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有機體空間環境內的氣候的控制系統,與其相適應的空間環境,由此的控制系統和程序.pdf

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有機體 空間 環境 氣候 控制系統 與其 相適應 由此 程序
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摘要
申請專利號:

CN201080013135.1

申請日:

20100202

公開號:

CN102368900B

公開日:

20170315

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A01G9/24 主分類號: A01G9/24
申請人: 普萊瓦公司
發明人: 佩特魯斯·杰拉德斯·亨德里克斯·卡姆普
地址: 荷蘭德利爾
優先權: NL1036493
專利代理機構: 北京市立方律師事務所 代理人: 王榮;朱品真
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201080013135.1

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

用于諸如建筑物或交通工具的空間(35)內的氣候的控制裝置,所述建筑物諸如溫室、谷倉、辦公室和房屋,所述交通工具諸如汽車、船只和飛機。其內的有機體(10)構成用于所述空間內氣候的控制系統的一部分,并且所述控制裝置包括至少同時控制該有機體的溫度。此處,在所述有機體的水平處供給不飽和的、被調節的空氣,其依賴于所述控制裝置的引導。所述控制裝置從有機體的溫度記錄和空間內兩個分別的高度水平(A、B)處的氣候記錄(溫度、空氣濕度和空氣速度)出發。使用第一水平處的氣候參數和有機體溫度之間所建立的關聯,在第二水平處氣候參數的變化的基礎上,確定有機體中的估計溫度。通過確定或建立期望的植物溫度和測得的植物溫度之間的差異,以及確定或建立熱流,可以更好且更直接地供給被調節的空氣。

權利要求書

1.一種用于控制、引導包括建筑物和運輸裝置或其一部分的空間內的氣候的方法,所述空間用于遮蔽或者容納包括植物、動物或者人類的活體有機體,所述方法包括:通過所述有機體本身誘導空氣沿所述有機體垂直上升,并且通過有機體自然排出的水分影響空氣速度的變化,使所述有機體構成所述空間內的氣候控制系統的一部分,以控制、引導所述空間內的一個或多個物理參數,其中所述一個或多個物理參數包括溫度和濕度;在至少兩個不同高度水平處,用有機體溫度傳感器記錄所述有機體的溫度,以及記錄圍繞所述有機體的空氣在垂直方向上的速度的變化量,其中,空氣速度的變化量不是直接確定的;用檢測儀器測量所述至少兩個不同高度水平處的有機體周圍環境的溫度和濕度,其中所述至少兩個不同高度水平包括第一高度水平和第二高度水平;根據所述第一高度水平處有機體及有機體周圍環境的溫度測量值之間的關系,以及所述第二高度水平處有機體及有機體周圍環境的溫度測量值,確定有機體的實際溫度與所期望的溫度之間的差異,其中,響應于特定高度處檢測到的與所述有機體相關的溫度和所期望的空氣熱含量之間的溫度差異,提供具有較大熱含量的空氣,根據所述差異確定待導入的空氣的相對空氣濕度和/或溫度并且至少在非強制下用緊鄰所述有機體的供給元件導入空氣以提供給所述有機體,其中,除了從供給元件中的開口退出所需的能量之外,被導入的空氣不需要增加任何能量,所述導入的空氣就水分含量來說是不飽和的。2.根據權利要求1所述的方法,其中,在相對應的高度水平處進行對所述有機體的溫度以及對空氣的溫度與濕度的檢測。3.根據權利要求1所述的方法,其中,控制裝置包括:通過影響所述空間內空氣的熱含量來影響沿所述有機體的氣流,使得相對于所述空間內的任意高度水平提供或者實現具有較大或較小的熱含量的空氣。4.根據權利要求1所述的方法,其中,控制裝置涉及周期性交替減速和加速的垂直氣流,或者其中,直接影響空氣在不同水平處的熱含量。5.根據權利要求1所述的方法,其中,在所述有機體附近執行檢測,也就是說,在被視為發生了有機體和環境之間的熱交換的區域附近執行所述檢測。6.根據權利要求1所述的方法,其中,導入被調節的空氣,在能夠發生水分交換的范圍內,即:在有機體的直觀環境之內,誘導沿所述有機體的垂直的空氣運動,并且其中,垂直的氣流受到由控制裝置引導的變化的影響,所述變化在于存在于所述空間內的空氣的空氣濕度、溫度和氣體成分中的至少一個。7.根據權利要求1所述的方法,其中,通過導入被調節的空氣來影響存在于所述空間內的空氣的垂直運動。8.一種適于實現根據前述任一權利要求的方法的空間,至少為空間配置,所述空間配置包括:建筑物或飛機或車輛,用于遮蔽有機體,所述有機體包括:植物、人類和動物,所述空間設置有氣候控制設施,所述設施包括用于供給和排出空氣的供給元件和排出裝置,其中所述供給元件包含在所述空間內,位于較所述排出裝置相當低的水平處,其中供給元件被包含在所述有機體的高度范圍內的高度處,并且其中,用于容納所述有機體的所述空間內的所述氣候控制設施設置有檢測裝置,用于檢測兩個不同的高度水平處的一個或多個物理參數,所述物理參數包括:所述空間內的氣候和其內存在的有機體兩者的溫度和相對空氣濕度,其中在所述氣候控制設施的影響下,所述供給元件被設置為將被調節的空氣導入所述空間內,所述空氣就水分含量來說是不飽和的,其中,所述空氣至少在非強制下從緊鄰所述有機體的所述供給元件被提供到所述有機體,其中,除了從供給元件中的開口退出所需的能量之外,所述被調節的空氣不需要增加任何能量,其中,所述有機體本身誘導所述空氣沿所述有機體垂直上升,并且通過有機體自然排出的水分影響空氣速度的變化,其中,通過得出第一高度水平處有機體的物理參數的測量值及有機體周圍環境的物理參數的測量值之間的關系,并且根據這種關系以及第二高度水平處有機體的物理參數的測量值及有機體周圍環境的物理參數的測量值,確定有機體的實際溫度與所期望的溫度之間的差異,導入的空氣的相對空氣濕度和/或溫度依賴于確定的所述差異而受到影響。9.根據權利要求8所述的空間,其中,空氣供給元件包含在所述空間的下半部分中,在所述空間下部的高度中,或靠近所述空間下側。10.根據權利要求8所述的空間,其中,在容納所述有機體的空間內的所述氣候控制設施設置有檢測裝置,用于檢測所述空間內的氣流,被向上方引導的氣流,其中,所述檢測裝置在所述有機體的高度范圍之內被引導。11.根據權利要求8所述的空間,其中,所述空氣供給元件包括調節設施,其設置有隨后包含于其內的空氣調節裝置,用于對待供給的空氣分別進行除濕和加濕,其中,所述調節設施包括:冷卻單元,用于冷卻待供給的空氣;隨后沿空氣供給方向而被包含的加熱設施,用于對待供給的空氣進行預加熱;以及包含于其后的空氣加濕設施,用于對所述加熱空氣進行加濕。12.一種氣候控制設施,所述氣候控制設施包括用于供給和排出空氣的供給元件和排出裝置,其中所述供給元件包含在用于有機體的空間內,位于較所述排出裝置相當低的水平處,其中所述供給元件被包含在所述有機體的高度范圍內的高度處,并且其中,用于容納所述有機體的空間內的所述氣候控制設施設置有檢測裝置,用于檢測兩個不同的高度水平處的至少兩個物理參數,每次均在相同高度水平測量所述至少兩個物理參數,所述物理參數包括:所述空間內的氣候和其內存在的有機體兩者的溫度和相對空氣濕度,其中,通過得出第一高度水平處有機體的物理參數的測量值及有機體周圍環境的物理參數的測量值之間的關系,并且根據這種關系以及第二高度水平處有機體的物理參數的測量值及有機體周圍環境的物理參數的測量值,確定有機體的實際溫度與所期望的溫度之間的差異,導入的空氣的相對空氣濕度和/或溫度依賴于確定的所述差異而受到影響。13.一種控制單元,其被設置為用于執行根據權利要求1所述的方法。

