温室环境多效水循环系统研究_章世光.pdf

2026 年 14 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 温室环境多效水循环系统研究 章世光 张广安 由向平 王学峰 赤峰学院 内蒙古 赤峰 024000 全球水资源危机持续加剧 1 农业作为最大用水 部门面临严峻挑战 2 据统计 我国农业用水占比超 60 但利用率不足 50 温室种植等精细化农业的 水资源高效利用成为关键突破口 3 温室环境因密闭 特性易形成高湿度 不仅诱发作物病虫害 还导致大 量水分通过蒸发潜热形式散失 4 传统电驱除湿设备 虽可调控湿度 却存在双重缺陷 一方面能耗高 依赖 传统电力输入 可持续性与经济性差 5 另一方面 除 湿效率低 冷凝过程传热传质强化不足 环境适应性 有限 6 造成资源流失 为破解温室高湿病害控制与水资源回收利用的 矛盾 近年来冷凝除湿与集水一体化技术迅速发展 其核心在于通过能量梯级利用 将湿度调控过程转化 为水资源再生途径 现有研究聚焦三大创新点 采用 主动送风装置强化气流组织 6 结合仿生微纳结构材 料提升冷凝效率 5 7 基于物联网构建温湿度 冷凝量 动态模型 8 实现变频除湿与灌溉联动 9 集成太阳能 驱动模块降低能耗 10 分级处理水质匹配灌溉需求 11 然而 该技术仍存在显著瓶颈 低温环境下冷凝 效率骤降 12 冷凝水携带重金属与微生物 13 初始投资 高制约规模化应用 2 本研究提出温室多效水循环系 统 通过设计冷凝 集水一体化模块 旨在达成 湿度 基金项目 内蒙古自治区大学生创新创业训练项目 S202510138012 通信作者 王学峰 1960 男 教授 研究方向为物理学 摘 要 针对内蒙古等干旱半干旱地区温室农业面临的高湿环境调控需求与水资源短缺的双重挑战 该研究旨在突破传统技 术中将湿度控制与水资源供给割裂处理的局限 通过集成化设计 将冷凝除湿过程与主动集水功能紧密结合 实现 除湿 集水 回用 的闭环水循环 核心设计包括 创新的多层梯形波纹蒸发器面板 高度集成的四模块系统架构 智能调控机制 研究结果表 明 该一体化系统成功实现了温室湿热空气的高效除湿与液态水的同步回收 有效调节温室湿度环境 显著回收水资源 降低外部 水源依赖 并探索余热回收利用以提升整体能源效率 梯形蒸发器面板的模块化设计也大幅降低了维护成本 该系统为干旱地区 温室提供了一种 以湿治旱 的可持续解决方案 关键词 温室环境 冷凝除湿 一体化 蒸发器面板 模块体系 中图分类号 TP273 文献标志码 A 文章编号 2095 2945 2026 14 0038 04 Abstract In response to the dual challenges of high humidity environment regulation and water shortage faced by greenhouse agriculture in arid and semi arid regions as Inner Mongolia this study aims to break the limitations of traditional technologies that separate humidity control from water supply Through an integrated design the condensation dehumidification process is integrated with the active water gathering function to achieve a closed loop water cycle of dehumidification water gathering reuse The core design includes innovative multi layer trapezoidal corrugated evaporation panel a highly integrated quad module system architecture and a smart control mechanism The results show