一种用于温室大棚的生物质供暖系统的制作方法

1.本实用新型涉及节能与供暖领域，具体涉及一种用于温室大棚的生物质供暖系统。


背景技术：

2.现有的温室大棚设施质量参差不齐，特别是中国农村地区，其运行模式粗放，尚未实现大棚内温湿度精确、精准控制，大棚室内环境控制质量有待提高，尤其是与植物生长休戚相关的室内温度。温度是植物生长最重要的影响因素，包括室内空气温度和土壤温度。但是，传统温室大棚依靠被动吸收太阳能的方式，即利用温室效应原理提高温室内温度，其调控能力差，不能有效抵抗漫长的冬季和连续阴雨雪天气。传统被动温室大棚存在如下问题：(1)温室大棚内空气温度和土壤温度日间与夜间平均温度均过低，不能够达到植物生长最佳环境温度；(2)基于温室效应原理，温室大棚内空气温度日间波动过大，无法实现灵活调控；(3)土壤温度则始终处于温度过低状态，传统温室效应无法提升土壤温度；(4)室内空气温度和土壤温度变化不同步、不协调，出现植物生长停滞、烂根，甚至无根现象。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种用于温室大棚的生物质供暖系统，其解决了温室内土壤与空气温度变化不能同步与均衡的技术问题。
5.(二)技术方案
6.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
7.烟气发生装置、烟气处理装置、末端换热装置和烟气输送装置；所述烟气发生装置设有空气进口与烟气出口；所述烟气处理装置包括依次连接的缓冲段、空气混合段和送烟段，所述缓冲段与所述烟气出口连接；所述末端换热转置包括由多根换热管并联组成的换热管网，所述换热管网的入口与所述送烟段连接；所述烟气输送装置包括排烟管道与动力装置，所述排烟管道的入口与所述换热管网的出口连接，所述动力装置设于所述排烟管道的出口。
8.可选地，所述烟气发生装置为生物质颗粒燃烧炉。
9.可选地，所述缓冲段设有滤丝网；所述空气混合段设有温度控制装置；所述送烟段的入口设有孔板。
10.可选地，所述温度控制装置包括多个温度传感器与控制器，所述温度传感器与所述控制器连接。
11.可选地，所述换热管外径为50mm～65mm，长度为9～12m，埋设于地下45cm～55cm处，埋设的间距为35cm～45cm。
12.可选地，在所述换热管网的下方铺设保温层，所述保温层为2cm～3cm厚的膨胀珍珠岩。
13.可选地，各所述换热管均设有调节阀门，所述调节阀门将管内烟气流速控制为2.5m/s～3m/s。
14.可选地，所述换热管pe管。
15.可选地，所述动力装置为管道轴流风机，所述排烟管道为pe管。
16.可选地，所述系统还设有烟气净化装置，所述烟气净化装置设于所述排烟管道的出口。
17.(三)有益效果
18.本实用新型的有益效果是：本实用新型以生物质烟气为工质，通过埋于土壤中的换热装置，实现烟气与温室土壤的热交换，土壤在升温的同时，向大棚内辐射与对流散热，从而达到调节温室大棚内地表土壤与空气的温度目的。本实用新型以土壤作为加热、传热、蓄热与放热载体，实现土壤与空气温度同步与均衡，可灵活调控温度以达到作物生长最佳环境温度。
附图说明
19.图1为本实用新型提供的一种用于温室大棚的生物质供暖系统的组成示意图；
20.图2为本实用新型提供的一种用于温室大棚的生物质供暖系统的二维模型图；
21.图3为不同埋管管径对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
22.图4为不同埋管深度对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
23.图5为不同埋管间距对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
24.图6为不同保温层厚度对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
25.图7为不同烟气流速对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
26.图8为不同烟气温度对土壤和空气温度影响的趋势对比图；
27.图9为本实用新型提供的一种用于温室大棚的生物质供暖系统的流程示意图。
28.【附图标记说明】
29.1：生物质颗粒燃料；2：空气；3：烟气；4：含二氧化碳的净化气体；
