节能系统及节能控制方法与流程

本发明涉及一种节能系统及节能控制方法，尤其涉及一种用于植物工厂的节能系统及节能控制方法。

背景技术：

近年来，由于人造光源式的植物工厂是在室内育成植物，因此植物的成长不容易受到外来因素(天候、气候，虫害等)影响。所以，目前很多公司都亟欲发展此植物工厂，以解决未来粮食短缺的问题。

一般而言，空调设备是现今植物工厂最为耗能的设备之一。目前市面上大型的空调设备大多为冷凝-压缩的热回收循环式设备，或是以节能方式运行的热泵装置。然而，所述空调设备在长时间以及大空间使用上的耗电量相当惊人。但植物工厂需长年保持均温以精准掌控植物生长时间与产能，因此，空调设备为植物工厂中不可或缺的重要用电设备。如此一来，如何发展一种用于植物工厂的节能系统及节能控制方法，以降低植物工厂的耗电量将成为未来重要的一门课题。

技术实现要素：

本发明提供一种用于植物工厂的节能系统及节能控制方法，其可降低植物工厂的耗电量，以节省成本。

本发明提供一种用于植物工厂节能系统，包括：热交换器、第一供给装置、第二供给装置、发电单元以及栽培区。第一供给装置提供热交换介质至热交换器中。第二供给装置提供液态二氧化碳至热交换器中。液态二氧化碳流经热交换器后转变为气态二氧化碳。发电单元连接至热交换器，其包括涡轮机与发电机。所述气态二氧化碳驱动涡轮机产生动能至发电机，进而产生电能。栽培区连接至发电单元。经由发电单元后的气态二氧化碳被运送至栽培区中，以供应栽培区中的植物进行光合作用。

在本发明的一实施例中，所述热交换器包括互不相通的第一管路与第二管路。所述第一管路具有第一入口与第一出口。所述第二管路具有第二入口与第二出口。所述第一管路通过所述第一入口连接至所述第一供给装置。而所述第二管路通过所述第二入口连接至所述第二供给装置，且通过所述第二出口连接至所述发电单元。

在本发明的一实施例中，所述节能系统还包括空调单元，其一端通过所述第一出口连接至所述热交换器，而其另一端连接至所述第一供给装置，以形成封闭循环流道，用以调节所述栽培区的温度。

在本发明的一实施例中，所述节能系统还包括电热装置与储热装置。所述电热装置连接至所述发电单元，其可用以将所述电能转为热能。所述储热装置连接至所述电热装置，其可用以储存热水。

在本发明的一实施例中，所述节能系统还包括空调单元分别通过第三管路与第四管路连接至所述储热装置，以形成封闭循环流道。所述空调单元可用以调节所述栽培区的温度。

在本发明的一实施例中，所述节能系统还包括控制单元与警示单元。所述控制单元连接至所述第二供给装置，其可用以控制所述第二供给装置的开关。所述警示单元分别连接至所述控制单元与所述栽培区，其可用以接收所述栽培区中的所述气态二氧化碳的浓度，进而控制所述控制单元的开关。

本发明提供一种用于植物工厂的节能控制方法，其步骤如下。利用第一供给装置提供热交换介质至热交换器中。利用第二供给装置提供液态二氧化碳至所述热交换器中。所述液态二氧化碳流经所述热交换器后转变为气态二氧化碳。将所述气态二氧化碳运送至所述发电单元中。所述发电单元包括涡轮机与发电机。所述气态二氧化碳驱动所述涡轮机产生动能至所述发电机，进而产生电能。将经由所述发电单元后的所述气态二氧化碳运送至所述栽培区中，以供应所述栽培区中的植物进行光合作用。

在本发明的一实施例中，所述节能控制方法还包括将空调单元分别连接至所述热交换器以及所述第一供给装置，以形成封闭循环流道。当外界温度高于预设温度时，所述第一供给装置提供所述热交换介质至所述热交换器中，使得流经所述热交换器后的所述热交换介质的温度低于所述预设温度，并将所述热交换介质运送至所述空调单元，其可用以调节所述栽培区的温度。

在本发明的一实施例中，所述节能控制方法还包括利用电热装置将所述电能转为热能。利用所述热能加热储热装置中的热水，且储存所述热水。

在本发明的一实施例中，所述节能控制方法还包括将空调单元分别连接至所述储热装置，以形成封闭循环流道。当外界温度低于预设温度时，所述储热装置提供所述热水至所述空调单元中，其中流经所述空调单元的所述热水的温度高于所述预设温度，用以调节所述栽培区的温度。

在本发明的一实施例中，所述节能控制方法还包括利用控制单元来控制所述第二供给装置的开关。利用警示单元来接收所述栽培区中的所述气态二氧化碳的浓度，以控制所述控制单元的开关。