that the integrated system successfully efficient dehumidification of the humid air in the greenhouse and simultaneous recovery of liquid water It effectively regulates the humidity environment in the greenhouse significantly recovers water resources dependence on external water sources and explores waste heat recovery for overall energy efficiency improvement The modular design of the trapezoidal evaporation panels also greatly reduces maintenance costs This system provides sustainable solution of treating drought with humidity for greenhouses in arid regions Keywords greenhouse environment condensation dehumidification integration evaporator panel modular system DOI 10 19981 j CN23 1581 G3 2026 14 010 38 众 创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application2026 年 14 期 精准调控 水分高效回收 灌溉闭环回用 三位一体 目标 为绿色智慧温室提供技术支撑 本研究的创新性在于 将冷凝除湿过程与主动 集水功能整合 基于冷凝原理回收提升能源效率 结合物联网技术构建动态调控模型 实现温湿度与 集水流量的自适应匹配 提出适用于干旱地区的 以湿治旱 解决方案 为设施农业水资源循环利用提 供技术范式 研究成果预期可降低温室运营水耗 30 以上 3 同时为同类地区农业节水与生态韧性提升提 供理论支撑与实践参考 1 冷凝式除湿与集水一体化装置设计 针对温室高湿环境的水资源循环需求 基于冷凝 除湿与水分再生协同理念 设计了一体化水循环装 置 系统通过温度调控诱导湿空气相变 同步实现湿 度调节与液态水收集 形成 以湿治湿 循环再生 的 可持续水管理模式 1 1 系统设计原理 在温室封闭环境中 湿热空气中的水蒸气通过低 温冷凝界面转化为液态水 当湿空气流经低温蒸发器 表面时 温度降至零点以下 水蒸气发生相变凝结为 水滴 经收集净化后回用于灌溉 从而构建 空气除 湿 水分再生 资源回用 的闭式水循环链路 装置 主体由压缩机 冷凝散热模块 蒸发器 集水组件及空 气循环单元构成 各环节协同完成湿热空气处理 水 分提取及能量传递功能 1 2 系统工作流程 第一步 制冷循环驱动 压缩机将气态制冷剂压 缩为高温高压状态 输送至冷凝器散热并转化为液 态 液态制冷剂经降压后进入蒸发器 吸收周围空气 热量蒸发为低温气体 形成持续制冷效应 第二步 空气除湿冷凝 温室湿热空气在风机作 用下流经低温蒸发器表面 温度降低促使水蒸气凝结 为水滴 干燥后的空气经温度调节后重新排入温室 维持环境湿度平衡 第三步 水分收集再生 蒸发器表面凝结的水滴 在重力作用下汇入集水箱 经过滤去除杂质后存储于 净水容器 直接用于作物灌溉或作为备用农业水源 第四步 能量循环利用 冷凝过程中释放的热量 通过散热模块排出系统 部分余热可回收用于夜间温 室保温 降低整体能耗 制冷循环由压缩机驱动 将气态制冷剂压缩为高 温高压状态后输送至冷凝器进行散热 转化为液态制 冷剂 随后 液态制冷剂经降压进入蒸发器 吸收周围 空气热量并蒸发为低温气体 形成持续制冷效应 与 此同时 温室内的湿热空气在风机作用下流经低温蒸 发器表面 温度降低使水蒸气凝结为水滴 实现空气 除湿冷凝过程 干燥后的空气经温度调节后重新排入 温室 以维持环境湿度平衡 蒸发器表面凝结的水滴 