МИКРОКЛИМАТ КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ (ТЕПЛИЦ) В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

МИКРОКЛИМАТ КУЛЬТИВАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ (ТЕПЛИЦ) В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

Научная статья

Баишева Л.М.¹, Львова Л.А.^2, *

^{1, 2} ФГАОУ ВО «Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова», Якутск, Россия

* Корреспондирующий автор (lvova.lyutsiya[at]mail.ru)

Аннотация

В работе представлен расчет теплового баланса тепличных комбинатов в условиях Крайнего Севера и анализ вариантов тепловентиляционного оборудования. За расчётный проект принята фермерская теплица площадью 576 м², выпускаемая ООО «Агрисовгаз». По результатам проведенной работы, оптимальным вариантом стало возведение части теплицы из бруса, а остальных ограждающих конструкций из стеклопакета. А также выполнен анализ четырёх видов систем отопления, из которых целесообразным стало применение водовоздушного отопления.

Ключевые слова: Культивационные сооружения, микроклимат, ограждающие конструкции, система отопления, теплота.

MICROCLIMATE OF CULTIVATION STRUCTURES (GREENHOUSES) UNDER CONDITIONS OF FAR NORTH

Research article

Baisheva L.M.¹, Lvova L.A.^2, *

^{1, 2} Heat and Gas Supply and Ventilation, FSAEI of HE, Ammosov North-Eastern Federal University, Yakutsk, Russia

* Corresponding author (lvova.lyutsiya[at]mail.ru)

Abstract

The paper presents the heat balance calculation of greenhouse plants in the Far North and the analysis of options for heat and ventilation equipment. The greenhouse farm with a total area of 576 m² manufactured by Agrisovgaz LLC is taken as the design project. According to the results of this work, the construction of part of the greenhouse from the timber, and the rest of the enclosing structures from the double-glazed window was the best option. The analysis of four types of heating systems was conducted as well; the use of water-air heating turned out to be the most appropriate.

Keywords: Cultivation premies, microclimate, building envelope, heating system, heat. 

Введение

Сельскохозяйственное производство Республики Саха (Якутии) находится в зоне высокого риска в связи с экстремальными климатическими условиями. Очень короткое с неустойчивыми погодными условиями лето и длительная холодная зима создают массу проблем. Особенностью региона является резко континентальный климат, а также повсеместно распространена многолетняя мерзлота. В связи с этим требуется предпринять меры по построению культивационных сооружений круглогодичной эксплуатации.

Климат культивационных сооружений значительно зависит от наружных метеорологических условий (в особенности от интенсивности солнечной радиации, а также наружной температуры).

Теплицы – наиболее сложный и совершенный вид культивационных сооружений защищённого грунта. Они снабжены различным технологическим оборудованием, системами обеспечения микроклимата и обслуживаются людьми и машинами. Стены и кровлю теплиц делают из материалов, способных пропускать солнечную радиацию. Чаще используются стекло, стеклопластик и плёнки разных типов. Микроклимат теплиц зависит от спектральной и теплофизической характеристик материалов ограждений, степени герметизации стыков.

За расчётный проект принята фермерская теплица площадью 576 м², выпускаемая ООО «Агрисовгаз».

Расчёт теплового баланса

При составлении уравнения теплового баланса используем известные в теории теплопередачи закономерности тепломассообмена, учитывая особенность условия теплиц (см. рисунок. 1).

Рис. 1 – Тепловой баланс теплицы

  Мощность системы отопления в теплицах определяется из уравнения теплового баланса:       (1) Рассмотрим первый случай, когда материалом ограждающих конструкций служит стеклопакет. Потери тепла через ограждение:      (2)

где  A – площадь ограждающих конструкций, м²;

k – коэффициент теплопередачи, для стеклопакета принимается равным 1,67 Вт/м²ºС;

n – коэффициент, учитывающий зависимость положения ограждающей конструкции по отношению к наружному воздуху, принимается равной 1.

Далее находим площадь ограждающих конструкций:

Тогда

Рассмотрим второй случай, когда применяется монолитный поликарбонат при тройном остеклении, коэффициент теплопередачи которого равен 1,78 Вт/м²ºС.

Потери тепла через ограждение в этом случае составляет:

Рассмотрим третий случай, когда часть наружных стен выполнена из бруса, коэффициент теплопередачи которого равен 0,787 Вт/м²ºС, а другая часть и кровля из стеклопакета.

Площадь наружных стен:

Площадь кровли:

Тогда потери тепла составляет:

Теплопотери через грунт:

    (3)

Первый случай: 

Второй случай: 

Третий случай: 

Количество теплоты, необходимой на нагрев инфильтрующегося воздуха:

    (4)

где  - объем помещения, м³;

n - кратность воздухообмена, принимается равной 1, 1/ч;

p - плотность воздуха, 1,2 кг/м³;

c - теплоемкость воздуха, равная 1 кДж/кгºС.