在本发明的一实施例中，利用所述警示单元来控制所述控制单元的开关的步骤如下。当所述栽培区中的所述气态二氧化碳的浓度高于1500PPM，产生警示信号，且同时关闭所述控制单元，进而停止提供所述液态二氧化碳至所述热交换器中。

基于上述，本发明通过热交换器，将流经所述热交换器后的液态二氧化碳转变为气态二氧化碳，藉此产生电能。所述电能可用来加热且储存热水，以提供空调单元来调节栽培区的温度。另一方面，所述气态二氧化碳也可运送至栽培区中，用以供应栽培区中的植物进行光合作用。如此一来，本发明不仅能通过二氧化碳的相变来发电以降低植物工厂的耗电量，同时还可通过气态二氧化碳来供应栽培区中的植物进行光合作用，进而降低植物工厂的生产成本。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明的第一实施例的节能系统示意图；

图2是本发明的第二实施例的节能系统示意图；

图3为对应图1的节能控制方法流程图；

图4为对应图2的节能控制方法流程图。

附图标记说明：

10、20、30、40、50、60、70、80：管路；

10a、20a：入口；

10b、20b：出口；

100、200：节能系统；

102：控制单元；

104：第一供给装置；

106：第二供给装置；

108：热交换器；

110：发电单元

112：空调单元；

114：电热装置；

116：储热装置；

118：栽培区；

120：警示单元；

S001～S010：步骤。

具体实施方式

图1是本发明的第一实施例的节能系统示意图。图3为对应图1的节能控制方法流程图。

请同时参照图1与图3，本实施例提供一种节能系统100及利用此节能系统100的节能控制方法，其可用于植物工厂。节能系统100包括：控制单元102、第一供给装置104、第二供给装置106、热交换器108、发电单元110、空调单元112以及栽培区118。本实施例的利用所述节能系统100的节能控制方法的步骤如下。

首先，进行步骤S001，利用控制单元102控制第一供给装置104与第二供给装置106。第一供给装置104可用以提供热交换介质；而第二供给装置106则可用以提供液态二氧化碳。在本实施例中，热交换介质可例如是盐水。由于盐水的凝固点比纯水低，因此，在后续经由热交换器108中进行热交换时，其较不容易凝结成冰。但本发明不以此为限，在其他实施例中，热交换介质的种类可依照需求来置换。

接着，同时进行步骤S002以及步骤S003，利用第一供给装置104提供热交换介质至热交换器108中，且同时利用第二供给装置106提供液态二氧 化碳至热交换器108中。热交换器108包括互不相通的第一管路10与第二管路20。在本实施例中，第二管路20可例如是单盘管或多盘管。第一管路10具有第一入口10a与第一出口10b。第一管路10通过第一入口10a连接至第一供给装置104，因此，第一供给装置104所提供的热交换介质经由第一管路10来进行热交换。第二管路20具有第二入口20a与第二出口20b。第二管路20通过第二入口20a连接至第二供给装置106，且通过第二出口20b连接至发电单元110，因此，第二供给装置106所提供的液态二氧化碳经由第二管路20来进行热交换。液态二氧化碳流经热交换器108(也即第二管路20)后可转变为气态二氧化碳。详细地说，当热交换介质进入第一管路10且液态二氧化碳进入第二管路20时，液态二氧化碳的沸点为-57℃，而热交换介质的温度为室温(约为22℃～28℃)。由于上述两者具有温度差，因此，热交换介质与液态二氧化碳可在热交换器108中进行热交换。所述热交换使得热交换介质的温度降至约-6℃；而液态二氧化碳则会因为吸热转变为气态二氧化碳。在本实施例中，热交换介质可例如是盐水，由于盐水的凝固点较低，即使盐水的温度降至约-6℃也不容易凝固成冰。

之后，进行步骤S004，将流经热交换器108后的热交换介质运送至空调单元112，用以调节栽培区118的温度。详细地说，空调单元112的一端通过管路30、第一出口10b连接至热交换器108中的第一管路10；而空调单元112的另一端则是通过管路40连接至第一供给装置104，以形成封闭循环流道。当外界温度(可例如是30℃～38℃)高于预设温度时(也即夏季环境)，第一供给装置104便会提供热交换介质至热交换器108中。由于流经热交换器后的热交换介质的温度将低于所述预设温度，因此，当低于所述预设温度的所述热交换介质运送至空调单元112中，其可用来维持栽培区118的温度，以降低植物工厂的耗电量，进而节省成本。在本实施例中，预设温度可例如是28℃，但本发明不以此为限，在其他实施例中，所述预设温度可依使用者需求来调整。

之后，进行步骤S005，将所述气态二氧化碳运送至发电单元110中，进而产生电能。详细地说，发电单元110通过管路50连接至热交换器108的第二管路20。发电单元110包括涡轮机与发电机(未示出)。由于温度约为-57℃的液态二氧化碳在流经热交换器108后转变为室温(约为25℃～30℃)的气态二氧化碳，其体积迅速膨胀，故可驱动涡轮机产生动能至发电机，进而产生电能。