在重力作用下汇入集水箱 经过滤去除杂质后存储于 净水容器 可直接用于作物灌溉或作为备用农业水 源 此外 冷凝过程中释放的热量通过散热模块排出 系统 部分余热可回收用于夜间温室保温 从而降低 整体能耗 实现能量的循环利用 1 3 系统集成特性 将空气湿度调节与水分回收功能集成于单一装 置 同步优化温室气候环境与水资源供给 模块化设 计实现压缩机 热交换器及集水单元的空间高效集 成 适应温室狭小空间布局 通过 空气 水 相变转化 形成内部水循环链路 减少外部水源依赖 提升农业 用水可持续性 如图 1 所示 该系统通过物理相变机制实现温室环境调控与 水资源再生的双重目标 为设施农业的节能节水提供 了创新性解决方案 图 1 装置流程图 2 温室环境多效水循环系统装置结构介绍 通过一体化结构设计 实现温室湿热空气的智能 化处理与水资源循环利用 装置由空气处理模块 制 冷循环模块 集水回收模块 3 个核心部分协同运作 形成一个完整的湿热调控与水分再生闭环系统 2 1 系统整体布局 采用集约化分层设计 从空气吸入到水分回收全 流程集成于紧凑空间 内置高效风机 负责吸入湿热 集水箱 蒸发器 温室大棚风机 冷凝器 压缩机 39 2026 年 14 期众创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 空气并推动气流循环 通过制冷系统实现空气降温除 湿与热量排放 收集冷凝水并进行净化存储 连接灌 溉管网实现回用 2 2 核心组件功能说明 空气动力单元 高速离心风机引导温室湿热空气进 入装置 通过可调节风速适应不同湿度环境需求 特殊 流道设计减少气流阻力 确保空气均匀通过冷凝区域 冷凝除湿模块 多层波纹翅片结构大幅增加空气接 触面积 促进水蒸气快速凝结 低温表面使湿热空气中 的水分凝结成液滴 干燥空气经温控调节后回输温室 智能集水单元 倾斜式导流槽将冷凝水汇集至储 水箱 内置多级过滤系统去除杂质 配备紫外灭菌装置 保障水质安全 并通过液位监测实现自动化灌溉补水 散热与能量管理 冷凝器与散热片协同工作 将 制冷系统产生的热量高效排出室外 余热回收通道设 计可选项 支持对接温室辅助供暖系统 2 3 设计特点 该设备将除湿 降温 集水 散热功能整合于单一 设备 减少空间占用 每日可回收大量冷凝水 显著降 低温室外部用水依赖 根据实时温湿度数据自动调节 运行模式 实现精准环境控制 优化热交换效率 减少 能源浪费 符合可持续农业发展需求 通过结构创新 与流程再造 为温室环境管理提供了一套 湿度调 节 水分再生 热能管理 三位一体的高效解决方案 3 蒸发器面板的形状设计 在温室大棚冷凝水回收装置中 蒸发器面板的形 状设计对提高冷凝效率和水资源回收率起着至关重 要的作用 本研究聚焦于优化蒸发器面板冷凝效率 以提升装置的整体性能 3 1 梯形波纹结构 梯形波纹结构通过倾斜侧面和波纹翅片的结合 形成阶梯式导流通道 能够有效引导冷凝水快速滑 落 避免积水反蒸发 同时 梯形底边宽度较顶边增加 15 20 显著扩展了单板制冷面积 较矩形板提升 25 以上 面板表面加工微米级沟槽并涂覆亲水涂层 降低液滴附着阻力 促进冷凝水快速聚集成流 提高 单位时间集水量 3 2 三维空间排列结构 沿气流方向设置 7 组竖直排列的梯形面板组 每 组间距经 CFD 仿真优化为 80 100 mm 形成渐进式降 温梯度 空气流经每层面板时温度逐级下降 确保水 蒸气在最佳温区完成相变 每竖直层内包含 3 列横向交错排列的面板 通过 Z 型流道设计延长空气路径至原始值的 2 3 倍 诱导 气流产生局部湍流 打破边界层热阻 使空气与冷表 面接触更充分 实测冷凝效率较单层结构提升 62 3 3 模块化装配设计 面板通过定制化法兰盘与螺母组实现快速锁紧 连接处采用楔形导热胶垫 确保铝管与面板接触面积 增加 40 热传导效率提升至 96 以上 梯形多级冷凝结构结合三维空间排列和模块化设 计 能够显著提升冷凝效率和水资源回收率 同时具备 良好的可维护性和节能效益 这一设计将几何创新与 热力学原理深度融合 为温室水循环系统提供了高密 度 低阻力的核心换热单元 具有较高的应用价值 4 装置的整体结构 所研发的温室环境多效水循环系统采用四模块集 成化设计如图 2 图 3 所示 通过热力学循环实现环境 