗溫室還設(shè)有安全監(jiān)控裝置，所述安全監(jiān)控裝置受控于所述控制單元。當溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)超過極限值(作物所能承受的極端環(huán)境下的各環(huán)境參數(shù)值)后，所述安全監(jiān)控裝置發(fā)出報警信號，人工及時控制所需要的改變。作為優(yōu)選，所述控制單元中帶有溫室環(huán)境耗能平衡模型，該溫室環(huán)境耗能平衡模型以溫室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)為輸入，向通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)以及濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)發(fā)送控制信號。假設(shè)溫室內(nèi)部空氣混合均勻，同時忽略作物呼吸作用和光合作用消耗的能量，則溫室內(nèi)空氣的溫度主要是由入射到溫室內(nèi)的太陽輻射能量決定。在白天，太陽輻射透過側(cè)壁和頂棚照進溫室，自然加熱溫室，入射的太陽輻射在接觸到各種表面時轉(zhuǎn)換為熱能，這些熱能通過對流等方式散布到溫室的空氣中。在夜間，存儲在土壤中的熱量以長波輻射形式向四周散發(fā)，補償溫室所散失的熱量。綜前所述，考慮蒸騰作用和通風作用，建立溫室環(huán)境耗能平衡模型，模型方程如下所示AQ = Qrad+Qheat+Qvent+Qcac+Qcrad+Qsoil+Qleaf-Qcool-Qtran-Qp_Qs式中AQ為溫室內(nèi)部空氣的顯熱增量，單位為W ;
37'AC) = V OC ~^
一 /； d(其中，V :溫室內(nèi)部空間的體積，單位為Hi3 ；P :溫室內(nèi)部空氣的密度，單位為kg/m3 ;cp :溫室內(nèi)部空氣的比熱，單位為J/(kg · K)；Tai :溫室內(nèi)部空氣的溫度，單位為K ；Qrad :太陽光照輻射能量，單位為W ；Qrad = ARn其中，
A :溫室地表面積,單位為m2 ；Rn :太陽光熱輻射能量密度，單位為WnT2 ；Qheat :加熱能量(不加熱時忽略)，單位為W ；Qvent :通風熱交換能量，單位為W ；Qvent = Pcp(Tao-Tai)VR其中，P :溫室內(nèi)部空氣的密度，單位為kg/m3;cp :溫室內(nèi)部空氣的比熱，單位為J/(kg · K)； V :為通風窗有效的通風面積(m2)；R :通風率系數(shù)，單位為ms—1 ；Tao :溫室外部的溫度，單位為K ；Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；Qcac :與外界熱傳導(dǎo)能量，單位為W ；Qcac = qi*Ac = hciAc (Tao-Tai)其中，qi :熱流密度，單位為wm_2 ；hci :空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為WnT1IT1 ；Ac :溫室覆蓋層面積，單位為m2 ；Tao :溫室外部的溫度，單位為K ；Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；Qcrad :長波輻射能量，單位為W，水培溫室忽略；Qsoil :與土壤熱交換能量，單位為W ;水培溫室忽略；Qleaf :溫室內(nèi)部空氣與作物葉面的熱傳導(dǎo)能量，單位為W ；Qleaf = 2Aphp (Tp-Tai)其中，Ap:作物葉片的總面積；hp :葉片的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為whTV1 ；Tp :植物葉片的溫度，單位為K ；Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；Qcool :用熱單元所帶走的能量，單位為W ；Qtran :作物蒸騰所需要的能量，單位為W ；Qtran = H*mtr其中，H :蒸發(fā)熱；mtr :蒸騰量；Qp :作物光合作用所需的能量(忽略)；Qs :溫室周邊的散熱量，單位為W，對于容積較大、周圍又有其他溫室相連的溫室，此項可忽略；綜上所述，可得到溫室環(huán)境耗能平衡方程式為