接着，同时进行步骤S006以及步骤S007，利用电热装置114将所述电能转为热能，并利用所述热能加热储热装置116中的热水。而储热装置116用以储存所述热水。另一方面，又同时将经由发电单元110后的气态二氧化碳运送至栽培区118中，以供应栽培区118中的植物进行光合作用。本实施例可通过热交换器108，将流经热交换器108后的液态二氧化碳转变为气态二氧化碳，藉此产生电能。所述电能可用来加热且储存热水。此外，气态二氧化碳也可运送至栽培区118中，用以供应栽培区118中的植物进行光合作用。因此，本实施例不仅能通过二氧化碳的相变来发电以降低植物工厂的耗电量，同时还可通过气态二氧化碳来供应栽培区中的植物进行光合作用，进而降低植物工厂的生产成本。在一实施例中，若储热装置116中的热水已达到限制温度(85℃)，则可停止加温，且可将发电单元110所产生的多余电能并联市电系统，其可用以提供植物工厂内的其他部分用电。

之后，进行步骤S008与步骤S009，当栽培区118中的气态二氧化碳的浓度高于1500PPM，停止提供液态二氧化碳至热交换器108中。详细地说，请继续参照图1，本实施例还包括警示单元120，其分别连接至控制单元102与栽培区118。警示单元120可用以接收栽培区118中的气态二氧化碳的浓度，进而控制控制单元102的开关。换言之，当栽培区118中的气态二氧化碳的浓度高于1500PPM(即对人体有害的状况)，警示单元120接收栽培区118中的气态二氧化碳的浓度高于1500PPM的信号，进而产生警示信号，且同时关闭控制单元102。如此一来，控制单元102便会停止提供液态二氧化碳至热交换器108中，以避免栽培区118中的气态二氧化碳的浓度持续升高。另一方面，当栽培区118中的气态二氧化碳的浓度低于1500PPM，则可根据本实施例的栽培区118的温度来决定控制单元102的开关。也就是说，当栽培区118的温度高于所述预设温度(可例如是28℃)时，则利用控制单元102开启第一供给装置104与第二供给装置106。反之，当栽培区118的温度低于所述预设温度(可例如是28℃)时，则利用控制单元102关闭第一供给装置104与第二供给装置106。

图2是本发明的第二实施例的节能系统示意图。图4为对应图2的节能控制方法流程图。

请同时参照图2与图4，由于图2的节能系统200与图1的节能系统100基本上相似，且图4的步骤S001～S003、S005～S009与图3的步骤S001～S003、 S005～S009相同，于此便不再赘述。图4与图3不同之处在于：当外界温度(可例如是20℃)低于预设温度时(也即冬季环境)，储热装置116便会提供所述热水至空调单元112中。如图2所示，空调单元112分别通过第三管路70以及第四管路80连接至储热装置116，以形成封闭循环流道，用以调节栽培区118的温度。由于储热装置116中的热水的温度(85℃)高于所述预设温度。如此一来，本发明便可利用储热装置116中的热水来维持栽培区118的温度，以降低植物工厂的耗电量，进而节省成本。在本实施例中，预设温度可例如是28℃，但本发明不以此为限，在其他实施例中，所述预设温度可依使用者需求来调整。

值得一提的是，虽然本实施例的节能系统100也使用二氧化碳当作发电媒介，但经由发电单元110后的气态二氧化碳可被运送至栽培区118中，以供应栽培区118中的植物进行光合作用。因此，本实施例的节能系统100整体散逸至外界的二氧化碳量远低于采用其他耗能的空调设备所产生的温室气体量(也即二氧化碳量)。在一实施例中，节能系统100散逸至外界的二氧化碳量与其他空调设备所产生的二氧化碳量的比为1：5。由此可知，本实施例的节能系统100不仅可降低植物工厂的耗电量，以节省成本，相较于其他耗能的空调设备，还更具备环保绿能的功用。

综上所述，本发明通过热交换器，将流经所述热交换器后的液态二氧化碳转变为气态二氧化碳，藉此产生电能。在夏季环境下，所述电能可用来加热且储存热水，以在冬季环境下提供热水至空调单元来调节栽培区的温度。另一方面，所述气态二氧化碳也可运送至栽培区中，用以供应栽培区中的植物进行光合作用。如此一来，本发明不仅能通过二氧化碳的相变来发电以降低植物工厂的耗电量，同时还可通过气态二氧化碳来供应栽培区中的植物进行光合作用，进而降低植物工厂的生产成本。此外，本实施例的节能系统不仅可降低植物工厂的耗电量，以节省成本，相较于其他耗能的空调设备，还更具备环保绿能的功用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。