温室高效地中热交换装置

本实用新型属于设施园艺环境工程技术领域，特别涉及一种 温室热交换装置。

地中热交换装置是一种有效利用太阳能的温室加温装置，它 可将白昼温室中富余的太阳热能贮蓄起来，到夜间释放回温室内 给温室加温。

在温室或塑料大棚等园艺设施中，由于其内部具有良好的集 热性，即使是气温在0℃以下的严寒冬季，在不加温的情况下，白 昼室内气温仍可达到25℃以上，甚至超过30℃，高于植物生长的 适宜温度，需通风向室外排除多余的热量。但是一到夜间，如不 加温，室内气温又将迅速降低到0℃左右或更低。夜间采用燃料加 温虽可满足种植的要求，但燃料的大量消耗会使生产成本大幅度 增加。据调查，我国大型温室生产的加温年耗煤量约为60～100吨 ／亩，其冬季加温耗能费用约占总生产成本的50～70％，运行费用 高，经济效益差，这是制约我国现代设施园艺发展的最关键的问 题之一。我国设施园艺必须避免国外高能耗的发展模式，这不仅 是我国自然资源条件和社会经济状况下的现实需要，也有利于实 现农业可持续发展的长远目标。

因此，白昼热量过剩与夜间热量的不足是温室环境控制中一 个突出的矛盾，解决这个矛盾的一个思路就是将白昼通风向室外 排除的多余热量贮蓄起来，夜间使之释放到温室内进行加温。地 中热交换装置就是实现这种设想的贮能加温装置，可以较好地解 决温室白昼热量过剩与夜间热量不足的矛盾。地中热交换装置由 温室土壤中埋设地管道与风机组成。当白昼温室内气温升高到一 定程度(一般为20～25℃)时，开动风机使空气流过管道，这时空 气温度高于土壤的温度，热风将加热管道及管周的土壤，把热量 蓄积到土壤中。到夜间温室内气温降低到设定点(低于10℃)时再 开动风机，使空气从管道中流过，这时空气温度低于土壤的温 度，空气被加热而带出蓄积的热量。加温的热量可使室内气温提 高3-7℃，可全部或部分代替燃料加温。同时由于地下管道的蓄 热，可使地温提高4-8℃，这一点对于保证蔬菜等植物的生长和 提高其产量具有尤为显著的作用。由于地下土壤热容量大，放热 稳定持久，故在连阴天气下仍可保持一定的效果。

地中热交换装置的最早期的研究可追溯到六十年代，但这项 研究真正受到重视并逐渐应用于实际生产是在七十年代相继爆发 二次世界性的能源危机以后。在日本的试验研究较多，美、法、 希腊等国学者也相继开展了这项研究，到八十年代初已基本达到 实用化。近几年仍有不少研究者就该装置的性能、应用方式和优 化完善等方面继续进行研究。国内研究者从1984年开始开展了此 项研究，目前已在华北、东北地区一定范围内得到推广应用。

与本专利最接近的地中热交换装置如下：

①日本神奈川县藤泽市的一座二连栋温室中的地中热交换装 置

温室长19．8米，跨度9米，二跨相连宽度共18米。采用直径φ 100mm的聚乙烯圆管作地中热交换装置管道，管道沿温室长度方向 埋设，埋设深度分0．5米与0．8米二层，每层以0．5米的间距排列36 根。管道的一端通至温室的一面山墙后，转为竖直方向通出地 面，所有管道另一端均通至温室的另一面山墙处的沟道中，沟道 上方安装3台风机。风机转动时，吸引室内空气，将其压送入沟 道，通过沟道送入圆管内，空气流过管道，向管道放热(白昼)或 (吸热)，然后从其另一端的出口流出返回温室内。参见：山本雄 二郎，地中热交换温室，《(日)农业气象》1985年，41卷3期， P273-280

②日本大坂农林技术中心一座葡萄温室中的地中热交换装置

温室长41米，跨度5．4米，三连跨，总宽度16．2米。采用直径 φ100mm、壁厚3mm的聚乙烯圆管作地中热交换装置管道。管道沿 温室长度方向埋设，由于温室较长，管道在长度方向上分成二 段，每段长18米，二段管道分别在温室二面山墙处通出地面，在 温室中部的一端通至沟道中，沟道上方共安装8台风机。管道埋设 深度分0．4米与0．6米二层，上层排列2×28根，下层排列2×25 根。装置运行时，位于温室中部的风机吸引室内空气，将其压送 入沟道，然后分别向二边送入圆管内，空气流过管道，向管道放 热(白昼)或(吸热)，然后分别从位于二面山墙处的出口流出返回 温室内。参见：段正幸，设施葡萄节能栽培的温度管理与保温， 《(日)农业及园艺》1988年，63卷2期，P321-324