說明書

技術領域

本發明涉及一種控制用于遮蔽有機體的空間內的氣候的控制系統,所述有機體諸如在隨附權利要求1的前序部分中描述的人類、動物和植物。

背景技術

用于這樣的建筑物的控制系統尤其以用于溫室內作物生長的氣候控制系統而廣為人知。這些已知的溫室中的控制系統通常的重點可追溯到1983年由G.P.A Bot,Wageningen發表的論文“溫室氣候:從物理過程到動態模型”中的知識。因此,已知的源于溫室作物生長的控制系統著重于對其內由植物構成有機體的建筑物進行氣候控制。此時其意圖是了解相關的有機體的生長和發育的最適宜的內部氣候或溫室氣候。通常,這些溫室控制系統出于植物和環境之間的相互作用,并具有控制環以在其中控制氣候因素,氣候因素主要為溫室內的溫度、濕度、含量(即:二氧化碳的比率)、入射光量和空氣流動。這些生長因素通常是受控的,至少借助于多個互相關聯的平衡而互相協調,其以物理方式描述了溫室的遷入流和外向流。此處,將待控制的值協調為已知的有機體(此處為植物)身體機能的必要值,無論這是否是由理論地和/或經驗地開發得到的模型完成的。

已知的控制具有這樣的缺陷:其從有機體和環境因素之間由經驗決定的關聯出發,尤其是在其應用于溫室建筑物時,在溫室建筑物中,這種類型的控制尤其實現了其發展。這種控制從諸如溫度的氣候因素的平均值出發。然而,在實踐中,這種平均值事實上根本無法維持得足夠久。在溫室的情況下,這是由氣候因素之間的相互作用造成的,但實例并不限于此。例如,如果光照增加,植物溫度升高,并且溫室溫度也隨其升高。如果更多的輻照蒸發增加,溫室空氣的相對濕度增加;盡管如此,溫室溫度的這種增長超過了空氣濕度的增長,然后相對空氣濕度當然下降。通過改變氣 候因素再次強化這種相互作用,其中尤其是改變進入的輻照。在不利的日間,后者可以在從100-1100W/m2的較大性能范圍內,以200-300瓦特每平方米(W/m2)的可觀跳躍而發生變化。除此以外,在設備的啟動和控制中,氣候因素之間存在期望的和不期望的相互作用。以這種方式,例如在熱量過剩的情況下,通常通過開啟溫室窗口來降低溫室溫度。

盡管如此,在對溫室溫度進行控制時,通風(即:通風窗口)的開啟或關閉,或者管溫度的降低或升高(即:加熱的降低或升高)還對相對空氣濕度產生干擾。由此,氣候因素、作物與裝備或設備(通風、加熱、屏蔽、照明等)之間的相互作用經常妨礙到已知的氣候控制。這些順應本發明的深入洞察的復雜應用可以在其他空間內進行類推地調節,尤其是遮蔽活體有機體的空間。這樣的空間可以是建筑物和運輸裝置,例如居住用房屋、辦公室、谷倉、陸上交通工具、船只和飛機,無論其內是否包含有被物理隔開的部分。遵照本發明的深入洞悉,這樣的復雜應用本身也可以存在于運輸單元中,例如用于人類的車輛,諸如汽車、公共汽車和飛機,并且還可以對其應用此處待呈現的發明。

盡管至少在溫室建筑物中,用于內部氣候的氣候控制已經被使用了數十年,但實際的模型意味著高度緊張的控制,其特征至少在于對氣候影響因素的連續地有效引導,這些氣候影響因素是該建筑物的裝備的組成部分。除了通風窗口之外,這些裝備還包括:加熱元件、濕潤及去濕設備、用于為建筑物內的有機體遮陰的屏蔽設備、以及二氧化碳設備。還可以設置通風器以用于內部的空氣擴散和/或混合。在溫室園藝中,無論如何,已知的控制系統著眼于維持內部氣候盡可能穩定,以前述方式運行,其具有大量的、用于溫室內的每個生長因素的設定點。在溫室內的每個子區域中,存在250-400個之間的所謂的設定點,這是不常見的。因此,已知的控制不僅實現其自身的控制復雜,而且對維護敏感,并且開發起來相對昂貴。