调控与水资源回收双重功能 系统架构由呈象限分布 的核心组件构成 左上象限的风冷式冷凝机组 右上象 限的蒸发换热单元 左下象限的涡旋式压缩机以及右 下象限的智能集水装置 各模块通过优化管路设计形 成闭式循环体系 图 2 装置正面图 风冷式冷凝机组 左上模块 采用轴流风机与板 翅式冷凝器的创新耦合设计 通过变频风机实现空气 流量精确控制 环境空气经导流罩加速后穿透冷凝器 翅片阵列 在强制对流作用下完成制冷剂相变散热 同步实现冷凝水初阶析出 蒸发换热单元 右上模块 配置新型亲水涂层翅片 管结构 通过制冷剂绝热膨胀蒸发过程 以显热 潜热 复合换热模式吸收温室内部湿热空气中的热能 该单 元采用多流程交叉流布局 有效提升湿度处理效率 40 众 创空间 科技创新与应用 Technology Innovation and Application2026 年 14 期 涡旋式压缩机 左下模块 作为系统动力核心 采用变容量调节技术 可将气态制冷剂压缩至 1 5 2 5 MPa 的超临界状态 驱动制冷剂完成从低压饱和 蒸气到高温高压过热气体的状态跃迁 智能集水装置 右下模块 集成梯度温控表面与 疏水膜分离技术 配备液位传感自排水系统 该装置 通过冷凝路径优化设计 可高效捕集系统运行过程中 产生的液态水 日集水量可达常规系统 1 8 倍 该温室环境多效水循环系统采用四模块集成化闭 式循环设计 通过热力学过程同步实现温室环境调控 与水资源回收双重功能 各模块通过优化管路协同运 作 显著提升环境温湿度调控效率与水资源回收性能 5 结论 本研究针对内蒙古地区水资源匮乏的挑战 深入 探索了温室环境内水资源的循环利用路径 核心在于 提出并验证了一种创新的冷凝式除湿与集水一体化 设计 该方案通过涡旋式压缩机 多层梯形蒸发器面 板及风机冷凝一体化模块的协同优化 实现了高效的 除湿过程与冷凝水收集 显著提升了系统整体水回收 效率和能源利用效率 面向未来 本研究为构建 温室多效水循环系统 指明了方向 智能化调控 融合物联网与自动化技术 实现对温室湿度 温度及集水量的实时监测与动态反 馈调节 优化循环效能 材料与结构迭代 应用新型疏 水材料 持续优化蒸发器表面特性及结构设计 提升 除湿冷凝效率与系统耐久性 系统化集成与应用拓 展 推进装置的紧凑化 轻量化 使其能灵活适配智能 温室 垂直农场等多元场景 并深度耦合滴灌 微喷灌 等节水技术 形成综合性的闭环水循环解决方案 通过上述路径的持续优化 本研究设计的一体化 除湿集水系统 有望在内蒙古乃至更广泛的干旱半干 旱地区温室农业中实现规模化应用 为解决水资源约 束 推动农业可持续发展提供重要的 水 能 环境 协 同增效技术支撑 参考文献 1 中华人民共和国水利部 2023 年中国水资源公报 R 2024 2 内蒙古自治区水利厅 2023 年内蒙古水资源公报 R 2023 3 李娜 水资源管理现状问题及应对措施思考 J 河北农机 2021 5 29 30 4 赵丽丽 闫永昌 基于 STM32 温室大棚冷凝水回收利用控制 系统设计 J 电子技术与软件工程 2022 11 117 120 5 庞晓锋 阳光驱动光热 电热界面材料构建及其强化水蒸发 性能研究 D 武汉 武汉轻工大学 2021 6 周靖翔 基于冷凝表面的主动送风空气取水装置及取水特性 研究 D 哈尔滨 哈尔滨工业大学 2023 7 蔡圣文 基于超快激光制备水雾收集和气泡单向运输双面神 膜的研究 D 合肥 安徽大学 2020 8 曹坤明 刘俊红 家用空调冷凝水生成规律与预测模型研究 J 制冷 2025 44 1 43 49 9 邵鑫雨 王路平 武国瑞 基于 Arduino 的空调冷凝水处理装 置研制 J 科技创新与应用 2025 15 11 49 52 10 赖伟彬 利用空调冷凝水的回收改良冷却水系统 J 制冷 2025 44 2 67 69 11 裴娜 赵金秀 贾铁林 等 风冷式空调机组冷凝水的回收与 利用 J 节能 2025 44 3 125 128 12 张海峰 提升空调供暖系统能效的冷凝水回收技术要点及 应用 J 家电维修 2025 5 7 9 13 王玄坤 陈冰杰 张迪 等 烟气冷凝水回收技术在燃气供热 系统中的设计应用 J 暖通空调 2025 55 5 145 150 图 3 装置多角度图 41