Объем помещения 

Тогда количество теплоты на инфильтрацию:

Теплопоступления через почву:

   (5)

где a - коэффициент теплоотдачи поверхности почвы, 5 Вт/м²ºС;

s – поверхность почвы, м², принимается равной 80 % от площади;

t - температура почвы, 20 ºС.

Из этого следует, что теплопоступление через почву будет равным:

Итак, мощность системы отопления для трех случаев, определяемы по формуле 1:

Анализ вариантов тепловентиляционного оборудования

В теплицах системы отопления могут быть с различными видами теплоносителя: водой, воздухом, паром, газом.

А) Наиболее популярный в настоящее время вид системы – водяное отопление. При устройстве данного отопления для обогрева отдельных зон следует установить несколько систем:

• Подпочвенного обогрева – для создания требуемого температурного режима в корнеобитаемом слое почвы. В качестве нагревательных элементов могут быть использованы металлопластиковые или пластмассовые трубы.
• Цокольного обогрева – чтобы сосредоточить холодные потоки в пристенной зоне, можно применить регистры.
• Шатрового обогрева – для обеспечения снеготаяния и поддержания требуемого температурного режима в верхней зоне. В качестве отопительных приборов используются излучатели.

Б) Второй способ обогрева теплиц – воздушное отопление. Воздух температурой 60-70°С подают в рабочий объем по перфорированным полиэтиленовым трубопроводам, укладываемых в надпочвенной зоне. Рассредоточенный выпуск воздуха целесообразно предусматривать также в пристенной зоне. При проектировании воздухораспределения следует отметить, что приточные струи быстро затухают, проходя через рабочий объем с большим числом листьев и плодов. Увеличить скорость струи, для того чтобы она распространялась на большие расстояния, нельзя из-за близости растений. Удаление воздуха происходит через неплотности в ограждающих конструкциях и рециркуляционные отверстия. При данном отоплении можно регулировать подвижность воздуха, уменьшать инфильтрацию, а также не допускать перегрева в летний период.

Воздушное отопление малоинерционное и требует значительно меньшего расхода металла, чем водяное. Однако таяние снега удаётся обеспечивать в редких случаях и поддерживать температуры в почве достаточно трудно. Такое отопление устаивают обычно в культивационных сооружениях небольшого объёма и сезонного действия.

В) Наиболее целесообразным является применение комбинированного водовоздушного обогрева. Системы подпочвенного и шатрового отопления должны быть водяными. Под лотки и пристенную зону следует подавать нагретый воздух. Данная система совмещает в себе преимущества водяной и воздушной. Она надёжно и равномерно обеспечивает требуемые параметры воздуха и почвы, исключает перегрев в летний период, уменьшает инфильтрацию и создаёт необходимую подвижность воздуха. Комбинируя режимы работы водяной и воздушной систем, можно регулировать температуру воздуха в теплице в зависимости от наружных условий.

В зависимости от наружных параметров воздуха можно регулировать температуру воздуха внутри теплицы, комбинируя режимы работы водяной и воздушной систем. Наиболее сложной задачей является размещение установок водовоздушного обогрева.

Г) В последние время получило распространение электрическое отопление. В этом случае предлагается солнечный электрогенератор.

Из-за высокой теплоизоляции вакуумные солнечные коллекторы эффективно работают при низких температурах окружающей среды вплоть до -30С, что очень полезно для обогрева теплиц и грунта.

Однако, когда температура окружающей среды и плотность потока солнечного излучения низкие, коллекторы не способны обеспечить требуемые параметры воздуха, тогда подключается тепловой насос. Союз комбинированных систем, является конкурентным по сравнению с традиционными системами отопления. Из-за снижения стоимости устройств данный путь отопления становится весьма привлекательным. Солнечная энергия бесплатна, экологична и способна покрывать значительную долю тепловой потребности теплицы.

Выводы

Исходя из вышеизложенного можшо сделать следующие выводы:

1. Выполнен расчёт мощности системы отопления фермерсклй теплицы площадью 576 м², в первом случае, когда ограждающие конструкции выполнены из стеклопакета, во втором – из монолитного поликарбоната при тройном остеклении, и в третьем –из бруса и стеклопакета. Как следует из этих расчётов для ограждающих конструкций, выполненных из стеклопакета, на 1 м² необходимое количество теплоты составило 0,68 кВт; из поликарбоната – 0,72 кВт; из бруса и стеклопакета – 0,57 кВт. Таким образом, наиболее целесообразно будет возвести теплицу, ограждающие конструкции которого будут выполнены частично из бруса, частично из стеклопакета.
2. Выполнен сравнительный анализ четырёх видов систем отопления, исходя из которых обосновано оборудование. На основе вышеуказанных достоинств, логично было применить водовоздушную системы отопления, т.к. она надёжно и равномерно обеспечивает требуемые параметры воздуха и почвы, исключает перегрев в летний период, уменьшает инфильтрацию и создаёт необходимую подвижность воздуха. В качестве отопительных приборов применены регистры и перфорированные воздуховоды.