對已知的、至少是用于溫室園藝的氣候控制進行改善的嘗試可由公開號為WO2007053011的國際申請獲知。這種嘗試著重于通過從位于有機體周圍的所謂的微氣候出發來對作物生長進行控制,用于建筑物的氣候控制通常也是針對這一點。使用此種方法意味著:直接在植物的周圍建立待控制的氣候,其由不同的支持裝置所支持,這些支持裝置設置在溫室中,緊 靠植物。這些裝置至少包括濕潤器和與其隔開的去濕器,其每一個可以同時處理加熱或者冷卻,由此形成所謂的微氣候。在有機體為植物的情況下,該系統可設置有同樣緊靠有機體的吸濕閥門,用于相對于由理想條件(至少為用于有機體的、預期的局部氣候)所限定的最佳值,攝取和排出過剩的熱量和/或水分。事實上,隨該公開物限定了在尺寸上與溫室相適應的氣候空間,其設置有與其相適應的干預裝置。就概述的所謂的微氣候所需的任何控制而言,該公開物是未作記述的。

發明內容

相反地,本發明具有待實現的目標:在用于遮蔽諸如園藝作物的植物、動物和人類的有機體的空間內形成的用于氣候控制的模型中實現重要創新,以及對與其相適應的支撐裝置的構想。

因此,本發明涉及由權利要求1的特征部分所限定的控制,其包含、至少促進了用于控制氣候的方法或者系統,包括:一個或多個作為所謂的控制環的一部分的有機體的條件參數,并且其中,不飽和的、被調節的空氣被供給以用于氣候的實現,在一個實施例中,從相關的有機體的上部下方的高度水平開始供給。在這樣的控制裝置中,首先,依賴于所記錄的有機體的溫度,直接圍繞該有機體建立氣候,在有機體是植物的情況下,顯然這種氣候感受起來至少如同例如生長刺激一樣的舒適,并且這種氣候還大大減少了所耗費的能量。由此,特別地,本發明的目的在于,通過周期性地改變圍繞有機體的環境空氣的空氣條件,尤其通過使用將要被誘導的控制來引導空氣之中垂直的、而且不受迫的氣流沿著有機體減速或者加速,同時使用本身已知的熱物理原理,使包含在空間內的有機體感覺良好。

對于后者,利用了深入本發明的進一步的洞察,根據該洞察,空氣至少近乎是不受迫地沿著有機體移動,優選地,具有至少占主導地位的、單一的加速度。對于這樣的控制裝置,可以類推地引導空間內植物或者動物或人類的舒適度。對此,除了在供給元件中退出開口所需的力之外,以不受迫的方式導入的空氣幾乎不需要增加任何能量,這使得空氣的移動僅用于替換該位置處上升的空氣。根據本發明,被導入至緊鄰有機體的至少被供給的空氣的溫度和/或濕度被受控以響應于建筑物(至少為其一個單元或 分區)內一個種群中的一個或多個有機體的一個或多個條件參數的確定值。

本發明還利用了洞察力和物理學中本身已知的現象:潮濕空氣比干燥空氣輕,并且因此會上升。此時,通過將不飽和空氣供給到例如坐著的或站立的有機體的胸部高度附近,借助于有機體,空氣速度隨著水分的增加而增加。如果沒有空氣沿著有機體上升,由于無法排出水分或者由于排出的水分有限,有機體的不適感增加。因此,最好是具有沿著有機體的氣流,以排出水分。人類身上的這樣的水分排出大部分發生在頭部的嘴巴、鼻子和皮膚處,而植物身上的這樣的水分排出發生在長有葉片的任何水平處。優選地,上升的空氣經由空氣排出裝置排出,對于本發明,該空氣排出裝置設置在有機體的上側,通常倚靠著受控空間的上側或位于其上側中。

本發明還利用了以下原理:在絕對意義上,至少諸如人類和動物這樣的恒溫有機體對溫度是不敏感的。這意味著,在當前所建議的控制裝置中,至少大部分的封閉空間配置有可用的更新,使得循環(即:其上升流)包含在有機體(即:有機體本身)中,這是在通過有機體自然排出水分的同時產生的或是由其造成的。此處的先決條件在于,導入的空氣是不飽和的,且至少通過有機體的水分排出而被導入到標稱水平下方。

在特定的實施例中,該控制裝置通過一邊執行在至少兩個高度水平處空氣溫度和濕度的測量,一邊測量有機體的溫度來引導目標自然氣流。在這樣的測量值的幫助下,在第一水平處得出有機體條件及其環境之間關系,在這種關系以及第二水平處的實際測量值的幫助下,確定有機體的實際值與預計的目標或期望溫度之間可能的差異,導入的空氣的相對空氣濕度和/或溫度由此確定或建立被影響。

在有機體是由植物構成的特別的情況下,本發明旨在:以對圍繞有機體葉片的潮濕的飽和空氣的邊界層的厚度進行影響和引導(即:受控)的方式,對該邊界層產生影響。這還包括:通過具有不飽和空氣的氣流的形成(用于促進汽化),該層減少。為此目的,本發明因此包括:有機體的條件參數,尤其是其溫度,受到導入的具有被調節的濕度的空氣的影響。在此,本發明利用了以下本身已知的、深入的洞察:或多或少量的毛孔或者所謂的氣孔或皮膚開口依賴于環境(諸如實際需要)而開啟;或者,趨 向于使有機體通過水分的汽化而降溫的機制;或者,通過盡可能地關閉氣孔而防止降溫。優選地,被調節的氣體被引導至有機體的下部附近,并且對于植物來說,引導至其較低的葉片下方。如此,遵循深入的洞察,已將以下事項考慮在內:在氣孔開口附近,最終的汽化依賴于有機體的邊界層厚度和抵抗水分釋放的內部阻力。本發明的特別方面在于,其出于這樣的事實:有機體的直觀環境包含在用于控制諸如建筑物內的氣候的模型中,至少是被直接測量和影響的。根據本發明的模型和控制裝置將以下事項考慮在內:有機體附近的氣候實際上與有機體本身緊密相聯,至少接近其設置;并且在有機體的所述條件因素中,至少對于條件因素,溫度暗示了相關數值,反之亦然。在根據本發明的深入構想的后續步驟中,意識到,因此可以通過其直觀環境來對有機體的條件進行影響。