Vpcp^ = ARn +hc,Ac{Tctt -乃。)+ 球。+ I-Qcoo-Qtran熱源和用熱單元之間的熱傳遞，可根據(jù)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的實際運行模式及相應(yīng)設(shè)備的功率計算得到。作為優(yōu)選，所述氣象站包括用于采集溫室外部環(huán)境參數(shù)的第二通風傳感器、第二溫度傳感器、第二光照傳感器、第二濕度傳感器和雨量傳感器。所述氣象站的第二通風傳感器、第二溫度傳感器、第二光照傳感器、第二濕度傳感器和雨量傳感器，用于采集溫室外部環(huán)境參數(shù)，依據(jù)這些環(huán)境參數(shù)，通過控制單元，控制溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，形成適合作物生長的微氣候。本發(fā)明多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，利用多種熱源以及用熱單元，建立冷熱聯(lián)·供系統(tǒng)，根據(jù)溫室內(nèi)部的作物生長需要，提供適宜的生長環(huán)境，同時可以進行溫室供熱效能的實驗，研究溫室微氣候環(huán)境溫度控制的機理模型，減少常規(guī)能源的消耗，達到能耗優(yōu)化以及節(jié)能減排的效果。


圖I為本發(fā)明多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室組成示意圖；圖2為本發(fā)明多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室能量轉(zhuǎn)換示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明做詳細描述。一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，包括用于圍成溫室內(nèi)部空間的側(cè)壁和頂棚，設(shè)置在溫室外部的氣象站，以及用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部空間環(huán)境參數(shù)的溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括用熱單元、向用熱單元供熱的熱源以及協(xié)調(diào)熱源和用熱單元能量傳遞的控制單元，其特征在于，所述熱源為太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐，所述太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，三者的水循環(huán)管路并聯(lián)的接入一集熱水箱，該集熱水箱向各個用熱單元供熱。溫室選取三尖頂?shù)摹拔穆濉睖厥医Y(jié)構(gòu)，溫室屋面及四周覆蓋材料均采用4mm玻璃圍護，透光率高、使用壽命長、成本低、便于維護，該溫室設(shè)計具有小屋頂、多雨槽、結(jié)露少等特點。由于設(shè)置多跨度，溫室內(nèi)可方便地設(shè)置隔間。溫室屋面相對低矮，可節(jié)省利用空間，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，外觀現(xiàn)代、視覺流暢。太陽能集熱裝置為太陽能集熱器，選用Im2大小普通平板型，總面積6m2。太陽能投射在太陽能集熱器吸收表面被轉(zhuǎn)換為熱能，并以熱量形式傳遞給內(nèi)部的傳熱工質(zhì)，使傳熱工質(zhì)溫度升高，加熱水，通過水循環(huán)通道將熱量散發(fā)到溫室內(nèi)部空間。地熱集熱裝置包括地埋管、土壤蓄熱換熱器以及地熱集熱器，選用加長型立式雙螺旋盤管型，內(nèi)徑為20mm抗壓耐腐蝕聚乙烯塑料管，管長50m。以沙土和粘土回填，并設(shè)土壤加濕裝置，強化土壤傳熱、土壤蓄熱換熱器將地埋管熱水和供熱介質(zhì)隔開，防止地熱水對供熱管道的腐蝕和結(jié)垢。土壤蓄熱溫度比較穩(wěn)定，但一般只能達到6 15°C。在供熱季節(jié)，土壤蓄熱溫度難以超過15°C，但對于地熱集熱器，在10 20°C的集熱溫度范圍，即使室外氣溫不高，地熱集熱器的效率也比較高。即地熱集熱器提供的熱源溫度可以輕而易舉地達到或超過空氣、地表水、地下水和土壤等低溫熱源的溫度。太陽能集熱裝置、地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，控制單元采集溫室內(nèi)部溫度，太陽能集熱裝置的出水口和回水口、地熱集熱裝置出水口和回水口以及鍋爐的出水口和回水口的溫度以及用熱單元的溫度，依據(jù)溫室內(nèi)部的設(shè)定溫度(設(shè)定溫度依據(jù)作物的類型及生長周期設(shè)置)，當溫室內(nèi)部溫度高于設(shè)定溫度時，集熱水箱向用熱單元供熱，降低溫室內(nèi)部溫度，當溫室內(nèi)部溫度低于設(shè)定值時，熱源向集熱水箱供應(yīng)熱水，提高溫室內(nèi)部溫度。當太陽能集熱裝置和地熱集熱裝置不足以提供所需熱水時，開啟鍋爐向集熱水箱供水。