30.100：生物质供暖系统；
31.110：烟气发生装置；
32.120：烟气处理装置；121：缓冲段；122：空气混合段；123：送烟段；
33.130：末端换热装置；131：换热管网；132：换热管；133：保温层；134：土壤；135：塑料薄膜；
34.140：烟气输送装置；141：排烟管道；142管道轴流风机；
35.150：烟气净化装置。
具体实施方式
36.为了更好地解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
37.图1为本实用新型提供的一种用于温室大棚的生物质供暖系统的组成示意图，如图1所示，本实用新型公开了一种用于温室大棚的生物质供暖系统100，包括烟气发生装置110、烟气处理装置120、末端换热装置130和烟气输送装置140；烟气发生装置110设有空气
进口与烟气出口；烟气处理装置120包括依次连接的缓冲段121、空气混合段122和送烟段123，缓冲段121与烟气出口连接；末端换热转置包括由多根换热管132并联组成的换热管网131，换热管网131的入口与送烟段123连接；烟气输送装置140包括排烟管道141与动力装置，排烟管道141的入口与换热管网131的出口连接，动力装置设于排烟管道141的出口。
38.在上述中，烟气发生装置110用于制备低温烟气；烟气处理装置120接收并对低温烟气进行处理，输出低温热源；末端换热装置130接收低温热源，用于与土壤134进行热量交换，并以土壤134为载体向温室内辐射与对流散热；烟气输送装置140用于排放末端换热装置130输送过来的转换烟气。
39.本实用新型以生物质烟气为工质，通过埋于土壤134中的换热装置，实现烟气与温室土壤134的热交换，土壤134在升温的同时，向大棚内辐射与对流散热，从而达到调节温室大棚内地表土壤134与空气的温度目的。本实用新型以土壤134作为加热、传热、蓄热与放热载体，实现土壤134与空气温度同步与均衡，可灵活调控温度以达到作物生长最佳环境温度。
40.具体地，烟气发生装置110为生物质颗粒燃烧炉，其中，生物质颗粒燃料1包括且不仅限于秸秆、木屑、竹屑与落叶。生物质颗粒燃料1在炉内燃烧，制备出不高于200℃的低温烟气，送入烟气处理装置120。
41.接着，缓冲段121设有滤丝网，用于对低温烟气中的灰分和固体颗粒物进行过滤，得到过滤烟气；空气混合段122设有温度控制装置，通过温度控制装置来控制风机转速，以实现过滤烟气与空气初步掺混来降低温度至35℃～60℃，得到低温烟气；送烟段123的进口端设有孔板，用于将低温烟气进一步混合均匀，得到低温热源。
42.继而，温度控制装置包括多个温度传感器与控制器，温度传感器与控制器连接。温度传感器设置在空气混合段122中，用于检测烟气的温度。温度控制装置以检测温度为标准，控制风机转速来使得烟气温度精准地达到所需温度，具体地温度范围为35℃～60℃。
43.进一步地，换热管132外径为50mm～65mm，长度为9～12m，埋设于地下45cm～55cm处，埋设的间距为35cm～45cm。
44.而且，在换热管132的下方还铺设有保温层133，保温层133紧贴在换热管132网下。较佳的，保温层133为2cm～3cm厚的膨胀珍珠岩。膨胀珍珠岩的优势在于：作为土壤134热平衡保温材料，其热阻大，保温性能好，同时具有透气透水的的特性，不影响土质和植物生长。
45.进一步地，各换热管132均设有调节阀门，调节阀门将管内烟气流速控制在2.5m/s～3m/s之间。换热管132为高密度聚乙烯管(hdpe)，简称pe管。pe管具有耐酸、耐碱的性质，同时拥有较长使用寿命。
46.更进一步地，上述设计参数的最优值分别是：换热管132为外径63mm(de63)的pe管道、长度为10m、埋管深度50cm、埋管间距40cm、保温层133厚度为3cm、管内烟气流速为3m/s、烟气温度为50℃。
47.然后，动力装置为管道轴流风机142，管道轴流风机142，采用负压抽吸循环方式，安装在排烟管道141末端，为烟气输送提供稳定的动力。排烟管道141为pe管，pe管具有较长的使用寿命。
48.最后，生物质供暖系统110还设有烟气净化装置150。烟气净化装置150设于排烟管道141末端，用于滤出烟气中的二氧化碳，并将含二氧化碳的净化气体4反排至温室中，以提
高空气中二氧化碳的含量，继而提高作物产量。