根據本發明的構思的再一個發展,意識到,有機體的直觀環境將受到基于物理原理的交換過程的影響,優選地同時對圍繞植物的葉片的飽和空氣的邊界層的厚度進行影響。根據本發明,應該通過自然的、不受迫的氣流(即:空氣的移動)對該邊界層進行操縱和影響。在此,還考慮到,有機體可以通過傳送不飽和空氣中的水蒸氣而汽化,從而進行冷卻,其本身是給定已知的。根據進一步應用了物理洞察的本發明,環境空氣達到了較低的質量密度,即:其加濕密度,這導致環境空氣升起,即:環境空氣上升。優選地,潮濕空氣至少有一大部分被捕獲,即:被攔截,但在可替換的實施方式中,潮濕的空氣也可以通過以有限程度打開的窗口(例如,溫室窗口)而被排出,無論是否與空氣的有限循環相結合。

本發明的優點在于其出于以下洞察:應用了植物或其他類型的有機體、動物或園藝自然的自冷卻性能,并且,甚至至少植物應該作為建筑物(例如溫室)內氣候控制的出發點。在此是利用了物理本質,但在氣候控制的實踐中,尚不知道、至少沒有應用“潮濕的空氣較輕并因此上升或形成用于推動另外的自然的、至少不人為受迫的、沿著有機體的上升氣流”這一洞察。

在供給通道或供給管中,不存在其他壓力,因此由通道或管所攜帶的空氣不需要克服退出阻力。出于相對潮濕的空氣的質量密度較輕這樣的洞察和事實,且在導入的空氣是不飽和的先決條件下,有機體的汽化導致氣 流沿著該有機體自然上升。也就是說:該氣流是建立在與種群中的有機體(例如,植物或作物)的邊界層進行交換的基礎之上的。與在已知控制中以受迫方式導入的空氣不同的是,這樣的自然上升的氣流直接對圍繞葉片的空氣飽和層的厚度造成影響。根據深入的假設,在維持這樣的自然氣流的同時實現了水蒸氣的最佳交換。目前為止,基于本發明,遵循本發明的基本以及深入洞察,通用術語“氣候控制裝置”由此可被定義為:“有機體自適應氣候控制裝置”。使用本發明以及隨其一起應用的深入洞察,在歷史上,有機體首次被包含在控制環中,以用于內部氣候的控制和引導。

在根據本發明的構想的再一個發展中,由于溫度或者濕度,氣體上升,伴隨著這樣的細節:隨著氣流速度的提高,空氣濕度加大。因此,本發明包括對被引導至有機體(例如,作物)處的空氣的溫度以及空氣濕度的控制。以這種方式與有機體進行交換,隨著這種交換,有機體本身受到影響并且可以獲得相對較快的生理學反應。如此,可以維持使有機體本身(在其為植物的情況下)狀態良好以及用于作物生長和發展的有利條件。根據本發明更深入的洞察,這包括:環境規律性地或周期性地承受水分含量或溫度或其兩者的輕微變化。根據深入該洞察的假設,這導致在有機體的生理學過程中愉悅地經歷活化作用,雖然人類幾乎注意不到。因此,有機體還能產生應激反應,對于植物來說,這種應激反應導致例如開花或果實成熟。在根據本發明的受控氣候下,除了空間內有機體的良好狀態的提升之外,還主要伴隨著可觀的數量的能量的節省,因此,本發明具有這樣的副效應:在作物的情況下,其可用于受控產生特定生理學反應,例如成熟。后者具有這樣的優勢:具有根據本發明的控制裝置的溫室空間可以以甚至改進的效率總量運轉。在本發明的實際細化中,利用被供給的空氣和有機體的邊界層之間的溫度和/或空氣濕度梯度,在被調節的氣流處引導所述控制裝置。為此目的,將測量裝備放置在建筑物的相關空間中,旨在使用設置在至少兩個具有不同高度水平的位置處的、本身已知的傳感器來對種群進行檢測,這涉及到:至少溫度因素決定了有機體條件。在有機體附近的氣流的相應水平處,至少包含一個溫度傳感器和一個空氣濕度傳感器。借助于這些數值以及一般氣體定律,計算出自然的上升氣流,并且通過測得的有機體溫度來調整被供給的空氣的空氣濕度和/或溫度的值。在實踐中, 這樣的調整很快地起到作用,例如,對于植物,其導致有機體在數分鐘內作出反應。隨著對有機體條件的這種測量和反應,后者變為根據本發明的氣候控制模型的一部分。覺察到,本發明還包含空氣速度傳感器的使用,即:直接對空氣速度進行檢測,而不是間接地或根據當前所建議地使用本身已知的用于測量溫度和濕度的裝備進行檢測。

本發明提供了其新穎的概念和詳細闡述,至少提供了其實際的實施,不僅僅是用于控制建筑物內氣候的、發生了革新式變化的模型,還是對最后的產量和植物生長控制的革新性改變,或者通過較低溫度下舒適的熱感的實現來節省可觀的、用于加熱該空間的能量。在對新型模型的測試中,已經證明了,將其應用于植物,一般可使封閉式溫室中的產量相對于目前為止已知的控制增加10%,并且增幅高達30%。而且,這種新型的模型可被用于引起作物的花兒或果實的提前或推遲成熟。但實際上,還可以輸入預定的(即:期望的)條件和/或產出水平。

附圖說明

下面將更緊密地聯系系統附圖、以實例的方式闡明本發明,其中有機體被包含在用于氣候控制的控制環中,并且其中:

圖1為諸如應用于通常的氣候控制中的模型的示意性表示;

圖2為根據本發明的模型的、遵循圖1的表示;

圖3a為在傳統的溫室中進行的測量的數量和類型的示意性概略圖;同時

圖3b提供了在根據圖3a的設備中,遵循本發明的模型的測量;