如圖I所示，溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào) 節(jié)子系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)以及氣象站，控制單元接收氣象站的信號，同時協(xié)調(diào)這些子系統(tǒng)；溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一溫度傳感器和空調(diào)機組，控制單元根據(jù)第一溫度傳感器采集的溫室內(nèi)部溫度信號控制空調(diào)機組；濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一濕度傳感器、噴淋裝置和蒸發(fā)裝置；控制單元根據(jù)第一濕度傳感器采集的溫室內(nèi)部濕度信號控制噴淋裝置和蒸發(fā)裝置；通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一通風傳感器和通風裝置；控制單元根據(jù)第一通風傳感器采集的溫室內(nèi)部風速和風向信號控制通風裝置；光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一光照傳感器、光源和遮陽裝置，控制單元根據(jù)第一光照傳感器采集的溫室內(nèi)部光強信號控制光源和遮陽裝置。氣象站用于收集溫室外部溫度、濕度、風向、風速、日照輻射和雨量等信息，可以采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專用的小型氣象站?？刂茊卧占瘹庀笳疽约笆覂?nèi)溫度、濕度、通風以及光照信號，控制的空調(diào)機組、噴淋裝置、蒸發(fā)裝置、通風裝置、光源以及遮陽裝置，調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的微氣候，以適應(yīng)不同作物的不同的需求。也可以通過人為輸入相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)(例如溫度、濕度等)，對控制單元的輸入信號做調(diào)整，增加控制單元工作的合理性。如圖2所示，空調(diào)機組和蒸發(fā)裝置作為的用熱單元與集熱水箱中的熱水換熱或直接通過管路與集熱水箱連通。模擬實驗溫室內(nèi)部的溫度高于設(shè)定溫度時，集熱水箱中的熱水向空調(diào)機組供應(yīng)熱水，空調(diào)機組制冷，當溫室內(nèi)部濕度小于設(shè)定濕度(設(shè)定濕度依據(jù)作物種類及生長周期設(shè)定)時，集熱水箱向蒸發(fā)裝置供水，用于增加溫室內(nèi)部空氣濕度。集熱水箱的熱水出口還連接有溫控水箱，溫控水箱向蒸發(fā)裝置供水。當溫室內(nèi)部溫度高于設(shè)定溫度時，溫控水箱作為用熱單元，由集熱水箱供水。模擬實驗溫室還包括殺菌裝置和干燥裝置，溫控水箱向殺菌裝置和干燥裝置供水。通風裝置包括設(shè)置在溫室內(nèi)的風機以及設(shè)置在側(cè)壁和/或頂棚部位的自動窗，風機以及自動窗均受控于控制單元。自動窗設(shè)置在溫室的側(cè)壁或者頂棚，也可側(cè)壁和頂棚均設(shè)置自動窗，控制單元依據(jù)溫室內(nèi)部第一通風傳感器以及氣象站中采集到的通風信息，控制自動窗的打開和關(guān)閉，來控制溫室內(nèi)部的通風。遮陽裝置為遮光幕以及控制該遮光幕張合的驅(qū)動電機，驅(qū)動電機受控于控制單元。遮光幕用于遮擋外界光線，控制單元依據(jù)氣象站采集的光照信號以及第一光照傳感器采集的室內(nèi)光照信號，控制遮光幕的打開和關(guān)閉，從而調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部的光照。為了控制溫室內(nèi)部微環(huán)境失衡對作物造成不可逆的損壞，模擬實驗溫室還設(shè)有安全監(jiān)控裝置，安全監(jiān)控裝置受控于控制單元。當溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)超過極限值(作物所能承受的極端環(huán)境下的各環(huán)境參數(shù)值)后，安全監(jiān)控裝置發(fā)出報警信號，人工及時控制所需要的改變?？刂茊卧袔в袦厥噎h(huán)境耗能平衡模型，該溫室環(huán)境耗能平衡模型以溫室內(nèi)外的 環(huán)境參數(shù)為輸入，向通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)以及濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)發(fā)送控制信號。溫室環(huán)境耗能平衡模型方程如下所示AQ = Qrad+Qheat+Qvebt+Qcac+Qcrad+Qsoil+Qleaf-Qcool-Qtrap-Qp_Qs式中AQ為溫室內(nèi)部空氣的顯熱增量，單位為W ；
)7τAO = Vpc