49.在具体的实施例中，如图2所示，基于实验验证的全尺寸温室大棚，建立了原尺寸二维模型用于cfd模拟计算分析。该模型主要由两部分组成：地上部分和地下部分。地上部分包括塑料薄膜135(夜间覆盖保温被)和围护结构包裹的室内空气；地下部分主要由土壤134、换热管132和保温层133组成。两部分通过土壤134表面与温室内部空气构成的耦合传热面相互关联，进行能量传递。
50.针对本实用新型提出的生物质供暖系统110的集成机理与方法，以下是对埋管管径、埋设深度、埋管间距、保温层厚度、烟气流速以及烟气温度等关键集成参数进行的影响规律性分析。
51.第一，分析埋管管径对温室大棚室内热环境影响。在管道流速固定情况下，管道通流面积决定了烟气流量，进而决定了供暖热流量，因此管径是地埋换热器关键参数之一。
52.在埋深50cm，埋管间距40cm，流速3m/s以及烟气温度为50℃的条件下，研究了不同管径对温室室内环境的影响。图3为不同埋管管径对土壤和空气温度影响的趋势对比图，如图3所示，当管径从de40变化到de90时，土壤温度和空气温度都呈现线性增加趋势，但是斜率较小；0.1m深土壤平均温度、土壤表面平均温度和空气平均温度的增幅分别是5.2℃、4.5℃和2.8℃。因此，以0.1m深土壤温度最低18℃和空气温度最低10℃的供暖评价指标，综合考虑经济效益，pe管外径的最优值为63mm。
53.第二，分析pe管的埋设深度对温室大棚室内热环境影响。pe管并联组成的换热管网131铺设于土壤之中，烟气热量通过管壁传递至土壤，再经过土壤导热传递至地表，进行辐射与对流传热。埋管深度会影响综合换热系数与热惰性，因此埋管深度也是关键参数之一。
54.在pe管外径为63mm，埋管间距40cm，流速3m/s以及烟气温度为50℃条件下，研究不同埋管深度对土壤和空气温度的影响。图4为不同埋管深度对土壤和空气温度影响的趋势对比图，如图4所示，随着埋管深度的增加，土壤温度和空气温度呈现线性下降趋势；当埋深为80cm时，空气温度仅有8.9℃。整体来说土壤温度和空气温度对埋深深度较为敏感，为了达到更好的供暖效果，在考虑一定安全埋深的情况下，埋深越小，供暖效果越好。50cm的埋管深度能很好的满足对安全耕作和供暖能力的要求。
55.第三，分析pe管埋设的间距对温室大棚室内热环境影响。该供暖系统地埋管网采用并联形式，因为管网铺设密度决定了供暖量，因此埋管间距是地埋换热器关键参数之一。
56.在pe管外径为63mm，埋深50cm，流速3m/s以及烟气温度为50℃条件下，研究pe管埋设的间距对温室大棚室内热环境影响。图5为不同埋管间距对土壤和空气温度影响的趋势对比图，如图5所示，随着埋管间距(20cm，40cm，60cm，80cm)的增加，土壤温度和空气温度大幅度下降，当埋管间距在80cm时，空气温度最低为7.6℃，供暖效果十分有限。而埋管间距的成倍增加，其整个温室的烟气流量随即成倍的增加，但是相应的土壤温度却没有线性降低，说明随着埋管间距的增加，系统的热效率反而增加，单根换热管道的换热能力增加。由图5数据可知，较小的埋管间距虽然供暖效果好，但是土壤温度分布的均匀性却较差，主要是因为埋管间距小，温度影响覆盖的的距离越远，土壤对温度的变化敏感。在考虑供暖能力和温度分均匀性的情况下，40cm的埋管间距是最合适的。
57.第四，分析保温层厚度对温室大棚室内热环境的影响。通过地下土壤升温供暖，只
能单侧利用地下埋管的热量，为了减小热量向土壤深处渗透，在地埋管下方铺设一定厚度的保温层133能提升热能利用效率，得到更好的供暖效果。保温层133材料选择具有较大热阻的膨胀珍珠岩，同时具有透水透气的特性，不会影响植物的生长。
58.在pe管外径为63mm、埋深为50cm、流速为3m/s、埋管间距为40cm以及烟气温度为50℃条件下，研究不同厚度保温层133铺设对温室大棚室内热环境影响。图6为不同保温层133厚度对土壤和空气温度影响的趋势对比图，由图6可知，对比无保温层133的工况，有保温层133的条件小，0.1m深土壤温升明显，升温1.22℃；随着保温层133厚度的增加，土壤温度和空气温度都有所上升，但是当保温层133厚度超过3cm厚时，温度上升速度变缓。从保温效果和经济性的角度来说，3cm厚的珍珠岩保温层133具有最佳的效果。
59.第五，分析烟气参数对温室大棚室内热环境影响。烟气是温室大棚内供暖系统的热源，烟气的流速与温度是关键参数，不仅影响烟气地埋换热的换热效果，还涉及到系统输配能耗和输配管材的选择。考虑到烟气含酸以及土壤酸碱影响。