圖4為用于根據本發明的方法和控制系統的電腦化控制面板的實例。

在附圖中,相對應的構造部件使用相同的參考標記表示。在此處詳盡的實例中,有機體由植物表示,并且氣候待控制的空間由無論是否被稱為封閉式園藝溫室的溫室表示。不言而喻地,可以類推分別在房間或公共設施中,或在谷倉中,或在諸如飛機和汽車的交通工具的空間中,發生在人類和動物身上的控制和過程。因此,不管所使用的實例,本發明明確地出于對每個用于遮蔽有機體的空間進行氣候控制。

發明的詳細描述

圖1借助于示意性表示、以實例的方式示出了一種通常用于對容納或遮蔽諸如植物、人類和動物的有機體的建筑物內的氣候進行控制的模型。在本實例中,這樣的建筑物由傳統溫室35表示。其與其他諸如房子、馬廄或谷倉的建筑物一樣設置有控制單元(其未在該附圖中進一步示出)。該單元負責該建筑物(在本實例中為溫室)內氣候的自動控制。這樣的控制裝置主要集中于目標氣候,通常為建筑物內的目標溫度,并且在其內從檢測出發,也就是自動記錄建筑物的內部和外部氣候數據,以及對建筑物組件進行控制。在本實例中,建筑物組件為溫室組件,例如,建筑物供熱裝置的加熱管4,為建筑物通風的通氣設備的通風口5或通風設備,可能的二氧化碳導入裝置的二氧化碳導入管6,建筑物的屏蔽裝置的屏蔽罩7,照明裝置的燈8,以及可能的濕潤設備的濕潤點。溫室組件的大部分都具有其在用于人類或者動物的建筑物內的類似形式。

在上述自動控制中使用內部和外部氣候數據,所述數據是經由例如外部氣象站3和具有氣候傳感器組1和有機體溫度傳感器2的內部傳感器而獲取的,該有機體溫度傳感器2用于記錄存在于建筑物內的有機體的溫度,在本實例中,其為作物溫度傳感器。該傳感器組1用于記錄內部氣候的值,其主要包括用于測量空氣溫度Ti、相對大氣濕度Mi和空氣中的二氧化碳含量Q的傳感器。除此之外,還經常使用記錄作物溫度值的記錄設備,該記錄設備設置有作物溫度傳感器2。除了太陽輻射值W和溫度值To之外,由已知的控制設備中的控制單元所處理的外部氣候數據的值主要包括相對大氣濕度Mo、風速和風向。

已知的溫室主要包括:多個氣候影響元件,其靠近溫室加熱管4的下部,或多或少加熱過的水流動通過該發熱管4;以及一個或更多供給二氧化碳的二氧化碳供給管6,以用于例如促進作物生長。該加熱管4和二氧化碳供給管6通常設置在基體槽12或其他用于不同類型的作物的生根基座11的支架12的槽附近,至少在其高度線下方。所述作物在圖中由植物10實例性示出,該植物10為諸如西紅柿的園藝作物,在該圖中,該植物是以行栽植物的橫截面視圖示出的,并且其中僅示出了向其右半側長出的 植物。基體槽12被放置在用于確定作物用水量的增長和/或作物用水量的測重設備上。

已知的溫室包括:靠近其上側的、已知的精密噴霧設備9,在圖中其由設備的單個噴嘴表示;已知的用于作物的照明設備8,在此其由設備的單個燈表示;以及已知的屏蔽或遮暗設備7,用于作物的局部分別全部遮暗。在溫室的屋脊內包括受該溫室的部件-控制單元(通常為計算機系統,其在圖中未進一步示出)控制的通風口或窗口5,其中通風口具有自動控制的擋板部。

自動控制的窗口5在傳統溫室的溫室氣候控制中起到重要作用。通常,這意味著通風開口至少被用于排出過熱空氣,以及導入溫度較低的外部空氣。由于具有這樣的規律的(即:通常打開的)通風窗口5,勉強可能達到最佳的二氧化碳含量,這樣,在已知的溫室中,借助于供給管6,二氧化碳的配給幾乎不規律,大部分時候被控制在其最大容量。在圖中,沒有詳細示出用于熱量和二氧化碳的均衡分布的通風設備。

為了極好地實現溫度Ti、相對空氣濕度Mi以及二氧化碳含量Qi的目標最優化的平衡分布,已知的溫室包括非常大量的傳感器組1,該傳感器組包括:至少一個溫度傳感器和相對濕度傳感器。多個傳感器組1還包括:用于確定溫室中二氧化碳含量Qi的傳感器。用于確定其溫度的作物定向傳感器2通常是非接觸式的,例如以紅外探測器實現。已知的溫室可以在其每個子分區典型地包括250-400之間的所謂的傳感器設定點,借助于這些傳感器來記錄內部氣候。其中,所述子分區是溫室的非必要的、被物理分隔的部分,其中用于加熱的管是單獨受控的。

在已知的溫室構造中,通常采用的方法和在其基礎之上的控制系統著重于控制由理想的生長氣候所確定的溫室內(即:在整個溫室中,或者在作物的直接環境中)的溫度Tid、空氣濕度Mid和二氧化碳含量Qid的值。已知的系統通指揮所述影響裝置,例如窗口5、加熱管4和屏蔽設備7,來對由諸如光照或外部溫度的變化所產生的偏差進行矯正。空氣供給通道6應用于已知的氣候控制中,至少應用于已知的園藝作物的生長系統中,以導入二氧化碳。

圖2示出了根據本發明的、諸如可以被設置用于控制系統的溫室,其 中,與溫室溫度Ti和相對空氣濕度Mi一樣,在至少兩個分別的高度A、B或C處的作物溫度Tp也被記錄,例如圖2中所示的。這種新的模型不再以絕熱的方式通過作物來冷卻溫室氣候,而是通過接收來自植物10的水分。在物理原理的基礎上,該模型從緊鄰植物的上升氣流21的起源開始,以自然的方式沿著植物10或作物進行。這里,利用了已知的氣象和物理可解釋的原理:潮濕空氣比干燥的空氣輕,并因此上升或進入自然或非人為循環,實際上,在圖中,沿著植物10的空氣通道以箭頭21表示。由此。該作物,至少該植物能夠借助于汽化而自行冷卻。目前為止,對于已知的發生了氣候學過程的溫室來說,氣體吸收水分而借助于濕度上升的現象至少表面上被視為是微不足道的規則,這樣,包含了這一點的氣候模型和在其基礎之上的控制是全新的。

