技术领域
本发明涉及基于自然能源智能控温的主动式太阳玻璃温室及作业方式，属于农业温室和清洁供热技术领域。
背景技术
温室大棚在农业生产，特别是蔬菜、水果、花卉、药用等经济作物生产领域重要的基础设施和高效生产形式，其中我国大量采用了被动式太阳能塑料大棚，近些年又正在引进高端玻璃温室，其中北欧荷兰等国的玻璃温室每年生产期可达11个月，单位亩产量极高。以西红柿生产为例（以下摘自互联网上有关专业人士的经验之谈）：“西红柿亩产量多少要看种植的品种和栽培设施。按生长分，一般分为自封顶型和无限生长型；栽培分露天栽培和大棚栽培。自封顶型露天栽培一般亩产：3000-4000公斤（折合4.5～6.0kg/㎡）；自封顶型大棚栽培一般亩产：5000-7000公斤；无限生长型露天栽培一般亩产：4000-6000公斤；无限生长型大棚栽培一般亩产：10000-12000公斤（折合15～18kg/㎡）。”而荷兰的玻璃温室最高产量可达60 kg/㎡（折合生产区亩产约40000kg），可见是传统露天栽培的亩产的10.0～13.3倍，也是常规无限生长型大棚栽培的亩产3.3～4.0倍。因此采取合理的生产设施和技术工艺可大幅提高农业生产效率、实现集约化农业生产模式。
不同作物及其生长过程对于所处环境的技术条件与要求不同，例如普通食用的大番茄的空气参数要求如下：作物生长层——距离地面高度0.6米至3.3米；夏季：（外界气温夜间最低20 ℃ ~白天最高42 ℃ ）；作物生长层白天温度低于35℃，夜间温度低于25 ℃；冬季：（外界夜间最低-14 ℃）；作物生长层白天温度不低于25 ℃ ，夜间不低于15 ℃；湿度要求：45%~50%(超过55%易发生病害)。种植花卉的玻璃温室参数控制要求：兰花养苗区，全年要求室内设计温度28～31℃，但不得低于28℃，否则严重影响兰花苗的生长、植株形式乃至失效；而兰花开花区、催花区则夏季白天设计温度<25℃，夜间14小时设计温度18℃。总之兰花生长所需参数控制精度要求很高，需全年保障。
以生产效率更高的玻璃温室为例，虽然其生产效率很高，但是在国内大棚生产中目前采用的比例极低（约为1%级），目前存在如下多种突出问题。
（1）能耗过大，如按农作物的较高生长效率进行室内温湿度参数控制，其能源费用将占到总运行费用的60%左右；且玻璃温室初投资较高，因此其投资回收期过长，经济效益并不显著。
（2）国内引进该技术后的生产作业时间往往只有半年左右，达不到荷兰的11个月，则其产量降低一半左右，则产品收益大幅降低。
（3）为控制能源费用，往往出现冬季严寒期室温偏低、夏季室温过高，导致作物无法正常生长，例如夏季白天实测温度有可能达到50～60℃，这是导致国内玻璃温室生产时间远远达不到11个月的主要原因之一，而荷兰等北欧国家环境温度相对低得多，很少出现夏季过热的情况。
（4）随着环保问题日益得到重视，相对廉价的燃煤锅炉等供热方式面临削减、乃至被取缔的情况，可供选择的燃气锅炉等能源费用更高，使经济效益更差。
另一方面，节能技术和清洁供热方式近些年得到快速发展，其中清华大学建筑环境与设备研究所李先庭教授团队首创、并与北京清大天工能源技术研究所、北京启迪天工热能科技有限公司等进行联合工程技术开发及产业化的有关清洁供热技术如下。
（1）基于自然能源的嵌管式围护结构及节能建筑技术，可实现利用地热能、太阳能、空气能（冷却塔等形式）通入内嵌的换热元件，将环境空气、太阳辐射等的得热量或散热量由自然能源的载热介质带走，从而对建筑进行主动控温，大幅削减冬季供热负荷、夏季供冷负荷需求。
（2）柔性多源互补热泵清洁供热技术，可将地热能、太阳能、空气能、工业余热等作物联合的低温热源系统，送入一组水水型热泵机组进行制热或制冷，可达到很高的能效比（通常比多联机等空气源热泵平均高50%～100%），实现高效制热制冷的同时，大幅减少能源费用。
（3）室内供热供冷末端采用柔性分布式末端方式，并可对大空间空气温湿度参数进行个性化控制，实现局部控制参数的同时、有效降低总体能耗及运行费用，并可在供热运行时最大幅度降低供水温度、提高热源制热效率；在供冷运行时可提高冷源供水温度、乃至直接使用地下水供冷，而无需开启或少开启人工制冷。
发明内容
本发明的目的和任务是，针对前述农业大棚、特别是高效率的玻璃温室存在的主要问题，采用上述清洁供热最新技术发展成果，结合农业大棚实际技术条件与生产作业需求，设计了全新的基于自然能源智能控温的主动式太阳玻璃温室的集成技术体系及能源系统运行作业方式，从根本上改变现有能耗过高的问题，为大幅降低其能源运行费用、提高生产作业有效时间、提高作物产量与经济效益提供基础性的技术条件。