~ 01其中，V :溫室內(nèi)部空間的體積，單位為m3 ；P :溫室內(nèi)部空氣的密度，單位為kg/m3;cp :溫室內(nèi)部空氣的比熱，單位為J/(kg · K)；Tai :溫室內(nèi)部空氣的溫度，單位為K ；Qrad :太陽光照輻射能量，單位為W ；Qrad = ARp其中，A :溫室地表面積,單位為m2 ；Rn :太陽光熱輻射能量密度，單位為WnT2 ；Qheat :加熱能量(不加熱時忽略)，單位為W ；Qvent :通風熱交換能量，單位為W ；Qvent = P cp (Tao-Tai) VR其中，P :溫室內(nèi)部空氣的密度，單位為kg/m3;cp :溫室內(nèi)部空氣的比熱，單位為J/(kg · K)；V :為通風窗有效的通風面積(m2)；R :通風率系數(shù)，單位為ms—1 ；Tao :溫室外部的溫度，單位為K ；Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；
Qcac :與外界熱傳導(dǎo)能量，單位為W ；Qcac = qi*Ac = hciAc (Tao-Tai)其中，qi :熱流密度，單位為wm_2 ；hci :空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為WnT1IT1 ；Ac :溫室覆蓋層面積,單位為m2 ；Tao :溫室外部的溫度，單位為K ； Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；Qcard :長波輻射能量，單位為W，水培溫室忽略；Qsoil :與土壤熱交換能量，單位為W ;水培溫室忽略Qleaf :溫室內(nèi)部空氣與作物葉面的熱傳導(dǎo)能量，單位為W ；Qleaf = 2Aphp (Tp-Tai)其中，Ap:作物葉片的總面積；hp :葉片的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為wnTV1 ；Tp :植物葉片的溫度，單位為K ；Tai :溫室內(nèi)部的溫度，單位為K ；Qcool :用熱單元所帶走的能量，單位為W ；Qtran :作物蒸騰所需要的能量，單位為W ；Qtran = H*mtr其中，H:蒸發(fā)熱；mtr:蒸騰量；Qp :作物光合作用所需的能量(忽略)；Qs:溫室周邊的散熱量，單位為W，對于容積較大、周圍又有其他溫室相連的溫室，此項可忽略；綜上所述，可得到溫室環(huán)境耗能平衡方程式為
Vpcp^- = ARn +HciMTai - T[J + pcp(I:m-TJVR+2Aphp(Tp-TJ + QtKat-Qcoo-Qtrem熱源和用熱單元之間的熱傳遞，可根據(jù)冷熱聯(lián)供系統(tǒng)的實際運行模式及相應(yīng)設(shè)備的功率計算得到。氣象站包括用于采集溫室外部環(huán)境參數(shù)的第二通風傳感器、第二溫度傳感器、第二光照傳感器、第二濕度傳感器和雨量傳感器。氣象站采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專用的小型室外氣象站，第二溫度傳感器被遮蔽，太陽輻射不影響第二溫度傳感器。雨量傳感器置于無陰影的地方，以免影響太陽輻射的測量。氣象站的第二通風傳感器、第二溫度傳感器、第二光照傳感器、第二濕度傳感器和雨量傳感器，用于采集溫室外部環(huán)境參數(shù)，依據(jù)這些環(huán)境參數(shù)，通過控制單元，控制溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)，形成適合作物生長的微氣候。
第一溫度傳感器和第二溫度傳感器精度+1%，范圍在O 50度。第一濕度傳感器和第二濕度傳感器精度+3% RH(相對濕度)，范圍10 100%。第一光照傳感器和第二光照傳感器精度+8%，范圍在O 10萬LUX。所述控制單元采用西門子S7-300系列PLC模塊，所有輸入輸出接口電路均采用光電隔離，使溫室外部電路與PLC內(nèi)部的電路在電氣上實現(xiàn)隔離，具有完整的監(jiān)視和診斷功能，一旦電源或其它軟、硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采取有效措施，防止故障擴大，在緊急狀態(tài)下，可以手動控制。配套使用液晶顯示和觸摸屏，使人機界面大大改善。所述控制單元軟件部分采用專家分析系統(tǒng)，通過接收外部原始信息(溫室外各參數(shù)與溫室內(nèi)各參數(shù))，以內(nèi)部儲存的大量專業(yè)標準，對各原始參數(shù)進行分析，再得出優(yōu)化調(diào)整信息，送達執(zhí)行機構(gòu)，從而實現(xiàn)對溫室科學(xué)的自動化控制。具體實現(xiàn)的功能有I)、傳感器的信息監(jiān)測采集各種傳感器信息，并實時顯示在屏幕上，便于觀察。