При условии наличия источника теплоснабжения, котельной с расчётной нагрузкой, требуемой для поддержания микроклимата теплицы, будет возможно ее построение круглогодичной эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. СНиП 2.10.04-85. Теплицы и парники
2. НТП 10-95. Нормы технологического проектирования теплиц и тепличных комбинатов для выращивания овощей и рассады
3. Бодров В. И. Микроклимат зданий и сооружений / Бодров В. И. – Нижний Новгород: Арабеск, 2001. – 395 с.
4. Егиазаров А. Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов / Егиазаров А. Г. – М.: Стройиздат, 1981.
5. Климов. В. В. Оборудование теплиц подсобных и личных хозяйств / Климов. В. В. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 96 с.
6. Степанова А. Е. Сельскохозяйственное производство на примере республики Саха (Якутия) на современном этапе / Степанова А. Е. // Региональная экономика: теория и практика. – 2011. – 23. –С. 59-62.
7. Малышев Н. А. Исследование температурного и тепловлажностного режима культивационных сооружений в теплый период года / Малышев Н.А., Логинов И.А. // Приволжский научный журнал. – 2010. – 4 (16). –С. 106-113.
8. Борисов Е. А. Система управления агропромышленным комплексом Республики Саха (Якутия): дис. ... канд. тех. наук: 08.00.05: защищена 03.10.00: утв. 15.07.05 / Борисов Егор Афанасьевич. –М: ВНИИЭСХ, 2000. – 348 с.\
9. Бирюков С. В. Особенности нормирования потребления тепловой энергии системами отопления и вентиляции сельскохозяйственными зданиями / Бирюков С. В. // Аграрный научный журнал. – 2019. – 9. –С. 74-78.
10. Молчанов А.Г. Оптимизация параметров микроклимата теплиц / Молчанов А.Г., Авдеева В.Н. // Техника и оборудование для села. – 2009. – 9. –С. 39-40.

Список литературы на английском языке / References in English

1. SNiP 2.10.04-85. Teplitsy i parniki [Greenhouses and hotbeds] [in Russian]
2. NTP 10-95. Normy tekhnologicheskogo proyektirovaniya teplits i teplichnykh kombinatov dlya vyrashchivaniya ovoshchey i rassady [Norms of technological design of greenhouses and greenhouse complexes for growing vegetables and seedlings] [in Russian]
3. Bodrov V.I. Mikroklimat zdaniy i sooruzheniy [Microclimate of buildings and structures] / Bodrov V.I. – Nizhny Novgorod: Arabesque, 2001. – 395 p. [in Russian]
4. Egiazarov A. G. Otopleniye i ventilyatsiya zdaniy i sooruzheniy sel'skokhozyaystvennykh kompleksov [Heating and ventilation of buildings and structures of agricultural complexes] / Egiazarov A. G. – M .: Stroyizdat, 1981. [in Russian]
5. V.V. Oborudovaniye teplits podsobnykh i lichnykh khozyaystv [Equipment of greenhouses for subsidiary and personal households] / Klimov. V.V. – M.: Energoatomizdat, 1992. – 96 p. [in Russian]
6. Stepanova A.E. Sel'skokhozyaystvennoye proizvodstvo na primere respubliki Sakha (Yakutiya) na sovremennom etape [Agricultural production on example of Republic of Sakha (Yakutia) at present stage] / Stepanova A.E. // Regional'naya ekonomika: teoriya i praktika. [Regional economy: theory and practice]. – 2011. – 23. – P. 59-62. [in Russian]
7. Malyshev N. A. Issledovaniye temperaturnogo i teplovlazhnostnogo rezhima kul'tivatsionnykh sooruzheniy v teplyy period goda [Research of temperature heat and humidity conditions of cultivation facilities in warm season] / Malyshev N. A., Loginov I. A. // Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Scientific Journal]. – 2010. – 4 (16). – P. 106-113. [in Russian]
8. Borisov E. A. Sistema upravleniya agropromyshlennym kompleksom Respubliki Sakha (Yakutiya) [Management system of the agro-industrial complex of Republic of Sakha (Yakutia)] PhD thesis in Engineering] 08.00.05: protected 03.10.00: approved. 07/15/05 / Borisov Egor Afanasevich. – M:VNIIESKh, 2000. – 348 p. [in Russian]
9. Biryukov S.V. Osobennosti normirovaniya potrebleniya teplovoy energii sistemami otopleniya i ventilyatsii sel'skokhozyaystvennymi zdaniyami [Features of thermal energy consumption regulation by heating and ventilation systems in agricultural buildings] / Biryukov S.V. // Agrarnyy nauchnyy zhurnal [Agrarian scientific journal. – 2019. – 9. – P. 74-78. [in Russian]
10. Molchanov A.G. Optimizatsiya parametrov mikroklimata teplits [Optimization of microclimate parameters of greenhouses] / Molchanov A.G., Avdeeva V.N. // Tekhnika i oborudovaniye dlya sela [Technique and equipment for the village]. – 2009. – 9. – P. 39-40. [in Russian]