根據本發明的包含物,結合對本發明的進一步深刻理解,解釋了空氣借助于吸收水分而上升的物理現象。據此,對位于第一位置處的建筑物的氣候控制是,至少也是,基于氣候控制中包含了有機體,也就是說,實現絕熱冷卻的可能性是由有機體提供的。盡管絕熱冷卻的物理現象作為物理現象本身是已知的,然而將其應用于溫室氣候的控制仍然被視為是全新的。圍繞有機體存在所謂的邊界層,本發明對這個本身已知的事實進行了進一步深入的洞悉,例如圍繞作物的葉片存在可影響的空氣層,可以說其是可控制的,目的是優化絕熱冷卻的過程,至少是優化水分汽化的過程。意識到,使溫室中強有力的空氣流動,例如空氣射流或其外流或經由通風開口所產生的流動,形成旋流,可以擾亂這種邊界層,并伴隨著最佳汽化。最終,這種擾亂,其必然會持續相對較長的時間,還意味著,例如其中的有機體或群體沒有達到其最佳生長條件。據此,進一步地,在本發明的深入洞察中,調整圍繞葉片的飽和空氣層的厚度,在某一厚度處有機體和沿其上升的空氣之間的水分交換是最佳的,攝取了水分的上升空氣所產生的結果是,溫室內的汽化速度與作物的邊界層和其周圍環境之間的水分含量梯度無關。

前面所描述的、新型的、用于諸如溫室的建筑物內的氣候控制的基礎原理也可如更現代的、常被稱為封閉式溫室一樣,應用于已知的諸如威諾(Venlo)型溫室的開放式溫室中。在封閉式溫室的情況下,氣體排出管 23設置在溫室的屋脊內,潮濕的和/或溫暖的空氣可以經由該氣體排出管排出,并且可以被更新。在已知的開放式溫室的情況下,并且當不設置這樣的用于受控排出空氣的管23時,例如,在現存的、沒有明確地對本發明進行直接適應的溫室中,根據遵照本發明的洞察,在溫室內處于所謂的溫度過高狀態時,將其通風口盡可能長地維持在關閉狀態,例如維持到作物達到最佳汽化后,且由此溫室絕熱冷卻時,以維持二氧化碳濃度,并防止能量流失。僅在經由溫度傳感器2確定溫室內溫度過高的情況下,才打開窗口5,這樣作物不再自冷卻。無論如何,在這樣的情況下的這種措施對生長過程所造成的干擾少于由采用這樣的絕熱冷卻應用所實現的產量的增長。然而,根據本發明,可能想象到,已知的開放式溫室仍設置有用于受控排出空氣的系統23或任何可以憑其有效地維持作物的邊界層狀態的系統。

對于上述的新型控制系統,可選的變形在于:建筑物(此處為溫室)設置有受控的空氣供給系統,由其供給新鮮的空氣,即:將新鮮空氣導入作物處。特別地,這樣的空氣借助于包含在溫室內的增濕裝置和除濕裝置而具有受控的濕度。在圖4中示出了用于以這種方式調節新鮮空氣的裝置,其具有本身已知的調節元件和配置。遵循如圖2中所示的優選和最佳條件,緊靠作物設置有用于供給這樣的被調節的空氣的供給管19,特別具有通向作物的側邊下方的出氣口20,如在行栽作物的橫截面視圖中可見的。根據優選,溫室中設置有相對較大尺寸的管,其具有至少與作物槽12的寬度相一致的直徑。原則上,例如,能夠諸如在對現存的溫室進行改造時,還可以用兩個或更多的較小的供給管來替換這樣的供給管19。就一切情況而論,這些出口位于包含有植物10的垂直投影但不包含作物槽12的垂直投影的區域中。就一切情況而論,根據本發明的供給被設置為:使得新鮮空氣在克服供給管中開口的某些退出阻力時,至少幾乎是自由的。也就是說,其是被自然釋放進入溫室空間內的。隨后,由于靠近葉片(即:靠近葉片的層)的上升空氣,進入溫室內的新鮮空氣在定向環境(即:在由牽引力引起的旋流氣體自由狀態的情況)下并入定向氣流21中。

遵循優選的實施方式,每個基體槽12僅包含有單個用于根據本發明調節的氣體的供給通道19,特別在其正下方。在一個這樣的優選實施方式 中,根據本發明的空氣供給管具有這樣的尺寸:其直徑大于作物10的基體槽12的寬度,并且該通道或管的出口開口是由其內的開口形成的。特別地,優選具有在距離基體槽的側部至少15cm處突出的出口開口。以這種方式,被供給的空氣與基體槽12之間的接觸(至少是其熱交換)被降低到最低程度,如果不存在,則空氣可以以設定的初始溫度被供給到作物。

隨著被調節的空氣(即:具有受控溫度的空氣)的導入,相對溫暖的空氣可以獲取更多水分并且可以引起空氣柱21內上升速度的增加,從這個意義上說,根據本發明,影響元件可有目的地用于預期的空氣柱21。遵循本發明的進一步細化,被供給的空氣的濕度也是被調節的,這為對空氣柱21的控制和影響,以及作物10的汽化過程的控制和影響提供了更大的自由度。最后,根據本發明,尤其是在封閉式溫室中,用于供給被調節的空氣的供給管19被用于供給二氧化碳或其他氣體或水蒸氣。意識到,隨著窗口5不開啟,或者最低程度的開啟,溫室的二氧化碳含量的變化沒那么強烈,并且供給二氧化碳的所需的容積可以被設置為更適度或更低的容積。這一效果因以下事實而加強:經由空氣導管19(其用于提供被引導的但自然提供的空氣)而導入的二氧化碳通過空氣柱21被直接供給到葉片(leave deck)附近,此外,經由未被擾亂的邊界層的交換的結果,此時這種效果是可由植物直接獲得的。