2)、溫室設(shè)備控制模塊可以通過各個模塊控制對應(yīng)的各個環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，比如溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的各個電磁閥、濕簾、風機等等。根據(jù)設(shè)定的控制方式，可以采用手動控制(直接從屏幕上點擊要控制的設(shè)備)、自動控制兩種模式。而且不同的設(shè)備還可以單獨設(shè)定采用不同的控制策略。3)、報警功能過高或者過低的絕對值報警(如溫度、濕度)；過高或者過低的漂浮值形式報警(如加溫設(shè)定)；有條件的連接式報警(如溫室內(nèi)外溫度比較)；有差異值設(shè)定形式報警(如控制設(shè)備)等。所有的報警功能可以設(shè)定他們的優(yōu)先級別，并且當有警報時可以設(shè)定相關(guān)的設(shè)備自動失效一段時間，使整個系統(tǒng)具有一定的安全性。4)、數(shù)據(jù)記錄模塊該模塊可以完成從控制器中下載已經(jīng)存儲的各種數(shù)據(jù)，既有傳感器數(shù)據(jù)，也有各種控制設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且可以通過圖形或報表的方式將其表現(xiàn)在屏幕上，有利于使用者觀察、分析數(shù)據(jù)。同時可以將數(shù)據(jù)保存成通用的文本格式，使用其他軟件來分析數(shù)據(jù)。5)、事件記錄功能可以保存設(shè)備操作的記錄，或者其他的任何事件的記錄，這些記錄可以提供使用者了解對該設(shè)備的操作次數(shù)和狀態(tài)；從而對設(shè)備的保養(yǎng)和維修進行正確地判斷。例如可以判斷馬達皮帶磨損和電風扇馬達的損壞，可計算能源的消耗量等。6)、屏幕顯示項目設(shè)定使用者可以自己設(shè)定屏幕顯示的項目，比如各種傳感器的信息，設(shè)備的狀態(tài)，或者是一些圖片，能讓使用者更加一目了然的了解溫室的狀況。本發(fā)明一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，可用于深入研究溫室微氣候環(huán)境耗能機理模型，解決在環(huán)境參數(shù)非線性特性下穩(wěn)定優(yōu)化控制的難題，進而開展相應(yīng)的實驗研究。通過分析溫室微氣候中輻射、通風、對流和作物蒸騰作用引起的熱質(zhì)交換物理過程，以溫室能量平衡和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)，建立溫室內(nèi)微氣候機理分析模型，以全光型溫室為原型，以滬杭地區(qū)氣候狀況為邊界條件，考慮內(nèi)部作物與微氣候的相互作用，提供溫室環(huán)境動態(tài)模擬實驗；基于溫室機理模型，可以預(yù)測分析微氣候環(huán)境中光照、溫濕度等變化趨勢，為溫室控制系統(tǒng)給出控制調(diào)整策略，輸出控制指令下達各個執(zhí)行模塊(驅(qū)動電機、開關(guān)等機構(gòu))，從而實現(xiàn)對模擬實驗溫室的自動控制。利用該多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室進行實驗的步驟如下I)啟動光源，模擬太陽光，達到設(shè)置光照強度后，控制單元啟動遮光幕展開，光源強度降低；
2)控制單元啟動熱源及用熱單元，將溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定溫度；3)啟動噴淋裝置模擬降水，控制單元控制自動窗關(guān)閉；4)噴淋裝置模擬灌溉與施肥；5)控制單元啟動空調(diào)機組降溫； 6)溫室內(nèi)部環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定后，采集傳感器數(shù)據(jù)，進行分析研究實驗。
權(quán)利要求
1.一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，包括用于圍成溫室內(nèi)部空間的側(cè)壁和頂棚，設(shè)置在溫室外部的氣象站，以及用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部空間環(huán)境參數(shù)的溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括用熱單元、向用熱單元供熱的熱源以及協(xié)調(diào)熱源和用熱單元能量傳遞的控制單元，其特征在于，所述熱源為太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐，所述太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，三者的水循環(huán)管路并聯(lián)的接入一集熱水箱，該集熱水箱向各個用熱單元供熱。