60.在pe管外径为63mm、埋深为50cm、流速为3m/s、埋管间距为40cm以及烟气温度为50℃条件下，研究烟气流速对温室大棚室内热环境影响。图7为不同烟气流速对土壤和空气温度影响的趋势对比图，如图7所示，当流速从1增加到6时，室内表层土壤温度和空气温度都逐渐增加，但是两者变化的幅度不同，主要是土壤和空气的热惰性不同造成的。0.1m深的土壤平均温度变化明显，增幅达到8.5℃，但是随着流速的增加，流速的变化对土壤温度的影响减小；土壤表面(0m深)平均温度和0.1m深土壤的温度变化趋势相同，但是增幅只有7.0℃；流速对室内空气温度的影响不明显，空气温度从8.0℃变成12.1℃，整个增幅为4.1℃。
61.温室大棚供暖系统效果以温室内空气温度和土壤温度高低作为评价标准，根据《温室加热系统设计规范gb/t 10297～2014》对供暖温室夜间植物生长的空气温度和土壤温度参考范围。本研究以最低有效供暖温度，即地上1m处空气温度达到10℃和0.1m深土壤温度达到18℃，作为该系统供暖效能评价的指标。
62.由图7中数据可知2m/s、3m/s、4m/s的烟气速度是合理的。当速度超过4m/s时，温度变化趋于平缓，考虑输配能耗和烟气流通量，对于de63的pe换热管，最佳流速为3m/s。
63.第六，分析烟气温度对温室大棚室内热环境影响。在pe管外径为63mm、埋深为50cm、流速为3m/s、埋管间距为40cm以及烟气温度为50℃条件下。图8为不同烟气温度对土壤和空气温度影响的趋势对比图，如图8所示，随着烟气温度的增加，土壤温度和室内空气温度近似线性上升，但是上升速率不同。以0.1m深土壤温度最低18℃和空气温度最低10℃的供暖评价指标，综合考虑烟气流通量，50℃为最佳烟气温度。
64.从上述分析可知，室内土壤温度和空气温度对烟气流速、烟气温度、埋管间距的变化敏感，对埋管埋深和管径的变化不够明显。实验采用外径为63mm的pe管道，埋深50cm，埋管间距40cm，保温层厚度3cm，在50℃烟气以3m/s的速度流通时，温室内获得了较好的热环境。有供暖温度大棚室内空气平均温度为8.58℃，比传统无供暖温室空气温度高1.79摄氏度；有供暖温度大棚室内土壤表面平均温度为16.78℃，比传统无供暖温室室内土壤表面平均温度高5.29℃。整体供暖效果明显。
65.综上所述，图9为本实用新型提供的一种用于温室大棚的生物质供暖系统的流程示意图，如图9所示，本实用新型包括了生物质颗粒燃烧炉、缓冲段121、空气混合段122、送烟段123、换热管网131、排烟管道141以及管道轴流风机142，其供暖的流程具体为：在生物
质颗粒燃烧炉中添加生物质颗粒燃料1以及空气2(25℃)，来制备了不高于200℃的低温烟气，依次送入缓冲段121、空气混合段122以及送烟段123。在缓冲段121中进行初步过滤；在空气混合段122进行烟气与空气掺混来降低温度至35～60℃；在送烟段123进一步混合均匀，给换热管网131输出低温热源。接着，低温热源通过换热管网131，实现了与温室土壤的热交换。其次，由排烟管道141将换热过的烟气排除，动力由安装到排烟管道141末端的管道轴流风机142提供。最后排烟管道141的输出的烟气经烟气净化装置150滤出二氧化碳，并将其反排至温室中。
66.本实用新型以农村地区丰富的生物质资源(农林废弃物)为一次能源输入，通过调控设施，制备生物质低温烟气作为温室大棚供暖热源既节能又有较大的经济效益。本实用新型以土壤作为加热、传热、蓄热与放热载体，实现土壤与空气温度同步与均衡，有利于作物的生长，而采用pe耐酸、耐碱管道为热网，拥有较长使用寿命，同时还设有烟气净化装置150，将烟气中的二氧化碳反排至温室中，以提高作物的产量。
67.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
68.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
69.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
70.在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
71.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。