隨著基于本發明的進一步的研究,覺察到:使用當前開發的用于影響溫室氣候的方法,當所供給的被調節的空氣的溫度和/或相對空氣濕度的設定值發生變化時,作物會在數分鐘的時間周期內做出反應。由此,意識到:除了溫室的絕熱冷卻或將作物作為儀器使用之外,通過對作物每個葉片的溫度反應進行測量,以及將在相對空氣濕度和溫度之間變化的汽化作為推動力進行控制,還可以發展用于控制作物生長的策略。在這方面,作為例子,在正確的策略中,即:測量不同水平處作物的溫度,以及通過對被供給的空氣的條件進行調節的在其基礎上的作物反應的測量,可能防止作物顯示出不均衡生長,例如,下部枯萎,或者中部或上部枯萎。因此,遵照根據本發明的方法的特別的實施方式主要著重于作物的生長,并且溫室內的氣候構成決定因素。對于后一個概念,直到目前為止,作物生長所采用的、具有被視為理想化的溫室氣候的理論,已經被摒棄。在新的模型中, 通氣或通風窗口5僅開啟一段時間直至使絕熱冷卻過程例如由于過度光照而達到其極限。

圖4以示意圖的方式例示了根據本發明的控制系統27,其包括:目的在于遮蔽有機體10的建筑物35;自動控制單元33;以及調節設備34,用于經由供給元件19向建筑物35供給新鮮空氣。這遵循了包含在至少在建筑物35的下部為有機體提供空間的本發明。

該調節設備包括:可受控制單元控制的通風器30,用于通過空氣供給管19推動新鮮的且被調節的空氣。在該通風器30之前,是包含在建筑物的空氣供給系統中的熱量調節設備,特別具有加熱元件29和用于冷卻供給空氣的冷卻元件28。除了溫度處理28、29之外,還包括空氣濕度調節元件,具有空氣加濕器31和未在圖中示出的空氣除濕器32。在根據本發明的模型中,這樣控制通風器,即:供給通道中的空氣被置于一定壓力之下,使得其克服一些退出阻力,至少幾乎自然地退出該通道,至少幾乎這樣被提供給作物地退出該通道。

在本實例中,自動控制單元33將外部溫度To、建筑物內的輻射Ri以及來自建筑物的外輻射Ro考慮在內。為了作物控制的目的,諸如下面所闡明的,周期或階段確定或建立可被輸入為:周期P1到Pu、期望的作物或有機體溫度Td、以及期望的濕度Md。在本實例中,為了防止湍流空氣進入待控制的空間,可以在控制單元中輸入期望的氣流Vd以及期望的旋轉控制Sd。

在本實例中,對于空間35的三個水平A-C,該三個水平具有待控制的氣候,以使在其內的有機體10感覺舒適,控制系統中示出了對有機體10的條件參數和內部氣候的檢測,其至少應用于控制中。這些是由檢測儀器2a、2b和2c分別測得的在每一水平處的有機體的溫度Tp,由分別的檢測儀器1a-1c測得的內部氣候的空氣濕度M和溫度T。如果有機體是由植物構成的,還示出了該空間內二氧化碳含量Q的記錄器,優選地與植物中部的水平相關。對于幾乎是多余的氣候控制的核查,可能存在測重器13。在其他方面,根據本發明,借助于在一個確定的時間段內測得的太陽光照的量和供給的液體的量,可以通過實際測得的數值計算并核查作物的預期生長。

而且,氣候控制系統27包括,至少優選地包括:調節設備34,以便向有機體的空間供給被調節的、不飽和的、具有受控的氣體成分和可控的溫度及濕度的空氣。另外其包括用于冷卻所供給的空氣的冷卻單元28,使得該空氣變為飽和,并通過冷凝釋放水分。由此,在控制的引導下,該“干燥”的空氣經由其中存在的空氣加熱單元29被提升到溫度T,將發生在“干燥的”且被加熱的空氣通過加濕單元31加濕到一個期望的、且由此受控的空氣濕度水平M之后的冷卻考慮在內。由此,通過具有確定的流量F的通風器30、經由空氣供給裝置19,將被調節的空氣供給到建筑物,至少供給到氣候待控制的空間。優選地,在供給裝置19中,從供給方向來看,加濕器31設置在通風器30之后,而除濕單元28、29設置在通風器之前。最后,調節設備包括供給裝置中的記錄裝置,用于被調節的空氣的濕度M、溫度T和流量F的值的記錄。

在本實例中,通過溫室的方式,可以假設,如果已知的氣候控制系統引導或控制溫度,該新型的模型主要控制因素:以沿植物循環的形式存在的氣流、溫室空間的通風以及引導至植物的空氣的成分。在新型模型中,溫室溫度、溫室空氣濕度、二氧化碳含量和溫室內的氣體成分這些因素被視為作物行為的衍生物。遵循本發明,可以通過這些因素影響氣流。根據本發明的該模型的特征在于其著重于控制,在控制技術中,這意味著,與通常的溫室氣候控制不同的是,其存在反饋系統。本發明的背景在于這樣的經驗:有機體,尤其是植物,對其旁邊的氣流有非常強烈的生理學反應。這顯示出:甚至可以通過控制在其旁邊的氣流來引導植物的生長、汽化和成熟之中的發展。

根據本發明的控制的目標在于,通過實現作物旁邊的受控的垂直氣流,影響汽化并改善二氧化碳的引入。對于此,更細化地,下面將通過用于西紅柿作物的氣候控制的方式,提供基于數值的實例。

作物根據“自然”蒸發曲線而蒸發。這是汽化中的一個分層,此時作物朝向其上部分(即其頂側)蒸發得較其下部分更多。通過根據本發明的受控的氣流,水分被均衡地排出,并且供給二氧化碳,其結果是,相對于傳統的作物生長方法,至少是傳統的氣候控制方法,產量顯著增加了10-25%。

通過響應于作物(沿垂直方向)水分以及溫差的控制,以及通過供給具有適合的飽和水分含量百分比的不飽和空氣,園藝學家或農民能夠使用根據本發明的系統以及使用作為反饋的植物,在營養和繁殖方面引導作物。基于生長目標,基本上可以實現作物生長和發展的理想的溫室氣候。