2.如權(quán)利要求I所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，所述控制單元接收氣象站信號，同時協(xié)調(diào)這些子系統(tǒng)； 所述溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一溫度傳感器和空調(diào)機組，所述控制單元根據(jù)第一溫度傳感器采集的溫室內(nèi)部溫度信號控制空調(diào)機組； 所述濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一濕度傳感器、噴淋裝置和蒸發(fā)裝置；所述控制單元根據(jù)第一濕度傳感器采集的溫室內(nèi)部濕度信號控制噴淋裝置和蒸發(fā)裝置； 所述通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一通風傳感器和通風裝置；所述控制單元根據(jù)第一通風傳感器采集的溫室內(nèi)部風速和風向信號控制通風裝置； 所述光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中包括第一光照傳感器、光源和遮陽裝置，所述控制單元根據(jù)第一光照傳感器采集的溫室內(nèi)部光強信號控制光源和遮陽裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述空調(diào)機組和蒸發(fā)裝置作為所述的用熱單元與集熱水箱中的熱水換熱或直接通過管路與集熱水箱連通。
4.如權(quán)利要求3所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述集熱水箱的熱水出口還連接有溫控水箱，所述溫控水箱向蒸發(fā)裝置供水。
5.如權(quán)利要求4所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，模擬實驗溫室還包括殺菌裝置和干燥裝置，所述溫控水箱向殺菌裝置和干燥裝置供水。
6.如權(quán)利要求5所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述通風裝置包括設(shè)置在溫室內(nèi)的風機以及設(shè)置在側(cè)壁和/或頂棚部位的自動窗，所述風機以及自動窗均受控于所述控制單元。
7.如權(quán)利要求6所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述遮陽裝置為遮光幕以及控制該遮光幕張合的驅(qū)動電機，所述驅(qū)動電機受控于所述控制單元。
8.如權(quán)利要求7所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述模擬實驗溫室還設(shè)有安全監(jiān)控裝置，所述安全監(jiān)控裝置受控于所述控制單元。
9.如權(quán)利要求8所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述控制單元中帶有溫室環(huán)境耗能平衡模型，該溫室環(huán)境耗能平衡模型以溫室內(nèi)外的環(huán)境參數(shù)為輸入，向通風調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)、光照調(diào)節(jié)子系統(tǒng)以及濕度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)發(fā)送控制信號。
10.如權(quán)利要求9所述的多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，其特征在于，所述氣象站包括用于采集溫室外部環(huán)境參數(shù)的第二通風傳感器、第二溫度傳感器、第二光照傳感器、第二濕度傳感器和雨量傳感器，所述傳感器均受控于所述控制單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，包括用于圍成溫室內(nèi)部空間的側(cè)壁和頂棚，設(shè)置在溫室外部的氣象站，以及用于調(diào)節(jié)溫室內(nèi)部空間環(huán)境參數(shù)的溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所述溫室環(huán)境調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括用熱單元、向用熱單元供熱的熱源以及協(xié)調(diào)熱源和用熱單元能量傳遞的控制單元，所述熱源為太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐，所述太陽能集熱裝置，地熱集熱裝置以及鍋爐均具有水循環(huán)管路，三者的水循環(huán)管路并聯(lián)的接入一集熱水箱，該集熱水箱向各個用熱單元供熱。本發(fā)明多源冷熱聯(lián)供的模擬實驗溫室，建立多種能源轉(zhuǎn)化的冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，根據(jù)溫室內(nèi)部栽培作物的生長需要，提供適宜的環(huán)境溫度，可以大大減少常規(guī)能源的消耗，達到能耗優(yōu)化的效果。
文檔編號A01G9/14GK102835278SQ20121034664
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者馮毅萍, 榮岡, 曹崢 申請人:浙江大學(xué)