本发明的具体描述是：基于自然能源智能控温的主动式太阳玻璃温室及作业方式，其特征在于，整个系统由嵌管式主动控温装置的围护结构1、被动保温隔热装置、室内低温型分布式末端装置、基于自然能源的低温型热源系统及水泵与连接管路构成，其中围护结构1包括阳面墙体2、阴面墙体3、温室顶篷5，其中阳面墙体2配套有侧遮阳帘21和阳面嵌管22，阴面墙体3配有阴面嵌管23，温室顶篷5配套有上遮阳帘26和上嵌管25，被动保温隔热装置包括保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27，室内低温型分布式末端装置除了包括常规的地面暖气管6、中层暖气管6a、湿帘8之外，还包括低温型末端装置24，基于自然能源的低温型热源系统包括地水源井31、太阳能集热器32、热泵机组33、蓄能罐34，其中地水源井31的出水口通过地源水泵37除了与热泵机组33的低温侧进水口、太阳能集热器32的进水口和蓄能罐34的第二进水口相连外，还跟阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25和湿帘8的进水口相连，地水源井31的进水口除了与热泵机组33的低温侧出水口和蓄能罐34的出水口经蓄能泵35相连外，还跟阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25和湿帘8的出水口相连，太阳能集热器32的出水口还与蓄能罐34的进水口相连，蓄能罐34的出水口经蓄能泵35与热泵机组33的高温侧出水口经热泵循环泵36相连，还分别与地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24的进水口相连，地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24的出水口分别与太阳能集热器32的进水口、热泵机组33的高温侧进水口相连。
阳面墙体2为夹层对流器结构，其除了包括常规的外透明层2a、内透明层2c和侧遮阳幕布2b外，在侧遮阳幕布2b的内侧设置有侧遮阳帘21，侧遮阳帘21的内侧设置有阳面嵌管22，外透明层2a的底部设置有对流进风窗28a，顶部设置有对流出风窗28；所述的阴面墙体3采用全部实心结构、并将配套的阴面嵌管23内嵌在其实心结构内部，或采用夹层结构、其中内部实心层3a内嵌有阴面嵌管23；所述的温室顶篷5配套的上遮阳帘26设置在温室顶篷5的下侧，上嵌管25设置在上遮阳帘26的下侧。
该主动式太阳玻璃温室的作业方式根据作物生长区域的环境参数（包括光照、温度、湿度、风速）的技术要求及节省能源运行费用作为控制目标，以所述系统部件及其执行机构作为运行调节根据，并根据“人在回路中”的控制方式并满足作物生长不同阶段的环境参数控制要求，按照如下时间和技术条件进行智能化供热供冷负荷调整、自然能源运行控制、热源设备选用与输配管理。
第一，冬季夜间供热运行时，保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27、侧遮阳帘21、上遮阳帘26、对流进风窗28a、对流出风窗28均封闭并进入被动保温状态，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动保温状态，蓄能罐34的出水经蓄能泵35送入地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24并进行供热，回水返回蓄能罐34，当室温低于低限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36与蓄能罐34联合供热，供热回水同时返回热泵机组33和蓄能罐34，当室温高于高限设定值时则停运热泵机组33，如停运热泵机组33后室温还维持高于高限设定值时则减少或停运蓄能罐34的供热，直至室温低于低限设定值时则优先启动蓄能罐34。
第二，冬季白天运行时，保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27均卷起，侧遮阳帘21、上遮阳帘26均打开并处于最大阳光透射状态，对流进风窗28a、对流出风窗28均封闭并进入被动保温状态，如室温低于低限设定值时，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动保温状态，蓄能罐34的出水经蓄能泵35送入地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24并进行供热，回水返回蓄能罐34，如此时室温还低于低限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36与蓄能罐34联合供热，供热回水同时返回热泵机组33和蓄能罐34，当室温高于高限设定值时则停运热泵机组33，如停运热泵机组33后室温还维持高于高限设定值时则减少或停运蓄能罐34的供热，如停运蓄能罐34的供热后室温还维持高于高限设定值时则停止阳面嵌管22、上嵌管25的地水源热源水的运行并停止其主动保温状态，如此时室温还维持高于高限设定值时则将阳面嵌管22、上嵌管25转为主动蓄热运行，此时蓄能泵35将蓄能循环水打入阳面嵌管22、上嵌管25，其回水则进入蓄能罐34并进入蓄能状态，直至室温低于低限设定值时，则按上述降温过程相反的顺序进入逐步升温过程，直至室温高于低限设定值为止。