對于西紅柿作物,鑒于根據本發明的模型,以實例的方式提供以下數值,其中,在沿植物高度的或多或少均衡分布的三個位置處測得的植物條件如下:

●繁殖方面:在下部處,多于2.1g/kg空氣的水分虧缺(植物和溫室之間);在中部處,2.5-2.7g/kg空氣的水分虧缺;以及在上部處,3.0-5.0g/kg空氣的水分虧缺。

●營養方面:在下部處,少于2.0g/kg空氣的水分虧缺(植物和溫室之間);在中部處,2.0-2.3g/kg空氣的水分虧缺;在上部處,2.5-3.0g/kg空氣的水分虧缺。

●預防病害方面:在下部處,大于1.1g/kg空氣的水分虧缺(植物和溫室之間);在中部處,大于2.3g/kg空氣的水分虧缺;在上部處,大于2.3g/kg空氣的水分虧缺。

就設施技術而言,可以使用例如P+PI-控制或雙PID控制,以便使得上述過程盡可能精確地進行。

在對引入的空氣的品質進行控制時,有三個氣候因素起作用:空氣濕度、溫度和二氧化碳。相對于水分控制,植物存在這樣的生理規律:被供給的空氣是不飽和的。其原因在于,隨著流動,不飽和空氣能更好地收集蒸發的水。通過收集蒸發水分,由于空氣質量密度的降低,其持續變輕并上升。在植物旁邊產生微細的氣流。通過對根據本發明的具有飽和空氣的模型進行測試,已經證明:作物的下部不發生蒸發,就這種意義而言,此時汽化輪廓是反向(negatively)實現的。如果被供給的空氣的溫度仍然過低,會出現中部和頂部相對干燥的現象,由此開花率大幅度增加,且果實產出停滯。

因此,本發明建議,通過在空氣供給中提供合適的飽和水分含量百分比(該含量可使冷凝發生),引入不飽和空氣。通過與不飽和空氣相接觸,植物更多地蒸發。除此之外,通過使植物的水分進入空氣中,空氣變得更 輕,其質量密度降低,然后潮濕的空氣上升。因此,在植物旁邊好像產生了上升的空氣柱。這樣,除了下部之外,在植物的中部和上部也發生了最佳的、至少是充分且可控的數量的蒸發和水分排出。

在根據本發明的前述設定中,最終的結果將是:沿植物的水分梯度顯示為恒定線。實際上,通過這種新型控制裝置,實現了理想的圖形。遵循早前的實例,在下部處的2.3g/kg空氣的水分虧缺(植物和溫室之間);在中部處的2.5-2.7g/kg空氣的水分虧缺;以及在上部處的3.0-5.0g/kg空氣的水分虧缺。在新型模型中,這伴隨著空氣的引入而發生,其與溫室空氣溫度和相對空氣濕度有關。在數值實例中,其可能主要看起來像以下所示出的:

●輸入的溫室溫度 20℃(待設定)

●飽和濕度 15g/kg(由莫利爾圖給出)

●期望的Rh(相對濕度) 80%(模型,新輸入)

●計算的空氣濕度12g/kg (空氣調節之前的值)

在對引入的、被調節的空氣的溫度進行控制時,使用與植物溫度相關的固定值。根據本發明的模型中可調的是黎明、早晨、正午、下午、傍晚和夜晚時溫室空氣的溫度。遵循本發明的特別的細化,溫度控制是與依賴于光照的控制相適應的。如此,有利地,溫度可以依賴于光照而上升。下面以實例的方式示出:

●日間溫度設定 21℃

●開始光照軌跡 200W/m2

●結束光照軌跡 500W/m2

●光校正 2℃

作為對本實例的細化,應該了解,在溫室內處于200W/m2的光照時,溫度不上升,保持為21℃。當增加光照時,溫度成比例地上升到例如最大23℃。在根據本發明的模型中,光照的增加是被抑制的,且具有在例如10分鐘的預定的時間間隔內的持續的平均值。

關于二氧化碳的控制,植物在白天消耗二氧化碳以進行光合作用,并且在夜間通過異化作用釋放二氧化碳或釋放殘留的二氧化碳。盡在日間需要二氧化碳配量,夜間二氧化碳含量通過異化作用上升且伴隨植物內參量 量的減少過程。作物的產量直接與可適用于作物的氣候中的二氧化碳濃度相關。最佳的含量應為700-1100ppm之間,成比例地依賴于照射的光的量。在根據本發明的模型中,二氧化碳的控制優選地與光照相關,依賴于溫度和水分的控制。其中,只有在白天,或者從日出到日落,才進行二氧化碳的補充。關于這一點,下面以數值實例的方式,示出了在白天期間補充二氧化碳的保留值:

●基本水平: 200W/m2下500ppm

●終止水平: 500W/m2下1200ppm

相對于溫度控制,遵循本發明的洞悉,依賴于光照的二氧化碳的控制是受到抑制的,例如,在20分鐘內具有持續的平均光照。

遵循本發明的控制裝置的再一種細化,根據本發明的至少一個控制系統在監視器上配備有警報信號,其與操作時間的測定有關。農民瞥一眼就可能看到控制裝置的品質。在這種環境下,保留值如下:

綠燈=好 (滿足可預先確定的標準)

紅燈=不好 (沒有滿足可預先確定的標準)

例如,作為在該進一步細化中的溫度的標準,其保持為使測得的植物中部的溫度減去測得的溫室中部的溫度的差值小于大約0.3℃。作為空氣濕度標準,其保持為使得測得的植物和溫室空氣之間的水分差應處于2.5g/kg和3.5g/kg之間。

除去那些已經在前述中所指出的之外,本發明還涉及附圖中的所有細節,至少是那些可由本領域技術人員直接且毫無疑義地推導出來的細節,以及隨附的權利要求組中指出的所有細節。

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本文標題:有機體空間環境內的氣候的控制系統,與其相適應的空間環境,由此的控制系統和程序.pdf
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