地中热交换装置虽然节能效果显著，但还存在热交换效率 低、装置建造费用高的缺点。这是因为空气与管道的换热强度 低、土壤传热慢，为了达到所需的换热量，需要采用大量的管 道，因此其费用大大增加。这是目前地中热交换装置还未能得到 更广泛的推广的最主要原因之一。

本实用新型的目的就是要提高地中热交换装置的热交换效 率，尽可能减少管道的用量，降低装置的费用。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

一种温室地中热交换装置，本实用新型由双向风机1、PVC波 纹管道2、自动控制装置3和进排风口5、6组成，PVC波纹管道2与 进排风口5、6相连，并位于温室土壤0．5-1米深度之间；双向风机 1通过电源线与自动控制装置3相连。

本实用新型的优点和积极效果如下：

①本实用新型减少了管道原材料，降低了成本。由于本实用 新型采用PVC薄壁波纹管作换热管道，波纹状的管壁很薄(1毫米左 右)即可满足强度和刚度的要求，减少了塑料材料的用量，降低了 管道费用。

②提高了换热效率。波纹管采用混铝PVC材料制作，提高了 管壁材料的导热系数。加之本实用新型波纹管管壁薄，减小了管 壁的导热热阻，同时波纹状的管道内壁有助于提高气流与管道内 侧的对流换热系数，因此管道换热效率高。经试验，本装置比过 去的装置提高换热效率一倍以上。

③本装置蓄热与放热均匀。白昼蓄热和夜间放热运行中，使 风机正、反向交替运行，避免了风机单向运行时，管道进风口与 排风口(如附图中5、6二处)蓄热与放热不均的现象，可显著地 提高土壤的蓄、放热量。因此采用了专门研制的正反向运行均具 有较高效率的双向轴流风机。

由于采用了以上技术方案，本装置比过去的装置提高换热效 率一倍以上。在达到相同蓄放热的效果时，本方案可减少埋设的 管道50％以上，可显著降低装置的费用。

图1为温室高效地中热交换装置示意图

1、双向风机，2、PVC波纹管道，3、自动控制装置，4、温 室，5、6、进排风口。

下面叙述本实用新型的实施例：

本实用新型由双向风机1、PVC波纹管道2、自动控制装置3和 进排风口5、6组成，PVC波纹管2与进排风口5、6相连，并位于温 室土壤0．5-1米深度之间；双向风机1通过电源线与自动控制装置3 相连。

本装置的工作过程

①白昼

温室内气温升高到设定的蓄热启动温度时，自动控制装置3启 动双向风机1向PVC波纹管道2内送风蓄热。这时管道内气流的方向 是由5到6，气流在管道里的流动过程中向管道周围土壤放热，气 温由5到6逐渐降低，因此向管道周围土壤的蓄热量由5到6是逐渐 减少的。

经过一段时间的运行，PVC波纹管道2气流进口5端管周的土壤 蓄积热量较多，土壤温度上升较大，而接近气流出口6端的管周土 壤蓄积热量较少，土壤温升较小，在管道长度方向上形成较大的 土壤温度差异。

这时由自动控制装置3改变双向风机1的运行方向，改为从波 纹管道2中吸风，管道6端成为进风口，管道5端成为排风口，管道 内气流的方向由6到5。这样气流与管道热交换量沿管长度方向的 变化情况与风机变换方向前相反，6端蓄热量多，向5端逐渐减 少。经过一段时间的运行，6端土壤温度升高，并逐渐超过5端， 形成6端高、5端低的温度分布，达到一定程度时再由自动控制装 置3改变双向风机1的运行方向。如此循环反复，直至温室内气温 低于设定的蓄热的气温时，最后，使管道全长范围内的土壤能够 较为均匀地蓄热。

②夜间

温室内气温降低到设定的放热温度时，自动控制装置3启动双 向风机1向PVC波纹管道2内送风，交换出白昼蓄积的热量。这时管 道内气流的方向是由5到6，气温由5到6逐渐升高，5端土壤放热量 高于6端，因此温度下降较快。经过一段时间的运行，形成5端低 于6端的温度分布。

这时由自动控制装置3改变双向风机1的运行方向，管道内气 流的方向由6到5，则6端放热较多，向5端逐渐减少。经过一段时 间的运行，6端土壤温度降低，而5端由于放热较少，并且较远处 土壤传来热量补充，温度逐渐有所回升。经过一段时间以后，形 成6端低于5端的温度分布，达到一定程度时再由自动控制装置3改 变双向风机1的运行方向。如此循环反复，直至温室内气温高于设 定的放热的气温时，使管道全长范围内的土壤能够较为均匀地放 热。