第三，非采暖期白天室温高于高限设定值时，保温幕布4、中保温幕布4a、外保温幕布27均卷起，侧遮阳帘21、上遮阳帘26、上遮阳幕布4b均打开并处于满足植物生长所需光照状态，对流进风窗28a、对流出风窗28均打开并进入主动降温状态，如室温高于高限设定值时，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动降温状态，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入蓄能罐34并经蓄能泵35送入低温型末端装置24或地面暖气管6或中层暖气管6a并进行供冷，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入湿帘8并进行直接接触式主动降温状态，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36送入低温型末端装置24或地面暖气管6或中层暖气管6a并进行联合供冷，直至室温低于低限设定值时，则按上述降温过程相反的顺序进入逐步升温过程，直至室温高于低限设定值为止。
第四，非采暖期夜间室温高于高限设定值时，在上述第三步的基础上，同时结合常规的打开室内外通风降温装置。
外透明层2a、内透明层2c、温室顶篷5的材料均采用高透射性玻璃，或均采用高透射性塑料薄膜。
保温幕布4、中保温幕布4a、侧遮阳帘21、上遮阳帘26的材料均采用两侧高反射性表面，外保温幕布27厚度1～10mm、优选地2～5mm。
低温型末端装置24设置于生产区的植物苗床7的下部空间，此时其换热元件24a为塑料管、钢制翅片高或铜管铝翅片管结构，底部设置有落地的凝结水接水盘24b；或埋设于地面以下，此时其换热元件24a为塑料管；或竖向设置于生产区的植物苗床7的上部、且位于植物茎叶的中间，并作为支撑植物生长的篱笆，此时其换热元件24a为塑料管、且管内通水温度不超过植物生长的允许温度范围；或沿外墙内壁布置，此时其换热元件24a为塑料管、钢制翅片高或铜管铝翅片管结构。
地水源井31采用浅层或深层地下水井结构，此时每一口抽水井配套至少一口回灌井，或者采用地埋管井结构，此时井内采用单U管或双U管结构，管材为PE管。
热泵机组33为水-水热泵结构，在供热和供冷模式转换采用热泵机组内部的四通换向阀或机组外部的水阀切换结构。
本发明针对现状温室大棚因围护结构隔热效果差导致供热供冷负荷极大、高能耗导致能源费用过高的问题，采用基于自然能源智能控温的清洁供热系统方式，其优越性包括：采用全新的嵌管式围护结构，嵌管内通入地水源低温热源水，冬季夜间承担外部环境散热，夏季白天吸纳太阳辐射放热，以显著降低冷热负荷；室内采用低温型分布式末端装置，可大幅降低热源供水温度、提高热源效率；由地水源热能、太阳能、空气能、热泵机组及蓄能罐组成的清洁热源系统，属于多能互补的柔性低温热源方式，可根据具体的资源状况灵活选用和投运，以达到最大可能利用自然能源供冷供热、减少人工能源及其费用的目的，估算其人工能耗及能源运行费用可大幅下降40%～80%（取决于技术实现条件、作物环境参数控制需求及实际运行状态等）；冬季白天室温过高时可将部分太阳能储存在蓄能罐中并降低室温，夜间则可优先用于采暖；实现全年智能高效清洁供热供冷；大幅改善作物生长条件，显著延长全年有效生产作业时间。综上，本专利为包括玻璃温室在内的农业大棚的生产作业提供了最佳生产条件，显著提高作物产能，显著降低能源费用，使更大规模采用温室大棚、特别是玻璃温室的生产创造了更佳的技术条件。
附图说明
图1是本发明所涉及的玻璃温室及其供热方式的现有常规技术方式及结构示意图，图2是本发明的系统示意图。
图1、2中各部件编号与名称如下。
围护结构1、阳面墙体2、外透明层2a、侧遮阳幕布2b、内透明层2c、阴面墙体3、内部实心层3a、保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、温室顶篷5、地面暖气管6、中层暖气管6a、高层暖气管6b、植物苗床7、湿帘8、侧遮阳帘21、阳面嵌管22、阴面嵌管23、低温型末端装置24、换热元件24a、凝结水接水盘24b、上嵌管25、上遮阳帘26、外保温幕布27、对流出风窗28、对流进风窗28a、地水源井31、太阳能集热器32、热泵机组33、蓄能罐34、蓄能泵35、热泵循环泵36、地源水泵37。
具体实施方式
图1是本发明所涉及的玻璃温室及其供热方式的现有常规技术方式及结构示意图，图2是本发明的系统示意图。
图1中所涉及的玻璃温室及其供热方式的现有常规技术方式及结构如下：大棚墙体采用双层玻璃（或塑料），中间夹层设置一层遮阳幕布；温室顶篷采用单层玻璃（或塑料）；作业区上部设置若干层遮阳幕布或保温幕布；围护结构外侧（或内侧）设置较厚保温幕布（类似棉被）；室内供暖通常采用高温末端并与落地的轨道、农作物的横向支架等一体化，其热源通常需要60～90℃的高温供水；夏季采用湿帘降温。
本发明的具体实施例如下。
图2中，基于自然能源智能控温的主动式太阳玻璃温室及作业方式，整个系统由嵌管式主动控温装置的围护结构1、被动保温隔热装置、室内低温型分布式末端装置、基于自然能源的低温型热源系统及水泵与连接管路构成，其中围护结构1包括阳面墙体2、阴面墙体3、温室顶篷5，其中阳面墙体2配套有侧遮阳帘21和阳面嵌管22，阴面墙体3配有阴面嵌管23，温室顶篷5配套有上遮阳帘26和上嵌管25，被动保温隔热装置包括保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27，室内低温型分布式末端装置除了包括常规的地面暖气管6、中层暖气管6a、湿帘8之外，还包括低温型末端装置24，基于自然能源的低温型热源系统包括地水源井31、太阳能集热器32、热泵机组33、蓄能罐34，其中地水源井31的出水口通过地源水泵37除了与热泵机组33的低温侧进水口、太阳能集热器32的进水口和蓄能罐34的第二进水口相连外，还跟阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25和湿帘8的进水口相连，地水源井31的进水口除了与热泵机组33的低温侧出水口和蓄能罐34的出水口经蓄能泵35相连外，还跟阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25和湿帘8的出水口相连，太阳能集热器32的出水口还与蓄能罐34的进水口相连，蓄能罐34的出水口经蓄能泵35与热泵机组33的高温侧出水口经热泵循环泵36相连，还分别与地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24的进水口相连，地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24的出水口分别与太阳能集热器32的进水口、热泵机组33的高温侧进水口相连。
阳面墙体2为夹层对流器结构，其除了包括常规的外透明层2a、内透明层2c和侧遮阳幕布2b外，在侧遮阳幕布2b的内侧设置有侧遮阳帘21，侧遮阳帘21的内侧设置有阳面嵌管22，外透明层2a的底部设置有对流进风窗28a，顶部设置有对流出风窗28；所述的阴面墙体3采用全部实心结构、并将配套的阴面嵌管23内嵌在其实心结构内部，或采用夹层结构、其中内部实心层3a内嵌有阴面嵌管23；所述的温室顶篷5配套的上遮阳帘26设置在温室顶篷5的下侧，上嵌管25设置在上遮阳帘26的下侧。
该主动式太阳玻璃温室的作业方式根据作物生长区域的环境参数（包括光照、温度、湿度、风速）的技术要求及节省能源运行费用作为控制目标，以所述系统部件及其执行机构作为运行调节根据，并根据“人在回路中”的控制方式并满足作物生长不同阶段的环境参数控制要求，按照如下时间和技术条件进行智能化供热供冷负荷调整、自然能源运行控制、热源设备选用与输配管理。
第一，冬季夜间供热运行时，保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27、侧遮阳帘21、上遮阳帘26、对流进风窗28a、对流出风窗28均封闭并进入被动保温状态，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动保温状态，蓄能罐34的出水经蓄能泵35送入地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24并进行供热，回水返回蓄能罐34，当室温低于低限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36与蓄能罐34联合供热，供热回水同时返回热泵机组33和蓄能罐34，当室温高于高限设定值时则停运热泵机组33，如停运热泵机组33后室温还维持高于高限设定值时则减少或停运蓄能罐34的供热，直至室温低于低限设定值时则优先启动蓄能罐34。
第二，冬季白天运行时，保温幕布4、中保温幕布4a、上遮阳幕布4b、外保温幕布27均卷起，侧遮阳帘21、上遮阳帘26均打开并处于最大阳光透射状态，对流进风窗28a、对流出风窗28均封闭并进入被动保温状态，如室温低于低限设定值时，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动保温状态，蓄能罐34的出水经蓄能泵35送入地面暖气管6、中层暖气管6a、低温型末端装置24并进行供热，回水返回蓄能罐34，如此时室温还低于低限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36与蓄能罐34联合供热，供热回水同时返回热泵机组33和蓄能罐34，当室温高于高限设定值时则停运热泵机组33，如停运热泵机组33后室温还维持高于高限设定值时则减少或停运蓄能罐34的供热，如停运蓄能罐34的供热后室温还维持高于高限设定值时则停止阳面嵌管22、上嵌管25的地水源热源水的运行并停止其主动保温状态，如此时室温还维持高于高限设定值时则将阳面嵌管22、上嵌管25转为主动蓄热运行，此时蓄能泵35将蓄能循环水打入阳面嵌管22、上嵌管25，其回水则进入蓄能罐34并进入蓄能状态，直至室温低于低限设定值时，则按上述降温过程相反的顺序进入逐步升温过程，直至室温高于低限设定值为止。
第三，非采暖期白天室温高于高限设定值时，保温幕布4、中保温幕布4a、外保温幕布27均卷起，侧遮阳帘21、上遮阳帘26、上遮阳幕布4b均打开并处于满足植物生长所需光照状态，对流进风窗28a、对流出风窗28均打开并进入主动降温状态，如室温高于高限设定值时，地水源井31的出水由地源水泵37送入阳面嵌管22、阴面嵌管23、上嵌管25并进入主动降温状态，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入蓄能罐34并经蓄能泵35送入低温型末端装置24或地面暖气管6或中层暖气管6a并进行供冷，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入湿帘8并进行直接接触式主动降温状态，如此时室温还高于高限设定值时则地水源井31的出水由地源水泵37同时送入热泵机组33、而热泵机组33启动并经热泵循环泵36送入低温型末端装置24或地面暖气管6或中层暖气管6a并进行联合供冷，直至室温低于低限设定值时，则按上述降温过程相反的顺序进入逐步升温过程，直至室温高于低限设定值为止。
第四，非采暖期夜间室温高于高限设定值时，在上述第三步的基础上，同时结合常规的打开室内外通风降温装置。
外透明层2a、内透明层2c、温室顶篷5的材料均采用高透射性玻璃，或均采用高透射性塑料薄膜。
保温幕布4、中保温幕布4a、侧遮阳帘21、上遮阳帘26的材料均采用两侧高反射性表面，外保温幕布27厚度1～10mm、优选地2～5mm。
低温型末端装置24设置于生产区的植物苗床7的下部空间，此时其换热元件24a为塑料管、钢制翅片高或铜管铝翅片管结构，底部设置有落地的凝结水接水盘24b；或埋设于地面以下，此时其换热元件24a为塑料管；或竖向设置于生产区的植物苗床7的上部、且位于植物茎叶的中间，并作为支撑植物生长的篱笆，此时其换热元件24a为塑料管、且管内通水温度不超过植物生长的允许温度范围；或沿外墙内壁布置，此时其换热元件24a为塑料管、钢制翅片高或铜管铝翅片管结构。
地水源井31采用浅层或深层地下水井结构，此时每一口抽水井配套至少一口回灌井，或者采用地埋管井结构，此时井内采用单U管或双U管结构，管材为PE管。
热泵机组33为水-水热泵结构，在供热和供冷模式转换采用热泵机组内部的四通换向阀或机组外部的水阀切换结构。
需要说明的是，本发明提出了基于自然能源智能控温的主动式太阳玻璃温室及作业方式，并给出了实现上述目的的具体实施方法、流程和实施装置，而按照此一总体解决方案可有不同的具体实施措施和不同结构的具体实施装置，上述具体实施方式仅仅是其中的一种而已，任何其它类似的简单变形的实施方式，例如采用不同换热形式和措施的主动降温维护结构；增加或减少若干项控温措施；采用冷却塔在夏季替代地水源井进行降温；或者简单的调整水系统管路连接方法；或进行普通专业人士均可想到的变形方式等，或者将该技术方式以相同或相似的结构应用于传统农业大棚、工业厂房等高大空间及其它类似应用场合，均落入本发明的保护范围。
机译： 基于异构传感器的主动式智能座椅控制系统及采用该方法的主动式智能座椅控制方法
机译： 基于人工智能遗传学和其他健康数据的360度新型健康智能平台用于主动式健康管理
机译： 基于太阳光入射角信息的主动式太阳能发电系统
